(57)【要約】【課題】衣服などに取り付けてウェアラブルセンサとして用いたときに、柔軟性を保ちつつ、電極や配線の断線が生じ難い、電気化学センサを提供する。【解決手段】無機繊維シートからなる基材２と、基材２の一方側主面２ａ上に配置されており、測定対象物からの化学的信号を検出する作用電極３と、を備える、電気化学センサ１。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機繊維シートからなる基材と、
前記基材の一方側主面上に配置されており、測定対象物からの化学的信号を検出する作用電極と、
を備える、電気化学センサ。
【請求項２】
前記無機繊維シートを構成する無機繊維が、ガラス繊維、炭素繊維及びセラミックファイバーからなる群から選択された少なくとも１種を含む、請求項１に記載の電気化学センサ。
【請求項３】
前記無機繊維シートを構成する前記無機繊維の軟化点または融点が５００℃以上である、請求項１または２に記載の電気化学センサ。
【請求項４】
前記無機繊維シートがガラスクロスである、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
【請求項５】
前記無機繊維シートの厚みが１μｍ以上、５ｍｍ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
【請求項６】
前記作用電極が、炭素電極である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
【請求項７】
前記作用電極が、金属電極である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
【請求項８】
前記基材の一方側主面上に配置されており、前記作用電極における電位の基準となる参照電極をさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気化学センサ。
【請求項９】
前記基材と前記作用電極との間に設けられるバッファ層をさらに備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
【請求項１０】
前記作用電極上に前記測定対象物と反応する機能膜が設けられている、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
【請求項１１】
前記作用電極の少なくとも一部を覆っている、パッシベーション膜をさらに備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
【請求項１２】
前記測定対象物が、体液中に含まれる成分である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
【請求項１３】
衣服に取り付けて用いられるウェアラブルセンサである、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電気化学センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＩｏＴ（Ｉｎｔｅｒｎｅｔ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｇｓ）の普及に伴い、トリリオンセンサ社会と呼ばれるように大量の電子デバイスやセンサが普及すると予測されている。なかでも、健康への関心の高まりから、生体の物理的な信号のみではなく、生体からの化学的信号を検出する電気化学センサが注目を集めている。また、人体との接触頻度をできるだけ多くするため、衣服の上に導電層が形成されてなるウェアラブルセンサが検討されている（例えば、特許文献１及び特許文献２）。
【０００３】
さらに、近年、衣服に搭載した電気化学センサにより、汗などの体液に含まれる成分を化学的にセンシングし、その量をモニタリングすることによって、熱中症の進行などの健康に関する様々な情報を読み取る試みがなされている。また、糖尿病をモニタリングする試みもなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−１８４６８７号公報
【特許文献２】国際公開第２０１６／１１４３３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、綿布などの衣服に電気化学センサを搭載した場合、使用時に衣服の繊維が伸縮し、電気化学センサに引張応力などの応力が付加されることがある。そのため、従来の電気化学センサでは、使用時に付加される応力に起因した電極や配線の断線が生じることがある。
【０００６】
本発明の目的は、衣服などに取り付けてウェアラブルセンサとして用いたときに、柔軟性を保ちつつ、電極や配線の断線が生じ難い、電気化学センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電気化学センサは、無機繊維シートからなる基材と、基材の一方側主面上に配置されており、測定対象物からの化学的信号を検出する作用電極と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
無機繊維シートを構成する無機繊維が、ガラス繊維、炭素繊維及びセラミックファイバーからなる群から選択された少なくとも１種を含むことが好ましい。
【０００９】
