(57)【要約】  気体センサーの活性検知層を急速に加熱および冷却するための方法、電子ハードウェア機器、およびソフトウェアシステムが提供される。一連の高エネルギーパルスをＣＮＴ電気活性層に流し、この層を様々な温度に加熱する。各種気体が上記層の導電性に及ぼす影響を用いて、異なる気体（例えば、水蒸気、アルコール、メタン、Ｏ２、ＣＯ２、ＣＯ）を特定することができる。また、同じ構造を、気体センサーの内部または外部で、ナノヒータとして用いることもできる。このデバイスは、固有の気体スペクトルを秒単位で得ることができ、これにより、既知のスペクトルのライブラリに基づき、気体の種類や各気体の混合物を正確に判定することができる。【選択図】  図１ａ
2019532272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性材料から形成され、お互いに離間して基板上に配置される第１、及び第２の電極と、
前記基板上に配置され、各電極の少なくとも一部と直接接触する活性検知層と、を備え、
前記活性検知層は、前記活性検知層近傍の成分気体の特性変化に応じて電気特性が変化するよう構成され、さらに、各前記電極から直接エネルギーを受け取り、前記活性検知層の温度を特定の値に設定するよう構成されている環境センサー。
【請求項２】
前記電気特性は、電気抵抗である請求項１に記載の環境センサー。
【請求項３】
更に、前記活性検知層の上面に接触するよう配置され、前記活性検知層の電気特性の変化を増強するように構成された信号増強層を備える、請求項１に記載の環境センサー。
【請求項４】
前記信号増強層は、選択的気体吸収材、選択的気体吸着材、およびその各混合物から成る群から選択した材料で形成される請求項３に記載の環境センサー。
【請求項５】
前記信号増強層は、金属酸化物を含む請求項４に記載の環境センサー。
【請求項６】
更に、前記活性検知層の上面に接触するよう配置され、選択した環境刺激要因から前記活性検知層を隔絶するよう構成されたフィルタ層をに備える請求項１に記載の環境センサー。
【請求項７】
前記活性検知層は、カーボンナノチューブを含む請求項１に記載の環境センサー。
【請求項８】
前記活性検知層は、熱エネルギーを受けるよう構成されている請求項１に記載の環境センサー。
【請求項９】
複数のピクセルセンサーを備える環境センサーアレイであって、
各ピクセルセンサーは、導電性材料から形成され、互いから離間して基板上に配置される第１と第２の電極と、前記基板上に配置され、各電極の少なくとも一部と直接接触する活性検知層とを備え、
各ピクセルセンサーの活性検知層は、前記活性検知層近傍の特定の成分気体の特性変化に応じて電気特性が変化するよう構成され、さらに、各前記電極から直接熱エネルギーを受け取り、前記活性検知層の温度を特定の値に設定するよう構成されている、環境センサーアレイ。
【請求項１０】
各ピクセルセンサーの活性検知層は、それぞれ個別に、
ａ．単一の一様な組成、または
ｂ．複数の組成の混合
で構成される請求項９に記載の環境センサーアレイ。
【請求項１１】
少なくとも１つのピクセルセンサーの活性検知層は、単一の一様な組成で構成され、かつ、少なくとも１つのピクセルセンサーの活性検知層は、複数の組成の混成で構成される請求項１０に記載の環境センサーアレイ。
【請求項１２】
少なくとも１つのピクセルセンサーは、前記活性検知層に隣接する信号増強層を備える請求項１０に記載の環境センサーアレイ。
【請求項１３】
前記信号増強層は、金属酸化物を含む請求項１２に記載の環境センサーアレイ。
【請求項１４】
前記複数の組成の混合は、信号増強材を含む請求項１０に記載の環境センサーアレイ。
【請求項１５】
前記信号増強材は、金属酸化物を含む請求項１４に記載の環境センサーアレイ。
【請求項１６】
各ピクセルセンサーの活性検知層は、それぞれ個別に、
ａ．カーボンナノチューブ、又は
ｂ．特定の成分気体に反応する信号増強材と混合したカーボンナノチューブ
で構成され、前記カーボンナノチューブと前記信号増強材の混合物は単一の層を形成する請求項１０に記載の環境センサーアレイ。
【請求項１７】
少なくとも１つのピクセルセンサーの活性検知層は、カーボンナノチューブで構成され、少なくとも１つのピクセルセンサーの活性検知層は、信号増強材と混合したカーボンナノチューブで構成される請求項１６に記載の環境センサーアレイ。
【請求項１８】
前記電気特性は、電気抵抗である請求項９に記載の環境センサー。
【請求項１９】
環境センサーを用いて成分気体を決定する方法であって、
ａ．第１、及び第２の電極によって受け取られ、前記環境センサーの温度を設定するよう構成された電気パルス列を生成するステップと、
ｂ．前記電気パルス列の生成中に、前記環境センサーの第１、及び第２の電極の間の第１の電気抵抗を測定するステップと、
ｃ．前記電気パルス列が、前記環境センサーを異なる温度に設定し、その結果、複数の第１の抵抗測定の内の一つの第１の抵抗測定が各温度に対応する前記複数の第１の抵抗測定を含む第１のスペクトルを取得するように、ステップａ．とステップｂ．とを複数回繰り返すステップと、
ｄ．前記第１のスペクトルを、各応答スペクトルが複数の成分気体の連続する一つの熱スペクトル応答に対応する複数の応答スペクトルと比較するステップと、を含む方法。
【請求項２０】
更に、いずれの前記応答スペクトルが、前記第１のスペクトルと最も適合するかを決定するステップを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
各応答スペクトルは、複数の成分気体の組合せの熱スペクトル応答に対応し、更に、いずれの前記応答スペクトルが前記第１のスペクトルと最も適合するかを決定するステップを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
更に、成分気体の複数の組合せの各々に対する組合せ応答スペクトルを決定するステップと、いずれの前記組合せ応答スペクトルが前記第１のスペクトルと最も適合するかを決定するステップと、を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
各電気パルスは、電圧のパルスである請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
各電気パルスは、電流のパルスである請求項１９に記載の方法。
【請求項２５】
各電気パルス列は、第１の時間間隔中に生成され、かつ複数の電気パルスを含み、各電気パルスは、ある反復周波数で生成される各電気パルス列のパルス幅持続時間を有する請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
更に、連続する電気パルス列を生成している間の第２の時間間隔中に待機するステップを含む請求項１９に記載の方法。
【請求項２７】
各第１の電気抵抗測定は、一つの電気パルス列中に行う複数の第１の電気抵抗測定の平均値である請求項１９に記載の方法。
【請求項２８】
複数のピクセルセンサーを備える環境センサーアレイを用いて成分気体を決定する方法であって、
ａ．各ピクセルセンサーの第１、及び第２の電極によって受信され、各ピクセルセンサーに対して異なる温度を設定するよう構成された電気パルス列を生成するステップと、
ｂ．各電気抵抗が、前記電気パルス列の生成中に、連続するピクセルセンサーの前記第１、及び第２の電極の間で測定され、各温度に対応する一つの電気抵抗の測定を含むスペクトルという結果をもたらす、複数の電気抵抗を測定するステップと、
ｃ．各応答スペクトルが、複数の成分気体の連続する一つの熱スペクトル応答に対応する、前記スペクトルを複数の応答スペクトルと比較するステップと、を含む方法。
【請求項２９】
更に、いずれの応答スペクトルが前記スペクトルと最も適合するかを決定するステップを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
各応答スペクトルは、複数の成分気体の組合せの熱スペクトル応答に対応し、更に、いずれの前記応答スペクトルが前記スペクトルと最も適合するかを決定するステップを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
更に、成分気体の複数の組合せの各々に対する組合せ応答スペクトルを決定するステップと、いずれの前記組合せ応答スペクトルが前記スペクトルと最も適合するかを決定するステップと、を含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３２】
各電気パルスは、電圧のパルスである請求項２８に記載の方法。
【請求項３３】
各電気パルスは、電流のパルスである請求項２８に記載の方法。
【請求項３４】
各電気パルス列は、第１の時間間隔中に生成され、かつ複数の電気パルスを含み、各電気パルスは、ある反復周波数で生成される各電気パルス列のパルス幅持続時間を有する請求項２８に記載の方法。
【請求項３５】
更に、連続する電気パルス列を生成している間の第２の時間間隔中に待機するステップを含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
各電気抵抗測定は、一つの電気パルス列中に行う複数の電気抵抗測定の平均値である請求項２８に記載の方法。
【請求項３７】
環境センサーを用いて成分気体濃度を決定する方法であって、
ａ．前記環境センサーの第１と第２の電極の間の第１の電気抵抗を測定するステップと、
ｂ．前記第１、及び第２の電極によって受信され、前記環境センサーの温度を設定するよう構成された電気パルス列を生成するステップと、
ｃ．前記電気パルス列を生成した後、前記第１、及び第２の電極の間の第２の電気抵抗を測定するステップと、
ｄ．前記第１の電気抵抗測定から前記第２の電気抵抗測定を減算するステップと、
ｅ．前記第１の電気抵抗測定と前記第２の電気抵抗測定との差に相当する、前記環境センサーの近傍における成分気体濃度値を決定するステップと、を含む方法。
【請求項３８】
前記成分気体は、２以上の気体の組合せである請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記第１の電気抵抗測定は、一方の電気抵抗測定が第１の極性を有し、他方の電気抵抗測定が反対の第２の極性を有する２つの電気抵抗測定の平均値である請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
前記第２の電気抵抗測定は、一方の電気抵抗測定が第１の極性を有し、他方の電気抵抗測定が反対の第２の極性を有する２つの電気抵抗測定の平均値である請求項３７に記載の方法。
【請求項４１】
更に、前記電気パルス列中に第３の電気抵抗を測定するステップと、前記第３の電気抵抗を用いて、前記環境センサーの温度を制御するために前記電気パルス列の１以上のパラメータを調整するステップと、を含む請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記電気パルス列は、第１の時間間隔中にある反復周波数で印加され、各電気パルスは、パルス幅持続時間、及び強度値を有し、前記第１、及び第２の電極は、前記温度を設定する前記環境センサーの活性検知層に熱エネルギーを送る請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
各電気パルスは、電圧のパルスである請求項３７に記載の方法。
【請求項４４】
各電気パルスは、電流のパルスである請求項３７に記載の方法。
【請求項４５】
第１、及び第２の電極と、前記第１、及び第２電極と接触している活性検知層を有する環境センサーを加熱する方法であって、
前記第１、及び第２の電極に電気パルス列を印加するステップを含み、各電気パルス列は、第１の時間間隔中にある反復周波数で印加され、各電気パルスは、パルス幅持続時間と強度値とを有し、前記第１、及び第２の電極は、前記環境センサーに温度を設定する活性検知層に熱エネルギーを送る方法。
【請求項４６】
前記第１の時間間隔、前記反復周波数、前記パルス幅持続時間、及び前記強度値の２つ以上の組合せは、前記環境センサーの温度を決定する請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記環境センサーの温度を設定するために、前記組合せを選択し、前記活性検知層内に拡散した成分気体を蒸発させる、又は分解する請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
更に、前記電気パルス列中の電気抵抗を測定するステップと、前記環境センサーの温度を制御するために、前記電気抵抗を用いて、前記第１の時間間隔、前記反復周波数、前記パルス幅持続時間、及び前記強度値の１つ以上を調整するステップと、を含む請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
各電気パルスは、前記第１、及び第２の電極を横切って印加された電圧であり、前記電気パルスは、電圧の強度値を有する請求項４５に記載の方法。
【請求項５０】
各電気パルスは、前記第１、及び第２の電極のいずれかに注入される電流パルスであり、前記電気パルスは、電流の強度値を有する請求項４５に記載の方法。
【請求項５１】
カーボンナノチューブからなる加熱層に電気パルスを印加するステップを含むマイクロ加熱、又はナノ加熱法であって、前記電気パルスは、約１００マイクロ秒未満の持続時間を持つ方法。
【請求項５２】
前記印加は、前記電気パルスのシリーズを印加することからなる請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記シリーズは、約５秒未満の持続時間である請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記パルスは、約２５Ｖ〜約５００Ｖの電圧で印加される請求項５１に記載の方法。
【請求項５５】
前記加熱層は、主にカーボンナノチューブで構成される請求項５１に記載の方法。
【請求項５６】
前記パルスは、約１００Ｖ〜約２００Ｖの電圧で印加される請求項５３に記載の方法。
【請求項５７】
前記加熱層は、約１００ｎｍ未満の厚みを有する請求項５１に記載の方法。
【請求項５８】
前記加熱層は、約５ｋΩ〜約１０ＭΩの抵抗を有する請求項５１に記載の方法。
【請求項５９】
