JPH0772108A - Steam sensor - Google Patents

Steam sensor

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JPH0772108A
JPH0772108A JP5216771A JP21677193A JPH0772108A JP H0772108 A JPH0772108 A JP H0772108A JP 5216771 A JP5216771 A JP 5216771A JP 21677193 A JP21677193 A JP 21677193A JP H0772108 A JPH0772108 A JP H0772108A
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plasma
water vapor
carbons
integer
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昇 高橋
Masafumi Ata
誠文 阿多
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    • F02BINTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B75/00Other engines
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

PURPOSE:To make a steam sensor possible to fast respond to changes in the amount of steam even in a low humidity area by using a plasma polymerization film made of spheroidal carbons (fullerene) as detector. CONSTITUTION:A plasma polymerization film made of spheroidal carbons used for a detector is an organic semiconductive thin film which is made of a compound as given by a formula of Cn (n: integer allowing the formation of a spheroidal compound geometrically) or (Cn+j) m (n: as mentioned above, j: integer of -10-10, m: positive integer). The compound has a structure in which a plurality of spheroidal carbons are polymerized by 1, 2-cycle bond added to a cyclohexatrienyl site and in the thin film, the structure is distributed in an amorphous state. The plasma polymerization film made of the spheroidal carbons is low in conductivity in the environment where no steam exists. When the steam exists, the conductivity increases 100,000 times at its maximum. The film has quick susceptibility with a high sensitivity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、水蒸気を含む気体の検
知素子に球状炭素類(いわゆるフラーレン)のプラズマ
重合膜を用いた新規な水蒸気センサに関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a novel water vapor sensor using a plasma polymerized film of spherical carbons (so-called fullerene) as a gas detection element containing water vapor.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、湿度センサ、または感湿センサに
は、セラミクス等の無機物質が多く用いられている。例
えば特開昭61−147139号公報には、有機珪素化
合物、金属粒子、アルカリ珪酸塩混合物の焼成体材料を
素子とすることが開示されており、相対湿度90%で1
4 Ωの差を得ている。
2. Description of the Related Art Conventionally, inorganic materials such as ceramics are often used for humidity sensors or humidity sensors. For example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 61-147139 discloses that a sintered body material of an organic silicon compound, metal particles, and an alkali silicate mixture is used as an element.
We have a difference of 0 4 Ω.

【0003】しかしながら、前記公報に記載される湿度
センサでは、素子作製のために高温での焼成等の過程が
必要であり、また剥離し易く、安定性、信頼性の点で問
題が多い。
However, the humidity sensor described in the above publication requires a process such as firing at a high temperature in order to manufacture an element, is easy to peel off, and has many problems in terms of stability and reliability.

【0004】そこで、これらの不都合を解決するべく、
特開平3−293554号公報には、酸化亜鉛のウイス
カーを感湿素子として用いることが提案されており、こ
の結果、応答速度及び感度の向上が見られることが報告
されている。しかしながら、相対湿度30%〜70%の
間で抵抗値変化は500倍程度、応答速度も数十秒程度
に止まり、特性的に十分なものとは言い難い。
Therefore, in order to solve these inconveniences,
Japanese Unexamined Patent Publication (Kokai) No. 3-293554 proposes to use zinc oxide whiskers as a humidity sensitive element, and as a result, it is reported that response speed and sensitivity are improved. However, when the relative humidity is 30% to 70%, the change in resistance value is about 500 times, and the response speed is only about several tens of seconds, which is not sufficient in terms of characteristics.

【0005】また、特開平3−211452号公報に
は、リン酸スズ皮膜を主成分とし、これに他の金属のリ
ン酸塩皮膜の一つまたは二つ以上が共存した皮膜を感湿
体とすることが記載されているが、抵抗値変化は250
倍程度であり、感度の点で不十分である。
Further, in Japanese Patent Laid-Open No. 3-211452, a film containing a tin phosphate film as a main component and one or more of phosphate films of other metals coexisting with the film is used as a moisture sensitive material. However, the resistance change is 250
It is about double, which is insufficient in terms of sensitivity.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の湿度センサ、感湿センサでは、作製法の煩雑さに加
え、水蒸気量の急変に対して迅速なセンシングが困難で
あるという不満があり、特に低湿度領域での水蒸気量変
化に対する高速応答性、高感度が要求される水蒸気セン
サに適用することは難しい。
As described above, in the conventional humidity sensor and humidity sensor, in addition to the complexity of the manufacturing method, there is a complaint that rapid sensing is difficult due to a sudden change in the amount of water vapor. In particular, it is difficult to apply it to a water vapor sensor that requires high-speed response and high sensitivity to changes in the amount of water vapor especially in a low humidity region.

