JP2004294127A - Humidity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は湿度センサに関する。更に詳しくは、優れた耐久性を有する湿度センサに関する。
本発明の湿度センサは、大気雰囲気に含まれる湿分の検出(環境湿度の計測等)、車両、船舶及び飛行機等の内燃機関の排ガス(特に実質的に酸素を含まず、還元性ガスを含む雰囲気)に含まれる湿分の検出、家庭用エアコンの制御のための湿分の検知、空気清浄機の湿度制御のための湿分の検出、加湿器及び除湿器の制御のための湿分の検出、園芸若しくは農業向け湿度管理システムにおける湿分の検出、産業用ガス配管内の湿分の検出、環境試験機の湿度モニタ(恒温恒湿機)における湿分の検出、半導体工業用ガスの乾燥度制御のための湿分の検出、定環境室内(クリーンルーム等)の湿度モニタにおける湿分の検出、精密電子部品製造プロセスの湿度制御における湿分の検出、燃料電池等のアノードガス及びカソードガス中に含まれる湿分の検出、及び、食品の品質管理のための湿分の検出等に使用できる。
【0002】
【従来の技術】
従来より、耐腐食性等に優れ、且つ、耐熱性にも優れる貴金属類が検知電極として多用されている。一方、湿度センサ用のガス感応層としては、Nafion(登録商標)等の重合体系感湿材、並びにAl2O3系、MgCr2O4−TiO2系及びNasicon等のセラミック系感湿材等が知られている。なかでも、重合体系感湿材については、下記非特許文献1に開示されたSiO2/Nafion(登録商標)混合膜からなるものが知られている。下記非特許文献1では、基板としてアルミナ基板を用い、このアルミナ基板上に白金からなる検知電極を設け、この検知電極に上記混合膜を接触させた構造を有した湿度センサが開示されている。
【0003】
【非特許文献1】
C.D.Feng、外4名、Humidity sensing properties of Nafion and sol−gel derived SiO2/Nafion composite thin films、“Sensors and Actuators B Chemical”、Elsevier Science S.A.、1997年5月、第40巻、第1−2号、p.217−222
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者らは、上記非特許文献1に開示された構造の湿度センサについて検討を行った。この結果、この湿度センサは、湿度の計測においては優れた性能を示すものの、測定を繰り返し行うと、次第に抵抗(インピーダンス)が増加することが分かった。そこで、繰り返し使用により抵抗(インピーダンス)が増加した湿度センサを詳細に調べたところ、検知電極の一部に白金の凝集が認められると共に、検知電極が消失している箇所があることが分かった。このように、ガス感応膜がNafion(登録商標)のような酸性高分子電解質である場合、検知電極に白金を用いているにも関わらず、このような現象が発生することは、これまで知られておらず意外な知見であった。
本発明は、上記課題を解決するものであり、長期の使用においても測定精度を保つことができ、優れた耐久性を有するガスセンサを提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
(1)基板と、該基板上に設けられ、酸性高分子電解質を含有したガス感応層と、該ガス感応層に接して設けられた検知電極と、を備え、該検知電極の少なくとも該ガス感応層と接する検知電極表面部はTaを主成分とすることを特徴とする湿度センサ。
(2)上記検知電極の全体は、Taを主成分とする上記(1)記載の湿度センサ。
(3)上記基板はシリコン基板である上記(1)又は(2)に記載の湿度センサ。
(4)上記酸性高分子電解質はフッ素系樹脂である上記(1)乃至(3)のうちのいずれかに記載の湿度センサ。
【0006】
【発明の効果】
本発明の湿度センサによれば、検知電極の耐久性が効果的に向上し、長期に渡り精度よく湿度の測定ができる。
