JPH05505234A - 膨潤性プラスチックの用法と容量性湿度センサの製造方法 - 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】 膨潤性プラスチックの用法と 容量性湿度センサの製造方法 本発明は、湿度センサ、特に、感湿層としてポリイミドを有する容量性を製造す る方法に関するものである。

金属酸化物や半導体酸化物、更には種々のポリマーを有する湿度センサは、種々 の実施形式のものが公知であり、工業的に使用されている。その場合、酸化物の 材料は、とりわけ薄層湿度センサの形式で用いられ、大ていの場合、材料の抵抗 が利用されている。言いかえると、湿度に応じた材料の電気抵抗の変化を利用す るのである。

ポリマー材料製の湿度センサを製造するさらに多く用いられるポリマー・フィル ムは、一般に感度は高いが、長時間安定性に乏しい。

ポリイミドを感湿層とし備えている容量性湿度センサは、すでにＤＥ−〇Ｓ　３ 　３３９　２７６、ＤＥ−Ｏ３２８４８０３４、ＵＳ−ＰＳ　４　３４５　３０ １、ＵＳ−ＰＳ　４　７６１　７１０により公知である。これらいずれの場合も 、ポリイミドし、ポリイミド前段階（前駆物質）として担体材料上に塗布し、そ のあとでイミド化するか、もしくはすでにフォイルとして存在するものを担体材 料に接着するか、電極材料により被覆するというものである。ＵＳ−ＰＳ　４　 ３４５　３０１により公知の方法の場合、既製のポリイミド・フィルムか用いら れるか、特に容量性センサを製造する場合には、完全に厚さの一様なフィルムを 用いる必要があり、そのためには加工中にフィルムか掻き傷を付けられたり、折 り曲げられたり、破れたりしないように注意せねばならない。ポリイミドをポリ イミド前段階物質、すなわちいわゆる前駆物質の形で溶剤に溶かして用いる場合 、イミド化は塗布後に行なう。このイミド化、いわゆるキュアの間に、イミド化 にもとづいて水からの遊離が生じる。

このようにしてポリイミドのイミド化が生じるさいに、ポリイミド層に徹細な穴 か発生する。これらの穴か、また、感湿電体としてのポリイミドの機能を損うこ とがある。なぜなら、とりわけ、湿度値が高い場合にはコンデンサの電極間に短 絡が生じるおそれがあるからである。

この短絡を防止するために、既にＤＥ−Ｃｐｓ　３　３３９　２７６では、タン タルベース電極を陽極酸化し、センサのオーム伝導を防止する提案がなされてい る。ポリイミド層に局所的に損傷か生じた場合、誘電体である酸化タンタルによ り、センサ感度を制限する直列容量が形成される。

容量性の湿度センサの場合も抵抗湿度センサの場合も、総じて重要な意味をもつ のは、層厚を出来るだけ均質かつ一様にして、最大の感応速度を得るようにする ことにある。

容量性湿度センサの場合、すでに様々の回路配置が提案されている。特にＤＥ− Ｏ３２２３９３５９には、並列された３個の電極を存する漂遊電界コンデンサを 有する回路配置か提案されている。この場合、これら電極のうちの中央の電極は 遮蔽電極として働き、別の電極は信号発生器と、また第３の電極は受信器と導電 接続されている。回路技術的観点からは種々の構成が可能である。誘電体は、電 極の間に以外は配置してはならず、また、湿分を不透過の層、たとえば湿分不透 過電極によって遮蔽されていてはならない。ポリイミド基材の抵抗湿度センサの 場合、ポリイミドの絶縁特性を考慮して導電性を高める適当な添加物を加えねば ならない。抵抗湿度センサの場合、電極間の短絡の危険は、当然のことながら、 極めて僅かであり、層厚を薄く均質かつ一様にするのも、この場合は、第一に感 応速度を高める目的のためである。

本発明の課題は、冒頭に挙げた種類の湿度センサ、特に容量性湿度センサを製造 する方法、それも均質で密な、特に薄手の感湿層が特に簡単に得られるようにし 、それによって感応挙動が改善され、より高い感度が得られ、かつまたセンサか 湿分を含んだのちにも何ら障害が生じないようにする方法を提供することにある 。

