(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ソース電極からドレイン電極への電荷キャリアの流れを可能にするよう構成された第一層と；
物理的刺激の大きさに比例する電圧を前記物理的刺激に反応して生成するよう構成された第二層であって、前記第二層は、生成された電圧が前記第一層のコンダクタンスに作用可能なように配置される、前記第二層と；
前記第一層と前記第二層との間の電荷キャリアの流れを阻むため、これらの層の間に配置された第三層と；
を備える装置であって、
前記第三層は、前記生成された電圧に反応して前記第一層および第二層との界面に電気二重層を形成するよう構成された材料を含み、前記電気二重層の形成は、前記物理的刺激の存在および／または大きさを導出可能とするため前記第一層の前記コンダクタンスの測定を使えるように、前記第一層の前記コンダクタンスに対する前記生成された電圧の前記作用を強化し、
前記物理的刺激が化学的種を含み、前記第二層は、前記第二層が曝露される化学的種の量に比例する電圧を生成するように構成され、
前記化学的種は水分であり、前記第二層が、酸化グラフェンおよび還元型酸化グラフェンの接合部を備える、
装置。
【請求項２】
ソース電極からドレイン電極への電荷キャリアの流れを可能にするよう構成された第一層と；
物理的刺激の大きさに比例する電圧を前記物理的刺激に反応して生成するよう構成された第二層であって、前記第二層は、生成された電圧が前記第一層のコンダクタンスに作用可能なように配置される、前記第二層と；
前記第一層と前記第二層との間の電荷キャリアの流れを阻むため、これらの層の間に配置された第三層と；
を備える装置であって、
前記第三層は、前記生成された電圧に反応して前記第一層および第二層との界面に電気二重層を形成するよう構成された材料を含み、前記電気二重層の形成は、前記物理的刺激の存在および／または大きさを導出可能とするため前記第一層の前記コンダクタンスの測定を使えるように、前記第一層の前記コンダクタンスに対する前記生成された電圧の前記作用を強化し、
前記物理的刺激が化学的または生物学的種を含み、前記第二層は、前記第二層が曝露される化学的または生物学的種の量に比例する電圧を生成するように構成され、
前記第二層は、前記化学的または生物学的種との相互作用により荷電粒子を放出するよう構成された一つ以上の官能基を各々が有する第一材料と第二材料との接合部を備え、前記第一材料は、前記電圧を生成させるための荷電粒子の濃度勾配が前記化学的または生物学的種への曝露により前記接合部に生成されるように、前記第二材料よりも電荷放出官能基の高い濃度を有する、
装置。
【請求項３】
前記物理的刺激は熱を含み、前記第二層が、焦電材料の温度に比例する電圧を生成するよう構成された前記焦電材料を含む、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
前記物理的刺激は電磁放射を含み、前記第二層が、光電池の上に照射される電磁放射の強度に比例する電圧を生成するよう構成された前記光電池を含む、請求項１から３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記物理的刺激は機械的応力を含み、前記第二層が、圧電材料に加わる応力の前記大きさに比例する電圧を生成させるよう構成された前記圧電材料を含む、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記物理的刺激は電界を含み、前記第二層が、強誘電材料が曝露される電界の強さに比例する電圧を生成するよう構成された前記強誘電材料を含む、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記第二層が前記第一層に隣接するほぼ平面状の構成、または前記第二層が前記第一層の上に重なる積層状の構成を有する、請求項１から６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記第一層が一原子層の厚さを有する、請求項１から７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記第一層は、前記ソース電極とドレイン電極との間にチャネルを形成するためにパターン取りされる、請求項１から８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記第三層の前記材料は、液体およびゲルのうちの一つ以上を含む、請求項１から９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記第二層と前記第三層との間に配置されたゲート電極を備える、請求項１から１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記第二層の前記物理的刺激への曝露を妨げることなく、少なくとも前記第二層への損傷を防止するよう構成された保護層を備える、請求項１から１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記装置が前記ソースおよびドレイン電極を備える、請求項１から１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記物理的刺激は水分を含み、前記第一層の前記コンダクタンスの測定は、前記装置が置かれた環境の相対湿度を表す情報を提供するのに用いることができる、請求項１から１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記第一層の前記コンダクタンスを測定するための手段、および前記第一層の前記コンダクタンスの測定値を用いて前記物理的刺激の前記大きさを導出するための手段を備える、請求項１から１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
電子デバイス、ポータブル電子デバイス、ポータブル遠距離通信デバイス、センサ、および前記の任意のデバイス用のモジュール、のうちの一つ以上である、請求項１から１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
