(57)【要約】  簡易な構成で、従来よりもガスの検出感度を向上し得るガスセンサ及びガスセンサ構造体を提案する。ソース電極（3）およびドレイン電極（4）間のグラフェン（8）をイオン液体（L）中に設けることにより、ガスを吸収することにより生じるイオン液体（L）中の電荷の状態変化が、直接、グラフェン（8）を流れるソースドレイン電流（Isd）に反映されるので、従来よりもガスの検出感度を向上し得る。また、単に、グラフェン（8）をイオン液体（L）中に配置させるように設ければよいことから、従来のようにカーボンナノチューブを複数のポリマーで表面化学修飾する構成が不要になり、その分だけ簡易な構成とすることができる。
2014104156.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象となるガスを検出するガスセンサであって、
基板上のソース電極およびドレイン電極間に設けられ、炭素原子１原子分の厚さの一層構造または複数層構造でなる平坦な炭素構造体と、
前記炭素構造体を覆うように配置されたガス吸収体とを備え、
前記ガス吸収体が前記ガスを吸収することにより前記炭素構造体に生じるソースドレイン電流の変化に基づいて前記ガスを検出する
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記ガス吸収体は、液体状、ゲル状、またはクリーム状でなる
ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記炭素構造体はグラフェンである
ことを特徴とする請求項１または２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記ガス吸収体は、
前記炭素構造体と前記基板上のゲート電極とに接してゲート絶縁層になり、前記ガスを吸収することにより前記ゲート絶縁層の状態が変化し、該ゲート絶縁層の状態に応じて生じる前記ソースドレイン電流の変化に基づいて前記ガスを検出する
ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記ゲート電極は第１ゲート電極部と第２ゲート電極部とから構成されており、
前記第１ゲート電極部と前記第２ゲート電極部との間に前記炭素構造体が配置され、前記ガス吸収体が前記第１ゲート電極部および前記第２ゲート電極部と接するように配置されている
ことを特徴とする請求項４記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ガス吸収体が前記第１ゲート電極部および前記第２ゲート電極部間に形成される隙間に保持されている
ことを特徴とする請求項４記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記ソースドレイン電流に対応して変化する前記ゲート電極のゲート電圧の変化に基づいて前記ガスを検出する
ことを特徴とする請求項４〜６のうちいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記ガス吸収体を覆い、該ガス吸収体を前記基板上に保持させる保持手段が設けられている
ことを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記ガス吸収体がイオン液体、イオンゲル体、またはイオン性クリーム体である
ことを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項１０】
複数のガスセンサが配置された構成を有し、
前記ガスセンサが請求項１〜９のうちいずれか１項記載のガスセンサである
ことを特徴とするガスセンサ構造体。
【請求項１１】
前記ガスセンサ毎に、異なる種類のガス吸収体が設けられている
ことを特徴とする請求項１０記載のガスセンサ構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスセンサ及びガスセンサ構造体に関し、例えばCO2やNH3等のガスの検出に適用して好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、CO2やNH3等の様々なガスを検出し得るガスセンサの研究が行われており、そのうち、例えばカーボンナノチューブ（CNTs）を用いたガスセンサは、ガスの検出感度や、小型化、省エネルギー化の観点から特に注目されている（例えば、特許文献１および非特許文献１参照）。実際上、このようなカーボンナノチューブを用いたガスセンサは、例えば検出対象であるCO2を検出するために、ソース電極およびドレイン電極間に設けたカーボンナノチューブを２種類のポリマーによって表面化学修飾させた構成を有している。また、このガスセンサは、シリコンバックゲート上にシリコン酸化膜を介してカーボンナノチューブが配置され、シリコンバックゲートにゲート電圧が印加され得るように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２００７−５０５３２３号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】A.Star, T. R. Han, V. Joshi, J. C. P. Gabriel, G. Gruner, ”Nanoelectronic Carbon Dioxide Sensors”,Advanced Materials, Vol. 16, No. 22, 2004.
【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、かかる構成でなるガスセンサは、カーボンナノチューブを用いてCO2を検出し得るようにするためには、２種類のポリマーにより当該カーボンナノチューブの表面化学修飾を行う必要があるため、その分、複雑な構成となるという問題があった。またこのようなガスセンサでは、検出対象たるガスを検出できるものの、さらに微量なガスであっても検出できるよう、検出感度の向上が望まれている。
そこで、本発明は以上の点を考慮してなされたもので、簡易な構成で、従来よりもガスの検出感度を向上し得るガスセンサ及びガスセンサ構造体を提案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、検出対象となるガスを検出するガスセンサであって、基板上のソース電極およびドレイン電極間に設けられ、炭素原子１原子分の厚さの一層構造または複数層構造でなる平坦な炭素構造体と、前記炭素構造体を覆うように配置されたガス吸収体とを備え、前記ガス吸収体が前記ガスを吸収することにより前記炭素構造体に生じるソースドレイン電流の変化に基づいて前記ガスを検出することを特徴とする。【０００７】
また、本発明は、ガスセンサ構造体であって、複数のガスセンサが配置された構成を有し、前記ガスセンサが請求項１〜９のうちいずれか１項記載のガスセンサであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ガスを吸収することにより生じるガス吸収体中の電荷の状態変化が、直接、炭素構造体を流れるソースドレイン電流に反映されるので、従来よりもガスの検出感度を向上し得る。また、従来のようなカーボンナノチューブ自体に表面化学修飾を行う必要がなく、ガス吸収体を炭素構造体に接するように単に設ければよいことから、その分だけ簡易な構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明によるガスセンサの構成を示す斜視図である。
