DE3410578A1

DE3410578A1 - Duennfilm-feuchtigkeitsmessfuehler

Info

Publication number: DE3410578A1
Application number: DE19843410578
Authority: DE
Inventors: Hisatoshi Yamatokoriyama Nara Furubayashi; Masaya Yamatokoriyama Nara Hijikigawa; Junichi Tenri Nara Tanaka; Masanori Tenri Nara Watanabe
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1983-03-23
Filing date: 1984-03-22
Publication date: 1984-10-04
Also published as: GB8407169D0; DE3410578C2; JPH0242428B2; GB2139761A; US4496931A; GB2139761B; JPS59173743A

Description

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Beschreibung

Gegenstand der Erfindung ist ein Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler mit einem Substrat, einer auf dem Substrat vorliegenden unteren Metallelektrodenschicht und einer auf der unteren Elektrodenschicht ausgebildeten feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht.

Es sind bereits Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler entwikkelt worden, die eine feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht aus Acetat, Cellulose, Polystyrolsulfonat, PoIyacrylat etc. aufweisen. Solche Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler können beispielsweise dazu verwendet werden, die Feuchtigkeit und die Taukondensation nachzuweisen und finden vielfältige Anwendung, beispielsweise in Klimaanlagen, Automobilen, im medizinischen Bereich, in der Landwirtschaft, in der Forstwirtschaft und der Viehzucht.. In Abhängigkeit von dem Wassergehalt der Atmosphäre nimmt die in der Polymerschicht absorbierte Wassermenge in reversibler" Weise ab oder zu. Dies führt zu einer Änderung der Ionenleitfähigkeit oder der Dielektrizitätskonstanten der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht. Die in dieser Weise erzeugte Änderung der Dielektrizitätskonstante oder der Ionenleitfähigkeit wird zum Nachweis der Feuchtigkeit ausgenützt.

•Der Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler umfaßt im allgemeinen eine auf einem Substrat angeordnete kammförmige Elektrode und eine auf der kammförmigen Elektrode ausgebildete feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht. Erforderlichenfalls wird auf der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht ein feuchtigkeitsdurchlässiger Deckfilm angeordnet. Anstelle des Deckfilms kann ein als Gegenelektrode wirkender feuchtigkeitsdurchlässiger leitender Film auf der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht vorgesehen

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werden.

Dieser feuchtigkeitsdurchlässige leitende Film muß die folgenden Anforderungen erfüllen:
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(1) Der leitende Film muß eine starke Haftung an der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht zeigen.

(2) Es dürfen sich in dem leitenden Film keine Risse

bilden und er darf sich auch nicht von der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht ablösen, selbst wenn die Polymerschicht als Folge der Feuchtigkeitsabsorption oder der Feuchtigkeitsdesorption quillt bzw. schrumpft.

(3) Der leitende Film muß eine ausreichende Feuchtigkeitsdurchlässigkeit besitzen.

(4) Der leitende Film muß im Vergleich zu der Impe-· danz der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht einen ausreichend niedrigen Widerstandswert besitzen.

(5) Der leitende Film sollte bei einer Temperatur

auf die feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht aufgebracht werden können/ bei der die Polymerschicht nicht beschädigt wird.

Es ist bereits ein Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler vorgeschlagen worden, der einen feuchtigkeitsdurchlässigen, leitenden Film aus einem Sinterkörper, wie Rutheniumoxid (RuO₂) oder einem metallischen Dünnfilm, wie einem GoId-(Au)-FiIm umfaßt. Die Elektrode in Form eines Sinterkörpers ist für den Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler nicht geeignet, da der Sinterkörper bei einer Temperatur auf der Polymerschicht ausgebildet werden muß, die oberhalb

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des Bereichs der thermischen Beständigkeit der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht liegt. Der Gold-Dünnfilm wird im allgemeinen mit Hilfe einer Vakuumaufdampftechnik oder durch Aufsputtern auf der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht ausgebildet. Wegen der thermischen Eigenschaften der Polymerschicht kann jedoch die Substrattemperatur nicht auf den erforderlichen, vergleichsweise hohe Wert eingestellt werden. Daher zeigt der Gold-Dünnfilm nicht die erwünschte Haftung an der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht. Weiterhin besteht eine erhebliche Wahrscheinlichkeit dafür, daß der Gold-Dünnfilm Risse bildet oder sich von der Polymerschicht ablöst, wenn der Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler in eine Atmosphäre mit hoher Feuchtigkeit eingebracht wird und die feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht quillt.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, einen neuen Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler zu schaffen, der selbst in einer Atmosphäre mit hoher Feuchtigkeit einen stabilen Meßbetrieb ermöglicht und der eine feuchtigkeitsdurchlässige Elektrode aufweist, die fest an der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht anhaftet.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers nach Anspruch 1. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstands.

