JP5156287B2

JP5156287B2 - 湿度検出素子及び湿度検出素子の製造方法

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Publication number: JP5156287B2
Application number: JP2007182105A
Authority: JP
Inventors: 勉小倉
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2007-07-11
Filing date: 2007-07-11
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2027-07-11
Also published as: WO2009008237A1; JP2009019964A

Description

本発明は湿度の計測技術に関し、特に湿度検出素子及び湿度検出素子の製造方法に関する。

従来から、感湿膜を2枚の電極板で挟んだ湿度センサが知られている（例えば、特許文献1参照。）。湿度が変化すると、2枚の電極板で挟まれた感湿膜の静電容量値が変化する。そのため、湿度と静電容量値との対応関係を予め調べておけば、その後は測定された静電容量値を湿度に換算することが可能となる。ところが湿度センサは高湿環境下に保持されると、感湿膜の膨潤によって、湿度に対するセンサ感度がドリフト劣化するという問題があった。近年、工業市場における燃料電池あるいは農業市場における園芸施設等に応用するために、高温高湿の条件の下でも、経年劣化することなく、高い性能を維持することが可能な湿度検出素子の開発が望まれていた。
特開平6-94663号公報

本発明は、経年劣化しにくい湿度検出素子及び湿度検出素子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、（イ）表面に複数の溝が設けられた第1の電極板と、（ロ）第1の電極板の複数の溝が設けられた表面上に配置された感湿膜と、（ハ）感湿膜上に配置された、第2の電極板とを備える湿度検出素子であることを要旨とする。第1の電極板の表面に複数の溝が設けられているため、感湿膜の膨潤による感湿膜の劣化が低減される。

本発明の他の特徴は、（イ）ベース基板、及びベース基板上に配置され、表面に複数の溝が設けられた第1の電極板の複数の溝が設けられた表面上にカップリング剤を塗布し、カップリング層を形成するステップと、（ロ）カップリング層上に感湿膜を形成し、ベース基板及び第1の電極板と感湿膜とをカップリング層で密着させるステップと、（ハ）感湿膜上に第2の電極板を形成するステップとを含む湿度検出素子の製造方法であることを要旨とする。

本発明によれば、経年劣化しにくい湿度検出素子及び湿度検出素子の製造方法を提供可能である。

以下に本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

実施の形態に係る湿度検出素子は、図１、II-II方向から見た断面図である図2、及びIII-III方向から見た断面図である図3に示すように、ベース基板1、ベース基板1上に配置され図2及び図3に示すように表面の一面に複数の溝102a, 102b, 102c…が設けられた第1の電極板2、第1の電極板2の複数の溝102a, 102b, 102c…が設けられた表面上に配置された感湿膜3、及び感湿膜3上に配置された第2の電極板4を備える。第2の電極板4の両面は、平坦であってもよい。

ベース基板1は例えばガラス等の絶縁性材料からなり、厚さは約0.5mmである。ベース基板1の形状は例えば正方形であり、1辺の長さは4乃至7mmである。第1の電極板2の厚さは1μ以上であり、好ましくは4乃至5μmである。ベース基板1は第1の電極板2を支持する。第1の電極板2は、例えば燐(P⁺)やヒ素(As⁺)等の不純物がドーピングされたシリコン(Si)等の導電性材料からなる。第1の電極板2の表面には、図4に示すように、矩形波状に折れ曲がった複数の溝102a, 102b, 102c…が設けられている。複数の溝102a, 102b, 102c…のそれぞれの幅Wは例えば5乃至10μmであり、隣り合う溝102a, 102b, 102c…どうしの間隔Sは例えば10乃至20μmである。複数の溝102a, 102b, 102c…のそれぞれの深さは、例えば1乃至5μmである。なお複数の溝102a, 102b, 102c…は互いに連結していてもよい。

図1及び実施の形態に係る湿度検出素子の階層構造を示す斜視図である図5に示すように、第1の電極板2には第1の接続用端子12が設けられている。第1の接続用端子12上には、図1に示すように導電性の保護パッド16が配置されている。保護パッド16は、例えばクロム(Cr)、金(Au)、白金(Pt)、及びパラジウム(Pd)等の金属からなる。また図1及び図3に示すように、ベース基板1上には電極パッド104が第1の電極板2から孤立して配置されている。電極パッド104は、不純物がドーピングされたシリコン(Si)等の導電性材料からなる。