検知電極の全体がTaを主成分とする場合は、特に高い耐久性を発揮できる。
基板がシリコン基板である場合は、加工性に優れ、小型化が容易となる。
酸性高分子電解質がフッ素系樹脂である場合は、特に高湿度まで測定可能な湿度センサとすることができる。
【0007】
【発明の実施の形態】
本発明について、以下詳細に説明する。
(1)基板
上記「基板」は、検知電極及びガス感応層を支持するものである。基板を構成する材料は特に限定されず、シリコン、炭化珪素、窒化珪素、アルミナ、活性基(エポキシ基、ヒドロキシル基、イソシアネート基及びカルボキシル基等)を有する樹脂等の1種又は2種以上を用いることができる。これらの中でも加工性に優れ、特に湿度センサの小型化が容易であり、更には、後述する無機骨格等との接合性に優れるシリコンが好ましい。更に、上記材料のうち、シリコン、炭化水素及び窒化珪素から形成された基板の表面は、酸化処理を施してシリカ層を形成してもよく、シラノール化処理を施すことでシラノール基を形成してもよい。これにより、ガス感応層との密着性を向上させることができる。また、基板は、1層のみからなるものであってもよく、2層以上からなるものであってもよい。
【0008】
(2)ガス感応層
上記「ガス感応層」は、後述する酸性高分子電解質を含有し、水分子との作用により電気的な変化を生じるものである。このガス感応層は、基板上に形成され、且つ、検知電極(通常、一対を有する)と接していれば、その他の配置は特に限定されない。
【0009】
上記「酸性高分子電解質」は、水分子の吸脱着により抵抗(インピーダンス)変化を生じるものである。酸性高分子電解質としては、Nafion(登録商標)等のフッ素系樹脂、ポリスチレンスルホン酸、ビニルスルホン酸、ポリトリフルオロスチレンスルホン酸及びポリアクリルスルホン酸等が挙げられる。これらのうち、Nafionは、そのプロトン伝導度が湿度に応じて変化し、高湿度まで湿度の測定が可能なことから、湿度センサの高分子電解質として好適である。
【0010】
ガス感応層に含まれる酸性高分子電解質の量は特に限定されないが、ガス感応層全体を100質量%とした場合に、15質量%以上であることが好ましい。15質量%以上であれば十分な感度を発揮させることができる。
また、酸性高分子電解質以外にガス感応層を構成するものとしては、この酸性高分子電解質を固定するための三次元網目構造を有する無機骨格を挙げることができ、特に重合により形成された三次元網目構造骨格が好ましい。従って、無機骨格としては、例えば、ポリシロキサン等が好適である。基板としてシリカ層が表面に形成されたもの(例えば、シリカ層が形成されたシリコン基板)を用いる場合、ガス感応膜にポリシロキサンを含有させると、シリカ層との密着性が向上するので好ましい。
【0011】
(3)検知電極
上記「検知電極」は、基板上に形成された導体層のうちガス感応層と接している部分である。この検知電極は、通常、一対を備えるが、二対以上を備えていてもよい。更に、各対の一方の検知電極と他方の検知電極とは、ガス感応層の一面側に両方が接していてもよく、ガス感応層の一面と他面に各々接していてもよい。また、検知電極は1層のみからなってもよく、2層以上からなってもよい。更に、検知電極は1種の構成材料のみからなってもよく、2種以上の構成材料からなってもよい。尚、検知電極と基板との位置関係は特に限定されない。
【0012】
また、この検知電極のうち少なくともガス感応層と接する検知電極表面部はTaを主成分とする。検知電極表面部がTaを主成分とすることにより、検知電極の内部が、例えば、貴金属等の他の金属を主成分としていても、この金属の凝集及び分散等のマイグレーションや腐食等により生じる不具合を効果的に防止することができる。このため、高い耐久性を発揮する検知電極となる。
