気体検知装置
【課題】 ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得るとともに、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする。
【解決手段】 ＣＮＴ１１が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列してＣＮＴ束３が構成され、各ＣＮＴ１１の内部にはフラーレン分子１２が多数充填されており、ＣＮＴ１１の側壁には被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ１１内へ透過するための複数の開孔１３が形成されている。
【解決手段】 ＣＮＴ１１が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列してＣＮＴ束３が構成され、各ＣＮＴ１１の内部にはフラーレン分子１２が多数充填されており、ＣＮＴ１１の側壁には被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ１１内へ透過するための複数の開孔１３が形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素元素からなる線状構造体である、いわゆるカーボン・ナノチューブを用いた気体検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素系自己組織的材料である線状構造体のカーボン・ナノチューブ（Carbon Nanoｔube：以下、ＣＮＴと呼ぶ）は、その多くの魅力的な物性から注目を集めている。
ＣＮＴの応用例として、気体検知装置、即ちガスセンサがある。ガスセンサの具体例が特許文献１に開示されている。特許文献１では図面が添付されていないため、当該ガスセンサを敢えて図示すれば図６のようになる。このガスセンサは、ＣＮＴ１０３が電極１０１，１０２間で多層に積み重なって多層ＣＮＴが形成されている。この多層ＣＮＴ１０３を被検知対象である気体分子を含む容器内に載置し、電極１０１，１０２間に印加する電圧を変化させてＩ／Ｖ曲線を作成し、標準Ｉ／Ｖ曲線と比較して当該気体分子の有無や多寡を判定するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２７８０６号公報
【特許文献２】特開２００３−１６０３２０号公報
【特許文献３】特開２００１−９９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１で開示されたガスセンサは、ＣＮＴ１０３自体がセンスサイトとなるため、その感度はＣＮＴ１０３のセンシング能力で決定されるため、さほど高い感度を得ることができない。また、このガスセンサでは、ＣＮＴ１０３がランダムに多層に積み重なったＣＮＴ１０３のバルクをセンサ構造としている。そのため、電流パスがランダムに方向性無く形成され、感度が一定しない。また特許文献１では、ＣＮＴの内部に導電性物質を導入し、ＣＮＴの導電性を向上させることも提案されているが、ＣＮＴ同士が物理吸着しているために、結果的に電気抵抗は高くなり、本質的な導電性の向上には繋がらないと考えられる。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができ、また特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能の気体検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の気体検知装置は、一対の電極と、前記電極間を電気的に接続する炭素元素からなる線状構造体と、前記線状構造体に設けられた気体検知体とを含み、前記気体検知体に気体分子が吸着することによる前記線状構造体のコンダクタンスの変化を測定する。
【０００７】
本発明の気体検知装置の一態様では、複数の前記線状構造体が、並列に整列して前記電極間を架橋する。
【０００８】
本発明の気体検知装置の一態様では、前記気体検知体は、前記線状構造体の内部に充填されたものである。
【０００９】
この場合、前記線状構造体の側壁に気体分子が透過する開孔が形成されており、前記開孔は、特定径以下の前記気体分子のみを透過させるように、その孔径が制御されてなることが好ましい。
【００１０】
本発明の気体検知装置の一態様では、前記気体検知体は、前記線状構造体の外壁面に接合したものである。
【００１１】
本発明の気体検知装置の一態様では、前記線状構造体の外壁面に吸着した触媒微粒子から枝状の線状構造体が形成されており、前記気体検知体は、前記枝状の線状構造体の外壁面に接合したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができ、また特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能の気体検知装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
−本発明の基本骨子−
ＣＮＴを用いてガスセンサを構成する場合、上述のようにＣＮＴ自体をセンスサイトとして利用するのでは、その感度はＣＮＴ自体のセンシング能力で決定されるため、感度向上には限界がある。本発明者は、この点に着目し、ＣＮＴの内部又は外壁面に気体検知体を設け、ＣＮＴ自体は、電極間の電気的接続を得るとともに、気体検知体を支持する役割を持たせる構成に想到した。この構成では、微小な気体検知体を多数ＣＮＴに設けることにより、ＣＮＴ自体をセンスサイトとして利用する場合に比べてセンスサイト数が圧倒的に多く、極めて高い感度が確保される。
【００１４】
本発明のガスセンサでは、被検知対象である気体分子が気体検知体に化学吸着する。気体検知体は、金属微粒子等の電荷授受体やフラーレン分子等の電荷受容体である。電荷授受体の場合、被検知対象である気体分子が気体検知体に化学吸着することにより、気体分子と気体検知体との間で電荷の授受が行われ、これに起因してＣＮＴのコンダクタンスが変化する。一方、電荷受容体の場合、被検知対象である気体分子が気体検知体に化学吸着することにより、気体分子の電荷が気体検知体に移動し、これに起因してＣＮＴのコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴにより接続された電極間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００１５】
この場合、複数のＣＮＴを並列に整列させて電極間を架橋するように形成する。この構成により、電極間に略一方向の電流パスが形成されて安定した感度が得られる。また、ＣＮＴ同士の物理吸着が抑止されるため、ＣＮＴの導電性が向上し、電極間の電気抵抗が低減する。
【００１６】
なお、ＣＮＴの内部にフラーレン分子を隙間が生じるように配列させ、前記隙間内に水素を閉じ込めてなる水素吸蔵物質が、特許文献２に開示されている。しかしながら特許文献２では、ＣＮＴの内部にフラーレン分子と共に水素を内包して閉じ込めた状態で飽くまで水素吸蔵物質として用いる技術思想が開示されているのであり、装置構成は勿論のこと、目的も本発明とは全く異なる。
【００１７】
−本発明の具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
［第１の実施形態］
（ガスセンサの主要構成）
図１は、第１の実施形態によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本実施形態のガスセンサは、図１（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束３が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。
【００１９】
ＣＮＴ束３は、複数のＣＮＴ１１が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ１１は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００２０】
各ＣＮＴ１１は、図１（ｂ）に示すように、その内部（例えば内径５ｎｍ〜２０ｎｍ程度）には電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体、ここでは電荷受容体のフラーレン分子１２が多数充填されており、ＣＮＴ１１の側壁には被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ１１内へ透過するための複数の開孔１３が形成されている。
【００２１】
フラーレン分子１２は、球殻状炭素クラスター分子であり、Ｃ30，Ｃ60，Ｃ70，Ｃ76，Ｃ78，Ｃ80，Ｃ82，Ｃ84，Ｃ86，Ｃ88，Ｃ90，Ｃ92，Ｃ94，Ｃ96等のうちから選ばれる分子の単体、または２種以上の混合物である。フラーレン分子は、例えばフラーレン系薄膜とした場合に電気抵抗の測定に用いて好適である旨が、例えば特許文献３に記載されている。
【００２２】
また、各ＣＮＴ１１の内部に充填される気体検知体としては、フラーレン分子１２の代わりに、金属微粒子、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種を用いても良い。
【００２３】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図１（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ１１の側壁に形成された開孔１３を透過して、ＣＮＴ１１内のフラーレン分子１２に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）がフラーレン分子１２に移動し、これに起因してＣＮＴ１１のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束３により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００２４】
