气体传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种气体传感器，与现有的气体传感器相比能够以简单结构提高对气体的检测灵敏度。在该气体传感器中，在离子液体(IL)中形成有具有栅绝缘层的双电层，因吸收气体而产生的离子液体(IL)的栅绝缘层的状态变化直接反映到在碳纳米管(8)中流动的源漏电流(Isd)，因此与现有的气体传感器相比能够提高对气体的检测灵敏度。另外，只要将离子液体(IL)按照与碳纳米管(8)和栅极(7)接触的方式设置在基板(2)上即可，因此不需要像现有的气体传感器那样用多种聚合物对碳纳米管进行表面化学修饰的结构，因此能够使其结构相应地变得简单。
【专利说明】气体传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及气体传感器，例如为适用于CO2或NH3等气体检测的气体传感器。
【背景技术】
[0002]近几年，正进行着对能够检测如CO2或NH3等各种气体的气体传感器的研究，其中，从对气体的检测灵敏度、小型化及节能的观点考虑，例如利用碳纳米管(CNTs)的气体传感器尤其被受关注(例如，参照专利文献I及非专利文献I)。实际上，利用这种碳纳米管的气体传感器，为了检测例如作为检测对象的CO2，具有用两种聚合物对设置在源极和漏极之间的碳纳米管进行表面化学修饰的结构。另外，该气体传感器是按照在该硅背栅上通过硅氧化膜配置有碳纳米管、且能够向硅背栅施加栅电压的方式构成。
[0003]现有技术文献
[0004]专利文献
[0005]专利文献1:特表2007-505323号公报
[0006]非专利文献
[0007]非专利文献1:A.Star, T.R.Han, V.Joshi, J.C.P.Gabriel, G.Gruner，“ Nanoelectronic Carbon Dioxide Sensors，，，AdvancedMaterials, Vol.16，N0.22，2004.
【发明内容】
[0008]但是，为了能够用碳纳米管检测C02，由上述结构构成的气体传感器需要用两种聚合物对该碳纳米管进行表面化学修饰，因此，存在其结构相应地变复杂的问题。另外，这种气体传感器虽然能够检测作为检测对象的气体，但是为了能够检测更为微量的气体，希望提闻检测灵敏度。
[0009]因此，本发明是鉴于上述问题而做出的发明，其目的在于提供一种结构简单、且与现有的气体传感器相比能够提高对气体的检测灵敏度的气体传感器。
[0010]本发明的权利要求1是一种气体传感器，检测作为检测对象的气体，其特征在于，所述气体传感器包括:碳纳米管，所述碳纳米管设置在基板上的源极和漏极之间，并且源漏电流在所述碳纳米管中流动；气体吸收液体，所述气体吸收液体按照覆盖所述碳纳米管的方式配置，其中，根据因所述气体吸收液体吸收所述气体而在所述碳纳米管上产生的源漏电流的变化，检测所述气体。
[0011 ] 另外，本发明的权利要求2是一种气体传感器，其特征在于，所述气体吸收液体与所述碳纳米管和所述基板上的栅极接触以成为栅绝缘层，因所述气体吸收液体吸收所述气体而所述栅绝缘层的状态发生变化，根据基于所述栅绝缘层的状态而产生的所述源漏电流的变化，检测所述气体。
[0012]根据本发明的权利要求1，由于因吸收气体而产生的气体吸收液体中的电荷的状态变化直接反映到碳纳米管中流动的源漏电流，因此与现有的气体传感器相比能够提高对气体的检测灵敏度。另外，没必要像现有的气体传感器一样在碳纳米管自身上进行表面化学修饰，只要将气体吸收液体按照与碳纳米管接触的方式设置即可，因此能够使其结构相应地变得简单。
[0013]另外，根据本发明的权利要求2，由于因吸收气体而产生的气体吸收液体的栅绝缘层的状态变化直接反映到碳纳米管中流动的源漏电流，因此与现有的气体传感器相比能够提高对气体的检测灵敏度。另外，没必要像现有的气体传感器一样在碳纳米管自身上进行表面化学修饰，只要将气体吸收液体按照与碳纳米管和栅极接触的方式设置即可，因此能够使其结构相应地变得简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1为示出根据本发明的气体传感器结构的立体图；
[0015]图2为示出根据本发明的气体传感器的上表面结构的概要图；
[0016]图3为示出图2中的A-A^部分的截面结构的截面图；
[0017]图4为示出图2中的B-B^部分的截面结构的截面图；
[0018]图5为用于说明双电层的概要图；
[0019]图6为示出源漏电流和栅电压之间变化的坐标图； [0020]图7为用于气体传感器制造方法说明(I)的概要图；