この課題は、本発明の方法によれば次のようにすることにより解決された。すな わち、完全にイミド化された状態のポリイミドを極性溶剤で溶解し、少なくとも １つの接続電極またはベース電極を有する絶縁担体材料上に塗布し、次いで溶剤 を除去するようにしたのである。絶縁担体としては、この場合、ガラス、セラミ ック、酸化珪素ウェファ−その他を用いる。また、ポリイミドを完全イミド化状 態で極性溶剤で溶解して塗布する措置により、完全に均質の任意の層厚が達成さ れる。なぜなら、塗布後に溶剤を、特に蒸発により除去するさいに、被覆層に何 ら化学反応が生じないため、穴の発生するおそれが無いからである。また、フィ ルムの取扱い時に生じることのある折り目や引掻き傷か発生するおそれも無いの で、ポリイミドの一様な薄層の場合、高い均質性と密度か得られる。容量性湿度 センサの場合、ベース電極を、カバー電極と一緒に、誘電体であるポリイミドも 含めて、１つのコンデンサに仕上げることができる。その場合、　−接続電極は 担体材料のところに予め構成しておくことができ、それを後からカバー電極と接 触させるようにする。

抵抗センサの場合には、原則として、担体材料のところに２つの接続電極を設け るだけで十分であり、これらの電極が、薄層であるこれらの電極を接続するポリ イミドと一緒に、湿度に応じて変化する抵抗を形成する。その場合にはポリイミ ドには、予め導電性を高める添加物を加えておく。ベース電極は、通常は、蒸着 またはスパッタリングにより製造され、フォトリソグラフィにより構造化され、 容量性センサの場合には、この作業工程中に、必要なカバー電極用の接続電極を 製造することができる。

容量性湿度センサを製造する場合は、透湿性のカバー電極を設けるのが好ましい 。その場合には、場合によって予め担体材料のところに設けておく接続電極とカ バー電極との接触は、次のようにして簡単に行なうことができる。すなわち、ベ ース電極と接続電極の接触面上方のポリイミド層を機械式、プラズマエツチング 、レーザのいずれかにより除去し、次いでカバー電極を、接続電極と電気的に接 続し、ベース電極と一緒に、誘電体であるポリマーを有するコンデンサが形成さ れるようにするのである。

透湿性のカバー電極は、処理技術上、特に簡単に蒸着またはスパッタリングによ り、ポリマーおよび接続電極上に設けることができる。そのさい、透湿性カバー 電極は、クロムまたは金で製造でき、同様にたとえばフォトリソグラフィにより 構造化することができる。処理技術上、特に簡単な構造化は、たとえばくし形構 造または格子状構造を形成することである。その場合、電極材料は、当然のこと ながら、製造時にすでに極めて多孔性であるか、もしくはひびを有するようにし 、特に、アイランド構造に取付けておき、そうすることにより周囲空気とポリイ ミドとの間に相応の湿分交換が保証されるようにする。本発明による方法を実施 する前提をなすポリイミドは、極性溶剤に完全に可溶であることにより、完全に 均質の、ピンホールの無い極めて薄いポリイミド層を造出しうるちのでなければ ならない。溶液状のポリイミドを塗布することにより造出されるそのような薄い ポリイミド層は、乾燥後に折れ目、ひび、穴を生しることかない。

極性溶剤として、本発明の枠内で用いることかできるのは、ジメチルフォルムア ミド、ジメチルアセトアミド、ジメチルスルフすキシド、Ｎ−メチルピュロリド ン、スルフォランのいずれかである。この場合、前記極性溶剤に確実に完全溶解 させることができるには、次のようにする必要かある。すなわち、３．３’、４ ．４’　−ベンゾフェノンテトラカーボン酸ジアンヒトリッドと、６０〜１００ 分子％のトルイレンジアミン（２，４−異性体及び／又は２，６−異性体）もし くはトルイレンジイソシアン酸（２，４−異性体及び／又は２，６−異性体）と 、０＝４０分子％の４，４−メチ１ノンビス−（フェニルアミン）もしくは４， ４′−メチ１ノンビス−（イソシアン酸フェニル）とから成るコポリマーをポリ イミドとして用いるようにし１．特に、重量平均分子量か３０．０００〜３００ ．０００単位、数平均分子量が１０，０００〜６０，０００単位の線状ポリアミ ドを用いるようにするのである。この種の線状ポリアミドの溶液は、浸漬、吹付 け、遠心塗布法のいずれかにより塗布することができ、そうすることによって、 全面にわたって一様の厚さの、ピンホールの無い塗布層か得られ、従来のポリイ ミド・フィルムに比して著しく薄い厚さの層を設けることができる。このことは 、感応速度の点で重要な意味を存している。