ここで、開孔１３を形成する際に、その径を例えば数オングストローム〜数ｎｍ径程度の範囲内で調節し、それ以下の径の気体分子のみが開孔１３からＣＮＴ１３内に浸入できるように制御する。フラーレン分子１２は分子間引力が十分強いことも手伝って、開孔１３からＣＮＴ１１外へ出ることはなく、ＣＮＴ１１内で充填された状態に留まる。この制御により、開孔１３より小さい径の特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。
【００２５】
また、フラーレン分子１２に所定の化学修飾、例えば化学変換法を施すことにより、フラーレン分子１２に特定の気体分子のみを吸着させることが可能であり、この構成によっても同様に特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。化学変換法とは、例えばフラーレンをある特定の機能性（ある種の分子と反応するというような機能性）を持たせる物質（構造）に変換する手法である。
【００２６】
また、フラーレン分子１２の代わりに上記の金属微粒子をＣＮＴ１１の内部に充填する場合、特定の気体分子のみを吸着させる金属微粒子を選んで用いることにより、同様に当該特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。例えば、金属微粒子として水素吸蔵物質であるＬａＮｉ5合金を用いることにより、ＬａＮｉ5合金は水素とより強く化学反応するため、本実施形態のガスセンサを水素センサとして利用することができる。
【００２７】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
ここで、上述した構成の本実施形態のガスセンサを製造する際の主要プロセスについて説明する。
【００２８】
＜ＣＮＴの成長方法＞
ＣＮＴの成長には、電極表面上に金属触媒薄膜や金属触媒微粒子（例えばニッケル（Ｎｉ）やコバルト（Ｃｏ））をスパッタ法等により蒸着させた基板を用いる。触媒の蒸着方法としては、スパッタ法以外にＭＢＥ法やＥＢ法等が挙げられる。電極面の所定部位以外では、例えばパターニング等により金属触媒薄膜が除去、又は当該所定部位のみに金属触媒微粒子が堆積されており、電極面上で当該所定部位のみにＣＮＴが成長するように制御されている。
【００２９】
ＣＮＴの成長には、化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いる。ＣＶＤ法は、他のＣＮＴ成長法であるアーク放電法等に比較して、位置を制御して基板上にＣＮＴを成長させることに適している。一例として、ＣＶＤ法のうちホットフィラメントＣＶＤ法により以下のようにＣＮＴの成長を行った。
【００３０】
先ず、真空チャンバー内のステージ上に上記の基板を載置固定し、真空チャンバー内部を高真空状態、例えば１０-3Ｐａのオーダーに調節する。
続いて、基板の表面温度を５１０℃程度に調節し、水素を用いて基板表面を洗浄する。そして、基板の表面温度を５４０℃程度に調節し、原料ガスとしてアセチレンとアルゴンとの混合ガス（混合比１：９）を用い、総圧１ｋＰａとしてＣＮＴを成長させる。
ここで、成長したＣＮＴは、用いた金属触媒によりその直径は異なるが、概ね５ｎｍ〜３０ｎｍ程度の直径に形成され、それぞれ電極面から略垂直に林立して、ＣＮＴ束を構成する。
【００３１】
＜開端方法＞
ＣＮＴ１１の先端の開端処理は、酸素雰囲気中での加熱や酸素プラズマを用いて行う。基板から成長したＣＮＴ１１の先端部分は、ほとんど６員環のみで構成される側壁部分と比較して最も活性な５員環を有しており、その先端部分が優先的に化学反応することでＣＮＴ１１が開端される。なお、ＣＮＴ１１の根元部分は基板と接合しているため、上記のような化学反応は起きない。一例として、以下のように開端処理を行った。
【００３２】
真空チャンバー内のステージ上に、ＣＮＴ１１が成長してＣＮＴ束３が形成されてなる基板を載置固定し、真空チャンバー内の酸素雰囲気を１ｋＰａ程度に調節する。基板の表面温度を５１０℃程度に調節し、ＣＮＴの開端を行う。
【００３３】
＜フラーレン分子の内包方法＞
フラーレン分子１２のＣＮＴ１１内への内包は、フラーレン分子１２を昇華させたフラーレン雰囲気中に、上記の方法により先端が開端されたＣＮＴ１１からなるＣＮＴ束３を設置することで行われる。ＣＮＴ１１内はエネルギー的に安定のため、フラーレン分子１２は選択的にＣＮＴ１１内部に内包される。一例として、以下のようにフラーレン分子１２の昇華及び内包を行った。
【００３４】
先ず、真空チャンバー内のステージ上に、開端されたＣＮＴ１１が成長してＣＮＴ束３が形成されてなる基板を載置固定し、加熱台の上にフラーレンの入った坩堝を設置する。
続いて、真空チャンバー内部を高真空状態、例えば１０-3Ｐａのオーダーに調節した後、坩堝を５５０℃程度に加熱することにより、フラーレン分子１２を昇華させてＣＮＴ１１内部に内包させる。
【００３５】
＜ＣＮＴ外壁面の開孔形成方法＞
ＣＮＴの両端が電極で覆われた状態で、酸素雰囲気中で加熱（５１０℃程度）する。この加熱処理の代わりに酸素プラズマ処理を行うようにしても良い。そうすると、最も活性な先端部分は既に電極で覆われていることから、次に酸素と反応するのは外壁に成長時に多くの場合形成される欠陥部分である。従って、先端の開孔と同様に酸化により外壁面の開孔が可能となる。もちろん、先端の開孔の際にもある程度の穴は空いている可能性はあるが、反応し易さでは圧倒的に先端部分が優位である。また、酸素雰囲気中に暴露する時間、酸素圧力、そして加熱温度を調整することで開孔部分の大きさをある程度は制御することが可能である。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態のガスセンサでは、ＣＮＴ束３を構成する各ＣＮＴ１１の内部に多数のフラーレン分子１２が充填されており、これらフラーレン分子１２が気体検知体として機能する。従って、センスサイト数が極めて多く、またＣＮＴ１１が並列に整列してＣＮＴ束３が構成されているため、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００３７】
［第２の実施形態］
以下、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態で開示した構成部材等と同様のものについては、便宜上同符号を付する。
【００３８】
（ガスセンサの主要構成）
図２は、第２の実施形態によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本実施形態のガスセンサは、図２（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束２１が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。
【００３９】
ＣＮＴ束２１は、複数のＣＮＴ２２が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ２２は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００４０】
各ＣＮＴ２２は、図２（ｂ）に示すように、その外壁面に電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体、ここでは電荷授受体である例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ径の金属微粒子２３が多数接合されている。金属微粒子２３としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種を用いる。
【００４１】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図２（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ２２の側壁に接合した金属微粒子２３に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）が金属微粒子２３に移動し、これに起因してＣＮＴ２２のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束２１により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００４２】
ここで、金属微粒子２３として、特定の気体分子のみを吸着させる金属微粒子を選んで用いることにより、同様に当該特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。例えば、金属微粒子として水素吸蔵物質であるＬａＮｉ5合金を用いることにより、ＬａＮｉ5合金は水素とより強く化学反応するため、本実施形態のガスセンサを水素センサとして利用することができる。
【００４３】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
本実施形態のガスセンサを製造するに際して、ＣＮＴ２２の成長処理については第１の実施形態で説明した成長方法と同様である。
金属微粒子２３は、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等によりＣＮＴ２２の外壁面に蒸着される。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態のガスセンサでは、ＣＮＴ束２１を構成する各ＣＮＴ２２の外壁面に多数の金属微粒子２３が蒸着されており、これら金属微粒子２３が気体検知体として機能する。従って、センスサイト数が極めて多く、またＣＮＴ２２が並列に整列してＣＮＴ束２１が構成されているため、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００４５】
