(57)【要約】  誘電体および／または金属積層構造内の、薄く電子的に「アクティブな」センシング層を有する印刷された抵抗式センサおよびトランスデューサが提供される。アクティブセンシング層の電子抵抗は、センサ環境の変化時に測定される。アクティブセンシング層周りの多層構造を利用することで、センシング素子の電子信号を向上させることができる。アクティブセンシング層を取り囲む構造および材料を注意深く選択することにより、環境の変化を検出するためのセンサの感度、安定性、および選択性を向上させる。この設計により、数多くの特定の適用分野において環境センシングが可能となる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
バリア層と、
少なくとも２つの電極と接触するアクティブセンシング層と、
前記アクティブセンシング層と前記バリア層との間に配置され、かつ、第１の側と第２の側とを有する誘電体層とを有し、
前記少なくとも２つの電極は、両方とも、前記誘電体層の前記第２の側に隣接する、
抵抗性トランスデューサであるトランスデューサ。
【請求項２】
前記バリア層は、金属、金属酸化物、金属窒化物、半導体、ガラス、有機ポリマー、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有する請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項３】
前記アクティブセンシング層は、約１０００ｎｍ未満の厚さを有する請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項４】
前記アクティブセンシング層は、炭素質材料である請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項５】
前記アクティブセンシング層は、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ織物、アモルファスカーボンフィルム、グラファイト、グラフェン、熱分解カーボン、カーボンファイバ、カーボンブラック、シリコン、導電性ポリマー、フラーレンカーボン煤、ならびにこれらの複合材および混合物から成る群から選択される請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項６】
前記誘電体層は、非導電性ポリマー、非導電性フォトレジスト、非導電性セラミック、非導電性金属窒化物、非導電性金属酸化物、非導電性金属複合材、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有する請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項７】
前記アクティブセンシング層は、第１の側と第２の側とを有し、前記アクティブセンシング層の前記第１の側は、前記誘電体層の前記第２の側に対向している請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項８】
前記バリア層は、第１の側と第２の側とを有し、前記誘電体層は、前記バリア層の前記第２の側に隣接し、さらに、前記バリア層の前記第１の側に対向する基板を有する請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項９】
前記基板は、金属、金属酸化物、金属窒化物、半導体、ガラス、紙、有機ポリマー、およびこれらの混合物から成る群から選択される請求項８に記載のトランスデューサ。
【請求項１０】
さらに、前記アクティブセンシング層の前記第２の側に対向する信号増強層を有する請求項６に記載のトランスデューサ。
【請求項１１】
前記信号増強層は、非導電性ポリマー、非導電性フォトレジスト、非導電性セラミック、非導電性金属窒化物、非導電性金属酸化物、非導電性金属複合材、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有する請求項１０に記載のトランスデューサ。
【請求項１２】
さらに、前記信号増強層に隣接するフィルタ層を有する請求項１０に記載のトランスデューサ。
【請求項１３】
前記フィルタ層は、金属フィルム、高分子フィルム、セラミックフィルム、単結晶フィルム、イオン選択性フィルム、化学的選択性フィルム、生物学的選択性フィルム、金属酸化物フィルム、金属窒化物フィルム、有機金属フィルム、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される請求項１２に記載のトランスデューサ。
【請求項１４】
前記バリア層は、金属、金属酸化物、金属窒化物、半導体、ガラス、有機ポリマー、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有し、
前記アクティブセンシング層は、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ織物、アモルファスカーボンフィルム、グラファイト、熱分解カーボン、グラフェン、カーボンファイバ、カーボンブラック、シリコン、導電性ポリマー、フラーレンカーボン煤、ならびにこれらの複合材および混合物から成る群から選択され、
前記誘電体層は、非導電性ポリマー、非導電性フォトレジスト、非導電性セラミック、非導電性金属窒化物、非導電性金属酸化物、非導電性金属複合材、およびそれらの混合物から成る群から選択される材料を有する請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１５】
前記アクティブセンシング層は、第１の側と第２の側とを有し、前記アクティブセンシング層の前記第１の側は、前記誘電体層の前記第２の側に対向し、
さらに、前記アクティブセンシング層の前記第２の側に対向する信号増強層と、
前記信号増強層に隣接するフィルタ層とを有する請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１６】
前記バリア層は、金属、金属酸化物、金属窒化物、半導体、ガラス、有機ポリマー、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有し、
前記アクティブセンシング層は、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ織物、アモルファスカーボンフィルム、グラファイト、グラフェン、熱分解カーボン、カーボンファイバ、カーボンブラック、シリコン、導電性ポリマー、フラーレンカーボン煤、ならびにこれらの複合材および混合物から成る群から選択され、
前記誘電体層は、非導電性ポリマー、非導電性フォトレジスト、非導電性セラミック、非導電性金属窒化物、非導電性金属酸化物、非導電性金属複合材、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有し、
前記信号増強層は、非導電性ポリマー、非導電性フォトレジスト、非導電性セラミック、非導電性金属窒化物、非導電性金属酸化物、非導電性金属複合材、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有し、
前記フィルタ層は、金属フィルム、高分子フィルム、セラミックフィルム、単結晶フィルム、イオン選択性フィルム、化学的選択性フィルム、生物学的選択性フィルム、金属酸化物フィルム、金属窒化物フィルム、有機金属フィルム、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される請求項１５に記載のトランスデューサ。
【請求項１７】
大気条件下で、約５０ｍｓｅｃ未満の応答時間および約１００ｍｓｅｃ未満の立下り時間を有する請求項１に記載のトランスデューサ。
【請求項１８】
請求項１に記載のトランスデューサを有するセンサ。
【請求項１９】
さらに、前記トランスデューサに動作可能に連結される制御部を有する請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２０】
分析物に曝された時に前記トランスデューサによって生じる抵抗の変化を、前記制御部が検出し、分析することが可能となるように、前記制御部は、前記トランスデューサに動作可能に連結される請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２１】
前記バリア層は、金属、金属酸化物、金属窒化物、半導体、ガラス、有機ポリマー、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有し、
前記アクティブセンシング層は、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ織物、アモルファスカーボンフィルム、グラファイト、グラフェン、熱分解カーボン、カーボンファイバ、カーボンブラック、シリコン、導電性ポリマー、フラーレンカーボン煤、ならびにこれらの複合材および混合物から成る群から選択され、
前記誘電体層は、非導電性ポリマー、非導電性フォトレジスト、非導電性セラミック、非導電性金属窒化物、非導電性金属酸化物、非導電性金属複合材、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有する請求項１９に記載のセンサ。
【請求項２２】
前記アクティブセンシング層は、第１の側と第２の側とを有し、前記アクティブセンシング層の前記第１の側は、前記誘電体層の前記第２の側に対向し、
前記トランスデューサは、さらに、
前記アクティブセンシング層の前記第２の側に対向する信号増強層と、
前記信号増強層に隣接するフィルタ層とを有する請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２３】
前記バリア層は、金属、金属酸化物、金属窒化物、半導体、ガラス、有機ポリマー、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有し、
