JP2006071647A - 湿度センサ用感湿素子 - Google Patents
湿度センサ用感湿素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006071647A JP2006071647A JP2005278518A JP2005278518A JP2006071647A JP 2006071647 A JP2006071647 A JP 2006071647A JP 2005278518 A JP2005278518 A JP 2005278518A JP 2005278518 A JP2005278518 A JP 2005278518A JP 2006071647 A JP2006071647 A JP 2006071647A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- polyimide
- moisture
- humidity sensor
- humidity
- present
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Macromolecular Compounds Obtained By Forming Nitrogen-Containing Linkages In General (AREA)
Abstract
【課題】 初期特性および高温高湿放置後の変動特性に優れた、高感度湿度センサを提供する。
【解決手段】 ジアミン側に少なくとも4つのベンゼン環と少なくとも1つのポリフルオロアルキル基を有するポリイミドを感湿膜とする感湿素子を用いて湿度センサーを得ることができる。
【選択図】 図4
【解決手段】 ジアミン側に少なくとも4つのベンゼン環と少なくとも1つのポリフルオロアルキル基を有するポリイミドを感湿膜とする感湿素子を用いて湿度センサーを得ることができる。
【選択図】 図4
Description
本発明は感湿素子およびそれを用いた湿度センサに関する。
湿度センサは湿度や水分による変化を電気量に変換し、電子回路を用いて信号処理を行うものであり、種々の目的のための湿度制御の要請に応じて広く利用されている。その中で高分子材料の電気抵抗や誘電率などの電気的特性が、水の吸脱着によって変化することを利用する高分子湿度センサがある。そして、その1つである静電容量型は、水の誘電率が高分子に比べて大きいために、水分が吸着すると高分子の複合誘電率が大きくなることを利用して、電極を設けて容量変化としてそれを検出するものである。
従来、この型の湿度センサの感湿素子としてはポリエーテルスルホン、酢酸酪酸セルロース、ポリイミド等の感湿膜を用いたものが数多く報告されている。
しかしながら、このような感湿素子では吸水率が1〜3%と大きく、例えば65℃、相対湿度90%の高温高湿雰囲気中で放置すると、感湿膜中に強固に吸着保持された水の影響によって出力値がドリフトする現象が発生する。そのため、これらの変動を抑えるために吸水率を小さくしたポリイミドが、例えば特許第2529136号等に記載されている。ところが、前記特許ではフッ素を添加することで疎水性を向上させて吸水率を抑える効果を狙っており、一定の効果が得られるが、フッ素による強い疎水性のために吸水率の低下が著しく、感度が大きく低下してしまうおそれがある。また、吸水率の小さいポリイミドとして、ビフェニルテトラカルボン酸型ポリイミド(たとえば宇部興産製U−ワニスS,A)が知られているが、このポリイミドは分子構造が層状配向する性質を持つために、分子間への吸水を抑えることができるという特徴を有する。そこで、本発明者がこのポリイミドを感湿膜に用いた実験を行ったところ、高温高湿での初期のドリフトは小さく、低吸水率の効果が現われていたが、しばらくすると徐々にドリフトが発生していく傾向が見られた。この理由としては、膨潤により分子間が押し広げられ、その結果吸水率が増加したのではないかと考えられる。
本発明は、高温多湿下でも加水分解を抑制し、膨潤が起きないか、または膨潤してもそれによる体積変化が小さい分子構造のポリイミドを得、これを感湿膜とした感湿素子、ならびにそれを用いた湿度センサを提供することを目的とする。
本発明は、ジアミン側にベンゼン環を付加しポリイミドの繰り返し単位を長くすること、さらに好適にはジアミン側にスルホニル基またはフルオロアルキル基を導入して電荷移動(CT)(Charge Transfer)錯体を形成しにくくして吸着水の結合エネルギーを下げ加水分解を抑制すること、および/または前駆体ポリアミド酸の末端にアセチレンを付加して、これを脱水重合させて得られるポリイミドを網目構造にすること、により上記の膨潤を抑制して上記課題を解決するものである。
