WO2007102262A1 - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

　本発明は、感湿材料として高温領域における長期安定性等の基礎特性が最適化された湿度センサを提供するものである。本発明に係る湿度センサは、親水基が少なくとも一つの疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて形成された感湿膜を備えている。ガラス転移温度が２４０°C～５００°Cである高分子を用いて形成された感湿膜を備えてなる感湿素子を形成することにより、高温領域における長期安定性等の基礎特性が最適化される。

Description

明 細 書

湿度センサ

技術分野

[0001] 本発明は、高精度な湿度センサに関するものであり、特に感湿機構の解明により原 理的に高温領域と高湿度領域における安定性を有する湿度センサに関するもので ある。

背景技術

[0002] 植物の育成環境の保持や工場におけるラインの生産管理において高品質な植物 や製品を出荷するために湿度にっ 、ても管理することへの要求が高まって 、る。湿 度センサはその原理によって 6種類に分類される。すなわち、水の蒸発熱を検出する もの、露点検出するもの、水蒸気の光学的吸収より算出するもの、感湿材料の伸縮を 検出するもの、感湿材料の電気抵抗の変化を検出するもの、感湿材料の電気容量 の変化を検出するものである。この 6種類の検出方法の中で、センサ素子部分の小 型化の容易性とセンサ出力の演算処理を考慮すると、感湿材料の電気抵抗や電気 容量の変化を検出する方法が好ましい。

[0003] 例えば、特許文献 1では、感湿材料としてポリエーテルサルフォンおよびポリサルフ オンを主成分として形成される感湿膜を備える感湿素子が開示されている。この素材 は、セルロースアセテートプチレート等に比較して収着水分量が低く吸湿過程と脱湿 過程の感湿特性の差が小さ!/、と 、う特性を有して 、る。

[0004] また、特許文献 2には、ポリフエ二ルサルフォンと電極とを積層した静電容量型感湿 素子が提案されている。特許文献 2では、ポリフエ-ルサルフォンを使用することでヒ ステリシスの小さい感湿材料を提供することが可能である。

[0005] 特許文献 1 :特公平 6— 92953号公報

特許文献 2 :米国特許第 6938482号明細書

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] し力し、特許文献 1における感湿材料であるポリエーテルサルフォンおよびポリサル フォンと、特許文献 2における感湿材料であるポリフエ-ルサルフォン（以下、 PPSと 称する）は、ガラス転移温度が高くても 220°Cである。すなわち、いずれの物質もガラ ス転移温度が低ぐさらに感湿材料として温度依存性と高温領域における長期安定 性等の基礎特性が最適化されているわけではな力つた。

[0007] また、これに対して燃料電池や自動車エンジンにお!/、て高温での湿度計測の需要 は高まっている。これらの環境では、ガラス転移温度が 220°Cであることは充分では なぐ耐久性の確保も含めてより高温での湿度計測に耐えうる湿度センサに対する必 要性が生じている。

[0008] そこで、出願人らは感湿材料としてガラス転移温度の高温化について原理的にそ の根本原因を追究し温度依存性と高温領域における長期安定性等の基礎特性が最 適化する物質を見出した。

[0009] 従って、本願発明の目的は、感湿材料として温度依存性と高温領域における長期 安定性等の基礎特性が最適化された湿度センサを提供することにある。

課題を解決するための手段

[0010] 出願人らが鋭意研究した結果、相対湿度センサ用感湿材料は、まず吸湿量が相対 湿度にのみ依存することが好ましい。すなわち、温度等の他のパラメータに依存する とそれらの補正が必要となり正確な湿度を測定できないからである。

[0011] この吸湿量が相対湿度にのみ依存するためには、第一に感湿材料である高分子の 親水基と水分子との結合エネルギーが水分子間の結合エネルギーに等しいことが必 要である。

[0012] 高分子において親水基と水分子との結合エネルギーが水分子間の結合エネルギ 一に略等しく安定に存在し得るのはスルホ-ル基とカルボニル基である。両基中の 酸素原子の不飽和電子対は水分子が水分子間の結合エネルギーに略等しいエネ ルギ一で水素結合することができる。

[0013] 第二に水分子が凝縮するのを防ぐために親水基は疎水基によって間隔をあけられ ている必要がある。側鎖のない疎水基であって親水基間の間隔を確実に空けること ができるものは、嵩高い構造を持つフエ-ル基を代表とする多員環である。特に五員 環乃至八員環が好ましい。特に入手が容易であればフッ化された多員環が好ましぐ 特に五員環乃至八員環が好ま U、。