前記アクティブセンシング層は、カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブ織物、アモルファスカーボンフィルム、グラファイト、グラフェン、熱分解カーボン、カーボンファイバ、カーボンブラック、シリコン、導電性ポリマー、フラーレンカーボン煤、ならびにこれらの複合材および混合物から成る群から選択され、
前記誘電体層は、非導電性ポリマー、非導電性フォトレジスト、非導電性セラミック、非導電性金属窒化物、非導電性金属酸化物、非導電性金属複合材、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有し、
前記信号増強層は、非導電性ポリマー、非導電性フォトレジスト、非導電性セラミック、非導電性金属窒化物、非導電性金属酸化物、非導電性金属複合材、およびこれらの混合物から成る群から選択される材料を有し、
前記フィルタ層は、金属フィルム、高分子フィルム、セラミックフィルム、単結晶フィルム、イオン選択性フィルム、化学的選択性フィルム、生物学的選択性フィルム、金属酸化物フィルム、金属窒化物フィルム、有機金属フィルム、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される請求項２２に記載のセンサ。
【請求項２４】
前記トランスデューサは、大気条件下で、約５０ｍｓｅｃ未満の応答時間および約１００ｍｓｅｃ未満の立下り時間を有する請求項１８に記載のセンサ。
【請求項２５】
状態の存在を検出する方法であって、
分析物が存在するかもしれない環境にトランスデューサを導入する工程と、
前記トランスデューサが前記状態の前記存在を示すかどうかを観察する工程とを有し、
前記トランスデューサは、
バリア層と、
少なくとも２つの電極と接触するアクティブセンシング層と、
前記アクティブセンシング層と前記バリア層との間に配置され、かつ、第１の側と第２の側とを有する誘電体層とを有し、
前記少なくとも２つの電極は、両方とも、前記誘電体層の前記第２の側に隣接し、
前記存在は、抵抗の変化によって示される方法。
【請求項２６】
前記状態は、分析物の存在、温度の変化、あるいはその両方から成る群から選択されるものである請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記分析物は、湿気、ガス、気流、ＶＯＣ、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記トランスデューサは、大気条件下で、約５０ｍｓｅｃ未満の応答時間および約１００ｍｓｅｃ未満の立下り時間を有する請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の背景
（関連出願）
本願は、２０１４年７月２２日提出の出願番号６２／０２７，７５３、ＵＬＴＲＡＦＡＳＴ  ＨＵＭＩＤＩＴＹ  ＤＥＴＥＣＴＯＲ  ＦＯＲ  ＵＳＥ  ＩＮ  ＳＰＥＥＣＨ  ＡＮＤ  ＨＥＡＬＴＨ  ＡＮＡＬＹＺＥＲＳ（音声およびヘルスアナライザー用超高速湿度検出器）と題した米国仮出願、および２０１５年６月８日提出の出願番号６２／１７２，５４６、ＴＨＩＮ−ＦＩＬＭ  ＲＥＳＩＳＴＩＶＥ−ＢＡＳＥＤ  ＳＥＮＳＯＲ（薄膜抵抗式センサ）と題した米国仮出願の優先権の利益を主張するものであり、それぞれの出願全体を参照により本明細書中に含める。
【０００２】
（発明の分野）
本発明は、広くは、薄膜抵抗式センサに関する。
【背景技術】
【０００３】
（先行技術の説明）
環境の変化を感知することができるセンサは、数多くの用途において求められている。温度、圧力、あるいはセンサと接触する様々な分析物（空気中の水分またはガス等を含む）の変化を検出することは、室内および屋外の気候検出および制御、プロセス制御、生物測定学、医学的利用等の用途にとって望ましい。しかしながら、種々の用途のためのこれらのセンサの有用性は、正確かつ精密に刺激を測定するそれらの能力だけでなく、短期的および長期的にその刺激を検出して測定するそれらの能力によっても制限される。呼吸センサ等のように、即座の検出が必須となる用途において、湿度を測定することを試みる場合に、応答時間および整定時間は、非常に重要な仕様である。センサの応答時間は、センサが負荷のない状態から負荷のステップ変化に応答するまでに要する時間のことである。整定時間は、センサが一度オンになってから安定した出力に達するのに要する時間のことである。センサはまた、長期の安定性および測定を維持することができなければならず、また、低ヒステリシスを示すべきである。
【０００４】
環境センサは、温度、湿度、ガス、あるいは気流等の、大気中の物理的変化を検出することができる。センシング素子により、センサは、変換素子による変動を、送信および測定することが可能である電気信号に変換する。多くの実践において、「アクティブな」層の電子抵抗は、センサ環境の変化時に測定される。この測定が一価のものであり、安定し、再現性のあるものである場合、それを、センサを取り巻く環境を示す信号として較正して使用することが可能である。
【０００５】
環境センサの構造および構成には異なるアプローチが存在する。それらのアプローチは、安定性、感度、低ヒステリシス、信頼性および／または精度を含む効率的なセンシング能力のうちの１つ以上の特性を向上させることを求める。もっとも基本的な、印刷された、および／または薄膜抵抗式センサは通常、誘電体基板上に印刷された、薄く電子的に「アクティブな」センシング層、および、その上面に印刷された不動態化または保護被覆層を含む。
【０００６】
多くの先行技術の直流の、抵抗式センサは、非常に高いヒステリシス、低安定性および低精度の結果による性能の低さに悩まされてきた。これらの装置は、しばしば、ポリマーベースの材料または予測できない材料を利用しているので、高いヒステリシス、低い安定性および精度の問題は、しばしば、この薄膜構造におけるセンシング素子に使用される材料の選択に起因する。
【０００７】
静電容量、誘導、光学、および物理式であり、かつ、確立された材料を利用するその他のセンサ技術は、一般的に、この種の性能の低さに悩まされない。しかしながら、これらのセンサ技術は、より信頼性があるものの、速度が遅いものである。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、バリア層と、少なくとも２つの電極と接触するアクティブセンシング層と、アクティブセンシング層とバリア層との間に配置され、かつ、第１の側と第２の側とを有する誘電体層とを有するトランスデューサを提供する。この少なくとも２つの電極は、両方とも、誘電体層の第２の側に隣接し、該トランスデューサは、抵抗性トランスデューサである。
【０００９】
本発明はさらに、バリア層と、少なくとも２つの電極と接触するアクティブセンシング層と、アクティブセンシング層とバリア層との間に配置され、かつ、第１の側と第２の側とを有する誘電体層とを有するトランスデューサを有するセンサを提供する。この少なくとも２つの電極は、両方とも、誘電体層の第２の側に隣接し、該トランスデューサは、抵抗性トランスデューサである。
【００１０】
最後に、本発明は、状態の存在を検出する方法を提供する。該方法は、分析物が存在するかもしれない環境にトランスデューサを導入する工程を有する。該トランスデューサは、バリア層と、少なくとも２つの電極と接触するアクティブセンシング層と、アクティブセンシング層とバリア層との間に配置され、かつ、第１の側と第２の側とを有する誘電体層とを有する。この少なくとも２つの電極は、両方とも、誘電体層の第２の側に隣接する。該方法はまた、トランスデューサが状態の存在を示すかどうかを観察する工程を有し、該存在は、抵抗の変化によって示される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
図面の簡単な説明
【図１】図１は、本発明のトランスデューサの１つの実施形態を示す概略図である。
【図２】図２は、アクティブセンシング層が電極に跨っている本発明のトランスデューサのさらなる実施形態を示す概略図である。
【図３】図３は、トランスデューサが基板上に支持されている本発明のトランスデューサの別の実施形態の概略図である。
【図４】図４は、信号増強層がアクティブセンシング層の上にあるさらなる実施形態を示す概略図である。
【図５】図５は、図４のトランスデューサに類似しているが、フィルタ層が信号増強層に隣接しているトランスデューサを示すさらに別の実施形態である。
【図６】図６は、図５のトランスデューサに類似しているが、フィルタ層がアクティブセンシング層に隣接しているトランスデューサを示す別の実施形態の概略図である。
【図７】図７は、「テスティング、ワン、ツー、スリー」と発している間の湿度信号および音声信号を示しているグラフである。
【図８】図８は、多湿空気の１秒パルスに対するトランスデューサの応答を示すグラフである。
【図９】図９は、多湿空気の１０分パルスに対する、図８に示すのと同じトランスデューサの応答を示すグラフである。
【図１０】図１０は、遅く変化する湿度濃度に対するトランスデューサの応答のグラフである。
【図１１】図１１は、実施例３の集積型温度および分析物トランスデューサの上面図および側面図である。
【図１２】図１２は、ポリイミド基板上の温度／分析物トランスデューサの写真である。
【図１３】図１３は、実施例６の単純なトランスデューサ構造の上面図および側面図である。
【図１４】図１４は、ＰＥＴ基板上の個別温度トランスデューサの写真である。
【図１５】図１５は、１つの被試験デバイス（ＤＵＴ）に印加したＶにより電流を測定するスキャナシステムのアレイ動作を示す概略図である。
【図１６】図１６は、環境チャンバ内の平均相対湿度および温度の分布を示すグラフである。
【図１７】図１７は、実施例５の温度トランスデューサのヒステリシスグラフである。
【図１８】図１８は、実施例３の温度トランスデューサのヒステリシスグラフである。
【図１９】図１９は、実施例５の１４個の温度トランスデューサの精度およびヒステリシスを示すグラフである。
【図２０】図２０は、実施例４の１３個の温度トランスデューサの精度およびヒステリシスを示すグラフである。
【図２１】図２１は、実施例５の湿度トランスデューサのヒステリシスグラフである。
【図２２】図２２は、実施例３の湿度トランスデューサのヒステリシスグラフである。