すなわち、本発明の要旨は、ジアミン側に少なくとも4つのベンゼン環と少なくとも1つのポリフルオロアルキル基を有するポリイミドを感湿膜とする感湿素子にある。
本発明のポリイミドを感湿膜に用いた湿度センサは、初期特性および高温高湿放置後の変動特性に優れるので、本発明によれば安定した高感度湿度センサが得られる。
本発明はジアミン側に少なくとも4つのベンゼン環と少なくとも1つのポリフルオロアルキル基を有するポリイミドを感湿膜とする感湿素子を提供する。
このようなポリイミドは好適には式(I):
このようなポリイミドは好適には式(I):
に示されるような分子構造を有する。
ここで、Aはポリフルオロアルキル基;mは0〜5の整数;xおよびyは1〜5の整数;そしてnは重合度を表す繰り返し数である。この態様において、本発明におけるポリイミドはジアミン側にベンゼン環を4〜12個有しており、これにより繰り返し単位を長くしている。上記のポリフルオロアルキル基におけるアルキルとしては炭素数1〜6、好ましくは1〜3の低級アルキル基が選ばれる。そして、製造、性能等の点から好適にはmは0〜2、xおよびyは1〜3である。
ここで、Aはポリフルオロアルキル基;mは0〜5の整数;xおよびyは1〜5の整数;そしてnは重合度を表す繰り返し数である。この態様において、本発明におけるポリイミドはジアミン側にベンゼン環を4〜12個有しており、これにより繰り返し単位を長くしている。上記のポリフルオロアルキル基におけるアルキルとしては炭素数1〜6、好ましくは1〜3の低級アルキル基が選ばれる。そして、製造、性能等の点から好適にはmは0〜2、xおよびyは1〜3である。
本発明におけるポリイミドは、ジアミン側に少なくとも4つのベンゼン環を有するものであれば上記の式(I)で表されるものに限定されず、たとえば上記の式(I)において、エーテル結合(−O−)の少なくとも一部を適宜チオエーテル結合(−S−)に置換したものであってもよい。
従来の感湿膜に用いられている代表的なポリイミドは
式(III ):
式(III ):
(nは式(I)におけるのと同義)
で示される分子構造を有する。これに対し、本発明においては上述のようにポリイミドをジアミン側にベンゼン環を4個以上有するように構成することにより加水分解に伴う変動を意外にも飛躍的に抑制しうる。これは、加水分解を起こしやすいと考えられるイミド基の数は一般にポリイミドでは2個存在するが、そのように分子鎖を長くすることによって結果として単位体積あたりに存在するイミド基の数が少なくなり、加水分解に伴う変動を小さくするとも考えられる。
次に、本発明の好適な1つの態様によれば、ポリイミドは式(II):
で示される分子構造を有する。これに対し、本発明においては上述のようにポリイミドをジアミン側にベンゼン環を4個以上有するように構成することにより加水分解に伴う変動を意外にも飛躍的に抑制しうる。これは、加水分解を起こしやすいと考えられるイミド基の数は一般にポリイミドでは2個存在するが、そのように分子鎖を長くすることによって結果として単位体積あたりに存在するイミド基の数が少なくなり、加水分解に伴う変動を小さくするとも考えられる。
次に、本発明の好適な1つの態様によれば、ポリイミドは式(II):
(nは式(I)におけるのと同義)
で示される分子構造を有する。この分子構造の特徴は、ヘキサフルオロプロピル基を導入した構造を持つ。同様のフルオロアルキル基を導入したポリイミドを感湿膜とする特許は、ジアミン側のベンゼン環の差異に加えて、特許第2529136号(上記の式(III )はその分子構造)に記載されているが、本発明との相違点は、特許第2529136号が酸無水物側にフルオロアルキル基を導入していることに対して、本発明ではジアミン側に導入している点である。フッ素を含有させる理由の1つはフッ素の疎水性のために吸水率が小さくなり、水との反応確率が小さく上述の変動も抑制されるためであるが、本発明においてフルオロアルキル基をジアミン側に導入した理由は、フルオロアルキル基自身もジアミン部分のHOMOレベルを下げる効果があり、そのためにドナー性が抑えられると考えられるからである。
で示される分子構造を有する。この分子構造の特徴は、ヘキサフルオロプロピル基を導入した構造を持つ。同様のフルオロアルキル基を導入したポリイミドを感湿膜とする特許は、ジアミン側のベンゼン環の差異に加えて、特許第2529136号(上記の式(III )はその分子構造)に記載されているが、本発明との相違点は、特許第2529136号が酸無水物側にフルオロアルキル基を導入していることに対して、本発明ではジアミン側に導入している点である。フッ素を含有させる理由の1つはフッ素の疎水性のために吸水率が小さくなり、水との反応確率が小さく上述の変動も抑制されるためであるが、本発明においてフルオロアルキル基をジアミン側に導入した理由は、フルオロアルキル基自身もジアミン部分のHOMOレベルを下げる効果があり、そのためにドナー性が抑えられると考えられるからである。
