JPH02212744A - 半導体湿度センサ - 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】 （イ）産業上の利用分野 本発明は感湿材の伸縮を利用した半導体湿度センサに関
する。

（ロ）　従来の技術 一般に、湿度センサとしては、感湿セラミック等の如く
雰囲気湿度による電気特性の変わるものが知られている
。しかし、この湿度センサは気体一固体界面の電気特性
を利用するものであり、１菫−〉で、その界面が大気に
さらされ汚染等の影響を受けやすく長期安定性に欠ける
。これに対し、特開昭５６−４２１２６号公報に開示さ
れた毛髪やナイロンの様な感湿体は比較的に長期枯安定
性かある反面、その伸縮を電気信号に変換し難い。

これに対し本発明者等は、すでに感湿材の雰囲気湿度に
よる伸縮を半導体のピエゾ抵抗効果や対向電極間の容量
変化により検出する半導体湿度センサを提案している。

（ハ）　発明が解決しようとする課題 上記湿度センサにおいて、感湿伸縮材はシリコンカンチ
レバーやダイアフラム上に膜付けされているが、常にこ
れからの応力を受けている。感湿材は膜付けの容易さな
どから有機高分子が用いられるが、高分子には一定応力
下でひずみが時間とともに増加するクリープ（Ｃｒｅｅ
ｐ）という現象がある。このクリープには不可逆な変形
を伴うものがあり、この永久変形を生じてしまうと湿度
センサの出力に誤差が生じる。

（ニ）課題を解決するための手段 本発明の半導体湿度センサは感湿伸縮材として架間処理
を施した高分子材料を用いることを特徴としている。

（ホト　作用 架橋による高分子−は、二次元的構造が三次元的な結合
をもつ構造となり分子間のすべりが無くなりクリープに
よる永久変形か無くなる、これにより湿度七ンサカ出ｊ
Ｊも安定する。

（へ）　実施例 第１１１３はダイアフラム方式の湿度センサの断面図て
、Ｓｉベレット（１）に工・・ノチング加工されたダ（
７：、７ラムＩ２）かあつ、この夕′イアフラム（２）
の表面にはピエゾ抵抗（３）　ｆ３　）・・が形成され
、さら（こ夕′イア７ラム（２）の裏面に感湿材（４）
が膜付けされている、第２図はカンナしバ一方式の湿度
センサの断面図で、第１図の場合と同様Ｓｉベレッ）−
（ｌｉをエソチンク′加工して設げられたカンチレバー
（５）に官記Ｒ（４）を膜付けし、この感湿材グ）雰囲
気湿度（、こよる伸縮でカンチレバー（５）がひ１゛む
量をピエゾ抵抗（３）で検出している。第３目は、第２
１Ａ同様感湿非材（，４）σ）伸縮によるカンチレバ−
１５ｉ　４７１　ｒ、二ｈノ人で第１′截極（６）と第
２電包（７）とコノ）距踊か変Ｃヒ第４．力をこれ？）
電極間テ１）容量変化とし、て検出している。而して第
１図〜第３１図に示された半導体湿度センサはいずｈｔ
も雰囲気湿度による感湿材（・１）の伸縮現象を利用し
たもので、こめ伸縮値を電気イへり化するノごめにＳｉ
のダイアフラム（２）やカンナレバー（５）十に）膜付
（づされζいる、ン是度セン・ザは、二の感；易（才（
・１）とＳ　Ｌ　ｉＺ“）ダイアフラム（２）、カンナ
レバ”−（ヲ）の力の平衡状態のＳｉのひずみ量を検出
し°ζいるのであり、感湿材（４）には常にＳｉのダイ
アフラム（２）、カンチレバ−（３）からの力が作用し
ている、高分子材料（このような応力がかかった状態で
は、クリープという現象が現れる１、 本発明においては前記感湿材（４）はいずれも架橋嵩分
子材料で構成されている。このクリープを架橋高分子と
架橋されていない高分子とで以下に高分子なと゛力粘弾
１′４゛体にある一定応力σが加えられたとする。この
ときの高分子Ｊ）ひづ”みをγ（ｔ）とすると、Ｊ　（
ｔ＋三γ（ｔ　Ｈ、’σはクリープコンプライアンスと
叶はれ次式で表される、 Ｊ（ｔ）＝−ｉｏ＋（Ｊｅ−Ｊｏｉｉｊ（ｔ）＋ｔ７η
　　　　　■第４図に示したが２、Ｔｏは１＝０におい
て（応力かか（づられた瞬間）生ずるひ４゛みて瞬間コ
ンブラ・イアンスと呼ばれる、式■め第２項のψｆｔ）
はクリープ関数とよばｉ″Ｌｔ−０でψ＝０てあつ以後
９謂に増大し、ｔ−■でψ−１になる。この第２項に対
する変形を一次クリープといい、応力除去陸連方同の変
形が生じて（クリープ回復）ひずみが回復計る弾性的な
部分である。Ｊｅはｔ−＋ωのときの弾性ひずみの値を
示し、定常コンプライアンスと呼ばれる２式■の第３項
でηは粘度であり、ｉ、、、、ｌ　、は粘性流動を表す
。この粘性流動による変形は二次クリープと呼ばれ、ク
リープ回復しない永久変形を与える。さらにこの第３項
迄行中にクリープｖ！ｉ、１２！と呼ばれる破壊が生じ
ることかあ・）、薄膜においてはクラ・ツク等が光生じ
センサとしては致命的な故障となる、架活高分子ては式
■の第３項は存在せ−ｒ第５図のように応力除去後ひ３
゛みは元に戻るが架橋さ７’していない高分子では前記
第３項が午在づ°ろため（こ第６し１に示−ｒ様にひす
みが一定値に収束せず前記第２項が収束した後もとにな
る、このことは架橋構造を持たない高分子を第１図〜第
３１図の様な湿度センサに用いた場合一定湿度の雰囲気
中て、センサの検出値が一定値に収束しないとともに、
センサ出力にオフセットが生しることとなり大きな誤差
となる。

