JPH0244023B2 - Alnoyokyokusankahakumakuomochiitashitsudosensasoshioyobisonoseizohoho - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、Alの陽極酸化薄膜を用いた湿度セ
ンサ素子及びその製造方法に関するものである。

［従来の技術］ 湿度センサは従来湿度観測用として一部に使用
されていたのであるが、最近に至つて家電機器等
に利用させるに至つて用途は急激に拡大された。

Alの酸化薄膜を用いたセンサは既に幾つか公
知となつている。その代表的なものは次の通りで
ある。

(イ) 特開昭53−9595号公報（特願昭51−83507号）
「アルミニユウムの陽極酸化薄膜を使用した含
湿量検出素子」 (ロ) 感湿素子の試作（東京都立工業技術センター
研究報告第６号；1976年、51頁〜56頁） (ハ) 陽極化成Alの封孔処理効果（Sealing
Effects near the Barrier―Porous Layer
Interface of Anodic Aluminas；Solid State
Sience，Sep，1970） 一般的なAlの陽極酸化薄膜を用いた湿度セン
サ素子の構造及び製造法を、第１図を参照して簡
単に説明する。図は、この種のセンサ素子の平面
図であり、該図において１はセラミツク基板、２
は真空蒸着又はスパツタ法によつて形成した薄膜
状の櫛状電極である。この櫛状電極２は、Tiな
どのバルブ金属を用いて基板１の全面に亘つて蒸
着法又はスパツタ法によつて薄膜を形成した後、
この薄膜をフオトエツチングによつて所要の櫛形
に形成することにより形成される。次に、アルミ
ニユウム薄膜をマスク蒸着により、櫛状電極２の
電極部分の上に形成し、その後硫酸、蓚酸等の酸
を用いて陽極酸化法により酸化Alの薄膜すなわ
ちAlの陽極酸化薄膜３（疎斜線で示す）を形成
する。次に、センサ素子完成後に外部引出しリー
ド線５を半田付けするために、マスク蒸着法によ
りAuの端子部４を形成する。その後該素子を純
水を沸とうさせた熱湯中に30分くらい浸漬して、
いわゆる封孔処理（Sealing）を行い、最後にリ
ード線５をAuの端子部４に半田付けする。

［発明が解決しようとする課題］ 前述のようにして作られた湿度センサ素子は、
次のような欠点を有している。

(1) 湿度に対するヒステリシスが大きい。

第１図のリード線５，５間のコンダクタンス
は湿度の上昇と共に増加する。しかしながら湿
度が減少するときのコンダクタンス値は、湿度
が上昇するときの経路（バス）とは異なる経路
を通つて減少し、その差が大きくなる。いわゆ
るヒステリシス現象を生ずる。

(2) 低湿度の中では、時間と共に感度が徐々に下
がる。

即ちリード線５，５間の湿度に対するコンダ
クタンス値及びその変化のスロープが時間と共
に減少する。

(3) 高湿度の中では、感度が増加し、かつ不安定
となる。

一般的に相対湿度が80％R.H.以上の高湿度
中では、感度が次第に増加し、かつ不安定とな
る。

(4) 特に第１図の構造の湿度センサ素子では、入
力インピーダンスが比較的高い。

構造は第１図のものとは異なるが、前述の特開
昭53−9595号に示されていた湿度センサ素子にお
いては、入力インピーダンスを低くする工夫がな
されている。すなわちこの湿度センサ素子では一
対の薄膜電極の間にAlの陽極酸化薄膜層を挟ん
だ構造を有しており、両薄膜電極の間のインピー
ダンスを容量性にして、入力インピーダンスを低
下させている。しかしながらこの構造では、イン
ピーダンスが容量性であるために、湿度に対する
感度が少なからず低下する問題がある。

本発明の目的は、櫛状電極を用いた構造の湿度
センサ素子において、入力インピーダンスの低い
Al陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ素子を提供
することにある。