[0014] 側鎖を有する高分子は誘電率がガラス転移温度以下の温度でも大きな依存性を示 す。これso o 1==に対し側鎖の無!、高分子はガラス転移温度付近まで誘電率が略一定であり 有利である。

[0015] また、親水基は疎水基によって間隔を空けられていることで吸着した水分子凝縮を 防ぐとともに水分子は回転運動が束縛されることとなり、吸着水分子の誘電率は温度 に依存しないこととなる。

[0016] 以上の観点力 出願人は、本願発明の目的を達成するために以下の手段を発明 するに至った。

[0017] 本発明の第一の側面によれば、本発明の湿度センサは親水基が少なくとも一つの 疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて形成される感湿膜を備えてな り、前記疎水基が多員環力 なる。また親水基はカルボニル基またはスルホ-ル基で あってもよい。また、ガラス転移温度が 240°C〜500°Cである高分子を用いて形成さ れた感湿膜を備えてなる。

[0018] 前記高分子は下記の式で表される単位構造のいずれ力少なくとも 1つを含むことを 特徴とする。

[0019] [化 1]

[0020] [化 2]

〕0022

〕0021 [0025] [化 7]

[0026] 本発明の第二の側面によれば、本発明の半導体装置は、親水基が少なくとも一つ の疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて形成される感湿膜を備えて なり、前記疎水基が多員環力もなる。また親水基はカルボニル基またはスルホ -ル基 であってもよい。また、ガラス転移温度が 240°C〜500°Cである高分子を用いて形成 された感湿膜を備えてなる。ここで、多員環としては五員環乃至八員環が望ましい。

[0027] さらに温度センサが併設されてもよぐまたセンサ出力回路が併設されてなることを 特徴としてもよい。

発明の効果

[0028] 本発明の第一の側面によれば、ガラス転移温度が 240°C〜500°Cである高分子を 用いて形成された感湿膜を備えてなる感湿素子を形成することにより、高温領域にお ける長期安定性等の基礎特性が最適化される。

図面の簡単な説明

[0029] [図 1]本発明による湿度センサの第一の形態を示す概念図である。

[図 2]本発明による湿度センサの第一の形態による 220°C〜380°Cで熱処理した際 の相対湿度―電気容量特性である。

[図 3]本発明による湿度センサの第一の形態による 420°Cで熱処理した際の相対湿 度 電気容量特性である。

[図 4]従来製品である PESの耐熱試験前後の 30°Cでの相対湿度 電気容量特性で ある。

[図 5]従来製品である PASの耐熱試験前後の 30°Cでの相対湿度 電気容量特性で ある。 [図 6]本発明に係る第一のポリスルホンの耐熱試験前後の 30°Cでの相対湿度—電気 容量特性である。

[図 7]本発明に係る第二のポリスルホンによる湿度センサにおける 30°Cでの相対湿 度 電気容量特性である。

[図 8]本発明による湿度センサの第二の形態の平面図である。

[図 9]本発明による湿度センサの第二の形態の縦断面図である。

[図 10]本発明による湿度センサの第二の形態の実施例 4の相対湿度 電気容量特 性である。

[図 11]本発明による湿度センサの実施例 5の平面図である。

[図 12]本発明による湿度センサの実施例 5の BB'線にっ 、ての横断面図の拡大図 である。

[図 13]本発明による湿度センサの実施例 6における平面図である。

[図 14]本発明による湿度センサの実施例 7における平面図である。

符号の説明

2 絶縁性基板

4 下側電極

6 下側電極用パッド

8 感湿膜

10 上側電極

12 上側電極用パッド

14 絶縁性基板

16 下側電極

18 下側電極用パッド

20 感湿膜

22 上側電極

24 上側電極用パッド

26、 28 電極パッド

30 半導体装置 32 半導体基板

34、 36 電極櫛歯部

38 感湿材料

40 感湿層

42 上部感湿膜

44 出力回路

46 ノ ッド、

48 温度計測回路

発明を実施するための最良の形態

[0031] 以下、図面を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

実施の形態 1

[0032] 図 1は本発明による湿度センサの第一の形態を示す概念図である。図 1において、 2は例えば焼結アルミナ、ソーダガラス、珪酸ガラスなどカゝらなる絶縁性基板であり、 4 はこの絶縁性基板 2の上面に被着形成されたアルミニウム、金、ノ《ラジウム、クロムな ど力 なる下側電極であり、 6はこの基板 2上の電極用パッド形成領域部分に下側電 極 4と連結して一体的に形成された下側電極用パッドであり、 8は下側電極 4上だけ でなく下側電極用パッド 6の一部とさらには絶縁基板 2をも被覆するよう付着形成され るガラス転移温度が略 260°Cである以下の式で表される高分子榭脂材料ポリスルホ ン（以下、第一のポリスルホン)力もなる感湿膜である。

