JPH02304344A - 容量性湿度センサ及びその製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、２個の電極間に配設された、感湿性有機ポリ
マーからなる誘電体を有する容量性湿度センサ、並びに
この種の容量性湿度センサを製造する方法に関する。

〔従来の技術〕

ガス中、特に空気中の湿気の検出又は測定はあらゆる空
調問題において、例えば建造物のニアコンディション並
びに冷凍室又は温室においてまた乾燥処置において重要
である。その際再現可能に作動し、更にそれに加えて価
格的に好ましいものでなければならない湿度センサ又は
湿気感知器は、相応する自動測定装置及び調整装置と組
み合わされてエネルギーを節約した空気ＵＲ節又は乾燥
を保証するものでなければならない。

処理技術的に重要な相対大気湿度を測定するには特に容
量性湿度センサが適しており、この場合この相対容量変
化ΔＣ／Ｃは誘電体に吸着された水量が増すと共に常に
増大し、従って湿気測定量として利用される。しかしこ
の場合湿度センサは一連の重要な特性を存していなけれ
ばならない。

すなわち感応時間が迅速であり、温度依存性が僅少であ
るか皆無であること、長時間ドリフトがないこと、流動
ガスに対して不惑性であること、攻撃的媒体に対して耐
食性であり、また特に有機溶剤に対して交さ感応性が僅
かでなければならない。

更にこれらのセンサは今日のマイクロコンピュータシス
テムによって簡単に処理できる電子的に測定可能の信号
を送る必要がある。更に回路技術上の理由から吸収され
た湿気とセンサの信号との間に直線関係があることが有
利である。

価格的に好ましい容量性湿度センサは例えば薄い水透過
性の金属電極、及び誘電率が吸収された湿気で顕著に変
化する感湿性の有機ポリマーで実現可能である。この種
の湿度センサは例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第
２８４８０３４号明細書から公知である。上記種類の湿
度センサの利点は特に周囲の媒体の流動速度に影響され
ない測定すなわち湿度測定、均一な測定感度、僅かな維
持費及び迅速な感応速度にある〔これに関しては例えば
カルプリオン（Ｋ、　Ｃａｒｒ−Ｂｒｉｏｎ）著「モイ
スチャ・センサーズ・イン・プロセス・コントロール（
Ｍｏｉｓｔｕｒｅ　５ｅｎｓｏｒｓ　ｉｎ　Ｐｒｏｃｅ
ｓｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌｔ）　Ｊ［＋ｌ５ｅｖｉｅｒ　Ａ
ｐｐｌｉｅｄ　５ｃｉｅｎｃｅ　Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ
出版、Ｌ。

ｎｄｏｎ及びＮｅｗ　Ｗｏｒｋ在、１９８６年、第２２
〜２４頁参照〕、湿度との関連における容量変化の測定
〔これに関しては「センサーズ・アンド・アクチェエー
ターズ（Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ
）」第１２巻、（１９８７年）、第２９１〜２９６頁、
並びに米国特許第４１６４８６８号明細書参照〕の他に
、更に電気抵抗の測定〔［センサーズ・アンド―アクチ
ェエーターズ（Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔ
ｏｒｓ）　Ｊ第８巻、（１９８５年）、第２３〜２日頁
、及び’Ｐｒｏｃ、　３ｒｄ　Ｉｎｔ、　Ｃｏｎｆ、　
５ｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　５ｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　　
Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　　（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　　
’　　　８　５　　）　　、　Ｊｕｎｅ　　　　１１−
１４．１９８５Ｊ第２１０〜２１２頁参照〕及びインピ
ーダンスの変化の測定〔「センサーズ・アンド・アクチ
ュエーターズ（Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔ
ｏｒｓ）　Ｊ第１３巻、（１９８８年）、第２４３〜２
５０頁参照〕も大気中の相対湿度の尺度として利用でき
る。

湿度センサ用の感湿性ポリマーとしてはすでに種々の物
質、例えばニ ー　セルロースアセテートブチレート（ｒｌＥＥＥトラ
ンサクシッンズ・オン・コンポーネンツ、ハイブリッズ
、アンド・マニュファクチ中リング・テクノロジー（Ｉ
Ｉ！Ｅ８　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　ｏｎ　Ｃｏｗｐ
ｏｎｓｎｔｓ、　Ｈｙｂｒｉｄｓ、、　ａｎｄ　Ｍａｎ
ｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎ。