[0021]图8为用于气体传感器制造方法说明(2)的概要图；
[0022]图9为用于气体传感器制造方法说明(3)的概要图；
[0023]图10为用于气体传感器制造方法说明⑷的概要图；
[0024]图11为用于气体传感器制造方法说明(5)的概要图；
[0025]图12为示出实际制造的气体传感器结构的照片；
[0026]图13为将图12的一部分进行放大的照片和示出碳纳米管详细结构的SEM照片；
[0027]图14为示出气体传感器所得到的源漏电流Isd和栅电压Vg之间关系的坐标图；
[0028]图15为示出泄漏电流Ig和栅电SVg之间关系的坐标图；
[0029]图16为示出实验装置的整体构成的概要图；
[0030]图17为示出CO2和外部空气的混合气体、以及只有外部空气时的源漏电流Isd和栅电压Vg之间关系的坐标图；
[0031]图18为示出NH3和外部空气的混合气体、以及只有外部空气时的源漏电流Isd和栅电压Vg之间关系的坐标图；
[0032]图19为示出位移电压Vshift和NH3浓度之间关系的坐标图；
[0033]图20为示出利用金属性碳纳米管的气体传感器的源漏电流Isd和栅电压Vg之间关系的坐标图；
[0034]图21为示出利用半导体性碳纳米管的气体传感器的源漏电流13(1和栅电压\之间关系的坐标图；
[0035]图22为示出根据其它实施方式的气体传感器(I)结构的立体图；
[0036]图23为示出图22中的C_(T部分的截面结构的截面图；
[0037]图24为示出图22中的D-N部分的截面结构的截面图；
[0038]图25为示出根据其它实施方式的气体传感器(2)的截面结构的截面图；[0039]图26为示出根据其它实施方式的气体传感器(3)结构的立体图。
[0040]附图标号说明
[0041]1、31、41、51 气体传感器
[0042]2 基板
[0043]3 源极
[0044]4 漏极
[0045]5第一栅极部
[0046]6第二栅极部
[0047]7 栅极
[0048]8碳纳米管
[0049]IL离子液体(气体吸收液体)
[0050]42被覆膜(保持装置)
[0051]52框体(保持装置)
【具体实施方式】
[0052]以下，结合附图详细说明本发明的实施方式。
[0053](I)本发明的气体传感器的概要
[0054]在图1中，I表示本发明的气体传感器，该气体传感器I能够将例如CO2或NH3等气体作为检测对象来进行检测。实际上，在气体传感器I中，在板状基板2上具有带状的源极3和漏极4,并在源极3和漏极4之间设置有碳纳米管8。源极3和漏极4例如由Ti/Au部件或Cr/Au部件构成，并且使其长度方向弄齐而配置成大体直线状，在相对而置的源极3的端部和漏极4的端部之间形成有约I μ m的间隙。
[0055]碳纳米管8按照下述方式配置:碳纳米管8的一端与源极3的端部电连接，而另一端与漏极4的端部电连接，并且碳纳米管8配置成与源极3和漏极4呈直线状。在此，碳纳米管8具有碳原子呈六元环的构造卷成筒状的结构，由于碳纳米管8比表面积大，因此相应地与后述的离子液体IL接触的接触面大，并且还具备优良的导电性。
[0056]在基板2上设置有例如由Ti/Au部件构成的栅极7，离子液体IL按照与该栅极7接触的方式被载置，碳纳米管8可以在该离子液体IL内。栅极7由形状和大小相同的第一栅极部5和第二栅极部6构成，在第一栅极部5和第二栅极部6之间的间隙Gl中可以配置碳纳米管8、源极3和漏极4。具体来说，在该实施方式中，如图2所示，图2示出图1的区域E的上表面结构，第一栅极部5和第二栅极部6呈半圆状，第一栅极部5的直线部5a和第二栅极部6的直线部6a平行配置并以预定的间隙Gl间隔开，在直线部5a、6a之间的间隙Gl内，碳纳米管8、源极3和漏极4使其长度方向弄齐而配置成直线状。
[0057]离子液体IL以半球状被载置于第一栅极部5、第二栅极部6、源极3和漏极4上，以使覆盖整个碳纳米管8，离子液体IL能够起到栅绝缘层的作用。离子液体IL按照下述方式构成:离子液体IL的半球状的液体表面暴露在外部空气中，且这些第一栅极部5、第二栅极部6、源极3和漏极4的中心部的碳纳米管8存在于离子液体IL内部。