[0033] [化 8]

(8)

また、 10はこの感湿膜 8上に形成された上側電極、 12は感湿膜 8上の電極パッド 形成領域部分に上記下側電極 4と同一工程で延在するよう形成された上側電極の 上側電極用パッドである。

[0035] これらの下側電極用パッド 6と上側電極用パッド 12の末端部に図示されないリード 線が半田付け固定される。

[0036] このように構成される湿度センサにぉ 、て、この感湿膜 8は、式（8)に示される第一 のポリスルホンを中心とする感湿材料により形成されている。

[0037] 次にこの湿度センサの具体的な製造方法について説明する。

[0038] まず、第一のポリスルホンの粉末を例えば 5〜30g用意し、これを例えば N—メチル ピロリジノン（以下、 NMPと表現する） 40〜90gに溶解して第一のポリスルホン溶液を 得る。次にこの第一のポリスルホン溶液を絶縁性基板 2上に形成された下側電極 4上 にスピンコート法により塗布した。この場合のスピナ一の回転数は 500〜9000rpmで ある。成膜後には、溶媒の除去及び膜中の歪みの緩和を目的として、第一のポリスル ホンのガラス転移温度 260°Cよりも高温で 1時間以上熱処理を行い感湿膜 8を得た。

[0039] 次にこの絶縁性基板 2上に積層塗布した感湿膜 8の更に上に真空蒸着法、スパッ タリング法、イオンプレーティング法等により膜厚 100nm〜 1 OOOOnm程度の上側電 極 10を形成する。

[0040] また、下側電極 4はクロムを蒸着により 400nm〜800nmの厚さで薄膜状に形成す ることで得た。

[0041] なお、この実施の形態では、第一のポリスルホンについて説明した力 以下の化学 式で示されるその他のポリスルホンについてもガラス転移温度が高く本実施例に適 用が可能である。

[0042] [化 9]

[0043] [化 10]

[0044] [化 11]

(11)

[0045] [化 12]

(12)

[0046] [化 13]

(13)

(9)、（10)式で示される高分子化合物はガラス転移温度が 250°Cであり、溶媒とし てはジメチルホルムアミド（以下、 DMF)、ジメチルァセトアミド（以下、 DMAC)が望 ましい。

[0048] (11)式で示される高分子化合物はガラス転移温度が 400°Cであり、溶媒としては、 高温フエノールと NMPが望まし!/、。

[0049] (12)、（13)式で示される高分子化合物はガラス転移温度が 290°Cであり、溶媒と しては DMF、 DMACが望ましい。

実施例 1

[0050] さらに、このように構成された本願発明に係る第一のポリスルホンを用いた湿度セン サについて熱処理温度を変化させた場合の相対湿度 電気容量特性を測定した。 本実施例では、作成条件のうち感湿膜の塗布後に、それぞれ 18時間で 220°C、 26 0。C、 300。C、 340。C、 380。C、 420。Cで熱処理した。

[0051] 図 2には、 220°C〜380°Cで熱処理した際の相対湿度 電気容量特性を示し、図 3には 420°Cで熱処理した際の相対湿度―電気容量特性を示す。

[0052] なお、電気容量の測定には LCZメータを使用した。測定周波数は 2MHz、試験槽 温度 ίま 30°Cである。同時【こ 定したヒステリシス幅 ίま、 220°C、 260°C、 300°C、 340 。C、 380。C、 420。Cの熱処理温度に対して、 3. 0、 2. 0、 1. 5、 1. 5、 1. 0、 1. 0、 2 . 0%であった。

[0053] 一方、同様の条件で構成された感湿膜として従来品であるポリエーテルスルホン（ 以下 PES)および PPSを用いた湿度センサにっ 、てもヒステリシス幅を計測した。こ の際の熱処理の条件は、 100時間、 260°Cとした。 PESおよび PPSのヒステリシスは いずれも 1. 0%であった。

[0054] 以上力 本発明に係る第一のポリスルホンを用いた湿度センサは、 340°C、 380°C で熱処理したものが PESと PPSと同程度にヒステリシスが小さいことが示される。 実施例 2