すなわち、この構造の特徴は、分子鎖を長くすることによる効果に加えて、フルオロアルキル基によるポリマー鎖間のCT錯体を形成させにくくする効果を有している。CT錯体とは、高分子中に正又は負の有機ラジカルイオンを含むものを意味する。一般にポリイミドにおいて、酸無水物側がアクセプタ性を有し、これに対してジアミン側がドナー性を有する。またポリマー鎖間でも電子の授受が行なわれており、これを分子間CTと呼んでいる。フルオロアルキル基を導入したポリイミドでは、ジアミン部分のHOMO(最高被占軌道)レベルが下がりドナー性が抑えられ、分子間CT錯体が形成されにくいと考えられている。
ここでCT錯体が形成されにくいとなぜ好適であるかについて説明する。水の吸着メカニズムを考えたとき、ポリイミド中のイミド基およびカルボニル基といった極性基に水は主に吸着するといわれているが、これ以外にポリマー間のミクロボイドにも水は存在する。このときCT錯体が存在すると、ミクロボイドに存在する吸着水がCT錯体の持つエネルギーによってトラップされるため、これらの吸着水が高温高湿にさらされたあとにも強固に吸着されてしまい、ドリフトが発生してしまうと考えられる。そのため、CT錯体が形成されにくいポリイミドでは、ミクロボイド中に存在する吸着水はポリイミドからのエネルギーを受けず自由に吸脱着できるため、高温高湿下でのドリフトが小さくなると考えられる。
一方、酸無水物側にフルオロアルキル基を導入する方法では、分子間CT錯体を形成させにくい効果が得られないことになる。またジアミン側にフルオロアルキル基を導入する副次的効果として、分子間CT錯体が形成されないことで分子間の束縛がゆるく、ミクロボイドに存在する水の吸着エネルギーがより小さくなり、吸脱着が速やかに行なわれるため、ヒステリシスが非常に小さくなり、また吸着水が原因となる加水分解も抑制される。
以上のように、本発明のポリイミドを用いて感湿膜を形成するのが好ましく、それにより得られる湿度センサは高温高湿放置後の変動を小さくすることができる。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。
図1は本発明を用いた湿度センサの一実施態様の斜視図である。1は、基板であり、例えばシリコン基板、ガラス基板等からなる。この基板の上に、たとえば、AuやPt,Cr等の耐腐食性の下部電極2を蒸着やスパッタリングを用いて成膜する。このときの膜厚は通常50〜500nm程度である。次に所望の形状になるようにパターニングを行う。パターニングの方法としては、フォトリソグラフィを用いてマスクを形成した後にエッチングを行う方法、基板上に金属で作製されたマスクを載せた状態で成膜を行い、必要部分にのみ形成する方法等が挙げられる。
次に感湿膜であるポリイミド3を形成する。一般にポリイミドはその前駆体であるポリアミド酸を例えばN−メチルピロリドン等の溶媒で希釈したワニスの形態で提供される。ここで、本発明の分子構造を持つポリイミドの前駆体のポリアミド酸溶液をスピンコート法等で塗布する。その後、例えば、120℃、30分;200℃、60分;350℃、60分のステップにて加熱し、脱水縮合させて硬化させる。硬化後の膜厚は1〜5μm程度が適当である。その理由は、薄すぎると下地の段差による段切れの発生によるショートの可能性があり、また厚すぎるとポリイミド感湿膜中に吸湿する水の拡散が遅くなり、応答性が遅くなる原因となりうるからである。
次に、上部電極4を形成する。上部電極は、導電性が高い電極としての役目のほかに、下地の感湿膜に速やかに透過させる必要があるため、透水性を有することが必要である。この条件を満足するため、Au電極を蒸着やスパッタリングにて厚さ3nm〜15nm程度の薄い膜厚で形成するか、多孔質カーボン電極をスクリーン印刷を用いて形成する。
最後にダイシングを行ってチップに切り離して目的とする湿度センサが得られる。
本実施例では、ポリイミド感湿膜を上下にサンドイッチした構造について説明したが、この構造に限られるものではなく、例えば絶縁基板上、もしくは導電性基板に絶縁膜を形成した上に1組のくし歯電極を形成し、その上にポリイミド感湿膜を形成して、くし歯電極間の横方向の静電容量を検出する構造でもなんら支障は無い。
次に本発明のポリイミド感湿膜で構成した湿度センサの初期特性を図2に示す。図2は、式(II)の分子構造のポリイミド感湿膜を用いた湿度センサに対応する。また、図3は比較のために式(III )に示されるビフェニルテトラカルボン酸型ポリイミドを感湿膜に用いた湿度センサの初期特性を示す。図より、特に、フルオロアルキル基を導入したポリイミドのヒステリシスが小さいことが注目される。
