JP6143608B2 - Pressure sensor - Google Patents

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本発明は、カーボンナノチューブを用いた圧力センサに関する。   The present invention relates to a pressure sensor using carbon nanotubes.

従来の圧力センサの例として、複数のカーボンナノチューブを含むセンサ素子体（検知素子）及びセンサ素子体と接触している電気プローブを備え、応力や歪みの機械的状態を測定するものがある（例えば特許文献１）。   An example of a conventional pressure sensor includes a sensor element body (sensing element) including a plurality of carbon nanotubes and an electrical probe in contact with the sensor element body, and measures a mechanical state of stress and strain (for example, Patent Document 1).

特表２００６−５２１２１２号公報JP 2006-521212 Gazette

しかし、このような従来の圧力センサは、センサ素子体にカーボンナノチューブを用いるため、例えば高温下や酸化雰囲気下などの過酷な測定環境での利用を目的とした場合には、センサ素子体であるカーボンナノチューブも腐食され、圧力センサとして利用できない惧れがある。   However, since such a conventional pressure sensor uses carbon nanotubes for the sensor element body, it is a sensor element body for the purpose of use in a harsh measurement environment such as a high temperature or an oxidizing atmosphere. Carbon nanotubes are also corroded and may not be used as pressure sensors.

本発明は上記問題点を解決して、過酷な測定環境での利用を可能とする特に耐熱性に優れたカーボンナノチューブを用いた圧力センサを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a pressure sensor using carbon nanotubes that are particularly excellent in heat resistance and can be used in a severe measurement environment.

本発明の実施例１に係る圧力センサは、導電部材に垂直に配向されて表面に耐熱性を有する被覆膜が形成された複数の被覆カーボンナノチューブからなるセンサ素子体と、当該センサ素子体が収容される収容部材と、当該収容部材の開口部に設けられて複数の前記被覆カーボンナノチューブの先端を覆う受圧部である可撓性及び導電性を有するダイアフラムとを具備し、
負荷がない状態において、前記ダイアフラムと前記被覆カーボンナノチューブの先端とが当接するように配置され、
且つ負荷が作用した状態において、前記ダイアフラムを介して前記被覆カーボンナノチューブが歪むことによる抵抗値の変化を検出して圧力を測定し得るようにした。 The pressure sensor according to the first embodiment of the present invention includes a sensor element body composed of a plurality of coated carbon nanotubes that are oriented perpendicularly to a conductive member and on which a heat-resistant coating film is formed, and the sensor element body includes: A housing member to be housed, and a flexible and conductive diaphragm that is a pressure receiving portion that is provided in an opening of the housing member and covers the tips of the plurality of coated carbon nanotubes;
In a state where there is no load, the diaphragm and the tip of the coated carbon nanotube are disposed so as to abut,
In addition, the pressure can be measured by detecting a change in resistance value due to distortion of the coated carbon nanotube through the diaphragm in a state where a load is applied.

また、本発明の実施例２に係る圧力センサは、導電部材に垂直に配向されて表面に耐熱性を有する被覆膜が形成された複数の被覆カーボンナノチューブからなるセンサ素子体と、当該センサ素子体が収容される収容部材と、当該収容部材の開口部に設けられて複数の前記被覆カーボンナノチューブの先端を覆う受圧部である可撓性及び導電性を有するダイアフラムとを具備し、
負荷がない状態において、前記ダイアフラムと前記被覆カーボンナノチューブの先端とが離間するように配置され、
且つ負荷が作用した状態において、前記被覆カーボンナノチューブと前記ダイアフラムとの接触面積が増減することによる抵抗値の変化を検出して圧力を測定し得るようにした。 In addition, the pressure sensor according to the second embodiment of the present invention includes a sensor element body including a plurality of coated carbon nanotubes that are vertically aligned with a conductive member and have a heat-resistant coating film formed on a surface thereof, and the sensor element. A housing member in which the body is housed, and a flexible and conductive diaphragm that is a pressure receiving portion that is provided at an opening of the housing member and covers the tips of the plurality of coated carbon nanotubes,
In a state where there is no load, the diaphragm and the tip of the coated carbon nanotube are arranged so as to be separated from each other,
In addition, in a state where a load is applied, the pressure can be measured by detecting a change in resistance value due to an increase or decrease in the contact area between the coated carbon nanotube and the diaphragm.

そして、実施例１に係る圧力センサにおいて、被覆膜は、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、炭化ケイ素、シリコンゲルマニウムのいずれか一種、又は二種以上を含む複合材から成ることが好ましい。   In the pressure sensor according to the first embodiment, the coating film is formed of silicon, germanium, gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, zinc sulfide, zinc selenide, silicon carbide, silicon germanium, or two. It is preferably made of a composite material containing more than seeds.

さらに、実施例２に係る圧力センサにおいて、被覆膜は、アルミニウム、チタン、銅、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、マグネシウム、亜鉛、金、銀のいずれか一種、若しくは二種以上を含む合金、又は少なくとも一種の酸化物から成ることが好ましい。   Furthermore, in the pressure sensor according to Example 2, the coating film is made of aluminum, titanium, copper, chromium, iron, cobalt, nickel, magnesium, zinc, gold, silver, or an alloy containing two or more kinds, Alternatively, it is preferably made of at least one oxide.

本発明の圧力センサによれば、耐熱性を有する被覆膜が形成された被覆カーボンナノチューブをセンサ素子体として用いているため、例えば高温下や酸化雰囲気下などの過酷な測定環境での利用、特に高温下での利用に優れている。   According to the pressure sensor of the present invention, since the coated carbon nanotube in which a coating film having heat resistance is formed is used as a sensor element body, for example, use in a harsh measurement environment such as a high temperature or an oxidizing atmosphere, It is particularly excellent for use at high temperatures.