この検知電極表面部の厚さは特に限定されないが、0.01μm以上であることが好ましい。また、上記「Taを主成分とする」とは、上記のTaを含有する効果が発揮される程度であれば特に限定されないが、50質量%以上であることが好ましい。但し、表面部に含有されるTaは、金属状態で含有されて導電体として機能していてもよく、酸化物等として含有されて導電体としては機能していなくてもよい。
【0013】
検知電極は、その全体がTaを主成分として構成されてもよい。この場合には、特に高い耐久性が発揮される。また、シリカ層上に検知電極の一部として白金を形成する場合、白金とシリカ層との密着性を向上させるために、Ta等の密着層を形成する必要がある。これに対し、検知電極の全体がTaを主成分とする構成とすることで、上記のような密着層を形成する必要がなく、湿度センサの製造工程を簡略化することができる。
【0014】
この検知電極を構成する構成材料は、上記Ta以外には特に限定されず、例えば、Pt、Pd、Au、Rh、Cu、Ag、Ru、Re、Ir等を用いることができる。これらの中でも、高い導電性、耐熱性等に優れるため、Pt等が好ましい。これらの構成材料は1種のみであってもよく、2種以上が併用されてもよい。例えば、PtとRhとを併用すると高温時のPtの揮散を抑制できる。
また、検知電極の形状は特に限定されず、櫛歯状及び蛇行形状等とすることができる。
【0015】
また、この検知電極からは、通常、検知電極用リードが延設されている。検知電極用リードは、検知電極と外部回路の接続手段との間の導通を図る部分である。更に、この検知電極用リードのうち検知電極と接続されていない側の末端にはボンディングパッドを備えることができる。ボンディングパッドはボンディングワイヤを接続し易いように幅広に形成された検知電極用リードの末端部である。検知電極、検知電極用リード及びボンディングパッドは、各々同じ材料からなっていてもよく、異なる材料からなっていてもよい。
【0016】
本発明の湿度センサは、基板、ガス感応層及び検知電極、更には、検知電極用リード及びボンディングパッド等以外にも他の要素を備えることができる。他の要素としては、ガス感応層と基板との密着性を向上させる密着性向上層を挙げることができる。基板とガス感応層とは直接接合されていてもよいが、より密着性を向上させようとする場合には密着性向上層を有することが好ましい。この密着性向上層としては、基板とガス感応層との間の密着性をアンカー効果により向上させることができる多孔質層を挙げることができる。
また、基板が導電性を有するものであり、且つ、基板上に検知電極が配置される場合に、基板と検知電極との間を絶縁する絶縁層を挙げることができる。基板がシリコン基板である場合には、シリコン基板表面を酸化させることにより形成されるシリカ層がこの絶縁層として機能する。
【0017】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
[1]湿度センサの作製
(1)実施例1(検知電極全体がタンタルからなる)
基板としてシリコン基板(111)を用い、プラズマCVD法によりシリコン基板(111)の表面に、厚さ200nmの第1シリカ膜(112)を形成した。次いで、スパッタリング法により第1シリカ膜(112)の表面に厚さ200nmであり、線幅5μmの蛇行形状を呈する測温用電極(113)を形成した。その後、再度、プラズマCVD法により厚さ200nmの第2シリカ膜(114)を形成した。次いで、スパッタリング法により第2シリカ膜(114)の表面に厚さ60nmであり、線幅20μmであり且つタンタルからなる櫛歯状の検知電極(115)と、端部にボンディングパッドを備えた検知電極用リード(116)とを一体的に形成した。その後、ダイシングによって各湿度センサ素子(11)に切り出し、所定の部位にマスクを施した。そして、フッ素系樹脂を20質量%含有する含フッ素樹脂液(デュポン社製、商品名「Nafion」)とテトラエトキシシラン(和光純薬工業株式会社製)とを混合し、所定の工程を経て得られたゾル溶液をマスクが施された湿度センサ素子の表面にスピンコーティングした。次いで、マスクを除去して150℃で2時間熱処理してガス感応層(117)を形成した。その後、各湿度センサ素子をパッケージ基体(12)に接合し、検知電極用リード(116)のボンディングパッドから所定のピン(121)に金からなるボンディングワイヤ(13)を用いてボンディングを施し、湿度センサ(1)を得た。
