JP6624928B2 - 多孔質電極の製造方法 - Google Patents

多孔質電極の製造方法 Download PDF

Info

Publication number
JP6624928B2
JP6624928B2 JP2015253743A JP2015253743A JP6624928B2 JP 6624928 B2 JP6624928 B2 JP 6624928B2 JP 2015253743 A JP2015253743 A JP 2015253743A JP 2015253743 A JP2015253743 A JP 2015253743A JP 6624928 B2 JP6624928 B2 JP 6624928B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
electrode
moisture
heated
melting point
substrate
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.)
Active
Application number
JP2015253743A
Other languages
English (en)
Other versions
JP2017116460A (ja
Inventor
洋介 結城
洋介 結城
木村 光照
光照 木村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chino Corp
Original Assignee
Chino Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Chino Corp filed Critical Chino Corp
Priority to JP2015253743A priority Critical patent/JP6624928B2/ja
Publication of JP2017116460A publication Critical patent/JP2017116460A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP6624928B2 publication Critical patent/JP6624928B2/ja
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Description

本発明は、例えば測定空間内の雰囲気中のガス濃度や湿度を計測する気体センシングデバイスに搭載される多孔質電極の製造方法に関するものである。
従来より、例えば研究所、病院、半導体工場等に設置されるクリーンルームや恒温恒湿ルームのように室内空調管理がシビアに行われる環境において、測定空間内で測定した雰囲気中に含まれるガス濃度や温度(気温)、湿度を計測する気体センシングデバイスが広く普及している。
この種の気体センシングデバイスに具備される湿度センサは、セラミックスやガラス製の基板上に形成された下部電極と上部電極との間に、誘電体となる感湿性高分子膜(例えば、セルロース系化合物やポリビニル系化合物、芳香属系ポリマーからなるエンジニアリングプラスチック(エンプラ)やスーパーエンジニアリングプラスチック(スーパーエンプラ)等)を挟み込むことで平行平板型コンデンサを形成し、感湿性高分子膜の誘電率の変化に伴って変化する静電容量を測定することで湿度を計測している。
この上部電極には、測定雰囲気中に含まれる水分が通過できる程度の微小なクラック(貫通部分)が形成されており、雰囲気中の水分がこのクラックを通過して感湿性高分子膜に吸着されるようになっている。
また、センサの種類は異なるが、上部電極のような多孔質な薄膜形成方法の一つとして、下記特許文献1には、2種類以上の異なる物質を分散形成させた薄膜のうち、少なくともそのうちの1種類の物質を除去して多孔質層を形成する技術が開示されている。
特許第3928856号
しかしながら、従来の上部電極は、例えばAu(金)やCr(クロム)の薄膜を感湿性高分子膜の上に蒸着することによる応力で、微細なクラックを生じさせることで形成されている。このため、クラックのサイズや形成範囲を正確に制御することができず、製品の歩留りが安定しないという課題があった。
また、特許文献1に開示される技術を湿度センサの上部電極の作製方法として採用した場合、例えば文献中に記載されたCr(クロム)とCu(銅)を同時に真空蒸着するため被蒸着部となる感湿性高分子膜を400〜600℃程度に加熱する必要がある。
ところが、感湿性高分子膜に使用されるエンプラやスーパーエンプラは、耐熱温度が200℃程度であるため、特許文献1のように400℃以上の温度で加熱してしまうと感湿性高分子膜の耐熱温度を超えてしまうため、感湿性高分子膜が変質して製品品質に問題が生じる虞がある。
そこで、本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、電極部分の貫通部分のサイズや形成範囲をある程度制御しながら製品の歩留りを向上させることのできる多孔質電極の製造方法を提供することを目的としている。
上記した目的を達成するため、本発明に係る第1の態様は、少なくとも鉛よりも融点が低く、且つエッチング処理で除去される低融点金属と、
前記エッチング処理で除去されない電極材料と、
少なくとも前記低融点金属が凝集して微粒子化する凝集温度で加熱される被加熱基材と、