【0007】そこで本発明は、このような従来のものの
有する欠点を解消するために提案されたものであって、
低湿度領域においても水蒸気量変化に対する高速応答性
に優れ、高感度を有し、しかも機械的強度や安定性、信
頼性に優れた水蒸気センサを提供することを目的とす
る。
Therefore, the present invention has been proposed in order to eliminate the drawbacks of the conventional ones,
It is an object of the present invention to provide a water vapor sensor that has excellent high-speed response to changes in the amount of water vapor even in a low humidity region, has high sensitivity, and has excellent mechanical strength, stability, and reliability.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記問題
点を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、Cn で表される
球状炭素類(いわゆるフラーレン)のプラズマ重合膜
が、安定な素子膜構造,機械的高強度を有し、低湿度領
域での水蒸気量変化に対して高速応答性、高感度を有す
ることを見出し、本発明を完成するに至った。
The inventors of the present invention have conducted extensive studies to solve the above-mentioned problems, and as a result, have found that a plasma polymerized film of spherical carbons (so-called fullerene) represented by C n is stable. The present invention has been completed based on the finding that it has an element film structure, high mechanical strength, high speed response and high sensitivity to changes in the amount of water vapor in a low humidity region.

【0009】すなわち、本発明の水蒸気センサは、Cn
(ただし、nは幾何学的に球状化合物を形成し得る整数
である。)で表される球状炭素類のプラズマ重合膜を検
知素子として用いたことを特徴とするものであり、さら
には、前記プラズマ重合膜が、(Cn+j m (nは幾何
学的に球状化合物を形成し得る整数であり、jは−10
〜10の整数、mは正の整数である。)なる分子式で表
され、シクロヘキサトリエニル部位に付加する1,2−
サイクル結合によって複数の球状炭素類が重合した構造
を少なくとも部分的に有し、前記構造がアモルファス状
に分布している有機半導性薄膜であることを特徴とする
ものである。
That is, the water vapor sensor of the present invention has a C n
(However, n is an integer capable of geometrically forming a spherical compound.) A plasma polymerized film of spherical carbons represented by the formula (1) is used as a sensing element, and further, The plasma-polymerized film has a (Cn + j ) m (n is an integer capable of geometrically forming a spherical compound, and j is -10.
Is an integer of 10 and m is a positive integer. ), Which is added to the cyclohexatrienyl moiety
The organic semiconducting thin film has a structure in which a plurality of spherical carbons are polymerized by cycle bonding, at least partially, and the structure is distributed in an amorphous state.

【0010】ダイヤモンド、グラファイトに次ぐ第3の
結晶炭素として、球状炭素化合物であるフラーレンの存
在が明らかにされ、マクロ量の合成法が確立されたのは
1990年になってからである。
It was only in 1990 that the presence of fullerene, which is a spherical carbon compound, was clarified as the third crystalline carbon after diamond and graphite, and a macro amount synthesis method was established.

【0011】フラーレンは、炭素のみからなる一連の球
状炭素化合物(Higher Fullerenes)の総称であり、12
個の5員環と12個またはそれ以上の6員環を含んでい
る。すなわち、60個、70個、76個あるいは84個
等(炭素数は幾何学的に球状構造を形成し得る数から選
択される。)の炭素原子が球状に結合してクラスター
(分子集合体)を構成してなる球状炭素Cn であって、
それぞれC60、C70、C 76、C84等のように表される。
Fullerenes are a series of spheres consisting of carbon only.
Of carbonaceous compounds (Higher Fullerenes), 12
Containing 5 membered rings and 12 or more 6 membered rings
It Ie 60, 70, 76 or 84
Etc. (The carbon number is selected from the number capable of forming a geometrically spherical structure.
Is selected. ) Carbon atoms are bound to form a cluster
Spherical carbon C that constitutes (molecular assembly)nAnd
Each C60, C70, C 76, C84And so on.