前記加熱層は、重合体層、発光ダイオード、ガラス層、及びそれらの組合せから成る群から選択される構成要素に隣接している請求項５２に記載の方法。
【請求項６０】
前記印加は、前記加熱層に少なくとも約５０℃の温度上昇をもたらす請求項５２に記載の方法。
【請求項６１】
前記印加は、前記構成要素に約２０℃未満の温度上昇をもたらす請求項５９に記載の方法。
【請求項６２】
前記加熱層は、除去対象物を含む環境に存在し、前記印加は、前記除去対象物の少なくとも一部の除去をもたらす請求項５２に記載の方法。
【請求項６３】
前記除去対象物は、水蒸気、揮発性有機化合物、及びそれらの混合物から成る群から選択される請求項６２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本特許出願は、２０１７年６月７日に出願され、発明の名称を「ＧＡＳ  ＳＥＮＳＯＲ（気体センサー）」とする米国仮出願第６２／５１６，４９１と、２０１６年９月５日に出願され、発明の名称を「ＥＮＥＲＧＥＴＩＣ  ＰＵＬＳＥ  ＣＬＥＡＲＩＮＧ  ＯＦ  ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＬＹ  ＳＥＮＳＩＴＩＶＥ  ＣＮＴ  ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ  ＤＥＶＩＣＥＳ（環境感度が高い薄膜デバイスの高エネルギーパルスのクリア処理）」とする米国仮出願第６２／３８３，５５３に対し、共通するすべての主題に関して優先権を主張する、非仮出願である。先願である上記各仮出願の明細書の全内容を、ここに参考として援用する。
【０００２】
本発明は、薄膜デバイスの環境信号を検知かつクリアする方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
電子センサーの構造として、物理的変化（すなわち、電気分極、磁気転移、構造転移、形態転移、相転移）または化学変化（すなわち、解離、反応、組成変化）を「活性」層内で引き起こし、デバイスの抵抗、静電容量、またはインダクタンスに相応の変化をもたらすことで、動作するものがある。センサーにおいて、上記事象は、外的刺激に対する反応により起こる、各センサーの感知材（または「活性」層）の変化がもたらすと考えられる。２０１５年７月２２日に出願された米国特許出願第１４／８０６，２３８に、このような検知手段に関する出願が詳述されており、該出願の明細書を、ここに参考として援用する。
【０００４】
既存の各種ＣＮＴセンサー技術では、多くの場合、電気活性ＣＮＴ薄膜層は、概して、各絶縁領域で分けられた高導電性粒子（ランダム配向した個々のＣＮＴまたは複数のＣＮＴから成る各ロープに沿う）で構成される。絶縁領域は、各ＣＮＴの端部または側壁の間をつなぎ、電荷担体を上記導電性粒子に捕獲することが多い。こうした薄膜デバイスにおける（活性層内の）導電プロセスは、一般に、各絶縁領域を跨ぐ２つ以上の導電領域からの電荷輸送のトンネリング作用、または、量子力学的可変領域ホッピングである。この電気層を介した担体輸送の経路は、電気接点から別の電気接点に至る浸透回路網を形成する多数のプロセスを経る。
【０００５】
こうしたデバイスにおいて、周囲の気体が、ＣＮＴ薄膜の絶縁粒子と導電粒子の境界面で、水素やファンデルワールス結合を介して導電プロセスとの間に相互作用を起こすことは、よく知られている。この場合の相互作用の傾向として、導電粒子の有効な担体捕獲ポテンシャルを増大させることもあれば、低下させることもある。上述のプロセスによって、ＣＮＴ層の導電性は増大または低下することになる。膜周囲の環境は変化するため、上述の影響により、時間経過とともに巨視的な導電性は変動し、概して不安定になる可能性がある。こうした不安定な挙動は、多くの場合、デバイスまたはセンサーの性能低下につながる。
【０００６】
センサーの適用例では、動作させるために環境成分の拡散が求められるので、単に環境成分を活性面から遮断することは不可能である。したがって、センサーの用途では、デバイスの活性層をクリアすることが必要であり、これにより、活性層内およびその周囲の環境成分を一掃し、活性層の電子挙動は長期間安定する。
【０００７】
気体の検知に関して、先端産業では、環境大気をリアルタイムで分析するため、通常の大気条件で動作可能かつＨ２、ＣＯ、ＣＨ４、ＮＯ２、Ｈ２Ｏ等の気体を迅速かつ選択的に検知することのできる、各々個別の固体センサーが望まれている。こうした固体の気体検出器は、様々な用途に使用可能である。既存のセンサーの多くは、通常、１００℃から４００℃の範囲の温度における物理吸着または可逆性の化学反応を介して気体を検出する金属および／または金属酸化物膜、ナノクラスター、またはナノワイヤを基本構成としている。上述のタイプのデバイスは、中央のタングステンまたはタンタルフィラメントで加熱を行う、気体感度を有する材料で被覆したセラミックチューブ炉を利用する場合に、広く利用されている。セラミックチューブ炉が周囲の環境との熱平衡に達すると、上記コーティングの抵抗を測定するが、これには何時間もかかる場合がある。金属膜および／または金属酸化物半導体の抵抗は、測定対象の微量の気体により変動する。
【０００８】
しかし、この技術の問題点は、気体の選択性がなく、大きな電力を消費することである。また、こうしたデバイスは、他の気体、煙、水蒸気に対する感度が高い。結果として、測定対象の気体の存在は概ね予想されるが、複数の気体に対する感度は想定されない、既知の環境での使用に最も適している。上記のデバイスは、信号強度の向上により対象の気体に対する感度は高められているが、複数の気体に感度を有するため、偽陽性の結果を生む可能性がある。また、室温よりもかなりの高温で最適に動作するため、何ワットもの大量の電力を消費することが多い。上記デバイスを室温で動作させる更なる技術が開発されつつあるが、高温で動作させた場合、大抵の場合、信号強度が高まってしまう。とは言え、固体気体センサーは、低コスト、優れた安定性、高感度、熱平衡に到達後の応答性が比較的早い、という利点がある。
【０００９】
既存の固体技術における気体選択性（特異性）の拡大に向けて、異なるピクセル構成を有する複数の多重ピクセルセンサーデバイスを、同一ヒータ上で組み合せることで、異なる吸収作用（または流入する気体に対する他の反応）を用いて、未知の気体組成の判定精度を向上させている。この構成では、各ピクセルは同一温度になるよう温度制御され、各ピクセルが複合信号として示す様々な抵抗変化により、未知の気体を特定することができる。通常、ヒータはピクセルをすべて同一温度に加熱するためかなりの電力を必要とし、また、各ピクセルの温度を個別に勾配させたり、短時間でスウィープさせたりはできない。未知の気体への曝露により、各ピクセルに異なる抵抗変化が起こるが、これは、ピクセルの化学組成が異なるためである。こうしたデバイスは、個々の固体センサーと比較して、気体の選択性が高い。しかし、ヒータの熱的分離を可能とするようなデバイス製造は難しく（ＭＥＭＳデバイスが必要な場合がある）、各ピクセルはそれぞれ若干異なる組成であるため、多数の合成工程が必要である。また、比較的サイズの大きいヒータは、バックグラウンドとの熱平衡までかなりの時間（数時間）がかかり、ピクセルはすべて同一温度で動作させる必要がある。結果として、こうしたデバイスも選択性が限られ、製造が難しく、単一ピクセル固体デバイスと同様に、消費電力の問題がともなう。
【００１０】
従来、気体特異性を有する個別の電気化学センサーも気体の種類および濃度の検出に用いられてきた。この種のデバイスは電気化学作用で機能するため、イオンが電極に自由に反応・拡散するように、液体または液体含有マトリックス（ヒドロゲル等）である必要がある。こうしたデバイスは、高感度かつ高選択性をもつよう作成可能である。このデバイスの主な問題点として、低速度（イオンの電極への拡散に要する時間）、製造の難しさ（アレイ生成に係わる化学作用が数多くあり、概して一元的な製造が不可能）、耐用年数の短さ（イオン移動マトリックスの喪失や劣化のため寿命が短い）、および、実用化での汚損の可能性が挙げられる。しかし、この技術は、個々の固体デバイスと比較して選択性が高く、また、低消費電力であることから、単一の気体選択性センサーが望まれる適用例の多くで、固体技術よりも好まれている。その結果、異なる気体を検出するために、多数の電気化学デバイスを並行して動作させる必要が生じる。
【００１１】
上記以外の個別の固体デバイスとして提案されているものには、機能化または「装飾化」ＣＮＴ、および、気体感度を有するグラフェンから成るデバイスを含む種類がある。上記デバイスの大半は、固体デバイスと比較した消費電力の削減を目的として、室温で動作するよう構成されている。しかし、これらのデバイスも、環境温度変化に起因した様々な吸収作用にともなうエラーを低減するために、温度制御する必要がある。
【００１２】
これらのデバイスの大半は、検出プロセスで炭素系ナノ粒子の特性を利用し、これは、炭素ナノ粒子の微細構造内に金属または金属酸化物材が存在することで向上する。上記の室温センサーは、デバイスの上方または下方に延びる別のヒータと併用して用いる。こうしたデバイスは決まった特定の温度でのみ動作するため、複数の気体への感度が大きな課題となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】米国特許出願第１４／８０６，２３８
【発明の概要】
【００１４】
一実施形態では、本発明は環境センサーに関する。該センサーは、導電性材料で形成した第１と第２の電極を備え、各前記電極は、互いから離間して基板上に配置される。また、該センサーは、前記基板上に配置されて各電極の少なくとも一部と直接接触する活性検知層を備える。さらに、前記活性検知層は、その近傍の成分気体の特性変化に応じて電気特性が変化するよう構成され、さらに、各前記電極から直接エネルギーを受け取り、この層の温度を特定の値に設定するよう構成されている。
【００１５】
別の実施形態では、本発明は環境センサーアレイに関する。該アレイは複数のピクセルセンサーを備え、各前記ピクセルセンサーは、導電性材料で形成した第１と第２の電極を備える。各前記電極は、基板上に互いから離間して配置され、各前記ピクセルセンサーは、さらに、前記基板上に配置されて各電極の少なくとも一部と直接接触する活性検知層を備える。各ピクセルセンサーの活性検知層は、前記活性検知層近傍の特定の成分気体の特性変化に応じて電気特性が変化するよう構成されている。各ピクセルセンサーの活性検知層は、さらに、各前記電極から直接エネルギーを受け取り、前記活性検知層の温度を特定の値に設定するよう構成されている。
【００１６】
また、本発明は、環境センサーを用いて成分気体を判定する方法を提供する。該方法は、環境センサーの第１と第２の電極が受信する電気パルス列を生成し、前記電気パルス列は、前記環境センサーの温度を設定するよう構成されている。前記電気パルス列の生成中、前記環境センサーの第１と第２の電極の間の第１の電気抵抗を測定する。各電気パルス列が前記環境センサーを異なる温度に設定することで、一の抵抗測定が一の温度に対応する複数の第１の電気抵抗の測定を含む第１のスペクトルを得るよう、上記生成と測定は複数回繰り返される。第１のスペクトルは、複数の成分気体の各々連続する一の成分気体の熱スペクトル応答に各々が対応する複数の応答スペクトルと比較される。
【００１７】
また、本発明は、環境センサーを用いて成分気体濃度を判定する方法を提供する。該方法は、環境センサーの第１と第２の電極の間の第１の電気抵抗を測定する。前記第１と第２の電極が受信する電気パルス列が生成され、前記電気パルス列は、前記環境センサーの温度を設定するよう構成されている。前記電気パルス列を生成した後、前記第１と第２の電極の間の第２の電気抵抗を測定し、前記第２の電気抵抗の測定を前記第１の電気抵抗の測定から減算する。前記第１の電気抵抗の測定と第２の電気抵抗の測定の間の差異に対応する、前記環境センサー近傍の成分気体濃度の値を測定する。
【００１８】
さらに別の実施形態では、第１と第２の電極と前記各電極と接触する活性検知層を備える環境センサーを、加熱する方法が提供される。該方法は、電気パルス列を前記第１と第２の電極に印加することを含む。前記電気パルス列は、第１の時間および一定の反復周波数で印加され、各電気パルスは、パルス幅持続時間と強度値を有する。前記第１と第２の電極は前記活性検知層へエネルギーを送り、これにより、前記環境センサーを一定の温度に設定する。
【００１９】
最後に、本発明はさらにマイクロ加熱方法に関する。該方法は、カーボンナノチューブを含む加熱層に電気パルスを印加し、前記電気パルスの持続時間は約１００マイクロ秒未満である。
【００２０】
上述した発明の概要は、複数の概念の選択肢を簡潔に述べるものであり、以下の詳細な説明においてさらに詳述する。上述した発明の概要は、クレームに記載される主題の主要な特長または必須の特長を特定することを意図したものではなく、また、クレームに記載される主題範囲の限定に用いることを意図したものでもない。本発明の上記以外の態様や利点は、以下に説明する各実施形態の詳細な説明、および、添付図面から明らかになるであろう。
【００２１】
この特許または出願ファイルは，少なくとも１の色彩を付して作成された図面を含んでいる。彩色図面を付したこの特許または特許出願公開の写しは，請求および所要の手数料の納付により、特許商標庁によって提供される。
【００２２】
本発明の各実施形態を、添付図面を参照して以下に詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１ａ】本発明による単一ピクセル型気体トランスデューサである。
【図１ｂ】図１ａに示すトランスデューサの平面図である。
【図１ｃ】図１ａ〜図１ｂに示すトランスデューサの、１ｃ線に沿った断面図である。
【図２】本発明による４ピクセルデバイスの平面図（表示単位はミリメートル）である。
【図３】本発明によるエネルギー密度の適用方法を示す、パルス信号タイミングチャートである。
【図４】図３のパルス信号タイミングチャートの生成に用いる電子システムのブロック図である。
【図５】図３〜図４に示す実施形態によるパルス増幅器の回路図である。
【図６】図３〜図４に示す実施形態のパルス増幅器の回路図である。
【図７】本発明のセンサーデバイスによる、図３に示すパルス列中の電圧および電流（時間関数）を示すグラフである。