装置を使用する方法であって、前記装置は、
ソース電極からドレイン電極への電荷キャリアの流れを可能にするよう構成された第一層と；
物理的刺激の大きさに比例する電圧を前記物理的刺激に反応して生成するよう構成された第二層であって、前記第二層は、生成された電圧が前記第一層のコンダクタンスに作用可能なように配置される、前記第二層と；
前記第一層と前記第二層との間の電荷キャリアの流れを阻むため、これらの層の間に配置された第三層と；
を備え、
前記第三層は、前記生成された電圧に反応して前記第一層および第二層との界面に電気二重層を形成するよう構成された材料を含み、前記電気二重層の形成は、前記物理的刺激の存在および／または大きさを導出可能とするため前記第一層の前記コンダクタンスの測定を使えるように、前記第一層の前記コンダクタンスに対する前記生成された電圧の前記作用を強化し、
前記物理的刺激が化学的種を含み、前記第二層は、前記第二層が曝露される化学的種の量に比例する電圧を生成するように構成され、前記化学的種は水分であり、前記第二層が、酸化グラフェンおよび還元型酸化グラフェンの接合部を備え、
前記方法は、
前記第一層の前記コンダクタンスを測定することと；
前記第一層の前記測定されたコンダクタンスを使って前記物理的刺激の存在および／または大きさを導出することと；
を含む、方法。
【請求項１８】
装置を使用する方法であって、前記装置は、
ソース電極からドレイン電極への電荷キャリアの流れを可能にするよう構成された第一層と；
物理的刺激の大きさに比例する電圧を前記物理的刺激に反応して生成するよう構成された第二層であって、前記第二層は、生成された電圧が前記第一層のコンダクタンスに作用可能なように配置される、前記第二層と；
前記第一層と前記第二層との間の電荷キャリアの流れを阻むため、これらの層の間に配置された第三層と；
を備え、
前記第三層は、前記生成された電圧に反応して前記第一層および第二層との界面に電気二重層を形成するよう構成された材料を含み、前記電気二重層の形成は、前記物理的刺激の存在および／または大きさを導出可能とするため前記第一層の前記コンダクタンスの測定を使えるように、前記第一層の前記コンダクタンスに対する前記生成された電圧の前記作用を強化し、
前記物理的刺激が化学的または生物学的種を含み、前記第二層は、前記第二層が曝露される化学的または生物学的種の量に比例する電圧を生成するように構成され、
前記第二層は、前記化学的または生物学的種との相互作用により荷電粒子を放出するよう構成された一つ以上の官能基を各々が有する第一材料と第二材料との接合部を備え、前記第一材料は、前記電圧を生成させるための荷電粒子の濃度勾配が前記化学的または生物学的種への曝露により前記接合部に生成されるように、前記第二材料よりも電荷放出官能基の高い濃度を有し、
前記方法は、
前記第一層の前記コンダクタンスを測定することと；
前記第一層の前記測定されたコンダクタンスを使って前記物理的刺激の存在および／または大きさを導出することと；
を含む、方法。
【請求項１９】
装置の処理手段に実行されると、前記装置に、請求項１７または１８に記載の方法を遂行させるように構成されたコンピュータコードを含むコンピュータプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、環境センサ、関連する方法、および装置の分野に関し、具体的には、材料層のコンダクタンスに基づいて、物理的刺激の存在および／または大きさを測定するのに使用するための装置に関する。いくつかの開示例の諸態様／実施形態は、ポータブル電子デバイスに関し、具体的には、使用中手に持つことの可能な（但し、クレードルに置いての使用も可能な）いわゆるハンドポータブル電子デバイスに関する。かかるハンドポータブル電子デバイスは、いわゆる携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）およびタブレットＰＣを含む。
【０００２】
一つ以上の開示例の態様／実施形態による、ポータブル電子デバイス／装置は、一つ以上のオーディオ／テキスト／ビデオ通信機能（例えば、遠隔通信、ビデオ通信、および／またはテキスト送信、ショートメッセージサービス（ＳＭＳ：Ｓｈｏｒｔ  Ｍｅｓｓａｇｅ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）／マルチメディアメッセージサービス（ＭＭＳ：Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ  Ｍｅｓｓａｇｅ  Ｓｅｒｖｉｃｅ）／ｅメール機能、双方向性／非双方向性視聴機能（例えば、ウェブブラウジング、ナビゲーション、ＴＶ／プログラム視聴機能）、音楽録音／再生機能（例えば、ＭＰ３または他のフォーマットおよび／または（ＦＭ／ＡＭ）ラジオ放送の録音／再生）、データのダウンロード／送信機能、画像捕捉機能（例として（例えば内蔵の）デジタルカメラを使用）、およびゲーム機能）を提供することができる。
【背景】
【０００３】
現在、既存のセンサに比べて改良された感度を有し、より低コストで生産可能な（環境センサなどの）新しいセンサを開発すべく研究が行われている。
【０００４】
本開示の一つ以上の態様／実施形態には、これらの課題の一つ以上を取り扱うものもまたは扱わないものもある。
【０００５】
本明細書中の、従前に公表された文書またはいかなる背景の列挙または論考も、必ずしも、その文書または背景が、最新技術または公知の技術常識の一部であることを是認していると取られるべきではない。
【摘要】
【０００６】
第一態様によれば、
ソース電極からドレイン電極への電荷キャリアの流れを可能にするよう構成された第一層と、
物理的刺激の大きさに比例する電圧を物理的刺激に反応して生成するよう構成された第二層であって、該第二層は、生成された電圧が第一層のコンダクタンスに作用可能なように配置される、該第二層と、
第一層と第二層との間の電荷キャリアの流れを阻むため、これらの層の間に配置された第三層と、
