JP2007240189A - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】感湿材料として高温領域における長期安定性等の基礎特性が最適化された湿度センサを提供する。
【解決手段】親水基が少なくとも一つの疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて形成された感湿膜を備えてなる。
【選択図】図１

Description

高精度な湿度センサであって、感湿機構の解明により原理的に高温領域と高湿度領域における安定性を有する湿度センサを提供することにある。

植物の育成環境の保持や工場におけるラインの生産管理において高品質な植物や製品を出荷するために湿度についても管理することへの要求が高まっている。湿度センサはその原理によって６種類に分類される。すなわち、水の蒸発熱を検出するもの、露点検出するもの、水蒸気の光学的吸収より算出するもの、感湿材料の伸縮を検出するもの、感湿材料の電気抵抗の変化を検出するもの、感湿材料の電気容量の変化を検出するものである。この６種類の検出方法の中で、センサ素子部分の小型化の容易性とセンサ出力の演算処理を考慮すると、感湿材料の電気抵抗や電気容量の変化を検出する方法が好ましい。

例えば、特許文献１では、感湿材料としてポリエーテルサルフォンおよびポリサルフォンを主成分として形成される感湿膜を備える感湿素子が開示されている。この素材は、セルロースアセテートブチレート等に比較して収着水分量が低く吸湿過程と脱湿過程の感湿特性の差が小さいという特性を有している。

また、特許文献２には、ポリフェニルサルフォンと電極とを積層した静電容量型感湿素子が提案されている。特許文献２では、ポリフェニルサルフォンを使用することでヒステリシスの小さい感湿材料を提供することが可能である。

特公平６−９２９５３号公報 米国特許第６９３８４８２号明細書

しかし、特許文献１における感湿材料であるポリエーテルサルフォンおよびポリサルフォンと、特許文献２における感湿材料であるポリフェニルサルフォン（以下、ＰＰＳと称する）は、ガラス転移温度が高くても２２０℃である。すなわち、いずれの物質もガラス転移温度が低く、さらに感湿材料として温度依存性と高温領域における長期安定性等の基礎特性が最適化されているわけではなかった。

また、これに対して燃料電池や自動車エンジンにおいて高温での湿度計測の需要は高まっている。これらの環境では、ガラス転移温度が２２０℃であることは充分ではなく、耐久性の確保も含めてより高温での湿度計測に耐えうる湿度センサに対する必要性が生じている。

そこで、出願人らは感湿材料としてガラス転移温度の高温化について原理的にその根本原因を追究し温度依存性と高温領域における長期安定性等の基礎特性が最適化する物質を見出した。

従って、本願発明の目的は、感湿材料として温度依存性と高温領域における長期安定性等の基礎特性が最適化された湿度センサを提供することにある。

出願人らが鋭意研究した結果、相対湿度センサ用感湿材料は、まず吸湿量が相対湿度にのみ依存することが好ましい。すなわち、温度等の他のパラメータに依存するとそれらの補正が必要となり正確な湿度を測定できないからである。

この吸湿量が相対湿度にのみ依存するためには、第一に感湿材料である高分子の親水基と水分子との結合エネルギーが水分子間の結合エネルギーに等しいことが必要である。

高分子において親水基と水分子との結合エネルギーが水分子間の結合エネルギーに略等しく安定に存在し得るのはスルホニル基とカルボニル基である。両基中の酸素原子の不飽和電子対は水分子が水分子間の結合エネルギーに略等しいエネルギーで水素結合することができる。

第二に水分子が凝縮するのを防ぐために親水基は疎水基によって間隔をあけられている必要がある。側鎖のない疎水基であって親水基間の間隔を確実に空けることができるものは、嵩高い構造を持つフェニル基を代表とする多員環である。特に五員環乃至八員環が好ましい。特に入手が容易であればフッ化された多員環が好ましく、特に五員環乃至八員環が好ましい。

側鎖を有する高分子は誘電率がガラス転移温度以下の温度でも大きな依存性を示す。これに対し側鎖の無い高分子はガラス転移温度付近まで誘電率が略一定であり有利である。

また、親水基は疎水基によって間隔を空けられていることで吸着した水分子凝縮を防ぐとともに水分子は回転運動が束縛されることとなり、吸着水分子の誘電率は温度に依存しないこととなる。