次に高温高湿放置後の変動特性について示す。65℃、90%RHの高温高湿雰囲気中に所定の時間放置した後に、湿度センサを25℃、50%RH雰囲気の測定室に移動し、静電容量を測定する。この値と高温高湿放置前に測定した静電容量の差を相対湿度に換算して変化量とした。結果は、図4に示される。これらのグラフは、式(II)で示されるポリイミドを用いた場合に対応する。また、比較のために上述の式(III )で示される分子構造を有するポリイミドを用いた湿度センサの高温高湿放置後の変動特性を図5に示すが、明らかに本発明のポリイミドを感湿膜に用いた湿度センサは、高温高湿放置後の変化が小さく、優れた特性を有することがわかる。
本発明のポリイミドを感湿膜に用いた湿度センサは、初期特性および高温高湿放置後の変動特性に優れるので、本発明によれば安定した高感度湿度センサが得られる。
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005278518A JP2006071647A (ja) | 2005-09-26 | 2005-09-26 | 湿度センサ用感湿素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005278518A JP2006071647A (ja) | 2005-09-26 | 2005-09-26 | 湿度センサ用感湿素子 |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002032924A Division JP2003232765A (ja) | 2002-02-08 | 2002-02-08 | 湿度センサ用感湿素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006071647A true JP2006071647A (ja) | 2006-03-16 |
Family
ID=36152403
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005278518A Pending JP2006071647A (ja) | 2005-09-26 | 2005-09-26 | 湿度センサ用感湿素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006071647A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006349667A (ja) * | 2005-05-19 | 2006-12-28 | Nippon Soken Inc | 湿度センサの製造方法 |
US7640798B2 (en) | 2006-12-22 | 2010-01-05 | Denso Corporation | Semiconductor device for detecting flow rate of fluid |
CN102432878A (zh) * | 2011-09-05 | 2012-05-02 | 东华大学 | 一种感湿聚酰亚胺及其制备和应用 |
US20140076048A1 (en) * | 2011-06-08 | 2014-03-20 | 3M Innovative Pproperties Company | Humidity Sensor and Sensor Element Therefor |
CN108530308A (zh) * | 2018-06-06 | 2018-09-14 | 江苏创拓新材料有限公司 | 一种多氟取代的二胺化合物及其制备方法 |
CN111909376A (zh) * | 2020-06-21 | 2020-11-10 | 浙江大学 | 耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料及制备方法 |
-
2005
- 2005-09-26 JP JP2005278518A patent/JP2006071647A/ja active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2006349667A (ja) * | 2005-05-19 | 2006-12-28 | Nippon Soken Inc | 湿度センサの製造方法 |
US7640798B2 (en) | 2006-12-22 | 2010-01-05 | Denso Corporation | Semiconductor device for detecting flow rate of fluid |