【図２】図１におけるガスセンサの断面構成を示す断面図である。
【図３】電気二重層の説明に供する概略図である。
【図４】ガス吸収体がNH3を吸収したときと、CO2を吸収したときの電気二重層の説明に供する概略図である。
【図５】ソースドレイン電流Isdとゲート電圧Vgとの変化を示すグラフである。
【図６】ガスセンサの製造方法の説明（１）に供する概略図である。
【図７】ガスセンサの製造方法の説明（２）に供する概略図である。
【図８】実際に製造したガスセンサの構成と、グラフェンの詳細構成とを示す写真である。
【図９】グラフェンのラマンシフトの分析結果を示すグラフである。
【図１０】検証試験に用いたガスセンサの構成を示す写真である。
【図１１】空気雰囲気下においてガスセンサにて得られたゲート電流Igとゲート電圧Vgとの関係を示すグラフである。
【図１２】空気雰囲気下においてガスセンサにて得られたソースドレイン電流Isdとゲート電圧Vgとの関係を示すグラフである。
【図１３】実験装置の全体構成を示す概略図である。
【図１４】NH3濃度を変えたときのソースドレイン電流Isdとゲート電圧Vgとの関係を示すグラフと、CO2濃度を変えたときのソースドレイン電流Isdとゲート電圧Vgとの関係を示すグラフである。
【図１５】ソースドレイン電流Isdと、NH3濃度およびCO2濃度との関係を示すグラフである。
【図１６】NH3に対するソースドレイン電流Isdの応答時間を示すグラフと、グラフェンおよびイオン液体間の距離を変化させたときのソースドレイン電流Isdの応答時間を示すグラフである。
【図１７】他の実施の形態によるガスセンサ（１）の構成を示す斜視図である。
【図１８】図１７おけるガスセンサの断面構成を示す断面図である。
【図１９】他の実施の形態によるガスセンサ（２）の断面構成を示す断面図である。
【図２０】他の実施の形態によるガスセンサ（３）の構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下図面に基づいて本発明の実施の形態を詳述する。
【００１１】
（１）本発明のガスセンサの概略
図１において、1は本発明によるガスセンサを示し、このガスセンサ1は、例えばCO2やNH3等のガスを検出対象として検出し得るようになされており、ソース電極3およびドレイン電極4間に、平坦な炭素構造体として膜状のグラフェン8が設けられた点に特徴を有する。実際上、ガスセンサ1は、板状でなる基板2上に帯状のソース電極3およびドレイン電極4を備え、これらソース電極3およびドレイン電極4間のチャネル領域に、平坦な膜状のグラフェン8が設けられている。これらソース電極3とドレイン電極4は、例えばCr/Au部材やTi/Au部材からなり、長手方向を揃えてほぼ直線状に配置されており、対向するソース電極3の端部とドレイン電極4の端部との間に約10[μm]の隙間が形成されている。
【００１２】
グラフェン8は、例えば膜厚が0.3〜3[nm]で、長方形状や正方形状等の四辺状からなり、一端側がソース電極3の端部に電気的に接続されているとともに、他端側がドレイン電極4の端部に電気的に接続され、これらソース電極3とドレイン電極4を電気的に接続するように配置されている。ここで、グラフェン8は、炭素原子の結合により形成された六員環構造が2次元平面状に規則的に配列され、1原子分の厚さからなる網目状平面層が一層配置された一層構造、または網目状平面層が10層以下に積層された複数層構造でなるものをいう。なお、複数層構造でなるグラフェンとして、好ましくは2層あるいは3層の積層構造とすることが望ましい。本発明は、平坦な膜状のグラフェン8を用いたことで、当該グラフェン8の表面全体を基板2上に面接触するように形成し得、グラフェン8の表面全体を、基板2上に滴下されたイオン液体L中に露出させることができ、また膜厚も薄いことからガスセンサ1全体の薄型化も図れる。
【００１３】
なお、上述した実施の形態においては、平坦な炭素構造体として、グラフェン8を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、網目状平面層が11層以上積層された平坦な膜状のグラフェン積層体や、網目状平面層が100層以上積層された平坦な板状のグラファイト等その他種々の平坦な炭素構造体を適用してもよい。
【００１４】
基板2には、例えばCr/Au部材やTi/Au部材からなるゲート電極7が設けられており、イオン液体Lがこのゲート電極7に接するように載置され、このイオン液体L内にグラフェン8が内在し得るようになされている。ゲート電極7は、同一形状および大きさでなる第１ゲート電極部5と第２ゲート電極部6とからなり、これら第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6間の隙間に、グラフェン8、ソース電極3およびドレイン電極4が配置され得る。具体的に、この実施の形態の場合、第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6は、半円状に形成されており、第１ゲート電極部5の直線部と、第２ゲート電極部6の直線部とが所定の隙間を空けて平行に配置され、これら直線部間の隙間に、グラフェン8、ソース電極3およびドレイン電極4がその長手方向を揃えて直線状に配置されている。
【００１５】
イオン液体Lは、グラフェン8全体を覆うように、第１ゲート電極部5、第２ゲート電極部6、ソース電極3およびドレイン電極4上に亘って半球状に載置されており、一部にゲート絶縁層として機能する電気二重層を形成し得るようになされている。イオン液体Lは、半球状の液表面が外気に露出しているとともに、これら第１ゲート電極部5、第２ゲート電極部6、ソース電極3およびドレイン電極4の中心部にあるグラフェン8を内在し得るように構成されている。ここで、ガス吸収体としてのイオン液体Lは、例えば[EMIM][BF4]（1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート）や、[BMIM][BF4]（1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート）、[BMIM][PF6]（1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート）、[OMIM][Br]（1-n-オクチル-3-メチルイミダゾリウムブロミド）の他、[Hmpy][Tf2N]、[HMIM][Tf2N]、[BMIM][Tf2N]、[C6H4F9mim][Tf2N]、[AMIM][BF4]、[Pabim][BF4]、[Am-im][DCA]、[Am-im][BF4]、[BMIM][BF4]+PVDF、[C3NH2mim][CF6SO3]+PTFE、[C3NH2mim][Tf2N]+PTFE、[H2NC3H6mim][Tf2N]+cross-linked Nylon66、P[VBBI][BF4]、P[MABI][BF4]、P[VBBI][Tf2N]、P[VBTMA][BF4]、P[MATMA][BF4]等からなり、検出対象となるガスの種類に応じて当該ガスを吸収可能なイオン液体が適宜選定され得る。
【００１６】