［変形例］
以下、第２の実施形態の諸変形例について説明する。これらの変形例では、第２の実施形態と略同様の構成のガスセンサを開示するが、ＣＮＴ束を構成する各ＣＮＴが異なる点で相違する。ここでは、第２の実施形態で開示した構成部材等と同様のものについては、便宜上同符号を付する。
【００４６】
（変形例１）
（ガスセンサの主要構成）
図３は、第２の実施形態の変形例１によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本例のガスセンサは、図３（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束３１が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。
【００４７】
ＣＮＴ束３１は、複数のＣＮＴ３２が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ３２は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００４８】
各ＣＮＴ３２は、図３（ｂ）に示すように、その外壁面に電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体３３が多数接合されている。各気体検知体３３は、図３（ｃ）に示すように、電荷授受体である例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ径の金属微粒子３４の表面に多数のフラーレン分子３５が蒸着されて構成されている。金属微粒子３４としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種を用いる。
【００４９】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図３（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ３２の側壁に接合した気体検知体３３のフラーレン分子３５に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）が金属微粒子３４に移動し、これに起因してＣＮＴ３２のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束３１により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００５０】
ここで、フラーレン分子３５に所定の化学修飾、例えば化学変換法を施すことにより、フラーレン分子３５に特定の気体分子のみを吸着させることが可能であり、この構成によって特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。
【００５１】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
本実施形態のガスセンサを製造するに際して、ＣＮＴ３２の成長処理については第１の実施形態で説明した成長方法と同様である。
金属微粒子３４は、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等によりＣＮＴ３２の外壁面に蒸着される。フラーレン分子３５も同様に、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等により金属微粒子３４の表面に蒸着される。
【００５２】
以上説明したように、変形例１のガスセンサでは、ＣＮＴ束３１を構成する各ＣＮＴ３２の外壁面に多数の金属微粒子３４が蒸着され、更に各金属微粒子３４の表面に多数のフラーレン分子３５が蒸着されており、これらフラーレン分子３５が気体検知体として機能する。従って、センスサイト数が極めて多く、またＣＮＴ３２が並列に整列してＣＮＴ束３１が構成されているため、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００５３】
（変形例２）
（ガスセンサの主要構成）
図４は、第２の実施形態の変形例２によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本例のガスセンサは、図４（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束４１が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。なお、図示の便宜上、図４（ａ）では後述する枝状のＣＮＴ４４の記載を省略する。
【００５４】
ＣＮＴ束４１は、複数のＣＮＴ４２が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ４２は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００５５】
各ＣＮＴ４２は、図４（ｂ）に示すように、その外壁面にＣＮＴの触媒金属微粒子４３が多数蒸着しており、これら触媒金属微粒子４３から枝状にＣＮＴ４４がそれぞれ形成されている。そして、枝状の各ＣＮＴ４４の外壁面に電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体、ここでは電荷授受体である例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ径の金属微粒子４５が多数接合されている。触媒金属微粒子４３としては、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等のうちから選ばれた少なくとも１種を、金属微粒子４５としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種をそれぞれ用いる。
【００５６】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図４（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ４４の側壁に接合した金属微粒子４５に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）が金属微粒子４５に移動し、これに起因してＣＮＴ４４，４３のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束４１により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００５７】
ここで、金属微粒子４５として、特定の気体分子のみを吸着させる金属微粒子を選んで用いることにより、同様に当該特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。例えば、金属微粒子として水素吸蔵物質であるＬａＮｉ5合金を用いることにより、ＬａＮｉ5合金は水素とより強く化学反応するため、本例のガスセンサを水素センサとして利用することができる。
【００５８】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
本実施形態のガスセンサを製造するに際して、ＣＮＴ４２の成長処理については第１の実施形態で説明した成長方法と同様である。
ＣＮＴ４２に枝状のＣＮＴ４４を成長させるには、先ず、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等により触媒金属微粒子４３をＣＮＴ４２の外壁部分に蒸着する。そして、ＣＮＴ４２の成長方法と同様に、再度ＣＶＤ法等を用いてＣＮＴ４４の成長を行う。
金属微粒子４５は、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等によりＣＮＴ４４の外壁面に蒸着される。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態のガスセンサでは、ＣＮＴ束４１を構成する各ＣＮＴ４２の外壁面から枝分かれした多数のＣＮＴ４４が形成され、これらＣＮＴ４４の外壁面に多数の金属微粒子４５が蒸着されており、これら金属微粒子４５が気体検知体として機能する。枝分かれにより、各ＣＮＴ４２毎のＣＮＴ４４の数は極めて多く、しかもそれぞれのＣＮＴ４４に多数の金属微粒子４５が蒸着しているため、ガス分子１０のセンスサイト数が極めて多い。従って、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００６０】
（変形例３）
（ガスセンサの主要構成）
図５は、第２の実施形態の変形例３によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本例のガスセンサは、図５（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束５１が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。図５（ａ）では後述する枝状のＣＮＴ５４の記載を省略する。
【００６１】
ＣＮＴ束５１は、複数のＣＮＴ５２が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ５２は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００６２】