【図２３】図２３は、実施例５の１４個の湿度トランスデューサの精度およびヒステリシスのグラフである。
【図２４】図２４は、一定の温度および相対湿度における温度トランスデューサの電流−時間のグラフである。
【図２５】図２５は、６０日間の室内条件における８個の温度トランスデューサの抵抗−時間のグラフである。
【図２６】図２６は、一定の温度および相対湿度における湿度トランスデューサの電流−時間のグラフである。
【図２７】図２７は、６０日間の室内条件における８個の湿度トランスデューサの抵抗−時間のグラフである。
【図２８】図２８は、分析物トランスデューサの応答時間および回復時間を決定するのに使用される実験装置を示す概略図である。
【図２９】図２９は、指からの熱に対する温度トランスデューサの応答時間および回復時間を示すグラフである。
【図３０】図３０は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ式温度トランスデューサの応答のグラフである。
【図３１】図３１は、「ハロー、ワン、ツー、スリー」と発している間の熱変動に対する応答のグラフである。
【図３２】図３２は、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ式温度トランスデューサの応答のグラフである。
【図３３】図３３は、温度／分析物センサの低電圧のＩ−Ｖ挙動を示すグラフである。
【図３４】図３４は、人間の呼吸に応答した温度／分析物トランスデューサの低電力（＜３０ｐＷ）動作を示すグラフである。
【図３５】図３５は、異なる揮発性有機物蒸気に対する応答時間および回復時間のプロットを示すグラフである。
【図３６】図３６は、日本ゼオン株式会社製のＣＮＴ式温度トランスデューサのヒステリシスグラフである。
【図３７】図３７は、相対湿度変化および温度変化に対するセンサの応答を示すグラフである。
【図３８】図３８は、半導電性ＣＮＴ式温度トランスデューサのヒステリシスグラフである。
【図３９】図３９は、相対湿度変化および温度変化に対するセンサの応答を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、広く、従来のセンサ技術に組み込むことが可能な新規のトランスデューサ、並びに、温度の変化または分析物の存在等、ある状態の存在を検出するためにそれらのトランスデューサを用いる方法に関する。検出されるかもしれない典型的な分析物は、湿度、ガス、気流、揮発性有機化合物（アミド、アルデヒド、エーテル、ケトン、エステル、およびアルコール等のＶＯＣ）、およびこれらの組み合わせから成る群から選択されるものを含む。都合のよいことに、本発明は、特に、極性ＶＯＣを検出するのに有益である。
【００１３】
１．図１〜２の実施形態
より詳しく言えば、図１を参照すると、本発明によるトランスデューサの第１実施形態が示される。トランスデューサ１０は、第１の側１４と第２の側１６とを有するバリア層１２を有する。さらに、トランスデューサ１０は、バリア層１２に隣接する誘電体層１８を有する。誘電体層１８は、第１の側２０と第２の側２２とを有する。図示されるように、誘電体層１８の第１の側２０は、バリア層１２の第２の側１６に対向するのが好ましい。
【００１４】
トランスデューサ１０はまた、少なくとも２つの電極２４ａ、２４ｂを含む。各電極２４ａ、２４ｂは、側壁２６ａ、２６ｂを有し、かつ、電極２４ａ、２４ｂは、それぞれ、上面２８ａ、２８ｂを有する。電極２４ａ、２４ｂは、誘電層１８の第２の側２２の上に置かれ、その一方で、上面２８ａ、２８ｂは、第２の側２２から離れている。さらに、トランスデューサ１０は、第１の側３２と第２の側３４とを有するアクティブセンシング層３０を含む。アクティブセンシング層３０は、誘電体層１８に隣接しており、図示されるように、アクティブセンシング層３０の第１の側３２は、誘電体層１８の第２の側２２と接触するのが好ましく、これにより、界面３６が形成される。
【００１５】
重要なことは、アクティブセンシング層３０はまた、各電極２４ａ、２４ｂと接触している。図１を参照すると、アクティブセンシング層３０は、電極２４ａの側壁２６ｂと接触し、かつ、電極２４ｂの側壁２６ａと接触している。別の実施形態において、アクティブセンシング層３０は、電極２４ａ、２４ｂに追従する。つまり、アクティブセンシング層３０は、電極２４ａ、２４ｂのそれぞれの側壁２６ａ、２６ｂおよび上面２８ａ、２８ｂと接触している（図２のトランスデューサ１０ａを参照）。別の実施形態において、電極２４ａ、２４ｂは、接触が依然として達成されるのであれば、アクティブセンシング層３０の下ではなく、アクティブセンシング層３０の上部に配置されてもよい（つまり、それらの順番を逆にすることが可能である）。したがって、アクティブセンシング層３０が電極２４ａ、２４ｂの両方と接触するようなものであれば、どんな配置でも受け入れ可能である。
【００１６】
バリア層１２
図示されるバリア層１２は、分離層として機能する。バリア層１２は、存在するかもしれない任意の基板（以下を参照）の化学的特性および物理的特性からアクティブ（つまり、センシング）層３０を分離するように設計され、かつ、環境の刺激によるアクティブセンシング層３０への影響を回避するように設計されている。バリア層１２の材料および特性は、作製されるトランスデューサの種類に依存する。バリア層１２は、金属、セラミック、ポリマー、複合材、あるいはこれらの混合物であってもよいが、これらに限らない。バリア層１２は、導電性または電気絶縁性であってもよい。さらに、バリア層１２は、スクリーン印刷、スプレーコーティング、エアロゾル・ジェット（米国登録商標）印刷、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、リソグラフィック技術、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、積層、ＡＬＤ、ＣＶＤ、およびＰＥＣＶＤから成る群から選択されるものを含む任意の好適な技術により堆積されてもよい。バリア層１２の平均厚さは、好ましくは約５０ｎｍ〜約５０μｍ、より好ましくは約１００ｎｍ〜約４μｍ、さらにより好ましくは約１００ｎｍ〜約２μｍである。
【００１７】
トランスデューサが分析物トランスデューサである場合、バリア層１２は、分析物と化学的または物理的に反応すべきではない。したがって、バリア層１２は、ＡＳＴＭ法Ｄ−５７０によって測定した場合、約０．０２％未満、好ましくは約０．００１％未満、より好ましくは約０の分析物溶解度を有することが好ましい。バリア層１２を介した分析物の拡散率は、ＡＳＴＭ法Ｆ１２４９によって測定した場合、約１ｇ／ｍ２／日未満、好ましくは約０．０１ｇ／ｍ２／日未満、より好ましくは約０．００１ｇ／ｍ２／日となるべきである。湿度トランスデューサについては、バリア層１２は、疎水性であることが好ましく、トランスデューサの構造体内に水蒸気を残存させず、または、その中のいずれの方向にも水蒸気を通過させない。
【００１８】
誘電体層１８
図に示すように、誘電体層１８は、信号増強層として機能し、トランスデューサの電極２４ａ、２４ｂとバリア層１２との間に配置される。誘電体層１８を形成する材料を変更することで、トランスデューサ１０からの出力信号の信号対雑音比を大幅に増加させることが可能である。誘電体層１８は、好ましくは約１０−１１Ｓ／ｍ未満、より好ましくは約１０−２１Ｓ／ｍ未満、さらにより好ましくは約１０−２５Ｓ／ｍ〜約１０−２３Ｓ／ｍの導電率を有する。誘電体層１８のシート抵抗は、少なくとも約１０１６Ω／□、好ましくは少なくとも約１０２６Ω／□、より好ましくは約１０２９Ω／□〜約１０３１Ω／□となるべきである。誘電体層１８は、スクリーン印刷、スプレーコーティング、エアロゾル・ジェット（米国登録商標）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、ディップコーティング、リソグラフィック技術、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、積層、ＡＬＤ、ＣＶＤ、およびＰＥＣＶＤから成る群から選択されるものを含む任意の好適な技術により堆積されてもよい。
【００１９】
誘電体層１８の平均厚さは、好ましくは約１μｍ〜約１０μｍ、より好ましくは約１μｍ〜約８μｍ、さらにより好ましくは約１μｍ〜約３μｍである。導電性バリア層１２を用いる実施形態において、誘電体層１８は、ピンホールをほぼ有していないものとするべきであり、ピンホールを全く有していないのが好ましい。
【００２０】
１つの実施形態において、誘電体層１８は、検出された状態または刺激に反応してもよい。例えば、分析物トランスデューサにおいて、誘電体層１８は、分析物が接触する場合、化学的または物理的変化、あるいは反応を感じてもよい。この化学的または物理的変化、あるいは反応により、分析物に曝されたときに、アクティブセンシング層３０からの出力信号をさらに高めるまたは増幅させることができる。例えば、誘電体層１８が、アルコールに溶解可能な材料で作られる場合、装置は、アクティブセンシング層を通じてアルコール拡散に応答するだけではなく、誘電体層１８の形態変化にも応答して、全体の感度を大幅に増加させる。この場合、誘電体層１８における不可逆反応は、トランスデューサ内のヒステリシスの主な原因になるので、誘電体層１８における可逆反応は、不可逆反応を超えるのが好ましい。
【００２１】
誘電体層１８が反応性である場合、誘電体層１８は、ＡＳＴＭ法Ｆ１２４９によって測定した場合、少なくとも約５０ｇ／ｍ２／日、好ましくは少なくとも約５００ｇ／ｍ２／日、より好ましくは約２０００ｇ／ｍ２／日〜約５０００ｇ／ｍ２／日の分析物に対する拡散率を有するべきである。誘電体層１８が反応性である場合、誘電体層１８は、ＡＳＴＭ法Ｄ−５７０によって測定した場合、少なくとも約０．８％、好ましくは少なくとも約２．０％、より好ましくは約５．０％〜約２０％の層内の分析物溶解度を有するべきである。誘電体層１８は、任意の非導電性材料、または、（ポリエステルおよびポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等の）ポリマー、フォトレジスト、セラミック、金属複合材、金属酸化物、およびこれらの混合物から成る群から選択されるものを含む任意の材料より作られることが可能であり、対象の分析物に依存する。