実際の架橋構造を持つ高分子のＳｉペレット上への膜付
けは架橋剤を混ぜた高分子溶液をＳｉ上に、スピンナに
よる方法、塗布による方法、エアガン等を用いた不織布
状の膜を形成する方法などで被着する。その後一般的に
知られている櫟に熱硬化的な架橋、紫外線などを用いた
光架橋、過酸化物架橋、電子線架橋などで架橋処理をし
て膜付けを完了する。架橋方法は感湿材を何に選定する
かで決定されるが第１図〜第３図に示しまた様な湿度セ
ンサの場合、湿度センサとしては各種特性、ＩＭジ）安
定１・ｔ、製造技１（・テなと′の点から判断し°ζ紫
外ｊ♀硬化（点１脂なとび）高分子材ず゛）か適してい
る、（ト）発明の効果 本発明の半導体湿度センサによれば、架橋高分子材料を
感湿伸縮材として用いることにより分子間のずベリによ
る変形が防止で゛き、一定湿度雰囲気においてセンサ出
力は一定値に収束するとともに、ゼロ点ドリフト（オフ
セラ）・変動）がなくなる。またクリープ破壊など感湿
膜の致命的な故障も防止できセンサの長期安定性が計れ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明による半導体湿度センサの異な
る実施例で、第１図はダイアフラム型でピエゾ抵抗効果
を利用した半導体湿度センサの断面図、第２図はカンチ
レバー型でピエゾ抵抗効果を利用した半導体湿度センサ
の断面図、第３図はカンチレバー型で容量変化を利用し
た半導体湿度セ／すの断面図、第４図は高分子のクリー
プ現象に関する説明図、第５図は架橋構造を持った高分
子のひすみ一時間の関係図、第６図は架橋構造を持たな
い高分子のひずみ一時間の関係図である。 （１）−・Ｓｉベレット、（２）・・ダイアフラム、（
３）・ピエゾ抵抗、（４）・・・感湿材、（５）・・カ
ンチレバー、（６）・・・第１電極、（７）−・・第２
電極。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）感湿伸縮体の伸縮を半導体ピエゾ抵抗効果あるいは
   容量変化として雰囲気湿度を検出する半導体湿度センサ
   において、感湿伸縮膜材として架橋高分子材料を用いる
   ことを特徴とする半導体湿度センサ。