JPH01124755A

JPH01124755A - 有機高分子薄膜湿度センサ

Info

Publication number: JPH01124755A
Application number: JP62283627A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kunimura; 国村　智
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1987-11-10
Publication date: 1989-05-17

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明は、湿度変化に対する応答性及び測定再現性に
優れ、かつ、長期間の放置に対して安定な有機高分子薄
膜湿度センサに関する。

し従来の技術］従来、この種の有機高分子薄膜湿度センサとして、有機
高分子感湿膜に吸着される水分債の変化を有機高分子感
湿膜の電気抵抗の変化としてとらえる電気抵抗測定型の
有機高分子薄膜湿度センサが知られている。第５図は上
記従来のａ機高分子薄膜湿度センサの概略構成を示すも
のである。すなわち、第５図において符号１は電気抵抗
測定型の有機高分子薄膜湿度センサ（以下、湿度センサ
と略称する。）を示し、この湿度センサｌは、空気中の
水分子を吸着し、吸着した水分子の債を電気信号に変換
して出力する検出部２と、検出部２から出力される上記
電気信号を増幅する増幅回路部３とから概略構成されて
いる。

この例の湿度センサにあっては、上記検出部２は基板４
の上に第１の電極５と高分子感湿膜（以下、感湿膜と略
称する。）６と第２の電極７とを順次積層してなるもの
である。また、上記感湿膜６は吸湿（水）量に応じて電
気抵抗が変化する特性を有する有機高分子材料の被膜を
第１の電極５の上に塗布またはスパッタリングにより形
成してなるものである。上記感湿膜を形成するｔ４科と
して例えばポリスチレンスルポン酸あるいはポリヒニル
アルコール（ＰＶＡ）が用いられる。さらに、上記第１
の電極５および第２の電極７は、湿度センサ１の動作電
極となるものであって、これら両７１を極５．７を形成
する材料としては、水または有機溶剤などに対して極め
て安定な金あるいは白金が用いられる。そして、第１の
電極５の膜厚は、湿度センサｌの動作電極として使用可
能なことと経済性とを勘案して定められ、通常、０．Ｏ
Ｉ〜０．１μｍ程度の範囲で決められる。

また、第２の電極７は、感湿膜６上に積層され感湿膜６
の膜面を覆って、感湿膜６の保護膜を兼ねるようになさ
れている。しかし一方において、外部の湿気を透過して
感湿膜６の膜面にその湿気を供給させるために、第２の
電［！７の膜厚を可能な限り薄くする必要がある。この
ため、第２の電極７の膜厚は、透湿性が得られる０、Ｏ
１〜０゜０５μ肩程度の範囲とされる。上記構成の湿度
センサｌにおいて増幅回路３により増幅された電気信号
から直ちに絶対湿度を知ることができる。また気温をも
測定することにより相対湿度も知ることができる。

［発明が解決しようとする問題点］ところが、上記従来例の湿度センサ１にあっては、第２
の電極７が感湿膜６の膜面を覆っているので、良好な透
湿性が得られず、そのため、湿度変化に対する応答性が
悪く、迅速な測定が不可能であるという欠点が生じてい
た。これに対して、第１の電極及び第２の電極を基板の
同一面上に形成して、さらにこれらの電極に積層して感
湿膜を設けて直接外気に触れるようにした湿度センサし
提案されている。このようにすれば、良好な透湿性が得
られ、湿度変化に対して迅速に応答する湿度センサを得
ることができる。

しかしながら、その反面、上記感湿膜が外気に露出する
こととなって上記感湿膜が多湿状態や結露状態において
溶出し易くなり、またアセトン、メチルエチルケトン、
トルエンなどの何機溶剤の蒸気により劣化して機能が低
下するなど耐湿性や耐有機溶剤性などの耐候性に劣ると
いう問題が生じていた。そこで、発明者は、上記の事情
を考慮して鋭意検討した結果、上記問題点を解決するた
めの手段を見出した。

［問題点を解決するための手段］すなわち、この発明は有機高分子感湿膜を電解重合によ
り形成し、かつ、上記有機高分子感湿膜の一方の面上に
第１の電極及び第２の電極を設けろことによって上記の
問題を解決している。

［作用　］この発明の有機高分子薄膜湿度センサにあっては、有機
高分子感湿膜が電解重合により得られた−ものであるの
で、機械的強度が良好であり、その厚さを薄くすること
ができる。従って、湿度変化に対して良好な応答性及び
測定再現性を得ることかできる。また、長期間の放置に
対しても安定である。

［実施例　］第１図及び第２図は、この発明の湿度センサの一実施例
を示すもので、以下の図面において、上記従来例と同一
構成部分には同一符号を付して説明を簡略化する。この
例の湿度センサ８にあっては、感湿膜９が高度に架橋が
進んだ電解重合膜として形成されている点が上記従来の
湿度センサと異なるところである。またこの例の湿度セ
ンサ８にあっては、感湿膜９を電解重合膜として形成し
たことにより、他の構成部分についても第５図に示した
湿度センサｌと異なっている。