本発明の実施例１に係る圧力センサを用いた圧力計測器の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the pressure measuring device using the pressure sensor which concerns on Example 1 of this invention. 同圧力センサの負荷がない状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state without the load of the same pressure sensor. 同圧力センサの負荷が作用された状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state by which the load of the same pressure sensor was acted. 本発明の実施例２に係る圧力センサを用いた圧力計測器の概略構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows schematic structure of the pressure measuring device using the pressure sensor which concerns on Example 2 of this invention. 同圧力センサの負荷がない状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state without the load of the same pressure sensor. 同圧力センサの負荷が作用された状態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the state by which the load of the same pressure sensor was acted.

[実施例１]
本発明の実施例１に係る圧力センサ１と圧力センサ１を用いた圧力計測器１０について図１〜図３を用いて説明する。 [Example 1]
A pressure sensor 1 according to Embodiment 1 of the present invention and a pressure measuring instrument 10 using the pressure sensor 1 will be described with reference to FIGS.

圧力計測器１０は、概して、図１に示すように、センサ部１０ａと演算出力部１０ｂとから構成され、センサ部１０ａには、実施例１に係る圧力センサ１が設けられ、演算出力部１０ｂには、圧力センサ１の抵抗値を測定して出力する抵抗計２と、抵抗計２から入力された抵抗値を圧力値に変換して出力する抵抗／圧力変換部３と、抵抗／圧力変換部３から入力された変換された圧力値を表示する圧力表示部４とが備えられる。   As shown in FIG. 1, the pressure measuring instrument 10 generally includes a sensor unit 10a and a calculation output unit 10b. The pressure sensor 1 according to the first embodiment is provided in the sensor unit 10a, and the calculation output unit 10b. 1 includes a resistance meter 2 that measures and outputs a resistance value of the pressure sensor 1, a resistance / pressure conversion unit 3 that converts the resistance value input from the resistance meter 2 into a pressure value, and outputs the resistance value. And a pressure display unit 4 for displaying the converted pressure value input from the unit 3.

以下、本発明の実施例１に係る圧力センサ１について、図１及び図２を用いて説明する。
本発明の実施例１に係る圧力センサ１は、歪みゲージ型の圧力センサ１であり、図２に示すように、センサ素子として被覆カーボンナノチューブ５が用いられているものである。図１に示すように、圧力センサ１はセンサ部１０ａに設けられており、圧力センサ１は演算出力部１０ｂの抵抗計２に接続され、被覆カーボンナノチューブ５の歪み（屈曲）による抵抗率の変化が計測される。すなわち、被覆カーボンナノチューブ５の歪み（屈曲）によるピエゾ抵抗効果（後述する）を利用し、受けた負荷（圧力）を検知するものである。 Hereinafter, a pressure sensor 1 according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
The pressure sensor 1 according to the first embodiment of the present invention is a strain gauge type pressure sensor 1 and uses a coated carbon nanotube 5 as a sensor element as shown in FIG. As shown in FIG. 1, the pressure sensor 1 is provided in the sensor unit 10 a, and the pressure sensor 1 is connected to the resistance meter 2 of the calculation output unit 10 b and changes in resistivity due to distortion (bending) of the coated carbon nanotube 5. Is measured. That is, a received load (pressure) is detected using a piezoresistance effect (described later) due to distortion (bending) of the coated carbon nanotube 5.

具体的には、図２に示すように圧力センサ１は、導電部材６に垂直に配向されて垂直配向性を備えるとともに、表面に耐熱性を有する被覆材料、実施例１においては半導体材料の被覆膜５ａが形成（被覆）された複数の被覆カーボンナノチューブ５からなるセンサ素子体７と、センサ素子体７が収容される収容部材８と、収容部材８の開口部に設けられて複数の被覆カーボンナノチューブ５の先端を覆う受圧部である可撓性及び導電性を有するダイアフラム９とを具備している。そして、圧力センサ１、具体的には導電部材６とダイアフラム９とが抵抗計２に接続されている。また、負荷（圧力）がない状態（以下、基準状態という。）において、図２に示すように、被覆カーボンナノチューブ５は屈曲せず垂直配向性を有する状態で、ダイアフラム９と被覆カーボンナノチューブ５の先端とが当接して配置されている。ここで、垂直配向性の被覆カーボンナノチューブ５として、カーボンナノチューブ５ａが導電部材６に対して概ね９０°±１０°の範囲内で形成されたものが使用される。   Specifically, as shown in FIG. 2, the pressure sensor 1 has a vertical orientation with respect to the conductive member 6 and is provided with a coating material having a heat resistance on the surface. A sensor element body 7 composed of a plurality of coated carbon nanotubes 5 on which a covering film 5a is formed (coated), a housing member 8 in which the sensor element body 7 is housed, and a plurality of coatings provided in the opening of the housing member 8 A diaphragm 9 having flexibility and conductivity, which is a pressure receiving portion that covers the tip of the carbon nanotube 5, is provided. The pressure sensor 1, specifically, the conductive member 6 and the diaphragm 9 are connected to the ohmmeter 2. In a state where there is no load (pressure) (hereinafter referred to as a reference state), as shown in FIG. 2, the coated carbon nanotubes 5 are not bent and have a vertical orientation. The tip is in contact with the tip. Here, as the vertically aligned coated carbon nanotubes 5, those in which the carbon nanotubes 5 a are formed within a range of approximately 90 ° ± 10 ° with respect to the conductive member 6 are used.