在此，作为气体吸收液的离子液体IL例如由[EMM] [BF4] (1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)或[BMIM][BF4] (1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐)、[BMIM] [PF6] (1-丁基_3_甲基咪唑六氟磷酸盐)、[ΟΜΙΜ] [Br] (1-正辛基-3-甲基咪唑溴盐)构成，除此之外，例如由[Hmpy] [Tf2N]、[HMIM][Tf2N]、[BMIM] [Tf2N]、[C6H4F9Hiim] [Tf2N]、[AMIM] [BF4]、[Pabim] [BF4]、[Am-1m] [DCA]、[Am-1m] [BF4]、[BMIM] [BF4]+PVDF、[C3NH2mim] [CF6SO3]+PTFE、[C3NH2mim] [Tf2N] +PTFE,[H2NC3H6mim] [Tf2N] + 交联尼龙 66、P [VBBI] [BF4]、P [ΜΑΒΙ] [BF4]、P [VBBI] [Tf2N]、P [VBTMA][BFJ、P[MATMA] [BF4]等构成，根据作为检测对象的气体种类，可以适当地选择能够吸收该气体的离子液体。
[0058]在此，例如，在做成能够检测CO2的气体传感器I的情况下，作为离子液体IL使用能够吸收 CO2 的[EMM] [BF4]、[EMM] [BF4]、[BMIM] [BF4]、[BMIM] [PF6]、[Hmpy][Tf2N]、[HMIM] [Tf2N]、[BMIM] [Tf2N]、[C6H4F9mim] [Tf2N]、[AMIM] [BF4]、[Pabim] [BF4]、[Am-1m] [DCA]、[Am-1m] [BF4], [BMIM] [BF4]+P VDF, [C3NH2mim] [CF6SO3]+PTFE、[C3NH2mim][Tf2N] +PTFE, [H2NC3H6mim] [Tf2N] + 交联尼龙 66、P [VBBI] [BF4]、P [ΜΑΒΙ] [BF4]、P [VBBI][Tf2N]、P[VBTMA] [BF4]、P[MATMA] [BF4]等。另外，在做成能够检测NH3的气体传感器I的情况下，作为离子液体IL使用能够吸收NH3的[EMIM] [BF4]等吸收水的全部离子液体。
[0059]另外，在该离子液体IL中还可以添加例如PEI (聚乙烯亚胺)。添加PEI的离子液体IL中，PEI的氨基向碳纳米管8转移电荷，由此能够降低碳纳米管8的电阻值。添加PEI的离子液体IL中，在吸收气体时，PEI与CO2或H2O产生反应，PEI的氨基减少。因此，利用了这种添加PEI的离子液体IL的气体传感器I中，如果离子液体IL吸收CO2含有量高的外部空气，则离子液体IL中的PEI的氨基减少，其结果是，可导致碳纳米管8的电阻值增加，根据外部空气中的CO2含有量，碳纳米管8的电性状态也会发生变化。
[0060]此外，在上述的实施方式中，关于作为气体吸收液体，叙述了适用离子液体IL的情况，但本发明并不局限于此，例如碱金属和碱土金属的氢氧化物水溶液等其它种类的气体吸收液体也适用。另外，作为气体吸收液体适用碱金属和碱土金属的氢氧化物水溶液时，由于能够吸收CO2,因此能够实现检测对象为CO2的气体传感器。
[0061]在此，在该实施方式中，如图3和图4所示，载置有离子液体IL的基板2具有在硅基板10上形成有硅氧化膜11的结构，在该硅氧化膜11上设置有源极3、漏极4、第一栅极部5和第二栅极部6，其中，图3示出图2中的A-Ai部分的截面结构，图4示出图2中的B-Bi部分的截面结构。另外，如图3所示，碳纳米管8如下构成:碳纳米管8的一端被源极3覆盖，另一端被漏极4覆盖，并且碳纳米管8与源极3和漏极4电连接。这样，通过碳纳米管8的两端被源极3和漏极4覆盖，由此能够将碳纳米管8的两端牢固地固定在基板2上，因此，当离子液体IL滴下来时离子液体IL不会从基板2上脱离，就照原样能够维持同源极3和漏极4的电连接状态。
[0062]另外，这样的碳纳米管8由直径约为I?IOnm的碳纳米管构成，并从设置在硅氧化膜11上的催化部12沿着硅氧化膜11以直线状延伸而形成。催化部12例如由将Co和二氧化硅按预定比例混合的部件构成，并且催化部12与碳纳米管8的另一端一起被漏极4覆盖。如图3所示，这种气体传感器I通过电源13从源极3向漏极4提供源漏电流，并且，如图4所示，通过电源15向第一栅极部5和第二栅极部6施加栅电压。
[0063]由此，如图3和图4所示，在气体传感器I中，如果向与碳纳米管8相对而置的第一栅极部5施加栅电压，则在离子液体IL内产生电位差，为了保持平衡，电荷被供给至碳纳米管8。具体来说，如果向第一栅极部5施加负电压，则如图4所示离子液体IL内的电荷极化，如图3和图4所示负电荷聚集在碳纳米管8的表面。另外，相反地还可以向第一电极部5施加正电压，此时同样地离子液体IL内的电荷也极化，正电荷聚集在碳纳米管8的表面。
[0064]这样，例如，如果向栅极7施加负电压，则如图5所示，在气体传感器I中，离子液体IL中的阴离子聚集在碳纳米管8的侧周面上，离子液体IL中的阳离子聚集在第一栅极部5(第二栅极部6也同样)上，由此在离子液体IL中形成双电层(在图5中用“O”表示的层和用“Φ”表示的层)，并且该离子液体IL可成为绝缘层。