特に高い感度と、従来のポリイミド・フィルムよりすぐれた感応挙動とを有する 線状ポリイミドとしては、３゜３’、４．４’　−ベンゾフェノンテトラカーホ ン酸ジアンヒトリッドと、６０〜１００分子％のトルイレンジアミン（２，４− 異性体および／または２，６−異性体）もしくはトルイレンジイソシアン酸（２ ，４−異性体および／または２，６−異性体）と、０〜４０分子％の４゜４−メ チレンビス（フェニルアミン）もしくは４，４′−メチレンビス−（イソシアン 酸フェニル）とから成るコポリマーを発見した。この種のコポリマー、特に、重 量平均分子量が３０，０００〜３００，０００単位、数平均分子量ｉｏ、ｏｏｏ 〜６０，０００単位の統計的コポリマーを用いれば、既述の極性溶剤に難なく溶 解する。

この場合、粘着や、特に、乾燥後に形成されるポリイミド層の、担体材料からの ずれ又は剥離の危険は、次のようにすることにより確実に防止される。すなわち 、ポリイミド層の塗布前に付着媒体、特に、単数または複数の機能性末端基を有 する有機機能性シラン類（たとえばアミノブロピュルトリエトキシシラン、アミ ノエチルアミノブロピュルトリメトキシシラン、３−クリシドオキシブロピュル トリエトキシシラン等）を塗布しておくのである。この種の有機機能性シラン類 は、簡単に加工可能であり、通常、用いられる担体材料、たとえばガラス、セラ ミック、金属等に対しても、感湿層を製造するために用いる線状可溶性ポリイミ ドに対しても、著しい親近性を存している。この種の有機機能性シラン類は水性 、非水性いずれの溶剤にもよく溶けるため、特に浸漬、吹付け、遠心塗布法のい ずれかによって極めて薄い付着媒体層を担体材料に塗布することかできる。した かって、付着媒体を塗布してもセンサの合計厚は、ごく僅かしか増大しない。

極性溶剤の完全除去は、ポリイミドを８０〜３３０°Ｃの範囲て温度を高めなか ら乾燥させることで、簡単に達せられる。そのさい、乾燥は３段階に分けて行な うのが好ましい。それも、３段階の各段階で、温度を前段階の温度よりも８０° Ｃ−１００°Ｃだけ高くして乾燥するようにする。前記温度範囲を守ることで、 担体もしくは付着媒体で前処理済みの担体上に薄い均質のポリイミド層が確実に 造出できる。しかも、段階的な乾燥により、ボーリイミドを構成部品の全面およ び金属にわたって一様に完全乾燥することかできる。残存している水分やガスが あれば、最も低い温度の乾燥処理第１段階の間に、ポリマー溶液から除去される ので、以後の段階で温度を高めても、硬化する材料中に含まれていた蒸気泡ない し気泡によりポリマー層の均質性か損われることはない。以後の温度上昇時に、 特に第３段階では溶剤の最終的な除去が行なわれる。こうして、最終製品として 得られるのは、脆弱化傾向を写さず、一様の硬さを存する特別に薄いポリイミド ４層である。

以下に本発明を、図面に略示した実施例につき詳説する。第１図は、本発明によ る湿度センサの平面図、第２図は第１図の■−■線断面図である。

第１図には、符号ｌで担体が示されている。この担体には、たとえばガラス、セ ラミック、酸化珪素ウェファ−のいずれかを用いる。担体ｌの上には、ベース電 極２か、たとえば蒸着またはスパッタリングによって取付けられ、フォトリソグ ラフィにより構造化される。ベース電極２と同時にカバー電極５用の接続電極３ が造られる。

電極を取付けたサブストレートの表面は、浄化し、乾燥して、場合によっては付 着媒体を塗布する。この表面上に、完全にイミド化された状態で極性溶剤に可溶 のポリイミドもしくはコポリイミドの溶液を塗布し、次いで乾燥させる。

次に、薄いポリマー層４を、電極接続面と接続電極接続面との上方から機械式、 プラズマエツチング、レーザーのいずれかで除去し、透湿性のカバー電極５を蒸 着又はスパッタリングにより、ポリマーおよび接続電極上に取付ける。

