JPH0786491B2

JPH0786491B2 - 湿度センサ

Info

Publication number: JPH0786491B2
Application number: JP62316440A
Authority: JP
Inventors: 徹今奈良; 静枝酒井
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp
Priority date: 1987-12-15
Filing date: 1987-12-15
Publication date: 1995-09-20
Anticipated expiration: 2010-09-20
Also published as: JPH01156654A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は湿度センサに関するものである。詳しくは金属
板よりなる下部電極、その表面に被着してなる特定の式
で表わされる溶媒可溶型ポリイミド樹脂層、および該樹
脂層の表面に被着された導電性物質よりなる上部電極層
より構成され、下部電極および上部電極層の間に電圧を
印加可能とされた湿度センサに関するものである。

〔従来の技術およびその問題点〕

湿度を測定する機器（湿度センサ）としては、古くから
知られている毛髪湿度計、乾湿球湿度計、塩化リチウム
湿度計をはじめとして、近年急速に発展したセラミック
系、高分子系湿度センサに至るまでその種類は多い。

これらを検出原理から分離すると、大別して次のような
ものがある。

（ａ）機械式センサ：毛髪、セロハン、ナイロンなど
が吸湿によって膨潤することを利用し、リンク機構を通
じてチャートを描かせたり、圧力に変換し電気信号とし
て取出したりするもの。

（ｂ）乾湿球センサ：乾球と呼ばれる感温部が露出し
ている温度計と、湿球と呼ばれる水で常時濡れているカ
ーゼなどで感温部を包んでいる温度計を対にして、両者
の温度差と乾球温度とから相対湿度を算出するもの。

（ｃ）電磁式センサ：赤外線やマイクロウェーヴのよ
うな電磁波には水に吸収されやすい特定の波長帯が存在
するので、この波長帯での電磁波減衰量を測定すること
により湿度を求めるもの。

（ｄ）インピーダンス変化式センサ：水分の吸着によ
り電気的特性、特にインピーダンスが顕著に変化するも
のを感湿体として使用し、その変化を測定して湿度を求
めるもの。

これらの中で注目されているのが、インピーダンス変化
式センサであるが、これには、抵抗変化型センサと容量
変化型センサとがある。抵抗変化型センサは駆動回路を
組む際の自由度が高い反面、低湿域において高抵抗とな
り測定が困難となる欠点がある。容量変化型センサは測
定範囲が広く、湿度に対してリニアな出力が得られる。
また、インピーダンス変化式センサを感湿材の材料の面
から分類するとセラミック系センサと高分子系センサに
大別される。セラミック系センサの湿材としては、Ti、
Sn、Zr、Mg、Cr、Si、Ｖ等の酸化物を配合したものが用
いられており、耐熱性が高く使用温度範囲が広いが、感
湿特性がセラミックの多孔構造に由来しているために再
現性に乏しく、また吸着水分のキャピラリコンデンセー
ションによる経時変化も避けられないなどの問題点を有
する。経時変化や、汚染による性能変化を避けるため、
摂氏数百度に加熱して特性を回復させる加熱クリーニン
グ方式を採用するタイプのものもあるが、電力消費量が
高く必ずしも満足すべきものとは言えない。高分子系セ
ンサの感湿材としては、ポリアクリル酸、ポリスチレン
スルホン酸、ポリメチルアミノエチルメタアクリレート
塩、スチレン・ジビニルベンゼン共重合体の酸または塩
等が挙げられる。これらの高分子系センサの感湿性は、
調製された高分子自体の吸湿性、イオン電導性に由来す
るために再現性が良好であり、製造時の高温焼成も不要
であり、量産により低価格化も可能である。また汚染に
強く、他のガス種の影響も受けにくい。しかし、耐熱性
が低いという問題点があった。高分子系センサの中には
感湿材としてポリイミドを用いたものもあるが、ポリア
ミック酸の形態で基板上に塗布した後加熱して縮重合す
る種類のものであり、生産性の点から有利なものとは言
えない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明者らは、金属板の上に溶媒可溶型ポリイミド樹脂
を被着し、さらにその表面に上部電極を形成することに
よって、耐熱性が高く、しかも生産性にすぐれた高分子
系湿度センサを製造できることを見い出し本発明に到達
した。本発明のセンサは適当な温湿度下に配置して、例
えば直流バイアスを有しない交流電圧を印加することに
より静電容量を測定し、適当な変換回路を作動させて、
広範囲にわたって精度よく湿度を検出することができ
る。