Die Erfindung betrifft somit gemäß einer ersten Ausführungsform einen Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler mit einem Substrat, einer auf dem Substrat vorliegenden unteren Metallelektrodenschicht und einer auf der unteren Elektrodenschicht ausgebildeten feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht, der dadurch gekennzeichnet ist, daß

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auf der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht eine feuchtigkeitsdurchlässige Elektrodenschicht aus einem Indium-(In)-Dünnfilm angeordnet ist. Gemäß einer bevorzugten weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zur weiteren Verbesserung des stabilen Meßbetriebs auf dem Indium-(In)-Dünnfilm ein Dünnfilm in Form einer Edelmetallschicht aus beispielsweise Gold (Au), Silber (Ag) oder Platin (Pt) angeordnet.

Der Indium-(In)-Dünnfilm haftet fest an der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht an. Der Indium-(In)-Dünnfilm zeigt eine zufriedenstellende Feuchtigkeitsdurchlässigkeit und elektrische Leitfähigkeit. Weiterhin zeigt der Indium-(In)-Dünnfilm weder die Ausbildung von Rissen noch eine Ablösung von der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht, selbst wenn die Polymerschicht quillt und/oder schrumpft.

Weitere Ausführungsformen/ Gegenstände und Vorteile der Erfindung seien im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, wobei die Erfindung nicht auf diese bevorzugten Ausführungsformen beschränkt sein soll.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1. eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des erfindungsgemäBen Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers;

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Abhängigkeit des Elektrodenwiderstands des in der Fig. 1 dargestellten Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers in Abhängigkeit von den bei dem Lagerungstest angewandten hohen Feuchtig

keitswerten verdeutlicht;

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Fig. 3 eine graphische Darstellung, die die Änderung des Elektrodenwiderstands des in der Fig. 1 dargestellten Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers bei der Durchführung des Wassereintauchtests wiedergibt; und

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers.

Der erfindungsgemäße Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler umfaßt eine feuchtigkeitsdurchlässige Elektrodenschicht, die auf einer feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht angeordnet ist. Wenn die feuchtigkeitsdurchlässige Elektrodenschicht aus irgendeinem Metall-Dünnfilm b steht, besteht die große Wahrscheinlichkeit dafür, daß als Folge des Quellens und/oder Schrumpfens der Polymerschicht sich Risse in der Elektrodenschicht bilden oder sich die Elektrodenschicht von der Polymerschicht ablöst. Zur Verhinderung des Auftretens von Rissen und der Ablösung muß die feuchtigkeitsdurchlässige Elektrodenschicht eine ausreichende Duktilität und Dehnbarkeit aufweisen. Erfindungsgemäß besteht die feuchtigkeitsdurchlässige Elektrodenschicht aus Indium (In), welches die erforderliche Duktilität und Dehnbarkeit aufweist.

Genauer umfaßt der erfindungsgemäße Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler ein Substrat 10 aus beispielsweise Glas oder Keramik, wie gesintertem Aluminiumoxid, mit einer Dicke von etwa 0,3 mm bis 2 mm. Auf dem Substrat 10 ist eine untere Metellelektrodenschicht 10, die vorzugsweise aus Gold (Au) besteht, ausgebildet. Auf der unteren Metallelektrodenschicht 12 ist eine feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht 14 vorgesehen. Die feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht 14 besteht vorzugsweise aus einem organischen Material, beispielsweise aus Poly-

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styrolsulfonat, Polyacrylat, Polyvinylalkohol, einer Mischung aus Polyvinylalkohol und einem Elektrolyt, wie einem Salz der Alginsäure, oder einer Mischung aus Acetat oder Cellulose und einem Lösungsmittel, wie Aceton. Auf der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht 14 ist eine feuchtigkeitsdurchlässige obere Elektrode 16 in Form eines Indium-(In)-Dünnfilms angeordnet. Ein Leitungsdraht 18 ist mit der unteren Metallelektrodenschicht 12 verbunden, während an der feuchtigkeitsdurchlässigen oberen Elektrode 16 ein weiterer Leitungsdraht 20 angeschlossen ist.