を用いて作製される多孔質電極の製造方法であって、
前記凝集温度で加熱した前記被加熱基材の表面に前記低融点金属を物理蒸着させ、
前記被加熱基材を常温に戻した状態で前記電極材料を物理蒸着により形成し、
前記低融点金属と前記電極材料とが共に蒸着された前記被加熱基材をエッチング処理して前記低融点金属のみを除去して得られることを特徴とする、多孔質電極の製造方法である。
本発明によれば、電極材料にエッチング処理で除去した低融点金属の微粒子形状を成す貫通孔を形成させることができるため、従来品のような不規則なクラックではなく、電極面における貫通孔の形成範囲や貫通孔の径等が制御可能な多孔質電極を提供することができる。
また、この多孔質電極を例えば湿度センサの電極として用いた場合、感湿性高分子膜に対し適切に水分を吸着させることができ、製品の歩留りが高まるという効果を奏する。さらに、凝集させる電極材料のサイズや電極表面における凝集密度を制御することができるため、センサの応答性を制御することができる。
さらに、少なくとも鉛(融点:327.5℃)よりも融点の低い低融点金属LMを使用するため、湿度センサの電極として使用した場合に、感湿性高分子膜5が変質しない温度を上限とした温度で物理蒸着することが可能となる。
本発明に係る多孔質電極を採用した湿度センサの概略断面図である。 (a)〜(c)は多孔質電極を採用した湿度センサの上部電極の製造工程を示す模式図である。 湿度センサの他の形態例を示す概略断面図である。
以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではなく、この形態に基づいて当業者などによりなされる実施可能な他の形態、実施例及び運用技術などは全て本発明の範疇に含まれる。
本発明の多孔質電極は、例えば研究所、病院、半導体工場等に設置されるクリーンルームや恒温恒湿ルームのような室内空調管理がシビアな環境において、被測定空間の雰囲気中に含まれるガス濃度や湿度を計測する気体センシングデバイスに搭載される湿度センサや酸素センサの電極として採用される。
まず、本発明の多孔質電極を用いた湿度センサの構成について説明する。
図1に示すように、湿度センサ1は、セラミックスやガラスからなる基板2上に、下部電極3と、上部電極4と、感湿性高分子膜5とを備えて構成される。
また、下部電極3と上部電極4は、それぞれリード線6を介して演算部7と配線接続さている。さらに、下部電極3、上部電極4及び感湿性高分子膜5で平行平板型コンデンサとなる電極構造を有している。
本実施形態の湿度センサ1は、上記電極構造を有する静電容量式湿度センサであるため、感湿性高分子膜5に対する水分吸着に伴う誘電率の変化がもたらす電極間の静電容量の変化に基づき、演算部7で測定雰囲気中の湿度を算出している。
下部電極3(請求項における「第2の電極」に相当)は、基板2の上にNi(ニッケル)、Ta(タンタル)、Al(アルミニウム)、Cr(クロム)のような電極として機能する金属や合金を成膜した後、所望の形状となるようにエッチング処理で不要な部分を除去して形成される。
上部電極4(請求項における「第1の電極」に相当)は、感湿性高分子膜5の上面に形成され、その表面には測定雰囲気中の微小な貫通孔が電極面全体に亘って無数に形成された多孔質電極である。
上部電極4は、図2(a)〜(c)に示すような作業工程1〜3の手順に沿って作製されることで、電極面に無数の貫通孔が形成された多孔質電極となる。
なお、基板2、下部電極3及び感湿性高分子膜5は、工程1における物理蒸着の際に、低融点金属LMを凝集して微粒子化させるために加熱される「被加熱基材」として機能する。また、図2に示す各図では、低融点金属LMの粒径、電極材料EMや感湿性高分子膜5の膜厚等をデフォルメした状態で表現している。
−工程1(低融点金属蒸着処理)−
まず、少なくとも低融点金属LMが凝集して微粒子化し、且つ感湿性高分子膜5が変質しない程度の温度(以下、「凝集温度」という)に被加熱基材を加熱し、この被加熱基材の表面(ここでは、感湿性高分子膜5の表面)に物理蒸着法(被加熱基材を凝集温度まで加熱しながら蒸着する方法であれば特に限定されない)により低融点金属LMを成膜する。
工程1で使用する低融点金属LMは、少なくともPb(鉛)の融点(327.5℃)よりも低く、後述するエッチング処理により除去可能な金属や合金であり、例えばSn(錫、融点:231. 9℃)やIn(インジウム、融点:156.6℃)のような単体金属、半田(例えばSn(錫)−Ag(銀)−Cu(銅)系合金、融点:約180〜220℃)のような易融合金等が該当する。
また、工程1では、図2(a)に示すように、凝集温度で加熱された感湿性高分子膜5の表面に低融点金属LMを物理蒸着させると、凝集して微粒子化する。これにより、感湿性高分子膜5の表面に無数の凝集した微粒子状の低融点金属LMが蒸着される。また、低融点金属LMの平均粒径は、被加熱基材が加熱される温度(凝集温度)によって異なるが、大凡0.01〜10μmの範囲で制御される。
−工程2(物理蒸着処理)−
次に、基板2の加熱を止め、常温(20℃±15℃の範囲)に戻した後、次工程のエッチング処理によって除去(エッチング)されない金属を、スパッタリング法のようなPVD(Physical Vapor Deposition )によって低融点金属LMが蒸着された被加熱基材の表面(感湿性高分子膜5の表面)に蒸着させる。