被覆カーボンナノチューブ５におけるカーボンナノチューブ５ａは多層カーボンナノチューブが用いられている。多層カーボンナノチューブは２層以上のカーボンナノチューブで、本発明では、使用する多層カーボンナノチューブは３層以上であることが望ましい。その長さは３０μｍ〜５００μｍである。センサ素子体７は、複数のカーボンナノチューブ５ａが１０８〜１０１１／ｃｍ２の本数密度で導電部材６に対して垂直に配向されて形成されたブラシ状の構造体を成している。また、それらのカーボンナノチューブ５ａの表面には、図２に示すように、耐熱性を有する半導体材料、具体的には炭化ケイ素（ＳｉＣ）の被覆膜５ｂが被覆されている。炭化ケイ素のほかに、半導体材料としては、耐熱、耐酸化性を有するケイ素（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、リン化インジウム（ＩｎＰ）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化インジウム（Ｉｎ２Ｏ３）のいずれか一種又は二種以上を含む複合材が適用できる。このとき、被覆膜５ｂの厚さは、薄すぎると歪みによる抵抗率の変化が小さくセンサ素子体７の感度が低くなり、また厚すぎると被覆カーボンナノチューブ５が歪みにくくなるため、１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲が好適である。 Multi-walled carbon nanotubes are used as the carbon nanotubes 5 a in the coated carbon nanotubes 5. The multi-walled carbon nanotube is a carbon nanotube having two or more layers. In the present invention, the multi-walled carbon nanotube to be used is desirably three or more layers. The length is 30 μm to 500 μm. The sensor element body 7 has a brush-like structure formed by aligning a plurality of carbon nanotubes 5a perpendicularly to the conductive member 6 with a number density of 10 8 to 10 11 / cm 2 . Further, as shown in FIG. 2, the surface of the carbon nanotubes 5a is covered with a semiconductor material having heat resistance, specifically, a silicon carbide (SiC) coating film 5b. In addition to silicon carbide, semiconductor materials include silicon (Si), germanium (Ge), gallium arsenide (GaAs), indium phosphide (InP), gallium nitride (GaN), and zinc sulfide. (ZnS), zinc selenide (ZnSe), silicon carbide (SiC), silicon germanium (SiGe), tin oxide (SnO 2 ), indium oxide (In 2 O 3 ) Is applicable. At this time, if the thickness of the coating film 5b is too thin, the change in resistivity due to strain is small and the sensitivity of the sensor element body 7 is low, and if it is too thick, the coated carbon nanotube 5 is difficult to be distorted. The range of is preferable.

導電部材６は、図２に示すように、導電性を有する材料から成る板状物、膜状物であり、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれか一種、二種以上を含む合金、若しくは少なくとも一種の酸化物、又は二種以上の酸化物を含む合金が適用できる。なかでも、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タンタル（Ｔａ）、クロム（Ｃｒ）及びモリブデン（Ｍｏ）が特に効果的である。   As shown in FIG. 2, the conductive member 6 is a plate-like material or a film-like material made of a conductive material, and includes aluminum (Al), titanium (Ti), copper (Cu), chromium (Cr), iron. (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), magnesium (Mg), zinc (Zn), gold (Au), silver (Ag), tantalum (Ta), zirconium (Zr), molybdenum (Mo) One kind, an alloy containing two or more kinds, or at least one kind of oxide, or an alloy containing two or more kinds of oxides can be applied. Of these, copper (Cu), aluminum (Al), titanium (Ti), zirconium (Zr), tantalum (Ta), chromium (Cr) and molybdenum (Mo) are particularly effective.

ダイアフラム９は図２に示すように、表面側に耐腐食性の強いセラミック層（膜）９ａが、裏面側に導電性を有する金属層（膜）９ｂが重ねられて２層構造にされている。ダイアフラム９の金属層９ｂは耐熱性、耐酸化性及び導電性を有する材料から成る板状物又は膜状物である。ダイアフラム９の金属層９ｂには、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、タンタル（Ｔａ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれか一種、若しくは二種以上を含む合金、又は少なくとも一種の酸化物が適用できる。なかでも、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）及びチタン（Ｔｉ）が、導電性の面では銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）などが特に効果的である。また、セラミック層９ａには、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）が適用できる。 As shown in FIG. 2, the diaphragm 9 has a two-layer structure in which a highly corrosion-resistant ceramic layer (film) 9a is overlapped on the front surface side and a conductive metal layer (film) 9b is stacked on the back surface side. . The metal layer 9b of the diaphragm 9 is a plate or film made of a material having heat resistance, oxidation resistance and conductivity. The metal layer 9b of the diaphragm 9 includes aluminum (Al), titanium (Ti), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), magnesium (Mg), zinc (Zn), gold (Au), silver (Ag), tantalum (Ta), zirconium (Zr), tungsten (W), molybdenum (Mo), or an alloy containing two or more, or at least one Oxides can be applied. Of these, tungsten (W), tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and titanium (Ti) are particularly effective, and copper (Cu), gold (Au), and the like are particularly effective in terms of conductivity. Further, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) or silicon carbide (SiC) can be applied to the ceramic layer 9a.

センサ素子体７が収められる収容部材８は、耐熱、耐酸化性を有するガラスなどの絶縁体から成る。その形状は特に限定されるものではないが、本実施例においては角状の容器が用いられている。   The housing member 8 in which the sensor element body 7 is housed is made of an insulator such as glass having heat resistance and oxidation resistance. The shape is not particularly limited, but a square container is used in this embodiment.