１ｏｇｙ）　Ｊ第ＣＨＭ↑−２巻（１９７９年）、第３
号、第３２１〜３２３頁、並びに「センサーズ・アンド
・アクチェエーターズ（Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃ
ｔｕａｔｏｒａ）Ｊ第１２巻（１９８７年）、第２９１
〜２９６頁参照〕　τ −ポリイミド（ｒＰｒｏｃ、　３ｒｄ　Ｉｎｔ、　Ｃｏ
ｎｆ、　５ｏｌｉｄ−３ｔａｔｅ　５ｅｎｓｏｒｓ　ａ
ｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ
’８５）、Ｊｕｎｅ　　１１　１４．１９８５Ｊ第２１
７〜２２０頁参照］　； −　スチロールスルフォネート及びポリ塩化ビニルから
なる架橋化コポリマー〔「センサーズ・アンド・アクチ
ュエークーズ（Ｓｅｎｓｏｒ’ｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａ
ｔｏｒｓ）　Ｊ第８巻（１９８５年）、第２３〜２８頁
参照〕； −スチロール−４−スルホン酸及びメタクリル酸のナト
リウム塩のようなイオン性モノマー、又はスチロール及
び（メタ）アクリル酸メチルエステルのような非イオン
性モノマーからなるコポリマー（ｒＰｒｏｃ、　３ｒｄ
　Ｉｎｔ、　Ｃｏｎｆ、　５ｏｌｉｄ−５Ｌａｔｅ　５
ｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　（Ｔｒａ
ｎｓｄｕｃｅｒｓ’　８５）、Ｊｕｎｅ　　１１−１４
．１９８５Ｊ第２１０〜２１２頁参照〕　； −ポリテトラフルオルエチレン及びスチロール、又は酸
性又は塩基性基を有する４−ビニルピリジンからなるグ
ラフト−コポリマー（ｒＰｒｏｃ。

３ｒｄ　Ｉｎｔ、　Ｃｏｎｆ、　５ｏｌｉｄ−３ｔａｔ
ｅ　５ｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ（Ｔ
ｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　　’　　８５　）　、Ｊｕｎｅ
　　１１−１４．１９８５Ｊ第２１３〜２１６頁参照〕
　；−４級化４−ビニルピリジン−スチロール−コポリ
マー及び部分的に４級化されているか又はジブロムブタ
ンで架橋されたポリ−４−ビニルピリジン〔「センサー
ズ・アンド・アクチュエーターズ（Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａ
ｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ）　Ｊ第１３巻（１９８８年
）、第２４３〜２５０頁参照〕が公知である。

上記の各種ポリマー物質を有する湿度センサの欠点は、
特に限られた測定範囲、高い温度依存性、ヒステリシス
の発生及び長時間安定性の欠如である。更にこの種の物
質はしばしば箔としてしか使用できず、その処理可能の
厚さは所望の迅速な感応時間を生せしめることができな
い。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の課題は、感湿性有機ポリマーからなる誘電体を
有する冒頭に記載した形式の容量性湿度センサを、すべ
ての要求を高度に満足させるように構成することにあり
、その際特に高い長時間安定性を付与する必要があり、
すなわち可能な限り長時間流動を起こさせるべきでなく
、更にまた誘電体の構造化を可能にするものでなければ
ならない。

〔課題を解決するための手段〕

この課題は本発明によれば、有機ポリマーがポリベンズ
オキサゾール又はポリベンズチアゾールであることによ
り解決される。

〔作用効果〕

ポリベンズオキサゾール及びポリベンズチアゾールは高
温安定性のポリマーである。この種のポリマーからなる
層は、これらを傑出した方法で容量性湿度センサにおけ
る誘電体として有利に使用させる特性を有する。これら
の特性を以下に詳述する。

−相対湿度（ｒ、　　Ｆ、　）と誘電率（ε「）の変化
との間に存在する十分な直線関係； −変化の大きさｊ　ｒ、Ｆ、０−１００％間でのεｒの
変化率的３０％；これは簡単な回路の使用を可能にする
； −僅かな温度幅：ｒ、Ｆ、１００％での３０〜９５℃間
におけるεｒの変化率的１５％；これは温度補正を容易
にする； −良好な再現可能性（数サイクル後もｓｒは無変化）；
及び −　高い大気中湿度における傑出した長時間安定性。

本発明による湿度センサの場合、両電極は有利には扁平
に形成されている。その場合電極間に配設された誘電体
はこの電極により覆われることから、両極の少なくとも
一方は湿気透過性でなければならない、しかし電極は例
えばくし状に形成されていてもよい、この場合湿気は直
接誘電体に入ることが可能である０両電極１ｉ！また互
いに間隔をおいて基板上に配設されていてもよい、すな
わち誘電体は両電極間の空間中の基板上にある。電極は
一般に金属からなる。