また本発明の他の目的は、入力インピーダンス
が低い湿度センサ素子を高い歩留で製造すること
ができるAlの陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ
素子の製造方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明は、絶縁基板の上に形成された薄膜状バ
ルブ金属からなる一対の櫛状電極と、一対の櫛状
電極の電極部分上に設けられたAlの陽極酸化薄
膜とを具備してなる湿度センサ素子を対象とす
る。そして本発明では、入力インピーダンスを低
下させるために、陽極酸化薄膜を透水性を有する
導電性金属薄膜で被覆する。

本発明の製造方法では、陽極酸化薄膜を透水性
を有する導電性金属薄膜で被覆した場合に、使用
できない程度までインピーダンスが低下しないよ
うにするために、透水性を有する導電性金属薄膜
のうち一対の櫛状電極の間を短絡しまたは該一対
の櫛状電極間の絶縁抵抗を低下させている部分を
自己回復させるのに適当な電圧を一対の櫛状電極
に印加する。

［作 用］ 透水性の導電性金属薄膜をAlの陽極酸化薄膜
の上に設けると、一対の櫛状電極の対向する各電
極素片間のインピーダンスが並列接続された状態
となり入力インピーダンスは低くなる。

Alの陽極酸化薄膜の厚みが薄くなると、多孔
質のAlの陽極酸化薄膜の孔部を通つて透水性の
導電性金属薄膜の微粒子が櫛状電極に接近し、必
要以上にインピーダンスが低下する。一対の櫛状
電極間に適当な電圧を印加すると、櫛状電極に接
近した微粒子は一瞬にして蒸気化して、絶縁が回
復（自己回復）する。

［実施例］ 次に本発明の構成について説明する。

第２図は本発明の一実施例の平面図である。第
２図において、第１図に示した部分と同様の部分
については同じ符号を付して説明を省略する。２
１は本発明の特徴である透水性を有する導電性金
属薄膜の一部を示す。実際には透水性を有する導
電性金属薄膜２１は粗斜線で示したAlの陽極酸
化薄膜３の部分を全部覆つているのであるが、説
明の便宜上、図のように示したものである。

１のセラミツク基板は高純度のアルミナ磁器を
用い、寸法は10mm×15mm×0.6mmである。これを
充分に洗滌、乾燥する。次にこの基板１を高周波
スパツタ槽に収容し、表面にTa膜をスパツタす
る。膜厚は2000Åである。次に化学エツチングに
より櫛状電極を２を形成する。櫛状歯の幅は50μ
ｍ、間隔は50μｍとした。

次に高真空中でマスク蒸着法により、Alの薄
膜３（厚さ5000Å〜7000Å）及びAuの端子部４
を形成する。次いでAlの薄膜３と端子部４との
間に、幅数mmのレンジの絶縁帯を作る。

次に基板１を、端子部４にコンモンにしてAl
の薄膜３の部分を希硫酸又は蓚酸の電解液中に懸
垂して陽極とする。この場合前記幅数mmのレンジ
の絶縁体の中心線付近まで浸漬する。このように
するのは陽極酸化時に表面近くに電流が集中する
のを防止し、以後の酸化が全面に亘つて均一に行
なわれるようにするためである。次に純度の高い
バルブ金属であるTa片を電解液中に懸垂して陰
極とする。前記陰陽両極間に、最初に定電流を流
して充分に化成し、次にやや高い電圧による定電
圧化成を行なつて陽極化成の工程を終る。

陽極化成時にバルブ金属を用いる必要性及び陽
極化成時の化学現象等については前記、特願昭56
−008601号（特開昭57−124401号）で詳述したの
で説明を省略する。

化成終了後充分に洗滌し、300℃〜350℃の安定
化熱処理を２時間程度行なう。

次に純水の沸とう水中で充分に封孔処理
（Sealing）をする。封孔処理についても、前記、
特願昭56−008601号（特開昭57−124401号）で詳
述したので説明を省略する。

