JPS5924234A - 湿度センサ−及びその製造方法 - Google Patents

湿度センサ−及びその製造方法

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JPS5924234A
JPS5924234A JP13431082A JP13431082A JPS5924234A JP S5924234 A JPS5924234 A JP S5924234A JP 13431082 A JP13431082 A JP 13431082A JP 13431082 A JP13431082 A JP 13431082A JP S5924234 A JPS5924234 A JP S5924234A
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JP
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humidity sensor
thin film
plasma
film
polymer thin
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JP13431082A
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Shotaro Oka
正太郎 岡
Osamu Tawara
修 田原
Junya Kobayashi
潤也 小林
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Shimadzu Corp
Shimazu Seisakusho KK
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Shimadzu Corp
Shimazu Seisakusho KK
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid
    • G01N5/02—Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by absorbing or adsorbing components of a material and determining change of weight of the adsorbent, e.g. determining moisture content

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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】 この発明は、湿度センサーに関する。さらに詳しくは、
耐水性、耐薬品性が良く、応答性も良好で安定な性能を
有しておりかつ簡便に製造できる   、湿度センサー
に関する。
従来、湿度センサーにはセラミック、金属酸化物等を利
用したものがあるが、−分子電解質を感湿物質とした湿
度センサーは感度及び応答速度に優れている。ことに水
晶発振子等の圧′#L累子に高分子電解質を感湿物質と
して造膜し、該高分子電解質の湿気との相互作用(主に
吸湿作用)に基づく水晶発振子の発振周波数変化を指標
として湿度を決定する湿度センサーが種々提案されてい
る。
かような湿度センサーは、通常、圧電素子上に蒸着によ
って一対の導電性材料、例えば金や銀からなる電極を被
覆形成し、さらにこれらの電極上に予め作製された高分
子電解質(例えば、スチレン−ジビニルベンゼン共重合
体スルホン化物、ポリスチレンスルホン化物、ポリスチ
レンスルホン化物とポリビニルアルコールとの混合物、
ポリビニルアルコールとメチルセルローススルホン化物
との混合物等)を刷毛塗りやスピンナーコーティング等
の手法によル塗布して造膜することによ勺作製されてい
る。
しかしかような方法で得られた湿度センサーはM!、混
層すなわち高分子電解質被覆層が塗布形成されているた
め、電解面との密着性が不充分で感湿性能が不安定であ
りかつ応答性も不充分であった。
さらに被覆層の耐水性や耐薬品性にも難があシ使用条件
が制限されるという問題点があり、加えて被覆層の厚み
の制御も困難であるという製造上の問題点もめった。
この発明は、かような従来の問題点を解消すべくなされ
たものである。この発明の発明者らは、鋭意研究の結果
、上記高分子電解質被覆層の形成を、プラズマ重合によ
って行なうことによシミ極面との密着性の優れた感湿膜
が得られ、さらに従来の問題点が解消される事実を見出
しこの発明に到達した。
て密着形成してなる湿度センサーが提供される。
この発明の最も特徴とする点は、圧電素子上の電極上の
感M膜の基材となる高分子物質がその場で対応する七ツ
マ−から重合形成されておシ、かつその高分子物質自体
、従来に比して架橋度が極めて高いものであるというこ
とである。さらに他とである。このような構成からなる
ため、電極面と感ii膜との密着性が優れてお如、さら
に耐薬品性、耐水性、応答性が良好であるものと信じら
れる。ただし、親水性基が導入されてなくても感湿効果
が得られる場合があり、少なくとも感isがプラズマ重
合高分子薄膜から構成されておればよい。
3− この発明に使用する圧電素子としては、当該分野で圧電
特性を示す物質として知られたものが種々使用可能であ
シ、具体的には水晶発振子、電気石、ロツシエル塩、チ
タン酸バリウム、酸化要鉛等が挙げられる。
また、この発明の薄膜電極としては導電性材料であれば
使用可能であシ、具体的には金、銀等の腐食性の少ない
金属類を用いるのが好適である。
一方、表層に親水性基が導入された一対のプラズマ重合
高分子薄膜は、後述するモノマーからプ、  2ズマ重
合によって得られる高分子薄膜の表面を処理することに
よって得られる。通常、親水性基としては水酸基やイオ
ン交換基が挙げられ折胴イオン交換樹脂の分野で知られ
たイオン交換基を適用することができ、具体的には、ス
ルホネート基、第四級7ンモニ9五基、ホスホネート基
等が挙げられる。従って、これらの親水性基t−導入す
るプラズマ重合高分子薄膜は、基本的にかような親水性
基を簡便に付加しうるものが適している。通常、ポリス
チレン、ステレンージビニμベンゼン共重4− 合体、スチレン−ビニルアルコール共重合体等のビニル
芳香族系重&体やビニルアルコール−メチルセルロース
共重合体などが適当であり、ビニル芳香族系重合体が好
ましい。ただし、ビニル基の如き官能性基を有さないモ
ノマーであっても、プラズマ重合によって重合可能であ
り、従って例えばポリベンゼンやボリパ″yフィン等も
適用可能であシ、少なくともプラズマ重合によ〕作製さ
れた高分子薄膜が感応膜の基材として用いられておれば
よい。
このようなこの発明の高分子薄膜は高い架橋度を有し、
分子構造がプラズマ重合を行なわ、ない通常の方法によ
るものと比べ全<Aなるので一般に有機溶剤に非常に繻
解し難いため、従来の高分子電解質被覆層とこの点で充
分に区別し得るものである。
この発明の湿度センサーの具体例を第1図及び第2図に
示す。図において、この発明の湿度センサー(1)は、
円盤状の水晶発振子(2)の両面に、表層にナトリウム