各ＣＮＴ５２は、図５（ｂ）に示すように、その外壁面にＣＮＴの触媒金属微粒子５３が多数蒸着しており、これら触媒金属微粒子５３から枝状にＣＮＴ５４がそれぞれ形成されている。そして、枝状の各ＣＮＴ５４の外壁面に電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体５５が多数接合されている。各気体検知体５５は、図５（ｃ）に示すように、電荷授受体である例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ径の金属微粒子５６の表面に、電荷受容体である多数のフラーレン分子５７が蒸着されて構成されている。触媒金属微粒子５３としては、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等のうちから選ばれた少なくとも１種を、金属微粒子５６としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種をそれぞれ用いる。
【００６３】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図５（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ５４の側壁に接合した気体検知体５５のフラーレン分子５７に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）がフラーレン分子５７に移動し、これに起因してＣＮＴ５２，５４のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束５１により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００６４】
ここで、フラーレン分子５７に所定の化学修飾、例えば化学変換法を施すことにより、フラーレン分子５７に特定の気体分子のみを吸着させることが可能であり、この構成によって特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。
【００６５】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
本実施形態のガスセンサを製造するに際して、ＣＮＴ５２の成長処理については第１の実施形態で説明した成長方法と同様である。
ＣＮＴ５２に枝状のＣＮＴ５４を成長させるには、先ず、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等により触媒金属微粒子５３をＣＮＴ５２の外壁部分に蒸着する。そして、ＣＮＴ５２の成長方法と同様に、再度ＣＶＤ法等を用いてＣＮＴ５４の成長を行う。
【００６６】
金属微粒子５６は、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等によりＣＮＴ５２の外壁面に蒸着される。フラーレン分子５７も同様に、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等により金属微粒子５６の表面に蒸着される。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態のガスセンサでは、ＣＮＴ束５１を構成する各ＣＮＴ５２の外壁面から枝分かれした多数のＣＮＴ５４が形成され、これらＣＮＴ５４の外壁面に多数の金属微粒子５６が蒸着され、更に各金属微粒子５６の表面に多数のフラーレン分子５７が蒸着されており、これらフラーレン分子５７が気体検知体として機能する。枝分かれにより、各ＣＮＴ５２毎のＣＮＴ５４の数は極めて多く、しかもそれぞれのＣＮＴ５４に多数の金属微粒子５６が蒸着し、更にはそれぞれの金属微粒子５６に多数のフラーレン分子５７が蒸着しているため、ガス分子１０のセンスサイト数が極めて多い。従って、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００６８】
以下、本発明の諸態様について、付記としてまとめて記載する。
【００６９】
（付記１）一対の電極と、
前記電極間を電気的に接続する炭素元素からなる線状構造体と、
前記線状構造体に設けられた気体検知体と
を含み、
前記気体検知体に気体分子が吸着することによる前記線状構造体のコンダクタンスの変化を測定することを特徴とする気体検知装置。
【００７０】
（付記２）複数の前記線状構造体が、並列に整列して前記電極間を架橋することを特徴とする付記１に記載の気体検知装置。
【００７１】
（付記３）前記気体検知体は、前記線状構造体の内部に充填されたものであることを特徴とする付記１又は２に記載の気体検知装置。
【００７２】
（付記４）前記気体検知体は、フラーレン分子であることを特徴とする付記３に記載の気体検知装置。
【００７３】
（付記５）前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする付記３に記載の気体検知装置。
【００７４】
（付記６）前記金属微粒子は、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金のうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記５に記載の気体検知装置。
【００７５】
（付記７）前記線状構造体の側壁に気体分子が透過する開孔が形成されており、
前記開孔は、特定径以下の前記気体分子のみを透過させるように、その孔径が制御されていることを特徴とする付記３〜６のいずれか１項に記載の気体検知装置。
【００７６】
（付記８）前記気体検知体は、前記線状構造体の外壁面に接合したものであることを特徴とする付記１又は２に記載の気体検知装置。
【００７７】
（付記９）前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする付記８に記載の気体検知装置。
【００７８】
（付記１０）前記気体検知体は、金属微粒子と前記金属微粒子の表面に蒸着されたフラーレン分子とからなることを特徴とする付記８に記載の気体検知装置。
【００７９】
（付記１１）前記金属微粒子は、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金のうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記９又は１０に記載の気体検知装置。
【００８０】
（付記１２）前記線状構造体の外壁面に吸着した触媒微粒子から枝状の線状構造体が形成されており、
前記気体検知体は、前記枝状の線状構造体の外壁面に接合したものであることを特徴とする付記１又は２に記載の気体検知装置。
【００８１】
（付記１３）前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする付記１２に記載の気体検知装置。
【００８２】
（付記１４）前記気体検知体は、金属微粒子と前記金属微粒子の表面に蒸着されたフラーレンとからなることを特徴とする付記１２に記載の気体検知装置。
【００８３】
（付記１５）前記金属微粒子は、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金のうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記１３又は１４に記載の気体検知装置。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１の実施形態によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図２】第２の実施形態によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態の変形例１によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図４】第２の実施形態の変形例２によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図５】第２の実施形態の変形例３によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図６】従来のガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８５】
１，２ 平行平板電極
３，２１，３１，４１，５１ ＣＮＴ束
４ 電源
１０ ガス分子
１１，２２，３２，４２，５２ ＣＮＴ
１２，３５，５７ フラーレン分子
１３ 開孔
２３，３４，４５，５６ 金属微粒子
３３，５５ 気体検知体
４３，５３ 触媒金属微粒子
４４，５４ 枝状のＣＮＴ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素元素からなる線状構造体である、いわゆるカーボン・ナノチューブを用いた気体検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素系自己組織的材料である線状構造体のカーボン・ナノチューブ（Carbon Nanoｔube：以下、ＣＮＴと呼ぶ）は、その多くの魅力的な物性から注目を集めている。
ＣＮＴの応用例として、気体検知装置、即ちガスセンサがある。ガスセンサの具体例が特許文献１に開示されている。特許文献１では図面が添付されていないため、当該ガスセンサを敢えて図示すれば図６のようになる。このガスセンサは、ＣＮＴ１０３が電極１０１，１０２間で多層に積み重なって多層ＣＮＴが形成されている。この多層ＣＮＴ１０３を被検知対象である気体分子を含む容器内に載置し、電極１０１，１０２間に印加する電圧を変化させてＩ／Ｖ曲線を作成し、標準Ｉ／Ｖ曲線と比較して当該気体分子の有無や多寡を判定するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−２２７８０６号公報
【特許文献２】特開２００３−１６０３２０号公報
【特許文献３】特開２００１−９９６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１で開示されたガスセンサは、ＣＮＴ１０３自体がセンスサイトとなるため、その感度はＣＮＴ１０３のセンシング能力で決定されるため、さほど高い感度を得ることができない。また、このガスセンサでは、ＣＮＴ１０３がランダムに多層に積み重なったＣＮＴ１０３のバルクをセンサ構造としている。そのため、電流パスがランダムに方向性無く形成され、感度が一定しない。また特許文献１では、ＣＮＴの内部に導電性物質を導入し、ＣＮＴの導電性を向上させることも提案されているが、ＣＮＴ同士が物理吸着しているために、結果的に電気抵抗は高くなり、本質的な導電性の向上には繋がらないと考えられる。