【0012】例えばC60は、図1に概略図示するよう
に、正二十面体の頂点を全て切り落として正五角形を出
した“切頭二十面体”と呼ばれる多面体構造を有し、図
2に図示するように、この多面体の60個の頂点を全て
炭素原子Cで置換したクラスターであり、公式サッカー
ボール様の分子構造を有する。同様に、C70、C76、C
84等も、いわばラグビーボール様の分子構造を有する。
For example, C60As schematically illustrated in FIG.
Then, cut off all the icosahedral vertices to produce a regular pentagon.
It has a polyhedral structure called "truncated icosahedron"
As shown in 2, all 60 vertices of this polyhedron are
A cluster that has been replaced with a carbon atom C
It has a ball-like molecular structure. Similarly, C70, C76, C
84Etc. have a so-called rugby ball-like molecular structure.

【0013】本発明においては、上述の球状炭素類(フ
ラーレン)のプラズマ重合膜を検知素子として用いる。
球状炭素類のプラズマ重合膜は、水蒸気不在の環境下で
は、導電率10-11S/cm 以下であり、通常の測定器では
絶縁体と認知されるが、水蒸気が存在すると最大で10
5 倍も導電率が増加し、10-6S/cm程度になる。また、
水蒸気の感知速度は1秒以内と、高感度で、高速な感受
性を有する。
In the present invention, the plasma polymerized film of spherical carbons (fullerene) described above is used as a sensing element.
The plasma-polymerized film of spherical carbons has an electric conductivity of 10 -11 S / cm or less in the absence of water vapor, and is recognized as an insulator by an ordinary measuring instrument, but the presence of water vapor causes a maximum of 10 -11 S / cm.
The conductivity increases five times and reaches about 10 -6 S / cm. Also,
The sensing speed of water vapor is within 1 second, and it has high sensitivity and high sensitivity.

【0014】前記プラズマ重合膜は、(Cn+j m (n
は60、70、76、84等より選ばれた幾何学的に球
状化合物を形成し得る整数であり、jは−10〜10の
整数、mは正の整数である。)なる分子式で表される有
機半導性薄膜であり、図3に例示する如く、Cn 上のシ
クロヘキサトリエニル部位(Cn を構成している炭素結
合のうち、5員環を挟む6員環の1稜線の両端部位を指
す。)同志が1,2−サイクル付加結合によりシクロブ
タン環を介して重合したCn 重合構造を部分的に有し、
この構造がアモルファス状に分布した膜構造を有する。
The plasma polymerized film is (C n + j ) m (n
Is an integer capable of forming a geometrically spherical compound selected from 60, 70, 76, 84 and the like, j is an integer of -10 to 10 and m is a positive integer. ) Is an organic semiconducting thin film represented by the composed molecule expression, as illustrated in FIG. 3, of the carbon bond constituting the cyclohexadienyl Satori enyl site (C n on C n, 6-membered sandwiching the 5-membered ring It refers to both ends of one ridge of the ring.) Each has a C n polymer structure partially polymerized via a cyclobutane ring by a 1,2-cycle addition bond,
This structure has a film structure in which it is distributed amorphously.

【0015】上記のCn 重合構造は種々の形態をとるこ
とができ、図3に示すもの以外に、図4に示す如く、C
n 分子間が他の位置で結合したもの等も例示される。プ
ラズマ重合膜は、これらCn 重合構造のみによって形成
されていてもよいが、この場合にはCn 重合構造が共有
結合により網目状に全体に広がっているものと考えられ
る。また、Cn 重合構造を部分的に有する場合には、重
合していない部分では、ファン・デル・ワールス力によ
って結合しあっているものと推測される。なお、このプ
ラズマ重合膜においては、上記したCn 重合構造ととも
に、原料であるC60等のCn 単体分子が混在していても
よい。
The above C n polymerized structure can take various forms. In addition to the structure shown in FIG. 3, as shown in FIG.
Examples include those in which n molecules are bonded at other positions. The plasma-polymerized film may be formed only by these C n polymerized structures, but in this case, it is considered that the C n polymerized structures are spread over the whole in a network form by covalent bonds. Further, in the case where the C n polymerized structure is partially present, it is presumed that the non-polymerized portions are bonded to each other by Van der Waals force. In this plasma polymerized film, C n simple molecule such as C 60 as a raw material may be mixed together with the above C n polymerized structure.

【0016】上記プラズマ重合膜において、原料として
使用する球状炭素類Cn の炭素数nは60及び/または
70であることが好適であるが、これはこれ以外の球状
炭素類では生産収量が大幅に減少し産業上利用価値がな
いという観点からであり、工業的価値を別にすれば、例
えば炭素数nが76、84等の球状炭素類でも、同等の
特性を有するプラズマ重合膜を得ることが可能である。
原料の入手の容易さを考慮すれば、C60/C70(C60
70の混合物)が最も好適である。
In the above-mentioned plasma polymerized film, the carbon number n of the spherical carbons C n used as a raw material is preferably 60 and / or 70, which means that the production yield of other spherical carbons is significantly increased. From the viewpoint that it is reduced to an industrial value, it is possible to obtain a plasma polymerized film having the same characteristics even with spherical carbons having a carbon number n of 76, 84, etc., excluding the industrial value. It is possible.
Considering the availability of raw materials, C 60 / C 70 (mixture of C 60 and C 70 ) is most preferable.

