JP6536059B2

JP6536059B2 - 湿度センサ

Info

Publication number: JP6536059B2
Application number: JP2015022943A
Authority: JP
Inventors: 学司魚住; 中村　賢蔵; 賢蔵中村; 田里　和義; 和義田里; 平野　晋吾; 晋吾平野
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2015-02-09
Filing date: 2015-02-09
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-02-09
Also published as: JP2016145756A

Description

本発明は、小型かつ低コストであると共に表面実装が可能で低背な湿度センサに関する。

従来、サーミスタ素子を用いた湿度センサとして、例えば特許文献１には、２つの自己発熱型のチップサーミスタを用いて、一方の温度補償用のサーミスタを不活性ガスで封止された絶縁性管に収納し、他方の検出用のサーミスタを貫通孔を有する絶縁性管に収納している湿度センサが提案されている。この湿度センサは、小型で表面実装が可能で、高精度な湿度測定が可能である。

このような湿度センサは、熱拡散の違いが湿度によって異なる現象を利用して、サーミスタの発熱量が外気に通じた方と完全に封止された方とで異なることから、両者のサーミスタにおける抵抗値も変化することで、その差異に基づいて湿度を算出するものである。

特開２０１４−１９０８０４号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、近年、電子機器の小型化が進み、電子機器の筐体が年々小さくなっており、内蔵部品の小型化も進んでいる。このため、表面実装が可能で、さらに小型かつ低背な湿度センサが要望されている。特に、絶縁性管のような容積が大きく高さのある部材を使用せず、狭い隙間にも実装可能なほど薄い湿度センサが要望されている。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、小型かつ低コストであると共に表面実装が可能で、さらに低背な湿度センサを提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る湿度センサは、絶縁性基板と、該絶縁性基板の一方の面に設けられた検出用感熱素子と、前記絶縁性基板の一方の面にパターン形成され前記検出用感熱素子に接続された導電性の検出用配線膜と、前記絶縁性基板の一方の面に前記検出用感熱素子に対して間隔を空けて設けられた補償用感熱素子と、前記絶縁性基板の一方の面にパターン形成され前記補償用感熱素子に接続された導電性の補償用配線膜とを備え、前記検出用感熱素子及び前記補償用感熱素子が、前記絶縁性基板の一方の面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成されていると共に一対の前記検出用配線膜又は前記補償用配線膜に接続された一対の櫛型電極とを備え、前記補償用感熱素子が、疎水性膜で覆われていることを特徴とする。

この湿度センサでは、検出用感熱素子が水分を含む外気に触れると熱放散定数が湿度により変化するが、水分の付着面積（接触面積）が小さくなる疎水性膜で覆われた補償用感熱素子の熱放散定数は検出用感熱素子と異なり外気の湿度の影響をほとんど受けない。
このため同じ電流で検出を行うと、水分の付着面積が小さくなる疎水性膜で覆われた補償用感熱素子は、熱放散定数が周辺の湿度に影響され難く、湿度による温度変化があまりないが、水分の付着面積が大きい検出用感熱素子の熱放散定数は、周辺の湿度に影響を受け易いため、温度が低く検出される。すなわち、検出用感熱素子と補償用感熱素子との検出温度（抵抗値又は電圧値）の比較を行うことにより、外気の湿度を推定し、検出することが可能になる。
また、各感熱素子が、絶縁性基板上に薄膜サーミスタ部及び櫛型電極を積層した構造であると共に、補償用感熱素子が、疎水性膜を積層した構造であるため、表面実装が可能でかつ低コストで作製可能であると共に、チップサーミスタや絶縁性管を用いた場合に比べて非常に薄く低背になる。

第２の発明に係る湿度センサは、第１の発明において、前記検出用感熱素子が、親水性膜で覆われていることを特徴とする。
すなわち、この湿度センサでは、検出用感熱素子が、水分の付着面積が広くなる親水性膜で覆われているので、検出用感熱素子が外気に直接露出している場合よりも外気の湿度の影響を受け易くなり、より高精度に湿度を測定することができる。

