JP7245693B2 - センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
〔1〕 樹脂組成物から形成される検知膜と、前記検知膜の第1表面上に設けられた第1電極と、前記検知膜の第2表面上に設けられた第2電極と、を備え、
前記検知膜の前記第1表面は、前記第1電極と接触する部分に、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.3μm~3.0μmの微細な凹凸を有する粗面を含む、センサ。
前記センサ素子の前記第1電極を有する表面は、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.3μm~3.0μmの微細な凹凸を有する粗面を含む、センサ。
前記基板、前記第2電極、前記検知膜、前記第1電極がこの順に積層されている、〔1〕~〔6〕のいずれか1項に記載のセンサ。
〔9〕 前記検知膜は感湿膜である、〔1〕~〔8〕のいずれか1項に記載のセンサ。
前記基板上に第2電極を形成する工程と、
前記第2電極上に樹脂を主成分とする検知膜を形成する工程と、
前記検知膜の前記第2電極と反対側の表面の少なくとも一部を粗面化して粗面とする工程と、
前記検知膜の前記表面の前記粗面を含む領域に、第1電極をめっきにより形成する工程と、を有し、
前記粗面は、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.3μm~3.0μmである、センサの製造方法。
前記基板上に第2電極を形成する工程と、
前記第2電極上に樹脂を主成分とする検知膜を形成する工程と、
前記検知膜の前記第2電極と反対側の表面に、第1電極をめっきにより形成する工程と、を有し、
前記第1電極を有する表面は、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.3μm~3.0μmの微細な凹凸を有する粗面を含む、センサの製造方法。
本発明のセンサは、樹脂組成物から形成される検知膜と、検知膜の第1表面上に設けられた第1電極と、検知膜の第2表面(第1表面に対向する表面)上に設けられた第2電極とを備えるセンサ素子を含む。センサの方式としては、検知膜の外部刺激による物性変化を電気信号として読み取ることができるものであれば特に限定されず、静電容量式、抵抗式、電圧式、電流式等であってもよい。また、センサの種類としては、湿度センサ、近接センサ、感圧センサ、加速度センサ、レベルセンサ、歪みセンサ、焦電センサ等、特に限定されない。
C=εS/d
静電容量保持率(%)=(C1/C0)×100
図3(h)を参照して、湿度センサの試験片の上部電極34表面の領域34aを中心とする1cm幅×2cmの長さの領域に対して、市販の摩擦摩耗試験機で摩耗試験を行う。試験は、装置の接触端子と上部電極との接触面に市販の不織布ワイパーを載置し、移動速度及び垂直荷重を所望の条件に設定し、接触端子を往復させることで行われる。後述の実施例では、摩擦摩耗試験機として新東科学株式会社製の「トライボギアTYPE38」を使用し、移動速度1600mm/分、及び垂直荷重30gの条件で、接触端子を100往復させている。
検知膜は、その第1表面の第1電極と接触する部分に、微細な凹凸を有する第1粗面を含むことができる。検知膜の第1表面における第1粗面の微細な凹凸は、耐摩耗性を向上させる観点から、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.3μm~3.0μmであることが好ましく、0.5μm~2.5μmであることがより好ましく、0.6μm~1.5μmであることがさらに好ましい。二乗平均平方根粗さ(Sq)は、JIS B 0601に記載されている二次元の輪郭曲線の二乗平均平方根粗さ(Rq)を、三次元に拡張したものである。
フッ素化ポリイミド樹脂を含むことにより、感湿膜において、水分の脱吸着に対して優れた応答性が得られる。フッ素化ポリイミド樹脂は、ポリイミド構造とフルオロ基(すなわち、フッ素原子)とを有する樹脂であれば特に限定されない。ポリイミド樹脂は、例えば、ジアミン又はその誘導体と、テトラカルボン酸又はその誘導体とを反応させることによって得ることができる。感湿膜に使用できるポリイミド樹脂としては、例えば、国際公開第2017/179367号に記載の樹脂等が挙げられる。
第1電極は、導電性材料を用いて形成することができ、例えば、金、銅、アルミニウム、鉄、錫、亜鉛、ニッケル、チタン、モリブデン、クロム、タングステン、鉛等の金属、及びこれら金属から選択される2種以上の金属を含む合金、アルミニウム-ケイ素合金、並びに、多結晶シリコンからなる群より選択される1種以上によって形成することができる。第1電極は、検知膜の第1表面上に、電解めっき、無電解めっき、溶融めっき、化学蒸着、物理蒸着等、公知のめっき方法に成膜する方法、または、予め成膜された電極膜を第1表面上に積層する方法等によって形成することができる。物理蒸着としては、真空蒸着、分子線蒸着、イオンビーム蒸着等の蒸発源を加熱して蒸発させる方法を含む蒸発系、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング等のスパッタリング系が挙げられる。これらの方法は、必要に応じてパターニングを組み合わせることができる。なお、第1表面との高い密着性が得られることから、めっき方法が好ましい。本明細書では、めっき方法により形成された膜をめっき膜という。