ここで、例えば、CO2を検出可能なガスセンサ1とする場合には、CO2が吸収可能な[EMIM][BF4]、[EMIM][BF4]、[BMIM][BF4]、[BMIM][PF6]、[Hmpy][Tf2N]、[HMIM][Tf2N]、[BMIM][Tf2N]、[C6H4F9mim][Tf2N]、[AMIM][BF4]、[Pabim][BF4]、[Am-im][DCA]、[Am-im][BF4]、[BMIM][BF4]+PVDF、[C3NH2mim][CF6SO3]+PTFE、[C3NH2mim][Tf2N]+PTFE、[H2NC3H6mim][Tf2N]+cross-linked Nylon66、P[VBBI][BF4]、P[MABI][BF4]、P[VBBI][Tf2N]、P[VBTMA][BF4]、P[MATMA][BF4]等をイオン液体Lとして用いる。また、NH3を検出可能なガスセンサ1とする場合には、NH3が吸収可能な[EMIM][BF4]などをイオン液体Lとして用いる。
【００１７】
なお、このイオン液体Lには、例えばPEI（ポリエチレンイミン）を添加してもよい。PEIを添加したイオン液体Lでは、PEIのアミノ基がグラフェン8に電荷を移動させ、グラフェン8の抵抗値を低減し得る。PEIを添加したイオン液体Lでは、ガスを吸収した際、PEIがCO2やH2Oと反応し、PEIのアミノ基が減少する。従って、このようなPEIを添加したイオン液体Lを用いるガスセンサ1では、イオン液体LがCO2の含有量が高い外気を吸収すると、イオン液体L中におけるPEIのアミノ基が減少し、その結果、グラフェン8の抵抗値が増加し得ることになり、外気中のCO2の含有量に応じてグラフェン8の電気的な状態が変化し得る。
【００１８】
さらに、上述した実施の形態においては、ガス吸収体として、イオン液体Lを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物水溶液等その他種々の液体状、ゲル状、またはクリーム状のガス吸収体を適用してもよい。なお、ガス吸収体としてアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物水溶液を用いた場合には、CO2を吸収することができるので、検出対象をCO2とするガスセンサを実現できる。
【００１９】
ここで、この実施の形態の場合、図２に示すように、グラフェン8は、一端側がソース電極3により覆われ、他端側がドレイン電極4により覆われていることによって、両端が基板2に対し確実に固定されており、イオン液体Lが滴下された際に基板2から取れることなく、そのままソース電極3およびドレイン電極4に対する電気的な接続状態を維持できる。なお、実際には、グラフェン8がソース電極3およびドレイン電極4の直下にも形成されているが、図２では、説明の便宜上、ソース電極3およびドレイン電極4間においてチャネルとなるグラフェン8のみを表示している。
【００２０】
このようなガスセンサ1は、電源11によりソース電極3からドレイン電極4にソースドレイン電流Isdが供給されるとともに、電源12により第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6にゲート電圧Vgが印加され得るようになされている。
【００２１】
これによりガスセンサ1では、グラフェン8と対向した第１ゲート電極部5にゲート電圧Vgを印可すると、イオン液体L内に電位差が生じ、バランスをとるために、グラフェン8に電荷が供給される。具体的には、第１ゲート電極部5に負電圧を印可すると、イオン液体L内の電荷が分極し、グラフェン8表面に負電荷が集まる。また、逆に第１ゲート電極部5に正電圧を印可することも可能で、その場合同様にイオン液体L内の電荷が分極するが、グラフェン8表面には正電荷が集まる。かくして、例えばゲート電極7に負電圧が印加されると、ガスセンサ1では、図３に示すように、イオン液体L中の負電荷がグラフェン8の表面に集まり、イオン液体L中に電気二重層が形成され、当該電気二重層がゲート絶縁層となり得る。
【００２２】
すなわち、このガスセンサ1では、第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6に対してゲート電圧Vｇを印加し、ソース電極3およびドレイン電極4間にソースドレイン電圧Vsdを印加することで、イオン液体L中に極めて薄いゲート絶縁層が形成されるとともに、グラフェン8にソースドレイン電流Isdが流れ、トランジスタとして動作し得る。また、これに加えて、このような構成でなるガスセンサ1は、検出対象であるガスをイオン液体Lが吸収すると、ガスの吸収量に応じてイオン液体L中におけるゲート絶縁層（電気二重層）の状態が変わり、当該ゲート絶縁層の状態変化に応じてソースドレイン電流・ゲート電圧特性も変化し得る。なお、ガスセンサ1は、このようなグラフェン8の周囲に極めて薄い電気二重層が形成されることで、例えば1[V]以下の極めて小さいゲート電圧Vgを印加させるだけで、ソースドレイン電流Isdが流れ得る。
【００２３】
例えば、図４Ａに示すように、NH3を吸収可能なイオン液体Lを用いたガスセンサ1では、イオン液体LがNH3を吸収すると、これに応じてイオン液体L中でグラフェン8の表面に集まる負電荷の状態が変わり、それに応じて電気二重層の状態も変化してグラフェン8に流れるソースドレイン電流Isdが変化する。また、図４Ｂに示すように、CO2を吸収可能なイオン液体Lを用いたガスセンサ1でも、イオン液体LがCO2を吸収すると、イオン液体L中でグラフェン8の表面に集まる負電荷の状態が変わり、それに応じて電気二重層の状態も変化してグラフェン8に流れるソースドレイン電流Isdも変化する。
【００２４】
このようにガスセンサ1では、このようなソースドレイン電流・ゲート電圧特性の変化を測定することで、このソースドレイン電流・ゲート電圧特性の変化に基づいて、検出対象であるガスを検出し得る。また、このガスセンサ1では、ソースドレイン電流・ゲート電圧特性の変化量を測定し、この変化量が大きい場合、イオン液体L周辺の気体（以下、これを単に外気ともいう）中のガス濃度が高いことを示し、その一方、変化量が小さい場合、外気中のガス濃度が低いことを示し、外気中のガス濃度を推測し得るようになされている。
【００２５】
実際上、ガスセンサ1は、図５に示すように、イオン液体L周辺の気体に検出対象であるガスが含まれていないとき、ソースドレイン電流Isdとゲート電圧Vgの関係がなだらかなV字状に近い波形P1が得られる。これに対して、NH3を吸収可能なイオン液体Lを用いた際、イオン液体L周辺の気体に検出対象であるNH3が含まれている場合には、ガスセンサ1におけるゲート電圧Vgが負の方向にシフトした波形P2が得られる。そして、このシフトする電圧量は、外気中のガス濃度が高くなると、それに比例して増加し得る。
【００２６】
一方、CO2を吸収可能なイオン液体Lを用いた際、イオン液体L周辺の気体に検出対象であるCO2が含まれている場合には、ガスセンサ1におけるソースドレイン電流Isdが全体的に小さくなった波形P3が得られる。そして、ソースドレイン電流Isdの減少する電流量は、外気中のガス濃度が高くなると、それに比例して大きくなり得る。
【００２７】
このように本発明のガスセンサ1では、ソースドレイン電流Isdの変化や、ソースドレイン電流Isdの変化により生じるゲート電圧Vgの変化に基づいて、外気中に含まれるガスの検出や、当該ガスの含有量を推測し得るようになされている。
【００２８】
なお、上述した実施の形態においては、ゲート電極7を設け、当該ゲート電極7を構成する第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6に対してゲート電圧Vｇを印加し、イオン液体L中のグラフェン8の表面に電気二重層を形成し、イオン液体Lがガスを吸収することで電気二重層の状態が変化してグラフェン8に流れるソースドレイン電流Isdの変化を測定するガスセンサ1について述べたが、本発明はこれ限らず、ゲート電極7を設けずに、イオン液体Lがガスを吸収することで、ソース電極3およびドレイン電極4間のグラフェン8に流れるソースドレイン電流Isdの変化を単に測定するガスセンサとしてもよい。