【図８】仮想の熱吸収スペクトルを示すグラフであり、気体の組成および濃度を判定するための、本発明のセンサーデバイス応答をモデル化する方法を示す。
【図９】４種類の仮想気体の７０〜１２０℃温度範囲における曲線例を示すグラフである。
【図１０ａ】実施例１で用いたセンサーデバイスの等尺図である。
【図１０ｂ】図１０ａに示すデバイスの平面図である。
【図１０ｃ】図１０ａ〜図１０ｂのデバイスの、１０ｃ線に沿った断面図である。
【図１１】実施例１で用いたセンサーデバイスの写真である。
【図１２】実施例２で用いた環境チャンバの温度および相対湿度のプロファイルを示すグラフである。
【図１３】実施例２で述べる、パルスのクリア処理を行った場合と行わなかった場合両方の、信号変化と時間の対比を示すグラフである。
【図１４】本発明のデバイスを図１２の図示と同じ温度・湿度サイクルに供した後の、温度に変換したデバイス抵抗と実温度を示すグラフである。
【図１５】実施例２で述べる、測定湿度と、パルス列前・パルス列中の抵抗間の差異により判定する湿度を示すグラフである。
【図１６】実施例２で述べる、温度サイクル中のデバイス温度に相関したパルス列中のデバイス電流を示すグラフである。
【図１７】実施例３で述べる、ＲＨサイクル中のデバイス湿度の関数として、パルス列前・パルス列中の電流差としてのセンサー信号を示すグラフである。
【図１８】１５分間隔のパルス列における、実施例３のセンサーの抵抗を示すグラフである。
【図１９】実施例４で述べる、パルスのクリア処理中のピークパルス電圧の関数として得た表面温度を示すグラフである。
【図２０】実施例４で述べるサンプル表面が２００℃に達するのに必要なピークパルス電圧を、Ｒｍｅａｓ（水平軸）の関数として示すグラフである。
【図２１】実施例５の熱分解センサー（左）と非熱分解センサー（右）の写真である。
【図２２】実施例７で作成した４ピクセル印刷電子デバイスの写真である。
【図２３】実施例８で用いた気体テストベンチのブロック図である。
【図２４ａ】実施例９で活性化した、ｘ方向に電極と配向したＳＮＯ２／パラジウムの単一ピクセルを示す、ＦＬＩＲカメラによる写真である。
【図２４ｂ】加熱パルス列サイクル中の、図２４ａの単一ピクセルのｘ方向の温度プロファイルを示す、ＦＬＩＲカメラにより測定した温度を示すグラフである。
【図２４ｃ】加熱パルス列サイクル中の、図２４ａの単一ピクセルのｙ方向の温度プロファイルを示す、ＦＬＩＲカメラにより測定した温度を示すグラフである。
【図２４ｄ】実施例９で述べる、図２４ａの単一ピクセルのより長いサイクルを示す、ＦＬＩＲカメラで測定した温度と時間の対比を示すグラフである。
【図２５】実施例９で述べる、２つの異なる抵抗を有するピクセルの温度と反復周波数の対比を示すグラフである。
【図２６】実施例９で述べる、ピクセルを流れる電流に応じたピクセル温度の変化を示すグラフである。
【図２７】実施例１０で行うテストの設定を示す図である。
【図２８】実施例１０でテストを行ったセンサーデバイスの、時間経過にともなう％抵抗変化として表した、信号応答を示すグラフである。
【図２９】水素ガスのセンサーへの拡散による信号領域において、どのようにセンサー応答が徐々に変動したかを示すグラフである（実施例１０）。
【図３０】実施例１１でテストを行ったセンサーデバイスの、時間経過にともなう％抵抗変化として表した、信号応答を示すグラフである。
【図３１】ＣＮＴ／ＳＮＯ２／パラジウムデバイスをＣＯに曝露（４００Ｈｚ）した、実施例１２の結果を示すグラフである。
【図３２】ＣＯガス濃度（４００Ｈｚ）に対するデバイスの感度を示す、実施例１２で行った信号対ノイズ比の分析を示すグラフである。
【図３３】ＣＮＴ／ＳＮＯ２／パラジウムデバイスをＣＯに曝露（２００Ｈｚ）した、実施例１２の結果を示すグラフである。
【図３４】ＣＯガス濃度（２００Ｈｚ）に対するデバイスの感度を示す、実施例１２で行った信号対ノイズ比の分析を示すグラフである。
【図３５】ＣＮＴ／ＳＮＯ２／パラジウムデバイスをＣＨ４に曝露（４００Ｈｚ）した、実施例１３の結果を示すグラフである。
【図３６】ＣＨ４ガス濃度（４００Ｈｚ）に対するデバイスの感度を示す、実施例１３で行った信号対ノイズ比の分析を示すグラフである。
【図３７】ＣＮＴ／ＳＮＯ２／パラジウムデバイスをＣＨ４に曝露（２００Ｈｚ）した、実施例１３の結果を示すグラフである。
【図３８】ＣＨ４ガス濃度（２００Ｈｚ）に対するデバイスの感度を示す、実施例１３で行った信号対ノイズ比の分析を示すグラフである。
【図３９】実施例１４の気体センサーの水蒸気に対する反応を示すグラフである。
【図４０】実施例１５で述べる、試験用気体の濃度パルスを、時間関数として、一般化して示すグラフである。
【図４１】実施例１５で述べる、各種気体に対する抵抗変化の異なる勾配を示すグラフである。
【図４２】実施例１６のデバイスの抵抗変化を、勾配水素濃度による時間関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
各図面は、本発明の範囲を、本明細書で図示・説明する特定の実施形態に限定するものではない。各図面は必ずしも原寸に比例したものではなく、本発明の原理を明示することに主眼が置かれている。
【００２５】
本発明の以下の詳しい説明では、本発明を実施する特定の実施形態を示す添付図面が参照されている。これらの実施形態は、本発明の各態様を、当業者が本発明を実施できるように十分に詳述することを目的としている。本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施形態を用いて変更を加えることも可能である。したがって、以下の詳しい説明は限定を意図していると捉えるべきではない。本発明の範囲は、添付する特許請求の範囲、および、該特許請求の範囲が適合する均等物が包含する範囲のみにより、規定される。
【００２６】
本明細書において、「１つの実施形態」、「一実施形態」または「複数の実施形態」について言及がある場合、言及している１つまたは複数の特長がここに開示する技術の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。また、本明細書において、「１つの実施形態」、「一実施形態」または「複数の実施形態」について別々に言及がある場合、必ずしも同一の実施形態ではない。また、別段の指示がない限り、および／または、本明細書から当業者に明らかである場合を除き、互いに排他的ではない。例えば、一実施形態で述べる特長、構造、作用等は、他の実施形態に含まれ得るが、必ずしも含まれなくてもよい。このように、本技術には、本明細書に説明する実施形態の様々に組み合わせたもの、および／または、これらを統一したものが含まれ得る。
【００２７】
図１ａ、図１ｂ、図１ｃに、本発明によるトランスデューサ１０の一実施形態をより詳細を示す。トランスデューサ１０は、基板１２と、少なくとも２つの電極１４、１６と、活性検知層１８を備える。各電極１４、１６は、それぞれ、側壁と上面を有する。電極１４、１６は、基板１２に隣接して配置される。または、電極１４、１６は、各々、基板１２と電極１４、１６との間の任意の層上に配置される。ここに参考として援用する米国特許出願第１４／８０６，２１８に記載されるように、上記任意の層には、活性検知層１８と周囲の間に配置される信号増強層２０またはフィルタ層２２と、活性検知層１８と基板１２の間に配置される隔絶層またはフィルタ層２２を含むが、上記任意の層はこれらの層に限定されない。重要な点として、活性検知層１８は各電極と接触している。
【００２８】
基板
基板１２は、例えば、ポリマー、セラミックス、単結晶から成る群から選択されるものを含む、任意の数の材料から形成される。好ましくは、該材料は有機ポリマーである。好適な有機ポリマーは、ポリイミド類（Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）膜）、ポリアミド類、ポリスルホン類、ポリエーテルスフホン類、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリテトラフルオロエチレン（テフロン（登録商標）等のＰＴＦＥ）、アクリレート類、メタクリレート類、スチレニック類、シクロオレフィンポリマー類（ゼオノール等）、シクロオレフィンコポリマー類、ポリエステル類、ポリエチレンナフタレート類から成る群から選択されるものを含む。基板１２は、好ましくは０．００５Ｗ／ｍ−Ｋ〜１．０Ｗ／ｍ−Ｋ、より好ましくは、０．０１Ｗ／ｍ−Ｋ〜０．１Ｗ／ｍ−Ｋの範囲の低い熱伝導率を有する。
【００２９】
電極
図１ａ、図１ｂ、図１ｃを参照して、活性検知層１８は両電極１４と１６の側壁に接触している。別の実施形態では、活性検知層１８は、電極１４、１６に合致形成されている。すなわち、活性検知層１８は、電極１４、１６の側壁と上面に接触している。別の実施形態では、電極１４、１６は、活性検知層１８との接触が可能であれば、活性検知層１８の下方ではなく、活性検知層１８の上方に配置（すなわち、配置順の入れ替え）してもよい。このように、活性検知層１８が両電極１４、１６に接触している限り、どのような配置してもよい。
【００３０】
電極１４、１６は平面電極であることが好ましいが、互いに嵌合可能な電極であってもよい。電極１４、１６は、高い電子または正孔移動度と、高担体濃度を有することが好ましい。電極１４、１６の好適な材料は、銀、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、金、高ドープシリコン、導電性カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、各種グラフェンインク、パラジウム、銅、アルミニウム、導電性ポリマー、ＣＮＴ／グラフェン導電性ポリマー複合材から成る群から選択されるものを含む。活性検知層１８に対する低接触抵抗と低ショットキー障壁を有する材料が好ましい。電極の形成方法は好適なものであればいずれの方法でもよく、スクリーン印刷、溶射コーティング、Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｊｅｔ（登録商標）印刷、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、リトグラフ法、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、レーザーアブレーションから成る群から選択されるものを含む。
【００３１】
活性検知層
活性検知層１８は、この検知層の変化に応じて可変する電子信号を供給する。その電子構造、欠陥状態、または、電子担体密度が変化した結果、上記電子抵抗の変化が生じる。電子信号の変化は、抵抗の変化であることが好ましい。活性検知層１８の抵抗は、好ましくは約５ｋΩ〜約１０ＭΩ、より好ましくは約１００ｋΩ〜約５ＭΩ、さらに好ましくは約５００ｋΩ〜約２ＭΩである。気体への曝露により、活性検知層１８の抵抗は、気体濃度の変化に比例して変化することが想定される。気体の種類とその適用によって必要な感度は異なるが、抵抗の変化は、５０ｐｐｍ当たり少なくとも約０．１％の出力信号の変化になることが好ましく、３０ｐｐｍ当たり少なくとも約０．５％の変化がより好ましいことは、理解されるであろう。活性検知層１８の形成に用いる材料は、ワイヤ、狭小ブリッジ、ロッド、個々のＣＮＴ等に対して、膜または布帛等の平面材料であることが好ましい。さらに、活性検知層１８は、多数の欠陥状態と不規則な伝導路を生じさせるシートまたは膜の形態構造を有する、乱雑な導体を含むことが好ましい。この乱雑さや不規則さが、使用する特定成分間の「接合点」につながり、こうした接合点が、活性検知層１８を適切に機能させるために重要である。すなわち、整列ＣＮＴ等の規則性のある材料は、活性層の材料として不適切である。活性検知層１８の好適な材料は、カーボンナノチューブ（金属または半導体性）、機能化または非機能化カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）の布帛、非結晶カーボン膜、熱分解カーボン、グラファイト、グラフェン、カーボンファイバー、フラーレン炭素すす、カーボンブラック、シリコン、イオン注入またはそれ以外の導電性ポリマー（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリン類、ポリフルオレン類、ポリフェニレン類、ポリピレン類、ポリアズレン類、ポリナフタレン類、ポリパイロール類、ポリカルバゾール類、ポリインドール類、ポリアゼピン類、ポリアセチレン類、ポリフェニレンビニレン類、ポリチオフェン類）、金属粒子ドープＣＮＴまたはグラフェン、および、上記の複合材と混合物から成る群から選択されるものを含む。
【００３２】
活性検知層１８は、選択的に、２次元シートまたは膜に近い、「薄皮」のような非常に薄い層である。活性検知層１８は、約１，０００ｎｍ未満の平均厚みが想定され、好ましくは、その平均厚みは、約２００ｎｍ未満、より好ましくは約１００ｎｍ未満、さらに好ましくは約１０ｎｍ〜約１００ｎｍである。特に好ましい実施形態では、活性検知層１８は、その平均厚みが約３０ｎｍ未満、より好ましくは約１ｎｍ〜約３０ｎｍである。このように厚みを小さくすることで、活性検知層１８は、質量、体積、および熱容量等の内部特性が非常に小さくなる。したがって、活性検知層１８に、周囲の層の化学特性、物理特性、生物学的特性の多くが反映される。活性検知層１８の形成方法は好適なものであればいずれの方法でもよく、スクリーン印刷、溶射コーティング、Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｊｅｔ（登録商標）印刷、インクジェット印刷、含浸コーティング、エアブラシ法、フレキソ印刷、グラビア印刷、リトグラフ法、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、積層法、ＡＬＤ、ＣＶＤ、およびＰＥＣＶＤから成る群から選択されるものを含む。
【００３３】
信号増強層
