(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ媒体センサであって、
キャリア層（４）によって互いに電気的に分離して配置された少なくとも２つの電極（１，２）を含み、２つの電極（１，２）を電気的に接続するための媒体感応性の材料（３）がキャリア層（４）上に塗布され、キャリア層（４）の、媒体感応性の材料（３）を塗布するための表面領域が、媒体感応性の材料（３）の粒子の粒子サイズに適合されたトポグラフィ（１３）を有し、
媒体感応性の前記材料（３）が、少なくとも２つの異なる粒子サイズ（１０，１１）の粒子（１０，１１）を有し、
同じ粒子サイズを有する粒子（１０；１１）が実質的に同じ平面において配置され、それと異なる粒子サイズを有する粒子がそれと異なる平面において配置される、
ＭＥＭＳ媒体センサ。
【請求項２】
請求項１に記載のＭＥＭＳ媒体センサ（１０，１１）において、
前記キャリア層（４）が誘電材料からなる、ＭＥＭＳ媒体センサ（１０，１１）。
【請求項３】
請求項１又は２に記載のＭＥＭＳ媒体センサにおいて、
前記トポグラフィ（１３）が、キャリア層（４）の周期的及び／又は非周期的な凸部及び／又は凹部によって形成される、ＭＥＭＳ媒体センサ。
【請求項４】
請求項１に記載のＭＥＭＳ媒体センサにおいて、
前記キャリア層（４）の前記トポグラフィ（１３）が、周期的な凸部によって形成され、周期的な凸部の間隔（２０，２１）が、より大きい粒子（１０）のサイズに実質的に対応し、及び／又は周期的な凸部が、周期的な凸部の高さとより小さい粒子（１１）の直径との合計がより大きい粒子（１０）の直径に実質的に対応するように形成される、ＭＥＭＳ媒体センサ。
【請求項５】
請求項１に記載のＭＥＭＳ媒体センサにおいて、
前記トポグラフィ（１３）が、前記キャリア層（４）を起点として、より大きい粒子サイズ（１０）を有する粒子がより小さい粒子サイズ（１１）を有する粒子の上方に配置されるように構成された、ＭＥＭＳ媒体センサ。
【請求項６】
請求項１から５までのいずれか１項に記載のＭＥＭＳ媒体センサにおいて、
媒体感応性の前記材料（３）が固体粒子の混合物を含む、ＭＥＭＳ媒体センサ。
【請求項７】
キャリア層（４）に媒体感応性の材料（３）を塗布する方法において、
媒体感応性の前記材料（３）を塗布する前に、塗布されるべき媒体感応性の前記材料（３）の粒子（１０，１１）の粒子サイズに適合したトポグラフィ（１３）を用いてキャリア層（４）の領域を構造化し、媒体感応性の前記材料（３）が、少なくとも２つの異なる粒子サイズ（１０，１１）の粒子（１０，１１）を有し、
同じ粒子サイズを有する粒子（１０；１１）を実質的に同じ平面に配置し、それとは異なる粒子サイズを有する粒子をそれとは異なる平面に配置する、方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法において、
周期的な凸部を有する前記トポグラフィー（１３）を形成し、２つの凸部の間の間隔（２０，２１）及び／又は凸部の高さ（２２）を、媒体感応性の前記材料（３）の前記粒子（１０，１１）の少なくとも１つのサイズに適合させる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャリア層によって互いに電気的に分離して配置した少なくとも２つの電極を含み、２つの電極を電気的に接続するための流体感受性材料をキャリア層に塗布したＭＥＭＳ媒体センサ、特にＭＥＭＳガスセンサに関する。
【０００２】
さらに本発明は、キャリア層に材料を塗布する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
本発明は、任意の媒体に適用可能であるが、媒体としてガスに関して説明する。
【０００４】
既知のガスセンサは、測定すべきガスと接触した場合に特性、例えば、電気抵抗を変化させるガス感応性の層を２つの電極の間で使用する。測定信号は、ガス感応性の層の表面にガスが吸着されることによって生成され、層が粒子を含む場合には、ガス感応性の層の材料中の粒子間の界面で生成される。これにより、例えば、２つの電極間のガス感応性の層の電気抵抗が変化する。これらの粒子のサイズ分布の均一性の程度及び２つの電極間の空間分布は、電流経路、したがってガスセンサの測定信号に影響を及ぼす。
