JPH0814556B2 - 温度センサ内蔵型感湿素子 - Google Patents

温度センサ内蔵型感湿素子

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JPH0814556B2
JPH0814556B2 JP7890387A JP7890387A JPH0814556B2 JP H0814556 B2 JPH0814556 B2 JP H0814556B2 JP 7890387 A JP7890387 A JP 7890387A JP 7890387 A JP7890387 A JP 7890387A JP H0814556 B2 JPH0814556 B2 JP H0814556B2
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/121Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid for determining moisture content, e.g. humidity, of the fluid

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、温度センサ内蔵型感湿素子に関する。更に
詳しくは、温度補償回路の簡略化を図った温度センサ内
蔵型感湿素子に関する。
〔従来の技術〕
従来から、湿度を検知する手段として、高分子材料、
金属酸化物などの各種感湿材料を用いた湿度センサが開
発されているが、これらの感湿素子の検出原理は、抵抗
変化型および容量変化型の2つに大別される。
前者の抵抗変化型感湿素子は、感湿材料中に含まれる
アルカリ金属イオンなどが雰囲気中の水蒸気分圧によっ
てそのイオン移動度を変えるため、これが感湿材の抵抗
変化となって検出される。ここで用いられる高分子材料
は、一般に高分子電解質膜と呼ばれるものであり、ポリ
スチレンスルホン酸ナトリウムなどが主として用いられ
ているが、これらの高分子電解質膜は、高湿度かつ温度
変化の大きい雰囲気、例えば結露水が生じ易いような環
境においては水に溶けて特性の劣化を起し易く、信頼性
に問題がみられた。
また、一般に高分子電解質膜を使用した感湿素子は、
湿度変化による抵抗変化は当然としても、温度によって
も抵抗変化を生ずる。このため、相対湿度を例えば0〜
10Vのリニアな関係で出力する場合には、サーミスタな
どで温度を同時に検知して、感湿素子の温度による抵抗
変化分を回路上で補償している。しかしながら、このよ
うな回路は複雑となり、また廉価なサーミスタでは湿度
係数にバラツキが多く、回路の調節が難しいという欠点
がみられる。
〔発明が解決しようとする問題点〕
そこで本発明者は、抵抗変化検出型の感湿素子におけ
る温度補償回路の簡略化を達成せしめるべく種々検討し
た結果、絶縁性基板上に2組の導電性くし形電極部分を
設け、これらを温度検知部および湿度検知部とするため
導電性くし形電極部分に必要な被覆を施すことにより、
かかる課題が効果的に解決されることを見出した。
〔問題点を解決するための手段〕
従って、本発明は温度センサ内蔵型感湿素子に係り、
この温度センサ内蔵型感湿素子は、絶縁性基板上に2組
の導電性くし形電極部分を設け、これらの導電性くし形
電極部分を感湿膜および水蒸気透過性保護膜で順次被覆
した後、その一方にのみ更に湿度遮断膜を形成させて温
度検知部とし、他方はそのまま湿度検知部として構成さ
れる。
ガラス、石英、アルミナなどの絶縁性基板上に形成さ
れる2組の導電性くし形電極部分は、2組それぞれ独立
に設けることもできるが、好ましくは第1図に示される
態様の如く、2ヶ所にくし形群1,2を形成させた1個の
くし形電極3とこれらのくし形群と噛み合う2個のくし
形電極4,5とから形成される。
絶縁性基板上へ導電性くし形電極を形成させるに際し
ては、まず絶縁性基板上に、ステンレススチール、ハス
テロイC、インコネル、モネル、金などの耐食性金属や
銀、アルミニウムなどの電極形成材料金属をスパッタリ
ング法、イオンプレーティング法などにより、約0.1〜
0.5μm程度の厚さの薄膜として形成させ、次にそこに
フォトレジストパターンを形成させる。
例えばアルミニウムの場合は、このようにして形成さ
れた電極形成材料金属薄膜へのフォトレジストパターン
の形成は、周知のフォトリソグラフ工程を適用すること
によって行われる。即ち、金属薄膜上にフォトレジスト
コーティングを行ない、そこにくし形電極のパターンの
陰画または陽画を焼付けたガラス乾板を重ね、光照射に
よる焼付けおよび現象によって行われる。この後、湿式
化学エッチングが行われるが、エッチング液としては、
リン酸−硫酸−無水クロム酸−水(重量比65:15:5:15)
混合液、BHF(フッ酸系)、塩化第2鉄水溶液、硝酸、
リン酸−硝酸混合液などが用いられる。