本発明による容量性湿度センサは有利には、プレポリマ
ーであるポリベンズオキサゾール又はポリベンズチアゾ
ールの前駆物質を層又は箔の形で導電性層上に施すこと
により製、造される。引続き更に熱処理しくこの場合上
記の導電性層はポリベンズオキサゾール又はポリベンズ
チアゾールからなる、すなわちポリマー前駆物質は同じ
ポリマーに移行する）、引続きポリベンズオキサゾール
層又はポリベンズチアゾール層に第２導電性層を施す、
一般に金属からなるこれらの両導電性層は完成湿度セン
サ中で電極として利用されることから、これらの層の少
なくとも一方は湿気透過性でなければならない。

従来使用されていた物質と比べて本発明による湿度セン
サ中で誘電体として使用されるポリベンズオキサゾール
及びポリベンズチアゾールは、ポリマー前駆物質の形で
光構造化可能であるという利点を存する。これは今日の
マイクロエレクトロニクス分野で慣用の微細構造化のよ
うな技術での合理的な加工を可能とする。ポリマー前駆
物質の構造化は例えばレーザ光線によって行うことがで
きる。

しかし有利にはポリベンズオキサゾール又はポリベンズ
チアゾール前駆物質に光活性成分を添加し、次いでポリ
マー前駆物質からなる層又は箔を熱処理する前に光構造
化する。その際構造化又は後処理は通例のポジ型レジス
トでの場合のように行う。この種の処置方法は湿度セン
サの感応時間にとって好ましい、極めて薄いビン−ホー
ルのない層（ｒ！Ｉ−さ：約０．５μｍ）の製造を可能
にする。

更に微細構造化のような新しい技術は価格的に好ましい
合理的生産工程への使用を可能とし、これは例えばチッ
プ集積湿度センサの組立を可能にする。

光活性成分としては感光性ジアゾキノン、特に０−キノ
ン及び０−ナフトキノンジアジドを使用することができ
る。この種の光活性成分は例えば欧州特許出願公開第０
０２３６６２号及び同第０２９１７７９号明細書、及び
ドイツ連邦共和国特許出願公開第３７１６６２９号明細
書から公知である。これらの刊行物から本発明による湿
度センサの製造に使用することのできるポリベンズオキ
サゾール前駆物質も公知である。ポリベンズチアゾール
前駆物質は例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第３４
１１６５９号明細書から公知であり、また同様にポリベ
ンズオキサゾール前駆物質はベール（Ｂ、　Ｂｅｈｒ）
著［ホッホテンベラトウールベシュテンディゲ・タンス
トシュトツフェ（Ｈｏｃｈｔｅｓ＋ｐｅｒａｔｕｒｂｅ
ｓｔＭｎｄｔｇｅ　Ｋｕｎｓｔｓｔｏｆｆｅ）　Ｊ　Ｃ
ａｒｔ　ＨａｎｓｅｒＶｅｒｌａ１１出版、Ｍｊｎｃｈ
ｅｎ在、１９６９年、第９９〜１０２真参照）から公知
である。

ポリマー前駆物質を有利には有機溶剤中の溶液として導
電性層上又は電極上に施す、その際溶剤としては有利に
はＮ−メチルピロリドンを使用する。しかしその他に類
似する特性を存するジメチルホルムアミド及びＮ、Ｎ−
ジメチルアセトアミドのような他の有機溶剤並びに上記
溶剤の混合物も使用することができる。

溶液は遠心塗布法で導電性層又は電極に施すのが有利で
ある。他の被覆法としては浸漬、噴霧、ブラシ掛は及び
ロール掛けも可能である。導電性層又は電極上に溶液を
塗布した後、溶剤を除去、すなわち乾燥する。これは室
温又は高めた温度で行うことができるが、真空中で行っ
てもよい、引続き熱処理する。熱処理は有利には３００
〜５゜ＯｏＣの温度で行う。

光活性成分を含むポリマー前駆物質からなる層又は箔を
熱処理前に光構造化するために化学光線でマスクを介し
て、例えば水銀蒸気高圧ランプによって露光するか又は
相応する光線、電子又はイオンビームを導くことにより
照射する。引続き露光又は照射された層又は箔部分を溶
出又は除去する。