スルホネート基が導入された−対のプラズマ重合ポリス
チレン薄膜(”) + (39をそれぞれ金蒸着膜から
なる円形の電極(4)l(4’)を介して密着形成して
なる。そして電極(4)t(4つの端部から端子(す、
(5りを通じて二本のリード線(6)。
(6りが接続されてふ・シ、リード線(6)I(6つは
周波数測定器及び湿度変換指示器(図中、省略)に接続
されている。上記M度センサー(1)’t、測定対象M
にボリスナレン薄#(3L(3つが露出するよう位置さ
せ、その際の水晶発振子(2)の周波数の変化を周波数
測定器で検出することによシ、湿度変換指示計を通じて
湿度が鋭敏にかつ安定に測定される。
なお、上記具体例において、電極(4)+(49の膜厚
は約0.1〜102m1プラズマ重合ポリスチレンの膜
厚は約0.01〜1μmであるのが適当である。
この発明の湿度センサーは、通常、圧電素子の両面に金
や銀等の導電性材料からなる一対の電極全蒸着によシ密
着形成し、これら電極を放電極とするプラズマ重合にそ
れぞれ付して各電極面上に所望のプラズマ重合高分子薄
*を密着形成した後、各高分子簿膜の表層にイオン交換
基などの親水性基’tts入することによシ作製するこ
とができる。
上記、電極の蒸着条件は公知の条件を任意に選択できる
。一方、プラズマ重合の方法も、種々の方法が適用でき
、通常、高真空下の七ツマー雰囲気中、上記電極を放電
極としてグロー放電を行なう所M低温プラズマ重合条佇
に付すのが適当である。
この低温プラズマ重合条件のうち、低周波放電プラズマ
重合で重合を行なうことが高分子の構造、組成及び膜の
均一性の点で好ましい。7ラズマ重合の放電時間を適宜
調整することにより、高分子薄膜の膜厚を任意に高精度
で制御することができ、従来の塗布法による薄膜の膜厚
のバラツキを解消することができる。なお、プラズマ重
合に用いる七ツマ−としては、重合性官能基を有さない
通常、不活性のものも適用可能であるが、一般的にスチ
レン、メチルスチレン、クロルスチレン、ジビ二μベン
ゼン等のビニル芳香族系化合物や、ビニルアルコ−μ、
メチpセμロース等が好適であり、もちろんこれらのモ
ノマーは混合物として用いて7− もよい。
上記プラズマ重合高分子薄膜の表層への親水性基の導入
は、通常の湿式処理や乾式処理等種々の方法が適用でき
る。
例えばスルホネート基を導入する場合、発煙硫酸からの
硫酸ガスを高分子薄膜の表面に接触させることによって
行なうのが簡便である。ただしこの際、処理系を充分に
乾燥させておくことが、硫酸ンストの生成を防止し高分
子薄膜の劣化や他の機材の腐食が防止できる点好ましい
。ことに処理系内を高真空としガス接触処理を行なうの
がよシ好ましく、この際、前記プラズマ重合と同様に放
電処理を行なってスルホネート基の高分子薄膜への導入
をより迅速化させることもできる。なお、硫酸ガスによ
如導入されたイオン交換基は、スルホン酸基であシ、通
常、ガス処理後、塩化ナトリウム水溶液等の塩類水溶液
中に浸漬処理して金属イオンを有するスルホネート基に
イオン交換した形態としておくことが適当である。
このようにして得られたこの発明の湿度センサ8− −は、湿度に対する応答性がよくかつ安定であシ、さら
に高分子薄膜の架橋性が高く、特に耐水性、耐薬品性に
優れておシその使用対象が拡大されるという点極めて有
用である。さらにこの発明の湿度センサーは、従来のよ
うに予め感湿物質を用意しておくことはなく、かつ塗布
処理を行なう必要もなく短時間で簡便に製造することが
できコスト低減にも結びつき有利である。
以下、この発明t−実施例によってよシ詳しく説明する
。
実施例1゜ 厚さ0.6m1m、直径14鰭の円盤状水晶発振子の両
面中央部に、蒸着によって直径81111の金薄j1m
(膜厚的1μm)からなる一対の電極を密着形成させた
。
この発振子の発振周波数は約9 MHzである。
上記発振子を、プラズマ重合用密閉容器にセットした。
プラズマ重合装置の構成を第3図に示した。図において
、(7)はアルミニウムからなる放電極、(8)は同様
に放電対極、(9)は七ツマー吹出口、(lO)はR,
F電源、(11)は真空ポンプへの接続管、(12)は
スチレンモノマー容器、(13)はシール、(14)は
密閉容器をそれぞれ示す。上記発振子(2)は密着した
円状の金電極両面上に直径6agφのポリスチレン薄膜
が形成されるようアルシミニウム製の押え板(7つでそ
の周辺がマスクされている。この際押え板(7つと金電
極とは充分に導通がなされている。これにより金電極は
放電極の一部として働く。この構成において下記条件に
よシプラズマ重合を行ない、金電極両面上に一挙に約0
.4μmの均一な膜厚のポリスチレン薄膜を密着形成さ
せた。
(放電条件) 圧力; l Torr 温度;25℃ 放電極大きさi5X5cm 化ツマー流量; 0.25 m/分 放電周波数+ l K11z 、  l W放電時間;
60秒 このようにして両面に金電極を介してそれぞれプラズマ
亘合ポリスチレン薄展を密着形成させた後、発振子をス
ルホン化槽に固定し、該槽に硫酸ガスを導入してスルホ
ン化を行なった。スルホン化装置の構成を第4図に示す
。図において、N2ボンベ(19)から流量o、1詔/
分でN2を流す。N2は常温でSO,(発煙硫酸)溶液
(18)中全バブリングして飽和803としバッファ一
槽(17)に入る。ここで硫酸ミストが除去され′ft
L酸ガスのみがスルホン化槽(15)に導入される。ス
ルホン化M (15)内にはステンレス製の基板(16
)が設けられておシ、この基板上の金具によって、水晶
発振子が固定されている。このようにして硫酸ガスを水
晶発振子上のポリスチレン薄膜表面に接触させることに
よ如、ポリスチレン薄膜の表層にスルホン酸基が導入さ
れる。なお、接触時間は約10分とした。
次いで発振子t−LN−塩化ナトリウム溶液中に約30
分間浸漬してスルホン酸基全ナトリウムスルホネすト基
に変換させた。さらに、余剰の塩化ナトリウムt−除去
するため、純水中に3回浸漬させ、風乾することによシ
、第1図に糸す如きこの発明の湿度センサーを得た。
ll− との温度センサーを用いて湿度と発振周波数との関係を
調べた結果を第5図に示す。
【図面の簡単な説明】
第1図及び第2図はこの発明の湿度センサーの具体例を
示す平面図及び側面図、第3図及び第4図はこの発明の
温度センサー作製時の一工程をそれぞれ説明する構成説
明図、第5図は、この発明の湿度センサーのW&混効果
の一例を示すグラフである。 (1)・・・・・湿度センサー、(2)・・・・・水晶
発振子、(3)、(3つ・・・・・プラズマ重合ポリス
チレン薄膜、(4)l(4’)・・・・・電極、(5)
+(5つ・・・・・端子、(6)。 (6す・・・・・ リード線、(2)・・・・・放電極
、(7′)・・・・・押え板、(8)・・・・・放電対
極、(9)・・・・・七ツマー吹出口、(lO)・・・
・・R,F電源、(11)・・・・・接続管、  (1
2)・・・・・スチレンモノマー賽8、(13)・°・
・・シール、(14)・・・・・’JB閉賽H1(15
)・・・・・スルホン化41f、(16)・・・・・M
板、  (17)・・・・・バッファー41、(18)
・・・・・SOs溶液、(19)・・・・・N8ボンベ
。 12− 第1図      第2図 第3図 4 8 2 313 ζ−