絶縁性基板上に形成された2組の導電性くし形電極部
分は、必要なマスキングを施した後、更にその表面が感
湿特性にすぐれた含窒素有機けい素化合物とハロゲン化
シランとの混合物あるいは有機アミン化合物とハロゲン
化炭化水素またはハロゲン化シランとの混合物のプラズ
マ重合膜6,7によって覆われる。
含窒素有機けい素化合物としては、例えば次の一般式
で表わされるような化合物が用いられる。
R3Si−NR2 R2N−SiR2−NR2 (R2N)−SiR (ここで、Rは水素原子、メチル基、エチル基、ビニル
基またはアセチレン基であり、R2またはR3は同一または
互いに異なるR基であり、分子中に少なくとも2個の水
素原子以外の基が含まれる) かかる化合物を具体的に挙げると、例えばトリメチル
シリルジメチルアミン、トリエチルシラザン、ヘキサメ
チルジシラザン、ヘキサメチルシクロトリシラザン、ビ
ス(ジメチルアミノ)メチルビニルシラン、ビス(トリ
メチルシリル)アセトアミド、トリス(ジメチルアミ
ノ)シラン、トリス(ジメチルアミノ)メチルシラン、
トリス(メチルアミノ)メチルシラン、トリス(メチル
アミノ)エチルシラン、N,N−ジメチルアミノ−N′−
メチルアミノ−N′−エチルアミノシランなどが挙げら
れ、好ましくはトリメチルシリルジメチルアミンまたは
ビス(ジメチルアミノ)メチルビニルシランまたはビス
(ジメチルアミノ)ジメチルシランが用いられる。
有機アミン化合物としては、第1〜3アミノ化合物を
用いることができるが、好ましくはアルキル基で置換さ
れた第2〜3アミノ化合物、例えばn−ブチルアミン、
第2ブチルアミン、イソプロピルアミン、ジメチルエチ
ルアミン、ジエチルアミン、ジメチルアリルアミンなど
の置換モノアミン化合物、N,N−ジメチル−1,3−プロパ
ンジアミン、N,N,N′,N′−テトラメチルエチレンジア
ミンなどの置換ジアミノ化合物、更にはペンタメチレン
イミン、ヘキサメチレンイミンなどのシクロアルキル置
換モノアミノ化合物、N,N′−ジメチルピラジンなどの
シクロアルキル置換ジアミノ化合物などが用いられ、こ
れら以外にもジメチルピラゾールなども用いることがで
きる。
ハロゲン化炭化水素としては、好ましくはハロゲン化
アルキルが用いられ、ハロゲン置換基は1個またはそれ
以上であり得る。具体的には、臭化メチレン、臭化メタ
ン、トリ臭化メタン、臭化エチレン、ジ臭化エチレン、
臭化プロパン、ジ臭化プロパン、臭化ブタン、ジ臭化ブ
タン、塩化メチレン、臭化塩化メチレン、ヨウ化エチル
などが用いられる。また、ハロゲン化される炭化水素基
は、鎖状不飽和結合あるいは芳香核であってもよい。
ハロゲン化シランとしては、一般式SiX1X2X3X4(ここ
で、X1〜X4はハロゲン原子、水素原子、低級アルキル
基、低級アルケニル基または低級アルキニル基であり、
これらの内の1〜3個はハロゲン原子である)で表わさ
れるものが用いられ、好ましくは低級アルキル置換ハロ
ゲン化シランが用いられる。かかるハロゲン化シランの
いくつかの例を挙げると、次の如くである。
CH3SiCl3 CH3SiH2Br、CH3SiHBr2 (CH32SiBr2 プラズマ重合は、プラズマ重合装置の形状およびプラ
ズマ発生方式などに応じて、含窒素有機けい素化合物ま
たは有機アミン化合物を数m〜数Torrの圧力で、またハ
ロゲン化シランまたはハロゲン化炭化水素をやはり数m
〜数Torrの圧力で用い、これらの混合物に放電出力数〜
数100Wの電力を供給することにより行なわれる。
具体的には、例えば放電出力が10Wの場合、含窒素有
機けい素化合物が約0.15〜0.08Torrに対してハロゲン化
シランが約0.06〜0.01Torrの割合で用いられる。また
は、例えば放電出力が20Wの場合、有機アミン化合物が
約0.04〜0.2Torrに対してハロゲン化炭化水素またはハ
ロゲン化シランが約0.005〜0.1Torrの割合で用いられ
る。ハロゲン化シランまたはハロゲン化炭化水素の割合
が少なすぎると、プラズマ重合膜中のハロゲン含有量が
減少して感湿特性が悪くなり、一方この割合が多すぎる
と、相対的にプラズマ重合膜中の窒素含有量が少なくな
りまた重合膜も硬化するため、やはり感湿特性が低下す
る。
次いで、これらの感湿膜が十分に被覆されるように、
前より若干露出部を大きくしたマスキングを施した後、
室温硬化型(RTV)シリコーンゴムをへらなどを用いて
コーティングし、そこに水蒸気透過性保護膜8,9を形成
させる。シリコーンゴムの硬化は、例えば30℃、50%R
H、2日間の条件下で行われ、約30μm前後の膜厚で保
護膜が形成される。この保護膜は、水蒸気透過性ではあ
るものの、液状の水は透過させないので耐水性を向上さ
せながら、感湿特性は低下させない。
最後に、30℃、40%RHの恒温恒湿槽中で条件を整えた
後、一方のくし形電極部分(符号1,4で形成される部
