(57)【要約】【課題】  耐熱性や耐久性に優れ、さらに作製が容易で製造コストの低い湿度センサ等の微量質量センサを提供すること。【解決手段】  基板３と、該基板３上に成膜された金属の電極膜４と、該電極膜４上に成膜された感応膜２と、を備え、該感応膜２が、繊維表面を酸化処理して親水化した微細炭素繊維で形成されている。また、感応膜２が、微細炭素繊維の分散液を電極膜４上に塗布して乾燥させた膜である。なお、微細炭素繊維は、カーボンナノチューブであり、基板は、ランガサイト単結晶で形成されることが好ましい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
該基板上に成膜された金属の電極膜と、
該電極膜上に成膜された感応膜と、を備え、
該感応膜が、繊維表面を酸化処理して親水化した微細炭素繊維で形成されていることを特徴とする微量質量センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の微量質量センサにおいて、
前記感応膜が、前記微細炭素繊維の分散液を前記電極膜上に塗布して乾燥させた膜であることを特徴とする微量質量センサ。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の微量質量センサにおいて、
前記微細炭素繊維が、カーボンナノチューブであることを特徴とする微量質量センサ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の微量質量センサにおいて、
前記基板が、ランガサイト単結晶で形成されていることを特徴とする微量質量センサ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載の微量質量センサにおいて、
前記感応膜に水分子を吸着させて水分を検出する湿度センサであることを特徴とする微量質量センサ。
【請求項６】
請求項１から４のいずれか一項に記載の微量質量センサにおいて、
前記感応膜にアルコールを吸着させてアルコールを検出するアルコールセンサであることを特徴とする微量質量センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、作製が容易であると共に耐熱性や耐久性に優れた湿度センサやアルコールセンサとなる微量質量センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水晶振動子等の固有振動数や共振周波数の変化を利用した湿度センサが知られている。例えば、特許文献１には、単結晶シリコンや水晶等の基板上に、カチオン性高分子膜とアニオン性高分子膜とが積層された湿度センサが提案されている。この湿度センサは、高分子膜に吸着した水分子の微量質量を、水晶振動子等の固有振動数や共振周波数の変化から検出して湿度を測定するものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２４９５１１号公報（特許請求の範囲）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、特許文献１に示す湿度センサでは、感応膜として高分子膜を採用しているため、耐熱性や耐久性に欠け、高温環境での検知が困難であるという不都合があった。また、高分子膜を積層する必要があるため、成膜工程が多く、製造コストが増大してしまう問題もあった。
【０００５】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、耐熱性や耐久性に優れ、さらに作製が容易で製造コストの低い湿度センサ等の微量質量センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の微量質量センサは、基板と、該基板上に成膜された金属の電極膜と、該電極膜上に成膜された感応膜と、を備え、該感応膜が、繊維表面を酸化処理して親水化した微細炭素繊維で形成されていることを特徴とする。
【０００７】
この微量質量センサでは、感応膜が、繊維表面を酸化処理して親水化した微細炭素繊維で形成されているので、親水化されて親水基を有する微細炭素繊維によって、水分子やＯＨ基（ヒドロキシ基）を有するアルコール等を吸着・脱着して、高感度に水分子やアルコールを検知可能であると共に、高分子膜の感応膜に比べて高い耐熱性及び耐久性を有している。
【０００８】
また、本発明の微量質量センサは、前記感応膜が、前記微細炭素繊維の分散液を前記電極膜上に塗布して乾燥させた膜であることを特徴とする。
すなわち、この微量質量センサでは、感応膜が、微細炭素繊維の分散液を電極膜上に塗布して乾燥させた膜であるので、焼成や積層等の工程が不要で、作製が容易であり、製造コストを低く抑えることができる。
【０００９】
また、本発明の微量質量センサは、前記微細炭素繊維が、カーボンナノチューブであることを特徴とする。