[0055] 実施例 2では、さらに本発明に係る第一のポリスルホンを用いた湿度センサの耐熱 性について以下に示す。実施例 2では、従来品である PES、 PPSと、本発明に係る 第一のポリスルホンをそれぞれ感湿材料として用いたものについて、 PPS、 PESは 2 60°Cで、 100時間、また第一のポリスルホンについては 380°Cで 18時間、熱処理し た。さらに、これらのセンサについて湿度センサとして完成後に耐熱試験を行なった。 耐熱試験の条件は、 200°Cで 240時間放置することとした。この耐熱試験の開始前と 試験後にそれぞれ 30°Cの環境で相対湿度 電気容量特性を測定した。 PESの耐 熱試験前後の 30°Cでの相対湿度—電気容量特性を図 4に示し、 PPSの耐熱試験前 後の 30°Cでの相対湿度—電気容量特性を図 5に示し、本発明に係る第一のポリス ルホンの耐熱試験前後の 30°Cでの相対湿度 電気容量特性を図 6に示す。

[0056] 実施例 2における電気容量の変化の最大値を相対湿度幅で表すと本発明に係る 第一のポリスルホンは 1. 6%、PPSは 2. 1%、PESは 9. 3%となり、本発明に係る第 一のポリスルホンの耐熱性が高 、ことが示されて 、る。

実施例 3

[0057] 実施例 3では、さらに本発明に係る以下の化学式で示される第二のポリスルホンを 用いた湿度センサにつ 、て示す。

[0058] [化 14]

(14)

[0059] 第二のポリスルホンの製造条件は、 350°Cで 18時間で熱処理している点を除いて 実施の形態 1と同様の製造方法で構成されている。この条件で構成された第二のポ リスルホンによる湿度センサの 30°Cでの相対湿度—電気容量特性を図 7に示す。こ の結果から、相対湿度 0〜100%の変化に対して、電気容量が 72. 96-101. 70p Fの間で変化していることが示されている。この湿度 0%時の電気容量に対する電気 容量変化量の割合は、 40. 0%であって、 PESの 18. 0%、 PPSの 10. 3%、第一の ポリスルホンの 20. 3%と比較して著しく大きぐノイズ耐性が高いことがわかる。

実施の形態 2

[0060] 本発明による湿度センサの表面実装型 (SMT)である第二の形態を図 8と 9を用い て説明する。図 8は、本発明による湿度センサの第二の形態の平面図を示し、図 9は 図 8の縦断面図を示す。

[0061] 図 9に示すように、 14は例えば焼結アルミナ、ソーダガラス、珪酸ガラスなどからな る絶縁性基板であり、 16はこの絶縁性基板 14の上面に被着形成されたアルミニウム 、金、パラジウム、クロムなどからなる下側電極であり、 18はこの基板 14上の電極用 パッド形成領域部分に下側電極 16上に蒸着して付着形成された下側電極用パッド であり、 20は下側電極 16上だけでなく絶縁基板 14をも被覆するよう付着形成される ガラス転移温度が 260°Cである以下の式で表される第一のポリスルホン力もなる感湿 膜である。

[0062] [化 15]

(15)

[0063] また、 22はこの感湿膜 20上に形成された上側電極、 24は上側電極 22上の電極ノ ッド形成領域部分に上記下側電極用パッド 18と同様に蒸着して形成された上側電 極の上側電極用パッドである。

実施例 4

[0064] 第二の実施形態に基く湿度センサを製造し、その相対湿度 電気容量特性を図 1 0に示す。測定温度は 30°Cである。

実施の形態 3

[0065] 本発明による湿度センサであって半導体基板に実装した第三の形態 (以下第一の 半導体装置）について実施例を用いて説明する。

実施例 5

[0066] 実施例 5について図 11と 12を用いて説明する。図 11は第一の半導体装置の平面 図であり、図 12は図 11の BB'線に沿う横断面図の拡大図である。

[0067] この半導体装置 30は、 V、ずれも後述する厚み (t)を有する一対の電極が半導体基 板 32の表面に固定配置されている。

[0068] そして、一対の電極のそれぞれ一端には幅広の電極パッド 26と電極パッド 28が設 けられ、他端は複数に櫛歯状に分割され、それぞれ電極櫛歯部 34、 36は互いに面 間隔 (d)をお 、て交互に組み合わされて対向配置されて！、る。

[0069] また、前記電極櫛歯部 34、 36の間に、感湿材料 38が充填されて面間隔が dの感 湿層 40が形成される。一方、電極櫛歯部 34、 36の上部には、これらを被覆する上部 感湿膜 42が形成されて 、る。

[0070] 従って、電極櫛歯部 34、 36の間には、感湿材料 38が充填されて感湿層 40が形成 されることにより、ここに、電極櫛歯部 34と感湿層 40と電極櫛歯部 36から成る縦型コ ンデンサが半導体基板 32上に形成される。