すなわち、この例の検出部２にあっては、基板４を形成
する材料として後述する電解重合法に用いられる電解質
溶液などに対して不活性の材料、例えば石英ガラスなど
、が用いられる。基板４の同一面上には第１図及び第２
図に示すように、共に櫛形の形状をした第１の電極ＩＯ
及び第２の電極１０が、それぞれの櫛歯部を互い違いに
並ぶようにして、設けられている。かくして、第１の電
極１０と第２の電極ｌＯとにより蛇行状の電極間隙が形
成されている。さらに、これら第１の電極ｌＯ１第２め
′ＦＩＸ極ｌＯ及びこれらの電極１０．１０の間隙の上
には感湿膜９が設けられている。この感湿膜９は電解重
合法により高架橋膜として形成され、かつ、必要に応じ
て脱ドープ処理が施されたものである。そして、この感
湿膜９を形成する重合体として好適なものは、ポリアニ
リン、ポリチオフェン、ポリピロールなどである。しか
しながら、この発明はこれらの重合体に限定するもので
はない。

そして、このような構成の検出部２には、第１の電極ｌ
Ｏと第２の電極ｌＯとの間に増幅回路部３が連結され、
この増幅回路部３と第１の電極１０と感湿膜９と第２の
電極１０は、電気的に閉じて、湿度測定回路を構成して
いる。

次に、このような構成からなる湿度センサ８の製造方法
の一例を詳述する。まず、基板４の一面上に例えば真空
蒸着法、スパッタリング法等の物理蒸着法などにより白
゛金や金を蒸着した後、フォトリソグラフィにより櫛形
の形状の第１の電極ＩＯ及び第２の電極ＩＯを形成する
。次いで、上記第１の電極１０及び第２の電極ＩＯを結
線して同電位として、これらの電極１０．１０を一方の
電極とし、この電極に対する対極として図示しない白金
電極を用い、例えばアニリンモノマ、チオフェンモノマ
、ピロールモノマなどの単ｍ体を含む電解質溶液中にお
いて電解重合を行ない、上記第１の電極ＩＯ１第２の電
極１０及びこれらの電極ｌ０１ＩＯによって形成される
蛇行状の電極間隙の上に、感湿膜９として用いられる高
分子薄膜、例えばポリアニリン膜を所定の膜厚に形成す
る。

ここで、高分子薄膜の膜厚は、湿度センサ８に要求され
る感湿特性、温度特性などを考慮して定められ、電解質
溶液の種類、後述する電解重合時における通電量、電流
密度、電解時間などの電解条件などを変えることによっ
て通常０．１〜５μＩＩ程度の範囲で決められる。そし
て、この電解重合における電解条件は、湿度センサ８に
要求される感湿特性により左右されるが、通常、電流密
度が０．１〜５ｊ！Ａ／Ｃｌ１ｌｆ程度の範囲、電流時
間がｌ〜ＩＯ分間程分間径囲とされる。また、厚み方向
の成長速度に対して横方向の成長速度の方がはるかに大
きな値を示す成長異方性の高分子材料を選べば上記蛇行
状の電極間隙を迅速に被膜することができる。次に、こ
のようにして得られた高分子薄膜に対して、必要に応じ
て、脱ドープ処理またはドープ処理を施す。例えば、こ
の脱ドープ処理にあっては、高分子薄膜に対して上記の
電解重合時における電位と逆方向の電位を印加すること
によって行なわれる。

このような湿度センサ８にあっては、湿気が感湿膜（高
分子薄膜）９により吸着されると、この吸着された湿気
（水分）量に応じて感湿膜９の導電率が変化する。この
導電率の変化は、感湿膜９の外気と接触しない方の面に
それぞれ接続された第１の電極ｌＯと第２の電極１０及
び増幅回路部３により測定され、この測定データから湿
度が求められるようになっている。

上記例の湿度センサ８にあっては、上記したように架橋
度が高い高分子薄膜（電解重合＠）を感湿膜９として用
いるようにしたので、水あるいは。

有機溶剤に対する耐性に優れたものとなる。したがって
、その分、感湿膜９を薄くすることができ、また感湿膜
９を第２図に示すように外気に露出さ仕ることができる
ので、湿度変化に対する応答性及び測定再現性に優れた
ものとなる。さらに、上記高分子薄膜を必要に応じて、
脱ドープ処理を施すようにすれば、湿度測定時において
高分子薄膜から外部にドーパントが放出されることがな
く、さらに−段と湿度センサの経時的変化を防止するこ
とができる。また、電流密度などの他の電解条件を制御
することによって、例えば高分子薄膜のモルフォロジー
を変化させて多孔質の高分子薄膜を得ることができ、こ
れによってさらに−段と応答性を向上させることができ
る。