図1乃至図3、及び図5に示す感湿膜3は、例えばメタクリル酸メチル樹脂 (PMMA)、架橋PMMA、ポリイミド、ポリスルホン、及びポリエーテルスルホン等の有機高分子樹脂材料からなる。感湿膜3の膜厚は例えば1乃至10μmである。なお図2に示すように、感湿膜3は第1の電極板2に設けられた複数の溝102a, 102b, 102c…のそれぞれの内部にも埋まっている。第1の電極板2と感湿膜3との間には、例えば図6に示すように、ベース基板1及び第1の電極板2と感湿膜3とを密着させるカップリング層20が配置されている。カップリング層20は、一方の末端にシラノール基(-SiOH)を有し、他方の末端にアミノ基(-NH₃)を有するシランカップリング剤からなる。シランカップリング剤のシラノール基(-SiOH)は、ベース基板1及び第1の電極板2の表面のシラノール基(-SiOH)と脱水縮合反応し、共有結合(-Si-O-Si-)を形成している。シランカップリング剤のアミノ基(-NH₃)は感湿膜3と反応する。そのため、第1の電極板2と感湿膜3との接着性が向上する。

図1乃至図3、及び図5に示す第2の電極板4はクロム(Cr)、金(Au)、白金(Pt)、及びパラジウム(Pd)等の金属からなる。第2の電極板4の膜厚は例えば20乃至200nmである。第2の電極板4は例えば多孔性であり、大気中の水分が感湿膜3に透過可能である。第2の電極板4には第2の接続用端子14が設けられている。

図1及び図3に示すように、第2の接続用端子14はベース基板1上の電極パッド104に接触する。第2の接続用端子14には半田9Aを介してリード線19Aが接続されている。第1の接続用端子12上の保護パッド16には、半田9Bを介してリード線19Bが接続されている。第1の電極板2及び第2の電極板4の間の感湿膜3の相対湿度に対する静電容量値の変化を、リード線19A, 19Bを介して検出可能である。

以上示した実施の形態に係る湿度検出素子を高温高湿環境に配置すると、感湿膜3の自由体積が増加し、感湿膜3が膨潤する。また感湿膜3の内部で水(H₂O)がクラスター化することによっても、感湿膜3が膨潤する。しかし実施の形態に係る湿度検出素子においては、図2及び図4に示すように、第1の電極板2に複数の溝102a, 102b, 102c…が設けられている。そのため、複数の溝102a, 102b, 102c…が設けられていない場合と比較して、感湿膜3の表面積は大きくなる。したがって膨張によって感湿膜3の表面に加わる単位面積あたりの力が複数の溝102a, 102b, 102c…が設けられていない場合と比較して緩和される。結果として、感湿膜3の膨潤による経年劣化を低減することが可能となる。また複数の溝102a, 102b, 102c…のそれぞれは矩形波状に設けられているため、互いに直角な方向への膨張を低減することも可能となる。さらに図6に示す第1の電極板2と感湿膜3との接着性を向上させるカップリング層20も、感湿膜3の膨潤による経年劣化を低減する。なお、複数の溝102a, 102b, 102c…のそれぞれの深さが10μm以上になると、湿度検出素子の感度が悪くなる。

次に図7乃至図15を用いて、実施の形態に係る湿度検出素子の製造方法について説明する。

(a) まず図4に示す複数の溝102a, 102b, 102c…が設けられた第1の電極板2を用意する。複数の溝102a, 102b, 102c…はリソグラフィ法等で形成可能である。次に図7及びVII-VII方向から見た断面図である図8に示すように、ベース基板1上にそれぞれ導電性の第1の電極板2及び電極パッド104を陽極接合法等により貼り付ける。その後、ベース基板1及び第1の電極板2上からシラノール基(-SiOH)とアミノ基(-NH₃)を有するシランカップリング剤を滴下してスピンコートし、図9に示すように、ベース基板1及び第1の電極板2上にカップリング層20を形成する。シランカップリング剤のシラノール基(-SiOH)は、ベース基板1及び第1の電極板2の表面のシラノール基(-SiOH)と脱水縮合反応し、共有結合(-Si-O-Si-)を形成する。