[0065]即，在该气体传感器I中，通过向第一栅极部5和第二栅极部6施加栅电压\、向源极3和漏极4之间施加源漏电压Vsd，由此在离子液体IL中形成极薄的栅绝缘层，同时源漏电流Isd在碳纳米管8中流动，由此该气体传感器I可起到晶体管的作用。除此之外，在由这种结构构成的气体传感器I中，如果离子液体IL吸收作为检测对象的气体，则离子液体IL中的栅绝缘层的状态根据气体的吸收量而发生变化，源漏电流和栅电压特性也可根据该栅绝缘层的状态变化而相应地发生变化。
[0066]气体传感器I按照下述方式构成:测量这种源漏电流和栅电压特性的变化，并根据该源漏电流和栅电压特性的变化，能够检测作为检测对象的气体。另外，该气体传感器
I按照下述方式构成:测量源漏电流和栅电压的变化量，如果变化量大，则表示离子液体IL周边的气体(下面，将该气体简称为外部空气)中的气体浓度高，相反，如果变化量小，则表示外部空气中的气体浓度低，由此能够推测外部空气中的气体浓度。
[0067]实际上，当气体传感器I的碳纳米管为金属性碳纳米管时，如图6所示，当离子液体IL周边的气体中未包含作为检测对象的气体时，能够得到源漏电流Isd与栅电压Vg之间关系为大致“V”字状的波形。与之对应，当离子液体IL周边的气体中作为检测对象的气体浓度高时，气体传感器I的栅电压Vg可发生位移，其位移量为位移电压Vshift。并且，如果外部空气中的气体浓度变大，则该位移电压Vshift会与气体浓度成正比地增加。这样，在本发明的气体传感器I中，根据源漏电流Isd或根据由源漏电流Isd的变化引起的栅电压\的变化，能够检测外部空气中所包含的气体或能够推测出该气体的含有量。
[0068]另外，在上述实施方式中对这样的气体传感器I进行了说明:在该气体传感器I中设置有栅极7，通过向构成该栅极7的第一栅极部5和第二栅极部6施加栅电压Vg，在离子液体IL中的碳纳米管8的表面上形成双电层，由于离子液体IL吸收气体而双电层的状态发生变化，由此测量碳纳米管8中流动的源漏电流Isd的变化。但是，本发明的气体传感器并不局限于此，还可以是下述的气体传感器:在该气体传感器中，不设置栅极7，而仅通过离子液体IL吸收气体，由此仅测量源极3和漏极4之间设置的碳纳米管8中流动的源漏电流Isd的变化。
[0069]S卩，在气体传感器I中，即使栅电压Vg为0V，但由于多孔碳纳米管8存在于离子液体IL中，因此离子液体IL中的负电荷聚集在碳纳米管8的表面。由此，在气体传感器I中，通过离子液体IL吸收气体，离子液体IL内的负电荷和正电荷的状态发生变化，根据这些变化，在碳纳米管8中流动的源漏电流Isd也会发生变化。这样，在该气体传感器I中，即使未设置栅极7，根据碳纳米管8中流动的源漏电流Isd的变化，也能够检测外部空气中所包含的气体或推测该气体的含有量。
[0070](2)气体传感器的制造方法
[0071]接着，说明本发明的气体传感器I的制造方法。在该实施方式中，首先，准备在硅基板10上形成有硅氧化膜11的基板2，在该硅氧化膜11上形成预定图案的抗蚀层。接着，如图7所示，通过旋转涂布法在基板2的抗蚀层18上形成催化层19，在形成于该抗蚀层18的开口 18a内暴露的硅氧化膜11上也形成催化层19。另外，该催化层19使用例如将Co和气相二氧化硅按1:10的比例混合而形成的催化材料。接着，通过剥离来去除抗蚀层18，只留下开口 18a内形成的催化层19，由此形成厚度为3-7 μ m的矩形状的催化部12。
[0072]接着,通过化学气相沉积法(Chemical Vapor Deposition:CVD)从催化部12沉积碳，从而，如图8所示，在硅氧化膜11上形成从该催化部12以直线状延伸的碳纳米管8。接着，在整个面上涂布抗蚀层后，通过曝光来形成图案，如图9所示，例如在暴露于离子液体IL中的碳纳米管8的中央区域上留下抗蚀层21后，在整个面上形成由Ti/Au (5/50)构成的电极层22。接着，通过剥离来去除抗蚀层21，由此对电极层22进行图案化处理，如图10所示，使碳纳米管8的中央区域暴露，且在硅氧化膜11上形成源极3、漏极4以及未图示的第一栅极部5和第二栅极部6。