【００２２】
別の実施形態において、誘電体層１８は、検出された刺激に反応しない。この場合、誘電体層１８は、分析物と接触した場合、化学的または物理的変化、あるいは反応を感じるべきではない。このように、誘電体層１８は、分離層として作用してもよく、基板（もし存在する場合；以下を参照）またはバリア層１２を環境信号から分離すること、および／または、アクティブセンシング層３０を基板および／またはバリア層１２から分離することをもたらす。誘電体層１８が非反応性である場合、誘電体層１８は、ＡＳＴＭ法Ｆ１２４９によって測定した場合、約４ｇ／ｍ２／日未満、好ましくは約１ｇ／ｍ２／日未満、より好ましくは約０ｇ／ｍ２／日〜約０．００１ｇ／ｍ２／日の分析物に対する拡散率を有するべきである。誘電体層１８が非反応性である場合、誘電体層１８は、ＡＳＴＭ法Ｄ−５７０によって測定した場合、約０．０２％未満、好ましくは約０．００１％未満、さらに好ましくは約０％の層内の分析物溶解度を有するべきである。非反応性誘電体層１８は、任意の非導電性材料、または、（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シリコン誘電材料、シクロオレフィンコポリマー、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、およびポリスチレン等の）ポリマー、フォトレジスト、セラミック、（窒化シリコン等の）金属窒化物、（酸化アルミニウム等の）金属酸化物、金属複合材、およびこれらの組み合わせから成る群から選択されるものを含む任意の材料より作られることが可能である。
【００２３】
電極２４ａ、２４ｂ
電極２４ａ、２４ｂは、好ましくは平板電極であるが、互いに組み合わされる電極とすることも可能である。好ましくは、電極２４ａ、２４ｂは、高い電子移動度または正孔移動度および大きなキャリア濃度を有する。電極２４ａ、２４ｂを形成するのに好適な材料は、銀、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）、金、高度にドープされたシリコン、導電性カーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）、グラフェンインク、パラジウム、銅、アルミニウム、任意の導電性ポリマー、および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。これらの好ましい材料は、アクティブセンシング層３０に対して、低いショットキーバリアおよび低い接触抵抗を有する。
【００２４】
この電極は、スクリーン印刷、スプレーコーティング、エアロゾル・ジェット（米国登録商標）印刷、インクジェット印刷、フレキソ印刷、グラビア印刷、リソグラフィック技術、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、およびレーザアブレーションから成る群から選択されるものを含む、任意の好適な技術によって形成されてもよい。
【００２５】
アクティブセンシング層３０
アクティブセンシング層３０は、環境の変化に対して比例的に変化する電子抵抗信号を提供する。目的の環境の変化に対して、その電子抵抗の変化により応答する任意の材料が、アクティブセンシング層３０に使用されてもよい。この電子抵抗の変化は、その電子構造の変化、欠陥状態の変化、あるいは電子キャリア密度の変化の結果であってもよい。好ましくは、アクティブセンシング層３０の抵抗は、約５ｋΩ〜約１０ＭΩであり、より好ましくは約１００ｋΩ〜約５ＭΩ、さらにより好ましくは約５００ｋΩ〜約２ＭΩである。環境の刺激に曝される場合に、アクティブセンシング層３０の抵抗は、環境の刺激の変化に対して比例的に変化するべきである。抵抗の変化は、（温度トランスデューサおよび相対湿度トランスデューサについて、それぞれ）好ましくは１℃または相対湿度１％変化当たり少なくとも約０．１％、より好ましくは１℃または相対湿度１％変化当たり少なくとも約０．５％の出力信号変化となるべきである。
【００２６】
好ましくは、アクティブセンシング層３０を形成するのに用いられる材料は、ワイヤー、狭いブリッジ、ロッド、個別のＣＮＴ等と対照的に、フィルムまたは織物として提供されることが可能な平面状の材料である。さらに、アクティブセンシング層３０は、数多くの欠陥状態を有する無秩序化された導体、および不規則な導電路を誘発するシートまたはフィルムモフォロジを有する。この無秩序化または不規則性により、利用される特定の部分の間に「接合部」が導かれ、これらの接合部は、アクティブセンシング層３０が適切に機能するために重要なものである。アクティブセンシング層にとって好適な材料は、（金属型または半導電型）カーボンナノチューブ、官能化または非官能化カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）織物、アモルファスカーボンフィルム、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、フラーレンカーボン煤、カーボンブラック、シリコン、イオン注入およびその他の導電性ポリマー（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ、ポリアニリン、ポリフルオレン、ポリフェニレン、ポリピレン、ポリアズレン、ポリナフタレン、ポリピロール、ポリカルバゾール、ポリインドール、ポリアゼピン、ポリアセチレン、ポリフェニレンビニレン、およびポリチオフェン等）、金属粒子でドープされたＣＮＴまたはグラフェン、ならびにこれらの複合材および混合物から成る群から選択されるものを含む。アクティブセンシング層３０がＣＮＴから形成される場合、上記の接合部は、チューブ間に生成される。導電性ポリマーにおいて、高導電性結晶領域および低導電率アモルファス領域は、協働して、接合部を形成する。その他の材料において、材料内の「プレート」は、協働して、アクティブセンシング層３０のシートまたは織物における接合部を形成する。
【００２７】
アクティブセンシング層３０は、二次元のシートまたはフィルムに近づくような、非常に薄い「肌」のように、非常に薄くなるように選択される。したがって、アクティブセンシング層３０は、約１０００ｎｍ未満、好ましくは約２００ｎｍ未満、より好ましくは約１００ｎｍ未満、さらにより好ましくは約１０ｎｍ〜約１００ｎｍである平均厚みを有するべきである。特に好ましい実施形態において、アクティブセンシング層３０は、約３０ｎｍ未満、好ましくは約１ｎｍ〜約３０ｎｍの平均厚さを有する。このような低厚みにおいて、アクティブセンシング層３０は、質量、体積、および熱容量等の無視できるバルク特性を有する。したがって、このアクティブセンシング層３０は、包囲する層の化学的、物理的および生物学的特性の多くを呈するので、誘電体層１８の選択を行うことは、感知される特定の目標または状態に対して重要なことである。
【００２８】
アクティブセンシング層３０は、スクリーン印刷、スプレーコーティング、エアロゾル・ジェット（米国登録商標）印刷、インクジェット印刷、ディップコーティング、エアブラシ技術、フレキソ印刷、グラビア印刷、リソグラフィック技術、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、積層、ＡＬＤ、ＣＶＤ、およびＰＥＣＶＤから成る群から選択されるものを含む任意の好適な技術により堆積されてもよい。
【００２９】
界面３６
誘電体層１８とアクティブセンシング層３０との間の界面３６は、「チョーク領域」と考えられる。界面３６は、別材料または個別の層ではないが、界面３６の特性は、界面３６の性質を変えることで変更することができる。いくつかの実施形態において、チョーク領域／界面３６は、入ってくる環境信号の一部をアクティブセンシング層３０に戻すように反射するように作用する。その他の実施形態において、アクティブセンシング層３０の第１の側３２および誘電体層１８の第２の側２２の一方または両方を、熱処理、放射、フッ素化、ＵＶ硬化、あるいはイオン注入等によって処理することで、界面３６を変質させてもよい。
【００３０】
２．図３の実施形態
本実施形態およびそれ以降の実施形態は、追加の層が存在する状況を提供している。これらの層は、図１または図２のいずれかの実施形態に加えることが可能であるが、簡潔にするために、これらの層は、図２の実施形態と共に記載されている。図１および図２の実施形態に類似する番号は、類似の部分を示しており、各実施形態を繰り返すのではなく、上の記載を参照するものとする。
【００３１】
図３を参照すると、トランスデューサ１０ｂが示される。トランスデューサ１０ｂは、バリア層１２の第１の側１４に対向する基板３８をさらに有している点で、前の実施形態とは異なっている。基板３８は、金属、ポリマー、セラミック、シリコン、あるいは単結晶から成る群から選択されるものを含む、任意数の材料から形成されてもよい。好ましくは、材料は、金属、金属酸化物、金属窒化物、半導体、ガラス、紙、および有機ポリマーから成る群から選択される。好適な金属は、シリコン、アルミニウム、およびステンレス鋼から成る群から選択されるものを含む。好適な金属酸化物は、酸化アルミニウムおよび酸化シリコンから成る群から選択されるものを含む。好適な金属窒化物は、窒化シリコンおよび窒化スズから成る群から選択されるものを含む。好適な有機ポリマーは、ポリイミド（カプトン（米国登録商標）フィルム等）、ポリアミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、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（ＰＴＦＥ、テフロン（登録商標）等）、アクリレート、メタクリレート、スチレン、シクロオレフィンポリマー（ゼオノア等）、シクロオレフィンコポリマー、ポリエステル、およびポリエチレンナフタレートから成る群から選択されるものを含む。基板は、導電性、絶縁性、可撓性、あるいは剛性であってもよい。
【００３２】
３．図４の実施形態