【００２９】
すなわち、ガスセンサ1では、ゲート電圧Vｇが0[V]であっても、ホールが多いグラフェン8がイオン液体L中にあることから、イオン液体L中の負電荷がグラフェン8の表面に集まっている。これにより、ガスセンサ1では、イオン液体Lがガスを吸収することで、イオン液体L内の負電荷および正電荷の状態が変化し、これに応じてグラフェン8を流れるソースドレイン電流Isdも変化し得る。かくして、このガスセンサ1では、ゲート電極7を設けなくても、グラフェン8を流れるソースドレイン電流Isdの変化から、外気中に含まれるガスの検出や、当該ガスの含有量を推測し得る。
【００３０】
（２）ガスセンサの製造方法
次に本発明のガスセンサ1の製造方法について説明する。この実施の形態の場合、先ず初めに、例えば、表面に熱酸化膜が成膜されたシリコンでなる基板2を用意するとともに、スタンプ面に一層構造または複数層構造の平坦なグラフェン層が成膜されたシート状の転写体とを用意する。次いで、基板2の表面に転写体のスタンプ面を押し付け、基板2の表面にグラフェン層を貼着した後、転写体だけを取り除き、図６Ｂと、図６ＢのＡ‐Ａ´部分の断面を示す図６Ａのように、基板2全面に膜状のグラフェン層8aを設ける。
【００３１】
次いで、グラフェン層8a全面にCr/Au（4[nm]/40[nm]）でなる電極層を形成し、レジストを用いて電極層をパターニングした後レジストを除去し、電極層から、図６Ｃおよび図６Ｄに示すように、ソースドレイン形成電極部15と、第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6とをグラフェン層8a上に形成する。次いで、図６Ｅおよび図６Ｆに示すように、ソースドレイン形成電極部15、第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6以外の領域で外部に露出しているグラフェン層8aを、酸素プラズマにより除去する。
【００３２】
次いで、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6間にあるソースドレイン形成電極部15の一部を、ヨウ素液によるウェットエッチングで選択的に除去してグラフェン層8aの一部を外部に露出させてチャネルとなるグラフェン8を形成し、当該グラフェン8の両端にソース電極3およびドレイン電極4を形成する。最後に、図７Ｃおよび図７Ｄに示すように、ソース電極3およびドレイン電極4間に露出しているグラフェン8全体を覆うようにイオン液体Lを基板2上に滴下することで、図１に示したガスセンサ1を製造し得る。
【００３３】
このようにして製造したガスセンサ1は、図８に示すように、ソース電極3およびドレイン電極4間の僅かな隙間にグラフェン8を形成し得、極めて微小構造でなるグラフェン8によりソース電極3およびドレイン電極4を電気的に接続させることができる。
【００３４】
次に、このような製造方法により、網目状平面層が3層〜5層程度のグラフェン層が成膜された転写体を用いて、基板2上にグラフェン8を形成し、当該グラフェン8にレーザを照射しラマン分光計を用いてラマンスペクトルを解析したところ、図９に示すような結果が得られた。図９のラマンスペクトルでは、Gピークとほぼ同じ高さの2Dピークが得られた。このようにGピークとほぼ同じ高さの2Dピークが得られたときには網目状平面層が3〜5層程度のグラフェンであることが一般的に知られていることから、上述した製造方法により、最終的に基板2上に形成されたグラフェン8であっても、網目状平面層が3〜5層程度の積層構造となることが確認できた。
【００３５】
（３）検証試験
次に各種検証試験について説明する。先ず始めに、上述した製造方法に従って、ソース電極3、ドレイン電極4、ゲート電極7をそれぞれCr/Au（膜厚4[nm]/40[nm]）で形成し、網目状平面層が3〜5層程度のグラフェン層が成膜された転写体（ポリジメチルシロキサン、KE-106、信越化学工業）を用いて、ソース電極3およびドレイン電極4間に、長さ20［μm］、幅50［μm］の平坦な膜状のグラフェン8を形成し、グラフェン8の周辺にイオン液体L（[EMIM][BF4]）を滴下して、図１０に示すようなガスセンサ1を製造した。
【００３６】
そして、検出対象であるガスが外気に含まれていないとき、このガスセンサ1においてゲート電極7からドレイン電極4を通るゲート電流（リーク電流）Ig（図２）を調べたところ、図１１に示すような結果が得られた。図１１から、ソースドレイン電圧Vsd10[mV]でのゲート電流Igは十分に小さく無視できる大きさであり、ソースドレイン電流Isdの測定に影響がないことが確認できた。
【００３７】
次に、ソース電極3からグラフェン8を通ってドレイン電極4へ流れるソースドレイン電流Isdと、ゲート電極7に印加されるゲート電圧Vgとの関係を調べたところ、図１２に示すような結果が得られた。なお、図１２では、ガスセンサ1のソース電極3およびドレイン電極4間のソースドレイン電圧Vsdを10［mV］とし、ゲート電極7に印加するゲート電圧Vgを-0.8［V］から0.8［V］まで上げていったときのソースドレイン電流Isdとゲート電圧Vgとの関係を示している。図１２から、このガスセンサ1では、検出対象であるガスが外気に含まれていないとき、なだらかなV字状に近い波形が得られることが確認できた。
【００３８】
次に、図１３に示すような実験装置20を用いて、検出対象であるガスをガスセンサ1にて検出できるか否かについて検証試験を行った。実際上、この実験装置20では、バルブ29aを介して供給口21aからチャンバ21内に検出対象となるガスを供給可能な構成とし、バルブ29bを介して排出口21bからチャンバ21外部へ当該ガスを排出可能な構成とした。
【００３９】
また、チャンバ21には、壁部に開閉扉21cを設け、開閉扉21cの近傍内部に、基台26aを介して受け皿26bを設けた。そして、受け皿26bには、開閉扉21cを開けることで外部から注射器28を用いてNH3溶液を供給できるようにした。また、この実験装置20では、チャンバ21内にCO2計測器25を設け、チャンバ21内のCO2濃度を計測できるようにした。また、この実験装置20では、チャンバ21内の基台22上に、本発明のガスセンサ1を載置させ、チャンバ21外部に設けた計測装置24と、チャンバ21内のガスセンサ1とを、チャンバ21の密閉状態を維持したまま接続させるようにした。
【００４０】
このような実験装置20において、先ず初めに、イオン液体Lとして［EMIM］[BF4]を0.1[μL]使用したガスセンサ1をチャンバ21内に設置した後、検出対象であるガスを含ませていない空気（Air）で当該チャンバ21内を満たし、このときのガスセンサ1におけるソースドレイン電流Isdとゲート電圧Vgとの関係を調べた。その後、注射器28を用いて開閉扉21cからチャンバ21内の受け皿26bに、28[％]NH3溶液を1〜150[μL]供給し、NH3濃度50[ppm]、500[ppm]、5000[ppm]において、ガスセンサ1におけるソースドレイン電流Isdとゲート電圧Vgとの関係についてそれぞれ調べた。
【００４１】
