| 研究課題/領域番号 |
15K13972
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
伊東 栄次 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (50303441)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 湿度センサ / カーボンナノチューブ / ポリイミド / ナノ誘電体 / ガスセンサ / 有機半導体 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は初年度に明らかとなった高速ガス応答計測・制御システムの改良と同システムを用いた湿度センサやガスセンサの応答解析・評価を行った。
初年度に湿度やガスの濃度調整および混合手法に課題が判明したためチャンバーの増設やシステムと自作プログラムの改良により解決をはかった。分流法やガス希釈方法を検討した結果、アセトンやエタノール、その他の1ppm以下の低濃度ガス制御や、0-100%RHの湿度制御を2-5分前後で行い、混合ガス容器に蓄えた調整したガスを高速電磁弁制御により超小型計測容器に送り込むことで10msでガス置換を可能とした。
同システムと当初計画であげたオシロスコープの包絡線波形計測により10ms台の高速な静電容量変化を計測することを試みた。その結果、CNTガス透過電極を有する容量型湿度センサの感湿膜厚を200-300nm程度に薄くした際の時間応答が立ち上がり（加湿）時に60ms程度、従来高速化が難しいとされていた立下り（除湿）時においても100ms程度と、特に後者において従来の報告例にある容量式湿度センサよりも10倍以上速い超高速応答を実証した。また、厚さ依存性からこれまでわからなかった感湿膜厚が1μm以下の領域においても拡散モデルを基礎としたモデル解析が可能であるとがわかった。
もう一つの研究目標に掲げた金属-極薄誘電体（絶縁層）-有機半導体-ガス透過電極からなる新型ガスセンサについては、2つのアプローチを行った。一つは極薄の絶縁層の実現で実効膜厚10nm以下を得るための高誘電率薄膜の開発に目途をたてた。また、有機半導体と金属ナノ粒子を担持したナノ誘電体材料を組み合わせた抵抗式ガスセンサを試作し、0-5ppmの低濃度アセトンガスを室温で計測することができた。エタノールガス（アルコールセンサ）についても飲酒運転の基準となる10-100ppmの検出を実証した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
高速、高感度なガス制御・評価システムの構築に成功した。これは従来なかった画期的なシステムとして内外の研究者から評価されている。
また、同システムを用いて世界最速の容量式湿度センサの開発と動作実証に成功した点は工学的に大きな意義がある。
新型の有機半導体ガスセンサについては各部の基本動作の確認段階であり最終年度までにある程度の動作検証が行えるものと考えている。動作検証段階で、すでに1ppm以下のガス検知能力を実証できたことから、現時点では最終目標であるMIS型構造での動作解析には至っていないもののこれまでの知見を組み合わせていくことで基本原理の提案とその動作検証に向けた準備は整いつつあると考えられる。
以上をふまえると挑戦的萌芽研究としてのチャレンジを通した新たな可能性を一部すでに実証し、他についても見出されつつあることを踏まえて、全体としては当初計画以上に進展していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
湿度センサについては、動作モデルも構築と応用面での検討を考えている。容量式湿度センサとしてはすでに世界最速レベルの高速応答と動作安定性、優れた線形応答を示しているが、特に高速応答について、立下り（除湿）時の応答を100ms以下とした完全な0.1s以下の超高速応答の実現を検討する予定である。
新型有機半導体薄膜ガスセンサについてはガス選択性を念頭に置いた材料の組み合わせと抵抗式センサにおける応答評価を検討していく。また、MIS型構造とガス透過電極を組み合わせたガスセンサの実現と動作確認を目指す。
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