を備える装置が提供され、
第三層は、生成された電圧に反応して第一層および第二層との界面に電気二重層を形成するよう構成された材料を含み、この電気二重層の形成は、物理的刺激の存在および／または大きさを導出可能とするため第一層のコンダクタンスの測定を使えるように、第一層のコンダクタンスに対する生成された電圧の作用を強化する。
【０００７】
この物理的刺激は、化学的または生物学的種であってもよい。第二層は、第二層が曝露される化学的または生物学的種の量に比例する電圧を生成するように構成することができる。この化学的種は水分であってもよい。第二層は、酸化グラフェンおよび還元型酸化グラフェンの接合部を備えることが可能である。第二層は、化学的または生物学的種との相互作用により荷電粒子を放出するよう構成された一つ以上の官能基を各々が有する第一材料と第二材料との接合部を備えることができる。第一材料は、電圧を生成させるための荷電粒子の濃度勾配が化学的または生物学的種への曝露により接合部に生成されるように、第二材料よりも電荷放出官能基の高い濃度を有することが可能である。この化学的種は水分であってもよい。この第一および第二材料には、それぞれ、酸化グラフェンおよび還元型酸化グラフェン含めることが可能である。この荷電粒子はプロトンであってもよい。当該電荷放出官能基には、一つ以上のカルボキシル基、水酸基、およびエポキシ基のうちの一つ以上を含めることができる。
【０００８】
物理的刺激は、熱であってもよい。第二層は、焦電材料の温度に比例する電圧を生成するよう構成された該焦電材料を含むことが可能である。該焦電材料には、ポリフッ化ビニリデン、Ｐ（ＶＤＦ−トリフルオロエチレン）、タンタル酸リチウム、および窒化ガリウムのうちの一つ以上を含めればよい。
【０００９】
物理的刺激は電磁放射であってもよい。この電磁放射は、可視、赤外、およびＵＶ光のうちの一つ以上を含むことができる。第二層は、光電池の上に照射される電磁放射の強度に比例する電圧を生成するよう構成された該光電池を含むことが可能である。該光電池は、酸化インジウムスズ電極とアルミニウム電極との間に配置されたポリアセチレンの層を含むことができる。
【００１０】
物理的刺激は機械的応力であってもよい。この機械的応力は、圧縮、張力、およびせん断応力のうちの一つ以上を含むことができる。第二層は、圧電材料に加わる応力の大きさに比例する電圧を生成させるよう構成された該圧電材料を含むことが可能である。該圧電材料は、ポリフッ化ビニリデン、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、および酸化亜鉛のうちの一つ以上を含むことができる。
【００１１】
物理的刺激は電界であってもよい。第二層は、強誘電材料が曝露される電界の強さに比例する電圧を生成するよう構成された該強誘電材料を含むことが可能である。該強誘電材料は、ポリフッ化ビニリデン、チタン酸バリウム、およびチタン酸鉛のうちの一つ以上を含むことができる。
【００１２】
本装置／第二層は、前述の物理的刺激の一つ以上を検出／感知するように構成することができる。
【００１３】
本装置は、第二層が第一層に隣接するほぼ平面状の構成を有することが可能である。本装置は、第二層が第一層の上に重なる積層状の構成とすることも可能である。
【００１４】
第一層は、一原子層の厚さを有することが可能である。第一層は、シリコンまたはグラフェンなど薄膜半導体を含むことができる。第一層は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン−２，５−ジイル）などの有機半導体を含んでよい。第一層には、ソース電極とドレイン電極との間にチャネルを形成するためにパターン取りをすることができる。
【００１５】
第三層の材料は、液体およびゲルのうちの一つ以上を含むことが可能である。ゲルは、イオンが溶媒和され移動可能な重合体構造を有し得る。第三層の材料は、イオンゲル、イオン流体、イオン液体、電解液、固体電解質、ゲル電解質、およびポリマー電解質のうちの一つ以上を含むことが可能である。ポリマー電解質は、ポリ（フッ化ビニリデン−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）および１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）アミド、またはポリ（エチレンオキシド）および過塩素酸リチウムを含んでよい。この液体またはゲルは、該液体またはゲルの流れを制限するために別の材料に包含させることができる。
【００１６】
本装置は、第二層の物理的刺激への曝露を妨げることなく、少なくとも第二層への損傷を防止するよう構成された保護層を備えてもよい。
【００１７】
本装置は、ソースおよびドレイン電極を備えることができる。本装置は、第二層と第三層との間に配置されたゲート電極を備えることもできる。本装置は、第一層のコンダクタンスを測定するための手段を備えることが可能である。本装置は、第一層のコンダクタンスの測定値を用いて物理的刺激の大きさを導出するための手段を備えることも可能である。
【００１８】
物理的刺激は水分であってもよい。第一層のコンダクタンスの測定は、装置が置かれた環境の相対湿度を表す情報を提供するのに用いることができる。
【００１９】
本装置は、電子デバイス、ポータブル電子デバイス、ポータブル遠距離通信デバイス、センサ、および前述の任意のデバイス用のモジュール、のうちの一つ以上とすることが可能である。
【００２０】
さらなる態様によれば、装置を使用する方法が提供され、本装置は、
ソース電極からドレイン電極への電荷キャリアの流れを可能にするよう構成された第一層と、
物理的刺激の大きさに比例する電圧を物理的刺激に反応して生成するよう構成された第二層であって、該第二層は、生成された電圧が第一層のコンダクタンスに作用可能なように配置される、該第二層と、
第一層と第二層との間の電荷キャリアの流れを阻むため、これらの層の間に配置された第三層と、
を備え、
