JPH0212048A - 容量変化型感湿素子の製造方法 - Google Patents

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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、感湿材料としてポリイミド系樹脂の高分子膜
を用いた容量変化型感湿素子の製造方法に係り、さらに
詳しくはその耐環境性を向上せしめ特性変化の少ない安
定した感湿素子を製造する方法に関する。

（従来の技術） 雰囲気中の湿度を検出する方式として、感湿材料の電気
的特性の変化を利用する方法がよく知られている。

このような水分の吸脱着によって特性の変化する素材と
しては、金属酸化物系セラミック、塩化リチウムのよう
な電解質、吸湿性有機高分子や高分子電解質、あるいは
導電性フィラー含有高分子複合系材料などが知られてお
り、すでに多くの種類のものが実用化されている。

これら感湿材料を用いた感湿素子の検出原理は、感湿材
料への水分の吸脱着によって生じる感湿材料の電気伝導
度や誘電率の変化を、これらの感湿材料を挟持するよう
に形成された電極間のインピーダンスや電気抵抗、ある
いは静電容量の変化として検出するものである。

上述の感湿材料のうち、吸湿性有機高分子や高分子電解
質、あるいは導電性フィラー含有高分子複合系材料を用
いた感湿素子は、感湿範囲が広いとともに応答速度が速
く、さらに素子の構造が比較的１ｉ純でその製造が容易
なため、量産性に優れ、コストが低いなどの特徴を有し
ている。

しかしながら、これら高分子系材料は耐熱性や耐白゛機
溶剤性などが不十分であり、耐久性が劣るという欠点が
あった。このため、感湿材料の改質や選択において種々
の工夫が試みられてきた。

例えば、抵抗変化型感湿素子においては、イオン性官能
基を有する高分子を架橋させた感湿材料を用いたり、ま
た容量変化型感湿素子においては、セルロース誘導体を
同様に三次元的に架橋して用いる方法や熱処理によって
結晶性を上げる方法、あるいはポリイミド系樹脂のよう
な耐熱性高分子を用いる方法などが実施されている。

これらのうち、ポリイミド系樹脂膜は電気的性質、特に
その誘電率が含水率に応じて変化するものであり、また
熱的、機械的、化学的に安定で、かつ成膜性に優れてい
ることなどから、容量変化型感湿材料として非常に優れ
た材料である。このポリイミド系樹脂を用いた感湿素子
の具体的な構成やその製造方法は、たとえば特開昭５５
−６６７４９号公報や特開昭ＱＯ−１８８８５４号公報
などに記載されている。

ところが、このポリイミド系樹脂を用いた感湿素子に関
して、その耐環境性を種々検討した結果、高湿雰囲気に
感湿素子を露呈した場合、素子の静電容量が徐々に増大
していく現象、すなわち感湿特性が変化してしまうとい
う現象が認められた。

この現象は、特に高温かつ高湿の雰囲気に露呈した場合
に顕著であり、−度感湿特性が変化したものは、常温常
圧下で乾燥を行っても容易には特性が復帰しないことが
判明した。

（発明が解決しようとする課題） 上述したように、ポリイミド系樹脂膜を用いた感湿素子
は、熱的、機械的、化学的に安定で、またポリイミド系
樹脂膜が成膜性に優れている点から製造コストが低いな
どの利点を有している半面、高湿雰囲気に露呈すると感
湿特性が変化してしまい、−度変化した感湿特性は常温
常圧下で乾燥を行っても容易には復帰しないという欠点
を存していた。

本発明は、このようなポリイミド系樹脂を感湿材料とし
て用いた感湿素子の欠点、すなわち感湿特性が変化して
しまうという欠点を改善するためになされたものであり
、高温雰囲気中に長時間放置しても安定した感湿特性を
示す感湿素子の製造方法を提供することを目的とするも
のである。