工程2では、図2(b)に示すように、微粒子化凝集した無数の低融点金属LMが蒸着した感湿性高分子膜5の表面に、上部電極4となる電極材料EM(例えばAu(金)のような電極として機能し、且つエッチング除去されない金属又は合金)を蒸着させている。なお、工程2で蒸着される電極材料EMは、上部電極4として機能し、且つ工程3によるエッチング処理によって除去されない金属又は合金であれば、その種類は問わない。
−工程3(エッチング処理)−
そして、工程1で蒸着した低融点金属LMのみをエッチング処理によって除去することで貫通孔が無数に形成された多孔質な上部電極4が作製される。
工程3では、図2(c)に示すように、感湿性高分子膜5の表面に蒸着した低融点金属LMがエッチング処理により除去されることで、感湿性高分子膜5の表面において低融点金属LMが存在した部分以外の領域に上部電極4となる金属が残る。これにより、低融点金属LMの形状を成す無数の貫通孔が上部電極4に形成されることになる。
このように、本発明に係る上部電極4は、工程1における物理蒸着時の加熱温度を、有機物である感湿性高分子膜5の耐熱温度を超えない範囲で、且つ低融点金属LMが凝集して微粒子化する温度に調整することで、感湿性高分子膜5が変質することなく該膜の表面に微粒子化凝集した低融点金属LMを蒸着させることができる。
そのため、上記工程1〜3を経て作製された上部電極4は、従来製品のように制御しにくいクラックとは異なり、平均粒径が大凡0.01〜10μm程度の孔を電極面全体に亘って形成可能となるため、感湿性高分子膜5に吸着する水分の偏りや通過不良が抑制され、湿度センサ1の歩留り率を高くすることができる。また、電極面にクラックが発生しないため、センサの感度特性を安定させることができる。
なお、被加熱基材を加熱する凝集温度は、下限として被加熱基材の表面で低融点金属LMが凝集して微粒子化する温度であり、上限として少なくともPb(鉛)の融点よりも低く、有機物である感湿性高分子膜5が変質しない温度とする必要がある。よって、感湿性高分子膜5の種類にもよるが、概ね100〜250℃の範囲で凝集する低融点金属LMを選択することが好ましい。
また、低融点金属LMは、被加熱基材の加熱温度が高温になるに連れて凝集しやすい傾向にあるため、平均粒径を制御する際は、上記した凝集温度の温度条件を満たす範囲で温度調整すればよい。
感湿性高分子膜5は、例えばセルロース系化合物やポリビニル系化合物、芳香属系ポリマーのようなエンジニアリングプラスチック(エンプラ)やスーパーエンジニアリングプラスチック(スーパーエンプラ)で構成され、下部電極3と上部電極4との間に挟持して平行平板型コンデンサを形成するための誘電体(絶縁体)である。
以上説明したように、上述した湿度センサ1の上部電極4は、基板2上に下部電極3、感湿性高分子膜5の順で成膜した被加熱基材を凝集温度で加熱し、この加熱状態で感湿性高分子膜5の表面に低融点金属LMを物理蒸着させる。次に、低融点金属LMが蒸着した被加熱基材を常温に戻して電極材料EMを物理蒸着させた後、エッチング処理により低融点金属LMのみを除去して得られる多孔質電極である。
これにより、物理蒸着の際に、凝集温度によって平均粒径がある程度制御可能な微粒子化凝集した低融点金属LMを、電極材料EMの表面全体に亘って分布した状態で蒸着させることができ、またエッチング処理後は、従来品のような不規則なクラックではなく、電極材料EMに低融点金属LMの微粒子形状を成す貫通孔を感湿性高分子膜5の表面に亘って略均一に形成させた多孔質電極を提供することができる。
また、この多孔質電極を例えば湿度センサの電極として用いた場合、感湿性高分子膜5に対し適切に水分を吸着させることができ、製品の歩留りを高めることが可能となる。さらに、電極面にクラックが発生しないため、センサの感度特性を安定させることができる。
また、少なくとも鉛(融点:327.5℃)よりも融点の低い低融点金属LMを使用するため、有機物である感湿性高分子膜5が変質しない程度の温度で被加熱基材に対して物理蒸着させることができる。
[その他の実施形態について]
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば以下に示すように使用環境等に応じて適宜変更して実施することもできる。また、以下の変更例を本発明の要旨を逸脱しない範囲の中で任意に組み合わせて実施することもできる。
上述した形態では、基板2、下部電極3及び感湿性高分子膜5が被加熱基材として機能する構成で説明したが、基板2は必須の構成要件ではない。よって、図3に示すように、感湿性高分子膜5を基板としての強度が保てる程度の厚さにし、その表裏面に下部電極3と上部電極4を成膜した構成とすることもできる。このような構成の場合、下部電極3と感湿性高分子膜5が被加熱基材として機能することになる。
また、上記変形例のような構成とした場合、少なくとも一方の電極が多孔質電極となっていればよいため、例えば下部電極3を多孔質電極とした構成や、下部電極3及び上部電極4の両方を多孔質電極とした構成とすることもできる。
さらに、上述した形態では、本発明の多孔質電極を湿度センサ1の上部電極4として使用した例を説明したが、例えば安定化ジルコニア固体電解質に一対の電極を設けた限界電流式酸素センサの陰極として使用することもできる。
1…湿度センサ
2…基板
3…下部電極(請求項における第2の電極)
4…上部電極(本発明に係る多孔質電極であり、請求項における第1の電極)
5…感湿性高分子膜
6…リード線
7…演算部
LM…低融点金属
EM…電極材料