以上の観点から出願人は、本願発明の目的を達成するために以下の手段を発明するに至った。

本発明の第一の側面によれば、本発明の湿度センサは親水基が少なくとも一つの疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて形成される感湿膜備えてなり、前記疎水基が多員環からなる。また親水基はカルボニル基またはスルホニル基であってもよい。また、ガラス転移温度が２４０℃〜５００℃である高分子を用いて形成された感湿膜を備えてなる。

前記高分子は下記の式で表される単位構造のいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする。

（１）

（２）

（３）

（４）

（５）

（６）

（７）

本発明の第二の側面によれば、本発明の半導体装置は、親水基が少なくとも一つの疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて形成される感湿膜を備えてなり、前記疎水基が多員環からなる。また親水基はカルボニル基またはスルホニル基であってもよい。また、ガラス転移温度が２４０℃〜５００℃である高分子を用いて形成された感湿膜を備えてなる。ここで、多員環としては五員環乃至八員環が望ましい。

さらに温度センサが併設されてもよく、またセンサ出力回路が併設されてなることを特徴としてもよい。

本発明の第一の側面によれば、ガラス転移温度が２４０℃〜５００℃である高分子を用いて形成された感湿膜を備えてなる感湿素子を形成することにより、高温領域における長期安定性等の基礎特性が最適化される。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態１

図１は本発明による湿度センサの第一の形態を示す概念図である。図１において、２は例えば焼結アルミナ、ソーダガラス、珪酸ガラスなどからなる絶縁性基板であり、４はこの絶縁性基板２の上面に被着形成されたアルミニウム、金、パラジウム、クロムなどからなる下側電極であり、６はこの基板２上の電極用パッド形成領域部分に下側電極４と連結して一体的に形成された下側電極用パッドであり、８は下側電極４上だけでなく下側電極用パッド６の一部とさらには絶縁基板２をも被覆するよう付着形成されるガラス転移温度が略２６０℃である以下の式で表される高分子樹脂材料ポリスルホン（以下、第一のポリスルホン）からなる感湿膜である。

（８）

また、１０はこの感湿膜８上に形成された上側電極、１２は感湿膜８上の電極パッド形成領域部分に上記下側電極４と同一工程で延在するよう形成された上側電極の上側電極用パッドである。

これらの下側電極用パッド６と上側電極用パッド１２の末端部に図示されないリード線が半田付け固定される。

このように構成される湿度センサにおいて、この感湿膜８は、式（８）に示される第一のポリスルホンを中心とする感湿材料により形成されている。

次にこの湿度センサの具体的な製造方法について説明する。

まず、第一のポリスルホンの粉末を例えば５〜３０ｇ用意し、これを例えばＮ−メチルピロリジノン（以下、ＮＭＰと表現する）４０〜９０ｇに溶解して第一のポリスルホン溶液を得る。次にこの第一のポリスルホン溶液を絶縁性基板２上に形成された下側電極４上にスピンコート法により塗布した。この場合のスピナーの回転数は５００〜９０００ｒｐｍである。成膜後には、溶媒の除去及び膜中の歪みの緩和を目的として、第一のポリスルホンのガラス転移温度２６０℃よりも高温で１時間以上熱処理を行い感湿膜８を得た。

次にこの絶縁性基板２上に積層塗布した感湿膜８の更に上に真空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法等により膜厚１００ｎｍ〜１００００ｎｍ程度の上側電極１０を形成する。

また、下側電極４はクロムを蒸着により４００ｎｍ〜８００ｎｍの厚さで薄膜状に形成することで得た。

なお、この実施の形態では、第一のポリスルホンについて説明したが、以下の化学式で示されるその他のポリスルホンについてもガラス転移温度が高く本実施例に適用が可能である。