図４を参照すると、さらなる実施形態は、トランスデューサ１０ｃの形式で示される。トランスデューサ１０ｃは、信号増強層４０をさらに含む点を除いて、図２に示されるものに類似している。信号増強層４０は、第１の側４２と第２の側４４とを有する。信号増強層４０の第１の側４２は、アクティブセンシング層３０の全てまたは一部に隣接しており、アクティブセンシング層３０の第２の側３４に対向しているのが好ましい。
【００３３】
信号増強層４０は、好ましくは、誘電材料である。つまり、信号増強層４０は、好ましくは約１０−１１Ｓ／ｍ未満、より好ましくは約１０−２１Ｓ／ｍ未満、さらにより好ましくは約１０−２５Ｓ／ｍ〜約１０−２３Ｓ／ｍの導電率を有する。信号増強層４０のシート抵抗は、少なくとも約１０１６Ω／□、好ましくは少なくとも約１０２６Ω／□、より好ましくは約１０２９Ω／□〜約１０３１Ω／□となるべきである。信号増強層４０は、スクリーン印刷、スプレーコーティング、エアロゾル・ジェット（米国登録商標）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、ディップコーティング、リソグラフィック技術、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、積層、ＡＬＤ、ＣＶＤ、およびＰＥＣＶＤから成る群から選択されるものを含む任意の好適な技術により堆積されてもよい。信号増強層４０の厚さは、好ましくは約５０ｎｍ〜約５０μｍ、より好ましくは約１００ｎｍ〜約４μｍ、さらにより好ましくは約１００ｎｍ〜約２μｍである。信号増強層４０は、ＡＳＴＭ法Ｆ１２４９によって測定した場合、少なくとも約５０ｇ／ｍ２／日、好ましくは少なくとも約５００ｇ／ｍ２／日、より好ましくは約２０００ｇ／ｍ２／日〜約５０００ｇ／ｍ２／日の分析物に対する拡散率を有するべきである。この実施形態において、信号増強層４０は、ＡＳＴＭ法Ｄ−５７０試験によって測定した場合、好ましくは約１ｇ／ｍ２／日未満、より好ましくは約０．０１ｇ／ｍ２／日未満、さらにより好ましくは約０ｇ／ｍ２／日〜約０．００１ｇ／ｍ２／日の非分析物に対する拡散率を有する。
【００３４】
１つの実施形態において、信号増強層４０は、検出される刺激に反応してもよい。例えば、分析物トランスデューサにおいて、信号増強層４０は、目的の分析物と接触する場合に、化学的または物理的変化、あるいは反応を感じてもよい。この化学的または物理的変化、あるいは反応により、分析物に曝されたときに、アクティブセンシング層３０からの出力信号をさらに高めるまたは増幅させることができる。信号増強層４０が反応性である場合、信号増強層４０は、ＡＳＴＭ法Ｄ−５７０によって測定した場合、少なくとも約０．８％、好ましくは少なくとも約２．０％、より好ましくは約５．０％〜約１０％の層内の分析物溶解度を有するべきである。反応性の信号増強層４０は、任意の非導電性材料、または、（ポリエステルまたはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）等の）ポリマー、フォトレジスト、セラミック、金属複合材、あるいはこれらの混合物から成る群から選択されるものを含む任意の材料より作られることが可能である。
【００３５】
別の実施形態において、信号増強層４０は、検出される刺激に反応しないのが好ましい。この場合、信号増強層４０は、分析物と接触した場合に、化学的または物理的変化、あるいは反応を感じるべきではない。このように、信号増強層４０は、分離層として挙動してもよく、これは、アクティブセンシング層３０を有害な環境影響から分離させるものである。信号増強層４０が非反応性である場合、信号増強層４０は、ＡＳＴＭ法Ｄ−５７０によって測定した場合、約０．０２％未満、好ましくは約０．００１％未満、より好ましくは約０％の層内の分析物溶解度を有するべきである。非反応性の信号増強層４０は、任意の非導電性材料、または、（ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコン誘電材料、環状オレフィンコポリマー、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、およびポリスチレン等の）ポリマー、フォトレジスト、セラミック、金属複合材、金属酸化物、（窒化シリコン等の）金属窒化物、あるいはこれらの混合物から成る群から選択されるものを含む任意の材料から作られることが可能である。
【００３６】
４．図５〜６の実施形態
図５を参照すると、トランスデューサ１０ｄが示される。トランスデューサ１０ｄは、フィルタ層４６をさらに含んでいる点以外は、図４のトランスデューサ１０ｃに類似している。フィルタ層４６は、第１の側４８と第２の側５０とを有し、信号増強層４０に隣接して配置され、好ましくは、第１の側４８は、信号増強層４０の第２の側４４に対向している。
【００３７】
図６のトランスデューサ１０ｅとして示されるさらなる実施形態において、信号増強層４０は、存在していないので、フィルタ層４６の第１の側４８は、アクティブセンシング層３０に隣接している。さらに好ましくは、この実施形態においては、フィルタ層４６の第１の側４８は、アクティブセンシング層３０の第２の側３４に対向している。
【００３８】
トランスデューサ１０ｄあるいは１０ｅのどちらかを参照するかにかかわらず、フィルタ層４６は、トランスデューサの電極２４ａ、２４ｂの一部または全てと環境との間に配置される。フィルタ層４６は、環境の刺激の一部または全てから、アクティブセンシング層３０を分離するように設計される。つまり、所望の環境信号のみをアクティブセンシング層３０に接触させて反応させることを可能にすることにより、フィルタ層４６は、トランスデューサの機能または感度を向上させることが可能である。フィルタ層４６の材料および特性は、作製されるトランスデューサの種類に依存する。フィルタ層４６は、金属フィルム、高分子フィルム、セラミックフィルム、単結晶フィルム、イオン選択性フィルム、化学的選択性フィルム、生物学的選択性フィルム、金属酸化物フィルム、金属窒化物フィルム、有機金属フィルム、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される材料から形成されるのが好ましい。
【００３９】
フィルタ層４６は、導電性または電気絶縁性であってもよい。さらに、フィルタ層４６は、スクリーン印刷、スプレーコーティング、エアロゾル・ジェット（米国登録商標）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、ディップコーティング、リソグラフィック技術、スピンコーティング、蒸着、スパッタリング、積層、レーザアブレーション、ＡＬＤ、ＣＶＤ、およびＰＥＣＶＤから成る群から選択されるものを含む任意の好適な技術により堆積されてもよい。フィルタ層４６の厚さは、好ましくは約１０ｎｍ〜約１５０μｍ、より好ましくは約５０ｎｍ〜約１００μｍ、さらにより好ましくは約１００ｎｍ〜約２μｍである。
【００４０】
１つの実施形態において、トランスデューサ１０ｄまたは１０ｅが分析物トランスデューサである場合、フィルタ層４６は、優先的に、所望の分析物を通過させることを可能にする一方で、望まない環境信号を遮蔽する。好ましくは、フィルタ層４６は、高分析物伝送率および低分析物吸収および反射率を有するべきである。フィルタ層４６は、ＡＳＴＭ法Ｆ１２４９によって測定した場合、少なくとも約５０ｇ／ｍ２／日、好ましくは少なくとも約５００ｇ／ｍ２／日、より好ましくは約２０００ｇ／ｍ２／日〜約５０００ｇ／ｍ２／日の分析物に対する拡散率を有するべきである。例えば、湿度トランスデューサについて、フィルタ層４６は、紙、セルロース紙、ゴアテックス材料、ＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ、および任意の多孔性の透湿性層から成る群から選択されるもの等の材料の水透過膜である。
【００４１】
別の実施形態において、トランスデューサ１０ｄまたは１０ｅは、温度または力等の物理的刺激を検出することが意図されており、かつ、環境中の分析物の濃度からの影響が望まれない場合、フィルタ層４６は、水分または薬剤等の任意の分析物がフィルタ層４６を貫通することを防ぐ封止剤であることが好ましい。例えば、温度トランスデューサにおいて、フィルタ層４６は、熱を除く任意の環境信号がアクティブセンシング層と相互作用することを防ぐ高い熱伝導率を有する封止剤とする。この場合、フィルタ層４６用の好ましい材料は、金属、（酸化アルミニウムまたは酸化ベリリウム等の）金属酸化物、金属窒化物、（ダイヤモンドまたは石英等の）結晶性非金属、シリコーン、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、ポリウレタン、多糖類、およびスチレンから成る群から選択されるものを含む。非分析物について、フィルタ層４６は、ＡＳＴＭ法Ｆ１２４９によって測定した場合、約１ｇ／ｍ２／日未満、好ましくは約０．０１／ｍ２／日未満、より好ましくは約０．００１／ｍ２／日未満の非分析物に対する拡散率を有するべきである。トランスデューサ１０ｄまたは１０ｅが温度トランスデューサである場合、フィルタ層４６は、少なくとも約１０Ｗ／ｍ・Ｋ、好ましくは少なくとも約１００Ｗ／ｍ・Ｋ、より好ましくは少なくとも約４００Ｗ／ｍ・Ｋの熱伝導率を有するべきである。
【００４２】
形成
都合のよいことに、本発明のトランスデューサの製造は、電子回路印刷技術によって達成され得る。センサを製造するために印刷技術を使用することは、低コスト、高速、基板の多様性、および形状要因の理由により、望ましいものである。しかしながら、センサの材料および寸法が適切に選択される場合、センサは、標準的なフォトリソグラフィ技術および材料を用いて製造され得ることが予測されるであろう。
【００４３】
１つの実施形態において、トランスデューサは、トランスデューサと制御部とを有する装置（例えば、センサ）内にパッケージ化される。制御部は、トランスデューサの抵抗の変化を解釈し、トランスデューサにまたがる抵抗の変化に基づいて環境の刺激の濃度を算出することが可能である。上述したように、装置は、装置内および装置周辺における温度の変動を補償するために温度センサを任意的に含んでもよい。
【００４４】