【０００５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができ、また特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能の気体検知装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の気体検知装置は、一対の電極と、前記電極間を電気的に接続する炭素元素からなる線状構造体と、前記線状構造体に設けられた気体検知体とを含み、前記気体検知体に気体分子が吸着することによる前記線状構造体のコンダクタンスの変化を測定する。
【０００７】
本発明の気体検知装置の一態様では、複数の前記線状構造体が、並列に整列して前記電極間を架橋する。
【０００８】
本発明の気体検知装置の一態様では、前記気体検知体は、前記線状構造体の内部に充填されたものである。
【０００９】
この場合、前記線状構造体の側壁に気体分子が透過する開孔が形成されており、前記開孔は、特定径以下の前記気体分子のみを透過させるように、その孔径が制御されてなることが好ましい。
【００１０】
本発明の気体検知装置の一態様では、前記気体検知体は、前記線状構造体の外壁面に接合したものである。
【００１１】
本発明の気体検知装置の一態様では、前記線状構造体の外壁面に吸着した触媒微粒子から枝状の線状構造体が形成されており、前記気体検知体は、前記枝状の線状構造体の外壁面に接合したものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができ、また特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能の気体検知装置が実現する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
−本発明の基本骨子−
ＣＮＴを用いてガスセンサを構成する場合、上述のようにＣＮＴ自体をセンスサイトとして利用するのでは、その感度はＣＮＴ自体のセンシング能力で決定されるため、感度向上には限界がある。本発明者は、この点に着目し、ＣＮＴの内部又は外壁面に気体検知体を設け、ＣＮＴ自体は、電極間の電気的接続を得るとともに、気体検知体を支持する役割を持たせる構成に想到した。この構成では、微小な気体検知体を多数ＣＮＴに設けることにより、ＣＮＴ自体をセンスサイトとして利用する場合に比べてセンスサイト数が圧倒的に多く、極めて高い感度が確保される。
【００１４】
本発明のガスセンサでは、被検知対象である気体分子が気体検知体に化学吸着する。気体検知体は、金属微粒子等の電荷授受体やフラーレン分子等の電荷受容体である。電荷授受体の場合、被検知対象である気体分子が気体検知体に化学吸着することにより、気体分子と気体検知体との間で電荷の授受が行われ、これに起因してＣＮＴのコンダクタンスが変化する。一方、電荷受容体の場合、被検知対象である気体分子が気体検知体に化学吸着することにより、気体分子の電荷が気体検知体に移動し、これに起因してＣＮＴのコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴにより接続された電極間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００１５】
この場合、複数のＣＮＴを並列に整列させて電極間を架橋するように形成する。この構成により、電極間に略一方向の電流パスが形成されて安定した感度が得られる。また、ＣＮＴ同士の物理吸着が抑止されるため、ＣＮＴの導電性が向上し、電極間の電気抵抗が低減する。
【００１６】
なお、ＣＮＴの内部にフラーレン分子を隙間が生じるように配列させ、前記隙間内に水素を閉じ込めてなる水素吸蔵物質が、特許文献２に開示されている。しかしながら特許文献２では、ＣＮＴの内部にフラーレン分子と共に水素を内包して閉じ込めた状態で飽くまで水素吸蔵物質として用いる技術思想が開示されているのであり、装置構成は勿論のこと、目的も本発明とは全く異なる。
【００１７】
−本発明の具体的な諸実施形態−
以下、本発明を適用した具体的な諸実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
［第１の実施形態］
（ガスセンサの主要構成）
図１は、第１の実施形態によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本実施形態のガスセンサは、図１（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束３が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。
【００１９】
ＣＮＴ束３は、複数のＣＮＴ１１が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ１１は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００２０】
各ＣＮＴ１１は、図１（ｂ）に示すように、その内部（例えば内径５ｎｍ〜２０ｎｍ程度）には電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体、ここでは電荷受容体のフラーレン分子１２が多数充填されており、ＣＮＴ１１の側壁には被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ１１内へ透過するための複数の開孔１３が形成されている。
【００２１】
フラーレン分子１２は、球殻状炭素クラスター分子であり、Ｃ30，Ｃ60，Ｃ70，Ｃ76，Ｃ78，Ｃ80，Ｃ82，Ｃ84，Ｃ86，Ｃ88，Ｃ90，Ｃ92，Ｃ94，Ｃ96等のうちから選ばれる分子の単体、または２種以上の混合物である。フラーレン分子は、例えばフラーレン系薄膜とした場合に電気抵抗の測定に用いて好適である旨が、例えば特許文献３に記載されている。
【００２２】
また、各ＣＮＴ１１の内部に充填される気体検知体としては、フラーレン分子１２の代わりに、金属微粒子、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種を用いても良い。
【００２３】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図１（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ１１の側壁に形成された開孔１３を透過して、ＣＮＴ１１内のフラーレン分子１２に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）がフラーレン分子１２に移動し、これに起因してＣＮＴ１１のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束３により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００２４】
ここで、開孔１３を形成する際に、その径を例えば数オングストローム〜数ｎｍ径程度の範囲内で調節し、それ以下の径の気体分子のみが開孔１３からＣＮＴ１３内に浸入できるように制御する。フラーレン分子１２は分子間引力が十分強いことも手伝って、開孔１３からＣＮＴ１１外へ出ることはなく、ＣＮＴ１１内で充填された状態に留まる。この制御により、開孔１３より小さい径の特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。
【００２５】
また、フラーレン分子１２に所定の化学修飾、例えば化学変換法を施すことにより、フラーレン分子１２に特定の気体分子のみを吸着させることが可能であり、この構成によっても同様に特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。化学変換法とは、例えばフラーレンをある特定の機能性（ある種の分子と反応するというような機能性）を持たせる物質（構造）に変換する手法である。
【００２６】
また、フラーレン分子１２の代わりに上記の金属微粒子をＣＮＴ１１の内部に充填する場合、特定の気体分子のみを吸着させる金属微粒子を選んで用いることにより、同様に当該特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。例えば、金属微粒子として水素吸蔵物質であるＬａＮｉ5合金を用いることにより、ＬａＮｉ5合金は水素とより強く化学反応するため、本実施形態のガスセンサを水素センサとして利用することができる。
【００２７】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
ここで、上述した構成の本実施形態のガスセンサを製造する際の主要プロセスについて説明する。
【００２８】
＜ＣＮＴの成長方法＞
ＣＮＴの成長には、電極表面上に金属触媒薄膜や金属触媒微粒子（例えばニッケル（Ｎｉ）やコバルト（Ｃｏ））をスパッタ法等により蒸着させた基板を用いる。触媒の蒸着方法としては、スパッタ法以外にＭＢＥ法やＥＢ法等が挙げられる。電極面の所定部位以外では、例えばパターニング等により金属触媒薄膜が除去、又は当該所定部位のみに金属触媒微粒子が堆積されており、電極面上で当該所定部位のみにＣＮＴが成長するように制御されている。
【００２９】
ＣＮＴの成長には、化学気相成長法（ＣＶＤ法）を用いる。ＣＶＤ法は、他のＣＮＴ成長法であるアーク放電法等に比較して、位置を制御して基板上にＣＮＴを成長させることに適している。一例として、ＣＶＤ法のうちホットフィラメントＣＶＤ法により以下のようにＣＮＴの成長を行った。
【００３０】