[0073]接着，如图11所示，按照能够覆盖源极3和漏极4之间暴露的整个碳纳米管8的方式向基板2上滴下离子液体IL，由此能够制造如图12所示的气体传感器1，其中，离子液体IL(图中用“离子液体(1nic liquid) ”标记)与源极3(图中用“源极(Source) ”标记)、漏极4(图中用“漏极(Drain) ”标记)、栅极7(第一栅极部5和第二栅极部6，图中用“IL-栅极(IL-gate Electrodes) ”标记)接触。如将图12的区域ERl放大的图13所示或者如将图13的ER2区域进一步放大的SEM照片所示，如此制造的气体传感器I中，存在于离子液体IL中的碳纳米管8形成于源极3与漏极4之间的微小的间隙内，并且碳纳米管8具有极小的结构。另外，图13中用“催化剂(Catalyst) ”表示的是埋在漏极4中的催化部12，从位于外侧的漏极4也能够确认催化部12的形状。
[0074](3)验证试验
[0075]接着，说明各种验证试验。在此，根据上述的制造方法制造了如下的气体传感器1:在该气体传感器I中，用Ti/Au (膜厚5 [nm]/50 [nm])分别形成源极3、漏极4和栅极7,并且从将Co和气相二氧化硅按1:10的比例混合而成的催化部12开始形成碳纳米管8，源极3和漏极4的间隙为I [ μ m]，碳纳米管8的电阻值为5?100[kQ ]之间。并且，当外部空气中未包含作为检测对象的气体时，在该气体传感器I中对从源极3通过碳纳米管8流向漏极4的源漏电流Isd和向栅极7施加的栅电压Vg之间关系进行查看后得到了如图14所示的结果。
[0076]另外，图14示出当气体传感器I的源极3和漏极4之间的源漏电压Vsd为10mV、且向栅极7施加的栅电压Vg以5mV/sec从-0.3V提高至0.3V时的源漏电流Isd和栅电压Vg之间的关系。从图14可知，当外部空气中未包含作为检测对象的气体时，在该气体传感器I中可得到平滑的接近于“V”字状的波形。
[0077]另外，接着，在该气体传感器I中，对源漏电压Vsd为OmV时的栅极7中流动的泄漏电流Ig进行查看后得到如图15所示的结果。通过将图15所示的结果和源漏电流Isd进行比较后可知，当栅电压Vg处于-0.3V至0.3V之间时，泄漏电流Ig为源漏电流Isd的0.01%左右，泄漏电流Ig为可忽略的微小值。
[0078]接着，针对气体传感器I能否检测作为检测对象的气体，利用如图16所示的实验装置24进行了验证试验。实际上，在该实验装置24中，从气体储藏部27通过阀门29a从供给口 25a向300 X 300 X IOOmm3的腔室25内供给作为检测对象的气体，然后通过阀门29b从排出口 25b向腔室外部排出该气体。另外，在该实验装置24中，将气体传感器I载置于腔室25内的基台26上，在腔室25保持密闭状态的情况下，将设置在腔室25外部的测量装置28和腔室25内的气体传感器I连接。
[0079]在这种实验装置24中，首先，在腔室25内设置将[EMM] [BF4]作为离子液体IL来使用的气体传感器1，然后用未包含作为检测对象的气体的空气(Air)填满该腔室25，然后对此时的气体传感器I的源漏电流Isd与栅电压Vg之间的关系进行查看。然后，向腔室25内供给CO2，用将CO2以12%的混合比例在外部空气(Air:空气)中进行混合而得到的混合气体填满腔室25，在稳定之后对气体传感器I的源漏电流Isd与栅电压Vg之间的关系进行了查看。
[0080]具体来说，在气体传感器I中，将源漏电压Vsd设为10mV，将向栅极7施加的栅电压Vg以5mV/sec从-0.3V提高至0.3V，当对此时的源漏电流Isd进行测量时，得到如图17所示的结果。从图17可知，在本发明的气体传感器I中，如果作为检测对象的0)2混合于外部空气中，则与通常的外部空气的情况相比，其栅电压Vg位移-42.9mV。因此，可以知道，在该气体传感器I中，离子液体IL吸收了作为检测对象的CO2，其结果，导致离子液体IL中形成的栅绝缘层的状态产生变化，由于源漏电流Isd发生变化而发生位移电压Vshift。这样可知，本发明的气体传感器I能够通过测量源漏电流Isd的变化来检测离子液体IL周边的外部空气中的C02。
[0081]接着，清空腔室25后，将作为检测对象的气体由CO2换成NH3，然后在与上述的实验条件相同的实验条件下进行新的实验后得到了如图18所示的结果。在该实验中，向腔室25内供给NH3，用将NH3以2%混合比例在外部空气(Air:空气)中进行混合而得到的混合气体填满腔室25内，在稳定之后查看气体传感器I的源漏电流Isd与栅电压之间的关系。从图18可知，在本发明的气体传感器I中，如果作为检测对象的NH3混合于外部空气中，则与未包含气体的空气(Air)时的情况相比，栅电SVg位移-285.7mV。因此，可以知道，在该气体传感器I中，离子液体IL吸收了作为检测对象的NH3，其结果，在离子液体IL中形成的栅绝缘层的状态发生变化，因源漏电流Isd发生变化而发生位移电压Vshift。这样可知，本发明的气体传感器I通过测量源漏电流Isd的变化来检测离子液体IL周边的外部空气中的NH3。