［発明の構成〕 （Ｒ題を解決するための手段） すなわち本発明は、絶縁性基体上に下部電極を形成する
工程と、この下部電極表面にポリイミド系樹脂からなる
高分子感湿膜を成膜する工程と、この高分子感湿膜上に
上部電極を形成する工程とを６する容量変化型感湿素子
の製造方法において、少なくとも前記高分子感湿膜の成
膜工程の後に、飽和吸湿量に達するまで前記高分子感湿
膜に水分を吸湿せしめる飽和吸湿処理を行うことを特徴
とするものであり、これによって感湿特性の安定化を図
るものである。

（作　用） 本発明における感湿素子は、ポリイミド系樹脂からなる
感湿膜に吸脱着する水分子の量に応じて変化する静電容
量を測定し、雰囲気中の湿度を検出するものである。し
たがって、ポリイミド感湿膜への水分子の吸着量が定量
的でかつその吸脱着速度が十分速いことが必要である。

ところが、イミド環を有するポリイミド系樹脂は、非常
に剛直な分子構造からなり、水分子が吸脱着する過程に
おいて、水分子の侵入しにくい部分が存在する。したが
って、この部分への水分子の吸脱着は非常に緩慢となり
、また−度吸着した水分子は容易に脱着しないと考えら
れ、これが高湿雰囲気下において静電容量が徐々に増大
していく原因と考えられる。

この機構については必ずしも明らかではないが、上述し
たように水分子の吸脱着が緩慢な部分に対して飽和吸湿
処理、たとえば高温かつ高湿の雰囲気中への鴇露あるい
は水中への浸漬処理を行い、飽和吸湿量に至るまで一度
水分子を強制的に吸着せしめることにより、再び高湿雰
囲気におかれた場合の静電容量の経時的変化を最小限に
おさえることが可能となる。

（実施例） 以下、本発明の容量変化型感湿素子の製造方法の実施例
について図面を参照して説明する。

第１図は、本発明方法を適用した容量変化型感湿素子の
製造方法の一例を示す図である。

なお、適用する感湿素子の構造としては、たとえば第２
図、第３図および第４図に示すように、各種の構造が可
能であり、本発明の製造方法はこれらの素子構成に何ら
限定されるものではなく、公知の各種容量検出型感湿素
子の構成に対して適用可能である。第２図は、絶縁性基
板１上に下部電極２、ポリイミド感湿膜３、透湿性上部
電極４が順に積層形成されており、下部および上部電極
２．４からリード線５が引き出されて構成されている。

なお、ポリイミド感湿膜３への水分子の吸脱るが可能な
ように、上部電極４は水分子が容易に透過できる多孔性
電極となっている。第３図は第２図に示した感湿素子の
変形例を示すものであり、２枚に分割された下部電極２
からリード線らを取り出すことが可能なように構成され
ている（特公昭５７−３９０５号公報参照）。また、第
４図に示す感湿素子は第２図に示した感湿素子と類似の
構造を有しているが、上部電極４がたとえばくし型とさ
れ、電極の間隙から水分子が透過できるように構成され
ており、非透湿性の電極材料で上部電極４を形成したも
のである。

第１図にしたがって各工程について説明すると、まず、
ガラス基板やセラミックス基板などの絶縁性基板１上に
蒸着法やスパッタリング法などの各種薄膜形成法、ある
いはスクリーン印刷法などの厚膜形成法などによって下
部電極２を形成する（第１図−イ）。

次に、下部電極２上にポリイミド前駆体（ポリアミック
酸）溶液をスピンコード、デイツプコートなどにより塗
布する（同図−口）。なお、使用するポリイミド前駆体
溶液は、基本骨格にイミド環が形成されるものであれば
、縮合反応型、付加反応型のいずれでも使用できる。ま
た、すでにイミド環を有するポリイミド溶液を用いるこ
とも可能である。さらに、感光性ポリイミド、非感光性
ポリイミドのいずれも使用可能である。