（９）

（１０）

（１１）

（１２）

（１３）

（９）、（１０）式で示される高分子化合物はガラス転移温度が２５０℃であり、溶媒としてはジメチルホルムアミド（以下、ＤＭＦ），ジメチルアセトアミド（以下、ＤＭＡＣ）が望ましい。

（１１）式で示される高分子化合物はガラス転移温度が４００℃であり、溶媒としては、高温フェノールとＮＭＰが望ましい。

（１２）、（１３）式で示される高分子化合物はガラス転移温度が２９０℃であり、溶媒としてはＤＭＦ，ＤＭＡＣが望ましい。

さらに、このように構成された本願発明に係る第一のポリスルホンを用いた湿度センサについて熱処理温度を変化させた場合の相対湿度−電気容量特性を測定した。本実施例では、作成条件のうち感湿膜の塗布後に、それぞれ１８時間で２２０℃、２６０℃、３００℃、３４０℃、３８０℃、４２０℃で熱処理した。

図２には、２２０℃〜３８０℃で熱処理した際の相対湿度−電気容量特性を示し、図３には４２０℃で熱処理した際の相対湿度−電気容量特性を示す。

なお、電気容量の測定にはＬＣＺメータを使用した。測定周波数は２ＭＨｚ、試験槽温度は３０℃である。同時に測定したヒステリシス幅は、２２０℃、２６０℃、３００℃、３４０℃、３８０℃、４２０℃の熱処理温度に対して、３．０、２．０、１．５，１．５，１．０，１．０，２．０％であった。

一方、同様の条件で構成された感湿膜として従来品であるポリエーテルスルホン（以下ＰＥＳ）およびＰＰＳを用いた湿度センサについてもヒステリシス幅を計測した。この際の熱処理の条件は、１００時間、２６０℃とした。ＰＥＳおよびＰＰＳのヒステリシスはいずれも１．０％であった。

以上から本発明に係る第一のポリスルホンを用いた湿度センサは、３４０℃、３８０℃で熱処理したものがＰＥＳとＰＰＳと同程度にヒステリシスが小さいことが示される。

実施例２では、さらに本発明に係る第一のポリスルホンを用いた湿度センサの耐熱性について以下に示す。実施例２では、従来品であるＰＥＳ、ＰＰＳと、本発明に係る第一のポリスルホンをそれぞれ感湿材料として用いたものについて、ＰＰＳ，ＰＥＳは２６０℃で、１００時間、また第一のポリスルホンについては３８０℃で１８時間、熱処理した。さらに、これらのセンサについて湿度センサとして完成後に耐熱試験を行なった。耐熱試験の条件は、２００℃で２４０時間放置することとした。この耐熱試験の開始前と試験後にそれぞれ３０℃の環境で相対湿度−電気容量特性を測定した。ＰＥＳの耐熱試験前後の３０℃での相対湿度−電気容量特性を図４に示し、ＰＰＳの耐熱試験前後の３０℃での相対湿度−電気容量特性を図５に示し、本発明に係る第一のポリスルホンの耐熱試験前後の３０℃での相対湿度−電気容量特性を図６に示す。

実施例２における電気容量の変化の最大値を相対湿度幅で表すと本発明に係る第一のポリスルホンは１．６％、ＰＰＳは２．１％、ＰＥＳは９．３％となり、本発明に係る第一のポリスルホンの耐熱性が高いことが示されている。

実施例３では、さらに本発明に係る以下の化学式で示される第二のポリスルホンを用いた湿度センサについて示す。

（１４）

第二のポリスルホンの製造条件は、３５０℃で１８時間で熱処理している点を除いて実施の形態１と同様の製造方法で構成されている。この条件で構成された第二のポリスルホンによる湿度センサの３０℃での相対湿度−電気容量特性を図７に示す。この結果から、相対湿度０〜１００％の変化に対して、電気容量が７２．９６〜１０１．７０ｐＦの間で変化していることが示されている。この湿度０％時の電気容量に対する電気容量変化量の割合は、４０．０％であって、ＰＥＳの１８．０％、ＰＰＳの１０．３％、第一のポリスルホンの２０．３％と比較して著しく大きく、ノイズ耐性が高いことがわかる。