[0071] この半導体装置は、その半導体基板 32として、シリコンの他に GaAs、 SiC、 Ge等 その他の化合物半導体も採用可能である。

[0072] また、感湿材料は化学式（ 1)〜（ 15)で表される単位構造の組み合わせを採用可 能である。さらに、電極として、アルミニウム、金、パラジウム、クロムの他にシリコン、 Si

C、ガリウム砒素、ポリシリコンについても採用可能である。

[0073] さらに、電極櫛歯部 34、 36の短手水平方向の幅^ wと規定し、電極櫛歯部 34、 36 上面の半導体基板表面からの高さを tとし、対向する電極櫛歯部 34と電極櫛歯部 36 の面間隔を dとし、さらに半導体基板表面力 上部感湿膜 42表面までの厚みを hと規 定する。

[0074] ここでは幅 wは、 0. 05〜2. 5 m、高さ tは、 0. 02〜2. 5 m、面間隔 dを 2. 5〜 0. 2 m、高さ hは t+ (0. 1〜3. 0) m程度力 子ましい。

実施例 6

[0075] 本発明による湿度センサであって半導体基板に実装した実施例 5はセンサ単体か ら成る半導体装置であった。そこで、実施例 5に対して湿度センサに並列して増幅回 路または変調回路等を備えた半導体回路レイアウトの平面図を図 13に示す。実施例 5と同一の構成については同一の指示番号が付されている。ここで、従来から利用さ れている回路であるが発信回路、変調回路、及び増幅回路等で構成されている半導 体回路等のセンサ出力回路は 44として示され、アウトプット信号や電源並びに接地 についてはパッド 46に接続される。その他の構成は実施例 5と略変わらない。このよ うに構成することで、外部に回路を接続することなくセンサ信号を出力可能となる。 実施例 7

[0076] 本発明による湿度センサであって半導体基板に実装した実施例 6に対して温度計 測回路 48を搭載したのが実施例 7である (図 14)。

[0077] その他の構成は実施例 5と略変わらない。湿度センサと温度センサを共に搭載する ことで湿度センサの測定結果に温度補正をすることが容易に可能となる。具体的に は温度センサで温度を測定し、予め計測して半導体回路装置内に設けられた記憶 装置に格納している温度毎の補正値と実測値とを組合わせることでより正確な湿度 が計測できる。

産業上の利用可能性

[0078] 本発明に係る湿度センサは従来と比較して感湿材料として高温領域における長期 安定性等の基礎特性が最適化されている。このため、従来では適用が困難であった 、自動車エンジンや燃料電池等の高温環境での精度の高 、湿度計測が可能となる

Claims

請求の範囲

[1] 親水基が少なくとも一つの疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて 形成された感湿膜を備えてなり、前記疎水基が多員環力 なる湿度センサ。

[2] 前記親水基はカルボニル基であることを特徴とする請求項 1記載の湿度センサ。

[3] 前記親水基はスルホニル基であることを特徴とする請求項 1記載の湿度センサ。

[4] ガラス転移温度が 240°C〜500°Cであることを特徴とする請求項 1乃至 3の 、ずれ かに記載の湿度センサ。

[5] 前記高分子は下記の式で表される単位構造のいずれ力少なくとも 1つを含むことを 特徴とする請求項 4記載の湿度センサ。

[化 1]

/: O£Ώε1£AV

[6] 親水基が少なくとも一つの疎水基を介して他の親水基と結合する高分子を用いて 形成された感湿膜を備えてなり、前記疎水基が多員環力 なる半導体装置。

[7] 前記親水基はカルボニル基であることを特徴とする請求項 6記載の半導体装置。

[8] 前記親水基はスルホニル基であることを特徴とする請求項 6記載の半導体装置。

[9] ガラス転移温度が 240°C〜500°Cであることを特徴とする請求項 6乃至 8の 、ずれ かに記載の湿度センサ。

[10] 前記高分子は下記の式で表される単位構造のいずれ力少なくとも 1つを含むことを 特徴とする請求項 9記載の半導体装置。

[化 8]

(8)

[化 9]

(9)

[化 10]

(10) [化 11]

(11)

[化 12]

(12)

[化 13]

(13)

[化 14]

(14)

さらに温度センサが併設されてなることを特徴とする請求項 6乃至 10のいずれかに 記載の半導体装置。

さらにセンサ出力回路が併設されてなることを特徴とする請求項 6乃至 11のいずれ かに記載の半導体装置。