第３の発明に係る湿度センサは、第１又は第２の発明において、前記疎水性膜の表面が、前記補償用感熱素子の表面よりも粗面に形成されていることを特徴とする。
すなわち、この湿度センサでは、疎水性膜の表面が、補償用感熱素子の表面よりも粗面に形成されているので、粗面になった表面によって疎水性膜の疎水性がより強くなって、高精度な湿度測定が可能になる。

第４の発明に係る湿度センサは、第２の発明において、前記親水性膜の表面が、前記検出用感熱素子の表面よりも粗面に形成されていることを特徴とする。
すなわち、この湿度センサでは、親水性膜の表面が、検出用感熱素子の表面よりも粗面に形成されているので、粗面になった表面によって親水性膜の親水性がより強くなって、高精度な湿度測定が可能になる。

第５の発明に係る湿度センサは、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記絶縁性基板が、絶縁性フィルムであることを特徴とする。
すなわち、この湿度センサでは、絶縁性基板が、絶縁性フィルムであるので、柔軟な絶縁性フィルムによってセンサ全体を曲げることが可能になり、多様な箇所に設置することが可能になる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る湿度センサによれば、補償用感熱素子が疎水性膜で覆われているので、小型かつ低コストであると共に薄く低背な構造で表面実装が可能である。
したがって、本発明の湿度センサは、低背であるため、装置内部の狭い隙間にも実装することができる。

本発明に係る湿度センサの一実施形態において、湿度センサを示す平面図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。

以下、本発明に係る湿度センサの一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の湿度センサ１は、図１及び図２に示すように、絶縁性基板２と、該絶縁性基板２の一方の面に設けられた検出用感熱素子３Ａと、絶縁性基板２の一方の面にパターン形成され検出用感熱素子３Ａに接続された導電性の検出用配線膜４Ａと、絶縁性基板２の一方の面に検出用感熱素子３Ａに対して間隔を空けて設けられた補償用感熱素子３Ｂと、絶縁性基板２の一方の面にパターン形成され補償用感熱素子３Ｂに接続された導電性の補償用配線膜４Ｂとを備えている。

上記検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂは、絶縁性基板２の一方の面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部５と、薄膜サーミスタ部５の上に複数の櫛部６ａを有して互いに対向してパターン形成されていると共に一対の検出用配線膜４Ａ又は補償用配線膜４Ｂに接続された一対の櫛型電極６とを備えている。

また、本実施形態の湿度センサ１は、絶縁性基板２の表面に各薄膜サーミスタ部５を覆う一対の保護膜７を備えている。
上記保護膜７は、絶縁性樹脂膜等であり、例えば厚さ２０μｍのポリイミド膜が採用される。この保護膜７は、薄膜サーミスタ部５と共に櫛部６ａを覆って矩形状にパターン形成されている。

また、上記補償用感熱素子３Ｂは、疎水性膜８で覆われている。この疎水性膜８は、少なくとも薄膜サーミスタ部５及び櫛型電極６よりも高い疎水性を有している。なお、ここでは、疎水性は撥水性と同義として記載している。
さらに、上記検出用感熱素子３Ａは、親水性膜９で覆われている。この親水性膜９は、少なくとも薄膜サーミスタ部５及び櫛型電極６よりも高い親水性を有している。
上記疎水性膜８及び親水性膜９は、保護膜７上に形成されて対応する感熱素子を覆っている。

上記疎水性膜８の表面は、補償用感熱素子３Ｂの表面よりも粗面に形成されている。
また、上記親水性膜９の表面は、検出用感熱素子３Ａの表面よりも粗面に形成されている。
上記絶縁性基板２は、絶縁性フィルムである。例えば、絶縁性基板２は、厚さ７．５〜１２５μｍのポリイミド樹脂シートで帯状に形成されている。