信号増強層２０は、上面と底面を有する。信号増強層２０の底面は、活性検知層１８の一部または全域に隣接し、好ましくは、活性検知層１８の上面に対向している。信号増強層２０の形成材料は、好ましくは、選択的気体吸収材、選択的気体吸着材、該材料の各混合物から成る群から選択される。信号増強層２０の好適な材料は、金属酸化物（酸化スズ、酸化鉄、酸化バナジウム、酸化亜鉛等）、金属類（パラジウム、プラチナ、金、銀、鉄等）、カルコゲニドガラス類（セレニウム、ヒ素セレン化物等）、ポリマー類（ポリエーテルイミド類、熱分解ポリスルホン、熱分解ポリアクリロニトリル）から成る群から選択されるものを含む。すなわち、信号増強層２０は、その導電率が、好ましくは約１０４Ｓ／ｍ未満、より好ましくは約１０３Ｓ／ｍ未満、さらに好ましくは約１０−２Ｓ／ｍ〜約１０２Ｓ／ｍである。信号増強層２０のシート抵抗は、少なくとも約１００Ω／ｓｑ、好ましくは少なくとも約１，０００Ω／ｓｑ、さらに好ましくは約１，０００Ω／ｓｑ〜約１０，０００Ω／ｓｑが想定される。信号増強層２０の形成方法は好適なものであればいずれの方法でもよく、スクリーン印刷、溶射コーティング、Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｊｅｔ（登録商標）印刷、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、ドローバーコーティング、含浸コーティング、リトグラフ法、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、積層法、ＡＬＤ、ＣＶＤ、およびＰＥＣＶＤから成る群から選択されるものを含む。信号増強層２０の厚みは、好ましくは約５０ｎｍ〜約５０μｍ、より好ましくは約１００ｎｍ〜約４μｍ、さらに好ましくは約１００ｎｍ〜約２μｍである。ＡＳＴＭ法Ｆ１２４９の測定による信号増強層２０の気体拡散速度は、一日当たり少なくとも約５０ｇ／ｍ２が想定され、好ましくは一日当たり少なくとも約５００ｇ／ｍ２、より好ましくは一日当たり約２，０００ｇ／ｍ２〜約５，０００ｇ／ｍ２である。本実施形態では、ＡＳＴＭ法Ｄ−５７０の測定による信号増強層２０の非分析対象の拡散速度は、好ましくは一日当たり約１ｇ／ｍ２未満、より好ましくは一日当たり約０．０１ｇ／ｍ２未満、さらに好ましくは一日当たり約０ｇ／ｍ２〜約０．００１ｇ／ｍ２である。
【００３４】
一実施形態では、信号増強層２０は気体と反応させてもよい。例えば、信号増強層２０は、対象の気体と接触すると、化学変化・反応または物理的変化・反応を起こす。この化学変化・反応または物理的変化・反応により、気体への曝露による活性検知層１８からの出力信号を増強、または、増幅することができる。信号増強層２０が反応層である場合、ＡＳＴＭ法Ｄ−５７０の測定による分析対象のこの層における溶解度は、少なくとも約０．８％が想定され、少なくとも約２．０％の溶解度が好ましく、約５．０％〜約１０％の溶解度がさらに好ましい。反応性信号増強層２０は、いずれかの非導電性材料の１つまたは複数を用いて形成可能であり、該材料は、ポリマー類（ポリエステル類またはポリメチルメタクリレート（［ＰＭＭＡ］）、各種フォトレジスト材、セラミックス、金属複合材、および上記材料の各混合物から成る群から選択されるものを含む。
【００３５】
別の実施形態では、信号増強層２０は、活性検知層１８に挿間してもよい。すなわち、活性検知層１８の上方または下方のみに形成するのではなく、別の方法で活性検知層１８内に分布、または、活性検知層１８内に混入させてもよい。
フィルタ層
【００３６】
フィルタ層２２は上面と底面を備え、信号増強層２０に隣接配置される。好ましくは、該底面は信号増強層２０の上面に対向している。または、信号増強層２０が設けられていない場合、フィルタ層２２の第１の側は、活性検知層１８に隣接する。本実施形態では、フィルタ層２２の第１の側が活性検知層１８の第２の側に対向していることが、さらに好ましい。
【００３７】
実施形態を問わず、フィルタ層２２は、電極１４、１６の一部または全域と周囲との間に配置される。フィルタ層２２は、活性検知層１８を環境の刺激要因から隔絶するよう構成されている。すなわち、フィルタ層２２は、所望の環境信号のみを活性検知層１８に接触および／または反応させることで、トランスデューサ１０の機能または選択性を高めることができる。フィルタ層２２の材料および特性は、作成されるトランスデューサ１０の種類により決まる。フィルタ層２２は、好ましくは、各種金属膜、ポリマー膜、セラミック膜、単結晶膜、イオン選択膜、薬品選択膜、生体選択膜、金属酸化物膜、金属窒化物膜、有機金属膜、および、上記膜の各種組合せから成る群から選択される材料で構成される。
フィルタ層２２は、導電層または電気絶縁層のいずれであってもよい。また、フィルタ層２２の形成方法は好適なものであればいずれの方法でもよく、スクリーン印刷、溶射コーティング、Ａｅｒｏｓｏｌ  Ｊｅｔ（登録商標）印刷、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、ドローバーコーティング、含浸コーティング、リトグラフ法、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、積層法、レーザーアブレーション、ＡＬＤ、ＣＶＤ、およびＰＥＣＶＤから成る群から選択されるものを含む。フィルタ層２２の厚みは、好ましくは約１０ｎｍ〜約１５０μｍ、より好ましくは約５０ｎｍ〜約１００μｍ、さらに好ましくは約１００ｎｍ〜約２μｍである。
【００３８】
フィルタ層２２の存在により、所望の気体を優先的に通過させることができ、一方、好ましくない環境信号は阻止される。フィルタ層２２は、気体透過率が高く、気体の吸収・反射率は低いことが好ましい。ＡＳＴＭ法Ｆ１２４９の測定では、フィルタ層２２の気体拡散速度は、一日当たり少なくとも約５０ｇ／ｍ２が想定され、好ましくは一日当たり少なくとも約５００ｇ／ｍ２、より好ましくは一日当たり約２，０００ｇ／ｍ２〜約５，０００ｇ／ｍ２である。フィルタ層２２は、例えば、湿度トランスデューサ１０の場合、紙、セルロース紙、ゴアテックス材、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、各種多孔透湿層から成る群から選択される材料等で構成される、透水性の膜である。ＡＳＴＭ法Ｆ１２４９の測定では、非分析対象（所望の試験用気体ではない気体または材料）では、フィルタ層２２の該非分析対象の拡散速度は、一日当たり約１ｇ／ｍ２未満が想定され、好ましくは一日当たり約０．０１ｇ／ｍ２未満、より好ましくは一日当たり約０．００１ｇ／ｍ２未満である。
【００３９】
マルチピクセル型トランスデューサ
別の実施形態では、複数のトランスデューサを単一のデバイスに配置してもよい。有利な点として、複数のトランスデューサを電極構成上に印刷形成することができる。これにより、デバイスの面積が最小化され、複数の「ピクセル」を同時または個別に作用させて、一以上の気体を検出することができる、または、一の気体の検出精度を向上させることができる。図２は４ピクセル構成を示す。
【００４０】
使用方法
印加時間をかなり短くすれば、２０〜５０ｎｍの厚みのＣＮＴ活性検知層１８に、この層を損なわずに約４，６００Ａ／ｃｍ２未満の密度の電気担体の電流を印加可能であることは、既に実証されている。さらに、センサー構造の中には、活性層の周囲のポリマー電気領域が、約１００μｓにおいて、約４，２００Ｖ／ｃｍの電界に絶縁破壊を起こさずに耐え得るものがある。こうした高エネルギー密度（〜１９ｘ１０６Ｗ／ｃｍ３）を材料を劣化させずに維持するには、エネルギーを短パルスで伝送しなければならない。パルスは約１００μｓ未満、好ましくは約７０μｓ未満でなければならない。こうした短時間であれば、上記エネルギーを、活性検知層１８とその周囲の各層の物理的形態や化学構造を損なわずに、担体伝導路に沿って、電気接点から別の電気接点に伝送することができる。
【００４１】
活性層内およびその周りに集まる環境成分は、デバイス周囲の直近の大気環境からセンサー構造内へと拡散していく。デバイスが平衡状態になると、該環境成分はデバイス構造へと拡散し、これにより、活性層の導電率が変化する。非分析対象と同様に、分析対象においても、このような変化は、デバイスの導電率のヒステリシスまたは不安定性として出現する。
【００４２】
環境成分の活性層内とその周囲への拡散は、システムへのエネルギー投入により、逆行させることができる。しかし、こうしたエネルギー投入は、薄膜センサーでは難しい。理由として、活性層に対するエネルギー密度は、拡散プロセスを逆行させるには十分に大きくする必要がある一方、活性層やその周囲の層の損傷や、各層に回復不可の変化を与えない程度には小さいことが求められるためである。エネルギーをパルス化して用いれば、活性検知層１８とその周囲の層の温度を精度高く制御可能であり、これにより、センサーは、上昇温度で各気体を検出することができると同時に、デバイスの温度を、気体や不要な環境成分の除去に十分な程度に上昇させることも可能である。
【００４３】
この大きなエネルギー密度ｕは、各導電性ＣＮＴ間の界面領域で濃縮され、ここで、ファンデルワールス結合および水素結合した環境成分は導電プロセスに干渉し、実質的に非平衡加熱が行われる。この領域の温度Ｔは以下の示差加熱方程式により決定される。
【数１】
2019532272.tif 000003
この式において、ρは活性層および周囲の層の平均密度、ｃｐは周囲領域と合わせた活性層の比熱、κは周囲領域の熱伝導率、ｔは時間である。環境成分が活性層から離脱して該領域から流出するようにエネルギー密度パルス内での温度上昇を最大にする場合、ｃｐとκは可能な限り小さいことが望ましい。例えば、ＣＮＴ系活性層をポリマー系上層と組み合わせれば（κが低値）、ＣＮＴ系活性層の片側がシリコン基板で囲まれている場合（κが比較的高値）と比較して、活性層のより大きな温度上昇が可能になる。
【００４４】
このエネルギー密度を適用する場合の特に好ましい方法は、活性層を介してエネルギーの「パルス列」を生成することである。このようなパルス列のタイミング図を図３に示す。これらの電圧パルスはデバイスの電極１４、１６を介して続いており、センサーデバイスの活性検知層１８を加熱する。上記パルスは、平均エネルギーと反復周波数が十分に高く、熱暴走を起こすことなく、活性検知層１８とその周囲の領域を急速に加熱する。また、上記パルスは、ピークエネルギーが十分に低く、活性検知層１８とその周囲の層の物理的形態や化学構造を回復不能な程に損なうことはない。図３では、縦軸はエネルギー密度、横軸は時間を表す。持続時間τの個々の高エネルギーパルスを縦線で示す。各パルスは、図にＴ１で示すパルス時間の加熱期間とパルス反復周波数の積により決まる、パルス総数のパルス列に配置されている。デバイス抵抗はパルス加熱期間中に測定される。これをＲｄで表す。パルス列の直前の活性検知層１８の抵抗は、図面で示すＲｂとして測定される。パルス列の直後の活性検知層１８の抵抗は、図面で示すＲａとして測定される。図にＴ２で示す時間は、ピクセルがパルス列間で冷却可能な時間である。
【００４５】
図３にＲａで示す時点における活性層の導電率の測定は、加熱後のこの層の導電率を表す。パルス列の長さとパルス数により、この測定は、分析対象の影響や環境による干渉のない測定結果、または、上昇温度における環境による干渉を受けた分析対象の測定結果、いずれかとなる。
【００４６】
パルス列は最終的な温度を制御する。各ピクセルは、別々のパルス列を受け取り、ＩＲカメラでの測定では、約１００ｍｓ未満で熱平衡に至る。パルス列が正しくプログラムされていれば、ピクセル／基板近傍領域の熱質量がピクセル温度の変動を防ぐ。最終的な平衡温度を制御するパルス列のパラメータは、パルス電流、パルス反復周波数、および、パルス持続時間である。ピクセル抵抗は加熱プロセス中に変化するが、パルス・デューティ・サイクルを動的に制御することで補償可能であることから、必要な電流量はピクセル抵抗と入射電圧に依存する。反復周波数と持続時間は、パルス・デューティ・サイクルに相当する（電流が流れている時間パーセント）。例えば、一般的なピクセルを２００℃にするには、約１０ｋΩのピクセル抵抗と約８％のデューティ・サイクルで、１００Ｖの入射電圧が必要である（すなわち、１０ｍＡは、平均電流が８００μＡの場合の時間の８％で、ピクセルを通過する）。
【００４７】
デューティ・サイクルは温度制御に用いる。この手法の主な利点は、デューティ・サイクルは、水晶発振器から派生（カウントダウン）したタイミング信号であるという点である。上記発振器は、精度が１００に対して１部（１％）、または、１，０００に対して２〜３部（０．３％）程度に限定される場合の電圧・電流制御に反して、１ｐｐｂを上回る精度を有する。したがって、電子工学の周知の原則として、一般的に、タイミング信号は電圧または電流信号よりもより高精度の制御が可能になる。このように、タイミング信号は、高精度の温度制御に用いることができる。
【００４８】
デューティ・サイクル（通常、パルス反復周波数）を制御することで、ピクセルに所望の電流が流れる。ピクセルは、パルス反復周波数とピクセル温度の間に検量線を有する（この検量線はピクセル抵抗、バックグラウンド温度、熱損失の構成、放射、導電および対流熱損失に依存する）。電流とピクセル温度との間の関係は、マイクロコントローラの参照表により分かる。
【００４９】
電流が変動すると、エラー信号がマイクロコントローラにフィードバックされ、パルス列が修正され、電流（ひいては温度）が一定に維持される。このエラー信号を用いれば、周囲の気体に対するピクセルの反応を示すことができる。
【００５０】
第１の動作モードでは、パルス列は決してオフにはならないため、Ｒｄのみを測定するが、一定温度を維持するために測定される（電流の判定）。この動作モードは、Ｈ２やＣＯ等の反応の早い気体に有効である。
【００５１】
第２の動作モードでは、ピクセルの温度を２つ以上の温度の間で変動させることができる。例えば、パルス列を室温ではオフにし、別のより高い温度でオンにすることができる。このシステムは様々に異なるピクセル温度で動作可能であること、または、パルス列は決してオフにはならず、室温との間の低温および高温で制御することに留意されたい。
【００５２】