先ず、真空チャンバー内のステージ上に上記の基板を載置固定し、真空チャンバー内部を高真空状態、例えば１０-3Ｐａのオーダーに調節する。
続いて、基板の表面温度を５１０℃程度に調節し、水素を用いて基板表面を洗浄する。そして、基板の表面温度を５４０℃程度に調節し、原料ガスとしてアセチレンとアルゴンとの混合ガス（混合比１：９）を用い、総圧１ｋＰａとしてＣＮＴを成長させる。
ここで、成長したＣＮＴは、用いた金属触媒によりその直径は異なるが、概ね５ｎｍ〜３０ｎｍ程度の直径に形成され、それぞれ電極面から略垂直に林立して、ＣＮＴ束を構成する。
【００３１】
＜開端方法＞
ＣＮＴ１１の先端の開端処理は、酸素雰囲気中での加熱や酸素プラズマを用いて行う。基板から成長したＣＮＴ１１の先端部分は、ほとんど６員環のみで構成される側壁部分と比較して最も活性な５員環を有しており、その先端部分が優先的に化学反応することでＣＮＴ１１が開端される。なお、ＣＮＴ１１の根元部分は基板と接合しているため、上記のような化学反応は起きない。一例として、以下のように開端処理を行った。
【００３２】
真空チャンバー内のステージ上に、ＣＮＴ１１が成長してＣＮＴ束３が形成されてなる基板を載置固定し、真空チャンバー内の酸素雰囲気を１ｋＰａ程度に調節する。基板の表面温度を５１０℃程度に調節し、ＣＮＴの開端を行う。
【００３３】
＜フラーレン分子の内包方法＞
フラーレン分子１２のＣＮＴ１１内への内包は、フラーレン分子１２を昇華させたフラーレン雰囲気中に、上記の方法により先端が開端されたＣＮＴ１１からなるＣＮＴ束３を設置することで行われる。ＣＮＴ１１内はエネルギー的に安定のため、フラーレン分子１２は選択的にＣＮＴ１１内部に内包される。一例として、以下のようにフラーレン分子１２の昇華及び内包を行った。
【００３４】
先ず、真空チャンバー内のステージ上に、開端されたＣＮＴ１１が成長してＣＮＴ束３が形成されてなる基板を載置固定し、加熱台の上にフラーレンの入った坩堝を設置する。
続いて、真空チャンバー内部を高真空状態、例えば１０-3Ｐａのオーダーに調節した後、坩堝を５５０℃程度に加熱することにより、フラーレン分子１２を昇華させてＣＮＴ１１内部に内包させる。
【００３５】
＜ＣＮＴ外壁面の開孔形成方法＞
ＣＮＴの両端が電極で覆われた状態で、酸素雰囲気中で加熱（５１０℃程度）する。この加熱処理の代わりに酸素プラズマ処理を行うようにしても良い。そうすると、最も活性な先端部分は既に電極で覆われていることから、次に酸素と反応するのは外壁に成長時に多くの場合形成される欠陥部分である。従って、先端の開孔と同様に酸化により外壁面の開孔が可能となる。もちろん、先端の開孔の際にもある程度の穴は空いている可能性はあるが、反応し易さでは圧倒的に先端部分が優位である。また、酸素雰囲気中に暴露する時間、酸素圧力、そして加熱温度を調整することで開孔部分の大きさをある程度は制御することが可能である。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態のガスセンサでは、ＣＮＴ束３を構成する各ＣＮＴ１１の内部に多数のフラーレン分子１２が充填されており、これらフラーレン分子１２が気体検知体として機能する。従って、センスサイト数が極めて多く、またＣＮＴ１１が並列に整列してＣＮＴ束３が構成されているため、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００３７】
［第２の実施形態］
以下、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態で開示した構成部材等と同様のものについては、便宜上同符号を付する。
【００３８】
（ガスセンサの主要構成）
図２は、第２の実施形態によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本実施形態のガスセンサは、図２（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束２１が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。
【００３９】
ＣＮＴ束２１は、複数のＣＮＴ２２が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ２２は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００４０】
各ＣＮＴ２２は、図２（ｂ）に示すように、その外壁面に電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体、ここでは電荷授受体である例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ径の金属微粒子２３が多数接合されている。金属微粒子２３としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種を用いる。
【００４１】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図２（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ２２の側壁に接合した金属微粒子２３に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）が金属微粒子２３に移動し、これに起因してＣＮＴ２２のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束２１により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００４２】
ここで、金属微粒子２３として、特定の気体分子のみを吸着させる金属微粒子を選んで用いることにより、同様に当該特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。例えば、金属微粒子として水素吸蔵物質であるＬａＮｉ5合金を用いることにより、ＬａＮｉ5合金は水素とより強く化学反応するため、本実施形態のガスセンサを水素センサとして利用することができる。
【００４３】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
本実施形態のガスセンサを製造するに際して、ＣＮＴ２２の成長処理については第１の実施形態で説明した成長方法と同様である。
金属微粒子２３は、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等によりＣＮＴ２２の外壁面に蒸着される。
【００４４】
以上説明したように、本実施形態のガスセンサでは、ＣＮＴ束２１を構成する各ＣＮＴ２２の外壁面に多数の金属微粒子２３が蒸着されており、これら金属微粒子２３が気体検知体として機能する。従って、センスサイト数が極めて多く、またＣＮＴ２２が並列に整列してＣＮＴ束２１が構成されているため、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００４５】
［変形例］
以下、第２の実施形態の諸変形例について説明する。これらの変形例では、第２の実施形態と略同様の構成のガスセンサを開示するが、ＣＮＴ束を構成する各ＣＮＴが異なる点で相違する。ここでは、第２の実施形態で開示した構成部材等と同様のものについては、便宜上同符号を付する。
【００４６】
（変形例１）
（ガスセンサの主要構成）
図３は、第２の実施形態の変形例１によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本例のガスセンサは、図３（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束３１が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。
【００４７】
ＣＮＴ束３１は、複数のＣＮＴ３２が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ３２は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００４８】
各ＣＮＴ３２は、図３（ｂ）に示すように、その外壁面に電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体３３が多数接合されている。各気体検知体３３は、図３（ｃ）に示すように、電荷授受体である例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ径の金属微粒子３４の表面に多数のフラーレン分子３５が蒸着されて構成されている。金属微粒子３４としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種を用いる。
【００４９】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図３（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ３２の側壁に接合した気体検知体３３のフラーレン分子３５に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）が金属微粒子３４に移動し、これに起因してＣＮＴ３２のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束３１により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００５０】
ここで、フラーレン分子３５に所定の化学修飾、例えば化学変換法を施すことにより、フラーレン分子３５に特定の気体分子のみを吸着させることが可能であり、この構成によって特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。