１つの実施形態において、装置は、センサによって生成される高速の電気抵抗変動を測定するために十分なバンドパスでトランスデューサからの信号を増幅することが可能なものとして、電子回路およびソフトウェア読出し分析システムを有する。これらの信号は、一度増幅されると、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、あるいはロジックアレイシステム等の制御部において、それ以降のデータ分析用のデジタル信号に変換される。
【００４５】
制御部は、ハードウェアフィルタリングまたはアナログまたはデジタル信号処理段階の後に続く、さらなる信号分析、ストレージ、および結果の可視表示のためのマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、あるいはロジックアレイへのデジタル変換の有無にかかわらず、増幅器と信号調整回路とを含むハードウェア部を有するのが好ましい。つまり、本発明のトランスデューサは、以下の一般的な処理により、一般的なセンサ、およびトランスデューサを必要とするその他の装置に組み込まれ得る。
【００４６】
用途
湿度、ガス、あるいはＶＯＣセンサとして、本発明のトランスデューサを利用する場合、アクティブセンシング層の抵抗は、若干温度にもまた依存するものである。任意的に、より精度が高くなるように、密封されている温度センサを、湿度、ガス、あるいはＶＯＣセンサと一体化して、温度補償器素子として用いることが可能である。この温度補償器素子は、装置構造体の上あるいは個別の構造体内に直接組み込まれることが可能である。この補償器素子は密閉されているので、補償器素子は、温度に感応するだけであり、湿気、ガス、あるいはＶＯＣセンサ信号全体における温度の影響をなくすために、減算モードにおいて用いられることが可能である。
【００４７】
本発明のトランスデューサが、湿度センサを作製するのに用いられる場合、湿度トランスデューサは、好ましくは約５ｍｓｅｃ未満、より好ましくは約１．０ｍｓｅｃ未満、さらにより好ましくは約０．５ｍｓｅｃ〜約１．０ｍｓｅｃの平衡時間を有する。湿度トランスデューサはまた、非常に低い応答時間を有する。湿度トランスデューサは、大気条件下で、約５０ｍｓｅｃ未満、好ましくは約２０ｍｓｅｃ未満、より好ましくは約１０ｍｓｅｃ未満、さらにより好ましくは約５ｍｓｅｃ〜約１０ｍｓｅｃの応答（または立上り）時間を有するべきである。湿度トランスデューサは、大気条件下で、約１００ｍｓｅｃ未満、好ましくは約９０ｍｓｅｃ未満、より好ましくは約５０ｍｓｅｃ未満、さらにより好ましくは約２０ｍｓｅｃ〜約５０ｍｓｅｃの立下り時間を有する。
【００４８】
湿度トランスデューサは、電極構造体内の表面湿度変化に関連して変化する抵抗に基づいている。好ましい変化は、３０％の湿度変化により、室温において少なくとも２０％の抵抗変化である。センサに必要な電流は、好ましくは約５００ｎＡ〜約２０μＡ、より好ましくは約５００ｐＡ〜約２００ｎＡ、さらにより好ましくは約５０ｐＡ〜約２００ｐＡである。
【００４９】
トランスデューサの速度は、音声検出および認識等の数多くの用途を容易にすることができる。例えば、図７は、「テスティング、ワン、ツー、スリー」という言葉を発した時の、複数のトランスデューサのうちの１つからの同時湿度信号（上部パネル）および同時音声信号（下部パネル）を示す。各音節は、固有の湿度サインを有し、音声信号と結合して、振幅情報により話者の水和性を示し、周波数情報により話者の同一性を示すことができる。
【００５０】
揮発性レベルセンサは、高速度のトランスデューサを利用することで作製することができる。１つの実施形態において、極性溶媒濃度が、所定の設定点レベルを超えるまたは下回る場合に、光をオンオフするのに、トランスデューサおよび関連する電子回路を用いることができる。このように、対象物から放たれる極性溶媒蒸気が、乾燥器の中身の乾燥予測レベルを下回る場合に、乾燥器は制御されるまたはオフになってもよい。
【００５１】
トランスデューサの性能
図８は、増加した相対湿度（ＲＨ）の１秒パルスに曝された場合の特定の基本センサの挙動を示す。トランスデューサは、１００ｍｓ以内で、素早く反応し回復する。これらの速度において、ＣＮＴ式アクティブセンシング層とＰＥＴ信号増強層との間の界面において形成されるチョーク領域が優位を占める。これらの湿度トランスデューサは、１０ｍｓ未満の超高速の応答時間および約４０ｍｓの回復時間を有する。アルコールおよびケトンを含むその他の構成の高速パルスに対して、非常に似たような挙動が観察され、それらの主な違いは、正確な応答時間および回復時間にあるが、それらは全て２５０ｍｓ以内であった。
【００５２】
図９は、拡張時間（１０分）の間、より高い相対湿度に曝される場合の同じ基本トランスデューサの応答を示す。このより長い時間の間、チョーク領域は、信号増強層への水の拡散を完全には遮蔽しない。センサがその平衡状態に完全に回復することができる前に信号増強層に拡散した湿気が流れ出てしまうので、この影響により、センサの回復時間は遅くなる。これは、アクティブ層ではなく、信号増強層または誘電体層により引き起こされる装置のヒステリシスである。
【００５３】
図１０において、相対湿度は、シールされた環境チャンバにおいて約４時間周期の三角波の形式で遅く変化しており、図８および図９と同じトランスデューサからの生成された信号が示される。この図における線は、時間に対する入力濃度変化を示しており、その一方で、ドットは、湿度トランスデューサからの読みを示している。より遅い濃度の変動に曝される場合、センサアクティブは、何時間後であっても平衡にはならない。
【００５４】
図１０における応答は、センサが、変化する水蒸気の環境濃度に対して、そのピークにおいて比較的素早く反応することを示す。これは、より高い濃度変化周波数の領域であり、トランスデューサは、ハイパスフィルタのように動作して、この濃度変動に対してより早く応答する。
【００５５】
トランスデューサヒステリシスの算出
１つの環境の刺激が強まり、下がる時、トランスデューサから出力される電流は、一定の印加電圧で記録される。電流出力値は、次の式を用いて抵抗値に変換される。
抵抗＝（印加電圧）／（電流出力）
【００５６】
抵抗出力−温度のグラフがプロットされており、最良適合線が描かれている。最良適合線の傾斜およびｙ切片値を用いることで、較正された基準によって測定した場合、正方向および逆方向のサイクルの記録された各データ点における各抵抗値は、以下の式を用いて算出される温度値に変換される。
Ｘｃａｌ＝（（Ｒ−ｃ））／ｍ
この式において、「Ｒ」は抵抗出力、「ｃ」は最良適合線のｙ切片、「ｍ」は最良適合線の傾き、「Ｘｃａｌ」は、算出値である。実際の記録された各データ点において、正方向サイクル中の実際のデータ点から算出される値と、逆方向サイクル中の実際のデータ点から算出される値との違いが算出される。正方向サイクルおよび逆方向サイクル中の記録された各データ点における違いが追加される。これは、各データ点で行われる。全体の範囲において実際値から算出される値の最大偏差が、装置のヒステリシスとして得られる。
【００５７】
温度センサ精度の算出
トランスデューサの精度を算出するために、所定の刺激のサイクルに対して、実際値と、上記で算出するような算出値との違いが求められる。トランスデューサの精度は、そのトランスデューサにおける算出値と実際値との最も大きな違いとして算出される。
【実施例】
【００５８】
実施例
以下の実施例により、本発明による好適な方法を説明する。ただし、これらの実施例は例示のために記載するものであり、そのいかなる内容も、本発明の範囲全体を限定するものとして解釈してはならない。
【実施例１】
【００５９】
実施例１
カーボンナノチューブインク１の調製
ＣＮＴインク用のソースとして、Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ（米国登録商標）ＣＮＴＲＥＮＥ（米国登録商標）１０２０材料が、用いられた。印刷を容易にするために、ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）（シグマ―アルドリッチ社製、Ｐａｒｔ＃Ｄ１５８５５０−４Ｌ）と脱イオンした（ＤＩ）水との比率が１：１である溶液を用いて、元のＣＮＴインク（２４の光学密度に相当）をこのＤＭＦとＤＩ水との溶液により約１：１２に薄めて、約３０秒間振り動かすことで、装置上に噴霧するためにインクを２．０の光学密度に薄めた。
【実施例２】
【００６０】
実施例２
カーボンナノチューブインク２の調製
ＣＮＴインク用のソースとして、Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ（米国登録商標）ＣＮＴＲＥＮＥ（米国登録商標）１０２０材料が、用いられた。印刷を容易にするために、脱イオンした（ＤＩ）水を用いて、元のＣＮＴインク（２４の光学密度に相当）をＤＩ水により薄めて、約３０秒間振り動かすことで、装置上に噴霧するためにインクを２．０の光学密度に薄めた。
【実施例３】
【００６１】
実施例３
ＰＥＴ上の集積型温度／分析物トランスデューサの作製