【0017】また、上記プラズマ重合膜は、(Cn+j
m (nは60、70、76、84等より選ばれた幾何学
的に球状化合物を形成し得る整数であり、jは−10〜
10の整数、mは正の整数である。)なる分子式で表さ
れるが、ここでjの値は、C n 単体からの炭素の欠落、
または付加により、C58、C56・・・、あるいはC62
・・等が得られ、それらが重合するため、必ずしもCn
の整数倍が重合体の骨格となっていないことを表してい
る。
Further, the plasma polymerized film is (Cn + j)
m(N is a geometry selected from 60, 70, 76, 84 etc.
Is an integer capable of forming a spherical compound, and j is -10 to
An integer of 10 and m is a positive integer. ) Is represented by the molecular formula
Where the value of j is C nLack of carbon from a simple substance,
Or by addition, C58, C56... or C62
.. etc. are obtained and they are polymerized, so that Cn
Indicates that an integer multiple of is not the skeleton of the polymer.
It

【0018】上述のプラズマ重合膜は、球状炭素類Cn
を昇華源としてプラズマ重合すること(気相においてC
n 原料物質を昇華してプラズマを印加し、Cn 分子を重
合させる。)によって成膜することができる。例えば、
蒸着等の手法によって形成した膜では、水蒸気を感知す
る膜としては機能しない。
The aforementioned plasma polymerized film, spherical carbons C n
Polymerization with C as a sublimation source (C in the gas phase
The n source material is sublimated and plasma is applied to polymerize C n molecules. Can be used to form a film. For example,
A film formed by a method such as vapor deposition does not function as a film for sensing water vapor.

【0019】プラズマ発生の放電方式は、公知の直流放
電、低周波放電、高周波放電、マイクロ波放電等の各種
方式が採用可能であり、また電極の種類及び放電発生方
式としては、内部電極方式、外部電極方式、導波管方
式、容量結合型、誘導結合型、無電極発振型等から選択
可能である。
As a discharge method for plasma generation, various known methods such as direct current discharge, low frequency discharge, high frequency discharge, microwave discharge and the like can be adopted, and as the electrode type and discharge generation method, an internal electrode method, An external electrode system, a waveguide system, a capacitive coupling type, an inductive coupling type, an electrodeless oscillation type, etc. can be selected.

【0020】プラズマ重合は、C60/C70等の球状炭素
類単独雰囲気中で行ってもよいが、プラズマの均一性、
安定性等を向上させるという見地から、キャリアガスを
併用してもよい。キャリアガスとしては、プラズマ重合
の際に一般に使用されているものがいずれも使用でき、
アルゴン、窒素、ヘリウム等が例示される。
The plasma polymerization may be carried out in an atmosphere of spherical carbons such as C 60 / C 70, but the uniformity of plasma,
A carrier gas may be used together from the viewpoint of improving stability and the like. As the carrier gas, any of those commonly used in plasma polymerization can be used,
Examples include argon, nitrogen and helium.

【0021】放電条件は、直流放電ではガス圧力、電極
間距離、電圧の関係を示すパッシェンの法則が成立する
範囲、交流放電では放電可能範囲であれば重合に問題は
ない。ガス圧は、好ましくは13パスカル(10-1
ル)以下である。
There are no problems in polymerization as long as the discharge conditions are in the range where the Paschen's law, which shows the relationship between the gas pressure, the electrode distance, and the voltage, is satisfied in the DC discharge and in the dischargeable range in the AC discharge. The gas pressure is preferably 13 Pascals (10 -1 Torr) or less.

【0022】[0022]

【作用】球状炭素類Cn のプラズマ重合膜は、水蒸気不
在の環境下では、導電率10-1 1S/cm 以下であり、通常
の測定器では絶縁体と認知されるが、水蒸気が存在する
と最大で105 倍も導電率が増加し、10-6S/cm程度に
なる。また、水蒸気の感知速度は1秒以内と、高速な感
受性を有する。
[Action] plasma polymerization film of spherical carbons C n, in an environment of steam absent, or less conductivity 10 -1 1 S / cm, although the conventional instrument is recognized as the insulator, there are water vapor Then, the conductivity increases up to 10 5 times and reaches about 10 -6 S / cm. In addition, the water vapor sensing speed is within 1 second, which is a high sensitivity.