ポリイミド層４には、３．３’、４．４’−ベンゾフェノンテトラカーボン酸ジ アンヒトリッドと、６：０〜１００分子％のトルイレンジアミン（２，４−異性 体および／または２，６−異性体）もしくはトルイレンジイソシアン酸（２，４ −異性体および／または２．６−異性体）と、０〜４０分子％の４，４′−メチ レンビス−（フェニルアミン）もしくは４，４′−メチレンビス−（イソシアン 酸フェニル）とから成る線状コポリマーを強極性の溶剤、たとえばジメチルフォ ルムアミド、ツメチルアセトアミド に溶解した溶液を用いる。重量平均分子量３０，０００〜３００．０００単位、 数平均分子量１０，０００〜６ｏ，ｏｏｏのこの種の統計コポリマーを塗布した のち、８０°Ｃ〜３３０°Ｃの範囲で温度上昇させて乾燥する。そのさい、乾燥 は３段階に分けて行ない、３段階の各段階で前段階の温度よりそのつど８０°Ｃ 〜１００°Ｃ高くして乾燥する。線状ポリイミドの溶液は、浸漬、吹付け、遠心 塗布法のいずれかによって塗布する。原則として、ポリイミド層４を製造するた めの線状統計コポリイミドの加工は、重縮合時に得られる溶液を直接用いて行な うことができる。しかし、また、ポリイミドを予め脱離させ、乾燥し、保管して おき、必要時に初めて適宜に溶液にしてもよい。前記コポリマーの使用により、 従来の、ポリイミド・フィルム製の容量性湿度センサに比して、特に良好な感度 を育し、感応挙動の改善されたセンサが得られる。

ＦＩＧ．　２ ＦＩＧ．　１ 国際調査報告 −一一一一〜−一一−ｍｓ、ＰＣＴ／ＡＴ９０１０００８３

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. １．感湿層としてポリイミドを有する湿度センサ、特に容量性センサの製造方法 において、ポリイミドを、完全にイミド化された状態で極性溶剤に溶解し、少な くとも１個の接続電極またはベース電極（２，３）を有する絶縁担体材料（１） 上に塗布し、しかるのちに溶剤を除去することを特徴とする、湿度センサの製造 方法。
2. ２．容量性湿度センサ用に透湿性のカバー電極（５）を取付けることを特徴とす る、請求項１に記載の製造方法。
3. ３．ポリイミド層（４）を、ベース電極（４）と接続電極（３）との接続面上方 から、機械式、プラズマエッチング、レーザーのいずれかによって除去し、次い でカバー電極（５）が、接続電極（３）と電気的に接続され、ベース電極（１） と一緒に、誘電体であるポリマーを有するコンデンサを形成することを特徴とす る、請求項２に記載の製造方法。
4. ４．透湿性カバー電極（５）を蒸着またはスパッタリングよりポリマーおよび接 続電極（３）上に取付けることを特徴とする、請求項２または３に記載の製造方 法。
5. ５．極性溶剤として、ジメチルフォルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジメチ ルスルフオキシド、Ｎ−メチルビコロリドン、スルフオランのいずれかを用いる ことを特徴とする、請求項１から４までのいずれか１項に記載の製造方法。
6. ６．ポリイミドとして線状ポリイミドを用いることを特徴とする、請求項１から ５までのいずれか１項に記載の製造方法。
7. ７．重量平均分子量が３０，０００〜３００，０００単位、数平均分子量が１０ ，０００〜６０，０００単位の線状ポリイミドを用いることを特徴とする請求項 ６記載の製造方法。
8. ８．ポリイミドとして使用するコポリマーが、３，３′，４，４′−ベンゾフェ ノンテトラカルボン酸ジアンヒドリッドと、６０〜１００分子％のトルイレンジ アミン（２，４−異性体および／または２，６−異性体）またはトルイレンジイ ソシアン酸（２，４−異性体および／または２，６−異性体）と、０〜４０分子 ％の４，４′−メチレンビス（フェニルアミン）または４，４′−メチレンビス −（イソシアン酸フェニル）とから成ることを特徴とする、請求項６または７に 記載の製造方法。
9. ９．溶解された線状ポリイミドの溶液を浸漬、吹付け、遠心塗布法のいずれかに より塗布することを特徴とする、請求項１から８までのいずれか１項に記載の製 造方法。
10. １０．ポリイミド層の塗布前に、付着媒体、特に、単数または複数の機能性末端 基を有する有機機能性シラン類（たとえばアミノプロピルトリエトキシシラン、 アミノエチルアミノプロピルトリメトキシシラン、３−グリシドオキシプロピル トリエトキシシラン等）を塗布することを特徴とする、請求項１から９のいずれ か１項に記載の製造方法。
11. １１．ポリイミドを８０℃〜３３０℃の範囲で温度を高めて乾燥させることを特 徴とする、請求項１から１０までのいずれか１項に記載の製造方法。
12. １２．乾燥を３段階に分けて行ない、３段階の各段階で、前段階の温度より８０ ℃〜１００℃だけ高い温度で乾燥させることを特徴とする、請求項１１記載の製 造方法。