〔実施例〕

本発明を以下実施例に基づき更に詳述する。

紅：ポリマ一層又はｔｌｔ体の製造 ３．３′　−ジヒドロキシベンジジン５０モル％、２．
２−ビス（３−アミノ−４−ヒドロキシフェニル）−１
，１，１，３，３，３−ヘキサフルオルプロパン５０モ
ル％及びイソフタル酸ジクロリド９０モル％から重縮合
により製造されたヒドロキシポリアミドの形の可溶性ポ
リベンズオキサゾール５ｇ（これに関してはｒＰｏｌｙ
Ｉ＋、　Ｌｅｔｔｅｒｓ」第２巻（１９６４年）、第６
５５〜６５９頁参照）を、ビスフェノールＡ及びジアゾ
ナフトりノン−５−スルホン酸クロリドから製造された
ナフトキノンジアジドの形の光活性成分（これに関して
はドイツ連邦共和国特許出願公開第２６３１５３５号明
細書参照）と共にＮ−メチルピロリドン１０ｇに溶かし
た０次いでこの溶液を０．８μ請フイルタを介して加圧
濾過した。その際得られたフォトレジスト溶液をＣｒ　
／　Ｎ　ｉ層を存するシリコンウェハー上に遠心塗布し
く１５００μ−で２０秒間）、引続き乾燥した（９０℃
、大気炉）、Ｃｒ／Ｎｉ層を接続化のためフォトレジス
ト層の２箇所をＮ−メチルピロリドンのような適当な溶
剤で慎重に除去した。引続き拡散炉中で不活性ガスとし
ての窒素雰囲気下に熱処理するが、その際次の温度プロ
グラム、すなわち１７０℃までで１時間、３００℃まで
で１時間、４００″Ｃまでで１時間、４００°Ｃで０．
５時間、室温までで３〜４時間で行った。

こうして高温安定性のポリベンズオキサゾールが得られ
た。

■ｌ：容量性湿度センサの製造 例１に基づき製造されたポリベンズオキサゾール層上に
金電極をスパッタリングにより設けた（表面抵抗Ｒ０−
１０〜２０Ω）、下ＪＩ　Ｃｒ　／　Ｎ　ｉ電掻及び湿
気透過性の上層金電極に導電性接着剤を用いて接続用の
薄い銀？Ｉｔ線を固定した。

■主：湿度の測定 測定する前にシリコンウェハー又は湿度センサを温度３
０℃で２日間ｒ、Ｆ、１００％で調整した。引続き特定
の温度、すなわち３０．６０及び９５℃でｒ、Ｆ、Ｏヨ
　１００％間の電気特性を測定した。測定値として相対
容ｆｉ変化Ｔ−ΔＣ／Ｃ（すなわちＣ湿気−Ｃ乾燥／Ｃ
乾燥）を使用した。

この場合次の結果が得られた。

−Ｔ及びｒ、Ｆ、間には直線性がある。

−ｒ及び乙　Ｆ１間の直線性はすべての温度で生じる。

−測定値は再現可能である、すなわちこの値は数回のサ
イクル後も変わらない。

−長時間特性は傑出している、すなわち容量変化率Ｔ並
びに損失角ｔａｎδは１００日以上一定である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）２個の電極間に配設された感湿性有機ポリマーから
   なる誘電体を有する容量性湿度センサにおいて、有機ポ
   リマーがポリベンズオキサゾール又はポリベンズチアゾ
   ールであることを特徴とする容量性湿度センサ。 ２）ポリベンズオキサゾール又はポリベンズチアゾール
   の前駆物質を導電性層上に層又は箔の形で施し、引続き
   熱処理し、その際導電性層はポリベンズオキサゾール又
   はポリベンズチアゾールからなり、次いでこのポリベン
   ズオキサゾール層又はポリベンズチアゾール層に第２の
   導電性層を施すことを特徴とする請求項１記載の容量性
   湿度センサの製法。 ３）ポリベンズオキサゾール又はポリベンズチアゾール
   の前駆物質に光活性成分を添加し、かつポリマー前駆物
   質からなる層又は箔を熱処理する前に光構造化すること
   を特徴とする請求項２記載の方法。 ４）ポリマー前駆物質を有機溶剤中の溶液として導電性
   層に施すことを特徴とする請求項２又は３記載の方法。 ５）溶剤としてＮ−メチルピロリドンを使用することを
   特徴とする請求項４記載の方法。 ６）３００〜５００℃の温度で熱処理することを特徴と
   する請求項２ないし５の１つに記載の方法。