【００５１】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
本実施形態のガスセンサを製造するに際して、ＣＮＴ３２の成長処理については第１の実施形態で説明した成長方法と同様である。
金属微粒子３４は、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等によりＣＮＴ３２の外壁面に蒸着される。フラーレン分子３５も同様に、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等により金属微粒子３４の表面に蒸着される。
【００５２】
以上説明したように、変形例１のガスセンサでは、ＣＮＴ束３１を構成する各ＣＮＴ３２の外壁面に多数の金属微粒子３４が蒸着され、更に各金属微粒子３４の表面に多数のフラーレン分子３５が蒸着されており、これらフラーレン分子３５が気体検知体として機能する。従って、センスサイト数が極めて多く、またＣＮＴ３２が並列に整列してＣＮＴ束３１が構成されているため、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００５３】
（変形例２）
（ガスセンサの主要構成）
図４は、第２の実施形態の変形例２によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本例のガスセンサは、図４（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束４１が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。なお、図示の便宜上、図４（ａ）では後述する枝状のＣＮＴ４４の記載を省略する。
【００５４】
ＣＮＴ束４１は、複数のＣＮＴ４２が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ４２は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００５５】
各ＣＮＴ４２は、図４（ｂ）に示すように、その外壁面にＣＮＴの触媒金属微粒子４３が多数蒸着しており、これら触媒金属微粒子４３から枝状にＣＮＴ４４がそれぞれ形成されている。そして、枝状の各ＣＮＴ４４の外壁面に電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体、ここでは電荷授受体である例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ径の金属微粒子４５が多数接合されている。触媒金属微粒子４３としては、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等のうちから選ばれた少なくとも１種を、金属微粒子４５としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種をそれぞれ用いる。
【００５６】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図４（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ４４の側壁に接合した金属微粒子４５に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）が金属微粒子４５に移動し、これに起因してＣＮＴ４４，４３のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束４１により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００５７】
ここで、金属微粒子４５として、特定の気体分子のみを吸着させる金属微粒子を選んで用いることにより、同様に当該特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。例えば、金属微粒子として水素吸蔵物質であるＬａＮｉ5合金を用いることにより、ＬａＮｉ5合金は水素とより強く化学反応するため、本例のガスセンサを水素センサとして利用することができる。
【００５８】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
本実施形態のガスセンサを製造するに際して、ＣＮＴ４２の成長処理については第１の実施形態で説明した成長方法と同様である。
ＣＮＴ４２に枝状のＣＮＴ４４を成長させるには、先ず、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等により触媒金属微粒子４３をＣＮＴ４２の外壁部分に蒸着する。そして、ＣＮＴ４２の成長方法と同様に、再度ＣＶＤ法等を用いてＣＮＴ４４の成長を行う。
金属微粒子４５は、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等によりＣＮＴ４４の外壁面に蒸着される。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態のガスセンサでは、ＣＮＴ束４１を構成する各ＣＮＴ４２の外壁面から枝分かれした多数のＣＮＴ４４が形成され、これらＣＮＴ４４の外壁面に多数の金属微粒子４５が蒸着されており、これら金属微粒子４５が気体検知体として機能する。枝分かれにより、各ＣＮＴ４２毎のＣＮＴ４４の数は極めて多く、しかもそれぞれのＣＮＴ４４に多数の金属微粒子４５が蒸着しているため、ガス分子１０のセンスサイト数が極めて多い。従って、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００６０】
（変形例３）
（ガスセンサの主要構成）
図５は、第２の実施形態の変形例３によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
本例のガスセンサは、図５（ａ）に示すように、一対の電極、例えば平行平板電極１，２間にＣＮＴ束５１が設けられており、平行平板電極１，２間に所定電圧を印加する電源４が接続されて構成されている。図５（ａ）では後述する枝状のＣＮＴ５４の記載を省略する。
【００６１】
ＣＮＴ束５１は、複数のＣＮＴ５２が平行平板電極１，２間を架橋するように各々並列に整列して構成されている。各ＣＮＴ５２は電極面から略垂直に林立し、互いに殆ど物理吸着することなく平行平板電極１，２間を接続する。
【００６２】
各ＣＮＴ５２は、図５（ｂ）に示すように、その外壁面にＣＮＴの触媒金属微粒子５３が多数蒸着しており、これら触媒金属微粒子５３から枝状にＣＮＴ５４がそれぞれ形成されている。そして、枝状の各ＣＮＴ５４の外壁面に電荷授受体又は電荷受容体として機能する気体検知体５５が多数接合されている。各気体検知体５５は、図５（ｃ）に示すように、電荷授受体である例えば２ｎｍ〜１０ｎｍ径の金属微粒子５６の表面に、電荷受容体である多数のフラーレン分子５７が蒸着されて構成されている。触媒金属微粒子５３としては、Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ等のうちから選ばれた少なくとも１種を、金属微粒子５６としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金等のうちから選ばれた少なくとも１種をそれぞれ用いる。
【００６３】
このガスセンサでは、平行平板電極１，２間に電源４から所定電圧を印加した状態で、図５（ｃ）に示すように、被検知対象であるガス分子１０がＣＮＴ５４の側壁に接合した気体検知体５５のフラーレン分子５７に化学吸着する。このとき、ガス分子１０の電荷（電子）がフラーレン分子５７に移動し、これに起因してＣＮＴ５２，５４のコンダクタンスが変化する。このコンダクタンスの変化、即ちＣＮＴ束５１により接続された平行平板電極１，２間のコンダクタンスの変化を測定する。
【００６４】
ここで、フラーレン分子５７に所定の化学修飾、例えば化学変換法を施すことにより、フラーレン分子５７に特定の気体分子のみを吸着させることが可能であり、この構成によって特定の気体分子のみを選択的にセンシングすることが可能となる。
【００６５】
（ガスセンサを製造する際の主要プロセス）
本実施形態のガスセンサを製造するに際して、ＣＮＴ５２の成長処理については第１の実施形態で説明した成長方法と同様である。
ＣＮＴ５２に枝状のＣＮＴ５４を成長させるには、先ず、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等により触媒金属微粒子５３をＣＮＴ５２の外壁部分に蒸着する。そして、ＣＮＴ５２の成長方法と同様に、再度ＣＶＤ法等を用いてＣＮＴ５４の成長を行う。
【００６６】
金属微粒子５６は、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等によりＣＮＴ５２の外壁面に蒸着される。フラーレン分子５７も同様に、ＭＢＥ法やＰＬＤ法等により金属微粒子５６の表面に蒸着される。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態のガスセンサでは、ＣＮＴ束５１を構成する各ＣＮＴ５２の外壁面から枝分かれした多数のＣＮＴ５４が形成され、これらＣＮＴ５４の外壁面に多数の金属微粒子５６が蒸着され、更に各金属微粒子５６の表面に多数のフラーレン分子５７が蒸着されており、これらフラーレン分子５７が気体検知体として機能する。枝分かれにより、各ＣＮＴ５２毎のＣＮＴ５４の数は極めて多く、しかもそれぞれのＣＮＴ５４に多数の金属微粒子５６が蒸着し、更にはそれぞれの金属微粒子５６に多数のフラーレン分子５７が蒸着しているため、ガス分子１０のセンスサイト数が極めて多い。従って、ＣＮＴ自体のセンシング能力に依存することなく極めて高い感度を安定して得ることができる。更には、特定のガス分子に対する選択的なセンシングをも可能とする高性能のガスセンサが実現する。
【００６８】
以下、本発明の諸態様について、付記としてまとめて記載する。