以下、本実施例１に係る圧力センサ１を用いた圧力計測器１０について図１を用いて説明する。圧力計測器１０は、本実施例１に係る圧力センサ１と、圧力センサ１の被覆カーボンナノチューブ５の抵抗値を測定する抵抗計２と、抵抗計２から出力される抵抗値を圧力値に変換する変換テーブルを有して圧力値を出力する抵抗／圧力変換部３とを備える。変換テーブルについては、例えば、予め実験で求めた抵抗―圧力特性が用いられる。   Hereinafter, a pressure measuring instrument 10 using the pressure sensor 1 according to the first embodiment will be described with reference to FIG. The pressure measuring instrument 10 includes a pressure sensor 1 according to the first embodiment, an ohmmeter 2 for measuring the resistance value of the coated carbon nanotube 5 of the pressure sensor 1, and a resistance value output from the ohmmeter 2 into a pressure value. And a resistance / pressure conversion unit 3 having a conversion table for outputting a pressure value. For the conversion table, for example, resistance-pressure characteristics obtained in advance by experiments are used.

以下、本発明の実施例１に係る圧力センサ１を用いた圧力の測定方法について図１〜図３を用いて説明する。
基本的な原理について説明すると、基準状態において、ダイアフラム９と被覆カーボンナノチューブ５とが当接して配置されていることから、受圧時にダイアフラム９が変形することによって被覆カーボンナノチューブ５が変形するため、被覆カーボンナノチューブ５が歪む。この歪みにより被覆カーボンナノチューブ５の抵抗率が変化することで、センサ素子としての抵抗値が変化する。いわゆるピエゾ抵抗効果が得られる。ピエゾ抵抗効果とは、一般的に、半導体などに力を加えると結晶格子に歪みが生じて、半導体中のキャリアの数や移動度が変化するために、抵抗率が変化するといわれるものである。具体的には、実施例１においては、ダイアフラム９が受けた圧力Ｆ１に比例して抵抗率が増加する。本実施例においては、この抵抗率の変化、すなわち被覆カーボンナノチューブ５の抵抗値をホイートストンブリッジ回路を有する抵抗計２により測定するようにしたものである。 Hereinafter, a pressure measuring method using the pressure sensor 1 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
The basic principle will be described. Since the diaphragm 9 and the coated carbon nanotube 5 are arranged in contact with each other in the reference state, the coated carbon nanotube 5 is deformed by the deformation of the diaphragm 9 during pressure reception. The carbon nanotube 5 is distorted. The resistance value of the sensor element changes as the resistivity of the coated carbon nanotube 5 changes due to this strain. A so-called piezoresistance effect is obtained. The piezoresistive effect is generally said to be that when the force is applied to a semiconductor or the like, the crystal lattice is distorted and the number and mobility of carriers in the semiconductor change, so that the resistivity changes. . Specifically, in the first embodiment, the resistivity increases in proportion to the pressure F1 received by the diaphragm 9. In this embodiment, the change in resistivity, that is, the resistance value of the coated carbon nanotube 5 is measured by the ohmmeter 2 having a Wheatstone bridge circuit.

測定方法を圧力センサ１の状態とともに説明すれば、図２に示すように、基準状態において、ダイアフラム９と導電部材６とを抵抗計２に接続して、ダイアフラム９、導電部材６及び被覆カーボンナノチューブ５に電圧を印加して通電状態にする。そして、図３に示すように、ダイアフラム９が圧力Ｆ１を受けると、ダイアフラム９とともに被覆カーボンナノチューブ５は歪み（屈曲し）ながら全体として断面凹状に変形する。このように変形した被覆カーボンナノチューブ５の抵抗値が抵抗計２により測定され、この抵抗値が、抵抗／圧力変換部３に入力されて、予め実験により求めておいた抵抗―圧力特性に基づき圧力値が得られる。この圧力値が圧力表示部４に表示される。   Explaining the measurement method together with the state of the pressure sensor 1, as shown in FIG. 2, in the reference state, the diaphragm 9 and the conductive member 6 are connected to the resistance meter 2, and the diaphragm 9, the conductive member 6, and the coated carbon nanotube are connected. A voltage is applied to 5 to make it energized. As shown in FIG. 3, when the diaphragm 9 receives the pressure F <b> 1, the coated carbon nanotube 5 together with the diaphragm 9 is deformed (bent) and deformed into a concave cross section as a whole. The resistance value of the coated carbon nanotube 5 deformed in this way is measured by the resistance meter 2, and this resistance value is input to the resistance / pressure conversion unit 3, and the pressure value is determined based on the resistance-pressure characteristics obtained in advance through experiments. A value is obtained. This pressure value is displayed on the pressure display unit 4.

実施例１に係る圧力センサ１及びこれを用いた圧力計測器１０においては、耐熱性を有する被覆膜５ｂが形成された被覆カーボンナノチューブ５をセンサ素子体として用いているため、例えば高温下や酸化雰囲気下などの過酷な測定環境での利用、特に４００℃以上の高温下（ただし、被覆材料の融点以下であることが好ましく、炭化ケイ素（ＳｉＣ）の場合１４００℃程度である。）での利用に優れている。   In the pressure sensor 1 according to the first embodiment and the pressure measuring instrument 10 using the pressure sensor 1, the coated carbon nanotube 5 on which the heat-resistant coating film 5b is formed is used as the sensor element body. Use in a harsh measurement environment such as in an oxidizing atmosphere, particularly at a high temperature of 400 ° C. or higher (however, it is preferably below the melting point of the coating material, and about 1400 ° C. in the case of silicon carbide (SiC)). Excellent use.