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、一実施形態では、ＭＥＭＳ媒体センサ、特にＭＥＭＳガスセンサを提供し、このセンサは、キャリア層によって互いに電気的に分離して配置された少なくとも２つの電極を含み、２つの電極を電気的に接続するための媒体感応性の材料がキャリア層上に塗布され、媒体感応性の材料を塗布するためのガス感応性の層を形成するためのキャリア層の表面領域は、媒体感応性の材料の粒子の粒子サイズに適合されたトポグラフィを有する。
【０００６】
別の実施形態では、本発明は、キャリア層に材料を塗布する方法を提供し、キャリア層の領域は、材料を塗布する前に、塗布するべき材料の粒子の粒子サイズに適合したトポグラフィを用いて構造化する。
【０００７】
これにより達成される利点の１つは、特に、媒体感応性の材料自体が特定の用途に最適なサイズ分布を有していない場合、もしくは、キャリア層の材料が同様の粒子の粒子サイズに広いばらつきを有する場合であっても、キャリア層上の粒子のより均一な粒子分布が達成されることである。
【０００８】
言い換えれば、本発明は、媒体感応性の材料を塗布することを可能にし、媒体感応性の材料を塗布する前に、媒体感応性の材料ができるだけ均一に分布するように、媒体感応性な材料を塗布したい表面を２次元又は３次元に構造化する。このことは、媒体感受性の材料を塗布したい領域に、粒子サイズに適合したトポグラフィを形成する、すなわち、この領域を２次元又は３次元で構造化することによって達成する。
【０００９】
別の利点は、例えば、媒体感応性の材料を乾燥させる場合に、塗布した媒体感応性の材料の中央に大きい粒子を蓄積させる毛管力に反作用を及ぼすことができることである。これは、材料の粒子のより均一で再現可能な混合をもたらす。別の利点は、再現可能な所定の特性を有する媒体センサを製造することができることである。
【００１０】
「ＭＥＭＳセンサ」という用語は、マイクロメカニカルセンサを意味するものとして理解されるべきである。
【００１１】
「媒体」という用語は、材料、物質などを意味する。「媒体」という用語は、特に流体、すなわち液体及び気体を含む。
【００１２】
「トポグラフィ」という用語は、最も広い意味で理解されるべきであり、特に特許請求の範囲において、好ましくは本明細書において、２次元又は３次元の構造に関係する。
【００１３】
粒子に関する「サイズ」という用語は、最も広い意味で理解されるべきであり、特に特許請求の範囲において、好ましくは本明細書において、例えば粒子の平均的な直径を指す。しかしながら、「サイズ」という用語はまた、粒子のサイズ、例えば、体積、表面積、円周など、又は粒子の幾何学寸法のための一般的なパラメータを記述するために使用するそれぞれの種類の尺度でもよい。
【００１４】
「高さ」という用語は、最も広い意味で理解されるべきであり、特に特許請求の範囲において、好ましくは本明細書において、表面から垂直方向に測定される範囲、間隔、距離などに関係する。
【００１５】
「実質的に」という用語は、最も広い意味で理解されるべきであり、特に特許請求の範囲において、好ましくは、本明細書において、寸法、位置、間隔、距離、一部分などに関するずれ、ばらつき、許容差などに関係する。例えば、「第１のサイズが第２のサイズに実質的に等しい」という表現は、２つのサイズが、特に１００％、好ましくは７５％だけ互いに異なっていてもよいか、特に５０％、少なくとも２５％異なっていてもよいか、特に２０％、好ましくは１０％異なっていてもよいか、特に少なくとも０．５％、好ましくは０．１％未満、又は特に０．００１％未満だけ異なっていてもよいことを意味する。
【００１６】
本発明の他の利点、他の構成、及び他の実施形態を以下に記載し、明らかする。
【００１７】
有利な構成によれば、キャリア層は誘電材料からなる。これにより達成される利点の１つは、簡単で信頼性のある方法で、少なくとも２つの電極を互いに電気的に絶縁することができることである。
【００１８】
別の利な構成によれば、トポグラフィは、キャリア層の周期的及び／又は非周期的な凸部及び／又は凹部によって形成する。非周期的な起伏、凹凸の一例は、キャリア層の粗面化した表面である。周期的な凸部の例は、櫛状構造である。これにより達成される利点の１つは、トポグラフィを媒体感応性の材料の粒子の粒子サイズに容易に適合させることができることである。さらに、表面の粗面化を特に容易かつ迅速に行うことができる。
【００１９】
別の有利な構成によれば、媒体感応性の材料は、少なくとも２つの異なる粒子サイズの粒子を有する。これにより、固体粒子を有するペーストの形態の媒体感応性の材料を簡単で安価な方法で提供することができる。
【００２０】