【0023】したがって、このプラズマ重合膜を検知素
子とした水蒸気センサは、低湿度領域においても水蒸気
量変化に対する高速応答性を示し、高感度に水蒸気量変
化が検出される。また、前記プラズマ重合膜は、安定な
素子膜構造,機械的高強度を有し、高温での焼成過程も
必要ないことから、安定性、信頼性、生産性等の点でも
有利である。
Therefore, the water vapor sensor using this plasma-polymerized film as a detection element exhibits a high-speed response to a change in the amount of water vapor even in a low humidity region, and the change in the amount of water vapor can be detected with high sensitivity. Further, the plasma-polymerized film has a stable device film structure and mechanical high strength, and does not require a baking process at a high temperature, and is therefore advantageous in terms of stability, reliability, productivity and the like.

【0024】[0024]

【実施例】以下、本発明を適用した実施例について、具
体的な実験データを参照しながら詳細に説明する。
EXAMPLES Examples to which the present invention is applied will be described below in detail with reference to specific experimental data.

【0025】プラズマ重合装置 図5は、本実施例で用いた外部電極式容量結合型のプラ
ズマ重合装置を示すものである。このプラズマ重合装置
は、容量約20リットルの反応器1を備え、この反応器
1にはガス供給管2,3が設けられている。また、反応
器1の底部には、油拡散ポンプ4やロータリーポンプ
5,6、液体窒素トラップ7,8等から構成される真空
排気系に連結された排気口9が設けられている。
Plasma Polymerization Device FIG. 5 shows the external electrode type capacitively coupled plasma polymerization device used in this embodiment. This plasma polymerization apparatus includes a reactor 1 having a capacity of about 20 liters, and the reactor 1 is provided with gas supply pipes 2 and 3. An exhaust port 9 connected to a vacuum exhaust system including an oil diffusion pump 4, rotary pumps 5 and 6, liquid nitrogen traps 7 and 8 is provided at the bottom of the reactor 1.

【0026】また、反応器1の上部には、プラズマ発生
用電極10,11が3.5cmの間隔を隔てて反応器1
外部に設置され、プラズマ電源12にインピーダンス整
合器13を介して接続されている。また、反応器1内に
は、C60/C70フラーレン昇華用のモリブデンボート1
4及び試料基板15が7cmの間隔を隔てて対向して設
置されており、モリブデンボート14には直流電源16
が接続されている。
Further, on the upper part of the reactor 1, the plasma generating electrodes 10 and 11 are spaced 3.5 cm apart from each other.
It is installed outside and is connected to the plasma power source 12 via an impedance matching device 13. Also, in the reactor 1, a molybdenum boat 1 for sublimation of C 60 / C 70 fullerene
4 and the sample substrate 15 are installed facing each other with a space of 7 cm.
Are connected.

【0027】プラズマ電源12の出力は、交流13.5
6MHzのラジオ波で、最高出力150Wである。ここ
では、25W、50W、100Wで13.5パスカルに
設定したアルゴンガス一定流量系にてアルゴンプラズマ
を発生させ、このプラズマ中にモリブデンボート14に
入れたC60/C70フラーレンを昇華させてプラズマ重合
を行った。なお、重合中の膜厚は、センサー17により
連続的にモニターした。
The output of the plasma power supply 12 is AC 13.5.
The maximum output is 150W with 6MHz radio wave. Here, argon plasma is generated in a constant flow rate system of argon gas set to 25 W, 50 W, and 100 W at 13.5 Pascal, and C 60 / C 70 fullerene in the molybdenum boat 14 is sublimated into the plasma to generate plasma. Polymerization was carried out. The film thickness during the polymerization was continuously monitored by the sensor 17.

【0028】原料物質であるC60/C70フラーレンは、
公知の方法によりグラファイト電極間のアーク放電によ
り生成した粉末をフラッシュクロマトグラフィーにより
精製したものであり、C60:C70は約9:1であった。
C 60 / C 70 fullerene which is a raw material is
The powder produced by arc discharge between graphite electrodes by a known method was purified by flash chromatography, and C 60 : C 70 was about 9: 1.