[0082]接着，重新清空腔室25后，将NH3的浓度改变为40?4000ppm，当测量位移电压Vshift时，得到如图19所示的结果。从图19可知，在该气体传感器I中，位移电压Vshift相对于NH3浓度的对数线性变化，从该结果可知，根据因源漏电流Isd发生变化而产生的位移电压Vshift的变化，能够推测NH3浓度。
[0083]进一步，准备与上述气体传感器不同的气体传感器1，在该气体传感器I中，作为离子液体IL,使用在[EMM] [BF4]中混合有PEI (branched, M.ff.10，000)的离子液体IL,并且碳纳米管8使用金属性碳纳米管。顺便指出的是，关于是金属性碳纳米管，还是后述的半导体性碳纳米管，可以在生成碳纳米管8后，通过测量1-V特性并从其曲线形状来进行判断。
[0084]并且，将具有这种结构的气体传感器I设置在腔室25内后，用空气(Air)填满该腔室25内，然后查看此时的气体传感器I的源漏电流Isd与栅电压Vg之间的关系。然后，向腔室25内供给CO2，用将CO2以24%混合比例在空气(Air)中进行混合而得到的混合气体填满该腔室25内，在稳定之后查看气体传感器I的源漏电流Isd和栅电压Vg之间的关系。该实验同上述实验一样，在气体传感器I的源漏电压Vsd为IOmV,当在栅电压-0.3V至0.3V之间测量源漏电流Isd时，得到如图20所示的结果。
[0085]从图20可知，即使是这种气体传感器1，如果作为检测对象的CO2混合于外部空气中，则与未包含CO2的空气(Air)的情况相比，栅电压Vg也会发生位移。因此，可以知道，SP使是该气体传感器1，离子液体IL也会吸收作为检测对象的CO2,结果在离子液体IL中形成的栅绝缘层的状态发生变化，因金属性碳纳米管中流动的源漏电流Isd发生变化而发生位移电压Vshift，这样可以知道，能够通过测量源漏电流Isd的变化来检测外部空气中的C02。
[0086]另外，准备了和上述的气体传感器不同的气体传感器1，在该气体传感器I中，作为离子液体IL使用[EMM] [BF4]中混合有PEI (branched, M.ff.10，000)的离子液体IL,碳纳米管8使用半导体性碳纳米管。
[0087]并且，具有这种结构的气体传感器I设置在腔室25内后，用空气(Air)填满该腔室25内，然后查看此时的气体传感器I的源漏电流Isd与栅电压Vg之间的关系。然后，向腔室25内供给CO2，用将CO2以25%混合比例在空气(Air)中进行混合而得到的混合气体填满该腔室25内，在稳定之后查看气体传感器I的源漏电流Isd和栅电压Vg之间的关系。同上述实验一样，该实验也是气体传感器I的源漏电压Vsd为10mV，当在栅电压-0.3V至0.3V之间测量源漏电流Isd时，得到如图21所示的结果。
[0088]从图21可知，即使是这种气体传感器1，如果作为检测对象的CO2混合于外部空气中，则与未包含CO2的空气(Air)的情况相比，栅电压Vg也会发生位移。因此可知，在该气体传感器I中也由离子液体IL吸收作为检测对象的CO2,结果在离子液体IL中形成的栅绝缘层的电性状态发生变化，并在半导体性碳纳米管中流动的源漏电流Isd发生变化而发生位移电压Vshift。这样可知，通过测量源漏电流Isd的变化能够检测外部空气中的C02。
[0089](4)作用和效果
[0090]在以上的结构中，在该气体传感器I中，在基板2上的源极3与漏极4之间设置碳纳米管8，并且该碳纳米管8被离子液体IL覆盖。在这种气体传感器I中，由于多孔的碳纳米管8存在于离子液体IL中，因此离子液体IL中的负电荷聚集在碳纳米管8的表面。由此，在气体传感器I中，如果离子液体IL吸收作为检测对象的气体，则在离子液体IL中聚集在碳纳米管8表面的负电荷的状态发生变化，伴随该变化，在碳纳米管8中流动的源漏电流Isd也会发生变化，因此能够根据该源漏电流Isd的变化趋势，检测外部空气中的气体。
[0091]另外，在该气体传感器I中，在基板2上的源极3与漏极4之间设置碳纳米管8，并设置与该碳纳米管8和基板2上的栅极7接触而形成栅绝缘层的离子液体IL，通过栅极7向该离子液体IL施加栅电压。由此，在气体传感器I中，在吸收气体的离子液体IL中形成具有栅绝缘层的双电层，能够起到可以测量在碳纳米管8中流动的源漏电流Isd的晶体管的作用。
[0092]在这种碳纳米管I中，如果离子液体IL吸收作为检测对象的气体，则离子液体IL中的栅绝缘层的状态发生变化，并且离子液体IL中的碳纳米管中流动的源漏电流Isd根据栅绝缘层的状态发生变化，由此能够测量该源漏电流Isd的变化，并根据该源漏电流Isd的变化趋势能够检测外部空气中的气体。