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)圧電素子上に、プラズマ重合高分子薄膜からなる
    感湿膜を薄膜X極を介して密着形成してなる湿度センサ
    ー。 (2)薄膜電極が一対であり、それぞれにプラズマ重合
    高分子#膜からなる感湿膜が密着形成されてなる特許請
    求の範囲第1項記載の湿度センサー。 (8)W&湿膜が、表層に親水性基が導入されたプラズ
    マ重合高分子薄膜からなる特許請求の範囲第1項又は第
    2項記載の湿度センサー。 (4)プラズマ重合高分子薄膜が、低周波プラズマ重合
    によって形成されてなる特許請求の範囲第1項又は第2
    項記載の湿度センサー。 (5)圧電素子に導電性材料からなる一対の電極を蒸着
    により密着形成し、これをモノマーの存在下プラズマ重
    合に付して各電極面上に高分子薄膜を形成した後、各高
    分子薄膜に親水性基を導入することを特徴とする湿度セ
    ンサーの製造方法。
JP13431082A 1982-07-31 1982-07-31 湿度センサ−及びその製造方法 Granted JPS5924234A (ja)

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61286802A (ja) * 1985-06-13 1986-12-17 Tokai Rika Co Ltd 防曇鏡
JPS61290351A (ja) * 1985-06-18 1986-12-20 Nok Corp 高分子薄膜感湿素子
JPS6216455U (ja) * 1985-07-12 1987-01-31
JPS63137491A (ja) * 1986-11-29 1988-06-09 Shimadzu Corp 圧電素子型センサ
US5122237A (en) * 1990-07-27 1992-06-16 Korea Institute Of Science And Technology High molecular humidity sensor and manufacturing method thereof by electrochemical method

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