別の有利な構成によれば、キャリア層のトポグラフィは、周期的な凸部によって形成し、周期的な凸部の間隔は、より大きい粒子のサイズに実質的に対応し、及び／又は周期的な凸部は、周期的な凸部の高さと、より小さい粒子の直径との合計が、より大きい粒子の直径に実質的に対応するように形成する。これにより、媒体感応性の材料の大きい粒子及び小さい粒子の特に均一な分布が達成できる。同様に、粒子遷移の数が増加するので、２つの電極間の電流経路を改善し、したがって、異なる媒体センサ間の感度及び感度の再現性を改善する。
【００２１】
別の有利な構成によれば、トポグラフィは、同じ粒子サイズを有する粒子が実質的に同じ平面において配置され、それとは異なる粒子サイズを有する粒子がそれとは異なる平面において配置されるように構成する。したがって、例えば、実質的に、異なるサイズの粒子を有する層構造を達成することができる。
【００２２】
別の有利な構成によれば、トポグラフィは、キャリア層を起点として、より大きい粒子サイズを有する粒子がより小さい粒子サイズを有する粒子の上方に配置されるように構成している。したがって、例えば、トポグラフィの周期は、より大きい粒子が、個々の凸部の間の櫛状の構造／トポグラフィの表面に「ひっかかる」ように選択することができる。次いで、測定電流が、粒子界面もしくは粒子遷移が最も少ない経路に沿って流れる。別の利点は、測定信号の信号経路に対するより小さい粒子の影響を最小限に抑えることができることである。
【００２３】
別の有利な構成によれば、媒体感応性の材料は金属酸化物などの固体粒子の混合物を含み、特に媒体応受性の材料はペーストである。このように、媒体感応性の材料は簡単に提供することができ、同様に、媒体感応性の材料は、簡単に塗布もしくは処理することができる。
【００２４】
本発明のさらなる重要な特徴及び利点が、従属請求項、図面、及び図面を参照した関連する図面の説明から明らかになる。
【００２５】
上述した特徴及び以下にさらに説明する特徴は、本発明の範囲から逸脱することなしに、それぞれに示した組合せだけでなく、他の組合せで使用することもできるし、又は単独で使用することもできることを理解されたい。
【００２６】
本発明の好ましい構成及び実施形態を図面に示し、以下の説明により詳細に説明する。同じ符号は、同じか、もしくは類似した、又は機能的に同じ構成要素もしくは素子を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】既知のＭＥＭＳガスセンサを示す概略図である。
【図２ａ】本発明の第１の実施形態によるＭＥＭＳガスセンサを示す概略図である。
【図２ｂ】本発明の第１の実施形態によるＭＥＭＳガスセンサを示す概略図である。
【図３ａ】本発明の第２の実施形態によるＭＥＭＳガスセンサを示す概略図である。
【図３ｂ】本発明の第２の実施形態によるＭＥＭＳガスセンサを示す概略図である。
【図４ａ】本発明の第３の実施形態によるＭＥＭＳガスセンサを示す概略図である。
【図４ｂ】本発明の第３の実施形態によるＭＥＭＳガスセンサを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図面において、同じ符号は、同じか又は機能的に同じ要素を示す。
【００２９】
図１は、既知のＭＥＭＳガスセンサを示す。図１において、符号１はＭＥＭＳガスセンサの第１の電極、符号２は第２の電極を示し、これらの電極はキャリア層４に配置されている。電極１，２は、特定のガスの存在する場合に抵抗が変化するガス感受性のペースト３によって導電的に接続されている。ガス感受性のペースト３は、２つの異なる粒子サイズを有する粒子、すなわち、より小さい固体粒子１１及びより大きい固体粒子１０を有する。図１ａは、上から見た平面図であり、図１ｂは、ＭＥＭＳガスセンサの断面図である。２つの電極１，２を介してガス感受性のペースト３の電気抵抗を測定する。この電気抵抗は、ガス感受性のペースト３の隣接する固体粒子１０，１１の間の界面におけるガス分子の吸着に伴って変化する。
【００３０】
ガス感受性ペースト３の異なる大きさの粒子１０，１１の空間分布は、例えば、ガス感受性ペースト３の乾燥時の毛管力によって、大きい粒子１１が中央に配置されるので、図１ａ及び図１ｂでは均一ではない。測定されたＭＥＭＳガスセンサの抵抗及びガス感度は、特に粒子遷移の数に依存するので、図１ａ，図１ｂでは電流経路１２に沿ってＭＥＭＳガスセンサの特性に大きいばらつきが生じる。言い換えれば、このようなＭＥＭＳガスセンサの製造においては、不均一な粒子分布に因り、ＭＥＭＳガスセンサの感度は、低くなり、センサ毎に大きく変動する。
【００３１】
図２ａ、図２ｂは、本発明の第１の実施形態によるＭＥＭＳガスセンサを示す。
【００３２】