第三層は、生成された電圧に反応して第一層および第二層との界面に電気二重層を形成するよう構成された材料を含み、この電気二重層の形成は、物理的刺激の存在および／または大きさを導出可能とするため第一層のコンダクタンスの測定を使えるように、第一層のコンダクタンスに対する生成された電圧の作用を強化し、本方法は、
第一層のコンダクタンスを測定することと、
第一層の測定されたコンダクタンスを使って物理的刺激の存在および／または大きさを導出することと、
を含む。
【００２１】
さらなる態様によれば、装置を製造する方法が提供され、本方法は、
本装置の第一、第二、および第三層を形成すること、
を含み、
該第一層は、ソース電極からドレイン電極への電荷キャリアの流れを可能にするよう構成され、
該第二層は、物理的刺激の大きさに比例する電圧を物理的刺激に反応して生成するよう構成され、該第二層は、生成された電圧が第一層のコンダクタンスに作用可能なように配置され、
該第三層は、第一層と第二層との間の電荷キャリアの流れを阻むため、これらの層の間に配置され、
第三層は、生成された電圧に反応して第一層および第二層との界面に電気二重層を形成するよう構成された材料を含み、この電気二重層の形成は、物理的刺激の存在および／または大きさを導出可能とするため第一層のコンダクタンスの測定を使えるように、第一層のコンダクタンスに対する生成された電圧の作用を強化する。
【００２２】
本明細書に開示される一切の方法のステップは、明示で述べられたものまたは当業者がそう理解しているものを除き、開示の順序通り正確に行わねばならぬことはない。
【００２３】
また、本明細書で開示する方法の一つ以上を実装するための対応コンピュータプログラム（これらは担体に記録されていることもいないこともある）も本開示内にあり、記載の例示の実施形態の一つ以上によって包含される。
【００２４】
本開示は、単独のまたは多様な組み合わせの一つ以上の対応する態様、例示の実施形態、または特徴を、その組み合わせまたは単独使用が（特許請求の範囲を含め）明示で述べられているか否かに関わらず、含む。説明する機能の一つ以上を実行するための対応する手段も本開示の内である。
【００２５】
前述の摘要は、単なる例示を意図したもので非限定的なものである。
【００２６】
例示だけを目的として、添付の図面を参照しながら、以降に説明をする。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１ａ】温度の関数として、酸化グラフェンのインピーダンススペクトル（周波数範囲４０Ｈｚ〜１１０ＭＨｚ）を示す。
【図１ｂ】相対湿度の関数として、酸化グラフェンのインピーダンススペクトル（周波数範囲４０Ｈｚ〜１１０ＭＨｚ）を示す。
【図２】酸化グラフェンプレートレットの疑似二次元スタックを通る水分蒸発を示す。
【図３】相対湿度の関数として、酸化グラフェン膜使用の有無による開放開口を通る水分透過度を示す。
【図４】従来型の電界効果トランジスタ（断面図）を示す。
【図５】本開示の一実施形態による装置（断面図）を示す。
【図６】本開示の別の実施形態による装置（断面図）を示す。
【図７】酸化グラフェンの化学構造を示す。
【図８ａ】本開示の別の実施形態による装置（平面図）を示す。
【図８ｂ】図８ａの装置に対する等価回路図を示す。
【図９ａ】乾燥空気状態の下における、酸化グラフェンおよび還元型酸化グラフェンから作製された接合部のＩＶ特性を示す。
【図９ｂ】湿潤空気状態の下における、酸化グラフェンおよび還元型酸化グラフェンから作製された接合部のＩＶ特性を示す。
【図９ｃ】湿度の関数として、酸化グラフェンおよび還元型酸化グラフェンから作製された接合部の開回路電圧を示す。
【図１０】本開示の別の実施形態による装置（断面図）を示す。
【図１１】本開示の別の実施形態による装置（模式図）を示す。
【図１２】本明細書で説明する装置を使用する方法の主要ステップを示す。
【図１３】本明細書で説明する装置を製造する方法の主要ステップを示す。
【図１４】図１２または１３の方法ステップの一つ以上を実行、制御または有効にするよう構成されたコンピュータプログラムを備えるコンピュータ可読媒体を示す。
【具体的な態様／実施形態の説明】
【００２８】
近年、酸化グラフェンは、温度および湿度センサに用いるための新規な材料と見なされてきている。感知材料としての酸化グラフェンの使用は、既存のセンサに比べて向上された感度を有する透明でフレキシブルなセンサを、低コストで生産することを可能にする。
【００２９】
酸化グラフェンのインピーダンスは、それが置かれた環境の温度および相対湿度に指数関数的に依存することが判明している。これは、図１ａおよび１ｂに表されており、これらの図は、それぞれ、（４５％の相対湿度での）温度、および（２５℃の温度での）相対湿度の関数として、酸化グラフェンの複雑なインピーダンススペクトルを示している。
【００３０】
この温度および湿度依存性は十分に解明されていないが、この材料の層状構造に関連している可能性がある。図２に示されるように、酸化グラフェンは、該材料を通る水分２０２の透過を可能にする疑似二次元プレートレット２０１の（格子間隔「ｄ」を有する）スタックを有する。この透過度は、環境の温度および相対湿度の双方に依存する。
【００３１】
図３は、開放開口、および厚さ０．５μｍの酸化グラフェン膜で覆った同じ開口を通る水分蒸発の速度を示す。１００％の相対湿度で、水分は、あたかも膜がなかったかのように酸化グラフェンを通り抜けて透過する。この挙動の一つの可能な説明は、周囲環境の相対湿度が（そして温度も）酸化グラフェンのプレートレットの格子間隔に影響を与え、次いでそれが該材料によって吸収可能な水分の量を決定するということである。水分がプレートレットの間の空間を満たすとき、該材料の厚さは増加し、プロトンが酸化グラフェンから解離する。プロトンと水分子とが、酸化グラフェン−水の錯体内で可動性のヒドロニウムイオンを形成し、これがインピーダンスの変化をもたらす。
【００３２】
しかしながら、酸化グラフェンベースのセンサは以下の欠点を抱えていることが判明している。
（ｉ）構造的劣化−  水分（液体および蒸気の両方）への曝露の過程で酸化グラフェンに不可逆の変化が生じることが知られており、酸化グラフェン層に電流が流れているときこの変化が加速すると考えられている。