Claims (1)

  1. 少なくとも鉛よりも融点が低く、且つエッチング処理で除去される低融点金属と、
    前記エッチング処理で除去されない電極材料と、
    少なくとも前記低融点金属が凝集して微粒子化する凝集温度で加熱される被加熱基材と、
    を用いて作製される多孔質電極の製造方法であって、
    前記凝集温度で加熱した前記被加熱基材の表面に前記低融点金属を物理蒸着させ、
    前記被加熱基材を常温に戻した状態で前記電極材料を物理蒸着により形成し、
    前記低融点金属と前記電極材料とが共に蒸着された前記被加熱基材をエッチング処理して前記低融点金属のみを除去して得られることを特徴とする多孔質電極の製造方法
JP2015253743A 2015-12-25 2015-12-25 多孔質電極の製造方法 Active JP6624928B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015253743A JP6624928B2 (ja) 2015-12-25 2015-12-25 多孔質電極の製造方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015253743A JP6624928B2 (ja) 2015-12-25 2015-12-25 多孔質電極の製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2017116460A JP2017116460A (ja) 2017-06-29
JP6624928B2 true JP6624928B2 (ja) 2019-12-25

Family

ID=59234331

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015253743A Active JP6624928B2 (ja) 2015-12-25 2015-12-25 多孔質電極の製造方法

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6624928B2 (ja)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2020047776A (ja) * 2018-09-19 2020-03-26 国立研究開発法人産業技術総合研究所 気体透過型コンデンサ素子、センサ素子、及び、それらを用いた計測方法。
WO2022202290A1 (ja) * 2021-03-25 2022-09-29 三菱電機株式会社 物質検出装置、物質検出システム及び半導体集積回路システム