この実施例において、３２個の集積型温度／分析物トランスデューサが可撓性Ｍｅｌｉｎｅｘ（米国登録商標）ＳＴ７３０  ＰＥＴ基板（テクラ社（Ｔｅｋｒａ，Ｉｎｃ．）  ５３１５１ウィスコンシン州、ニューベルリン、ウエストリンカーンアベニュー１６７００）上に作製された。このトランスデューサの構造は、図１１に示される。まず、基板は、１３０℃で１０’’／分の速度のコンベアオーブン内で焼成された。次に、下部金属層、つまり、ＡＧ−８００銀導電性インク（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ社、ニューハンプシャー州ハドソン）は、以下のパラメータを用いて、ＡＴ−６０ＰＤスクリーンプリンタを用いて基板上にスクリーン印刷された。スクリーン：ポリエステル、２３０スレッド／インチ、フラッド／スキージ速度：２２５ｍｍ／ｓ、フラッドバー圧力：１０ｐｓｉ、スキージ圧力：２５ｐｓｉ。基板は、その後、１３０℃で１０’’／分の速度のコンベアオーブン内で硬化された。硬化された銀フィルムは、５μｍの厚さを有した。下部絶縁層、つまり、ブルーワーサイエンス社（Ｂｒｅｗｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｉｎｃ．）製の実験用のシクロオレフィンポリマーは、金属層と同じパラメータを用いて、金属層の上部にスクリーン印刷され、１３０℃で１０’’／分の速度のコンベアオーブン内で硬化された。このフィルムの厚さは、約８μｍであった。その後、銀電極は、金属層と同じスクリーン印刷および硬化パラメータを用いて、下部絶縁層の上部にスクリーン印刷された。実施例１の材料は、その後、１３５℃のプラテン温度、走査幅２ｍｍ、フローレート１０ｍｌ／ｈｒ、走査速度６０ｍｍ／ｓ、およびＳｏｎｏ−Ｔｅｋモデル０４８−００２１４スプレーヘッドにより、Ｓｏｎｏ−Ｔｅｋスプレーヘッドを有するカスタムメイドのスプレーコーターを用いて、電極領域にわたってスプレーコートされた。ＣＮＴフィルム厚さは、およそ２０ｎｍであった。上部絶縁層、つまり、下部絶縁層と同じ材料は、同じスクリーン印刷のパラメータを用いて、温度トランスデューサ領域上のＣＮＴ上にスクリーン印刷され、１３０℃で１０’’／分の速度のコンベアオーブン内で硬化され、さらに、Ｆｕｓｉｏｎ  ＵＶ  Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｉｎｃ．製のＬＣ−６Ｂベンチトップコンベアを用いて、５２’’／分のコンベア速度で紫外線硬化された。最後に、上部金属層、つまりＡＧ−８００銀導電性インクは、下部金属層と同じスクリーン印刷パラメータを用いて温度トランスデューサ上にスクリーン印刷され、１３０℃で１０’’／分の速度のコンベアオーブン内で硬化された。これらの上部層の膜厚およびスクリーン印刷パラメータは、各下部層と同じであった。
【実施例４】
【００６２】
実施例４
ポリイミド上の集積型温度／分析物トランスデューサの作製
集積型温度／分析物トランスデューサのシートは、ポリイミドシート（デュポン（Ｄｕｐｏｎｔ）、アメリカ合衆国）を、基板として使用した以外は、実施例３と同じ条件で作製された。図１２は、生成されたトランスデューサのシートを示す。
【実施例５】
【００６３】
実施例５
比較用の集積型温度および湿度トランスデューサの作製
集積型温度および湿度トランスデューサは、電子回路印刷技術を用いて、比較的大きいトランスデューサ（約１．５ｃｍ２）として合成された。電極は、ナノ銀導電性インク（Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ社のＡＧ−８００）を用いてテクラ社のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基板上にスクリーン印刷され、コンベアベルトオーブン内において１１０℃で１０分間硬化された。使用されるセンシング素子は、実施例２の材料を使用して被覆され、２つの電極にわたってスプレーコーティングすることで、電極間に５０ｎｍの厚さで堆積された。最後に、デュポン製の５０３６ポリマー封止材料は、温度電極上のＣＮＴセンシング素子の上部にスクリーン印刷された。
【実施例６】
【００６４】
実施例６
個別温度トランスデューサの作製
個別温度トランスデューサは、実施例３と同じ印刷パラメータを用いて作製された。この設計において、２つの電極のみが印刷され、湿度電極は存在しなかった。図１３にトランスデューサの構造が示される。図１４は、生成されたトランスデューサのシートを示す。
【実施例７】
【００６５】
実施例７
トランスデューサ試験装置の構成
トランスデューサは、カスタムメイドのスキャナシステムを用いて、環境チャンバ（エスペック製ＢＴＬ−４３３モデル）の内部において制御された相対湿度および温度下で試験された。試験下にある３２個の集積型トランスデューサを電圧供給および電流／電圧出力測定用のシステムの電子回路に電気的に接続するために、スキャナボードシステムは、９６個のばね付勢ポゴピンを備えたスキャナボード、およびクランプシステムを含んだ。スキャナはまた、環境チャンバ内の相対湿度および温度を測定するための４つの較正された標準センサ（２つのハネウェル社製のＮＩＨ−４００湿度センサおよび２つのテキサスインスツルメンツ社製のＬＭ３３５温度センサ）を含んだ。この電子システムは、標準センサおよびＤＵＴに電圧を供給し、ＤＵＴから出力される電流を測定するために、ケースレー社製の６１７電位計を用いた。ケースレー社製の１９５Ａデジタルマルチメータは、標準センサから出力された電圧を測定するのに用いられた。スキャナボックスは、３２個の集積型温度／分析物トランスデューサを同時に試験するために、スキャナリレーボード、スキャナコントローラ、およびマルチプレクサを利用した。この試験のために、各ＤＵＴは、正方向にバイアスされ、その一方で、その他の全ての装置は、漏れ電流をなくすために強制的にゼロとした。１つのＤＵＴへの印加電圧により電流を測定するアレイ動作を示す回路部分の概略図を、図１５に示す。データ取得は、Ｌａｂ  Ｖｉｅｗ２０１１プログラムを用いて行われた。スキャナシステムは、１度に１つのＤＵＴに電圧を供給した。データを取得するための整定時間は、１秒に設定され、その一方で、データ取得周期は、１５分の長さであった。
【００６６】
図１５に示された回路は、行（Ｒ１１〜Ｒ４２）リレーのうちの１つおよび列（Ｃ１〜Ｃ８）リレーのうちの１つを選択することにより、マトリックス内のそれぞれの抵抗を測定するのに用いられる。例えば、リレーＣ５およびリレーＲ２２を閉じることで、抵抗器Ｒｉを測定することができる。Ｃ５およびＲ２２を閉じている場合、列５における全ての抵抗器は、その一端が電源ＨＩ端子に接続されている。その他の全ての列におけるその他の抵抗器は全て、その両端部が（リレーの閉じられたコンタクトを介して）電源ＬＯ端子または（行Ｒ２２に沿って）仮想のＬＯ電圧における電流計ＨＩ＋端子の何れかに接続されている。これらの抵抗器は全て、それらにまたがる電圧が存在しないことで、それらを流れる電流が存在しないので、電源から流れることが可能な電流のみが列５内の抵抗器を流れる。しかし、電流計を流れる電流のみが、行２２に沿って流れる電流である。Ｒｉを除いたその他の抵抗器全ては、５以外の列に接続され、それらを流れる電流が存在しないので、電子電流計によって測定される電流は、ただのＲｉを流れる電流である。Ｒｉの抵抗は、電源電圧を電子電流計で測定された電流で割ったものに等しい。
【００６７】
温度／分析物トランスデューサのヒステリシスおよび精度の試験について、一定の温度（２５℃）において、チャンバ内の相対湿度を、２５％〜８０％につり上げて、その後再び２５％に戻した。温度トランスデューサのヒステリシスおよび精度の試験について、相対湿度を３５％に保ったままで、温度を、２０℃〜９０℃につり上げて、その後再び２０℃に戻した。各テストについて、各トランスデューサからの出力電流は、一定の電圧０．５Ｖで測定された。４つの標準較正センサは、チャンバ内の相対湿度および温度を測定するのに用いられた。較正された標準センサによって記録された、チャンバの相対湿度および温度分布は、図１６に示される。
【実施例８】
【００６８】
実施例８
カーボンナノチューブ式温度トランスデューサの温度ヒステリシスおよび精度
実施例３および５で作製されたトランスデューサのヒステリシス試験は、実施例７に記載された試験装置にトランスデューサを配置することで行われた。温度は、実施例７に記載されるように、２０℃〜９０℃〜２０℃のサイクルで行われ、センサから出力される電流は、一定の印加電圧０．５Ｖで記録された。抵抗出力−温度のグラフがプロットされ、最良適合線が引かれている。最良適合線の傾きおよびｙ切片値を用いて、較正された温度センサによって記録された各温度における各抵抗値を、算出された温度値に変換した。正方向および逆方向の温度サイクル中の実際の温度からの各算出された温度の偏差が算出され、正方向および逆方向の温度サイクルについて記録された温度毎の温度の違いも共に加えられた。全ての範囲における実際の温度からの算出された温度の最大偏差が、その装置のヒステリシス値となる。信号増強層または分離層を使用していない実施例５のトランスデューサのヒステリシスは、およそ１６℃であり、図１７に示されている。実施例３からのトランスデューサのヒステリシスは、分離層およびフィルタ層を加えることで、大幅に向上し、図１８に示すように、約２℃であった。
【００６９】
各温度トランスデューサの精度もまた、記録された各温度において算出された温度と実際の温度との差を見つけることで、上述したプロセス中に算出された。最も大きな違いは、装置の精度であった。実施例５のトランスデューサのシートの精度は、図１９に示されている。実施例３のトランスデューサのシートの精度は、大幅に向上し、図２０に示される。
【実施例９】
【００７０】
実施例９
カーボンナノチューブ式湿度トランスデューサの湿度ヒステリシスおよび精度
実施例３および５において作製されたトランスデューサのヒステリシス試験は、実施例７の試験装置にトランスデューサを配置することで行われた。実施例７に示されるように、一定の温度（２５℃）において、チャンバ内の相対湿度を２５％から８０％につり上げて、その後２５％に戻し、センサから出力される電流は、一定の印加電圧０．５Ｖにおいて記録された。抵抗出力−相対湿度のグラフがプロットされ、最良適合線が引かれた。最良適合線の傾きおよびｙ切片値を用いることで、較正された湿度センサによって記録された各湿度点における各抵抗値は、算出された湿度値に変換された。正方向および逆方向の湿度サイクル中の実際の相対湿度からの各算出された相対湿度の偏差が算出され、正方向および逆方向の湿度サイクルにおいて記録された湿度毎の湿度差も共に加えられた。全範囲における実際の湿度からの算出された湿度の最大偏差が、その装置のヒステリシス値となった。信号増強層または分離層を使用しなかった実施例５のトランスデューサのヒステリシスは、図２１に示される。実施例３のトランスデューサのヒステリシスは、図２２に示される。
【００７１】
記録された各湿度において算出された湿度と実際の湿度との違いを見つけることで、上述したプロセス中に、各湿度トランスデューサの精度もまた、算出された。一番大きい違いは、装置の精度であった。実施例５のトランスデューサのシートの精度は、図２３に示される。
【実施例１０】
【００７２】
実施例１０
時間に対する装置安定性