また、本実施例１に係る圧力センサ１及びこれを用いた圧力計測器１０においては、被覆膜５ｂが半導体材料であるため、歪みによる抵抗率の変化が金属よりも大きいため、被覆カーボンナノチューブ５の抵抗値の変化を正確に検出でき、圧力センサ１の感度を高くすることができる。   Further, in the pressure sensor 1 according to the first embodiment and the pressure measuring instrument 10 using the pressure sensor 1, since the coating film 5b is a semiconductor material, the resistivity change due to strain is larger than that of the metal, and therefore the coated carbon nanotube 5 can be detected accurately, and the sensitivity of the pressure sensor 1 can be increased.

本実施例１に係る圧力センサ１及びこれを用いた圧力計測器１０においては、センサ素子体７に垂直配向性を有する被覆カーボンナノチューブ５を用いることで、垂直配向性を有さないカーボンナノチューブを用いる場合に比べて、抵抗値（歪み）検知に寄与するカーボンナノチューブ５ａの本数が多くなるため、圧力センサ１の感度を高くすることができる。   In the pressure sensor 1 according to the first embodiment and the pressure measuring instrument 10 using the pressure sensor 1, the carbon nanotubes having no vertical alignment are obtained by using the coated carbon nanotubes 5 having the vertical alignment for the sensor element body 7. Since the number of carbon nanotubes 5a contributing to resistance value (strain) detection is increased as compared with the case of using, the sensitivity of the pressure sensor 1 can be increased.

なお、実施例１に係る圧力センサ１を用いた圧力計測器１０は、センサ素子の要部となる被覆カーボンナノチューブ５が、耐熱、耐酸化性を有するガラス製の収容部材８に収められるとともに、耐熱、耐酸化性を有するダイアフラム９に覆われているため、被覆カーボンナノチューブ５は測定環境と遮絶されて、測定雰囲気に影響されることがない。したがって、この圧力センサ１を用いた圧力計測器１０は、測定雰囲気によらず、正確な測定を可能とする。
[実施例２]
本発明の実施例２に係る圧力センサ２０及びこれを用いた圧力計測器３０について図４〜図６を用いて説明する。なお、実施例２に係る圧力センサ２０は、実施例１に係る圧力センサ２０において、被覆カーボンナノチューブ２１の先端とダイアフラム９とが離間して配置されている構成であり、その他は実施例１と同一である。したがって、実施例１と同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する場合がある。図４に示すように、実施例１と同様に、センサ部３０ａと演算出力部３０ｂとで構成される圧力計測器３０のセンサ部３０ａに、実施例２に係る圧力センサ２０が用いられる。 In the pressure measuring instrument 10 using the pressure sensor 1 according to the first embodiment, the coated carbon nanotube 5 that is a main part of the sensor element is housed in a glass housing member 8 having heat resistance and oxidation resistance. Since it is covered with the diaphragm 9 having heat resistance and oxidation resistance, the coated carbon nanotube 5 is shielded from the measurement environment and is not affected by the measurement atmosphere. Therefore, the pressure measuring instrument 10 using the pressure sensor 1 enables accurate measurement regardless of the measurement atmosphere.
[Example 2]
A pressure sensor 20 according to a second embodiment of the present invention and a pressure measuring instrument 30 using the pressure sensor 20 will be described with reference to FIGS. The pressure sensor 20 according to the second embodiment has a configuration in which the tip of the coated carbon nanotube 21 and the diaphragm 9 are spaced apart from the pressure sensor 20 according to the first embodiment. Are the same. Therefore, about the same structure as Example 1, the same code | symbol may be attached | subjected and description may be abbreviate | omitted. As shown in FIG. 4, as in the first embodiment, the pressure sensor 20 according to the second embodiment is used in the sensor unit 30 a of the pressure measuring instrument 30 including the sensor unit 30 a and the calculation output unit 30 b.

圧力センサ２０は、図５に示すように、導電部材６に垂直に配向されて垂直配向性を備えるとともに、表面に被覆材料、実施例２においては金属材料２１ｂの被覆膜が形成された複数の被覆カーボンナノチューブ２１からなるセンサ素子体７と、センサ素子体７が収容される収容部材８と、収容部材８の開口部に設けられて複数の被覆カーボンナノチューブ２１の先端を覆う受圧部である可撓性及び導電性を有するダイアフラム９とを具備している。そして、圧力センサ２０、具体的には導電部材（金属板又は金属膜）６とダイアフラム９とは抵抗計２に接続されている。また、基準状態において、ダイアフラム９と被覆カーボンナノチューブ２１の先端とが離間して配置されている。離間の大きさについては、所望の測定範囲やカーボンナノチューブ２１ａの長さ、ダイアフラム９の特性（撓み量）などの諸条件によって、適宜設計される。   As shown in FIG. 5, the pressure sensor 20 is vertically aligned with the conductive member 6 and has a vertical alignment property, and has a coating material, a coating film of the metal material 21 b in Example 2 formed on the surface. A sensor element body 7 composed of a plurality of coated carbon nanotubes 21, a housing member 8 in which the sensor element body 7 is housed, and a pressure receiving portion that is provided in an opening of the housing member 8 and covers the tips of the plurality of coated carbon nanotubes 21. And a diaphragm 9 having flexibility and conductivity. The pressure sensor 20, specifically, the conductive member (metal plate or metal film) 6 and the diaphragm 9 are connected to the resistance meter 2. Further, in the reference state, the diaphragm 9 and the tip of the coated carbon nanotube 21 are arranged apart from each other. About the magnitude | size of separation, it designs suitably by various conditions, such as a desired measurement range, the length of the carbon nanotube 21a, and the characteristic (deflection amount) of the diaphragm 9.