無機繊維シートを構成する無機繊維の軟化点または融点が５００℃以上であることが好ましい。
【００１０】
無機繊維シートがガラスクロスであることが好ましい。
【００１１】
無機繊維シートの厚みが１μｍ以上、５ｍｍ以下であることが好ましい。
【００１２】
作用電極が、炭素電極であることが好ましい。
【００１３】
作用電極が、金属電極であることが好ましい。
【００１４】
基材の一方側主面上に配置されており、作用電極における電位の基準となる参照電極をさらに備えることが好ましい。
【００１５】
基材と作用電極との間に設けられるバッファ層をさらに備えることが好ましい。
【００１６】
作用電極上に測定対象物と反応する機能膜が設けられていることが好ましい。
【００１７】
作用電極の少なくとも一部を覆っている、パッシベーション膜をさらに備えることが好ましい。
【００１８】
測定対象物が、体液中に含まれる成分であることが好ましい。
【００１９】
衣服に取り付けて用いられるウェアラブルセンサであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、衣服などに取り付けてウェアラブルセンサとして用いたときに、柔軟性を保ちつつ、電極や配線の断線が生じ難い、電気化学センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電気化学センサの平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う部分を示す正面断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の第１の変形例に係る電気化学センサの正面断面図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の第２の変形例に係る電気化学センサの正面断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る電気化学センサの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電気化学センサの平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う部分を示す正面断面図である。なお、図１においては、露出部を斜線で示している。
【００２４】
図１及び図２に示す電気化学センサ１は、基材２、作用電極３、参照電極４、及び配線電極５，６を備える。
【００２５】
基材２は、無機繊維シートである。無機繊維シートを構成する無機繊維は、ガラス繊維、炭素繊維及びセラミックファイバーからなる群から選択される少なくとも１種を含むことが好ましい。
【００２６】
ガラス繊維からなる無機繊維シートは、応力が分散されやすく、板状のガラスに比べて破断し難い。そのため、可撓性が要求される基材２の材料として好適である。炭素繊維は軽量であり、かつ高強度である。セラミックファイバーは高い耐熱性を有する。なかでもタルクは軽量であり、かつ加工性に優れる。従って、使用される用途に応じて、上述の無機繊維を１種または２種以上含む無機繊維シートを適宜選択することができる。
【００２７】
本実施形態においては、無機繊維シートがガラスクロスである。ガラスクロスは、ガラス繊維からなる織物である。ガラスクロスは空隙を有するため、曲げ応力が加わった際に繊維一本一本が自由に動くことができ、応力を効果的に分散することができる。よって、曲げ強度を効果的に高めることができる。加えて、繊維が規則正しく織り込まれているため、意匠性に優れる。もっとも、無機繊維シートは、ロービングクロスであってもよく、あるいは、ガラスマットなどの不織布であってもよい。
【００２８】
基材２は、対向する主面を有する。基材２の一方側主面２ａ上に、作用電極３及び参照電極４が配置されている。本実施形態では、基材２の一方側主面２ａ上に、バッファ層７が設けられている。バッファ層７は無機繊維シートのような空隙を有さないため、無機繊維シートの表面をより確実に平坦にすることができる。それにより、各電極を容易に形成することができる。バッファ層７の材料としては、例えば、酸化ケイ素や酸窒化ケイ素などの誘電体を用いることができる。なかでも、バッファ層７の材料として、酸窒化ケイ素を用いることが好ましい。この場合には、絶縁性及びガスバリア性をより一層高めることができる。
【００２９】
バッファ層７を形成する方法としては、例えば、転写法やインク塗布法を用いることができる。転写法は、平坦なバッファ層７を熱転写などにより、基材２上に転写する方法である。インク塗布法は、インクの溶媒量を調整して粘度を高くすることにより、平坦なバッファ層７を形成し易い。他にも、バッファ層７を形成する方法として、例えば、印刷法、ディップコート法、スプレーコート法、スピンコート法、ゾルゲル法、交互吸着法などを挙げることができる。
【００３０】
バッファ層７上には、配線電極５，６が設けられている。そして、配線電極５，６の上に、作用電極３及び参照電極４がそれぞれ設けられている。
【００３１】
作用電極３は、測定対象物からの化学的信号を検出する電極である。本実施形態において、作用電極３は、炭素電極である。配線電極５は、作用電極３に接続される電極である。本実施形態においては、配線電極５も、炭素電極である。作用電極３及び配線電極５は、それぞれ、他の適宜の金属又は金属化合物などの導電性物質により構成されていてもよい。