次いで、所定温度に加熱して溶媒の除去およびイミド化
を行い、ポリイミド感湿膜３を成膜する（同図−ハ）。

この熱硬化工程の温度は、使用したポリイミド前駆体に
応じて設定するものであり、たとえばポリアミック酸溶
液を用い、イミド化反応を充分に行わせるためには、２
５０℃以上望ましくは３００℃以上に加熱する必要があ
る。また、本発明においてはイミド化反応が定量的に進
行していることが望ましく、このことから加熱温度は３
５０℃程度とすることが好適である。また、適当な形状
にバターニングする場合には、公知のフォトリソグラフ
ィー手法をそのまま利用できる。

次に、ポリイミド感湿膜３上に上記下部電極２と同様な
方法によって上部電極４を形成する（同図−二）。この
上部電極４は、前述したように透湿性の金属薄膜や非透
湿性の金属膜が用いられ、非透湿性の金属膜を用いる場
合にはくし型や網目状のような間隙を有する形状に形成
する。

次いで、ポリイミド感湿膜３に対して、飽和吸湿処理を
行う（同図−ホ）。なお、この飽和吸湿処理は、ポリイ
ミド感湿膜成膜後であればよく、上部電極４を形成する
前に行ってもよい。

この飽和吸湿処理は、たとえば高温かつ高湿雰囲気中へ
の暴露、あるいは水中への浸漬によって行う。

高温かつ高湿雰囲気中に暴露する際の条件は、温度、湿
度、圧力およびポリイミド系樹脂の組成、イミド化率な
どによって異なるが、温度４０℃以上でかつ相対湿度７
０％以上、さらに望ましくは温度６０℃以上で相対湿度
９０％以上とすることが適している。また、高温高湿雰
囲気に暴露する時間（処理時間）は、温度あるいは相対
湿度が高いほど、また圧力が高いほど短時間で十分とな
る。このような観点から、圧力容器内で加圧下において
高温高湿処理することが特に有効な手段である。但し、
ポリイミドの熱的、化学的安定性から、温度は３００℃
以下、加圧する場合は６ｋｇ／ｃ７以下とする。

また、水中に浸漬する場合には、ポリイミドの組成など
により異なるが、６０℃以上、さらに望ましくは８０℃
以上の水中に浸漬することにより、効果的に飽和吸湿処
理を行うことか°できる。

なお、飽和吸湿量に達したか否かの判定は、処理時間を
適宜変化させ、一定の温・湿度、たとえば温度２５℃、
相対湿度６０％での静電容量を測定することにより判定
でき、この結果をグラフ化し、静電容量の変化曲線が飽
和値に達した際を飽和吸／！Ｉｌ！量とする。

この後、下部電極２および上部電極４にリード線５を取
り付けて（同図−へ）、この実施例の感／！１１！素子
が作製される。

次に、具体的に感湿素子を製造Ｌ７た例について説明す
る。

実施例１ ガラス基板上にクロム、金を順に蒸着して下部電極（膜
厚１５００人）を形成ｊ７、その上にポリアミック酸溶
液であるセミコファイン５Ｐ−７１０（商品名、東し■
製）をスピンコードし、１２０℃、２０分の条件で加熱
して乾燥後、窒素ガス雰囲気中で１５０℃×３０分、２
５０°ＣＸ３０分、３５０℃ｘｅｏ分の条件で加熱して
膜厚１．５μｍのポリイミド感湿膜を形成した。次に、
スパッタリングにより膜厚２００人の金の透湿性上部電
極を形成し、第２図に示した構造の感湿素子を作製した
。

次に、この感湿素子を、１２１’Ｃｌ２ｋｇ／ｃ７（絶
交・ｌ圧）の高圧蒸気試験器に入れ、処理時間２時間の
条件で飽和吸湿処理を施し感湿素子Ａを得た。

比較例 実施例１において高圧蒸気試験器中での飽和吸湿処理を
行わない以外は同一条件で感湿素子を作製し、感湿素子
Ｂを得た。

実施例２ 温度８０℃、相対湿度９０％の恒温恒湿槽中に８時間ず
つ３サイクル、合計２４時間放置して飽和吸湿処理を施
した以外は実施例１と同一条件で感湿素子を作製し、感
湿素子Ｃを得た。