実施例１と同様に、被覆カーボンナノチューブ２１におけるカーボンナノチューブ２１ａは多層カーボンナノチューブ（３層以上が望ましい）である。また、カーボンナノチューブ２１ａの表面には、耐熱性を有する金属材料、具体的にはチタン（Ｔｉ）の被覆膜２１ｂが被覆されている。チタンのほかに、耐熱性を有する金属材料としては、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃｕ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）のいずれか一種、若しくは二種以上を含む合金、又は少なくとも一種の酸化物が適用できる。このとき、被覆カーボンナノチューブ２１の表面に被覆された金属材料の被覆膜２１ａの厚みは、５ｎｍ以上が好適である。   Similar to Example 1, the carbon nanotubes 21a in the coated carbon nanotubes 21 are multi-walled carbon nanotubes (preferably three or more layers). The surface of the carbon nanotube 21a is covered with a heat-resistant metal material, specifically, a titanium (Ti) coating film 21b. In addition to titanium, heat-resistant metal materials include aluminum (Al), titanium (Ti), copper (Cu), chromium (Cr), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), magnesium Any one of (Mg), zinc (Zn), gold (Au), silver (Ag), an alloy containing two or more, or at least one oxide can be used. At this time, the thickness of the coating film 21a of the metal material coated on the surface of the coated carbon nanotube 21 is preferably 5 nm or more.

実施例２に係る圧力センサ２０を用いた測定方法について図４〜図６を用いて説明する。基準状態において、図５に示すように、ダイアフラム９とカーボンナノチューブ２１ａの先端とが離間して配置されているため、負荷（圧力）が作用した状態において、図６に示すように、受圧時にダイアフラム９が変形すると、ダイアフラム９と被覆カーボンナノチューブ２１の先端側とが接触するとともに、ダイアフラム９と接触するカーボンナノチューブ２１ａの本数に応じて接触面積が変化し、接触抵抗が変化する。したがって、この圧力センサ２０に、受圧時に抵抗計２により抵抗値を計測し、抵抗／圧力変換部３において、予め実験により求めた抵抗―圧力特性から圧力値を得て、これを測定値とする。   A measurement method using the pressure sensor 20 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. In the reference state, as shown in FIG. 5, the diaphragm 9 and the tip of the carbon nanotube 21a are spaced apart from each other. Therefore, in a state where a load (pressure) is applied, as shown in FIG. When 9 is deformed, the diaphragm 9 and the tip side of the coated carbon nanotube 21 come into contact with each other, the contact area changes according to the number of carbon nanotubes 21a in contact with the diaphragm 9, and the contact resistance changes. Therefore, the resistance value is measured by the resistance meter 2 at the time of receiving pressure in the pressure sensor 20, and the resistance / pressure conversion unit 3 obtains the pressure value from the resistance-pressure characteristic obtained in advance by an experiment, and this is used as the measured value. .

測定方法を圧力センサ２０の状態とともに説明すれば、基準状態において、図５に示すように、ダイアフラム９と導電部材６とを抵抗計２に接続して、ダイアフラム９及び導電部材６に電圧を印加して通電状態にする。図６に示すように、ダイアフラム９が圧力Ｆ２を受けると、断面凹状に変形して接触する被覆カーボンナノチューブ２１の本数が徐々に増えていく。このダイアフラム９と被覆カーボンナノチューブ２１との接触抵抗値が抵抗計２により測定され、この抵抗値が、抵抗／圧力変換部３に入力されて、予め実験により求めておいた抵抗―圧力特性に基づき、圧力値が得られる。この圧力値が、圧力表示部４に表示される。   Explaining the measurement method together with the state of the pressure sensor 20, in the reference state, as shown in FIG. 5, the diaphragm 9 and the conductive member 6 are connected to the ohmmeter 2, and a voltage is applied to the diaphragm 9 and the conductive member 6. To turn it on. As shown in FIG. 6, when the diaphragm 9 receives the pressure F2, the number of the coated carbon nanotubes 21 that are deformed into a concave shape in cross section and come into contact gradually increases. A contact resistance value between the diaphragm 9 and the coated carbon nanotube 21 is measured by an ohmmeter 2, and this resistance value is input to the resistance / pressure conversion unit 3 and is based on a resistance-pressure characteristic obtained in advance through experiments. A pressure value is obtained. This pressure value is displayed on the pressure display unit 4.

実施例２に係る圧力センサ２０及びこれを用いた圧力計測器３０においては、被覆膜２１ｂが金属材料から成るため半導体材料（実施例１に例示された被覆材料）と比べて導電性が向上し、接触抵抗の変化を検知しやすくなるとともに、接触面積の変化による抵抗値の変化に対して、歪みによる抵抗値の変化量が小さく、接触面積と抵抗値との関係がほぼ比例するため、接触抵抗の変化を精度良く検知することができる。   In the pressure sensor 20 according to the second embodiment and the pressure measuring instrument 30 using the pressure sensor 20, since the coating film 21b is made of a metal material, the conductivity is improved as compared with the semiconductor material (the coating material illustrated in the first embodiment). In addition, it is easy to detect changes in contact resistance, and since the amount of change in resistance value due to strain is small with respect to change in resistance value due to change in contact area, the relationship between the contact area and resistance value is almost proportional, Changes in contact resistance can be detected with high accuracy.

また、実施例２に係る圧力センサ２０及びこれを用いた圧力計測器３０においては、耐熱性を有する被覆膜２１ｂが形成された被覆カーボンナノチューブ２１をセンサ素子体として用いているため、４００℃以上の高温下（ただし、被覆材料の融点以下であることが好ましく、チタン（Ｔｉ）の場合１６００℃程度である。）での利用が可能となる。   Further, in the pressure sensor 20 according to the second embodiment and the pressure measuring instrument 30 using the pressure sensor 20, the coated carbon nanotube 21 on which the heat-resistant coating film 21 b is formed is used as the sensor element body. It can be used under the above high temperature (however, it is preferably below the melting point of the coating material and in the case of titanium (Ti), it is about 1600 ° C.).