次に基板１のAl陽極酸化薄膜３の表面にAu透
水性を有する導電性金属薄膜２１を、高真空中で
蒸着する。Auの蒸着膜の厚さと表面固有抵抗
（以下比抵抗と略称する）ρ′（Ω／□）との関係
は、実測すると第３図のようになる。それ故ρ′の
値をモニターすればその膜厚が分る。実験の結果
によるとAuの透水性を有する導電性金属薄膜の
厚さは500Å〜2000Åの範囲が好結果を与える。
特に2000Å前後がよい。最後にリード線５をAu
の端子部４に半田付けする。

上記の実施例の湿度センサ素子によれば、下記
の効果を得ることができる。

(1) 入力インピーダンスが低いので、該素子を用
いた湿度測定回路の標準抵抗、増幅器（以下ア
ンプと略称する）等から成る回路が安定し、か
つ価格も低廉となる。

(2) 本出願人と同一の出願人によつてなされた、
特願昭56−008601号（特開昭57−124401号）の
発明に係るセンサ素子は、10Hz前後の励磁周波
数で良好な特性を示したが、50Hz以上になると
特性は低下する。この湿度センサ素子は10Hz〜
100kHzの広範囲で良好な特性を示す。従つて
応用範囲が非常に大きくなる。

このようにして完成した製品の絶縁抵抗を測定
すると、５―５間の端子抵抗（入力インピーダン
ス）が必要以上に低くなるものが相当製造される
場合があることが判つた。ことにAlの陽極酸化
薄膜３の厚さが小さくなるほど、この傾向は著し
い。この現象は生産の歩留りを上げるのに障害と
なる。研究の結果Alの陽極酸化薄膜３の層は、
厚さが薄いときは相当ポーラス即ち多孔質である
ことが分つた。そうすると、その酸化膜３の上に
Auを蒸着すると多孔質部をAuの分子が埋めてゆ
くことになる。即ち模型的に表わすとその断面は
第４図のような構造で表わされる。第４図におい
て１は基板、３はAlの陽極酸化薄膜の層で２１
はAuの透水性を有する導電性金属薄膜の層であ
る。２ａ，２ｂは櫛状電極の相隣る２素片を表わ
す。そうすると第２図から明らかなように、端子
５―５間の抵抗を測れば結局、櫛状歯の間の抵抗
を測ることになるから、もし第４図のような構造
になつていると２ａ―２ｂ間の抵抗は明らかに極
めて小となり、甚だしいときはAuの微粒子でシ
ヨートされることになる。

本発明者は２ａ―２ｂ間に適当な電圧を印加す
れば、その電極に接近したAuの微粒子は一瞬に
して蒸気化し、従つて２ａ―２ｂ間の絶縁が回復
すること、即ち自己回復（セルフヒーリング；
Self healing）させることが出来ることに気づい
た。実験の結果によるとAuの膜厚が2000Å以下
くらいであると、セルフヒーリングが極めて短時
間に終了して、絶縁が回復することが分つた。

即ち第４図に示すAlの陽極酸化薄膜３の層の
膜厚が5000Å〜7000Åの場合、端子部４―４間に
印加する電圧、即ちセルフヒーリング電圧は
130V〜150Vが適当であること、かつセルフヒー
リング時間はAlの陽極酸化薄膜３の膜厚にもよ
るが、前記したような膜厚ならば１秒以下でよい
から、実用上は10秒も見れば充分であることを確
かめた。ともかくこのようにして歩留りの問題は
解決できることが分つた。なおセルフヒーリング
電圧は、できるだけ小さくすることが望ましい。
あまり大きくするとAlの陽極酸化薄膜３に損傷
を与え、ひいてはセンサ特性に悪影響を及ぼすか
らである。また電圧が低過ぎるとセルフヒーリン
グはしない。それ故適当な電圧は実験によつて簡
単に定めることがきる。前述のセルフヒーリング
の電圧は実験によつて定めたものである。ちなみ
にセルフヒーリングの技術は金属化紙を用いたキ
ヤパシターの製造においては古くから実用されて
いる。しかしながら本発明におけるセルフヒーリ
ングの技術の利用の態様は金属化紙キヤパシター
の場合と異なつている。