実施例３ ９０℃の純水中に感湿素子を２時間浸漬し、６０℃で乾
燥して飽和吸湿処理を施した以外は、実施例１と同一条
件で感湿素子を作製し、感湿素子りを得た。

これら感湿素子Ａ−Ｄを用いて、以下に示す測定を行っ
た。

まず、感湿素子Ａおよび感湿素子Ｂを用い、それぞれ温
度６０℃、相対湿度９０％の雰囲気中に５００時間放置
した前後の感湿特性を０１定した。これらの結果を第５
図および第６図に相対湿度と静電容量比（相対湿度１０
％時の初期容量Ｃに対する１０％ 比として示す。）との関係として示す。

第５図および第６図から明らかなように、高温高湿雰囲
気中での飽和吸湿処理を施した感湿素子Ａは、特性変化
がごくわずかで実用上十分な耐湿性を示したのに対し、
飽和吸湿処理を行っていない感湿素子Ｂは、高温高湿雰
囲気中に放置した後に静電容量が増大し、感湿特性が大
幅に変化した。

次に、感湿素子Ａ、ＢＳＣ，Ｄを室温下で１０００時間
放置した後、および温度６０℃、相対湿度（Ｒ１１）９
０％の雰囲気中に１０００時間放置した後のそれぞれの
感湿特性の変化を測定した。これらの結果を感湿特性の
変化の最大値として相対湿度換算で第１表に示す。なお
、特性変化の符号のマイナスは静電容量が増大する方向
への変化を示す。

第　　１　　表 第１表の結果から、飽和吸湿処理を施した感湿素子ＡＳ
Ｃ，Ｄは、高温高湿下での放置後にも特性変化が少なく
、十分な耐湿性を有することがわかる。また、飽和吸湿
処理を行っていない感湿素子Ｂは、室温下での放置後に
は特性の変化がほとんどないのに対し、高温高湿下での
放置後には大幅に特性が変化し、耐湿性に劣っているこ
とがわかる。

［発明の効果］ 以上の実施例からも明らかなように、本発明の容量変化
型感湿素子の製造方法によれば、ポリイミド感湿膜に対
して予め飽和吸湿処理を行っているので、実際の測定過
程において高温高湿雰囲気に長時間さらされても、感湿
特性の変化がほとんどなく、比較的簡単な処理で耐湿性
に優れた感湿素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の製造方法の一例を示す図、第２図、第
３図および第４図は本発明の実施例における感湿素子の
構造例を示すものであり、第２図（ａ）、第３図（ａ）
および第４図（ａ）はその゛１シ而図、第２図（ｂ）、
第３図（ｂ）および第４図（ｂ）はそのＸ−Ｘ線に沿っ
た断面図、第５図および第６図は本発明の実施例および
比較例における感湿素子の感湿特性をグラフで示す図で
ある。 １・・・・・・・・・絶縁性基板 ２・・・・・・・・下部電極 ３・・・・・・・・・ポリイミド感湿膜４・・・・・・
・・・上部電極 ５・・・・・・・・リード線

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）絶縁性基体上に下部電極を形成する工程と、この
   下部電極表面にポリイミド系樹脂からなる高分子感湿膜
   を成膜する工程と、この高分子感湿膜上に上部電極を形
   成する工程とを有する容量変化型感湿素子の製造方法に
   おいて、 少なくとも前記高分子感湿膜の成膜工程の後に、飽和吸
   湿量に達するまで前記高分子感湿膜に水分を吸湿せしめ
   る飽和吸湿処理を行うことを特徴とする容量変化型感湿
   素子の製造方法。