そして、実施例２に係る圧力センサ２０を用いた圧力計測器３０は、センサ素子の要部となる被覆カーボンナノチューブ２１が、耐熱、耐酸化性を有するガラス製の収容部材８に収められるとともに、耐熱、耐酸化性を有するダイアフラム９に覆われているため、被覆カーボンナノチューブ２１は測定環境と遮絶されて、測定雰囲気に影響されることがない。したがって、この圧力センサ２０を用いた圧力計測器３０は、測定雰囲気によらず、正確な測定を可能とする。
[変形例]
実施例１に係る圧力センサ１においては、被覆カーボンナノチューブ５における被覆膜５ｂの被覆材料として半導体材料を用い、実施例２に係る圧力センサ２０においては、被覆カーボンナノチューブ２１における被覆膜２１ｂの被覆材料として金属材料を用いたが、これに限定されない。例えば、実施例１に係る圧力センサ１において、被覆膜５ｂの被覆材料として実施例２に例示した金属材料を用い、実施例２に係る圧力センサ２において、被覆膜２１ｂの被覆材料として実施例１に例示した半導体材料を用いてもよい。 And the pressure measuring instrument 30 using the pressure sensor 20 according to the second embodiment includes the coated carbon nanotubes 21 that are the main part of the sensor element housed in a glass housing member 8 having heat resistance and oxidation resistance. Since it is covered with the diaphragm 9 having heat resistance and oxidation resistance, the coated carbon nanotube 21 is shielded from the measurement environment and is not affected by the measurement atmosphere. Therefore, the pressure measuring instrument 30 using the pressure sensor 20 enables accurate measurement regardless of the measurement atmosphere.
[Modification]
In the pressure sensor 1 according to the first embodiment, a semiconductor material is used as the coating material of the coating film 5b in the coated carbon nanotube 5, and in the pressure sensor 20 according to the second embodiment, the coating film 21b in the coated carbon nanotube 21 is formed. Although a metal material is used as the coating material, the present invention is not limited to this. For example, in the pressure sensor 1 according to the first embodiment, the metal material exemplified in the second embodiment is used as the coating material for the coating film 5b. In the pressure sensor 2 according to the second embodiment, the coating material for the coating film 21b is used. The semiconductor material exemplified in Example 1 may be used.

実施例１及び実施例２に係る圧力センサ１，２０においては、被覆カーボンナノチューブ５，２１におけるカーボンナノチューブ５ａ，２１ａには多層のものを用いたが、これに限定されない。例えば、単層カーボンナノチューブを用いてもよい。単層カーボンナノチューブは、炭素原子の六員環のつながり方であるカイラリティによって金属型と半導体型とに分類されるが、実施例１においては歪みの感度がより高い半導体型を、実施例２においては導電性がより高い金属型をそれぞれ用いることが好適である。このように、半導体型及び金属型の選別はこのカイラリティにより行うことができるが、金属型及び半導体型を区別することなく用いるためには、実施例１又は実施例２と同様に、単層カーボンナノチューブの表面に半導体材料又は金属材料の被覆膜５ｂ，２１ｂをそれぞれ被覆すればよい。このとき、被覆膜５ｂ，２１ｂは、複数の単層カーボンナノチューブに半導体材料又は金属材料が湿式塗布された後、乾燥させて形成されるのが望ましい。なお、実施例１及び実施例２において、単層カーボンナノチューブを被覆せずに用いる場合には、収容部材８内は、不活性ガス（例えば窒素やアルゴン）で充満させた不活性ガス雰囲気又は真空にするのがよい。   In the pressure sensors 1 and 20 according to the first and second embodiments, the multi-walled carbon nanotubes 5a and 21a in the coated carbon nanotubes 5 and 21 are used, but the invention is not limited to this. For example, single-walled carbon nanotubes may be used. Single-walled carbon nanotubes are classified into a metal type and a semiconductor type depending on the chirality that is a way of connecting six-membered rings of carbon atoms. In Example 1, a semiconductor type having higher strain sensitivity is used in Example 2. It is preferable to use metal types having higher conductivity. As described above, the semiconductor type and the metal type can be selected based on this chirality. However, in order to use the metal type and the semiconductor type without distinction, as in Example 1 or Example 2, single-layer carbon is used. What is necessary is just to coat | cover the coating films 5b and 21b of a semiconductor material or a metal material on the surface of a nanotube, respectively. At this time, it is desirable that the coating films 5b and 21b are formed by applying a semiconductor material or a metal material to a plurality of single-walled carbon nanotubes and then drying them. In Example 1 and Example 2, when the single-walled carbon nanotube is used without being covered, the inside of the housing member 8 is an inert gas atmosphere or vacuum filled with an inert gas (for example, nitrogen or argon). It is good to make it.

実施例１において、被覆カーボンナノチューブ５の先端とダイアフラム９とを単に当接させて配置したが、より確実に互いを接触させるため、例えば、両者を融着や接着などにより固定してもよい。   In the first embodiment, the tip of the coated carbon nanotube 5 and the diaphragm 9 are arranged in contact with each other. However, in order to more reliably contact each other, for example, both may be fixed by fusion or adhesion.

実施例１及び実施例２においては、カーボンナノチューブ５ａ，２１ａを導電部材６側に固定したが、被覆カーボンナノチューブ５，２１の垂直配向性を保つため、被覆カーボンナノチューブ５，２１の基端部分を樹脂等で固定してもよい。   In Example 1 and Example 2, the carbon nanotubes 5a and 21a are fixed to the conductive member 6 side. However, in order to maintain the vertical orientation of the coated carbon nanotubes 5 and 21, the base end portions of the coated carbon nanotubes 5 and 21 are formed. You may fix with resin etc.