具体的には、ガスセンサ1においてソースドレイン電圧Vsdを10［mV］とし、ゲート電極7に印加するゲート電圧Vgを-0.8［V］から0.8［V］まで上げてゆき、ソースドレイン電流Isdを測定したところ、図１４Ａに示すような結果が得られた。図１４Ａから、本発明のガスセンサ1では、検出対象となるNH3が外気に混合されていると、通常の外気のときに比べ、ゲート電圧Vgが負側にシフトすることが確認できた。
【００４２】
ここで、図１４Ａでは、チャンバ21内を空気（Air）で満たしたときのソースドレイン電流Isdは、ゲート電圧Vgが0[V]で最小値となっておらず、約0.5[V]前後で最小値となっている。これは、グラフェン8にホールが多く存在しているためと推測される。そして、ゲート電圧Vgを約0.5[V]前後よりも低くしたときには、イオン液体LにNH3が吸収されると、ホールリッチのグラフェン8に対して、イオン液体L中のNH3によって負電荷が与えられ、グラフェン8のホール数が減るため抵抗値が高くなり、ソースドレイン電流Isdが低くなると推測できる。なお、ゲート電圧Vgを約0.5[V]前後よりも高くしたときには、その逆でグラフェン8からイオン液体Lに対し電子を与えることになり、イオン液体LにNH3が吸収されると、ソースドレイン電流Isdが高くなると推測できる。
【００４３】
このことから、例えばCOやNO2等をガス検出対象とした場合、これらガスを吸収可能なイオン液体Lが当該ガスを吸収すると、ガスセンサ1では、イオン液体L中においてグラフェン8の表面に集まった負電荷を奪うように働き、図１４Ａに示すようなソースドレイン電流Isdのシフトは、正側にシフトするような形になると推測できる。
【００４４】
また、ソースドレイン電流Isdのシフト量は、NH3濃度により異なることが確認できた。具体的に、ゲート電圧Vgは‐0.8[μm]で、さらにNH3濃度を変えてゆき各NH3濃度でのソースドレイン電流Isdを調べたところ、図１５Ａに示すような結果が得られた。図１５Ａでは測定点を（×「Measured」と表記）で示し、各測定点からソースドレイン電流Isdの変化傾向を調べた（「Fitted」と表記）。その結果、このガスセンサ1では、NH3濃度が10倍変化する毎にソースドレイン電流Isdが-0.60[μA]ずつ減少しており、NH3濃度変化に比例してソースドレイン電流Isdが減少することが確認できた。従って、本発明のガスセンサ1では、NH3濃度とソースドレイン電流Isdとの対応関係を予め調べたデータを計測装置に記憶させておくことで、ソースドレイン電流IsdからNH3濃度を推測できる。
【００４５】
以上より、このガスセンサ1では、NH3を検出対象としてイオン液体Lが吸収すると、グラフェン8に流れるソースドレイン電流Isdが変化してシフト電圧が発生することが確認できた。かくして本発明のガスセンサ1は、ソースドレイン電流Isdの変化を測定することで、イオン液体L周辺の外気中におけるNH3を検出できることが確認できた。また、本発明のガスセンサ1では、ソースドレイン電流Isdのシフト量に基づいてNH3濃度についても判断できることが確認できた。
【００４６】
次に、チャンバ21内をリフレッシュした後、検出対象をNH3からCO2に変更して、上述と同じ実験条件にて、別途新たな実験を行った。この実験では、イオン液体LにCO2を吸収させるために、［EMIM］[BF4]に少量のpoly(ethyleneimine)（PEI、ポリエチレンイミン）を添加したイオン液体Lを用いたガスセンサ1をチャンバ21内に設置した。次いで、供給口21aを介してチャンバ21内にCO2を供給して、外気（Air：空気）にCO2を混合させ、混合ガスでチャンバ21内を順次満たしていった。CO2濃度が0.4[％]、3[％]、16[％]に安定したとき、ガスセンサ1におけるソースドレイン電流Isdとゲート電圧Vgとの関係についてそれぞれ調べた。
【００４７】
なお、この際も、ガスセンサ1においてソースドレイン電圧Vsdを10［mV］とし、ゲート電極7に印加するゲート電圧Vgを-0.8［V］から0.8［V］まで上げてゆき、ソースドレイン電流Isdを測定した。その結果、図１４Ｂに示すような結果が得られた。図１４Ｂから、本発明のガスセンサ1では、検出対象となるCO2が外気に混合されていると、通常の外気のときに比べ、ゲート電圧Vg内で全体的にソースドレイン電流Isdが減少することが確認できた。
【００４８】
ここで、図１４Ｂでは図１４Ａに示すようなソースドレイン電流Isdがシフトする波形とはならなかった。図１４Ｂに示すように、全てのゲート電圧Vg内でソースドレイン電流Isdの値が全体的に下がるような場合には、グラフェン8自体の抵抗が落ちることによるものか、或いは、電気二重層の厚さ変化によるものかであるが、図１４Ｂでは10[％]程度の抵抗値の変化であるから、グラフェン8自体の抵抗変化であるとは考え難く、後者の電気二重層の厚さ変化によるものと推測される。従って、この場合、図４Ｂに示したように、電気二重層が厚くなり、電気二重層の厚さ変化の寄与によりソースドレイン電流Isdが低減することが分かった。
【００４９】
また、CO2濃度が高くなるにつれて、ソースドレイン電流Isdが減少することも確認できた。具体的に、ゲート電圧Vgは‐0.8[V]で、さらにCO2濃度を変えてゆき各CO2濃度でのソースドレイン電流Isdを調べたところ、図１５Ｂに示すような結果が得られた。図１５Ｂでは測定点を（×「Measured」と表記）で示し、各測定点からソースドレイン電流Isdの変化傾向を調べた（「Fitted」と表記）。その結果、この実施例では、CO2濃度が10倍変化する毎にソースドレイン電流Isdが-0.25[μA]ずつ減少しており、CO2濃度変化に比例してソースドレイン電流Isdが減少することが確認できた。従って、本発明のガスセンサ1では、CO2濃度とソースドレイン電流Isdとの対応関係を予め調べたデータを計測装置に記憶させておくことで、ソースドレイン電流IsdからCO2濃度を判断できることが確認できた。
【００５０】
従って、このガスセンサ1では、CO2を検出対象としてイオン液体Lが吸収し、その結果、グラフェン8に流れるソースドレイン電流Isdが減少することが確認できた。かくして本発明のガスセンサ1は、ソースドレイン電流Isdの変化を測定することで、イオン液体L周辺の外気中におけるCO2を検出できることが確認できた。また、本発明のガスセンサ1では、ソースドレイン電流Isdの減少量に基づいてCO2濃度についても判断できることが確認できた。
【００５１】
次に、ゲート電圧Vgを0［V］としたガスセンサ1が、NH3雰囲気下にしたとき、ソースドレイン電流Isdがどの程度の時間経過後に変化し始めたかを調べたところ、図１６Ａに示すような結果が得られた。なお、この検証試験では、NH3濃度を30[ppm]とし、ガスセンサ1において、［EMIM］[BF4]からなるイオン液体Lの表面と、グラフェン8との距離を80[μm]とした。図１６Ａから、ガスセンサ1は、NH3雰囲気下になってから約10分後に、ソースドレイン電流Isdが安定することが確認できた。
【００５２】
また、このような検証試験の結果から理論式を求め、グラフェン8と、［EMIM］[BF4]からなるイオン液体Lの表面との距離を20[μm]、50[μm]、80[μm]、100[μm]としたときのソースドレイン電流Isdの応答時間をシミュレーションしたところ、図１６Ｂに示すような結果が得られた。図１６Ｂから、グラフェン8およびイオン液体L表面間の距離を短くすることで、ガスセンサ1においてソースドレイン電流Isdが安定する時間が短くなることが確認できた。これは、イオン液体Lの表面から吸収されたガスが、グラフェン8近傍まで拡散するのに時間を要するためと考えられる。従って、本発明では、グラフェン8およびイオン液体L表面間の距離を短く選定したガスセンサ1を用いることで、検出対象となるガスを早期に検出可能なガスセンサを実現できることが確認できた。