[0093]在此，在特表2007-505323号公报中所示的现有的背栅型气体传感器(未图示)中，在硅背栅和碳纳米管之间，作为栅绝缘层使用例如膜厚为150?200nm的硅氧化膜，因此为了使其起到晶体管的作用，需要电压最大值为15V程度的栅电压。与之相比，在本发明的气体传感器I中，不使用SiO2等硅氧化膜，在设置于碳纳米管8与栅极7之间的离子液体IL中形成极薄的几nm的栅绝缘层，因此即使向栅极7施加0.4V程度的栅电压Vg也能够起到晶体管的作用，从而与现有的气体传感器相比，能够显著地降低栅电压Vg。
[0094]并且，在该气体传感器I中，在吸收气体的离子液体IL自身中形成有栅绝缘层，因吸收气体而产生的离子液体IL的栅绝缘层的状态变化，会直接反映到碳纳米管8中流动的源漏电流，因此与现有的气体传感器相比能够提高对气体的检测灵敏度。并且，在该气体传感器I中，不需要像现有的气体传感器一样对碳纳米管自身进行表面化学修饰，只要将离子液体IL按照与碳纳米管8和栅极7接触的方式设置即可，因此能够使其结构相应地变得简单。
[0095]并且，在该气体传感器I中，由于源漏电流和栅电压特性随着外部空气中的气体浓度的变化而发生变化，因此通过测量该源漏电流和栅电压特性的变化量，并根据其变化量能够推测作为检测对象的气体在外部空气中的含有程度。
[0096]根据以上的结构，通过将源极3与漏极4之间的碳纳米管8设置在离子液体IL中，由此因吸收气体而产生的离子液体IL中的电荷的状态变化会直接反映到碳纳米管8中流动的源漏电流Isd，因此，与现有的气体传感器相比，能够提高对气体的检测灵敏度。另外，因为只要将碳纳米管8配置在离子液体IL中即可，所以不需要像现有气体传感器那样用多种聚合物对碳纳米管进行表面化学修饰，因此能够使其结构相应地变得简单。
[0097]并且，在离子液体IL中形成有包括栅绝缘层的双电层，因吸收气体而产生的离子液体IL的栅绝缘层的状态变化会直接反映到碳纳米管8中流动的源漏电流Isd，因此，与现有的气体传感器相比能够提高对气体的检测灵敏度。另外，因为只要将离子液体IL按照与碳纳米管8和栅极7接触的方式设置在基板2上即可，所以不需要像现有的气体传感器那样用多种聚合物对碳纳米管进行表面化学修饰，因此能够使其结构相应地变得简单。
[0098](5)其它实施方式
[0099]另外，本发明并不局限于本实施方式，在本发明的主要内容的范围内，还可以对实施方式进行多种变形。在上述实施方式中说明的气体传感器I中，离子液体IL不仅载置于源极3和漏极4上，而且还载置于第一栅极部5和第二栅极部6上，但是本发明并不局限于此，如图22、图23、图24所示的气体传感器31也适用，图22在与图1对应的部分用相同符号表示，图23示出图22的C-Ci部分的截面结构，图24示出图22的D-Di部分的截面结构，在该气体传感器31中，离子液体ILl没有覆盖源极3、漏极4、第一栅极部5和第二栅极部6的上表面，而只覆盖被源极3、漏极4、第一栅极部5和第二栅极部6围住的区域G2。
[0100]实际上，在该气体传感器31中，由于将离子液体ILl按照与源极3、漏极4、第一电极部5和第二电极部6的各个侧面接触的方式配置在被源极3、漏极4、第一电极部5和第二电极部6围住的区域G2内，因此能够使离子液体ILl的量减少而实现小型化，并且因其表面张力作用能够将离子液体ILl稳定地设置在基板2上。另外，同上述实施方式一样，在该气体传感器31中，如果通过栅极7向离子液体ILl施加栅电压，则在离子液体ILl中形成具有几nm的栅绝缘层的双电层，能够将离子液体ILl的量减少至刚好能够形成该双电层的几nm程度的栅绝缘层的体积为止。[0101]另外，虽然在上述实施方式中对在基板2上仅仅使离子液体IL滴下的气体传感器I进行了叙述，但本发明并不局限于此，具有如图25所示的结构的气体传感器41也适用，图3与图25中相应部分用相同符号表示，在该气体传感器41中，用聚对二甲苯等的外部空气能够通过的被覆膜42来覆盖离子液体IL的弯曲状的液体表面。在这种情况下，即使向基板2施加外力或使其倾斜等，通过作为保持装置的被覆膜42，也能够将离子液体IL牢固地持续保持在基板2上。顺便说一下，该气体传感器41可以通过以下方法制造:将离子液体IL滴下后,通过例如CVD (Chemical Vapor Deposition)法在离子液体IL上用聚对二甲苯等的外部空气能够通过的被覆材料形成膜，由此对离子液体IL直接形成被覆膜42。另外，该气体传感器41还可以通过以下方法制造:预先用聚对二甲苯等的外部空气能够通过的被覆材料在基板2上形成被覆膜42，然后向该被覆膜42内注入离子液体IL并进行密封。