Ｒｂ、Ｒｄ、Ｒａを用いて説明するモードでは、システムは、室温（パルス列はオフ）と、これより高い制御温度（パルス列はオン）の２つの温度で動作する。ＲｂとＲａは、パルス列がオフである時の室温／バックグラウンド温度におけるピクセルの抵抗を表す。Ｒｄは、パルス列がより高温でオン状態の場合のピクセル抵抗を表す。この特定の動作モードは、水蒸気の気体濃度を測定する際に必要である。水蒸気は、大気濃度に応じてピクセル内へ拡散する。これにより、ピクセルの抵抗が変化し、測定可能である。しかし、ピクセル周囲の水蒸気濃度が下がると、水蒸気がすべてピクセルを離れるわけではない。多くの状況下で、水分は一部ピクセルに残ったままである。精度の高い測定結果を得るためには、ピクセルを１００℃に加熱して乾燥させる必要がある。したがって、Ｒｂは、最後に乾燥した後の水蒸気濃度を測定し、Ｒｄは、ピクセルの乾燥温度を測定し、Ｒａは、乾燥後のピクセルの抵抗を測定する。ＲｂとＲａの間の差異は、ピクセルの周囲の大気における水蒸気濃度を表す。このモードは、ＣＯ２等の他の気体や揮発性の有機化合物に有効である。
【００５３】
第１の動作モードでは、温度関数として気体の吸収率を表す曲線は、気体への曝露時の種々の制御温度におけるエラー信号である（Ｒｄの変動を表す）。低値のｐｐｍまたはｐｐｂの気体濃度では、この曲線は同じ形状であることが予想されるが、気体濃度が変わるにつれ、強度が変化する。
【００５４】
第２の動作モードでは、Ｒｄは、気体をピクセルから除去する温度を表すパラメータである。例えば、ピクセルを１００℃でクリアした場合、その気体は水である可能性が高く、５０℃でクリアした場合はアルコールである可能性が高く、１７０℃でクリアした場合はＣＯ２である可能性が高い。気体は、気体とピクセルの化学組成の間の化学ポテンシャルと揮発温度に応じて、ピクセルから解放される固有の温度をそれぞれ有している。
【００５５】
第１のモードでは、ピクセルに気体混合物が存在する場合、最後の信号は、各気体の上記曲線の線形結合を表す。未知のパラメータは、各気体の濃度レベルである。最後の信号は、最小二乗フィッティング法により、リアルタイムで曲線のライブラリ（データベース）にフィッティング可能である。最終的な結果として、例えば、気体の種類と濃度レベルの表が得られる。
【００５６】
第２のモードでは、ピクセルを上昇温度で加熱し、Ｒｄをモニタリングすることで、各気体の種類を判定できる。特定の温度でＲｄが変化する場合、その温度を気体の種類の判定に用いることができる。
【００５７】
図４に、図３のパルス信号タイミングチャートを生成するための電子システムのブロック図を示す。コンピュータ２００は、出力Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３をデジタル制御することで、図３に図示の各プロセスのタイミングを制御する。この回路は、出力２０２を介して、活性検知層１８のＤＣ抵抗に関する情報をコンピュータ２００に送信する。図４に上部に示す高電圧源２０６を介して、パルス変調器２０４に高エネルギーが与えられる。パルス変調器２０４は、パルス列のパルス間の時間と各パルスの持続時間τを、内部で固定する。パルス列の合計時間Ｔ１と、活性層に送った総エネルギーは、Ｇ１を介して、コンピュータ２００によりゲーティングまたは制御される。コンピュータ２００は、図４の中心の信号選択器２０８を介してＧ２を制御することで、パルスのクリア処理とＤＣ抵抗測定モードのいずれかを選択する。また、コンピュータ２００は、Ｇ３と電流逆進回路２１０を介して、活性検知層１８を流れる電流を逆行させることができる。信号選択器２０８とパルス変調器２０４を制御することで、Ｒｂ、Ｒｄ、Ｒａ測定の間の時間Ｔ２を、ソフトウェアにより制御する。
【００５８】
図５と図６に、本実施形態で用いる回路を示す。この回路は、単回使用のデバイス、ＣＭＯＳ  ７４ＨＣ２２１（付属の金属酸化半導体）をＵ２で用いて、Ｒ１で調整可能な５μｓ〜１００μｓの固定パルス幅を供給する。Ｕ６または図４に示すＧ１を介して、ゲーティングした矩形波信号またはコンピュータにより、集積回路Ｕ２を制動する。コンピュータＧ１は、ゲートＵ６を介して時間Ｔ１を制御する。Ｑ１におけるデバイスは、３Ａのドレイン電流で１，０００Ｖの電圧を発生可能な高性能デプリーション型ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化物電界効果トランジスタ）、ＩＸＹＳ  ＩＸＴＰ３Ｎ１００Ｄ２である。−５．０Ｖのゲートに＋２．０Ｖ（Ｕ３とＲ２で設定）までパルスをかけると、Ｑ１はホールドオフされ、高エネルギーパルスが送られる。Ｕ４の演算増幅器は、コンピュータからのデジタル出力Ｇ２、Ｇ３を信号調整し、ＲＬＹ１の信号選択器を制御し、ＲＬＹ２の電流逆行を制御する。ＤＣ抵抗の測定はＪ５を介して行われ、活性検知層１８は、Ｊ７を介して回路に接続される。また、本実施形態には、Ｒ１１とＲ１２、および、Ｒ９とＲ１０のネットワークに接続した各増幅器が含まれ、パルス中の活性検知層１８の電圧と電流をそれぞれ測定する。該デバイスのパルス変調部の本実施形態の場合、これらの出力はＪ２とＪ３のデータ獲得装置に接続することができる。各パルスは、Ｊ４の矩形波入力とＵ８の比較器により、繰り返し生成される。
【００５９】
図７に、パルス列の一例のパルスピーク電圧モニター（上側）とパルスピーク電流モニター（下側）の出力を示す。各パルス列が試験デバイスに入射し、これにより該パルス列中に各デバイスにかかる電圧と各デバイスを流れる電流が図３に示され、図７はその結果を示す。パルス列の前後で、各デバイスの抵抗を測定した。この図では、水平方向のゲージは、各域で５０μｓであり、パルスピーク電流パルスの両側のスパイクは、パルスを短時間でオン・オフした際の静電結合によってもたらされる。寄生キャパシタの充電後は、定常電流が確実に得られる。電圧（上側の線）は急速にオンになるが、パルス増幅器のオフ抵抗が小さいため、電流パルスが一旦オフになると、徐々に弱まっていく。電流パルスの両側のスパイクは、同じサンプルホルダーにおける浮遊容量によってもたらされる。
【００６０】
入射パルス電圧合計（およびピークパルスエネルギー）、パルス持続時間τ、パルス列が活性層に入射する時間長Ｔ１、および、パルス列中のパルス反復周波数を制御することで、活性層と周囲の層の温度を制御することができる。
【００６１】
抵抗測定よりインピーダンス測定が好まれる場合、この構成を用いれば、ＤＣ測定システムを簡単にＡＣ測定に置き換えることが可能になる。
【００６２】
使用方法
活性層の温度制御は、該活性層とその周囲の領域に拡散した種々の環境成分を区別する際に、重要であり得る。例えば、ＳｎＯ２金属クラスター材では、クラスター間の電子輸送は、各クラスターの表面と弱結合しているＣＯ−の関数である。この結合は、２５０℃超の温度で失われる（さらに、活性層からＣＯがクリアされる）。これは、上述したように、ＣＮＴ活性層内の導電域と絶縁領域の間に起こるプロセスとほぼ同じものである。したがって、環境と活性層との相互作用が熱的に活性化するであろうと考えられる。
【００６３】
気体センサーは、１つの導電性活性検知層１８と２つの電極１４、１６を含むピクセルを備える。活性検知層１８は、この気体センサーにおいて２つの役割を担う。第１に、その電子特性は、大気中の気体等の環境刺激要因との相互作用に影響を受ける。好ましくは、これは、電流が活性検知層１８を通過することで電極１４、１６間の抵抗に起こる変化であり、「相互作用による抵抗」と呼ぶ。低電流密度を用いて相互作用による抵抗を測定すると、活性検知層１８に存在する刺激要因の種類と量を表すことができる。第２に、活性検知層１８の温度を、この層を介して電極１４、１６の間に高電流密度を通過させることで制御できるため、活性検知層１８は、マイクロヒータまたはナノヒータとして機能し得る。センサーピクセルの温度変動により、環境の刺激要因との相互作用が変わる。これにより、活性検知層１８の電子特性が変わり、相互作用による抵抗も変化する。
【００６４】
ピクセルの活性検知層１８をセンサーとヒータとの２通りに用いることができるため、先行技術の気体センサーよりも明らかに有利である。先行技術の気体センサーの大半は大型のヒータに依存しているが、活性検知層１８のサイズと熱質量は小さく、これにより、周囲のデバイス温度とは別に、ピクセルの温度を急速に変化させることができる。すなわち、ピクセルは熱慣性がほとんどなく、そのため、温度勾配、温度ソーク、温度スウィープが、１秒足らずで可能である。さらに、低質量のヒータの熱容量は非常に小さいため、特定の温度に達するまでに消費する電力はごく少量である。
【００６５】
個々のピクセルの温度を様々な温度に制御または勾配させることで、固有の気体吸収特性が測定できる。例えば、異なる温度では、気体の活性検知層１８に対する吸着度の強弱が異なり、また、気体がこの層から完全に除去される場合もある。熱誘導による各気体吸収特性を用いて、異なる気体の温度と特徴的吸収曲線の対比が可能になる。
【００６６】
気体が物質に対して吸収、吸着、または反応すると、濃度および温度の関数として、その材料の抵抗に変化が生じることはよく知られている。図８に、４種類の仮想の気体吸収曲線を示す。図８に示す曲線を用いて、センサーデバイスの応答を、気体の組成および濃度の判定においてモデル化することができる。この図では、異なる気体の熱吸収スペクトルをＧ１〜Ｇ４の曲線で示す。各気体は、温度関数としての、異なる気体吸収スペクトルを有する。
【００６７】
また、図８には、気体スペクトルの典型的な温度範囲も示す。ここでは、ガスの種類に応じて、気体吸収プロセスを室温〜約６００℃で測定した。図９は、特性関数ｆ（ｘ）、ｇ（ｘ）、ｈ（ｘ）、ｊ（ｘ）をもつ気体Ｇ１〜Ｇ４の曲線として、７０℃〜１２０℃の領域における曲線の一例を示す。動作中、活性検知層１８の温度はこの範囲で勾配変化し、活性検知層１８の抵抗変化は、この温度の勾配期間中に測定することができる。測定結果は、例えば、ψ（ｘ）で表す曲線になり、この場合、ｘ＝Ｔ／Ｔ０およびＴ０は、特有の一定温度である。気体の組成は以下の方程式にフィットする第１の近似近値により得られる。
【数２】
2019532272.tif 000004
この式中、ｎ１、ｎ２、ｎ３、ｎ４は、各々の関数ｆ（ｘ），ｇ（ｘ），ｈ（ｘ），ｊ（ｘ）．による気体Ｇ１〜Ｇ４の濃度を表す。例えば、Ｇ１が未知の気体である場合、該ガスは曲線形ｆ（ｘ）をマッチングすることで判定され、濃度はｎ１の大きさで判定される。ｆ（ｘ）が直線の場合、気体の種類は勾配で判定し、濃度はｙ−インターセプトで判定する。
【００６８】
測定した抵抗を既知のスペクトルと比較することで、各種気体または気体の各組合せの種類および濃度を判定することができる。濃度の増減により、信号関数のｙ−インターセプトの大きさも増減するが、吸収スペクトル形状の特徴である線勾配は、ほとんどの濃度レベルで変化しない。
【００６９】
さらに、各種信号増強層２０またはフィルタ層２２を活性検知層１８と併用して、ピクセルの応答性をさらに向上させる、または、ピクセルの選択性を向上させることができる。信号増強層２０として、対象の気体と相互作用を起こしやすい１つ以上の材料を用いることができる。この場合、該材料は、活性検知層１８内に埋め込んでも、活性検知層１８と周囲の間に配置してもよい。このような信号増強層２０により、相互作用による抵抗の変化が大きくなり、検出の閾値が下がり、信号対ノイズ比が向上する。または、フィルタ層２２を、活性検知層１８と周囲との間に配置してもよく、これにより、不要な刺激が活性検知層１８に作用することを防ぎ、ピクセルの感度および特異性がさらに向上する。１つまたは複数の信号増強層２０と１つまたは複数のフィルタ層２２を併用することが可能であることは、理解されるであろう。
【００７０】
有利な態様として、複数のピクセルを、アレイとして、合わせて用いることができる。一実施形態では、各ピクセルは同じ組成を有する。低熱伝導率の基板１２と共に用いた場合、各ピクセルの温度は個別に制御可能であり、様々な温度での相互作用による抵抗を、同時に測定することができる。これにより、単一センサーピクセルを異なる温度に勾配させるのではなく、一定の温度範囲を同時に測定可能になるため、センサー速度が向上する。
【００７１】
別の実施形態では、１つ以上のピクセル（ピクセルセンサーとも呼ぶ）は、異なる組成とすることができる。すなわち、各ピクセルは「混合およびマッチング」が可能であり、ピクセルの一部には一様な組成から成る活性検知層（すなわち、層全体で化学的に同じ組成）を設け、他のピクセルは異なる組成の混成（すなわち、カーボンナノチューブ等の別の材料と混合した信号増強材料）から成る活性検知層を設けてもよい。信号増強層は、各ピクセルに設けなくてもよく、あるいは、特定のセンサーアレイの１つ以上（または１つ１つ）のピクセルに設けてもよい。本実施形態では、各ピクセルを同一の温度に制御してもよく、あるいは、異なる温度に制御してもよい。異なる組成のピクセルは、様々な気体との間にそれぞれ異なる相互作用を生じるため、一の気体の種類や濃度をより正確に判定、あるいは、２つ以上の気体の種類と濃度を同時に判定することもできる。
【００７２】
温度制御は、気体吸収曲線の特性により、温度関数として、センサー精度と関連している。吸収曲線がデバイス温度の周辺で急激に変化している場合、バックグラウンド温度の変動により偽陽性信号が発生しないように、制御を維持する必要がある。したがって、センサーシステムの基線を制御するため、別の温度・相対湿度センサーがさらに必要になる場合がある。バックグラウンド温度と気体吸収曲線が周知のものである場合、調整済みエネルギーをヒータに散逸し、所望の温度を達成することができる。
【００７３】
さらに別の実施形態では、本発明は、マイクロヒータまたはナノヒータを提供する。この実施形態では、一連の電気パルスの印加により、加熱層を加熱することができる。個々のパルスは、約１００マイクロ秒未満が好ましく、約７０マイクロ秒未満がより好ましく、約１マイクロ秒〜約７０マイクロ秒の範囲がさらに好ましい。ジュール加熱またはオーム加熱により加熱層を加熱するために、一連のパルスを、一定の時間この層に送ることができる。この一連のパルスの持続時間は短時間であることが好ましく、すなわち、約５秒未満であることが好ましく、約３秒未満であることがより好ましく、約１秒未満であることがさらに好ましく、約１マイクロ秒〜約１秒であることが、さらに一層好ましい。
【００７４】
上記電気パルスに用いる電圧は、約２５Ｖ〜約５００Ｖが好ましく、約５０Ｖ〜約３５０Ｖがより好ましく、約１００Ｖ〜約２００Ｖがさらに好ましい。加熱層の電気担体電流密度は、抵抗と所望の温度範囲に応じて変動するが、通常、約１，０００Ａ／ｃｍ２〜約１０，０００Ａ／ｃｍ２であり、約１，５００Ａ／ｃｍ２〜約７，０００Ａ／ｃｍ２が好ましく、約２，０００Ａ／ｃｍ２〜約５，０００Ａ／ｃｍ２がさらに好ましい。加熱層は、少なくとも約５０℃、好ましくは少なくとも約１００℃、より好ましくは少なくとも約１５０℃、さらに好ましくは約２００℃〜約３００℃、温度が上昇する。