実施例１及び実施例２において、ダイアフラム９は２層構造のものを用いているが、当然ながら１層構造のものを用いても構わない。この場合、ダイアフラム９に用いられる材料は実施例１及び実施例２とダイアフラム９の金属層９ｂと同一のものが適用される。   In the first and second embodiments, the diaphragm 9 has a two-layer structure, but a single-layer structure may naturally be used. In this case, the material used for the diaphragm 9 is the same as that of the first and second embodiments and the metal layer 9b of the diaphragm 9.

１ 圧力センサ
２ 抵抗計
３ 抵抗／圧力変換部
４ 圧力表示部
５ 被覆カーボンナノチューブ
５ａ カーボンナノチューブ
５ｂ 被覆膜
６ 導電部材
７ センサ素子体
８ 収容部材
９ ダイアフラム
９ａ セラミック層
９ｂ 金属層
１０ 圧力計測器
１０ａ センサ部
１０ｂ 演算出力部
２０ 圧力センサ
２１ 被覆カーボンナノチューブ
２１ａ カーボンナノチューブ
２１ｂ 被覆膜
３０ 圧力計測器
３０ａ センサ部
３０ｂ 演算出力部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Pressure sensor 2 Resistance meter 3 Resistance / pressure conversion part 4 Pressure display part 5 Coated carbon nanotube 5a Carbon nanotube 5b Cover film 6 Conductive member 7 Sensor element body 8 Housing member 9 Diaphragm 9a Ceramic layer 9b Metal layer 10 Pressure measuring instrument 10a Sensor unit 10b Calculation output unit 20 Pressure sensor 21 Coated carbon nanotube 21a Carbon nanotube 21b Coating film 30 Pressure measuring device 30a Sensor unit 30b Calculation output unit

Claims (4)

導電部材に垂直に配向されて表面に耐熱性を有する被覆膜が形成された複数の被覆カーボンナノチューブからなるセンサ素子体と、当該センサ素子体が収容される収容部材と、当該収容部材の開口部に設けられて複数の前記被覆カーボンナノチューブの先端を覆う受圧部である可撓性及び導電性を有するダイアフラムとを具備し、
負荷がない状態において、前記ダイアフラムと前記被覆カーボンナノチューブの先端とが当接するように配置され、
且つ負荷が作用した状態において、前記ダイアフラムを介して前記被覆カーボンナノチューブが歪むことによる抵抗値の変化を検出して圧力を測定し得るようにしたことを特徴とする圧力センサ。 A sensor element body composed of a plurality of coated carbon nanotubes that are oriented perpendicular to the conductive member and have a heat-resistant coating film formed on the surface, a housing member that houses the sensor element body, and an opening of the housing member A diaphragm having flexibility and conductivity, which is a pressure receiving portion that is provided in a portion and covers the tips of the plurality of coated carbon nanotubes,
In a state where there is no load, the diaphragm and the tip of the coated carbon nanotube are disposed so as to abut,
A pressure sensor characterized in that a pressure can be measured by detecting a change in resistance value due to distortion of the coated carbon nanotube through the diaphragm in a state where a load is applied. 導電部材に垂直に配向されて表面に耐熱性を有する被覆膜が形成された複数の被覆カーボンナノチューブからなるセンサ素子体と、当該センサ素子体が収容される収容部材と、当該収容部材の開口部に設けられて複数の前記被覆カーボンナノチューブの先端を覆う受圧部である可撓性及び導電性を有するダイアフラムとを具備し、
負荷がない状態において、前記ダイアフラムと前記被覆カーボンナノチューブの先端とが離間するように配置され、
且つ負荷が作用した状態において、前記被覆カーボンナノチューブと前記ダイアフラムとの接触面積が増減することによる抵抗値の変化を検出して圧力を測定し得るようにしたことを特徴とする圧力センサ。 A sensor element body composed of a plurality of coated carbon nanotubes that are oriented perpendicular to the conductive member and have a heat-resistant coating film formed on the surface, a housing member that houses the sensor element body, and an opening of the housing member A diaphragm having flexibility and conductivity, which is a pressure receiving portion that is provided in a portion and covers the tips of the plurality of coated carbon nanotubes,
In a state where there is no load, the diaphragm and the tip of the coated carbon nanotube are arranged so as to be separated from each other,
In addition, the pressure sensor can measure the pressure by detecting a change in the resistance value due to an increase or decrease in the contact area between the coated carbon nanotube and the diaphragm in a state where a load is applied. 被覆膜は、ケイ素、ゲルマニウム、ヒ化ガリウム、リン化インジウム、窒化ガリウム、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、炭化ケイ素、シリコンゲルマニウムのいずれか一種、又は二種以上を含む複合材から成ることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。   The coating film is composed of any one of silicon, germanium, gallium arsenide, indium phosphide, gallium nitride, zinc sulfide, zinc selenide, silicon carbide, silicon germanium, or a composite material including two or more kinds. The pressure sensor according to claim 1. 被覆膜は、アルミニウム、チタン、銅、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、マグネシウム、亜鉛、金、銀のいずれか一種、若しくは二種以上を含む合金、又は少なくとも一種の酸化物から成ることを特徴とする請求項２に記載の圧力センサ。   The coating film is made of any one of aluminum, titanium, copper, chromium, iron, cobalt, nickel, magnesium, zinc, gold, silver, an alloy containing two or more, or at least one oxide. The pressure sensor according to claim 2.
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