[0102]并且，在这种气体传感器41中，由于通过被覆膜42能够将离子液体IL稳定地保持在基板2上，因此能够将基板2例如以离子液体IL朝下的状态设置在室内的天花板上，根据使用情况可以将离子液体IL方向设置成各种不同的方向。
[0103]另外，在这种气体传感器41中，能够使气体吸收液体与外部空气隔离，因此作为气体吸收液体还可以使用水等挥发性液体。另外，即使将水用作气体吸收液体，由于水吸收气体而水中的电荷状态也会发生变化，根据电荷状态发生变化，在碳纳米管8中流动的源漏电流Isd发生变化，能够得到与上述实施方式相同的效果。
[0104]另外，作为气体传感器的其它实施方式，如图26所示的气体传感器51也适用，图1和图26的相应部分用相同符号表示，在该气体传感器51中，在基板2上设置用来覆盖离子液体IL的框体52，通过作为保持装置的框体52将离子液体IL保持在基板2上。这种情况下，框体52按照下述方式配置在基板2上:框体52覆盖基板2上的源极3与漏极4之间的碳纳米管8 (未图示)，并且还覆盖配置在碳纳米管8周边的源极3、漏极4和栅极7的一部分，可以将离子液体IL保持在其内部空间内。
[0105]实际上，该框体52的内部空间由堵住离子液体IL的例如四边形的壁部52a和按照覆盖该壁部52a的方式配置的板状的顶板部52b形成，并且在顶板部52b上穿设有多个能够将内部空间和外部连通的微小的贯通孔53。由于框体52设置在基板2上，因此框体52的底面部被封闭，内部空间仅通过贯通孔53与外部连通，通过从该贯通孔53向内部空间注入离子液体IL，能够将离子液体IL保持在内部空间内。在此，由于框体52的贯通孔53微小，所以在贯通孔53上离子液体IL的表面张力起到作用，注入到内部空间的离子液体IL不容易从贯通孔53流出，由此能够可靠地保持离子液体IL。
[0106]另外，离子液体IL在框体52的内部空间内覆盖碳纳米管，并且与栅极7的第一栅极部5和第二栅极部6 (未图示)接触。这样，即使是该气体传感器51，如果从栅极7向离子液体IL施加栅电压，则在离子液体IL中形成具有栅绝缘层的双电层，因此也能够得到同上述实施方式一样的效果。
[0107]并且，作为气体传感器的其它实施方式，具有如下结构的气体传感器也适用，在该气体传感器中，将设置有碳纳米管8和栅极7等的基板2设置在贮存有离子液体IL的箱体状的贮存部内，该基板2设置在离子液体IL内；根据使用情况，也可以适用由适当改变基板2和离子液体IL的配置关系的各种结构构成的气体传感器。
【权利要求】
1.一种气体传感器，检测作为检测对象的气体，其特征在于， 所述气体传感器包括: 碳纳米管，所述碳纳米管设置在基板上的源极和漏极之间，并且源漏电流在所述碳纳米管中流动； 气体吸收液体，所述气体吸收液体按照覆盖所述碳纳米管的方式配置， 其中，根据因所述气体吸收液体吸收所述气体而在所述碳纳米管上产生的源漏电流的变化，检测所述气体。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于， 所述气体吸收液体与所述碳纳米管和所述基板上的栅极接触以成为栅绝缘层，因所述气体吸收液体吸收所述气体而所述栅绝缘层的状态发生变化，根据基于所述栅绝缘层的状态而产生的所述源漏电流的变化，检测所述气体。
3.根据权利要求2所述的气体传感器，其特征在于， 所述栅极由第一栅极部和第二栅极部构成， 所述碳纳米管配置在所述第一栅极部和所述第二栅极部之间，且所述气体吸收液体按照与所述第一栅极部和所述第二栅极部接触的方式配置。
4.根据权利要求3所述的气体传感器，其特征在于， 所述气体吸收液体保持在形成于所述第一栅极部与所述第二栅极部之间的间隙中。
5.根据权利要求1至4任一项所述的气体传感器，其特征在于， 设置有保持装置，所述保持装置覆盖所述气体吸收液体，且将所述气体吸收液体保持在所述基板上。
6.根据权利要求2至5任一项所述的气体传感器，其特征在于， 根据与所述源漏电流相对应而变化的所述栅极的栅电压的变化，检测所述气体。
7.根据权利要求1至6任一项所述的气体传感器，其特征在于， 所述气体吸收液体是离子液体。
8.根据权利要求1至6任一项所述的气体传感器，其特征在于， 所述气体吸收液体是碱金属以及碱土金属的氢氧化物水溶液。
【文档编号】H01L51/30GK103988071SQ201280060963
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2012年12月27日 优先权日:2012年1月13日
【发明者】下山勋, 松本洁, 竹井裕介, 高桥英俊, 气驾升, 本多祐仁 申请人:国立大学法人东京大学, 欧姆龙株式会社