実施の形態２

本発明による湿度センサの表面実装型（ＳＭＴ）である第二の形態を図８と９を用いて説明する。図８は、本発明による湿度センサの第二の形態の平面図を示し、図９は図８の縦断面図を示す。

図９に示すように、１４は例えば焼結アルミナ、ソーダガラス、珪酸ガラスなどからなる絶縁性基板であり、１６はこの絶縁性基板１４の上面に被着形成されたアルミニウム、金、パラジウム、クロムなどからなる下側電極であり、１８はこの基板１４上の電極用パッド形成領域部分に下側電極１６上に蒸着して付着形成された下側電極用パッドであり、２０は下側電極１６上だけでなく絶縁基板１４をも被覆するよう付着形成されるガラス転移温度が２６０℃である以下の式で表される第一のポリスルホンからなる感湿膜である。

（１５）

また、２２はこの感湿膜２０上に形成された上側電極、２４は上側電極２２上の電極パッド形成領域部分に上記下側電極用パッド１８と同様に蒸着して形成された上側電極の上側電極用パッドである。

第二の実施形態に基く湿度センサを製造し、その相対湿度−電気容量特性を図１０に示す。測定温度は３０℃である。

実施の形態３

本発明による湿度センサであって半導体基板に実装した第三の形態（以下第一の半導体装置）について実施例を用いて説明する。

実施例５について図１１と１２を用いて説明する。図１１は第一の半導体装置の平面図であり、図１２は図１１のＢＢ’線に沿う横断面図の拡大図である。

この半導体装置３０は、いずれも後述する厚み（ｔ）を有する一対の電極が半導体基板３２の表面に固定配置されている。

そして、一対の電極のそれぞれ一端には幅広の電極パッド２６と電極パッド２８が設けられ、他端は複数に櫛歯状に分割され、それぞれ電極櫛歯部３４、３６は互いに面間隔（ｄ）をおいて交互に組み合わされて対向配置されている。

また、前記電極櫛歯部３４、３６の間に、感湿材料３８が充填されて面間隔がｄの感湿層４０が形成される。一方、電極櫛歯部３４、３６の上部には、これらを被覆する上部感湿膜４２が形成されている。

従って、電極櫛歯部３４、３６の間には、感湿材料３８が充填されて感湿層４０が形成されることにより、ここに、電極櫛歯部３４と感湿層４０と電極櫛歯部３６から成る縦型コンデンサが半導体基板３２上に形成される。

この半導体装置は、その半導体基板３２として、シリコンの他にＧａＡｓ，ＳｉＣ，Ｇｅ等その他の化合物半導体も採用可能である。

また、感湿材料は化学式（１）〜（１５）で表される単位構造の組み合わせを採用可能である。さらに、電極として、アルミニウム、金、パラジウム、クロムの他にシリコン、ＳｉＣ、ガリウム砒素、ポリシリコンについても採用可能である。

さらに、電極櫛歯部３４、３６の短手水平方向の幅をｗと規定し、電極櫛歯部３４、３６上面の半導体基板表面からの高さをｔとし、対向する電極櫛歯部３４と電極櫛歯部３６の面間隔をｄとし、さらに半導体基板表面から上部感湿膜４２表面までの厚みをｈと規定する。

ここでは幅ｗは、０．０５〜２．５μｍ,高さｔは、０．０２〜２．５μｍ、面間隔ｄを２．５〜０．２μｍ、高さｈはｔ＋（０．１〜３．０）μｍ程度が好ましい。

本発明による湿度センサであって半導体基板に実装した実施例５はセンサ単体から成る半導体装置であった。そこで、実施例５に対して湿度センサに並列して増幅回路または変調回路等を備えた半導体回路レイアウトの平面図を図１３に示す。実施例５と同一の構成については同一の指示番号が付されている。ここで、従来から利用されている回路であるが発信回路、変調回路、及び増幅回路等で構成されている半導体回路等のセンサ出力回路は４４として示され、アウトプット信号や電源並びに接地についてはパッド４６に接続される。その他の構成は実施例５と略かわらない。このように構成することで、外部に回路を接続することなくセンサ信号を出力可能となる。