すなわち、この微量質量センサでは、微細炭素繊維が、カーボンナノチューブであるので、ナノオーダーの繊維が互いに絡み合って、より高い耐久性及び検出感度を有する感応膜が得られる。
【００１０】
また、本発明の微量質量センサは、前記基板が、ランガサイト単結晶で形成されていることを特徴とする。
すなわち、この微量質量センサでは、基板が、耐熱性に優れたランガサイト単結晶で形成されているので、ランガサイト振動子となる基板に上記感応膜が形成されて、さらに高い耐熱性及び耐久性を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の微量質量センサは、前記感応膜に水分子を吸着させて水分を検出する湿度センサであることを特徴とする。
また、本発明の微量質量センサは、前記感応膜にアルコールを吸着させてアルコールを検出するアルコールセンサであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る微量質量センサによれば、感応膜が、繊維表面を酸化処理して親水化した微細炭素繊維で形成されているので、高い耐熱性及び耐久性を有して高感度に水分子やアルコールを検知可能である。さらに、感応膜を、微細炭素繊維のスラリー又はペーストを電極膜上に塗布して乾燥させた膜とすることで、作製が容易であり、製造コストを低く抑えることができる。したがって、本発明は、高温環境でも使用可能であり、低コストな湿度センサやアルコールセンサとして好適である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る微量質量センサの一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】本発明に係る微量質量センサの実施例において、湿度感応性を示すデータとして経過時間に対する共振周波数のグラフである。
【図４】本発明に係る微量質量センサの実施例において、湿度感応性を示すデータとして湿度に対する共振周波数のグラフである。
【図５】本発明に係る微量質量センサの実施例において、アルコール感応性を示すデータとして経過時間に対する共振周波数変化のグラフである。
【図６】本発明に係る微量質量センサの実施例において、アルコール感応性を示すデータとしてエタノール濃度に対する共振周波数変化のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る微量質量センサの一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。
【００１５】
本実施形態の微量質量センサ１は、図１及び図２に示すように、感応膜２に水分子を吸着させて水分を検出する湿度センサ又は感応膜２にアルコールを吸着させてアルコールを検出するアルコールセンサであって、基板３と、該基板３の表裏面上に成膜された一対の電極膜４と、これら電極膜４上に成膜された一対の上記感応膜２と、を備えている。
【００１６】
上記基板３は、ランガサイト単結晶で形成されている。
なお、ランガサイト（Ｌａｎｇａｓｉｔｅ：Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）単結晶は、キュリー温度が水晶よりも高く高温領域で使用可能な材料であって、温度による弾性波伝搬速度、周波数の変化率が小さく、圧電性の大小を表す電気機械結合係数（電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換効率を示す係数）が水晶に比べて大きいことから、圧電デバイス用や弾性波デバイス用の基板材料として優れている。
【００１７】
上記感応膜２は、繊維表面を酸化処理して親水化した微細炭素繊維で形成されている。また、感応膜２は、微細炭素繊維の分散液を電極膜４上に塗布して乾燥させた膜である。また、上記微細炭素繊維は、カーボンナノチューブである。
【００１８】
この感応膜２の成膜方法を説明すると、まず、カーボンナノチューブの繊維表面を酸化処理して親水性を付与する。この酸化処理は、例えばカーボンナノチューブに硫酸などの硫黄含有強酸を添加し、硝酸などの酸化剤を加え、このスラリーを加熱しながら攪拌した後、濾過し、残留する酸を洗浄して除去する方法が採用される。この酸化処理により、カルボニル基やカルボキシル基あるいはニトロ基などの極性官能基が形成されて親水化される。
【００１９】
次に、この親水化させたカーボンナノチューブをエタノールの溶媒に例えば５ｗｔ％の濃度で入れて、カーボンナノチューブ分散液を作製する。なお、カーボンナノチューブは、表面を酸化処理して親水化させているので、分散剤を使用しなくても溶媒中で良好な分散状態を維持することができる。
【００２０】
このカーボンナノチューブ分散液を基板３の表裏面上に塗布し、乾燥機で例えば１００℃５分の条件で乾燥させることで、実用強度のある感応膜２が成膜できる。本実施形態では、約１０μｍの膜厚で感応膜２が形成されている。