（ｉｉ）低電導度−  酸化グラフェンは絶縁体であり、厚さが＜５０ｎｍ（透明性および速度の上で必要）の酸化グラフェン層は、＞ＧΩ／ｓｑ．のシート抵抗を有する。典型的なくし型電極設計、特に印刷電極を用いる設計に対し、このことは、センサの配置面積を数十ｍｍ２に制約する。一部の環境では、このセンサレイアウトサイズを縮小することが望まれことがある。
（ｉｉｉ）ＡＣでの動作−  ＤＣバイアスの下での酸化グラフェンセンサの動作が、酸化グラフェン感知層での開回路電圧の蓄積、およびＤＣコンダクタンス測定の不安定さをもたらすことが観察されている。このため、ＡＣまたはパルス励振を用いて測定される酸化グラフェンセンサが出現している。一部の環境ではＤＣ動作が望まれることがある。
（ｉｖ）感度−  酸化グラフェンは相対湿度に対し高感度であるが、感度と厚さ（これは透明性および速度に影響する）の間にトレードオフが存在する。
【００３３】
以下に、装置および関連する方法を説明することとするが、これらは、このような問題の一つ以上に解決策を提供する場合も、しない場合もある。
【００３４】
本装置の一つ以上の開示実施形態は、装置が置かれた環境中の物理的刺激を感知／検出するのに使用するための電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：ｆｉｅｌｄ  ｅｆｆｅｃｔ  ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を含む。ＦＥＴは、伝導チャネルに沿って電流が搬送され、チャネルのコンダクタンスが、横断する電界によって制御可能なトランジスタの種類である。従来型のＦＥＴ構成では（図４に断面図で示されているように）、ｐ型シリコンなどの半導体４０３が基板４０４上に支持され、金属のソース電極４０５およびドレイン電極４０６に接続される。電流は、半導体４０３を横切る電位差（Ｖ）４０７を印加することによって、ソース電極４０５およびドレイン電極４０６を介してそれぞれ投入および回収される。ソース電極４０５とドレイン電極４０６との間の半導体４０３のコンダクタンスは、薄膜誘電体層４０９を介して容量結合された第三の電極（ゲート電極４０８）によって、オン・オフ切り替えされる。コンダクタンスは、半導体４０３を通る電流を（例えば、アンメータ４１０を使って）測定し、電位差（Ｖ）４０７で除すことによって決定することが可能である。ｐ型シリコン（または別のｐ型半導体）の使用では、正ゲート電圧（ＶＧ）の印加は、電荷キャリアを空乏化させ（半導体４０３中の空乏領域４１１を生成する）コンダクタンスを低減させ、一方、負ゲート電圧（ＶＧ）の印加は、電荷キャリアの蓄積（導電性領域を生成する）およびコンダクタンスの増大をもたらす。
【００３５】
図５の断面図に示されるように、本装置の一実施形態は、ソース電極５０５からドレイン電極５０６への電荷キャリアの流れを可能にするよう構成された第一層５１２と、物理的刺激に反応して、該物理的刺激の大きさに比例する電圧を生成するよう構成された第二層５１３と、第一層５１２と第二層５１３との間の電荷キャリアの流れを阻むため、これらの層の間に配置された第三層５１４と、を含む。第一層５１２、第二層５１３、および第三層５１４と、ソース電極５０５およびドレイン電極５０６とは、支持基板５１５の上に形成することができる。
【００３６】
第二層５１３は、生成された電圧が第一層５１２のコンダクタンスに作用できるように配置され、第三層５１４は、生成された電圧に反応して、第一層５１２および第二層５１３との界面に電気二重層を形成するよう構成された材料（例えば、イオンゲル、イオン流体、イオン液体、電解液、固体電解質、ゲル電解質、および／またはポリマー電解質）を含む。電気二重層は、荷電体が流体と接しているとき、その表面に生じる構造体である。物体−流体界面の物体の表面上の電荷５１６が、流体中の逆帯電したイオン５１７を表面電荷５１６の方に引き付ける。このとき、イオン５１７は、界面で表面電荷５１６を反映するようにそれら自体を配列し、絶縁構造を形成する。電気二重層（すなわち表面電荷５１６の層およびイオン５１７の層）において、表面電荷５１６とイオン５１７との分離ｄはナノメートルのオーダーである。この小さな分離は、スーパーコンデンサで現在利用されている特徴である、物体−流体界面における大静電容量をもたらす。
【００３７】
電気二重層に関連するこの大静電容量に起因して、層界面でのこれらの構造体の形成は、生成された電圧の第一層５１２のコンダクタンスへの作用を増強する。このように、１Ｖより小さな生成電圧を、第一層５１２のコンダクタンスに影響を与えるため使用することができ、これによって、このコンダクタンスの測定値を使って、物理的刺激の存在および／または大きさの導出が可能になる。また、第一層コンダクタンスの生成電圧に対する比較的高い感度は、物理的刺激による本装置の「オン」状態と「オフ」状態との切り替えを可能にし、しかして、必要な場合にバイナリ出力を提供する。
【００３８】
動作中、電流は、第二（すなわち、刺激感受性）層５１３ではなく第一層５１２を通流するので、酸化グラフェンは、前述の構造的劣化、低導電性、およびＤＣ不安定性の問題を被らずに、第二層５１３中で使用することが可能である。さらに、酸化グラフェンの薄い厚みに起因する一切の感度低下は、第一層５１２中に超高感度の材料（例えば、グラフェン）を使用することによって補償することができる。
【００３９】
本装置は、第二層５１３を形成するため使われる材料（群）の如何によって、いくつかの相異なる物理的刺激を検出／測定するため用いることが可能である。例えば、この物理的刺激を化学的または生物学的種とすることができ、第二層５１３は、第二層５１３が曝される化学的または生物学的種の量に比例する電圧を生成させるように構成することが可能である。図６の断面図に示されるように、第二層６１３は、化学的または生物学的種と相互作用すると荷電粒子を放出するよう構成された一つ以上の官能基を各々が有する、第一材料６１８と第二材料６１９との接合部を備えることができる。第一材料６１８が、第二材料６１９よりも、電荷放出官能基の高い濃度を有する場合、化学的または生物学的種への曝露により接合部で荷電粒子の濃度勾配を生成でき電圧が生成される。