【００３２】
また、本実施形態において、作用電極３及び配線電極５は、一体的に構成されている。もっとも、作用電極３及び配線電極５は、別体として設けられていてもよく、異なる材料により構成されていてもよい。なお、部品点数を削減し、製造工程をより一層簡便にする観点からは、作用電極３及び配線電極５は、一体的に構成されていることが好ましく、同じ材料により構成されていることが好ましい。
【００３３】
本実施形態において、参照電極４は、Ａｇ上にＡｇＣｌが積層された積層電極である。配線電極６は、炭素電極である。参照電極４は、検出対象に対して一定電位を示す電極であればよく、例えば、カロメル電極などを用いることができる。配線電極６は、他の適宜の金属又は金属化合物などの導電性物質により構成されていてもよい。
【００３４】
作用電極３、参照電極４、及び配線電極５，６は、例えば、印刷法、転写法、蒸着法、又はスパッタリング法等の適宜の方法により形成することができる。
【００３５】
本実施形態においては、作用電極３、参照電極４、及び配線電極５，６を覆うようにパッシベーション膜８が設けられている。パッシベーション膜８は、表面保護膜である。パッシベーション膜８は、絶縁膜であってもよい。パッシベーション膜８の材料としては、酸化ケイ素や酸窒化ケイ素などの誘電体が挙げられる。また、パッシベーション膜８の材料は、ポリイミドなどの有機膜であってもよい。パッシベーション膜８も、例えば、印刷法、転写法、ディップコート法、スプレーコート法、スピンコート法等の適宜の方法により形成することができる。なお、パッシベーション膜８は設けられていなくてもよい。
【００３６】
本実施形態では、パッシベーション膜８が、作用電極３の露出部３ａ、参照電極４の露出部４ａ、及び配線電極５，６の露出部５ａ，６ａ以外の部分を覆っている。露出部３ａは、作用電極３のうち外部に露出する部分である。露出部３ａにおいて、測定対象物の電気化学的反応が行われる。露出部４ａは、参照電極４のうち外部に露出する部分である。露出部５ａ，６ａは、配線電極の５，６のうち外部に露出する部分である。露出部５ａ，６ａは、他の配線等を介して電位計に接続される。なお、露出部５ａ，６ａは、電位計に接続される配線等と接続できればよく、基材２側の面に設けられていてもよい。
【００３７】
電気化学センサ１は、上記のような構成を備えるので、作用電極３及び参照電極４の電位差を測定する電界効果トランジスタにより、体液中の汗等を検出し、その成分濃度等を測定することができる。
【００３８】
特に、本実施形態の特徴は、作用電極３、参照電極４、配線電極５，６のような電極が、無機繊維シートからなる基材２上に設けられていることにある。それによって、電気化学センサ１は、皮膚または衣服などに取り付けてウェアラブルセンサとして用いたときに、柔軟性を保ちつつ、電極や配線の断線を生じ難くすることができる。この点については、以下のように説明することができる。
【００３９】
従来、衣服などの綿布にそのまま電極を取り付けウェアラブルセンサとして用いた場合、生体の動きに合わせて衣服などの綿布が伸縮すると、電極や配線に引張応力が付加され、電極や配線が断線する場合があった。
【００４０】
これに対して、本実施形態では、無機繊維シートからなる基材２の上に電極が設けられており、基材２側を衣服などの綿布に取り付けることにより、ウェアラブルセンサとして用いることができる。この際、無機繊維は、合成繊維などの有機繊維と比較して、ヤング率が高く、応力が付加された場合の伸縮が非常に小さい。そのため、生体の動きに合わせて引張応力が付加された場合も、無機繊維シートからなる基材２は変形し難いことから、電極や配線の断線が生じ難い。従って、ウェアラブルセンサとして長期間使用した場合においても、信頼性を高めることができる。
【００４１】
よって、電気化学センサ１は、衣服に取り付けてウェアラブルセンサとして好適に用いることができる。電気化学センサ１は、電極側が生体側となるように取り付けて用いることが好ましい。電気化学センサ１は、衣服に取りつけ、例えば、汗等の体液の成分濃度を測定しその量をモニタリングすることよって、熱中症の進行などのさまざまな情報を読み取ることができる。また、糖尿病などをモニタリングすることができる。
【００４２】
上述したように、本実施形態において基材２はガラスクロスである。ガラスクロスは、例えば、ガラスストランドを製織することにより得ることができる。ガラスクロスの織り構造は、平織り構造が好ましいが、ななこ織り、朱子織り、綾織り等の織り構造であってもよい。
【００４３】
ガラスクロスの密度としては、１０本／２５ｍｍ以上、５０本／２５ｍｍ以下であることが好ましい。密度が小さすぎると、折り目サイズが大きくなり、無機繊維シートが厚くなりすぎることにより、可撓性が低くなり、さらに重量が大きくなるおそれもある。密度が大きすぎると、無機繊維シートが薄くなりすぎることにより、強度が低くなり、信頼性が低くなるおそれがある。
【００４４】
また、ガラスストランドを構成するガラス繊維は、例えば、ガラス組成として、質量％で、ＳｉＯ２  ５０〜６２％、Ｒ２Ｏ（ただし、Ｒは、Ｌｉ、Ｎａ及びＫから選択される少なくとも１種を表す）  ０〜５％、Ｒ’Ｏ（ただし、Ｒ’は、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＺｎから選択される少なくとも１種を表す）  １５〜３０％、Ａｌ２Ｏ３  １０〜２０％、Ｂ２Ｏ３  ５〜１５％を含むものを用いることができる。