Der Indium-(In)-Dünnfilm 16 wird vorzugsweise durch ein. Vakuumaufdampfverfahren erzeugt. Der Indium-(In)-Dünnfilm 16 zeigt eine zufriedenstellende Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, ist in aggressiven Umgebungen stabil, wie sie bei dem Wassereintauchtest und dem Lagerungstest bei hoher Feuchtigkeit auftreten.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung ist auf dem Indium-(In)-Dünnfilm 16 ein Metall-Dünnfilm mit geringem Widerstand aus beispielsweise Gold (Au), Silber (Ag) oder Platin (Pt) vorgesehen, um den Widerstand der feuchtigkeitsdurchlässigen oberen Elektrode 16 zu stabilisieren. Die in dieser Weise gebildete feuchtigkeitsdurchlässige obere Elektrode 16 mit zweischichtigem Aufbau zeigt einen extrem niedrigen Flächenwiderstand von weniger als 10 -Ω./Ο.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Beispiel 1

Man bildet eine feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht 14 durch Erhitzen von Polyvinylalkohol auf 180⁰C.. Die in

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dieser Weise gebildete Polymerschicht ordnet man auf einem Glacisubstrat 10 an, a-uf dem eine untere Metallelektrodenschicht 12 ausgebildet worden ist. Dann erzeugt man durch Aufdampfen im Vakuum einen Indium-(In)-Dünnfilm 16 auf der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht 14. Das Aufdampfen bewirkt, man in einer Argon-(Ar)-Umgebung rait einem Druck von 1,33 χ 10 mbar (1 χ 10 Torr) bei einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 0,05 rnn/s (0,5 Ä/s). Der in dieser Weise gebildete Indium-(Ins-Dünn™ film 16 besitzt eine Dicke von etwa 40 nm (400 Ά). Anschließend werder Leitungsdrähte 18 und 20 mit der unteren Metailelektrodenschicht 12 bzw. dem Indium-(In)-Dünnfilm 16 x^erbunden.

Zv. Vergleichszwecken vrird ein ähnlicher Dünnfil.a-FeuchtirkeitsmsSfübler hergestellt, der das gleiche Substrat, die gleicha untere Elektrode und die gleiche Polymerschicht aufweist wie der oben beschriebene, erfindungsgezaäße Meßfühl sr, jedoch eine obere Elektrode aus einem Gold-(Au)-Dünnfilm anstelle des Indium-(In)-Dünnfilms aufweist.

Die in diester Weise erzeugten beiden Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler werden bei einem Lagerungstest unter hoher Feuchtigkeit beobachtet. Dabsi ist das Auftreten vor* Rissen in dem Gold-(Au)-Dünnfilm festzustellen, während der Indium-(In)-Dünnfilm stabil ist. Weiterhin werden die beiden Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler dem Wassertauchtest unterworfen. Hierbei löst sich der Gold- (A*j)-Dünnfilm von der Polymerschicht ab, während dar erfindungsgemäße. Indium-(In)-Dünnfilm stabil ist.

Beispiel 2

Kan ordnet eine durch Einbrennen von Polyvinylalkohol bei 130⁰C erzeugte feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht

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auf einem Glassubstrat 10 an, welches eine untere Metallelektrodenschicht 12 trägt. Auf der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht 14 erzeugt man durch Aufdampfen im Vakuum einen Indium-(In)-Dünnfilm mit einer Dicke von etwa 10 nm (100 Ä). Man bewirkt das Aufdampfen in einer Argon-(Ar)-Atmosphäre mit einem Druck von 1,33 χ 10 mbar (1 χ 10 Torr) und bei einer Abscheidungsgeschwindigkeit von 0,05 nm/s (0,5 A/s). Weiterhin erzeugt man unter den gleichen Aufdampfbedingungen einen Gold-(Au)-Dünnfilm auf dem Indium-(In)-Dünnfilm mit einer Dicke von etwa 30 nm (300 Ä). In dieser Weise erzeugt man eine feuchtigkeitsdurchlässige obere Elektrode 16 mit zweischichtigem Aufbau. Dann verbindet man Leitungsdrähte 18 und 20 mit der unteren Elektrode 12 bzw. der feuchtigkeitsdurchlässigen oberen Elektrode 16. Die obere Elektrode 16 zeigt die gewünschte Feuchtigkeitsdurchlässigkeit und eine feste Haftung an der Polymerschicht 14.

In der Fig. 2 sind die Änderungen des Flächenwiderstands der feuchtigkeitsdurchlässigen oberen Elektrode 16 bei dem Lagerungstest unter hoher Feuchtigkeit dargestellt. Die Kurve 201 zeigt den Flächenwiderstand des Indium-(In)-Dünnfilms des Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers von Beispiel 1. Der Elektrodenwiderstand steigt im Verlaufe von 30 Stunden auf mehr als 1 ki2/Q. Die Kurve 202 steht für den Flächenwiderstand der zweischichtigen oberen Elektrode aus dem Indium-(In)-Dünnfilm und dem Gold-(Au)-Dünnfilm des Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers von Beispiel 2. • Der Elektrodenwiderstand ist stabil und liegt während 30 Stunden unterhalb 10X2/Q.