【００４０】
湿度の感知については、化学種が水分ということになり、第一材料６１８および第二材料６１９には、それぞれ、酸化グラフェンおよび還元型酸化グラフェンを含めればよい。酸化グラフェンは、例えば、図７中に示されるように、カルボキシル基（Ｃ）、水酸基（Ｂ）、および／またはエポキシ基（Ａ）など、一つ以上の官能基を付着含有するグラフェンであると見なしてよい。かかる材料が水分と相互作用するとき、材料の表面にプロトン化が発生し、官能基（Ａ〜Ｃ）からのプロトン（Ｈ＋）の解離を生じさせる。これらのプロトンは、動的熱平衡が達成されるまで接合部を介して拡散し、拡散電位を上昇させる。相異なる相対湿度レベルは、相異なるプロトン勾配を、したがって相異なる特性の平衡状態開回路電圧を生成する。このコンセプトは、官能化グラフェン、もしくは窒化ボロン、二硫化モリブデン、二セレン化ニオブなどの他の二次元材料、またはＢｉ２Ｓｒ２ＣａＣｕ２Ｏｘなどの高温超伝導体を用いる、異なった（すなわち、相異なる化学的または生物学的種を検出するための）表面官能化に拡張することができる。
【００４１】
また、本装置は、熱、電磁放射、機械的応力、または電界を検出するために用いることもできよう。物理的刺激が熱の場合は、第二層６１３に、焦電材料の温度に比例する電圧を生成するよう構成された該焦電材料（例えば、ポリフッ化ビニリデン、Ｐ（ＶＤＦ−トリフルオロエチレン）、タンタル酸リチウム、および窒化ガリウム）を含めればよい。物理的刺激が電磁放射の場合は、第二層６１３に、光電池の上に照射される電磁放射の強度に比例する電圧を生成するよう構成された該光電池（例えば、酸化インジウムスズ電極とアルミニウム電極との間に配置されたポリアセチレンの層を含む）を含めればよい。物理的刺激が機械的応力の場合は、第二層６１３に、圧電材料に加わる応力の大きさに比例する電圧を生成するよう構成された該圧電材料（例えば、ポリフッ化ビニリデン、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、および酸化亜鉛）を含めればよい。物理的刺激が電界の場合は、第二層６１３に、強誘電材料が曝露される電界の強さに比例する電圧を生成するよう構成された該強誘電材料（例えば、ポリフッ化ビニリデン、チタン酸バリウム、およびチタン酸鉛）を含めればよい。
【００４２】
本装置の感度は、いくつかの異なる方法で増大させることができる。一つの方法は、第一層６１２中に、材料のコンダクタンスが電界強度の局所的変化に敏感な該材料を使用することである。感度は、ソース電極６０５とドレイン電極６０６との間にチャネルを形成するため第一層６１２にパターン取りすることによって、および／または第一層６１２の厚さを低減することによってさらに増大することができる。理想的には、第一層６１２は一原子層の厚さを有するべきであり、これは、二次元結晶材料を使って達成が可能である。この点において、グラフェンは、第一層６１２のための適切な候補である。
【００４３】
図８ａは、装置が置かれた環境の相対湿度を感知するよう構成された、本装置の一実施形態を（平面図で）示し、図８ｂはその等価回路図を示す。この実施形態において、第一層８１２はグラフェンを含み、第二層８１３は、酸化グラフェンと還元型酸化グラフェンとから形成された接合部を備え、そして第三層８１４は、ポリ（フッ化ビニリデン−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）および１−エチル−３−メチルイミダゾリウムビス（トリフルオロメチルスルホニル）アミドから形成されるポリマー電解質を含む。また、本装置は、ソース電極８０５およびドレイン電極８０６、第二層８１３と第三層８１４との間に配置されたゲート電極８０８、および第二層８１３と接触している基準電極８２０を備える。ゲート電極８０８は、ポリマー電解質８１４による、より均一な電気二重層を提供するため、第二層８１３の表面に生成される表面電荷を一様に分散させる助力をし、一方、基準電極８２０は、第二層８１３（およびゲート電極８０８）がソース電極８０５またはドレイン電極８０６とは異なる電圧（図８ｂではグラウンドであるがＶｄｄでもよい）にあることを確実にするため使用される。
【００４４】
第二層８１３が第一層８１２の上に重なる（すなわち、積層状の構成）前述で示された実施形態とは異なり、この実施形態は、第二層８１３が第一層８１２に隣接する、ほぼ平面状の構成を有する。この「オフセット」ゲート構造は、従来型の誘電体の代わりに流体第三層８１４を使用することにより可能になる。これは、第一層８１２および第二層８１３の相対的位置に関係なく、層の界面に絶縁電気二重層が生成されることによる。平面状構成は、製造工程を単純化し、また、積層状の構成よりも短絡が少なくなる傾向がある。
【００４５】
図９ａおよび９ｂは、それぞれ、乾燥および湿潤空気状態中の酸化グラフェン接合部のＩＶ特性を示し、一方図９ｃは、酸化グラフェン接合部の開回路電圧を示す。図に見られるように、この型の接合部は、乾燥空気中の０Ｖから湿潤空気中の０．３Ｖを超えるまでの範囲の開回路電圧（ＶＯＣ）をもたらすことができる。
【００４６】
図１０は、本装置の別の実施形態を示す。この例では、本装置は、第二層１０１３の物理的刺激への曝露を妨げることなく、第一層１０１２、第二層１０１３、および第三層１０１４への損傷を防止するよう構成された保護層１０２１を備える。本装置が例えば、周囲環境の湿度を検出／測定するように構成されている場合、保護層１０２１には、ブロックコポリマーまたは非吸収ファブリック層など流体透過性の材料を含めればよい。
【００４７】
図１１は、本明細書で説明する装置のさらなる実施形態を示す。本装置は、電子デバイス、ポータブル電子デバイス、ポータブル遠距離通信デバイス、センサ、および前述のもののうちの一つ以上のためのモジュール、のうちの一つ以上とすることが可能である。示された例において、本装置は、データバス１１２８によって相互に電気接続された、第一、第二、および第三層、ソースおよびドレイン電極（すなわち、前述したコンポーネント群１１２９）、電源１１２３、アンメータ１１２４、電圧計１１２５、プロセッサ１１２６、並びにストレージ媒体１１２７を備えるセンサ１１２２である。