【0029】実験1 上述のプラズマ重合装置を用い、図6に示した基板上に
60/C70フラーレンのプラズマ重合膜を厚さ1000
Åで成膜した。すなわち、基板21は、図6に示すよう
に、ガラス基板22の表面に金製の櫛形電極23,24
を櫛歯の部分23a,24aを噛合する如く対向して形
成し、これら櫛歯の部分23a,24aを覆ってプラズ
マ重合膜25を成膜した。なお、基板としては、前記ガ
ラス基板に制限されるものではなく、導電性がフラーレ
ンのプラズマ重合膜よりも十分に低い材料からなり、集
電体が形成可能な材料であれば如何なるものであっても
よい。
Experiment 1 A plasma-polymerized film of C 60 / C 70 fullerene having a thickness of 1000 was formed on the substrate shown in FIG.
The film was formed with Å. That is, as shown in FIG. 6, the substrate 21 has a comb-shaped electrode 23, 24 made of gold on the surface of the glass substrate 22.
Were formed so as to face the comb teeth 23a and 24a so as to mesh with each other, and the plasma polymerized film 25 was formed so as to cover these comb teeth 23a and 24a. The substrate is not limited to the glass substrate, and any material can be used as long as it has a conductivity sufficiently lower than that of the fullerene plasma polymerized film and can form a current collector. Good.

【0030】したがって、図7に示すように、プラズマ
重合膜25は、櫛形電極23,24の櫛歯の部分23
a,24aの間で抵抗体として動作し、前記櫛形電極2
3,24間に定電圧で電流を流し、電流値(抵抗値)を
測定することにより、下記の数1よりその導電率を測定
することができる。
Therefore, as shown in FIG. 7, the plasma-polymerized film 25 is formed in the comb-tooth portion 23 of the comb-shaped electrodes 23 and 24.
a and 24a, acting as a resistor, the comb-shaped electrode 2
By passing a current at a constant voltage between 3 and 24 and measuring the current value (resistance value), the conductivity can be measured from the following formula 1.

【0031】[0031]

【数1】 [Equation 1]

【0032】前述のようにして作製した試料の導電率
を、図8及び図9に示した電圧電流特性測定装置を用い
て測定した。なお、図8は、図9のF−F線位置での断
面を示すものである。この電圧電流特性測定装置は、コ
ンピュータ制御されており、銅製のファラデーケージ型
セル30内に発熱体31を備え、この発熱体31上に試
料ホルダ32を有してなるものであり、前記セル30の
上部は、真空バルブ33,34を備えた蓋体35により
閉蓋されている。また、セル30の所定の位置には当該
セル30を貫通する同軸ケーブルプラグ36,37が設
けられ、この同軸ケーブルプラグ36,37を介してガ
ラス基板22の表面に形成された櫛形電極23,24間
の電圧電流特性が測定される。なお、セル30内の温度
は、熱電対38によってモニタされている。
The conductivity of the sample prepared as described above was measured using the voltage-current characteristic measuring device shown in FIGS. 8 and 9. Note that FIG. 8 shows a cross section taken along the line FF of FIG. This voltage-current characteristic measuring device is computer-controlled, and comprises a Faraday cage type cell 30 made of copper, and a heating element 31, and a sample holder 32 on the heating element 31. The upper part of is closed by a lid 35 having vacuum valves 33 and 34. Further, coaxial cable plugs 36, 37 penetrating the cell 30 are provided at predetermined positions of the cell 30, and the comb-shaped electrodes 23, 24 formed on the surface of the glass substrate 22 via the coaxial cable plugs 36, 37. The voltage-current characteristic between them is measured. The temperature inside the cell 30 is monitored by the thermocouple 38.

【0033】本実験では、先ず、水蒸気を排した1.3
Pa(0.01トル)真空中と、大気を導入した雰囲気
(相対湿度60%)中の二環境間のスイッチング特性を
測定した。具体的には、前記大気雰囲気とされたセル3
0内を真空排気し、その後急激に大気を導入し、この間
の電流値の変化を測定した。結果を図10に示す。
In this experiment, first, 1.3
The switching characteristics between two environments in a Pa (0.01 torr) vacuum and an atmosphere introduced with air (60% relative humidity) were measured. Specifically, the cell 3 in the air atmosphere
The inside of 0 was evacuated, and then the atmosphere was rapidly introduced, and the change in current value during this period was measured. The results are shown in Fig. 10.