本発明による湿度センサであって半導体基板に実装した実施例６に対して温度計測回路４８を搭載したのが実施例７である(図１４）。

その他の構成は実施例５と略変わらない。湿度センサと温度センサを共に搭載することで湿度センサの測定結果に温度補正をすることが容易に可能となる。具体的には温度センサで温度を測定し、予め計測して半導体回路装置内に設けられた記憶装置に格納している温度毎の補正値と実測値とを組合わせることでより正確な湿度が計測できる。

本発明に係る湿度センサは従来と比較して感湿材料として高温領域における長期安定性等の基礎特性が最適化されている。このため、従来では適用が困難であった、自動車エンジンや燃料電池等の高温環境での精度の高い湿度計測が可能となる。

本発明による湿度センサの第一の形態を示す概念図である。 本発明による湿度センサの第一の形態による２２０℃〜３８０℃で熱処理した際の相対湿度−電気容量特性である。 本発明による湿度センサの第一の形態による４２０℃で熱処理した際の相対湿度−電気容量特性である。 従来製品であるＰＥＳの耐熱試験前後の３０℃での相対湿度−電気容量特性である。 従来製品であるＰＡＳの耐熱試験前後の３０℃での相対湿度−電気容量特性である。 本発明に係る第一のポリスルホンの耐熱試験前後の３０℃での相対湿度−電気容量特性である。 本発明に係る第二のポリスルホンによる湿度センサにおける３０℃での相対湿度−電気容量特性である。 本発明による湿度センサの第二の形態の平面図である。 本発明による湿度センサの第二の形態の縦断面図である。 本発明による湿度センサの第二の形態の実施例４の相対湿度−電気容量特性である。 本発明による湿度センサの実施例５の平面図である。 本発明による湿度センサの実施例５のＢＢ’線についての横断面図の拡大図である。 本発明による湿度センサの実施例６における平面図である。 本発明による湿度センサの実施例７における平面図である。

符号の説明

２ 絶縁性基板
４ 下側電極
６ 下側電極用パッド
８ 感湿膜
１０ 上側電極
１２ 上側電極用パッド
１４ 絶縁性基板
１６ 下側電極
１８ 下側電極用パッド
２０ 感湿膜
２２ 上側電極
２４ 上側電極用パッド
２６、２８ 電極パッド
３０ 半導体装置
３２ 半導体基板
３４、３６ 電極櫛歯部
３８ 感湿材料
４０ 感湿層
４２ 上部感湿膜
４４ 出力回路
４６ パッド
４８ 温度計測回路

Claims (12)

1. 親水基が少なくとも一つの疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて形成された感湿膜を備えてなり、前記疎水基が多員環からなる湿度センサ。
2. 前記親水基はカルボニル基であることを特徴とする請求項１記載の湿度センサ。
3. 前記親水基はスルホニル基であることを特徴とする請求項１記載の湿度センサ。
4. ガラス転移温度が２４０℃〜５００℃であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の湿度センサ。
5. 前記高分子は下記の式で表される単位構造のいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項４記載の湿度センサ。
   

   

   （１）
   

   

   （２）
   

   

   （３）
   

   

   （４）
   

   

   （５）
   

   

   （６）
   

   

   （７）
6. 親水基が少なくとも一つの疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて形成された感湿膜を備えてなり、前記疎水基が多員環からなる半導体装置。
7. 前記親水基はカルボニル基であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
8. 前記親水基はスルホニル基であることを特徴とする請求項６記載の半導体装置。
9. ガラス転移温度が２４０℃〜５００℃であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれかに記載の湿度センサ。
10. 前記高分子は下記の式で表される単位構造のいずれか少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項９記載の半導体装置。
    

    

    （８）
    

    

    （９）
    

    

    （１０）
    

    

    （１１）
    

    

    （１２）
    

    

    （１３）
    

    

    （１４）
11. さらに温度センサが併設されてなることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれかに記載の半導体装置。
12. さらにセンサ出力回路が併設されてなることを特徴とする請求項６乃至１１のいずれかに記載の半導体装置。

Images