以下に本発明を詳細に説明する。

本発明の湿度センサは、金属板よりなる下部電極、その
表面に被着してなる後記特定の式で表わされる溶媒可溶
型ポリイミド樹脂層、および該樹脂層の表面に被着され
た導電性物質よりなる上部電極層より構成されてなり、
下部電極および上部電極層の間に電圧を印加可能とされ
ている。

本発明で用いられる下部電極としての金属板は、電気伝
導性の良好な金属板が好ましく、ステンレス板、アルミ
ニウム板、アルミニウム合金板、銅板、銅合板、鉄板、
モリブデン板、クローム板、亜鉛板等が好適に用いら
れ、特にステンレス板、アルミニウム板が好適に用いら
れる。アルミニウム板を用いる場合には、表面をアルマ
イト加工することにより、表面に被着される溶媒可溶型
ポリイミド樹脂との密着性を高めることもできる。

ステンレス板としては公知のものすべてが用いられる。
例えば、JIS規格でSUS201、302、304、305、310S、31
6、329、420、430、434、436、444、630、631等が挙げ
られる。

金属板の形状は特に制限されるものではないが、表面に
溶媒可溶型ポリイミド樹脂を塗布できるよう、表面の平
坦なものが好ましく、しかも該ポリイミド樹脂の薄膜に
ピンホールができないよう、できるだけ表面粗度の小さ
なものがよい。たとえば、ステンレス板であれば、Rmax
で１μｍ以下、好ましくは0.5μｍ以下のものが好適に
用いられる。金属板の厚みは、センサの電気特性に影響
を及ぼさない範囲であれば特に制限されるものではない
が、取扱い易さの点から通常0.05〜10mm、好ましくは0.
1〜1mmのものが用いられる。

金属板の硬度としては上記の板厚とも関連するが硬すぎ
るものは加工性が悪く、また軟らかすぎるものはプレス
打抜き加工等で端部変形（バリ）を発生しやすいためい
ずれも好ましくない。たとえばステンレス板であれば好
適には、ビッカース硬度が100〜300、好ましくは150〜2
50のものが用いられる。

本発明において溶媒可溶型ポイミド樹脂とは、溶媒可溶
型のものであって、下記特定の式で表わされるコポリイ
ミドまたはコポリアミドイミドをいう。

（Ａ）繰り返し単位の10〜30モル％が式で表わされる構造を有し、および残り90〜70モル％が式で表わされる構造を有する共ポリイミド、または、（Ｂ）繰り返し単位の70〜90モル％が式で表わされる構造を有し、および残り30〜10モル％が式で表わされる構造を有する共ポリアミドイミド。

なお、溶媒可溶型ポリイミド樹脂には、この中に第２成
分としてポリサルホン、ポリエーテルサルホン等の溶媒
可溶型ポリマーを混合したものも含まれる。

上記のコポリイミドは、たとえば3,3′,4,4′−ベンゾ
フェノンテトラカルボン酸二無水物（BTDA）と２種の芳
香族ジイソシアネート、すなわちジフェニルメタン−4,
4′−ジイソシアネート（MDI）およびトリレンジイソシ
アネート（TDI）を共重合させて合成することができ
る。

また、上記のコポリアミドイミドは、２種の芳香族ポリ
カルボン酸、すなわちトリメリット酸無水物およびイソ
フタル酸とMDIを共重合させて合成することができる。

これらの溶媒可溶型ポリイミド樹脂は、ポリイミド樹脂
の中でも特に吸湿率が高く、吸湿による静電容量の変化
を測定するのに好都合である。本発明で用いる溶媒可溶
型ポリイミド樹脂の40℃、90RH％における平衡吸湿率
を、他の各種ポリイミド樹脂のそれと共に下表に示す。

これらの溶媒可溶型ポリイミド樹脂は耐熱性に優れてお
り、特に該コポリアミドイミドは柔軟性も優れているた
め、曲げ加工を必要とする場合に好適に用いることがで
きる。

また、本発明で用いるコポリイミドおよびコポリアミド
イミドの対数粘度（ηinh）は0.1〜10dl/g（Ｎ−メチル
ピロリドン中、0.5％、30℃で測定）の範囲から選ばれ
る。

溶媒可溶型ポリイミド樹脂は溶媒での希釈の割合に応じ
て基板上に薄く塗布できるため吸湿あるいは脱湿速度を
大とすることが容易であり、センサの応答性を高める上
で有利である。また、塗膜の熱処理も容易であり、従来
のポリアミック酸を塗布した後、加熱して縮重合させる
タイプポリイミドを用いる場合より製造上有利である。