センサ素子の第1電極を有する表面は、微細な凹凸を有する粗面(「第2粗面」とも称する。)を含むことができる。センサ素子の第1電極を有する表面は、第1電極の検知膜側とは反対側の表面を含む。センサ素子の第1電極を有する表面における第2粗面は、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.3μm~3.0μmであることが好ましく、0.5μm~2.5μmであることがより好ましく、0.6μm~1.5μmであることがさらに好ましい。
第2電極は、導電性材料を用いて形成することができ、例えば、第1電極で例示した材料を用いて形成することができる。第2電極は、検知膜の第2表面上に直接形成してもよいし、基板上に形成して、その後検知膜の第2表面上に積層されるようにしてもよい。第2電極は、第1電極で例示した形成方法によって形成することができる。
センサ素子の第2電極を有する表面は、センサ素子の第1電極側の表面と同様に、微細な凹凸を有する粗面(以下、「第4粗面」とも称する。)を含んでいてもよい。センサ素子の第2電極を有する表面は、第2電極の検知膜側とは反対側の表面を含む。センサ素子の第2電極を有する表面における第4粗面は、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.3μm~3.0μmであることが好ましく、0.5μm~2.5μmであることがより好ましく、0.6μm~1.5μmであることがさらに好ましい。
本発明のセンサの用途は、特に限定されることなく公知の用途に用いられる。センサは、第1電極側の面と第2電極側の面とを区別することなく搭載することもできるが、第1電極と第2電極の内、センサの露出面(センサの設置面とは反対側)が、第1電極側の面となるように搭載されることが好ましい。用途の一例として、スマートフォン、腕時計型携帯端末等の携帯装置への搭載が挙げられる。センサは、その用途に応じて、可撓性に構成してもよい。携帯装置に搭載されたセンサは、その検出湿度を携帯装置の制御に適用してもよい。
図1(a)は、湿度センサの第1実施形態を模式的に示す概略平面図であり、図1(b)は、(a)のX-X断面図である。図1(a)及び(b)に示すように、湿度センサ(センサ)10は、絶縁性基板1、下部電極(第2電極)2、感湿膜(検知膜)3、上部電極(第1電極)4、下部電極用リード線7、上部電極用リード線9を有する。下部電極2は絶縁性基板1上に形成されており、下部電極2には下部電極用リード線7が接続されている。感湿膜3は、下部電極2の下部電極用リード線7との接続部分を除く領域を覆うように、絶縁性基板1上に形成されている。上部電極4は、感湿膜3上において、下部電極2が延在する方向と直交する方向に延在するように形成されている。上部電極4には上部電極用リード線9が接続されている。
図2(a)は、湿度センサの第2実施形態を模式的に示す概略平面図であり、図2(b)は、(a)のX-X断面図である。図2(a)及び(b)に示すように、湿度センサ20は、絶縁性基板1を有さない点のみ、第1実施形態の湿度センサ10と異なる。湿度センサ20は、絶縁性基板1を有さないため、下部電極2は、予め成膜された感湿膜3の表面(第2表面)に直接設けることにより構成することができる。上部電極4と下部電極2が対向する領域が、コンデンサ領域20aである。
実施例及び比較例の湿度センサの試験片について、次のようにして静電容量保持率の評価を行った。まず、湿度センサの試験片を、温度30℃、相対湿度60%RHの雰囲気下で約1時間調湿した後、キャパシタンスメータ(商品名:Compact Capacitance Meter Model 810C、BK Precision社製)を用いて静電容量を測定した。このとき測定された静電容量を初期の静電容量C0とした。
静電容量保持率(%)=(C1/C0)×100
(ポリイミド樹脂フィルムの製造)
国際公開第2017/179367号の実施例1の記載に基づき、2,2’-ビス(トリフルオロメチル)-4,4’-ジアミノフェニル及び4,4’-(1,1,1,3,3,3-ヘキサフルオロプロパン-2,2-ジイル)ジフタル酸二無水物を反応させてポリイミド樹脂を合成した。得られたポリイミド樹脂をγ-ブチロラクトンに20質量%で溶解させて、均一なポリイミド溶液とした。得られた溶液をガラス基板に塗布し、50℃で30分、次いで140℃で10分加熱して溶媒を乾燥させた。フィルムをガラス基板から剥離し、金枠を取り付けて210℃で1時間加熱し、80μmのポリイミド樹脂フィルムを得た。
(湿度センサの試験片の作製)