【００５３】
（４）作用および効果
以上の構成において、このガスセンサ1では、基板2上のソース電極3およびドレイン電極4間にグラフェン8を設け、このグラフェン8をイオン液体Lにより覆うような構成とした。このようなガスセンサ1では、ホールが多いグラフェン8がイオン液体L中にあることにより、イオン液体L中の負電荷がグラフェン8の表面に集まる。これにより、ガスセンサ1では、イオン液体Lが検出対象たるガスを吸収すると、イオン液体L中でグラフェン8の表面に集まっている負電荷の状態が変化し、これに伴いグラフェン8に流れるソースドレイン電流Isdも変化することから、このソースドレイン電流Isdの変化の傾向に基づいて外気中のガスを検出することができる。
【００５４】
また、この実施の形態の場合、ガスセンサ1では、グラフェン8と、基板2上のゲート電極7とに接してゲート絶縁層となるイオン液体Lを設け、このイオン液体Lに対してゲート電極7を介しゲート電圧Vgを印加する。これによりガスセンサ1では、ガスを吸収するイオン液体L中にゲート絶縁層として機能する電気二重層を形成し、グラフェン8に流れるソースドレイン電流Isdを測定可能なトランジスタとして動作させることができる。
【００５５】
この場合、ガスセンサ1では、イオン液体Lが検出対象たるガスを吸収すると、イオン液体L中のゲート絶縁層（電気二重層）の状態が変化し、グラフェン8に流れるソースドレイン電流Isdが、ゲート絶縁層の状態に応じて変化することから、当該ソースドレイン電流Isdの変化を測定することで、このソースドレイン電流Isdの変化の傾向に基づいて外気中のガスを検出することができる。
【００５６】
ここで、特表２００７−５０５３２３号公報に示す従来のバックゲート型のガスセンサ（図示せず）では、シリコンバックゲートおよびカーボンナノチューブ間にゲート絶縁層として、例えば150〜200[nm]の膜厚のシリコン酸化膜が用いられており、このためトランジスタとして動作させるためには最大15[V]程度のゲート電圧が必要となる。
【００５７】
これに対して、本発明のガスセンサ1では、SiO2等のシリコン酸化膜を用いることなく、グラフェン8とゲート電極7との間に設けたイオン液体L中に、極めて薄い数nmのゲート絶縁層が形成されることから、例えば0.4[V]程度のゲート電圧Vgをゲート電極7に印加してもトランジスタとして動作でき、従来よりも格段的にゲート電圧Vgを低減させることができる。
【００５８】
また、このガスセンサ1では、ガスを吸収するイオン液体L自体にゲート絶縁層が形成され、ガスを吸収することにより生じるイオン液体Lのゲート絶縁層の状態変化が、直接、グラフェン8を流れるソースドレイン電流Isdに反映されるので、従来よりもガスの検出感度を向上し得る。さらに、このガスセンサ1では、従来のようなグラフェン8自体に表面化学修飾を行う必要がなく、イオン液体Lをグラフェン8およびゲート電極7に接するように単に設ければよいことから、その分だけ簡易な構成とすることができる。
【００５９】
また、このガスセンサ1では、外気中のガス濃度に応じてソースドレイン電流・ゲート電圧特性が変わることから、このソースドレイン電流・ゲート電圧特性の変化量を測定することで、当該変化量に基づき外気中に検出対象となるガスがどの程度含まれているかを推定することもできる。
【００６０】
ところで、このようなガスセンサとして、基板上のソース電極およびドレイン電極間に、カーボンナノチューブを基板表面に沿うように設け、当該カーボンナノチューブをイオン液体で覆うような構成としたガスセンサ（以下、これをカーボンナノチューブ型ガスセンサと呼ぶ）も考えられる。しかしながら、カーボンナノチューブは、基板上に形成した際、側周面の一部が基板と線接触するように配置されることから、当該線接触している領域がイオン液体と非接触状態となり、その分、ガスを吸収したイオン液体の状態変化が反映され難くなるという問題がある。また、カーボンナノチューブは、基板上に線接触するように形成されることから、基板に対する固定面積が極めて小さく、製造過程において発生した静電気等によって基板から剥がれ易く損傷し易いという問題もあった。
【００６１】
これに対して本発明のガスセンサ1では、平坦な膜状のグラフェン8の表面全体が基板2上に面接触するように形成されており、グラフェン8の表面全てがイオン液体L中に露出するように構成されている。これにより本発明のガスセンサ1では、グラフェン8がイオン液体Lと非接触状態となる領域が従来よりも少なくなり、その分だけガスを吸収したイオン液体Lの状態変化が、グラフェン8を流れるソースドレイン電流Isdの変化に反映され易く、ガス検出の応答性を向上させることができる。特に、グラフェン8を一層構造とした場合には、ほぼ全ての炭素原子をイオン液体L中に露出させることができるため、一段とガス検出の応答性を向上させることができる。また、本発明では、グラフェン8の平坦な表面全体が基板2に面接触していることから、基板2に対する固定面積も広く、仮に製造過程において静電気等が発生しても基板2から剥がれ難く、製造過程における損傷を防止できる。
【００６２】
また、従来のカーボンナノチューブ型ガスセンサを製造する際には、基板上に触媒部を設け、化学気相成長法（Chemical Vapor Deposition :CVD）により触媒部からカーボンを成長させて、当該触媒部から直進状に延びたカーボンナノチューブを基板上に形成することになる。しかしながら、このようにして製造されるカーボンナノチューブは、触媒部から直進状に必ず延びるとは限らず、触媒部から湾曲状に延びた製造不良品が製造される可能性も高く、また製造過程の条件によってその直径や、筒状表面での六員環構造の配置状態も変わり易く、同じ性質を有したカーボンナノチューブを量産的に製造し難いという問題があった。
【００６３】
これに対して本発明によるガスセンサ1では、製造する際、予め転写体の表面に成膜させたグラフェン層8aを基板2の表面に貼着させるだけなので、製造不良品が製造されることもなく、かつ均一な性質を有したグラフェン8を確実に用いることができるので全てのガスセンサ1のガス検出能力を均一に保つことができ、従来よりも量産性に優れている。
【００６４】
以上の構成によれば、ソース電極3およびドレイン電極4間のグラフェン8をイオン液体L中に設けることにより、ガスを吸収することにより生じるイオン液体L中の電荷の状態変化が、直接、グラフェン8を流れるソースドレイン電流Isdに反映されるので、従来よりもガスの検出感度を向上し得る。また、単に、グラフェン8をイオン液体L中に配置させるように設ければよいことから、従来のようにカーボンナノチューブを複数のポリマーで表面化学修飾する構成が不要になり、その分だけ簡易な構成とすることができる。
【００６５】
（５）他の実施の形態
なお、本発明は、本実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能であり、上述した実施の形態のおいては、炭素構造体としてのグラフェン8の平坦な表面全体を基板2の表面に面接触させるように配置させた場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えばグラフェン、グラフェン積層体、およびグラファイトのいずれかでなる炭素構造体の平坦な表面を、基板2の表面に対し垂直に配置させるように炭素構造体を基板2上に直立に配置するようにしてもよい。