溶媒可溶型ポリイミド樹脂層の膜厚としては0.01〜100
μｍ、好ましくは0.1〜10μｍが好適である。膜厚は、
この範囲より小さい場合ピンホール等の欠陥が発生しや
すくなり、また、膜厚がこの範囲より大きい場合には、
吸湿、脱湿の応答速度が遅くなり、いずれも好ましくな
い。

本発明の上部電極層は導電性の金属薄膜あるいは有機導
電材料薄膜であり、Al、Cr、Ni、Cu等の他、Au、Ag、R
u、Rh、Pd、Os、Ir、Pt等の貴金属あるいはポリアセチ
レン、ポリピロール等の有機導電材料が用いられる。特
にAu、Ag等の酸化されにくい金属が好ましく、また、Ru
O₂等の金属酸化物も好ましい。上部電極の厚さとして
は、十分な導電性を有していれば特に限定されないが、
十分に薄ければ透湿性も期待されるため好ましく、通常
0.01〜１μｍ程度の厚さが好ましい。形状としては、特
に限定されるものではないが、反応性を高めるために櫛
歯状や同心円状等の公知を形状とするのが好ましい。

本発明のセンサは溶媒可溶型ポリイミド層をはさんで配
置される金属板よりなる下部電極と上部電極層を電極と
し両電極間に電圧を印加するものであり、電圧を印加す
るにはこれらの電極に直接駆動回路の端子を接続しても
よいし、リード線を取付けてから駆動回路の端子に接続
してもよい。リード線と電極の取付けには導電性接着剤
を用いてもよい。

次に本発明の湿度センサを製造する方法を説明する。金
属板の表面に溶媒可溶性ポリイミド樹脂を塗布する方法
としては、ロールコート、スピンコート、フローコー
ト、ドクタブレードコート、バーコート等の公知の方法
が挙げられるが、該樹脂の溶媒溶液の種類や濃度、粘
度、塗布すべき膜厚等により適宜選択すればよい。例え
ばロールコートであれば、ロールの種類、樹脂溶液の粘
度、濃度等にもよるが、湿り膜厚として３〜300μｍ程
度に塗布することができるので、乾燥膜厚が所定の膜厚
になるよう上記の操作条件を適宜調整すればよい。

塗布が完了したら加熱処理を行う。塗布する樹脂溶液に
使用する溶媒の種類によっては、塗布後大気中に放置す
ると吸湿して樹脂を凝固析出させるものがあるので、こ
の場合には、大気の湿度にもよるが、数秒〜数分以内に
直ちに加熱して残留溶媒濃度が十分低い値になるように
する必要がある。加熱処理の仕方としては、100〜400℃
程度で５〜30分程度加熱する。具体的には、溶媒の種類
や感湿性の程度に応じて適宜決めればよい。

加熱時の昇温の仕方としては、使用する溶媒の種類によ
っては、いきなり昇温すると急激に気化して表面性が悪
くなることがあるので徐々に昇温させることが好まし
い。この場合、連続的に昇温しても、数十度毎に段階的
に昇温してもよく、表面性、残留溶媒濃度の程度に従っ
て適宜昇温パターンを選択することができる。

上記のようにして形成したポリイミド樹脂層の表面に金
属薄膜からなる上部電極層を形成する。形成する方法と
しては蒸着法、スパッタリング法、無電解メッキ法、ス
クリーン印刷法等が挙げられるが、例えば蒸着法によっ
て金の薄膜を形成させる場合には、ポリイミド樹脂層と
の密着性をよくするためNiあるいはCrの蒸着による下地
処理をおこなってもよい。上記電極層の形状としては、
吸湿、脱湿に対する応答性を高めるため、一般には細線
を主体とした形態にすることが多い。たとえば、櫛歯状
や同心円状である。これらの形状は、エッチング法、マ
スク法、印刷法等公知の方法によって形成することがで
きる。

このようにして形成された湿度センサは、大形の基板の
上に多数個形成したのちに裁断、あるいは打抜き加工し
て個々のセンサとすることもできる。

また、このようにして形成された湿度センサの上部電極
と金属板のそれぞれに導電性接着剤等を用いてリード線
を取付けてもよい。

さらに、この湿度センサに交流電圧発生器、信号処理回
路、出力装置、電源等の周辺機器を取付ければ、湿度の
測定、表示が可能となり、且つ制御回路を取付ければ、
他の機器への制御信号の出力も可能となる。

〔実施例〕

以下に実施例を挙げて、本発明を更に詳しく説明する
が、本発明はその要旨を越えない限り実施例により限定
されるものではない。

製造参考例１米国特許第3,708,458号の実施例４に述べられている手
順を使用し3,3′,4,4′−ベンゾフェノンテトラカルボ
ン酸無水物と80モル％のトリレンジイソシアネート（2,
4−異性体約80モル％と2,6−異性体約20モル％の混合
物）および20モル％のジフェニルメタン−4,4′−ジイ
ソシアネートを含む混合物よりコポリイミドを重合し
た。