第2実施形態の湿度センサと同様の構成を有する湿度センサの試験片を、図3(a)~(h)に示す手順で作成した。具体的には、(a)に示すように、感湿膜として、上記製造例1で得たポリイミド樹脂フィルムを5cm角の大きさに切出したフィルム33を用意し、(b)に示すように、フィルム33の第2表面33bに、一方向に延在する1cm幅の領域を中心に露出させてテープ35を貼り付けて第2表面33bをマスクした。次に、(c)に示すように、フィルム33の第2表面33bに、イオンコーターIB-3(株式会社エイコー製)を用い、蒸着源をAu、蒸着条件を5~8mAとして、10分間蒸着を行って下部電極32を形成した後、(d)に示すように、マスク用のテープ35を剥離して、第2表面33bに、露出させた領域に対応する1cm×5cmサイズの下部電極32が形成されたフィルム33を得た。
実施例及び比較例の湿度センサの試験片について、上部電極34表面の領域34a(図3(h))を中心として含む1cm幅×2cmの長さの領域を、摩擦摩耗試験機(商品名:トライボギアTYPE38、新東科学株式会社製)を用いて、接触端子と上部電極との接触面に不織布ワイパー(BEMCOTM-1、旭化成株式会社製)を載置して、移動速度1600mm/分、垂直荷重30gの条件で、接触端子を100往復させた。
表1に、実施例及び比較例の湿度センサの試験片について、上記のようにして測定した感湿膜の第1表面の表面粗さS1(μm)、上部電極の表面粗さS2(μm)、及び静電容量保持率(%)を示す。また、図4は、表1に示す結果を、感湿膜の第1表面の表面粗さS1(μm)を横軸、静電容量保持率(%)を縦軸にプロットしたグラフであり、図5は、表1に示す結果を、上部電極の表面粗さS2(μm)を横軸、静電容量保持率(%)を縦軸にプロットしたグラフである。
Claims (12)
- 樹脂組成物から形成される検知膜と、前記検知膜の第1表面上に設けられた第1電極と、前記検知膜の第2表面上に設けられた第2電極と、を備えるセンサであって、
前記検知膜の前記第1表面は、前記第1電極と接触する部分に、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.5μm~2.5μmの微細な凹凸を有する粗面を含み、
前記第1電極の厚みが、100nm~300nmであり、
前記センサの露出面が、前記第1電極側の面である、センサ。 - 樹脂組成物から形成される検知膜と、前記検知膜の第1表面上に設けられた第1電極と、前記検知膜の第2表面上に設けられた第2電極と、を備えたセンサ素子を含むセンサであって、
前記センサ素子の前記第1電極を有する表面は、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.5μm~2.5μmの微細な凹凸を有する粗面を含み、
前記第1電極の厚みが、100nm~300nmであり、
前記センサの露出面が、前記第1電極を有する表面である、センサ。 - 前記第1電極及び前記第2電極のうちの少なくとも一方は、めっき膜である、請求項1又は2に記載のセンサ。
- 前記検知膜の前記第1表面は、前記第1電極と接触しない部分を含む、請求項1~3のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記検知膜は、平均厚さが0.3μm~10μmである、請求項1~4のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記検知膜の前記第2表面は、前記第2電極と接触する部分に、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.3μm~3.0μmの微細な凹凸を有する粗面を含む、請求項1~5のいずれか1項に記載のセンサ。
- 基板をさらに備え、
前記基板、前記第2電極、前記検知膜、前記第1電極がこの順に積層されている、請求項1~6のいずれか1項に記載のセンサ。 - 可撓性を有する、請求項1~7のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記検知膜は感湿膜である、請求項1~8のいずれか1項に記載のセンサ。
- 前記感湿膜は、ポリイミド樹脂成分を含有する樹脂組成物から形成される、請求項9に記載のセンサ。
- センサの製造方法であって、
基板を準備する工程と、
前記基板上に第2電極を形成する工程と、
前記第2電極上に樹脂を主成分とする検知膜を形成する工程と、
前記検知膜の前記第2電極と反対側の表面の少なくとも一部を粗面化して粗面とする工程と、
前記検知膜の前記表面の前記粗面を含む領域に、第1電極をめっきにより形成する工程と、を有し、
前記粗面は、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.5μm~2.5μmであり、
前記第1電極の厚みが、100nm~300nmであり、
前記センサの露出面が、前記第1電極側の面である、センサの製造方法。 - センサの製造方法であって、
基板を準備する工程と、
前記基板上に第2電極を形成する工程と、
前記第2電極上に樹脂を主成分とする検知膜を形成する工程と、
前記検知膜の前記第2電極と反対側の表面に、第1電極をめっきにより形成する工程と、を有し、
前記第1電極を有する表面は、二乗平均平方根粗さ(Sq)が0.5μm~2.5μmの微細な凹凸を有する粗面を含み、
前記第1電極の厚みが、100nm~300nmであり、
前記センサの露出面が、前記第1電極を有する表面である、センサの製造方法。
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