US20140076048A1 (en) * | 2011-06-08 | 2014-03-20 | 3M Innovative Pproperties Company | Humidity Sensor and Sensor Element Therefor |
JP2014516165A (ja) * | 2011-06-08 | 2014-07-07 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 湿度センサ及びそのためのセンサ素子 |
US9599583B2 (en) | 2011-06-08 | 2017-03-21 | 3M Innovative Properties Company | Humidity sensor and sensor element therefor |
CN102432878A (zh) * | 2011-09-05 | 2012-05-02 | 东华大学 | 一种感湿聚酰亚胺及其制备和应用 |
CN108530308A (zh) * | 2018-06-06 | 2018-09-14 | 江苏创拓新材料有限公司 | 一种多氟取代的二胺化合物及其制备方法 |
CN111909376A (zh) * | 2020-06-21 | 2020-11-10 | 浙江大学 | 耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料及制备方法 |
CN111909376B (zh) * | 2020-06-21 | 2021-06-01 | 浙江大学 | 耐油液腐蚀动态吸-脱水高分子复合敏感材料及制备方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2006071647A (ja) | 湿度センサ用感湿素子 | |
US8325460B2 (en) | Humidity sensor having anodic aluminum oxide layer, and fabricating method thereof | |
CN101078704A (zh) | 聚电解质/本征导电聚合物复合湿敏元件及其制作方法 | |
RU2602489C1 (ru) | Емкостный сенсор влажности газообразной среды | |
WO2007102262A1 (ja) | 湿度センサ | |
KR20130104985A (ko) | 정전용량형 습도센서 | |
JP4057036B2 (ja) | 湿度センサ用感湿素子の製造方法 | |
CN111487290A (zh) | 一种具有抗湿性的聚苯胺基氨气传感器及其制备方法 | |
JP2011027458A (ja) | 湿度センサ | |
JP2005003543A (ja) | 湿度センサ用感湿素子 | |
JP2003232765A (ja) | 湿度センサ用感湿素子 | |
JP2018059780A (ja) | 半導体湿度センサの製造方法 | |
JP6370111B2 (ja) | 容量型ガスセンサ及びその製造方法 | |
WO2020202996A1 (ja) | 温度センサ素子 | |
JP2004177405A (ja) | 電気容量式湿度検知素子及び電気容量式湿度検知素子の製造方法 | |
JPS6358249A (ja) | 湿度検知素子 | |
JP2021067690A (ja) | 無機湿度センサデバイス | |
JP3448799B2 (ja) | 湿度センサ | |
JP2001249099A (ja) | 静電容量式湿度センサおよび湿度測定装置 | |
JP4007408B2 (ja) | ガス測定装置の製造方法 | |
US11714057B2 (en) | Method of manufacturing gas sensor device | |
KR101301983B1 (ko) | 트리메틸아민 가스센서 및 이의 제조방법 | |
KR102315828B1 (ko) | 금속성 또는 반도체성을 갖는 나노 재료를 액티브 소재로 이용하는 정전용량변화 검지형 나노화학센서 | |
WO2020203000A1 (ja) | 温度センサ素子 | |
JPH04315040A (ja) | 結露検知素子 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Effective date: 20080930 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20090310 |