実施例５の温度トランスデューサは、時間に対する装置安定性を試験するために、長期にわたって、一定の温度および相対湿度（２５℃／５０％ＲＨ）で、環境チャンバ内で試験された。図２４は、７２時間の期間にわたって、環境チャンバ内で８個の代表的な温度トランスデューサの出力電流を示す。図２５は、６０日間周囲室温条件において、デジタルマルチメータによって測定した場合の、８個の温度トランスデューサの抵抗出力を示す。図示されるように、装置は、時間に対して極端に安定した性能を示す。
【００７３】
実施例５の湿度トランスデューサは、時間に対する装置安定性を試験するために、長時間にわたって、一定の温度および相対温度（２５℃／５０％ＲＨ）で、環境チャンバ内で試験された。図２６は、７２時間の期間にわたって、環境チャンバ内の８個の代表的な湿度トランスデューサの出力電流を示す。図２７は、６０日間周囲室温条件において、デジタルマルチメータによって測定した場合の、８個の湿度トランスデューサの抵抗出力を示す。図示されるように、装置は、時間に対して極端に安定した性能を示す。
【実施例１１】
【００７４】
実施例１１
集積型温度および分析物トランスデューサの速度測定
実施例５において作製されたトランスデューサは、多湿空気の導入に対する応答および回復時間について試験された。応答時間および回復時間を測定するための実験装置を図２８に示す。ソレノイドバルブ（Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ−Ｒａｎｄ  Ｐ２５１ＳＳ１２０−Ａ−Ｇ）を用いて、トランスデューサに対して、乾燥および多湿（３０％相対湿度）空気を１秒パルスとして導入した。多湿空気を導入した場合のトランスデューサの応答時間（１／ｅ）、および１秒後に多湿空気が乾燥空気と入れ替わる場合の回復時間を図８に示す。応答時間は、＜１０ミリ秒となり、回復時間は、約４０ミリ秒となった。
【実施例１２】
【００７５】
実施例１２
集積型温度トランスデューサの速度測定
熱変化に対する実施例５のトランスデューサの感度および速度を評価するために、指でトランスデューサに触れて、その後離して、ケースレー社製の４２００−ＳＣＳ半導体分析器を用いて、リアルタイムで電流出力データを記録した。人間の指からの熱に対するトランスデューサの応答は、図２９に示される。図示されるように、温度トランスデューサは、触れたときに、指からの非常に小さな熱に対してさえ、非常に素早く応答しており、離したときに、非常に素早く回復している。温度トランスデューサは、＜５０ミリ秒の応答時間および＜１５０ミリ秒の回復時間を有する。
【実施例１３】
【００７６】
実施例１３
有機ポリマーを用いた比較の薄膜温度トランスデューサ
薄膜温度トランスデューサは、アクティブセンシング層として、ＣＮＴインクの代わりに、１０ｎｍの層の導電性ポリマー、つまり、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（シグマ―アルドリッチ社製、製品番号６５５２０１）を利用したことを除いて、実施例５と同様に作製された。図３０は、実施例７の環境チャンバ内の正方向および逆方向の温度サイクル中の４つの代表的なＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ式温度トランスデューサの応答を示す。これらのトランスデューサは、４℃未満のヒステリシスを有する。これらのトランスデューサはまた、５０ミリ秒未満の超高速な応答時間を有する。図３１は、「ハロー、ワン、ツー、スリー」と発する人から１．５インチを保っているときの、熱変動に対するポリマーベースの温度トランスデューサの応答を示す。
【実施例１４】
【００７７】
実施例１４
有機ポリマーを用いた薄膜温度トランスデューサ
薄膜温度トランスデューサは、アクティブセンシング層として、ＣＮＴインクの代わりに、１０ｎｍの層の導電性ポリマー、つまり、ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ（シグマ―アルドリッチ社製、製品番号６５５２０１）を利用したことを除いて、実施例３と同様に作製された。図３２は、実施例７の環境チャンバ内の正方向および逆方向の温度サイクル中の４つの代表的なＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ式温度トランスデューサの応答を示す。
【実施例１５】
【００７８】
実施例１５
集積型トランスデューサの低電力動作
集積型温度／分析物トランスデューサは、非常に低い電力（数ｐＷ）で動作することが可能であるので、低電池消耗動作および長期間処理／環境監視用途に適している。ケースレー社製のＳＣＳ４２００半導体分析器を用いた、−２．５ｍＶ、＋２．５ｍＶの温度範囲において実施例５で作製された温度／分析物トランスデューサのＩ−Ｖ挙動を、図３３に示す。図示されるように、それらは、非常に低い電圧に線形的に挙動が落ちることを実証している。図３４は、人間の呼吸に対して、１μＶで動作される、温度／分析物トランスデューサの応答を示す。トランスデューサは、この呼吸監視動作中に＜３０ｐＷの電力を消費する。
【実施例１６】
【００７９】
実施例１６
揮発性有機化合物（ＶＯＣ）蒸気検出トランスデューサ
集積型温度／分析物トランスデューサは、実施例５と同様に作製された。応答時間および回復時間を測定する実験装置を図２８に示すが、ここでは、湿気の代わりに、溶媒のプール上に乾燥空気を吹き付けることで、溶媒蒸気が空気流に導入された。この溶媒を含む空気は、トランスデューサに到達する前にガラスフリットを通り抜けた。応答時間および回復時間の試験のために、センサは、乾燥空気で１分間パージされ、その後、ラインは、溶媒を含む空気で５秒間パージされ、その後、ソレノイド（Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ−Ｒａｎｄ  Ｐ２５１ＳＳ１２０−Ａ−Ｇ）を用いて、溶媒を含む空気の１秒パルスをトランスデューサに導入した。応答時間は、パルスの立上り縁と、応答がベースライン信号と信号最大値との間の期間の６３．２％に到達した点との間の時間として算出された。同様に、回復時間は、パルスの立下り縁と、応答が初期のベースラインの６３．２％に到達した点との間の時間としてとられた。電圧出力が指数関数的に変化するので、最大出力の６３．２％に到達する時間は、応答時間を算出するための工業規格として使用される。これらのトランスデューサは、湿度に感応するだけでなく、図３５および表１に示されるように、複数の類の極性揮発性有機物に対しても、非常に速い応答時間および回復時間で感応する。
【００８０】
【表１】
2017531163.tif 000003
【実施例１７】
【００８１】
実施例１７
湿度トランスデューサによる音声認識
実施例５の集積型温度／湿度トランスデューサは、口とセンサとの間の距離を変えること、並びに、室内および室外で試験することにより、音声により生成される相対湿度（ＲＨ）信号の取得の有効性について試験された。室内において、センサは、トランスデューサから２０ｃｍの距離で、「１−２−３」と発している人からの明瞭なＲＨ信号を与えた（研究室温度＝２３℃、ＲＨ＝５５％）。音声認識用のセンサ装置がより長い距離であっても使用できるように、信号は、適切な電子回路および増幅器を用いることで増幅することができる。
【００８２】
室外については、野外（風速約９マイル／時）において口から５ｃｍの距離において、同じセンサの試験を行った。僅かなそよ風も存在しない場合、明瞭な、音声により生成されたＲＨ信号が存在した。しかしながら、比較的強いそよ風においてはＲＨ信号が存在しなかった。
【実施例１８】
【００８３】
実施例１８
カーボンナノチューブ式温度トランスデューサの温度ヒステリシスおよび精度
温度トランスデューサは、アクティブ層が、光学密度が２の日本ゼオン株式会社製のＣＮＴを含んだインクを用いたことを除いて、実施例６と同様に作製された。アクティブ層は、３つの層にスプレーコートすることで形成された。温度トランスデューサは、実施例７と同様に試験された。
【００８４】
図３６に示すように、全てのセンサのヒステリシスおよび精度は、それぞれ３℃および２．５℃未満であった。抵抗の温度係数（１℃の温度変化に対する抵抗の％変化）は、約０．５５％／℃であった。図３７に示されるように、センサは、相対湿度変化（１．２５〜７．２５時間）に全く応答しないが、温度変化（９〜１５時間）には応答する。
【実施例１９】
【００８５】
実施例１９
半導電性カーボンナノチューブインク３の調製
この手順において、２０ミリグラムのＳＷｅＮＴ社製ＳＧ６５原料のＣＮＴ材料は、脱イオンした水において２００ミリリットルの０．５％ドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム（ＳＤＢＳ）（重量）と混合された。スラリーは、微細流動装置（型式：Ｍ１０Ｙ、カラムサイズ：８７μｍ）を用いて２０分間分散された。生成された分散物は、２２．５ｒｐｍで３０分間遠心された。完成したインクの光学密度は、１．９０であった。
【実施例２０】
【００８６】
実施例２０
半導電性カーボンナノチューブ式温度トランスデューサの温度ヒステリシスおよび精度
温度トランスデューサは、アクティブ層に実施例１９のインクを用いたこと以外は、実施例６と同様に作製された。アクティブ層は、トランスデューサ上にスプレーコートされ、表面活性剤は、イソプロパノールによる浸漬洗浄、および、それに続く脱イオンした水による浸漬洗浄により、アクティブ層から取り除かれた。温度トランスデューサは、実施例７と同様に試験された。
【００８７】
全てのセンサのヒステリシスおよび精度は、図３８に示すように、１．５℃を下回った。抵抗の温度係数は、約０．５５％／℃であった、図３９に示すように、センサは、相対湿度変化（１．２５〜７．２５時間）に全く応答しないが、温度変化（９〜１５時間）に応答する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
2017531163.tif 000037
【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【国際調査報告】
2017531163.tif 000043
2017531163.tif 000044