【0034】図10からも明らかなように、真空排気に
伴って、櫛形電極23,24間の電流値が5×10-9
から5.5×10-12 Aへと変化しており、これを先の
数1によりプラズマ重合膜25の導電率に換算すると、
導電率は4.26×10-6S/cmから4.68×10-9S/
cmへと変化したことになり、導電率の変化は約103
に達した。なお、導電率σの算出に際しては、電極間距
離d=0.5×10-3(m)、電極長L=0.12
(m)、試料膜厚e=100×10-9(m)とし、また
抵抗値R=V/I〔ただし、電圧V=49(V)〕とし
て先の電流値を代入した。
As is clear from FIG. 10, the current value between the comb-shaped electrodes 23 and 24 was 5 × 10 −9 A as the vacuum was exhausted.
To 5.5 × 10 −12 A, which is converted to the conductivity of the plasma polymerized film 25 by the above equation 1,
Conductivity is 4.26 × 10 -6 S / cm to 4.68 × 10 -9 S / cm
The change in conductivity reached about 10 3 times. When calculating the conductivity σ, the inter-electrode distance d = 0.5 × 10 −3 (m) and the electrode length L = 0.12.
(M), sample film thickness e = 100 × 10 −9 (m), and resistance value R = V / I [where voltage V = 49 (V)], and the above current value was substituted.

【0035】また、図10を見ると、真空排気に伴って
徐々に電流値が減少しており、圧力の急激な開放(大気
の導入)と同時に急激に電流値が上昇しているが、この
ことは、プラズマ重合膜が応答性に優れるものであるこ
とを如実に示すものであると考えられる。
Further, as shown in FIG. 10, the current value gradually decreases with the evacuation, and the current value rapidly increases at the same time when the pressure is suddenly released (atmosphere is introduced). It is considered that this clearly shows that the plasma polymerized film has excellent responsiveness.

【0036】そこで、上記プラズマ重合膜について、湿
度と素子導電率の関係を測定したところ、図11に示す
ような結果が得られた。この図11からもわかるよう
に、プラズマ重合膜は、特に低湿領域での感度に優れて
いる。
Then, when the relationship between the humidity and the element conductivity of the plasma polymerized film was measured, the results shown in FIG. 11 were obtained. As can be seen from FIG. 11, the plasma polymerized film has excellent sensitivity, especially in a low humidity region.

【0037】実験2 本実験では、プラズマ重合膜と蒸着膜の特性の相違を調
べた。すなわち、C60/C70フラーレンをプラズマを印
加しないで蒸着し、蒸着膜を作製した。そして、この蒸
着膜の導電率を測定し、先のプラズマ重合膜の導電率と
比較した。結果を表1に示す。
Experiment 2 In this experiment, the difference in characteristics between the plasma polymerized film and the vapor deposited film was examined. That is, C 60 / C 70 fullerene was vapor-deposited without applying plasma to form a vapor-deposited film. Then, the conductivity of this vapor-deposited film was measured and compared with the conductivity of the above plasma polymerized film. The results are shown in Table 1.

【0038】[0038]

【表1】 [Table 1]

【0039】この表1からも明らかなように、蒸着膜で
は水蒸気による導電率変化が極めて小さく、水蒸気セン
サとして機能しないことが示された。
As is clear from Table 1, it is shown that the vapor deposition film has a very small change in conductivity due to water vapor and does not function as a water vapor sensor.

【0040】実験3 先の実験1では、真空排気することにより水蒸気量(湿
度)を変化させ、プラズマ重合膜の導電率を変化を調べ
たが、この導電率の変化が圧力の変化によるものではな
いことを確認するために、大気の代わりに窒素ガス、ア
ルゴンガス、エチレンガスを導入し、実験1と同様の測
定を行った。
Experiment 3 In Experiment 1 above, the amount of water vapor (humidity) was changed by evacuation to investigate the change in the conductivity of the plasma polymerized film. However, this change in conductivity was not due to the change in pressure. In order to confirm that there was no nitrogen, nitrogen gas, argon gas, or ethylene gas was introduced instead of the atmosphere, and the same measurement as in Experiment 1 was performed.