【００４８】
電源１１２３は、ソース電極とドレイン電極との間に電圧を印加するように構成され、電圧計１１２５は、印加された電圧を測定するように構成され、アンメータ１１２４は、第一層を通流するもたらされた電流を測定するように構成される。
【００４９】
プロセッサ１１２６は、他のコンポーネントの動作を管理するためこれらにシグナリングを供しこれらからシグナリングを受信することによって行う、装置１１２２の全般的動作のために構成される。さらに、プロセッサ１１２６は、電圧および電流測定値を、それぞれ、電圧計１１２５およびアンメータ１１２４から受信し、第一層のコンダクタンス（Ｇ＝Ｉ／Ｖ）を計算し、計算されたコンダクタンスを使って物理的刺激の存在および／または大きさを導出するように構成される。別の実施形態において、装置１１２２は、第一層のコンダクタンスを直接測定するために、電圧計１１２５およびアンメータ１１２４の代わりに（またはこれらに加えて）コンダクタンスメータを備えてもよく、プロセッサ１１２６は、コンダクタンスメータからコンダクタンス測定値を受信し、測定されたコンダクタンスを使って物理的刺激の存在および／または大きさを導出するように構成されてもよい。
【００５０】
ストレージ媒体１１２７は、装置１１２２の動作を実行、制御、または有効化するよう構成されたコンピュータコードを格納するよう構成される。また、ストレージ媒体１１２７は、他のコンポーネントに対する設定を格納するよう構成することも可能である。プロセッサ１１２６は、他のコンポーネントの動作を管理するためこれらコンポーネントの設定を読み出すために、ストレージ媒体１１２７にアクセスすることができる。また、ストレージ媒体１１２７は、物理的刺激の存在および／または大きさを導出する際に、プロセッサ１１２６が使用するための較正データ（例えば、刺激レベルの事前測定値とコンダクタンスとの対比）を格納するように構成することも可能である。
【００５１】
プロセッサ１１２６は、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）を含めて、マイクロプロセッサであってよい。ストレージ媒体１１２７は、揮発性ランダムアクセスメモリなどの一時的ストレージ媒体としてもよい。その一方で、ストレージ媒体１１２７は、ハードディスクドライブ、フラッシュメモリ、または不揮発性ランダムアクセスメモリなどの永久ストレージ媒体とすることも可能である。
【００５２】
物理的刺激の存在および／または大きさを導出するための、本装置の使用方法の主要ステップ１２３０〜１２３１が、図１２に概略的に示されている。同様に、本装置の製造方法の主要ステップ１３３２〜１３３３が、図１３に概略的に示されている。
【００５３】
前述の装置を形成するため、数多くの異なる製作工程が使用可能である。一例によれば、第一層の材料（例えば、グラフェン）が、支持基板（例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ガラス、シリコン、二酸化ケイ素、ポリジメチルシロキサン、またはポリウレタン）上に堆積される。次いで、ソースおよびドレイン電極を生成するために、（例えば、インクジェット、スクリーン、ステンシルまたはフレキソ印刷；蒸着；またはスパッタリングを使って）第一層材料の上に電気接点が形成される。適切な電極材料には、金、銀、および銅などの金属；銀ナノ粒子などの印刷金属；多層グラフェン；グラフェンインク、または還元型酸化グラフェンが含まれる。次いで、酸素プラズマエッチングまたはレーザマイクロ機械加工など、サブトラクティブ法を使って、第一層中に導電チャネルが区画され、その後、その上に第三層の材料（例えば、イオンゲルまたはポリマー電解質）が、ドロップキャスティングまたは印刷技法を使って堆積される。イオンゲルは、イオンが選択的にその中に溶解可能な自己組織化ナノ構造体が生成されるように、イオン液と共にブロックコポリマーを重合させることによって形成されてもよい。次いで、第三層材料の上に第二層の材料が、その後に随意的な保護層が形成される。第二層中に酸化グラフェンが使われる場合、それには様々な官能基が付着する完全にまたは部分的に酸化されたグラフェンの薄片を含めることが可能である。さらに、酸化グラフェン層のサイズおよび数を変化させてもよい。酸化グラフェン溶液（濃度：１ｇ／Ｌ；組成：カーボン（７９％）、酸素（２０％）；薄片サイズ：０．５〜０．７μｍ；および厚さ：１原子層（少なくとも６０％））が、グラフェンスクエア社（Ｇｒａｐｈｅｎｅ  Ｓｑｕａｒｅ，Ｉｎｃ．）から入手可能で、スプレーコーティング、ドロップキャスティング、スピンコーティング、またはインクジェット印刷を使って堆積することができる。
【００５４】
図１４は、一実施形態による、コンピュータプログラムを提供するコンピュータ／プロセッサ可読媒体１４３４を模式的に示す。この例では、コンピュータ／プロセッサ可読媒体１４３４は、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  ｄｉｓｃ）またはコンパクトディスク（ＣＤ：ｃｏｍｐａｃｔ  ｄｉｓｃ）などのディスクである。他の実施形態では、コンピュータ／プロセッサ可読媒体１４３４は、発明の機能を遂行するようにプログラムされている任意の媒体であってよい。コンピュータ／プロセッサ可読媒体１４３４は、メモリスティックまたはメモリカード（ＳＤ、ミニＳＤ、マイクロＳＤ、またはナノＳＤ）などのリムーバブルメモリデバイスであってもよい。
【００５５】
コンピュータプログラムは、図１２または１３の方法ステップ１２３０〜１２３１、１３３２〜１３３３の一つ以上を実行、制御、または有効化するよう構成されたコンピュータコードを含むことができる。具体的には、本コンピュータプログラムは、第一層のコンダクタンスを測定／計算し、第一層の測定／計算されたコンダクタンスを使って、物理的刺激の存在および／または大きさを導出するように構成することが可能である。これに加えまたは換えて、該コンピュータプログラムは、本装置の第一、第二、および第三層を形成する前述の製作工程を制御するように構成することも可能である。