分)の保護膜のみをエポキシ樹脂、ポリエチレン、ポリ
テトラフルオロエチレンなどで完全に被覆し、湿度遮断
膜10を形成させる。そして、湿度遮断膜を形成させたく
し形電極部分を湿度感応性がなく、温度のみに感応する
温度検知部Aとし、形成させない方のくし形電極部分を
湿度検知部Bとする。
〔作用〕
このようにして構成される本発明の抵抗変化型感湿素
子は、端子11と12および端子11と13によって電気特性が
測定される。
例えば、ガラス基板上にフォトリソグラフグラフ法に
より線幅400μm、線間隔200μmのくし形部分を有する
電極をAu/Cr(膜厚1000Å/500Å)で第1図に示される
ような形状で形成させ、形成された2組の導電性くし形
電極部分に、テトラメチルエチレンジアミン0.07Torr、
臭化メチレン0.006Torrの混合ガスを用い、放電出力20
W、放電時分30分の条件下でマスキングを行ないながら
プラズマ重合膜を膜厚0.3μmで形成させ、更にその上
に室温硬化型シリコーンゴム保護膜を膜厚30μmで形成
させたものについて、30℃、40%RHの恒温恒湿槽中で条
件を整えた後、相対湿度に対する抵抗値を端子11−12間
で測定すると、第2図のグラフに示されるような結果が
得られた。
この感湿素子を、30℃、40%RHの雰囲気中でエポキシ
樹脂湿度遮断膜で密閉した感温検知部Aについて、端子
11−12間で抵抗を測定すると、その抵抗値は1MΩに固定
され、また温度変化に対して湿度検知部Bの感温特性、
即ちB係数が6500〜7500とほぼ一定した値を示す温度検
知部Aがそこに形成される。
一般に、感湿素子は温度特性を有しており、そのB係
数は市販サーミスタ(B=2000〜5000)と比較して大き
く、第3図の湿度出力回路図に例示されるように、回路
上で複雑な補償を行なっている。そして、この回路中の
−における出力をみると、第4図のグラフの結果に
示されるように、相対湿度によってその抵抗値は対数的
に直線状に変化はしているものの、ここでは未だ温度の
影響が明らかにみられる。
これに対して、本発明に係る温度センサ内蔵型感湿素
子では、その回路が第5図に示される如く簡略となり、
また第3図の抵抗Rを温度センサに置き換え、−に
おける出力をみると、第6図のグラフの結果に示される
ように、温度の影響を受けず、従って簡単に温度補償が
できるようになる。
更に、湿度検知部Bの耐水性を測定するために、室温
条件下の水中に5日間浸漬する試験を行なったが、その
感湿特性値は初期値の±2%RH以内に収まっていた。
〔発明の効果〕
本発明に係る温度センサ内蔵型感湿素子は、温度検知
部と湿度検知部とが同じ材質の材料で形成されているた
め温度係数が等しく、温度補償用の回路を不要としてい
る。また、感湿部の耐水性も良好である。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る温度センサ内蔵型感湿素子の一
態様の平面図である。第2図は、湿度遮断膜を設けない
感湿素子の相対湿度と抵抗との関係を示すグラフであ
る。第3図は従来例の、また第5図は本発明に係る感温
素子をそれぞれ用いた湿度出力回路の一例である。第4
図は第3図の、また第6図は第5図の湿度出力回路をそ
れぞれ用いた場合の相対湿度と回路途中の交流電圧との
関係を示すグラフである。 (符号の説明) 1,2……くし形群 3,4,5……導電性くし形電極 6,7……プラズマ重合感湿膜 8,9……水蒸気透過性保護膜 10……湿度遮断膜

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】絶縁性基板上に2組の導電性くし形電極部
    分を設け、これらの導電性くし形電極部分を、含窒素有
    機けい素化合物とハロゲン化シランとの混合物のプラズ
    マ重合膜あるいは有機アミン化合物とハロゲン化炭化水
    素またはハロゲン化シランとの混合物のプラズマ重合膜
    である感湿膜および水蒸気透過性保護膜で順次被覆した
    後、その一方にのみ更に湿度遮断膜を形成させて温度検
    知部とし、他方はそのまま湿度検知部とした温度センサ
    内蔵型感湿素子。
  2. 【請求項2】2ヶ所にくし形群を形成させた1個の導電
    性くし形電極とこれらのくし形群と噛み合う2個の導電
    性くし形電極とから2組の導電性くし形電極部分を形成
    させた特許請求の範囲第1項記載の温度センサ内蔵型感
    湿素子。
  3. 【請求項3】水蒸気透過性保護膜が湿温硬化型シリコー
    ンゴムの硬化膜である特許請求の範囲第1項記載の温度
    センサ内蔵型感温素子。
  4. 【請求項4】湿度遮断膜がエポキシ樹脂膜である特許請
    求の範囲第1項記載の温度センサ内蔵型感湿素子。
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