【0041】これら窒素ガス、アルゴンガス、エチレン
ガス雰囲気中で真空排気した場合には、導電率の変化は
極めて小さかった。このことは、先の実験1における導
電率の変化が圧力の変化によるものではなく、水蒸気量
の変化によるものであることを示している。また、酸素
ガスを導入したときは、前記各ガスに比べて導電率の増
加が大きかったが、それでも大気導入時より2桁小さか
った。したがって、水蒸気との区別は容易であった。
When vacuum evacuation was performed in these nitrogen gas, argon gas and ethylene gas atmospheres, the change in conductivity was extremely small. This indicates that the change in the conductivity in Experiment 1 above is not due to the change in pressure, but is due to the change in the amount of water vapor. Further, when oxygen gas was introduced, the increase in conductivity was large as compared with each of the above gases, but it was still two orders of magnitude smaller than when introduced into the atmosphere. Therefore, it was easy to distinguish it from water vapor.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上の説明からも明らかなように、本発
明においては、球状炭素類のプラズマ重合膜を検知素子
としているので、素子作製の簡略化、応答速度の高速
化、感度の向上を達成することが可能であり、水蒸気セ
ンサとしての性能を飛躍的に向上することが可能であ
る。
As is apparent from the above description, in the present invention, since the plasma polymerized film of spherical carbons is used as the sensing element, the fabrication of the element is simplified, the response speed is increased, and the sensitivity is improved. This can be achieved, and the performance as a water vapor sensor can be dramatically improved.

【0043】したがって、本発明によれば、低湿度領域
においても水蒸気量変化に対する高速応答性に優れ、高
感度を有し、しかも機械的強度や安定性、信頼性に優れ
た水蒸気センサを提供することが可能である。
Therefore, according to the present invention, there is provided a water vapor sensor which is excellent in high-speed response to a change in water vapor amount even in a low humidity region, has high sensitivity, and is excellent in mechanical strength, stability and reliability. It is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】C60フラーレンの切頭二十面体構造を示す模式
図である。
FIG. 1 is a schematic diagram showing a truncated icosahedron structure of C 60 fullerene.

【図2】C60フラーレンにおける炭素間の結合状態を示
す模式図である。
FIG. 2 is a schematic view showing a carbon-carbon bond state in C 60 fullerene.

【図3】Cn 重合構造の一例を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a C n polymerized structure.

【図4】Cn 重合構造の他の例を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing another example of a C n polymerized structure.

【図5】プラズマ重合装置の一構成例を示す概略断面図
である。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing one structural example of a plasma polymerization apparatus.

【図6】プラズマ重合膜を成膜した測定試料の概略平面
図である。
FIG. 6 is a schematic plan view of a measurement sample on which a plasma polymerized film is formed.

【図7】プラズマ重合膜を成膜した測定試料の要部概略
断面図である。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view of a main part of a measurement sample on which a plasma polymerized film is formed.

【図8】導電率測定用セルの概略平面図である。FIG. 8 is a schematic plan view of a conductivity measuring cell.

【図9】導電率測定用セルの概略側面図である。FIG. 9 is a schematic side view of a conductivity measuring cell.

【図10】真空排気に伴う電流値(導電率)の変化を示
す特性図である。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing a change in current value (conductivity) due to evacuation.

【図11】プラズマ重合膜における湿度の導電率の関係
を示す特性図である。
FIG. 11 is a characteristic diagram showing a relationship between humidity and electric conductivity in a plasma polymerized film.

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Cn (ただし、nは幾何学的に球状化合
物を形成し得る整数である。)で表される球状炭素類の
プラズマ重合膜を検知素子として用いたことを特徴とす
る水蒸気センサ。
1. A water vapor characterized in that a plasma polymerized film of spherical carbons represented by C n (where n is an integer capable of geometrically forming a spherical compound) is used as a sensing element. Sensor.
【請求項2】 プラズマ重合膜が(Cn+j m (nは幾
何学的に球状化合物を形成し得る整数であり、jは−1
0〜10の整数、mは正の整数である。)なる分子式で
表されることを特徴とする請求項1記載の水蒸気セン
サ。
2. The plasma polymerized film is (C n + j ) m (n is an integer capable of geometrically forming a spherical compound, and j is -1.
An integer of 0 to 10 and m is a positive integer. The water vapor sensor according to claim 1, which is represented by a molecular formula:
【請求項3】 プラズマ重合膜が、シクロヘキサトリエ
ニル部位に付加する1,2−サイクル結合によって複数
の球状炭素類が重合した構造を少なくとも部分的に有
し、前記構造がアモルファス状に分布している有機半導
性薄膜であることを特徴とする請求項1記載の水蒸気セ
ンサ。
3. The plasma polymerized film has at least partially a structure in which a plurality of spherical carbons are polymerized by 1,2-cycle bonds added to a cyclohexatrienyl site, and the structure is distributed in an amorphous state. The water vapor sensor according to claim 1, wherein the water vapor sensor is an organic semiconductive thin film.
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