(b) カップリング層20が形成されたベース基板1及び第1の電極板2上に有機高分子樹脂材料を滴下し、1,000乃至5,000min^-1の回転速度でベース基板1及び第1の電極板2上に有機高分子樹脂材料をスピンコートする。その後、有機高分子樹脂材料を乾燥させ、図10及びIX-IX方向から見た断面図である図11に示すように、ベース基板1及び第1の電極板2上に感湿膜3を形成し、複数の溝102a, 102b, 102c…の内部を感湿膜3で充填する。この時、カップリング層20のシランカップリング剤のアミノ基(-NH₃)と感湿膜3に含まれる有機高分子樹脂材料が反応する。そのため、ベース基板1及び第1の電極板2と感湿膜3とがシランカップリング剤によって密着される。

(c) 図12及びXI-XI方向から見た断面図である図13に示すように、感湿膜3を選択的にドライエッチングすることにより、ベース基板1上の第1の接続用端子12及び電極パッド104を露出させる。なおドライエッチングに用いるガスとしては、酸素(O₂)、アルゴン(Ar)、及び四フッ化炭素(CF₄)等が使用可能である。ガスを励起する高周波の出力は例えば100乃至500Wであり、圧力は例えば13.3Paである。

(d) ベース基板1及び感湿膜3の上方から金属を厚さが20乃至200nmとなるように蒸着する。感湿膜3上に蒸着された金属の膜には微細なクラックが生じ、金属の膜は多孔質構造となる。その後、金属の膜を選択的に除去することにより、図14及びXIII-XIII方向から見た断面図である図15に示すように、感湿膜3上に第2の電極板4が形成され、第1の接続用端子12上に保護パッド16が形成される。その後、図1に示すように第2の接続用端子14にリード線19Aを半田9Aで固定し、保護パッド16にリード線19Bを半田9Bで固定して、実施の形態に係る湿度検出素子を得る。

（第1の実施例）
実施の形態に係る湿度検出素子と、第1の電極板2に複数の溝102a, 102b, 102c…が設けられていない比較例に係る湿度検出素子とを、温度40℃、相対湿度90%rhの雰囲気に放置した。すると図16に示すように、比較例に係る湿度検出素子では200時間後に3%rhのドリフト（測定誤差）が生じたが、実施の形態に係る湿度検出素子のドリフトは2%rh未満であった。また比較例に係る湿度検出素子では1,000時間後に約4%rhのドリフトが生じたが、実施の形態に係る湿度検出素子のドリフトは2%rh未満であった。

また、実施の形態に係る湿度検出素子と比較例に係る湿度検出素子とを、温度60℃、相対湿度90%rhの雰囲気に放置した。すると図17に示すように、比較例に係る湿度検出素子では20時間後に約2.5%rhのドリフトが生じたが、実施の形態に係る湿度検出素子のドリフトは2%rh未満であった。また比較例に係る湿度検出素子では140時間後に約3.5%rhのドリフトが生じたが、実施の形態に係る湿度検出素子のドリフトは1.3%rh未満であった。

したがって、図4に示すように第1の電極板2に複数の溝102a, 102b, 102c…を設けることにより、実施の形態に係る湿度検出素子で測定される相対湿度のドリフトが低減することが示された。

（第2の実施例）
実施の形態に係る湿度検出素子を加湿庫に配置し、図18に示すように相対湿度を10乃至90%rhに変化させた場合の静電容量を測定した。その後、実施の形態に係る湿度検出素子を加湿庫に配置してから20時間後、43時間後、66時間後、161時間後、256時間後、及び351時間後にも、湿度を10乃至90%rhに変化させた場合の静電容量を測定した。いずれの時間においても、各相対湿度に対して測定された静電容量はほぼ同じであり、実施の形態に係る湿度検出素子が経年劣化しにくいことが示された。

また第1の電極板2に複数の溝102a, 102b, 102c…が設けられていない比較例に係る湿度検出素子を加湿庫に配置し、図19に示すように湿度を10乃至90%rhに変化させた場合の静電容量を測定した。その後、比較例に係る湿度検出素子を加湿庫に配置してから14時間後、36時間後、74時間後、144時間後、及び215時間後にも、湿度を10乃至90%rhに変化させた場合の静電容量を測定した。すると時間が経過するにつれて、高湿度における湿度検出素子の静電容量が上昇していくことが確認された。