【００７５】
加熱層の厚み、その形成材料、およびそれ以外の特性は、活性検知層に関して説明したものと同じである。好ましい一実施形態では、加熱層は、カーボンナノチューブが主成分、または、カーボンナノチューブのみで構成される。
【００７６】
上述したように、この加熱手段を、センサーデバイスを「リセット」またはクリアするために用いることができるが、本発明のこの実施形態は、センサー技術以外の用途でも有用であることは、理解されるであろう。例えば、加熱層近傍の各層、構成要素、デバイス等から実質的に加熱を隔絶する必要がある環境において、この加熱手段は有用である。本実施形態は、水分（水等）および／または揮発性有機化合物（「ＶＯＣ」）が悪影響を及ぼし、水分および／またはＶＯＣの除去管理が必要である環境、特に、マイクロまたはナノレベルの環境において、特定の使用が考えられる。本発明の方法は、除去すべき特定の対象化合物の少なくとも一部の除去または蒸発を可能にし、除去または蒸発される該一部は、対象化合物の少なくとも約７０％が好ましく、対象化合物の少なくとも約９０％がより好ましく、対象化合物の約１００％であることがさらに好ましい。
【００７７】
そうした環境の一例としてミクロ電子工学の分野が挙げられ、わずかな量の水分でも電子機器に悪影響を及ぼす可能性があるが、同時に、電子機器は加熱により損傷する場合がある。そうした環境の多くでは、加熱層は、ポリマー層、発光ダイオード（「ＬＥＤ、特に有機ＬＥＤ」）、ガラス層等に隣接配置され、水分除去のための加熱層の加熱も、ポリマー層、ＬＥＤ、他の加熱層近傍の部材を加熱せずに行うことは難しく、これら近傍部材が加熱により軟化したり、移動したりする可能性がある。加熱層に隣接する層または構成要素は、その種類にかかわらず、生じる温度上昇が約２０℃未満であることが好ましく、約１０℃未満であることがより好ましく、約５℃未満であることがさらに好ましく、約０℃であることがさらに一層好ましい。
【００７８】
いくつかの用途では、上述の電圧および時間枠で一続きのパルスのみを必要とする。例えば、加熱層を、水分および／またはＶＯＣの除去が必要なミクロ電子デバイスに設ける場合、そのデバイス内に存在する水分またはＶＯＣの除去には、一続きのパルスのみで十分である。いくつかの用途では、一続きのパルスを、間隔をおいて、１回以上繰り返すことが望ましい。
【実施例】
【００７９】
以下の実施例で、本発明における好ましい方法を説明する下記の実施例は例示であり、そのいずれの構成も本発明全体の範囲を限定するものではない。
【００８０】
実施例１
ＣＮＴ活性層環境センサーの作成
トランスデューサ１００等の多数のセンサー試験デバイスを、図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃに示す構成で作成した。これらデバイスの基板１２として、厚みが１２５ミクロンのＫａｐｔｏｎ（登録商標）ＨＮ膜（ＤｕＰｏｎｔ社、オハイオ州、Ｃｉｒｃｌｅｖｉｌｌｅ）を用いた。銀製電極１４、１６を、銀導電性インク（導電性化合物）ＡＧ−８００を用いて、スクリーン印刷（スクリーンプリンター  ｍｏｄｅｌ：ＡＴ−６０ＰＤ、スクリーン：ポリエステル、２３０スレッド／ｉｎｃｈ、フラッド／スクィージー速度：２２５ｍｍ／秒、フラッドバー圧力：１０ｐｓｉ、スクィージー圧力：２５ｐｓｉ）で、基板１２に印刷し、１３０℃、１０”／分の速度で、搬送炉で硬化した。硬化後のＡｇ電極１４、１６は、厚みが５μｍ±２μｍであった。プラテン温度１３５℃、スキャン幅：２ｍｍ、流量：１０ｍｌ／時間、スキャン速度：６０ｍｍ／秒、溶射ヘッド：Ｓｏｎｏ−Ｔｅｋ、ｍｏｄｅｌ：０４８−００２１４、電極領域全体で３パス、を各パラメータとして用いて、ＣＮＴ活性層（Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ社、ミズーリ州、Ｒｏｌｌａ）を、電極１４、１６全体に溶射コーティングにより形成した。その後、各デバイスのＣＮＴ活性層上に、ＯｐｔｉＳｔａｃｋ（登録商標）ＳＯＣ３０４材（Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ社、ミズーリ州、Ｒｏｌｌａ）を、溶射コーティングで直接塗布した。ＯｐｔｉＳｔａｃｋ（登録商標）の溶射コーティング条件は、１ｍｍの溶射幅で２パス、１０ｍＬ／時間のシリンジ速度、２．４Ｗの音波処理、１ｐｓｉの大気圧、６０ｍｍ／秒のスキャン速度、１３５℃のプラテン温度であった。
【００８１】
試験には、複数のデバイスを選択した。選択したデバイスは、Ｎｉｃｏｍａｔｉｃ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ社（Ｗａｒｍｉｎｓｔｅｒ、ペンシルベニア州）提供の短寸・スズ製のオスクリンプピン＃１３５９５−１２を用いて、別々に固定した。  選択したデバイスの開始時点の抵抗は、通常の大気条件（ＳＴＰ）と２５％ＲＨでの合成の直後、名目上６０ｋΩ〜６００ｋΩであった。
【００８２】
実施例２
湿度センサーのパルスクリア処理
実施例１で用意した各センサーを、温度と相対湿度が共に可変である環境チャンバで測定した。各サンプルの活性層のＤＣ抵抗を、最初はパルスクリア処理を用いず、その後パルスクリア処理を用いて、測定した。
【００８３】
上記環境チャンバにより、各サンプル周囲の相対湿度および温度の変動を制御した。また、上記環境チャンバには、２つの較正標準センサー、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ（著作権）ＨＩＨ−４０００−００３湿度センサーと、Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（著作権）ＬＭ３３５Ｚ精密温度センサーを設け、試験に供する各センサーの直近にある環境チャンバ内の相対湿度および温度を測定した。環境チャンバは、図１２に示す環境を設定するようにプログラムされた。プロファイルは、ＲＨサイクルとＴサイクルの２つのサイクルに分けた。ＲＨサイクル中、温度は一定であり、Ｔサイクル中、ＲＨは一定であった。１２時間後、ＲＨは９０％に達した（図示なし）。
【００８４】
この例では、可変電子電流パルス列のパラメータは、パルス幅が７０μｓ、反復周波数が４００Ｈｚ、ピークパルス電圧が１００Ｖで一定であった。電子電流パルス列を用いて、ピクセルの活性検知層１８を４．４秒加熱し、抵抗を測定した。さらに１５分が経過し、ピクセルが冷却して水分を採取可能になった後、パルス列を再度用いて、ピクセルを４．４秒加熱し、このパターンを試験中繰り返した。
【００８５】
図３にＲａ示す時点で、パルスクリア列の直後、各サンプル中の活性層のＤＣ抵抗を測定した。活性層を介して電流を逆行させ、ＤＣ抵抗を再度測定した。図１３に示す実際のＲｍｅａｓを計算して、前進と逆行の平均値とした。図１３において、青色のデータは、パルスクリアなしのＤＣ抵抗測定を表し、オレンジ色のデータは、パルスクリアを行った場合の測定を表す。図１３の右側のデータは、活性層と周囲領域内の水蒸気から、９０％の相対湿度で、導電性に１０％の寄与があることを明示している（赤色のダイヤ形状）。水蒸気のこの領域にパルスクリア処理を行った後、サンプルの抵抗（青色の四角形）は、該サンプルの実際の温度に沿って、１％を超えている。図１４に示す別の結果では、センサーを図１２に示すものと同じ温度・湿度サイクルに供し、温度に変換したパルス中の抵抗を、標準センサーで測定した温度と共にプロットしている。図１４に、標準センサーで測定したデバイスの実際の温度（四角形）と温度変換したデバイス抵抗（三角形）の間の相関関係を示す。得られた結果により、抵抗への環境湿度の影響が、減少あるいは消失していることが分かる。
【００８６】
湿度センサーとして用いた場合、このセンサーとパルスクリア処理技術は、図１５に示すパルス列がある場合・ない場合の活性層の抵抗の測定により、湿度への曝露に起因する差異を判定することができる。図１５に、標準センサーによる測定湿度（四角形）と、パルス列前とパルス列中の抵抗の差異により判定する湿度（三角形）を示す。この２種類の測定は互いと深く相関しており、デバイスは、温度サイクル中、温度クロス信号を用いることなく、湿度を測定することができる。この差異を実際のＲＨに較正することで、環境湿度信号を判定することができる。図１６と図１７に、動作モードを変更することで、いかにして単一のセンサーが温度と湿度の両方を別々に測定可能となるかを示す。温度は、パルス列中の抵抗を用いて測定可能であり、湿度は、パルス列前・パルス列中の電流差を求めることで測定可能である。図１６は、温度サイクル中のデバイス温度の関数としての、パルス列中のデバイス電流（〜１／Ｒ）を示すグラフである。この図に示す直線関係は、このセンサーが本測定モードにおいて良好な温度センサーであることを示している。図１７は、ＲＨサイクル中のデバイス湿度の関数としての、パルス列前・パルス列中の電流差であるセンサー信号を示すグラフである。この直線関係は、このセンサーが本測定モードでの動作において良好な湿度センサーであることを示している。
【００８７】
実施例３
ＣＮＴ膜とパルスクリア処理による水分の拡散防止
基板１２として、ＣＮＴ活性層の厚みが概算３０±２０ｎｍである透明ＰＥＴ基板１２を用いたこと以外は、実施例１と同様にセンサーを作成した。活性層の厚みがこのように非常に小さい場合、活性層の質量はごくわずかであり、したがって、この活性層の周囲の領域の温度上昇は、活性層の厚みの関数ではなく、周囲の信号増強層２０または基板１２の熱容量の関数である。上記厚み寸法では、電極１４、１６の間の活性層は透明であり、この間隔でのデバイス全体（活性層と基板１２）は透明である。これは、ＯＬＥＤ等の用途では不可欠である。本例では、電極１４、１６の間隔は２．５４平方ミリであるが、１平方当たりの抵抗は一定であるため、これよりもかなり大きな形状にすることも可能である。
【００８８】
環境チャンバのＲＨは８８％に一定に保たれ、温度は２８℃に一定に保たれた。センサーは、３時間、環境チャンバ内に載置され、周囲の環境と平衡状態に達するようにした。３時間後、サンプルの抵抗は１２％に低下した。この変化は、抵抗を下げる温度上昇と、抵抗を上げる湿度上昇との正味に影響によるものである。
【００８９】
上述したように、Ｕ６のゲートをコンピュータ制御することで、活性層に熱を発生させた４．５秒のパルス列の後、活性層で熱が発生しなかった９００秒の区間が続いた。この低デューティ・サイクル・プロセスを用いて、活性層の周囲の領域を乾燥状態に保つのに必要な、活性層における電力散逸の平均値を極小化した。誘電膜を介した水分拡散の速度は遅いとはいえ、このプロセスは、高ピークエネルギーが短く、非常に低い平均電力を用いることで、高温かつ高湿度条件下でも、活性層から水分を阻止できることを示している。こうしたパルス列の低デューティ・サイクル（４．５／９００＝０．５％）では、水分拡散の阻止に必要な総エネルギーは小さく、本技術では、感水ＯＬＥＤ等に適用可能な実用値がある。
【００９０】
図１８に、図３の構成のパルスクリア信号を前提とした、時間関数としての活性層の抵抗の結果を示す。上側のグラフは、サンプルデバイスを、８８％ＲＨおよび２８℃で、３時間、チャンバに載置した後の乾燥プロセスを示す。下側のグラフは、上側グラフの直後の時間を拡大ゲージで示す。信号の具体的条件は、Ｔ１が４．５秒、Ｔ２が１５分、τが６８μｓ、Ｎが６，８００、パルスエネルギーが１０４μＪであった。図１８に示すデータから分かるように（図の上方のグラフから下方のグラフへ時間が経過する）、抵抗は、測定点の間の１５分間隔の区間では、安定しており、系統だった変動はない。これは、水蒸気が活性層とその周囲の領域から拡散を続け、パルス列が１５分間オフの間は拡散が逆行しないことを示している。
【００９１】
本例における主要事項は、活性層と該層下方の領域を乾燥状態に保つために、パルスクリア技術が必要とする平均エネルギーである。各パルスは、６８μｓの長さしかないが、１５分の区間ごとに６，８００パルスがあるため、各々のエネルギーを１０４μＪとして、平均電力は０．８ｍＷと計算することができる。これは、センサーの乾燥を保つためにパルスクリア技術が必要とする最大平均電流である、約１００．０μＡに相当する。このような低電流レベルであれば、ＡＡバッテリで、各センサーを１０，０００時間乾燥可能とする十分なエネルギーを供給可能である。必要なエネルギーがこのように低量であるのは、加熱される非常に薄い領域が効果的に水分拡散を阻止可能であることを、反映している。
【００９２】
実施例４
パルスクリア処理デバイス内の温度制御
実施例１で作成した各センサー（すべて６０ｋΩの範囲に設定）を、大気中の熱的分離構造に取付け、可変エネルギーでパルスをかけ、活性層の温度を、１００℃までの温度を読み取るように較正したＩＲカメラ（Ｆｌｕｋｅ社、型番ＴｉＲ３）で測定した。このカメラの位置は、サンプルの前面から約５０ｃｍの地点に設定した。ＩＲカメラのディスプレイ上のサンプル前面の画像上に測定用カーソルを置き、この前面の温度を測定した。センサーの表面温度はパルス列の間上昇し、約２．０秒後に平衡状態に達したため、カメラ（サンプリング／リフレッシュ速度：１３３ｍｓ）により、最大温度を測定した。例えば、用いた条件は、Ｔ１は４．５秒、Ｔ２は１５分、τは６８μｓ、Ｎは６，８００であった。ピーク電圧Ｖｐを変化させることで各パルスのエネルギーを変え、エネルギーを
【数３】
2019532272.tif 000005
として計算した。図１９では、パルスクリアの結果センサー表面で得た温度を、ピークパルス電圧Ｖｐに対してプロットした。これらのパッチ間のＶｐのばらつきは、Ｒｍｅａｓが変化した結果である。このグラフは、ピークパルスエネルギーを制御することで、温度と活性層からの放出揮発性物質の種類を制御可能であることを示している。本技術により、サンプルの外部環境の揮発性物質を選択的に判定することが可能になる。
【００９３】