図２では、２つの電極１，２の間のキャリア層４の表面に３次元の構造１３を設けている。この場合、塗布プロセス及び乾燥後に、ガス感受性ペースト３の粒子１０，１１のサイズ分布をより良好に制御できることが利点である。３次元の周期的な構造１３は、フォトリソグラフィによってキャリア層４の表面に適切に構造化してもよいし、又は、例えば電極１，２の間の基板に付加的な誘電体層１３の形で構造化してもよい。周期的な構造１３の周期２０，２１、大きさ２２及び形状は、乾燥後に粒子サイズのできるだけ均一な分布が得られるように、ガス感受性ペースト３の粒子１０，１１のサイズ分布に適合させることができる。
【００３３】
図２ａもしくは図２ｂに示すように、より大きい粒子１２は周期的な凸部１３の間に配置され、これに対して、より小さい粒子１１は実質的に周期的な凸部１３上に位置する。全体として、図２ａの概略図に見られるように、ガス感受性ペースト３の大きい粒子１０及び小さい粒子１１の極めて均一な分布が達成される。周期的構造１３は、誘電体材料などの非導電性の材料からなる。これにより、全体として、電流経路１２、もしくはより小さい粒子１０とより大きい粒子１１との間の粒子遷移の数は、図１ａ、図１ｂに示す構造化されていない表面の場合よりも大きくなる。この場合、ＭＥＭＳガスセンサの感度及び感度の再現性が改善されることが利点である。
【００３４】
図３ａ，図３ｂは、本発明の第２の実施形態によるＭＥＭＳガスセンサを示す。
【００３５】
図３ａ，図３ｂは、実質的には図２ａ，図２ｂに示したＭＥＭＳガスセンサを示す。この図３では、図２とは異なり、キャリア層４の表面は、図２と同様に、粒子、すなわちより大きい粒子１０及びより小さい粒子１１の均一なサイズ分布が達成されるように、適切に粗面化している（符号１３）。図２ｂと同様に、図３ｂには、ガス感受性ペースト３を通る２つの電極１，２の間の改善された電流経路が示されている。周期２０，２１もしくは大きさ２２は、この場合には粗面化に基づいて実質的にランダムである。
【００３６】
図４ａ，図４ｂは、本発明の第３の実施形態によるＭＥＭＳガスセンサを示す。
【００３７】
図４は、実質的には、図２に示したＭＥＭＳガスセンサを示す。この図４では、図２とは異なり、３次元構造１３は、ガス感受性ペースト３のより大きな粒子１０とより小さな粒子１１とを異なる平面に分離もしくは配置するように構成している。このことを達成するために、３次元の構造１３のトポグラフィの周期２０，２１及び高さ２２は、実質的により大きい粒子１０がより小さい粒子１１の上方に配置されるように選択している。これは、例えば、図４に示すような実質的に櫛状の３次元構造１３によって達成することができる。したがって、電流経路１２は、粒子界面遷移が最も少ない経路を選択し、実質的により大きい粒子１０を通過する。したがって、ガス感受性ペースト３のより小さい粒子１１の電流経路１２に対する影響を、最小限に抑えることができる。
【００３８】
したがって、図４では、簡単な方法で、より大きい粒子１０のみが電流経路１２に実質的に寄与するように、３次元構造１３を形成する。
【００３９】
要約すると、本発明の少なくとも１つの実施形態は、少なくとも１つの以下の利点を提供する：
均一な粒子分布、
センサ、特にＭＥＭＳガスセンサの再現可能な特性、
センサの感度の再現性の改善、
キャリア層に塗布する場合の粒子のサイズ分布のより良好な制御。
【００４０】
好ましい実施形態に基づいて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、様々な方法で変更可能である。
【図１ａ）】
0006836668.tif 000002
【図１ｂ）】
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【図２ａ）】
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【図２ｂ）】
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【図３ａ）】
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【図３ｂ）】
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【図４ａ）】
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【図４ｂ）】
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