なお、柔軟性が必要な場合は、絶縁性フィルムを絶縁性基板２として採用することが好ましいが、柔軟性が不要な場合は、シリコン基板やアルミナ基板等の硬質な基板を絶縁性基板２に採用しても構わない。特に、シリコン基板に各膜を直接成膜することで、検出用感熱素子３Ａ及び補償用感熱素子３Ｂを電子回路の一部としてシリコン基板上に直接作製することができ、その場合は表面実装の手間を省くことができる。

櫛型電極６、検出用配線膜４Ａ及び補償用配線膜４Ｂは、例えばＮｉＣｒ膜とＰｔ膜との積層金属膜でパターン形成されている。
検出用配線膜４Ａ及び補償用配線膜４Ｂの端部には、リード線接続用やワイヤーボンディング用の端子電極部４ａが設けられている。

上記薄膜サーミスタ部５は、例えば膜厚１００〜１０００ｎｍのＴｉＡｌＮ等の窒化物からなる薄膜サーミスタ材料で、矩形状に絶縁性基板２にパターン形成されている。
特に、本実施形態の薄膜サーミスタ部５は、一般式：Ｔｉ_ｘＡｌ_ｙＮ_ｚ（０．７０≦ｙ／（ｘ＋ｙ）≦０．９５、０．４≦ｚ≦０．５、ｘ＋ｙ＋ｚ＝１）で示される金属窒化物からなり、その結晶構造が、六方晶系のウルツ鉱型の単相である。

疎水性膜８としては、シリコーン、フッ素樹脂、二酸化チタン等の膜が採用可能である。
親水性膜９としては、グリセリン脂肪酸エステルモノグリセライド、グリセリン脂肪酸エステル有機酸モノグリセライド、ポリグリセリン脂肪酸エステル、ソルビタン脂肪酸エステル等の膜、または二酸化チタンの薄膜にシリコーン系蓄水性物質を組み合わせて焼成した膜等が採用可能である。

なお、これら疎水性膜８及び親水性膜９は、対応する感熱素子上に直接成膜しても構わない。また、疎水性フィルム又は親水性フィルムを対応する感熱素子上に貼り付けて疎水性膜８又は親水性膜９としても構わない。

これら疎水性膜８及び親水性膜９の表面は、様々なマット加工で粗面化できるが、例えばサンドブラストやコロナ処理で物理的に加工したり、酸やアルカリで化学的な処理を施すことで、粗面化を行っている。
なお、一般に物質表面の疎水性及び親水性は、その表面が粗面化されると、さらにその疎水性又は親水性の特性が強く得られることが知られている。

この湿度センサ１では、湿度がある空気中の場合は、電流印加によるジュール熱が空気中の水分に取られるので、乾燥空気中の場合よりも大きな電力が必要になり、定電流を印加した際の電圧が高くなる。そのため、検出用感熱素子３Ａの発熱状態から得られる湿度と電圧との関係を予め計測しておくことで、定電流時の電圧変化から大気の湿度を推定することが可能になる。

特に、検出用感熱素子３Ａが直接、空気中の水分で熱を取られるのではなく、空気中の水分が広い面積で付着する親水性膜９が熱を取られることで、より大きい電圧の変動が得られる。また、補償用感熱素子３Ｂは、空気中の水分が小さい面積で付着する疎水性膜８が熱を取られ難いことで、空気中の水分の影響を受け難く、安定した温度補償を行うことができる。

このように本実施形態の湿度センサ１では、検出用感熱素子３Ａが水分を含む外気に触れると素子の熱放散定数が変化するが、水分の付着面積が小さくなる疎水性膜８で覆われた補償用感熱素子３Ｂの熱放散定数は検出用感熱素子３Ａに比べて外気の湿度の影響を受け難い。