【００５６】
図面中に表された他の実施形態は、前に記載された実施形態の類似の特徴に対応する参照番号を付して提示されている。例えば、特徴番号１は、番号１０１、２０１、３０１などにも対応し得る。これらの番号付けされた特徴は、諸図中に出現し得るが、それらの特定の実施形態の説明の中で直接に言及されていないことがある。それでもこれらは、特に前に説明された類似の実施形態の特徴との関連において、さらなる実施形態の理解を助力するために、当該図中に提示された。
【００５７】
当業者には当然のことながら、どの前述の装置／デバイスおよび／または特定の前述の装置／デバイスの他の特徴も、例えばスイッチオンされるなど、有効化されたときだけに所望の動作を遂行する構成がなされるようアレンジされた装置によって提供することが可能である。かかる場合、非有効（例えばスイッチオフ状態）時は、適切なソフトウェアが必ずしもアクティブメモリ中にロードされておらず、適切なソフトウェアは有効（例えば、オン状態）時にだけロードされる。本装置は、ハードウェア回路および／またはファームウェアを備えることができる。本装置は、メモリにロードされたソフトウェアを備えてよい。かかるソフトウェア／コンピュータプログラムは、同じメモリ／プロセッサ／機能ユニットに、および／または一つ以上のメモリ／プロセッサ／機能ユニットに記録されてもよい。
【００５８】
いくつかの実施形態において、特定の前述の装置／デバイスには、所望の動作を遂行するための適切なソフトウェアを前もってプログラムしておくことが可能で、ユーザは、該ソフトウェアおよびその関連機能をロック解除／有効化するために、例えば「キー」をダウンロードすることによって、その適切なソフトウェアの使用を有効化することが可能である。かかる実施形態に関する利点には、デバイスに対し追加の機能が必要な都度データをダウンロードする必要性の低減が含まれるであろう。これは、ユーザによって有効化されないことのある機能のため前もってプログラムされたかかるソフトウェアを格納しておくのに十分な容量をデバイスが有すると判断される例においては有用であり得る。
【００５９】
当然のことながら、どの前述の装置／回路／素子／プロセッサも、前述の機能に加え他の機能を有することが可能で、それらの機能を同じ装置／回路／素子／プロセッサによって実行させることができる。一つ以上の開示の態様は、適切な担体（例えば、メモリ、信号）上に記録された関連するコンピュータプログラムの電子配信、および（ソース／搬送符号化されてよい）コンピュータプログラムを包含し得る。
【００６０】
当然のことながら、本明細書に記載のどの「コンピュータ」も、同じ回路基板上もしくは一回路基板の同じ領域／位置上に、またさらには、同じデバイス上に、配置され得るまたはされ得ない、一つ以上の個別のプロセッサ／処理素子の集合体を備えることができる。いくつかの実施形態において、どの前述のプロセッサの一つ以上も、複数のデバイス上に分散することが可能である。同一のまたは相異なるプロセッサ／処理素子が、本明細書で説明された一つ以上の機能を実行してもよい。
【００６１】
当然のことながら、用語「シグナリング」は、一連の送信および／または受信信号として伝送される一つ以上の信号を指すことができる。一連の信号は、前記シグナリングを構成する一つ、二つ、三つ、四つ、またはもっと多くの個別の信号成分または異なる信号群を含み得る。これらの個別信号の一部および全部は、同時に、順次に、および／またはこれらが時間的に相互にオーバーラップするように、送信／受信することが可能である。
【００６２】
一切の前述のコンピュータおよび／またはプロセッサおよびメモリ（例えば、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭなどを含む）の一切の説明に関して、これらは、コンピュータプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ−ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  ｇａｔｅ  ａｒｒａｙ）および／または、本発明の機能を遂行するようにプログラムされた他のハードウェアコンポーネントを含み得る。
【００６３】
本出願人は、当業者の技術常識を踏まえ、本明細書に記載の各個別の特徴を別々におよび二つ以上のかかる特徴の何らかの組み合わせを、かかる特徴または特徴の組み合わせが本明細書で開示されたいずれかの問題を解決するかどうかに関わりなく、そして特許請求の範囲を限定することなく、本明細書に基づいてかかる特徴または組み合わせを全体として遂行できる程度に、本明細書によって開示する。本出願人は、本開示の態様／実施形態が、いずれかのかかる個別特徴または特徴の組み合わせから成り得ることを表明する。当業者には、本開示の範囲内で、前述の説明を考慮して様々な修改を加えることが可能なのは明白であろう。
【００６４】
各種の実施形態に適用された、基本的な新規の特徴を、提示し、説明し、指摘してきたが、当業者は、本発明の精神から逸脱することなく、説明されたデバイスおよび方法の形態および細部に、様々な省略、代替、および変更を加えることが可能であるのを理解していよう。例えば、同じ結果を達成するため、実質的に同じ方法で、実質的に同じ機能を遂行する、要素および／または方法ステップの全ての組み合わせは、本発明の範囲内にあることが明示的に意図されている。さらに、いずれかの開示された形態または実施形態に関連させて示されおよび／または説明された、構造体および／または要素および／または方法ステップは、設計上の選択の一般事項として、いずれかの他の開示もしくは説明または提案された形態または実施形態に組み込みが可能であることを認識すべきである。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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