なお、カーボンナノチューブ分散液に結着剤を加えてスラリー又はペーストにして、上記塗布を行っても構わない。結着剤としては、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）などが採用可能である。
【００２１】
上記電極膜４は、金属膜であって、例えば表面側がＡｕで形成されていると共に裏面側がＣｒで形成されている。
この微量質量センサ１では、振動モードとして例えばランガサイト振動子となる基板３の厚み方向の上下表面がそれぞれ対向方向にすべるような振動モードである厚みすべり振動を利用して、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ帯域の周波数をカバーして共振周波数の変化を検出可能である。
【００２２】
このように本実施形態の微量質量センサ１では、感応膜２が、繊維表面を酸化処理して親水化した微細炭素繊維で形成されているので、親水化されて親水基を有する微細炭素繊維によって、水分子やＯＨ基（ヒドロキシ基）を有するアルコール等を吸着・脱着して、高感度に水分子やアルコールを検知可能であると共に、高分子膜の感応膜に比べて高い耐熱性及び耐久性を有している。
【００２３】
特に、微細炭素繊維が、カーボンナノチューブであるので、ナノオーダーの繊維が互いに絡み合って、より高い耐久性及び検出感度を有する感応膜が得られる。
さらに、基板３が、耐熱性に優れたランガサイト単結晶で形成されているので、ランガサイト振動子となる基板３に上記感応膜２が形成されて、さらに高い耐熱性及び耐久性を得ることができる。例えば、５００℃の高温環境でも湿度センサ又はアルコールセンサとして機能可能である。
【００２４】
また、感応膜２が、微細炭素繊維の分散液を電極膜４上に塗布して乾燥させた膜であるので、焼成や積層等の工程が不要で、作製が容易であり、製造コストを低く抑えることができる。
【実施例１】
【００２５】
次に、本発明に係る微量質量センサを、上記実施形態に基づいて実際に作製した実施例により評価した結果を具体的に説明する。
【００２６】
まず、上記本実施形態の微量質量センサを実際に作製した実施例を湿度センサとして使用して、湿度感応性として経過時間に対する共振周波数について評価した結果を、図３に示す。この評価では、測定雰囲気の湿度を３０分毎に変化させたときの共振周波数を調べた。また、測定雰囲気の湿度は、４７％ＲＨ、５７％ＲＨ、６７％ＲＨ、７７％ＲＨの順に変化させている。
この評価結果から、本実施例の微量質量センサ（湿度センサ）では、時間と共に変化する湿度に応じて高い応答性を有して共振周波数が変化していることがわかる。
【００２７】
また、本実施例の微量質量センサ（湿度センサ）について、湿度に対する共振周波数の平均値について評価した結果を、図４に示す。この評価結果から、本実施例の微量質量センサ（湿度センサ）では、湿度が高いほど共振周波数が低くなることがわかる。このように本実施例の微量質量センサは、湿度センサとして十分な湿度感応性を有していることわかる。
【００２８】
次に、本実施例の微量質量センサをアルコールセンサとして使用して、アルコール感応性として経過時間に対する共振周波数の変化について評価した結果を、図５に示す。この評価では、密閉容器内に微量質量センサ（アルコールセンサ）を設置し、そこへ各種アルコールを１滴投入したときの共振周波数の変化を測定した。なお、測定に使用したアルコールは、メタノール（ＭｅＯＨ）、エタノール（ＥｔＯＨ）、イソプロパノール（ＩＰＡ）である。
【００２９】
この評価結果から、本実施例の微量質量センサ（アルコールセンサ）では、アルコールの滴下後に大きく共振周波数が変化し、その後、アルコールが拡散して一定の濃度に安定したことを示すように、共振周波数の変化が一定のレベルに落ち着いていることがわかる。
【００３０】
また、本実施例の微量質量センサ（アルコールセンサ）について、エタノール濃度に対する共振周波数の変化について評価した結果を、図６に示す。この評価結果から、本実施例の微量質量センサ（アルコールセンサ）では、エタノール濃度が高いほど共振周波数が低くなることがわかる。このように本実施例の微量質量センサは、アルコールセンサとして十分なアルコール感応性を有していることわかる。
【００３１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態及び実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ランガサイト単結晶で形成した基板を採用しているが、同様に高温での特性に優れたランガテイト単結晶などの他のランガサイト系単結晶で形成した基板を使用しても構わない。
【符号の説明】
【００３２】
１…微量質量センサ、２…感応膜、３…基板、４…電極膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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