【００６６】
また、上述した実施の形態においては、ソース電極3およびドレイン電極4上だけでなく、第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6上に載置されるようにイオン液体Lを設けたガスセンサ1について述べたが、本発明はこれに限らず、図１との対応部分に同一符号を付して示す図１７と、図１７の断面構成を示す図１８のように、ソース電極3、ドレイン電極4、第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6の上面を覆うことなく、ソース電極3とドレイン電極4と第１ゲート電極部5と第２ゲート電極部6とに囲まれた領域にだけイオン液体Lを設けたガスセンサ31を適用してもよい。
【００６７】
実際上、このガスセンサ31では、ソース電極3、ドレイン電極4、第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6の各側面と接するようにして、これらソース電極3、ドレイン電極4、第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6に取り囲まれた領域にイオン液体Lを配置させるようにしたことから、イオン液体Lの量を減らして小型化を図りつつ、かつ表面張力の働きによりイオン液体Lを安定して基板2上に設けることができる。また、このガスセンサ31では、上述した実施の形態と同様に、ゲート電極7を介してイオン液体Lにゲート電圧が印加されると、イオン液体L中に、ゲート絶縁層として機能する数nmの電気二重層が形成されるが、この数nm程度のゲート絶縁層が形成可能な体積までイオン液体Lを減らすことができる。
【００６８】
また、他の実施の形態として、上述した実施の形態においては、基板2上にイオン液体Lを単に滴下して載置させたガスセンサ1について述べたが、本発明はこれに限らず、図２との対応部分に同一符号を付して示す図１９のように、イオン液体Lの湾曲状に形成された液表面を、パリレン等の外気が通過可能な被覆膜36により覆った構成を有するガスセンサ35を適用してもよく、この場合、仮に基板2に対して外力が加えられて傾く等しても、保持手段としての被覆膜36によりイオン液体Lを安定して基板2に保持させ続けることができる。因みに、このガスセンサ35は、イオン液体Lを滴下後に、パリレン等の外気が通過可能な被覆材を、例えばCVD（Chemical Vapor Deposition）法によりイオン液体L上に成膜し、イオン液体Lに対して直接、被覆膜36を形成することにより製造できる。またこのガスセンサ35は、パリレン等の外気が通過可能な被覆材により予め被覆膜36を基板2上に形成しておき、当該被覆膜36内にイオン液体Lを注入して密封することによっても製造できる。
【００６９】
そして、このようなガスセンサ35では、被覆膜36によりイオン液体Lを安定して基板2上に保持させることができるので、例えばイオン液体Lを下方に向けた状態で基板2を室内の天井に設置させることもでき、使用状況に応じてイオン液体Lを種々の方向に向けて設置させることができる。また、このようなガスセンサ35では、ガス吸収体を外気から隔離できることから、ガス吸収体として水等の揮発性の液体をも用いることもできる。なお、ガス吸収体として水を用いても、水がガスを吸収することで水内の電荷の状態変化に応じて、グラフェン8を流れるソースドレイン電流Isdが変化し、上述した実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００７０】
また、その他の実施の形態によるガスセンサとしては、図１との対応部分に同一符号を付して示す図２０のように、イオン液体Lを覆う枠体42を基板2に設け、保持手段としての枠体42によりイオン液体Lを基板2に保持させるようしたガスセンサ41を適用してもよい。この場合、枠体42は、基板2上のソース電極3およびドレイン電極4間のグラフェン8（図示せず）を覆うとともに、グラフェン8の周辺に配置されたソース電極3、ドレイン電極4、ゲート電極7の一部を覆うようにして基板2上に配置され、内部空間にイオン液体Lを保持し得るようになされている。
【００７１】
実際上、この枠体42は、イオン液体Lを塞き止める例えば四辺状の壁部42aと、この壁部42aを覆うように配置された板状の天板部42bとにより内部空間を形成し、内部空間と外部とを連通可能にした複数の微細な貫通孔43が天板部42bに穿設されている。枠体42は、基板2上に設置されることで、底面部が閉塞され、内部空間が貫通孔43のみで外部と連通し、この貫通孔43から内部空間にイオン液体Lが注入されることにより、内部空間にイオン液体Lを保持し得る。ここで、枠体42は、貫通孔43が微細であることから、貫通孔43にてイオン液体Lの表面張力が働き、内部空間に注入されたイオン液体Lが貫通孔43から外部に流出し難くなり、イオン液体Lを確実に保持し得るようになされている。
【００７２】
また、イオン液体Lは、枠体42の内部空間にて炭素構造体を覆うとともに、ゲート電極7の第１ゲート電極部5および第２ゲート電極部6（図示せず）とも接する。かくして、このガスセンサ41でも、ゲート電極7からイオン液体Lにゲート電圧Vgが印加されると、イオン液体L中に、ゲート絶縁層として機能する電気二重層が形成され、かくして、上述した実施の形態と同様の効果を奏し得る。
【００７３】
さらに、その他の実施の形態としては、イオン液体Lを貯留させた箱状の貯留部内に、グラフェン8やゲート電極7等が設けられた基板2を設置して、当該基板2をイオン液体L内に沈めるような構成であってもよく、使用状況に応じて、基板2とイオン液体Lとの配置関係を適宜変えた種々の構成でなるガスセンサを適用してもよい。また、保持手段となる枠体としては、細線により編み込まれた網目状の枠体であってもよく、さらに保持手段としての被覆膜としては、繊維状の膜であってもよい。いずれの場合でも保持手段の内部空間にイオン液体Lを保持し得る。
【００７４】
さらに、上述した実施の形態においては、ガス吸収体として、液状のイオン液体Lを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、例えば粘性を持ち流動性を失ったゲル状に形成したガス吸収体や、粘性を持ちつつ流動性をも持つクリーム状に形成したガス吸収体、その他、固体状態および液体状態の間にある半固体液体状態のガス吸収体を適用してもよい。そして、上述したガスセンサ1,31,35,41において、例えばイオン液体Lと同じ物性を有し、当該イオン液体Lをゲル状にしたイオンゲル体や、イオン液体Lをクリーム状にしたイオン性クリーム体を適用してもよい。例えば、このようなゲル状のガス吸収体を用いたガスセンサでは、仮に基板2が傾けられたり振動したりしても、ガス吸収体が流動することなく、ガス吸収体でグラフェン8全体を覆った状態を維持し続けることができ、かくして、ガスセンサの設置場所の自由度を向上し得る。
【００７５】