［実験例　］実験例１第１図及び第２図に示した湿度センサ８を以下の要領で
作製した。すなわち、厚さ１次肩程度の石英ガラス製の
基板４の一方の面上にスパッタリングにより膜厚約０．
０５μｍの白金の薄膜を形成した後、第１図に示すよう
な櫛形の形状をした第１の電極１０及び第２のＴ、、極
ｌＯを電極間隔が０゜５Ｈになるように形成した。次い
で、ＩＯＮの硫酸水溶液に０．２Ｍのアニリンモノマを
溶解して得た溶液中に、上記第１の電極及び第２の電極
を浸漬して陽極とし、陰極に白金電極を用いて、電流密
度０．５ａＡ／ｃｉ’程度で約５分間電解重合を行い、
上記第１の電極（白金電極膜）、第２の電極（白金電極
膜）及びこれらの電極間隙上に膜厚的０．４μ肩のポリ
アニリンからなる高分子薄膜（感湿膜）９を形成した。

次に、この高分子薄膜に対して脱ドープ処理を施して、
アニオンイオンを膜外に放出した。そして、この第１の
電極１０と第２の電極１０との間に増幅回路部３を電気
的に連結した。

そして、上記のように作製した湿度センサ８を交流電源
に接続してＩＫＨｚ、１■の電圧を印加して、以下の実
験を行った。まず、相対湿度をＯ％Ｒ１１→２０％Ｒ１
１→４０％ＲＨ→６０％Ｒ１１→８０％Ｒ■→１００％
ＲＨの順に変化させ、この湿度センサに対するｒｉ電極
間抵抗変化を測定したところ、第３図に示すように抵抗
値が湿度の変化に対し著しく変化することが認められた
。°次に、相対湿度を上記と逆の順序に変化させて同様
の測定を行ったところ、第３図に示すようにほとんどヒ
ステリシスはみ・られなかった。次に、このセンサ８を
用いて、相対湿度を交互に９５％Ｒ１１→５％Ｒ１１→
９５％ＲＨ→５％Ｒ１１と変化させて湿度変化に対する
測定応答性を調べたところ、応答時間は１０秒以内であ
り、高速性が確かめられた。

さらに、」二記の測定に使用した湿度センサ８の耐湿試
験及び耐有機溶剤試験を行った。耐湿試験では試験対象
となる湿度センサを温度２５℃、相対湿度９５％Ｒ１１
以上の高湿度条件下の空気中に１００時間放置した後、
上記と同様の測定を行った。

その結果、湿度センサ８について感湿特性の変化はほと
んど認められなかった。また、耐有機溶剤試験では、エ
タノール、アセトン、Ｎ、Ｎジメヂルアニリン、キシレ
ンなどの溶媒中に３０時間浸漬後、上記と同様の測定を
行った。その結果、第３図及び第４図に示したとほとん
ど同じ測定値が得られたことから感湿特性の変化は極め
て少ないと判断された。

実験例２実験例１と同一の作製方法により第１の電極及び第２の
電極を作成した。次いで、０．５Ｍのテトラブチルアン
モニウム過塩素酸塩を含むアセトニトリル溶液に０．２
Ｍのピロールを溶解して得た溶液中に、上記第１の電極
及び第２の電極を浸漬して陽極とし、陰極に白金電極を
用いて、電流密度１．０ａＡ／Ｃ１１２程度で約５分間
電解重合を行い、上記第１の電極（白金電極膜）、第２
の電極（白金電極膜）及びこれらの電極間隙上に膜厚的
０４μｍのポリピロールからなる高分子薄膜（感湿膜）
９を形成した。

次に、この高分子薄膜に対して脱ドープ処理を施して、
アニオンイオンを膜外に放出した。そして、この第１の
電極１０と第２の電極ｌＯとの間に増幅回路部３を電気
的に連結した。

そして、上記のように作製した湿度センサ８を用いて実
験例１に示したと同様の実験を行った。

その結果、実験例１と同様の結果が得られたことからこ
の湿度センサ８についても、測定再現性、測定応答性、
耐湿性、耐候性に優れていることが確かめられた。

［発明の効果　］以上説明したように、この発明の湿度センサは、有機高
分子感湿膜を電解重合により形成し、かつ、上記有機高
分子感湿膜の一方の面上に第１の電極及び第２の電極を
設けているので、有機高分子感湿膜を一段と強固に形成
することができ、その分、薄くすることができる。従っ
て、湿度変化に対して良好な応答性及び測定再現性を得
ることができる。また、水あるいは有機溶剤に対する耐
性に優れ、長期間の放置に対しても安定である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図はこの発明の１７機高分子薄膜湿度セ
ンサの一実施例を示す図であって、第１図はこの湿度セ
ンサの概略構成を示す平面構成図、第２図は第１図の■
−■線に沿う部分側断面図、第３図及び第４図はこの湿
度センサの感湿特性を示す図表、第５図は従来の有機高
分子薄膜湿度センサを示す概略断面構成図である。１・・・・・・有機高分子薄膜湿度センサ、５、ＩＯ・
・・・・・第１の電極、７．１０・・・・・・第２の電極、６．９・・・・・・有機高分子感湿膜。

Claims

【特許請求の範囲】

　吸湿量によって電気抵抗が変化する有機高分子感湿膜
と、この有機高分子感湿膜に通電する第１の電極及び第
２の電極とからなり、上記有機高分子感湿膜が電解重合
により形成され、かつ、上記有機高分子感湿膜の一方の
面上に上記第１の電極及び第２の電極が設けられている
ことを特徴とする有機高分子薄膜湿度センサ。