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2498329A1 (fr) * 1981-01-19 1982-07-23 Commissariat Energie Atomique Hygrometre capacitif a dielectrique mince et son procede de fabrication
JPS6059066A (ja) * 1983-09-12 1985-04-05 Clarion Co Ltd 多孔質薄膜の製造方法
JPH0212047A (ja) * 1988-06-30 1990-01-17 Toshiba Corp 容量変化型感湿素子およびその製造方法
JP3047137B2 (ja) * 1991-09-06 2000-05-29 グローリー工業株式会社 湿度センサの製造方法
JP3075866B2 (ja) * 1992-10-10 2000-08-14 株式会社リコー トナー担持体の製造方法
JP2000182628A (ja) * 1998-12-15 2000-06-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 薄膜固体電解質素子用多孔質電極の製造方法
JP2001004579A (ja) * 1999-06-16 2001-01-12 Shinei Kk 容量式感湿素子
JP3928856B2 (ja) * 2002-07-15 2007-06-13 光照 木村 熱型赤外線センサ、放射温度計および赤外線吸収膜の形成方法
JP4985582B2 (ja) * 2008-08-11 2012-07-25 住友金属鉱山株式会社 タンタル多孔質膜の製造方法およびタンタル多孔質電極箔の製造方法
KR101019576B1 (ko) * 2008-11-14 2011-03-08 포항공과대학교 산학협력단 산화 알루미늄 다공층을 갖는 습도 센서 및 이의 제조 방법
JP5201109B2 (ja) * 2009-09-16 2013-06-05 住友金属鉱山株式会社 電解コンデンサ用多孔質電極の製造方法
JP5978108B2 (ja) * 2012-11-13 2016-08-24 積水化学工業株式会社 混合膜の製造方法、及び多孔質膜の製造方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2017116460A (ja) 2017-06-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Liang et al. Highly sensitive, flexible MEMS based pressure sensor with photoresist insulation layer
JP6624928B2 (ja) 多孔質電極の製造方法
KR101367887B1 (ko) 정전용량형 습도센서
TWI432721B (zh) 用以檢測解凍之感測器裝置及其製造方法
CN107290241B (zh) 一种qcm湿度传感器及其制备方法
Wisitsoraat et al. Electron beam evaporated carbon nanotube dispersed SnO 2 thin film gas sensor
CN111457833B (zh) 基于立体电极结构的柔性弯曲传感器及加工方法
US20100245030A1 (en) Processes for Producing Thin-Film Sensors, Thin-Film Sensors and Thin-Film Sensor Modules
Ferreira et al. Tuning electrical resistivity anisotropy of ZnO thin films for resistive sensor applications
KR20060102236A (ko) 정전용량형 습도센서 및 그 제조방법
KR102219619B1 (ko) 표준 가스 배리어 필름
Lee et al. Realization of nanolene: a planar array of perfectly aligned, air‐suspended nanowires
CN103560204B (zh) 一种金属切削测温用薄膜热电偶及其制备方法
CN101105468B (zh) 多孔阳极氧化铝湿度传感器及其制备方法
US20090134026A1 (en) Gas sensor and method for the production thereof
US20170023508A1 (en) Method of making thin film humidity sensors
CN1037041C (zh) 金属-氧化物-半导体结构电容式湿敏器件及其制造方法
Pütz et al. Wet chemical deposition of transparent conducting coatings in glass tubes
JP3047137B2 (ja) 湿度センサの製造方法
IL36479A (en) Electrical resistance element and its fabrication
JP7245693B2 (ja) センサ及びその製造方法
CN108593734A (zh) 一种传感器元件的制造方法
KR20140003085A (ko) 정전용량형 습도 센서 및 이의 제조방법
JP3845937B2 (ja) ガスセンサ
JPH0212047A (ja) 容量変化型感湿素子およびその製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20160308

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A821

Effective date: 20160308

A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180524

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20190307

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190319

A521 Written amendment

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190517

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20191105

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20191126

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6624928

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150