このため同じ電流で検出を行うと、水分の付着面積が小さくなる疎水性膜８で覆われた補償用感熱素子３Ｂは、熱放散定数が周辺の湿度に影響され難く、湿度による温度変化があまりないが、水分の付着面積が大きい検出用感熱素子３Ａの熱放散定数は、周辺の湿度に影響を受け易いため、温度が低く検出される。すなわち、検出用感熱素子３Ａと補償用感熱素子３Ｂとの検出温度（抵抗値又は電圧値）の比較を行うことにより、外気の湿度を推定し、検出することが可能になる。

また、各感熱素子が、絶縁性基板２上に薄膜サーミスタ部５及び櫛型電極６を積層した構造であると共に、さらに疎水性膜８及び親水性膜９を積層した構造であるため、表面実装が可能でかつ低コストで作製可能であると共に、チップサーミスタや絶縁性管を用いた場合に比べて非常に薄く低背になる。したがって、回路基板上に０．２ｍｍ〜数ｍｍ程度の隙間しかない場合でも、表面実装することが可能になる。

さらに、検出用感熱素子３Ａが、水分の付着面積が広くなる親水性膜９で覆われているので、検出用感熱素子３Ａが外気に直接露出している場合よりも外気の湿度の影響を受け易くなり、より高精度に湿度を測定することができる。

また、各感熱素子が、絶縁性基板２上に薄膜サーミスタ部５及び櫛型電極６を積層した構造であると共に、疎水性膜８又は親水性膜９を積層した構造であるため、表面実装が可能でかつ低コストで作製可能であると共に、チップサーミスタや絶縁性管を用いた場合に比べて非常に薄く低背になる。

また、疎水性膜８の表面が、補償用感熱素子３Ｂの表面よりも粗面に形成されているので、粗面になった表面によって疎水性膜８の疎水性がより強くなって、高精度な湿度測定が可能になる。
また、親水性膜９の表面が、検出用感熱素子３Ａの表面よりも粗面に形成されているので、粗面になった表面によって親水性膜９の親水性がより強くなって、高精度な湿度測定が可能になる。
さらに、絶縁性基板２が、絶縁性フィルムであるので、柔軟な絶縁性フィルムによってセンサ全体を曲げることが可能になり、多様な箇所に設置することが可能になる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

１…湿度センサ、２…絶縁性基板、３Ａ…検出用感熱素子、３Ｂ…補償用感熱素子、４Ａ…検出用配線膜、４Ｂ…補償用配線膜、５…薄膜サーミスタ部、６…櫛型電極、６ａ…櫛部、８…疎水性膜、９…親水性膜

Claims

絶縁性基板と、
該絶縁性基板の一方の面に設けられた検出用感熱素子と、
前記絶縁性基板の一方の面にパターン形成され前記検出用感熱素子に接続された導電性の検出用配線膜と、
前記絶縁性基板の一方の面に前記検出用感熱素子に対して間隔を空けて設けられた補償用感熱素子と、
前記絶縁性基板の一方の面にパターン形成され前記補償用感熱素子に接続された導電性の補償用配線膜とを備え、
前記検出用感熱素子及び前記補償用感熱素子が、前記絶縁性基板の一方の面にサーミスタ材料でパターン形成された薄膜サーミスタ部と、
前記薄膜サーミスタ部の上及び下の少なくとも一方に複数の櫛部を有して互いに対向してパターン形成されていると共に一対の前記検出用配線膜又は前記補償用配線膜に接続された一対の櫛型電極とを備え、
前記補償用感熱素子が、撥水性を有する疎水性膜で覆われ、
前記検出用感熱素子が、親水性膜で覆われていることを特徴とする湿度センサ。
請求項１に記載の湿度センサにおいて、
前記疎水性膜の表面が、前記補償用感熱素子の表面よりも粗面に形成されていることを特徴とする湿度センサ。
請求項１又は２に記載の湿度センサにおいて、
前記親水性膜の表面が、前記検出用感熱素子の表面よりも粗面に形成されていることを特徴とする湿度センサ。
請求項１から３のいずれか一項に記載の湿度センサにおいて、
前記絶縁性基板が、絶縁性フィルムであることを特徴とする湿度センサ。