【００６９】
（付記１）一対の電極と、
前記電極間を電気的に接続する炭素元素からなる線状構造体と、
前記線状構造体に設けられた気体検知体と
を含み、
前記気体検知体に気体分子が吸着することによる前記線状構造体のコンダクタンスの変化を測定することを特徴とする気体検知装置。
【００７０】
（付記２）複数の前記線状構造体が、並列に整列して前記電極間を架橋することを特徴とする付記１に記載の気体検知装置。
【００７１】
（付記３）前記気体検知体は、前記線状構造体の内部に充填されたものであることを特徴とする付記１又は２に記載の気体検知装置。
【００７２】
（付記４）前記気体検知体は、フラーレン分子であることを特徴とする付記３に記載の気体検知装置。
【００７３】
（付記５）前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする付記３に記載の気体検知装置。
【００７４】
（付記６）前記金属微粒子は、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金のうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記５に記載の気体検知装置。
【００７５】
（付記７）前記線状構造体の側壁に気体分子が透過する開孔が形成されており、
前記開孔は、特定径以下の前記気体分子のみを透過させるように、その孔径が制御されていることを特徴とする付記３〜６のいずれか１項に記載の気体検知装置。
【００７６】
（付記８）前記気体検知体は、前記線状構造体の外壁面に接合したものであることを特徴とする付記１又は２に記載の気体検知装置。
【００７７】
（付記９）前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする付記８に記載の気体検知装置。
【００７８】
（付記１０）前記気体検知体は、金属微粒子と前記金属微粒子の表面に蒸着されたフラーレン分子とからなることを特徴とする付記８に記載の気体検知装置。
【００７９】
（付記１１）前記金属微粒子は、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金のうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記９又は１０に記載の気体検知装置。
【００８０】
（付記１２）前記線状構造体の外壁面に吸着した触媒微粒子から枝状の線状構造体が形成されており、
前記気体検知体は、前記枝状の線状構造体の外壁面に接合したものであることを特徴とする付記１又は２に記載の気体検知装置。
【００８１】
（付記１３）前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする付記１２に記載の気体検知装置。
【００８２】
（付記１４）前記気体検知体は、金属微粒子と前記金属微粒子の表面に蒸着されたフラーレンとからなることを特徴とする付記１２に記載の気体検知装置。
【００８３】
（付記１５）前記金属微粒子は、Ｔｉ，Ｎｉ，Ｃｏ，Ｆｅ，Ｐｔ，ＬａＮｉ5合金，Ｔｉ−Ｆｅ合金のうちから選ばれた少なくとも１種であることを特徴とする付記１３又は１４に記載の気体検知装置。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１の実施形態によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図２】第２の実施形態によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図３】第２の実施形態の変形例１によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図４】第２の実施形態の変形例２によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図５】第２の実施形態の変形例３によるガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【図６】従来のガスセンサの主要構成を示す模式図である。
【符号の説明】
【００８５】
１，２ 平行平板電極
３，２１，３１，４１，５１ ＣＮＴ束
４ 電源
１０ ガス分子
１１，２２，３２，４２，５２ ＣＮＴ
１２，３５，５７ フラーレン分子
１３ 開孔
２３，３４，４５，５６ 金属微粒子
３３，５５ 気体検知体
４３，５３ 触媒金属微粒子
４４，５４ 枝状のＣＮＴ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の電極と、
前記電極間を電気的に接続する炭素元素からなる線状構造体と、
前記線状構造体に設けられた気体検知体と
を含み、
前記気体検知体に気体分子が吸着することによる前記線状構造体のコンダクタンスの変化を測定することを特徴とする気体検知装置。
【請求項２】
複数の前記線状構造体が、並列に整列して前記電極間を架橋することを特徴とする請求項１に記載の気体検知装置。
【請求項３】
前記気体検知体は、前記線状構造体の内部に充填されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体検知装置。
【請求項４】
前記線状構造体の側壁に気体分子が透過する開孔が形成されており、
前記開孔は、特定径以下の前記気体分子のみを透過させるように、その孔径が制御されていることを特徴とする請求項３に記載の気体検知装置。
【請求項５】
前記気体検知体は、前記線状構造体の外壁面に接合したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体検知装置。
【請求項６】
前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする請求項５に記載の気体検知装置。
【請求項７】
前記気体検知体は、金属微粒子と前記金属微粒子の表面に蒸着されたフラーレン分子とからなることを特徴とする請求項５に記載の気体検知装置。
【請求項８】
前記線状構造体の外壁面に吸着した触媒微粒子から枝状の線状構造体が形成されており、
前記気体検知体は、前記枝状の線状構造体の外壁面に接合したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体検知装置。
【請求項９】
前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする請求項８に記載の気体検知装置。
【請求項１０】
前記気体検知体は、金属微粒子と前記金属微粒子の表面に蒸着されたフラーレンとからなることを特徴とする請求項８に記載の気体検知装置。
【請求項１】
一対の電極と、
前記電極間を電気的に接続する炭素元素からなる線状構造体と、
前記線状構造体に設けられた気体検知体と
を含み、
前記気体検知体に気体分子が吸着することによる前記線状構造体のコンダクタンスの変化を測定することを特徴とする気体検知装置。
【請求項２】
複数の前記線状構造体が、並列に整列して前記電極間を架橋することを特徴とする請求項１に記載の気体検知装置。
【請求項３】
前記気体検知体は、前記線状構造体の内部に充填されたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体検知装置。
【請求項４】
前記線状構造体の側壁に気体分子が透過する開孔が形成されており、
前記開孔は、特定径以下の前記気体分子のみを透過させるように、その孔径が制御されていることを特徴とする請求項３に記載の気体検知装置。
【請求項５】
前記気体検知体は、前記線状構造体の外壁面に接合したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体検知装置。
【請求項６】
前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする請求項５に記載の気体検知装置。
【請求項７】
前記気体検知体は、金属微粒子と前記金属微粒子の表面に蒸着されたフラーレン分子とからなることを特徴とする請求項５に記載の気体検知装置。
【請求項８】
前記線状構造体の外壁面に吸着した触媒微粒子から枝状の線状構造体が形成されており、
前記気体検知体は、前記枝状の線状構造体の外壁面に接合したものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の気体検知装置。
【請求項９】
前記気体検知体は、金属微粒子であることを特徴とする請求項８に記載の気体検知装置。
【請求項１０】
前記気体検知体は、金属微粒子と前記金属微粒子の表面に蒸着されたフラーレンとからなることを特徴とする請求項８に記載の気体検知装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−１１２８１９（Ｐ２００６−１１２８１９Ａ）
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９７７１０（Ｐ２００４−２９７７１０）
【出願日】平成１６年１０月１２日（２００４．１０．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度、文部科学省、「カーボンナノチューブのデバイス応用に関する研究」委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１２日（２００４．１０．１２）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１５年度、文部科学省、「カーボンナノチューブのデバイス応用に関する研究」委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５２２３）富士通株式会社 (25,993)
【Ｆターム（参考）】
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