最後にセンサとしての特性を更に安定化し、向
上させるためには非イオン性界面活性剤ポリオキ
シエチレンアルキルフエニール・エーテルを用い
て処理すればよい。その技術については本出願人
と同一の出願人による特許出願、特願昭56−
128170号（特開昭58−30101号）に詳述してある
ので省略する。

セルフヒーリングの技術によつて得られる効果
について簡単にのべる。

(i) セルフヒーリングの技術を開発することによ
り、透水性を有する導電性金属薄膜を設けた、
入力インピーダンスの低いセンサ素子が容易に
量産できるようになり、従つて安価に提供する
ことができる。

(ii) セルフヒーリングを適当な条件のもとに実施
することにより電極間の絶縁抵抗を高く保持す
ることができるようになつた。従つてセンサ特
性を安全に保つことができる。

(iii) 酸化Al層の膜厚が5000Å〜7000Åであれば
セルフヒーリング電圧は130V〜150Vで充分で
あり、印加時間は実用上10秒以下でよい。

［発明の効果］ 本発明の湿度センサ素子によれば、櫛状電極の
上にAlの陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ素子
において、透水性の導電性金属薄膜をAlの陽極
酸化薄膜の上に設けたので、湿度の検出に影響を
与えることなく、一対の櫛状電極の対向する各電
極素片間のインピーダンスを並列接続した状態に
することができ、その結果素子の入力インピーダ
ンスを大幅に低くすることができる。

本発明の製造方法によれば、多孔質のAlの陽
極酸化薄膜の孔部を通つて透水性の導電性金属薄
膜の微粒子が櫛状電極に接近して必要以上にイン
ピーダンスが低下した場合に、一対の櫛状電極間
に適当な電圧を印加して、櫛状電極に接近した微
粒子を蒸気化させるため、簡単に絶縁を回復させ
ることができ、製品の歩留りを大幅に向上させる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は皮膜形（薄膜形を含む）センサ素子の
平面図、第２図は本発明に係る湿度センサ素子の
平面図、第３図はAu蒸着膜の厚さと表面固有抵
抗との関係を示すグラフ、第４図は基板、櫛状電
極素片、Alの陽極酸化薄膜層、透水性を有する
導電性金属薄膜を含む部分の断面の模型図であ
る。 １…セラミツク基板、２…櫛状電極、３…Al
の陽極酸化薄膜、４…端子部、５…リード線、２
１…透水性を有する導電性金属薄膜。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 絶縁基板の上に形成された薄膜状バルブ金属
   からなる一対の櫛状電極と、 前記一対の櫛状電極の電極部分上に設けられた
   Alの陽極酸化薄膜とを具備してなるAlの陽極酸
   化薄膜を用いた湿度センサ素子において、 前記陽極酸化薄膜を透水性を有する導電性金属
   薄膜で被覆してなることを特徴とする陽極酸化薄
   膜を用いた湿度センサ素子。 ２ 前記導電性金属薄膜は、Au，Ag，Cr，Ni
   等の不銹性の金属薄膜であることを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載のAlの陽極酸化薄膜を
   用いた湿度センサ素子。 ３ 前記導電性金属薄膜としてAuが用いられ、
   その膜厚を500Å〜2000Åとすることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載のAlの陽極酸化薄
   膜用いた湿度センサ素子。 ４ 絶縁基板の上に薄膜状バルブ金属からなる一
   対の櫛状電極を形成する工程と、 前記一対の櫛状電極の電極部分上にAl薄膜を
   陽極酸化することによりAlの陽極酸化薄膜を形
   成する工程と、 前記Alの陽極酸化薄膜を透水性を有する導電
   性金属薄膜で被覆する工程と、 前記透水性を有する導電性金属薄膜のうち前記
   一対の櫛状電極の間を短絡しまたは該一対の櫛状
   電極間の絶縁抵抗を低下させている部分を自己回
   復させるのに適当な電圧を前記一対の櫛状電極間
   に印加する工程とからなるAlの陽極酸化薄膜を
   用いた湿度センサ素子の製造方法。