図２０に、常に約２００℃の温度を保つために必要なＲｍｅａｓとＶｐを示す。この最終的な温度は、実施例１で作成したセンサーの表面における、測定データの１００℃への直線補外と、該温度範囲で優位な対流熱伝達プロセスの線形性に、基づいている。温度に対して指数関数的に低下する抵抗と、約６１ｋＯｈｍｓ未満の抵抗では電圧の二乗で増加する電力の組合せにより、２００℃に到達するために必要な電圧は、センサーの抵抗に対して直線的に増加する。この電圧と抵抗（および対応する電界）の組合せでは、担体がさらに活性層の導電性粒子から絶縁領域へ放出される、いわゆる担体の雪崩効果により、約６１ｋＯｈｍｓを超える抵抗では、電圧レベルは横ばい状態になった後、低下する。比較として、該領域全体における線形応答を黒線で示す。
【００９４】
実施例５
パルス加熱による高温
パルス加熱を用いて、実施例１で作成した各センサー表面にかなりの高温を発生させた。Ｔ１は４．５秒、Ｔ２は２０分、τは６８μｓ、Ｎは９，０６７、１．０１×Ｒ０のパルスピーク電圧（Ｒ０は各デバイスの当初の室温抵抗）のパルス条件で、ＳＯＣ材を約２５０℃で分解した。Ｔ１は４．５秒、Ｔ２は２０分、τは６８μｓ、Ｎは９，０６７、約１．３５×Ｒ０のピークパルス電圧のパルス条件で、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）膜の基板１２を約６００℃で熱分解した。例えば、２８１ｋＯｈｍｓの室温抵抗のデバイスを、３８０ボルトで熱分解した。熱分解温度より低い温度では、サンプルのＣＮＴ活性層は損壊せず、室温抵抗に大きな変化は見られなかった。熱分解センサーの画像を図２１に示す。
【００９５】
実施例６
ＣＮＴ／パラジウム気体検知デバイスの作成
図１０ａ、図１０ｂ、図１０ｃに示すように、Ｍｅｌｉｎｅｘ（登録商標）ＳＴ７３０のＰＥＴ基板１２上にデバイスを作成した。銀製電極１４、１６を、銀導電性インク（導電性化合物）ＡＧ−８００を用いて、スクリーン印刷（スクリーンプリンター  ｍｏｄｅｌ：ＡＴ−６０ＰＤ、スクリーン：ポリエステル、２３０スレッド／ｉｎｃｈ、フラッド／スクィージー速度：２２５ｍｍ／秒、フラッドバー圧力：１０ｐｓｉ、スクィージー圧力：２５ｐｓｉ）で、基板１２に印刷し、１３０℃、１０”／分の速度で、搬送炉で硬化した。硬化したＡｇ電極１４、１６の厚みは、５μｍであった。プラテン温度１３５℃、スキャン幅：２ｍｍ、流量：１０ｍｌ／時間、スキャン速度：６０ｍｍ／秒、溶射ヘッド：Ｓｏｎｏ−Ｔｅｋ、ｍｏｄｅｌ：０４８−００２１４、電極領域全体で３パスを、各パラメータとして用いて、ＣＮＴ活性検知層１８（Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ社、ミズーリ州、Ｒｏｌｌａ）を、電極１４、１６全体に溶射コーティングにより形成した。その後、約１２０ｍＴｏｒｒの圧力と約３０ｍＡのプラズマ電流によるＤＣスパッタリングを３５０秒間行い、絶縁パラジウム層を表面に形成した。パラジウム層の厚みはスパッタリング時間の関数であり、原子または分子構造が非導電性のクラスターまたはアイランドのものとなるよう、厚みを調整した。こうして、３２個のデバイスを作成した。
【００９６】
実施例７
４ピクセル気体センサーの作成
図２に示す４ピクセルデバイスの図を参照して、各センサーを作成した。４つの矩形の各々は、ＣＮＴ系「ピクセル」であり、他の５つの形状は電極である。図２２に、４ピクセルデバイスの写真を示す。
【００９７】
４つのピクセルは組成が同一であり、ＳｎＯ２による機能化ＣＮＴインクで形成した。乾燥還流冷却器を備える三つ口フラスコを、炉を用いて窒素下で乾燥させ、このフラスコと別に用意した漏斗を油浴に投入した。容量２０ミリリットルの無水１，３−ブタンジオール（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ社、製品番号３０９４４３、ロット番号ＳＨＢＧ０９１８Ｖ）を、上記漏斗に入れた後フラスコに加え、３５０ｒｐｍで撹拌した。その後、容量２．５ミリリットル（０．０００７０４１１モル）のスズ（ＩＶ）イソプロポキシド（ＩＰＡ／トルエン１０％、Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ社、製品番号７６０１５３、ＭＷ＝３５５．０６）を、シリンジを介して反応フラスコに投入した。これを、油浴で１００℃に加熱した。この溶液に濁りはなく、ＳｎＯ２が未形成であることを示している。容量２５ミリリットルの機能化管状カーボンナノチューブ（Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ社、ミズーリ州、Ｒｏｌｌａ、５５０ｎｍでの光学密度＝４７．８）を２−メチル−１．３−プロパンジオール（Ｓｉｇｍａ  Ａｌｄｒｉｃｈ社、ミズーリ州、セントルイス、製品番号３７５７２１）中に分散し、サイドアームの１つを介してフラスコに加えた。
【００９８】
３０分反応させた後、温度を２００℃に設定し、時間を１，２００分に設定した。１，２００分経過後、反応は止まり、室温まで冷却した。このインクを採取し、そのまま印刷に供した。
【００９９】
図２に示すデバイスの４ピクセル銀製電極を、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）基板１２上に、のスクリーン印刷機、ＡＴＭＡ  ＡＴ−６０ＰＤで印刷し、ピクセルのスクリーン印刷前に熱硬化した。ＳｎＯ２で被覆したカーボンナノチューブインクを、銀製電極の上面にスクリーン印刷した。スクィージー速度は、１２５ｍｍ／秒に設定した。１２３−７０ＰＥＴメッシュスクリーンを、８μｍのエマルジョン（Ｓｅｆａｒ社提供のＥ８０）と併用した。このインクを搬送炉で、ベルトを４６インチ／分で走らせながら、２８０°Ｆで乾燥した。各ピクセルの表面に、カプセル化層は印刷されなかった。
【０１００】
デバイス作成後１日が経過した後、各ピクセルの抵抗を測定した。表１にこの結果を示す。この表には、スクリーン印刷後の各４ピクセルデバイスの抵抗を、ｋＯｈｍｓの単位で示す。表の最上段に示す数詞により、基板１２上の各デバイスが特定される。その下に示す４種類の数値は、個々のピクセル抵抗である。
【０１０１】
４ピクセルデバイスの特性を明らかにした後、パラジウム金属物理蒸着法（ＰＶＤ）を行い、各ピクセルのスクリーン印刷によるＳｎＯ２機能化ＣＮＴ層上にパラジウム金属アイランドを形成した。各ピクセルの表面に、１度に１シートずつ、５Åのパラジウムを電子ビームにより蒸着させた。このプロセスは、ＪＶＩＣ施設の応用化学・エンジニアリングセンターで行った。このパラジウムＰＶＤ法の後、個々のピクセルの抵抗を再度測定した。表２に、パラジウム蒸着後の抵抗を示す。
【表１】
2019532272.tif 000006
【０１０２】
４ピクセルデバイスの特性を明らかにした後、パラジウム金属物理蒸着法（ＰＶＤ）を行い、各ピクセルのスクリーン印刷によるＳｎＯ２機能化ＣＮＴ層上にパラジウム金属アイランドを形成した。各ピクセルの表面に、１度に１シートずつ、５Åのパラジウムを電子ビームにより蒸着させた。このプロセスは、ＪＶＩＣ施設の応用化学・エンジニアリングセンターで行った。このパラジウムＰＶＤ法の後、個々のピクセルの抵抗を再度測定した。表２に、パラジウム蒸着後の抵抗を示す。
【表２】
2019532272.tif 000007
【０１０３】
実施例８
微量気体試験用作業台の組立て
微量気体試験用作業台を、図２３のブロック図に示すように組み立てた。
【０１０４】
試験に供したセンサーは、電気真空フィードスルー接続端子をサンプルチャンバに設けている。試験開始前に、主真空バルブを開けてターボポンプをオンし、サンプルチャンバを、対流式ゲージ（ＣＶＧ）を用いた測定により、１００ｍＴｏｒｒ未満まで排気した。さらに、サンプルチャンバへの気体流入口を制御する真空バルブもオンにし、気体流コントローラからサンプルチャンバまで走る各ラインを排気する。気体用ボトルバルブを開け、レギュレータを標準室内圧力に設定する。気体１を室内の大気につなぎ、気体２を試験に供する気体につなぐ。試験中のサンプルチャンバ内の圧力は、通常の室内圧力（７６０Ｔｏｒｒ）よりも若干低く維持されている（６００Ｔｏｒｒ）。図２３に示す「Ａ」において、圧力除去安全バルブを、７４０Ｔｏｒｒになるまで若干解放する。このバルブは、サンプルチャンバへの放出量が非常に大きく、このバルブを作動させると、内容物が直ちに放出される。
【０１０５】
Ｍａｓｓ−Ｆｌｏメータである２台のＭＫＳ型１７９Ａと連動するＭａｓｓ−Ｆｌｏ（登録商標）コントローラ、ＭＫＳ型１１７９Ａと２１７９Ａを用いて、サンプルチャンバへ流入する気体の量を正確に測定した。これらの測定器は、工場でＮ２ガス用に較正されているが、ゲージ補正率を用いて、他の気体用の流量に変換することができる。例えば、Ｎ２のゲージ率は１．００と定義されている。例えば、水素を用いる場合、ゲージ率は、水素の比熱、密度、二原子性から計算する必要がある。これらの数値を用いると、水素のゲージ率は１．０１１である。このゲージ率をＭａｓｓ−Ｆｌｏメータによる気体２の測定値で乗算し、サンプルチャンバへの実際の水素流量を決定する。
【０１０６】
流量が１０．０ＳＣＣＭ（１分当たりＳＴＰ立方ｃｍ）のＳＴＰ条件下のＮ２を一定温度でサンプルチャンバへ導入し、隔膜真空計を用いて総圧力を測定することで、サンプルチャンバの総体積を正確に判定した。隔膜真空計は、表示精度が０．１Ｔｏｒｒと５〜１，０００Ｔｏｒｒであるオメガ社型番ＤＰＧ８００１を使用した。時間関数としてのサンプルチャンバへの流入気体の質量（またはモル数）は、Ｍａｓｓ−Ｆｌｏメータ型番１７９Ａと、ＳＴＰでのモル体積（２２．４Ｌ／モル）と、気体の分子量を用いて計算することができる。時間関数としてのサンプルチャンバへの流入モル数を、時間関数としてのサンプルチャンバ内の圧力に対してプロットすると、その結果は、勾配がサンプルチャンバの総体積に比例する、ほぼ直線のグラフ（理想気体流）になる。理想気体定数と一定のバックグラウンド温度を用いて、サンプルチャンバの総体積は、９４２．４ｃｍ３と判定された。
【０１０７】
試験センサーを載置したサンプルチャンバを排気した後、主真空バルブを閉じると、気体１において、室内の大気は気体流コントローラを介してシステムへ流れ込む。隔膜真空計が示すサンプルチャンバ内の総圧力が６００Ｔｏｒｒに達した時点で、室内大気流コントローラをオフにする。これは、固体金属／金属酸化物の検出プロセスの動作に必要なバックグラウンド大気である。
【０１０８】
バックグラウンド信号を確立した後、試験用気体は、気体２の気体流コントローラで決定した流量で、システム内へ流入する。サンプルチャンバへ導入される試験用気体の正確な量は、コントローラに設定した流量、ゲージ率、気体流コントローラのオン時間により判定される。上記各パラメータは、試験の具体的内容を基に設定する。試験用気体流コントローラのオン前は、センサーの応答はバックグラウンド信号と相関している。
【０１０９】
この動作モードでは、該システムは、気体流チャンバというよりは、むしろ気体混合チャンバである。リーク弁を開き、各気体を試験用センサーを介してシステム内を流動させる場合、気体流チャンバとしても用いることができる。気体混合動作モードでは、試験用気体は、気体入力線から試験用センサーに拡散させる必要があり、これには一定の時間がかかる（拡散時間）。
【０１１０】
実施例９
ピクセル温度の試験
ＦＬＩＲカメラ型番ＡＸ５を用いて、パルス列により活性検知層１８を加熱している間の、個々のピクセル内で発生した温度を測定した。このカメラを、実施例７で作成したＳＮＯ２／パラジウムから成る４ピクセルデバイスの表面から５ｃｍの位置に配置した。１００℃超の温度を測定するため、カメラの設定には、３０Ｈｚのフレームリフレッシュ速度と低入力帯域通過の設定も含めた。４つのピクセルの一つのみをアクティブにした。図２４ａにその画像を示す。図２４ａでは、ピクセルを、赤と緑の各線の背後の白色（または高温）領域として示す。赤と緑の各線は、加熱パルス列サイクル中の、ピクセル内のｘおよびｙ方向の温度プロファイルを表す。各温度プロファイルを、図２４ｂ（ｘ方向）と図２４ｃ（ｙ方向）に示す。このプロファイルは、ピクセル中心を最高温度とする一般的な温度のガウス分布を示す。この試験において、各パルス列のパラメータは、パルス幅が６８μｓ、反復周波数が５００Ｈｚ、ピークパルス電圧が１００Ｖで一定であった。
【０１１１】
このパルス列で、ピクセルの活性検知層１８を４．４秒間加熱した。さらに、ピクセルが冷却する３０秒が経過後、パルス列を再度用いて、ピクセルを４．４秒間加熱した。このパターンを試験中、繰り返した。図２４に、１つのパルス列の加熱結果を示す。図２４ｄは長期繰り返しパターンを示し、加熱パルスを３０秒ごとに繰り返している。ＦＬＩＲカメラはピクセルの表面温度を測定するが、熱が発生しているマイクロ領域とナノ領域で温度がかなり高くなっていることに留意されたい。
【０１１２】
図２５に、ピクセル抵抗と反復周波数の関数としての平均ピクセル温度（ＦＬＩＲカメラによる測定）を示す。各ピクセルは、その抵抗が高くなるにつれ、同じ温度にするにはより高い反復周波数が求められる。これは、ピクセル抵抗が大きくなると、１００Ｖでの電流がより低くなるからである。いずれの場合も、パルス幅は６８μｓで固定されている。図に示す電力フィッティングは、指数法則オーム加熱プロセスを表す。
【０１１３】
図２６に、異なるピクセル組成のピクセルの温度と、パルス列中の平均ピクセル電流を示す。このグラフでは、ピクセル抵抗へのピクセルの温度依存性は図示されていないが、ピクセル電流は、反復周波数と比較して、パルス列中に制御することが難しいパラメータである。平均ピクセル電流を固定するために、電圧を可変とする必要がある。
【０１１４】
実施例１０
パルス電子機器を用いた水素試験
実施例６で作成した試験用センサーを、実施例８で説明したシステムに取付け、気体混合動作モードで試験を行った。このサンプルは、図２７に示す回路により、パルス幅は７０μｓ、反復周波数は６２５Ｈｚ、ピークパルス電圧は１００Ｖで一定とした、可変電子電流パルス列のパラメータを用いて試験を行った。
【０１１５】