したがって、第1の電極板2に複数の溝102a, 102b, 102c…を設けることにより、実施の形態に係る湿度検出素子は経年劣化しにくくなったことが示された。

（第3の実施例）
図20に示すように、第1の電極板2の複数の溝102a, 102b, 102c…の間隔Sを変化させた場合における、湿度検出素子が検出する相対湿度のドリフトを検査した。すると、複数の溝102a, 102b, 102c…の間隔Sが長くなるほど、ドリフトは低下することが示された。また図21に示すように、第1の電極板2の複数の溝102a, 102b, 102c…のそれぞれの幅Wを変化させた場合における、湿度検出素子が検出する湿度のドリフトを検査した。すると、複数の溝102a, 102b, 102c…のそれぞれの幅Wが短くなるほど、ドリフトは低下することが示された。

そこで図22に示すように、複数の溝102a, 102b, 102c…のそれぞれの幅Wに対する間隔Dの比と、ドリフトとの関係を調べたところ、複数の溝102a, 102b, 102c…のそれぞれの幅Wに対する間隔Dの比が大きくなるほど、ドリフトは低下することが示された。幅Wに対する間隔Dの比をx、ドリフトをyとして、比xとドリフトyとの関係は下記(1)式で近似され、決定係数r²は0.8534であった。

y = 3.8999e^-0.1026x …(1)
（その他の実施の形態）
上記のように本発明を実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす記述及び図面はこの発明を限定するものであると理解するべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかになるはずである。例えば第1の電極板に設けられる溝は、格子状に設けられてもよい。この様に、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を包含するということを理解すべきである。したがって、本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によってのみ限定されるものである。

本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の上面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第１の断面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第２の断面図である。本発明の実施の形態に係る第１の電極板の拡大上面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の層構造を示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の拡大断面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第１の工程上面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第１の工程断面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第２の工程断面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第２の工程上面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第３の工程断面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第３の工程上面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第４の工程断面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第４の工程上面図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出素子の第５の工程断面図である。本発明の実施の形態の第１の実施例に係る時間とドリフトの関係を示す第１のグラフである。本発明の実施の形態の第１の実施例に係る時間とドリフトの関係を示す第２のグラフである。本発明の実施の形態の第２の実施例に係る耐久試験の結果を示す第１のグラフである。本発明の実施の形態の第２の実施例に係る耐久試験の結果を示す第２のグラフである。本発明の実施の形態の第３の実施例に係る溝の間隔とドリフトの関係を示すグラフである。本発明の実施の形態の第３の実施例に係る溝の幅とドリフトの関係を示すグラフである。本発明の実施の形態の第３の実施例に係る溝の幅に対する間隔の比とドリフトとの関係を示すグラフである。

符号の説明

1…ベース基板
2…第1の電極板
3…感湿膜
4…第2の電極板
9A, 9B…半田
12…第1の接続用端子
14…第2の接続用端子
16…保護パッド
19A, 19B…リード線
20…カップリング層
102a, 102b, 102c…溝
104…電極パッド

Claims

ベース基板上に配置され、表面に深さが１μｍ〜５μｍの複数の溝が設けられた第１の電極板と、
前記第１の電極板の前記複数の溝が設けられた前記表面上に配置された、膜厚が１μｍ〜１０μｍの感湿膜と、
前記感湿膜上に配置された、膜厚が２０ｎｍ〜２００ｎｍの多孔性の第２の電極板
とを備えることを特徴とする湿度検出素子。
前記複数の溝どうしの間隔が、前記複数の溝のそれぞれの幅よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の湿度検出素子。
前記複数の溝のそれぞれが矩形波状に折れ曲がって設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の湿度検出素子。
前記第１の電極板及び前記第１の電極板を支持するベース基板と前記感湿膜とを密着させるカップリング層を更に備えることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の湿度検出素子。
前記第１の電極板がシリコンを含むことを特徴とする請求項４に記載の湿度検出素子。
前記カップリング層がシラノール基とアミノ基を有するシランカップリング剤を含むことを特徴とする請求項５に記載の湿度検出素子。
第１の電極板の表面に、深さが１μｍ〜５μｍの溝を形成するステップと、
前記第１の電極版をベース基板上に貼り付けるステップと、
前記ベース基板の露出した表面、及び前記第１の電極板の前記複数の溝が設けられた前記表面上にカップリング剤を塗布し、カップリング層を形成するステップと、
前記カップリング層上に膜厚が１μｍ〜１０μｍの感湿膜を形成し、前記ベース基板及び前記第１の電極板と前記感湿膜とを前記カップリング層で密着させるステップと、
前記感湿膜上に膜厚が２０ｎｍ〜２００ｎｍの多孔性の第２の電極板を形成するステップ
とを含むことを特徴とする湿度検出素子の製造方法。