重合溶媒はN,N−ジメチルホルムアミドを使用し、樹脂
物濃度は21重量％であった。

このコポリイミドの30℃における対数粘度（ηinh）
（N,N−ジメチルホルムアミド中、0.5％）は0.6dl/gで
あった。

製造参考例２予備乾燥した10の反応器に614.82g（3.20モル）のト
リメリット酸無水物および132.90g（0.80モル）のイソ
フタル酸を装入した。この反応器は温度計、凝縮器、撹
拌機及び窒素入口を備えていた。

５の乾燥したびん中に1000.96g（4.0モル）のMDIをは
かり取り、次いで434mlのＮ−メチルピロリドン（以下N
MPと略称）をはかり取ってMDIを溶解した。このMDI溶液
を反応器を加え、次いでMDIをはかり取ったびんをすす
ぐために3650mlのNMPを加えた。

65rpmの撹拌速度および窒素雰囲気の下でこの溶液を３
時間40分にわたって53℃から170℃まで加熱し、さらに
１時間55分169℃〜171℃に加熱した。このようにして繰
返し単位の約80モル％がの構造を有し、繰返し単位の約20モル％がの構造を有するランダムコポリアミドイミドの25重量％
NMP溶液が得られた。

このコポリアミドイミドの30℃における対数粘度（ηin
h）（Ｎ−メチルピロリドン中、0.5％）は0.603dl/gで
あった。

この溶液をメタノール中に加え、ポリマーを析出させた
後、150℃で３時間乾燥してコポリアミドイミド粉末を
得た。

実施例１金属板として寸法300mm×200mm、板厚0.15mmのSUS430を
用いた。該金属板の硬度はビッカース硬度160であっ
た。ポリイミド樹脂としては製造参考例１に記載のもの
をジメチルホルムアミドを溶媒として固形分濃度17重量
％に調整し、孔径１μｍのフィルターで過した溶液を
用いた。

上記金属板の片側表面に上記ポリイミド樹脂溶液を室温
下ドクターナイフで塗布し、直ちに80℃のオープンで15
分間処理し、その後連続的に昇温してして320℃で５時
間処理した。得られた塗膜の膜厚は約10μｍであった。
これを80mm×50mmに切断して基板を得た。得られた基板
のポリイミド層表面に櫛歯状に孔の形成されたメタルマ
スクを重ね合わせて、該マスクの孔と同様の形状をした
金の蒸着層を形成した。さらに導電性接着剤“ドータイ
ト”（商品名；藤倉化成（株）製）により、SUS板と金
の蒸着層のそれぞれにリード線を取付けて湿度センサを
製造した。

このようにして製造した湿度センサを22℃、60％RHの雰
囲気下に配置し、該センサの２本のリード線に、最大電
圧＋0.5V、最小電圧−0.5Vを有する正弦波からなる交流
電圧（周波数100Hz）を印加し、静電容量を測定したと
ころ384pFであった。また、同様にして22℃、90％RHの
雰囲気下に配置したところ、404pFであった。

実施例２ポリイミド樹脂として製造参考例２で製造したコポリア
ミドイミドを用いたこと、および300℃で５分間処理し
たこと以外は実施例１と同様にして湿度センサを製造し
た。さらに実施例１と同様にして特定の温度、湿度の雰
囲気下における静電容量を測定したところ、22℃、60％
RHの場合に418％RH、90％RHの場合に445pFであった。

〔発明の効果〕

本発明の湿度センサは、吸湿性、吸脱湿応答性、耐熱
性、耐薬品性に優れているため、長期にわたり精度良く
湿度の検出を行うことができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属板よりなる下部電極、その表面に被着
してなる下記の式で表わされる溶媒可溶型ポリイミド樹
脂層、および該樹脂層の表面に被着された誘電性物質よ
りなる上部電極層より構成されてなり、下部電極および
上部電極層の間に電圧を印加可能とされてなる湿度セン
サ。繰り返し単位の10〜30モル％が式で表わされる構造を有し、かつ残り90〜70モル％が式で表わされる構造を有するコポリイミド、または、繰り返し単位の70〜90モル％が式で表わされる構造を有し、かつ残り30〜10モル％が式で表わされる構造を有するコポリアミドイミド。
【請求項２】金属板がステンレス板またはアルミニウム
板である特許請求の範囲第１項記載の湿度センサ。