このパルス列は、ピクセルの活性検知層１８を、４．４秒間加熱した。このピクセルを３０秒かけて冷却した後、同じパルス列を再度用いて、ピクセルを４．４秒間加熱した。このパターンを試験中、繰り返した。１１時間３０分が経過した時点（図２８に青色矢印で示す）で、水素流コントローラを、３．０ＳＣＣＭの設定で、２０秒間オンにした。チャンバの体積（実施例８で確定）を用いて、サンプルチャンバへ導入した水素の、チャンバ内の大気質量に対する比率を計算し、１，３５８ｐｐｍを得た。図に示すように、センサーは即座に弱い水素信号をキャッチし、センサー信号は、水素ガスがチャンバ内の流入口からセンサーへ拡散するにつれて大きくなっていった。図２８の各点は３秒の加熱サイクルを表す。また、Ｒｂは加熱前の信号、Ｒｄは加熱中の信号、Ｒａは加熱後の信号である。
【０１１６】
センサーの感度は、観察対象の信号の変動ノイズに対する比率、または、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）により、判定することができる。センサーのＳＮＲは、図２９に示す図２８の直線領域に示すデータを用いて判定した。グラフを参照して、図２９に点線で示すように、ノイズは、該データに沿った直線周りの変動の平均から計算することができる。また、信号は、この線の上限と下限から計算することができる。この方法を用いると、このセンサーのＳＮＲは１４０である。ＳＮＲが１．０の場合、信号はノイズと同等であるため、センサーの検出限界である。これは、９．７ｐｐｍの水素の信号で、このセンサーが検出限界に達することを示唆している。しかし、良好なＳＮＲを記録するには、通常、ノイズに対して１０ｄＢの信号が望ましい。１０ｄＢのＳＮＲ（すなわち、ノイズよりも信号が上回る）を得るには、本例で用いるセンサーデバイスは、３１ｐｐｍの水素濃度が必要になる。
【０１１７】
この実施例では、１，３３８ｐｐｍの水素の最高濃度と上記で設定したパルス加熱パラメータで、センサーは、通常、１０ｄＢのＳＮＲで３１ｐｐｍの微量水素ガス濃度を検出することができる。
【０１１８】
実施例１１
パルス電子機器とより高温のピクセル温度を用いた水素試験
実施例６で作成した試験用センサーを、実施例８で説明したシステムに取付け、気体混合動作モードで試験を行った。このサンプルは、パルス幅を７０μｓ、反復周波数を８００Ｈｚ、ピークパルス電圧を１００Ｖで一定とした可変電子電流パルス列のパラメータ以外は、図１０と同様に試験を行った。
【０１１９】
実施例１０と同様に、この電子パルス列は、ピクセルの活性検知層１８を、３．０秒間加熱した。さらに３０分が経過し、ピクセルが冷却した後、パルス列を再度用いて、ピクセルを３．０秒加熱し、このパターンを試験中繰り返した。パルスの反復周波数は、ピクセルの最終温度を決定するパラメータである。反復周波数が上昇するにつれ、電流デューティ・サイクルは増加（パルス幅の変化はない場合）する結果、活性検知層１８のヒータ内の平均電流は大きくなる。この大きな電流により、活性検知層１８内でより多くの熱放散が発生するため、同じ３秒のパルス列の後でもより高温になる。
【０１２０】
この試験の結果を図３０に示す。このより高いピクセル温度では、センサーデバイスは、微量水素濃度に対する感度が高くなった。１６時間３０分が経過した時点で、水素１１３ｐｐｍのみの信号がサンプルチャンバへ導入された。センサーデバイスは、１．６ｐｐｍの検出限界と、５．０ｐｐｍの１０ｄＢ信号で応答した。信号レベルは、流入口の水素がセンサーへ拡散するにつれて大きくなっていった。８００Ｈｚで、デバイスは、１０ｄＢ信号が３１ｐｐｍであった６２５Ｈｚでの動作時（実施例３）よりも、かなり高い感度で動作した。図３０の各点は３秒の加熱サイクルを表す。また、Ｒｂは加熱前の信号、Ｒｄは加熱中の信号、Ｒａは加熱後の信号である。
【０１２１】
水素ガスの特異性または選択性の点からは、図２に示すデバイスの１つのピクセルは６２５Ｈｚで、別のピクセルを８００Ｈｚで動作させてもよい。これにより、３秒のパルス列後、各ピクセルは、各々最終温度が異なってくる。この結果、本例と実施例１０に示すように、異なるピクセルの感度（５ｐｐｍ、３１ｐｐｍ）を受けた異なる信号となる。したがって、この２つのピクセルでは、温度関数としてのパラジウム金属クラスター特有の水素吸収の勾配を判定することができる。また、これにより、既存の単一温度／単一ピクセルのデバイスと比較して、本デバイスは水素ガスに対する特異性がより大きくなる。
【０１２２】
実施例１２
一酸化炭素を用いた４ピクセル気体センサーの試験
本例では、実施例７で作成したＣＮＴ／ＳＮＯ２／パラジウムデバイスの、一酸化炭素に対するパルス加熱感度を測定した。パルス幅を７０μｓ、反復周波数を４００Ｈｚ、ピークパルス電圧を１００Ｖで一定とした可変電子電流パルス列のパラメータ以外は実施例１０で説明したものと同じ方法で、このデバイスの性能を判定し、パルス列中および前後の活性検知層１８の抵抗の変化を測定した。
【０１２３】
この電子パルス列は、ピクセルの活性検知層１８を、４．４秒間加熱した。このピクセルを３０秒かけて冷却した後、同じパルス列を再度用いて、ピクセルを４．４秒間加熱した。このパターンを試験中繰り返した。本例では、パルスの反復周波数を、より低い３ｋΩのピクセル抵抗を受けて、４００Ｈｚに設定した。試験中のピクセルの温度は、約１２２℃であった。
【０１２４】
この試験の結果を図３１と図３２に示す。１１時間３０分が経過した時点で、１．７％ＣＯの信号がサンプルチャンバへ導入された。センサーデバイスは、１５６ｐｐｍの検出限界と、１７６ｐｐｍの１．０ｄＢ信号で応答した。信号レベルは、流入口のＣＯがセンサーへ拡散するにつれて大きくなり、その後、予想通りに横ばい状態になった。
【０１２５】
低パルス反復周波数と低温で、再度試験を行った。２００Ｈｚの反復周波数を用いた結果、約７０℃の温度となった。より低温での動作では、同量のＣＯガスがサンプルチャンバへ導入された。図３３と図３４に、低パルス率での応答を示す。この低温では、５４０ｐｐｍでのＣＯ感度（１．０ｄＢ信号に対して）は低下した。この感度の低下は、温度関数として、ＣＯ吸収曲線の差異により、直接もたらされたものである。２つの温度の温度差で除算したこの感度の変化は、ピクセル増強層でのＣＯガス熱吸収スペクトルに特有のものである。
【０１２６】
実施例１３
メタンを用いた４ピクセル気体センサーの試験
本例では、実施例７で作成したＣＮＴ／ＳＮＯ２／パラジウムデバイスの、メタンに対するパルス加熱感度を測定した。パルス幅を７０μｓ、反復周波数を４００Ｈｚ、ピークパルス電圧を１００Ｖで一定とした可変電子電流パルス列のパラメータ以外は実施例１０で説明したものと同じ方法で、このデバイスの性能を判定し、パルス列中および前後の活性検知層１８の抵抗の変化を測定した。
【０１２７】
この電子パルス列は、ピクセルの活性検知層１８を、４．４秒間加熱した。このピクセルを３０秒かけて冷却した後、同じパルス列を再度用いて、ピクセルを４．４秒間加熱した。このパターンを試験中繰り返した。本例では、パルスの反復周波数を、より低い３ｋΩのピクセル抵抗を受けて、４００Ｈｚに設定した。温度は約１２２℃であった。
【０１２８】
この試験の結果を図３５と図３６に示す。１１時間３０分が経過した時点で、１．７％ＣＨ４の信号がサンプルチャンバへ導入された。センサーデバイスは、５５３ｐｐｍの検出限界と、６２３ｐｐｍの１．０ｄＢ信号で応答した。信号レベルは、流入口のＣＨ４がセンサーへ拡散するにつれて大きくなり、その後、予想通りに横ばい状態になった。
【０１２９】
低パルス反復周波数と低温で、再度試験を行った。２００Ｈｚの反復周波数を用いた結果、約７０℃の温度となった。より低温での動作により、同量（１．７％）のＣＨ４ガスがサンプルチャンバへ導入された。図３７と図３８に、低温度での応答を示す。この低温では、１，１００ｐｐｍでのＣＨ４感度（１．０ｄＢ信号に対して）は低下した。この感度の低下は、温度関数として、ＣＨ４吸収曲線の差異により、直接もたらされたものである。
【０１３０】
実施例１４
水を用いた気体センサーの試験
図３９に、２００Ｈｚの環境チャンバにおける相対湿度の変化と、それ以外は上述の４００Ｈｚの場合と同じパルスパラメータを用いて追跡したセンサー応答の相対的変化を示す。詳しくは、パルス幅は７０μｓ、反復周波数は４００Ｈｚ、ピークパルス電圧は１００Ｖで一定であった。電子パルス列を用いて、ピクセルの活性検知層１８を４．４秒間加熱し、抵抗を測定した。さらに１５分が経過し、ピクセルが冷却して水分を採取可能になった後、パルス列を再度用いて、ピクセルを４．４秒加熱し、このパターンを試験中繰り返した。相対湿度を２０％から８０％まで勾配させ、再び元に戻した。このピークでの抵抗変化は約１６％であった。したがって、４ピクセル気体センサーのＨ２Ｏ蒸気吸収曲線では、各終点において、ピクセルに２００Ｈｚの周波数でパルスをかけた場合は１６％の抵抗変化、４００Ｈｚの周波数の場合は０％の抵抗変化であることが想定される。水蒸気の吸収によるこの特有の勾配は、気体吸収抵抗の変化とは区別することができ、デバイスに気体選択性を付与する。
【０１３１】
実施例１５
各センサーの感度および選択性の実証
２つの異なる平均ピクセル温度（７０℃と１２２℃）を選択し、これらの温度における抵抗値変化の勾配は、ＣＯ、ＣＨ４、Ｈ２、およびＨ２Ｏの各気体の異なる熱気体スペクトルを表すことを示した。各点の間の勾配は、気体の種類を示す。
【０１３２】
２点に対するピクセル温度を、実施例９で説明したように、ＦＬＩＲ  ＡＸ５  ＩＲリサーチカメラを用いて測定した。実施例７で作成したデバイスをシートからスライス状に切り出し、スズで被覆したクリンプピンを用いて、電極に電気接続した。このデバイスを実施例８で説明したシステムに取付け、気体混合動作モードで試験を行った。単一ピクセルまたは４ピクセルデバイスの応答の測定には、パルス幅を７０μｓ、反復周波数を７０℃に対して２００Ｈｚ、１２２℃に対して５００Ｈｚ、ピークパルス電圧を１００Ｖで一定とした可変電子電流パルス列のパラメータ以外は、前述した各実施例と同じ手順を用いた。
【０１３３】
図４０に示すように、ＣＯ、Ｈ２、Ｈ２ＯおよびＣＨ４の各気体を、時間関数として、デバイス環境へ段階的に導入した。図４１に、パルス列直後の抵抗測定の結果を示す。温度測定の間の線形補間では、２つの測定をつなぐ線の勾配は気体の種類を示す。
【０１３４】
図４１に示すように、センサーは１００℃を超える温度で乾燥しているため、１２２℃のピクセル温度で水分信号はない。
【０１３５】
実施例１６
速度とヒステリシスの判定
まず、実施例６で作成したデバイスを、大気中の１１３ｐｐｍの水素に曝露した後、サンプルチャンバを真空に排気した。図４２に示すように、デバイスは、まず、図３０に示すものとかなり類似する水素への応答を示した。その後、水素を除去すると、該信号は、Ｈ２を導入前の元の基線に戻った。該気体の流入口からサンプルへの拡散は徐々に進行するが、水素濃度の低下が早く応答したのは、システム全体を急速に真空排気したためである。このデータにより、デバイスの速度が、気体の流入口からサンプルへの拡散時間よりも早いことが分かる。
【０１３６】
添付図面に示す実施形態を参照して本発明を説明したが、特許請求の範囲に記載する本発明の範囲を逸脱することなく、均等物や置換物を採用可能であることを、理解されたい。
【０１３７】
以上、本発明の各種実施形態を説明したが、特許状によって、新規事項として特許請求されて保護が望まれるものは、添付の特許請求の範囲に記載されている。
【図１ａ】
2019532272.tif 000008
【図１ｂ】
2019532272.tif 000009
【図１ｃ】
2019532272.tif 000010
【図２】
2019532272.tif 000011
【図３】
2019532272.tif 000012
【図４】
2019532272.tif 000013
【図５】
2019532272.tif 000014
【図６】
2019532272.tif 000015
【図７】
2019532272.tif 000016
【図８】
2019532272.tif 000017
【図９】
2019532272.tif 000018
【図１０ａ】
2019532272.tif 000019
【図１０ｂ】
2019532272.tif 000020
【図１０ｃ】
2019532272.tif 000021
【図１１】
2019532272.tif 000022
【図１２】
2019532272.tif 000023
【図１３】
2019532272.tif 000024
【図１４】
2019532272.tif 000025
【図１５】
2019532272.tif 000026
【図１６】
2019532272.tif 000027
【図１７】
2019532272.tif 000028
【図１８】
2019532272.tif 000029
【図１９】
2019532272.tif 000030
【図２０】
2019532272.tif 000031
【図２１】
2019532272.tif 000032
【図２２】
2019532272.tif 000033
【図２３】
2019532272.tif 000034
【図２４ａ】
2019532272.tif 000035
【図２４ｂ】
2019532272.tif 000036
【図２４ｃ】
2019532272.tif 000037
【図２４ｄ】
2019532272.tif 000038
【図２５】
2019532272.tif 000039
【図２６】
2019532272.tif 000040
【図２７】
2019532272.tif 000041
【図２８】
2019532272.tif 000042
【図２９】
2019532272.tif 000043
【図３０】
2019532272.tif 000044
【図３１】
2019532272.tif 000045
【図３２】
2019532272.tif 000046
【図３３】
2019532272.tif 000047
【図３４】
2019532272.tif 000048
【図３５】
2019532272.tif 000049
【図３６】
2019532272.tif 000050
【図３７】
2019532272.tif 000051
【図３８】
2019532272.tif 000052
【図３９】
2019532272.tif 000053
【図４０】
2019532272.tif 000054
【図４１】
2019532272.tif 000055
【図４２】
2019532272.tif 000056
【国際調査報告】
2019532272.tif 000057
2019532272.tif 000058