また、このようなガスセンサでは、流動性を失ったゲル状のガス吸収体を用いることで、ガス吸収体の底部に接着部材を設けることもでき、かくして、接着部材によって基板2に対しガス吸収体を固着させることもできる。これにより、ガスセンサでは、例えばガスセンサを上下逆転させて基板2を天井等に設置し、ガス吸収体を外部に露出させた状態で上方に配置させても、ガス吸収体が基板2に固着した状態を維持できるので、ガス吸収体でグラフェン8全体を覆った状態を維持し続けることができ、かくして、ガスセンサの設置場所の自由度を一段と向上し得る。なお、ガス吸収体の底部では、グラフェン8との接触箇所を避けて枠部分に接着部材を設けることで、接着部材によるグラフェン8への影響を回避できる。
【００７６】
さらに、その他の実施の形態としては、例えばイオン液体Lを染み込ませた繊維状物質からなるガス吸収体を適用し、当該ガス吸収体でグラフェン8を覆うようにしても良い。また上述した各種構成を組み合わせた構成としてもよい。
【００７７】
また、上述した本発明のガスセンサ1,31,35,41のうち同一構成のガスセンサ1,31,35,41をアレイ化したガスセンサ構造体や、或いは異なる構成のガスセンサ1,31,35,41を複数種類組み合わせてアレイ化したガスセンサ構造体としてもよい。この場合、ガスセンサ構造体は、例えば複数のガスセンサ1（31,35,41）を基板上に配列させた構成を有することにより、各ガスセンサ1（31,35,41）で所定のガスを検出し得、一つの小型のガスセンサ構造体で複数の異なる種類のガスの有無を特定し得る。また、このようなガスセンサ構造体では、例えば各ガスセンサ1（31,35,41）毎に異なるイオン液体（ガス吸収体）を用い、各イオン液体とガスとの反応性を変えることにより、複数のガスセンサ1（31,35,41）の応答のパターンから総合的に特定のガスを判別でき、またガスの濃度も検出できる。これにより、一つの小型のガスセンサ構造体により、複数の異なるガスの有無と濃度とを検出することができる。
【符号の説明】
【００７８】
1,31,35,41  ガスセンサ
2  基板
3  ソース電極
4  ドレイン電極
5  第１ゲート電極部
6  第２ゲート電極部
7  ゲート電極
8  グラフェン（炭素構造体）
L  イオン液体（ガス吸収体）
36  被覆膜（保持手段）
42  枠体（保持手段）
【図１】
2014104156.tif 000003
【図２】
2014104156.tif 000004
【図３】
2014104156.tif 000005
【図４】
2014104156.tif 000006
【図５】
2014104156.tif 000007
【図６】
2014104156.tif 000008
【図７】
2014104156.tif 000009
【図８】
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【図９】
2014104156.tif 000011
【図１０】
2014104156.tif 000012
【図１１】
2014104156.tif 000013
【図１２】
2014104156.tif 000014
【図１３】
2014104156.tif 000015
【図１４】
2014104156.tif 000016
【図１５】
2014104156.tif 000017
【図１６】
2014104156.tif 000018
【図１７】
2014104156.tif 000019
【図１８】
2014104156.tif 000020
【図１９】
2014104156.tif 000021
【図２０】
2014104156.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成28年6月6日(2016.6.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出対象となるガスを検出するガスセンサであって、
基板上のソース電極およびドレイン電極間に設けられ、炭素原子１原子分の厚さの一層構造または複数層構造でなる平坦な膜状グラフェンと、
前記膜状グラフェンを覆うように配置されたガス吸収体とを備え、
前記ガス吸収体が前記ガスを吸収することにより前記膜状グラフェンに生じるソースドレイン電流の変化に基づいて前記ガスを検出する
ことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記ソース電極と基板との間及び前記ドレイン電極と基板との間にも前記膜状グラフェンを備える
ことを特徴とする請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記ガス吸収体は、液体状、ゲル状、またはクリーム状でなる
ことを特徴とする請求項１または２記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記ガス吸収体は、
前記膜状グラフェンと前記基板上のゲート電極とに接してゲート絶縁層になり、前記ガスを吸収することにより前記ゲート絶縁層の状態が変化し、該ゲート絶縁層の状態に応じて生じる前記ソースドレイン電流の変化に基づいて前記ガスを検出する
ことを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記ゲート電極は第１ゲート電極部と第２ゲート電極部とから構成されており、
前記第１ゲート電極部と前記第２ゲート電極部との間に前記膜状グラフェンが配置され、前記ガス吸収体が前記第１ゲート電極部および前記第２ゲート電極部と接するように配置されている
ことを特徴とする請求項４記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ガス吸収体が前記第１ゲート電極部および前記第２ゲート電極部間に形成される隙間に保持されている
ことを特徴とする請求項５記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記第１ゲート電極部と基板との間及び前記第２ゲート電極部と基板との間にも膜状グラフェン層を備える
ことを特徴とする請求項５または６記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記ソースドレイン電流に対応して変化する前記ゲート電極のゲート電圧の変化に基づいて前記ガスを検出する
ことを特徴とする請求項４〜７のうちいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記ガス吸収体を覆い、該ガス吸収体を前記基板上に保持させる保持手段が設けられている
ことを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記ガス吸収体がイオン液体、イオンゲル体、またはイオン性クリーム体である
ことを特徴とする請求項１〜９のうちいずれか１項記載のガスセンサ。
【請求項１１】
複数のガスセンサが配置された構成を有し、
前記ガスセンサが請求項１〜１０のうちいずれか１項記載のガスセンサである
ことを特徴とするガスセンサ構造体。
【請求項１２】
前記ガスセンサ毎に、異なる種類のガス吸収体が設けられている
ことを特徴とする請求項１１記載のガスセンサ構造体。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
また、本発明は、ガスセンサ構造体であって、複数のガスセンサが配置された構成を有し、前記ガスセンサが請求項１〜１０のうちいずれか１項記載のガスセンサであることを特徴とする。
【国際調査報告】
2014104156.tif 000023
2014104156.tif 000024
2014104156.tif 000025
2014104156.tif 000026