【００４５】
本発明において、無機繊維シートの厚みは、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは５μｍ以上、さらに好ましくは１０μｍ以上である。それによって、強度を効果的に高めることができる。無機繊維シートの厚みは、好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは２ｍｍ以下、さらに好ましくは１ｍｍ以下である。それによって、軽量化することができるとともに、可撓性をより一層高めることができる。
【００４６】
無機繊維シートの目付は、好ましくは１０ｇ／ｍ２以上、より好ましくは２０ｇ／ｍ２以上、さらに好ましくは５０ｇ／ｍ２以上である。それによって、強度を効果的に高めることができる。無機繊維シートの目付は、好ましくは１０００ｇ／ｍ２以下、より好ましくは５００ｇ／ｍ２以下、さらに好ましくは２００ｇ／ｍ２以下である。それによって、軽量化することができるとともに、可撓性をより一層高めることができる。
【００４７】
無機繊維シートを構成する繊維束の直径は、好ましくは１μｍ以上、より好ましくは３μｍ以上、さらに好ましくは５μｍ以上である。無機繊維シートを構成する繊維束の直径は、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以下である。
【００４８】
無機繊維シートの軟化点または融点（無機繊維シートがガラス繊維シートである場合は軟化点、それ以外の無機繊維シートの場合は融点）は５００℃以上、６００℃以上、特に７００℃以上であることが好ましい。例えば、金属又は金属化合物からなる電極は、無機繊維シート上に形成したグリーンシートや、金属を含有するペースト層などを焼成することにより設けることができる。例えば、合成繊維などからなる繊維シート上に設けたグリーンシートやペースト層などを焼成すると、繊維シートは変形し、劣化することとなる。これに対して、無機繊維シートの軟化点または融点が上記のように比較的高い場合には、無機繊維シートの変形や劣化を招くことなく、各電極を設けることができる。
【００４９】
以下において、第１の実施形態の第１の変形例及び第２の変形例を示す。各変形例の電気化学センサも第１の実施形態と同様の無機繊維シートからなる基材２を有するため、衣服などに取り付けウェアラブルセンサとして用いたときに、電極や配線の断線を生じ難くすることができる。
【００５０】
（第１の変形例）
図３は、第１の実施形態の第１の変形例に係る電気化学センサの正面断面図である。図３に示すように、本変形例の電気化学センサ１１では、作用電極３上に、機能膜１２が設けられている点において第１の実施形態と異なる。
【００５１】
機能膜１２は、作用電極３上に設けられており、外部に露出している。機能膜１２は、例えば、測定対象物を選択的に透過する膜である。機能膜１２の材料としては、例えば、測定対象物中の１価カチオンを選択的に透過するバリノマイシン、ナイジェリン、モネンシン、モナクチン、グラミシジン、アラメシチン、あるいは測定対象物中の２価カチオンを選択的に透過するイオノマイシンなどのイオノフォアを用いることができる。このように、作用電極３上には、機能膜１２が設けられていてもよい。
【００５２】
（第２の変形例）
図４は、第１の実施形態の第２の変形例に係る電気化学センサの正面断面図である。図４に示すように、本変形例の電気化学センサ２１は、バッファ層７が設けられていてない点において、第１の実施形態と異なる。
【００５３】
本変形例では、無機繊維シートからなる基材２の一方側主面２ａ上に、直接、作用電極３及び配線電極５，６が設けられている。このように、バッファ層７は設けられていなくともよい。もっとも、無機繊維シート表面の平滑性をより一層高める観点からは、電気化学センサ１のようにバッファ層７が設けられていることが好ましい。
【００５４】
（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る電気化学センサの平面図である。図５に示す電気化学センサ３１では、対極３２がさらに設けられている。対極３２は、適宜の金属又は金属化合物により構成することができる。本実施形態では、作用電極３、対極３２、及び参照電極４を用いる三電極法により、測定対象物の検出や分析が行われる。その他の点は、第１の実施形態と同様である。
【００５５】
本実施形態の電気化学センサ３１も第１の実施形態と同様の無機繊維シートからなる基材２を有するため、衣服などに取り付けてウェアラブルセンサとして用いたときに、柔軟性を保ちつつ、電極や配線の断線を生じ難くすることができる。
【符号の説明】
【００５６】
１…電気化学センサ
２…基材
２ａ…主面
３…作用電極
３ａ…露出部
４ａ…露出部
５ａ…露出部
６ａ…露出部
４…参照電極
５…配線電極
６…配線電極
７…バッファ層
８…パッシベーション膜
１１…電気化学センサ
１２…機能膜
２１…電気化学センサ
３１…電気化学センサ
３２…対極
【図１】
2020137671.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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