In der Fig. 3 sind die Änderungen des Flächenwiderstands der feuchtigkeitsdurchlässigen oberen Elektrode 16 bei dem Wassertauchtest dargestellt. Die Kurve 301 steht für den Flächenwiderstand des Indium-(In)-Dünnfilms des Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers von Beispiel 1. Der Elektro-

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denwiderstand steigt im Verlaufe von 4' Stunden auf mehr als 1 k il/Q. Die Kurve 302 steht für den Flächenwiderstand der zweischichtigen oberen Elektrode des Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers von Beispiel 2. Der Elektroden™ widerstand ist stabil und liegt während 4 Stunden unterhalb 10 £">/□ ·

In der Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäSen Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers dargestellt, Dabei sind die den in der Fig. 1 dargestellten entsprechenden Elemente mit dan gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.

Auf dem Substrat 10 ist ain Paar von kammfcrmigen unteren Elektroden 30 und 32 angeordnet. Auf dem Pac.r der kammförmigen unteren Elektroden 30 und 32 ist die feuchtigkeitsempfindliche Polymerschicht 14 vorgesehen, die ihrerseits von der feuchtigkeitsdurchlässigen oberen Indium- (In) -Elektrode 16 bedeckt wird. Mit den karomförmigen unteren Elektroden 30 bzw. 32 sind Leitungsdrähte 34 bzw. 36 verbunden. Bei dieser Ausfuhrungsform des erfindungsgemäten Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühlers wirkt die feuchtigkeitsdurchlässige obere Indium-(In)-Elektrode 16 £.ls Gate-Elektrode eines Feldeffekttransistor-{FET)-Feuchtigkeitsmeßfühlers.

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Claims

TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

PATENTANWÄLTE — EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Dipl.-Chem. Dr. N. ter Meer Dipl.-lng. H. Steinmeister

Dipl.-lng, F. E. Müller Artur-Ladebeck-Strasse 51

Triftstrasse 4, A\nur LaaeDecK-ötrasse si

D-8OOO MÖNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

^tM/cb 22. März 1984

Case 2234-GER-T

SHARP KABUSHIKI KAISHA

22-22 Nagaike-cho Abeno-ku, Osaka 545, Japan

Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler

Priorität: 23. März 1983, Japan, Nr. 58-49150 (P)

Patentansprüche

; 1 7) Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler mit einem Substrat, einer auf dem Substrat vorliegenden unteren Metallelektrodenschicht und einer auf der unteren Elektrodenschicht ausgebildeten feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht, gekennzeichnet durch einen auf der feuchtigkeitsempfindlichen Polymerschicht (14) angeordneten feuchtigkeitsdurchlässigen Indium-(In)-Dünnfilm (16).
2. Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsdurchlässige Indium-(In)-Dünnfilm (16) eine Dicke von etwa 40 nm (400 A) aufweist.

TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER" "" Sharp "Κ.Κ/ - 2234-GER-T
3. Dünnfilm-Peuchtigkeitsitießfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsdurchlässige Indium-(In)-Dünnfilm (16) durch Aufdampfen im Vakuum gebildet worden ist.

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4. Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler nach Anspruch 3, ladurch gekennzeichnet, daß das Aufdampfen im Vakuum in einer Argon-(Ar)-Umgebung mit

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einem Druck von etwa 1,33 χ 1Q mbar (1 χ 10 Torr) bei einer Abscheidungsgeschwindigkeit von etwa 0,05 nm/s (0,5 Ä/s) durchgeführt worden ist.
5. Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem feuchtigkeitsdurchlässigen Indium-(In)-Dünnfilm (16) ein feuchtigkeitsdurchlässiger Edelmetall-Dünnfilm angeordnet ist.
6. Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der feuchtigkeitsdurchlässige. Indium-(In)-Dünnfilm (16) eine Dicke von etwa 10 nm (100 Ä) aufweist und der feuchtigkeitsdurchlässige Edelmetall-Dünnfilm aus einem GoId-(Au)-Dünnfilm mit einer Dicke von etwa 30 nm (300 Ä) besteht.
7. Dünnfilm-Feuchtigkeitsmeßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die untere Metallelektrodenschicht (12) ein Paar von kammförmigen Dünnfilmelektroden (30, 32) umfaßt.