【0018】
(2)比較例1(検知電極の下層がタンタル、上層が白金からなる)
上記(1)と同様にして得られた第2シリカ膜上に、スパッタリング法により、下層が厚さ20nmのタンタル層であり、上層が厚さ40nmの白金層である2層からなる以外は、上記(1)と同じ検知電極(115)及び検知電極用リード(116)を形成した。この他は、上記(1)と同様にして比較例1の湿度センサを得た。この湿度センサは、検知電極表面部が白金層である点において、本発明の湿度センサとは異なる。
【0019】
[2]湿度センサの評価
(1)インピーダンスの測定
まず、上記[1](1)及び(2)で得られた実施例1及び比較例1の各湿度センサの初期の検知電極間のインピーダンス(印加電圧AC1V、測定周波数1kHz)を、大気雰囲気下80℃において測定した。また、測定時の相対湿度は40RH%、55RH%、70RH%、85RH%及び95RH%の各々に変化させ、検知電極間のインピーダンスを測定した。次に、40RH%→55RH%→70RH%→85RH%→95RH%と相対湿度を変化させ、各相対湿度で1時間保持するサイクルを1サイクルとして、30サイクルの耐久試験を行った。その後、初期の測定と同条件におけるインピーダンスを測定した。この結果を図2に示す。
【0020】
(2)光学顕微鏡及びEPMAによる観察
上記[1](1)及び(2)で得られた各湿度センサにおいて、耐久試験前の検知電極の光学顕微鏡による拡大像と、30サイクルの耐久試験後の検知電極の光学顕微鏡による拡大像とを得た。これらの拡大像を図3〜6に示した。また、比較例1の湿度センサであって、耐久試験前、及び、耐久試験後の各々の検知電極の同一部分を電子線プローブマイクロアナライザー(以下、単に「EPMA」という)により測定して得られたカラーマップ(白黒変換してある)を図7及び図8に示した。
【0021】
[3]実施例の効果
上記[2](2)より、図5は比較例1の湿度センサの耐久試験前の検知電極の状態である。一方、図6は比較例1の湿度センサの30サイクルの耐久試験後における状態である。各々の図中の細い白線(蛇行形状)は測温用電極であり、櫛歯状の太い白線(図中115)は検知電極である。この2つの光学顕微鏡像の検知電極を比べると、図6では櫛歯状の検知電極のほとんどが消失していることが分かる。また、新たに黒色の線(図6中の2)が認められることが分かる。
【0022】
図7及び図8は、Ptの濃度が特に高い部分がより薄色で示されるものである。これによると、図7の白線楕円で囲んだ部分には櫛歯状の検知電極の先端部分が認められるが、図8の白線楕円で囲んだ部分には、図7に認められる櫛歯状の先端は認められず、より薄い薄色で示された図7には認められない線(図8の2)が現れていることが分かる。これは、図6で認められた黒色の線であり、白金が凝集して形成されたものであることが分かる。即ち、耐久試験前に櫛歯状に形成されていた検知電極は、耐久試験後には特有な形状に凝集し、検知電極先端部分の大部分が消失していることが確認できる。
【0023】
また、図2のグラフより、比較例1は耐久試験後のインピーダンスが、耐久試験前のインピーダンスに比べて、45RH%で2.3倍、55RH%で6.5倍、70RH%で12倍、85RH%で12倍、90RH%で8.8倍、各々上昇していることが分かる。
これらの結果から、検知電極の表面部がPtを主成分とし、酸性高分子電解質と直接接して形成された検知電極を有する湿度センサ(比較例1)では、繰り返し測定を行っていると次第に白金の凝集が起こり、インピーダンスが大きくなり、測定精度が低下していると考えられる。
【0024】
これに対して、タンタルのみからなる検知電極を有する湿度センサ(実施例1)は、光学顕微鏡像による説明図である図3及び図4では、耐久試験前においても、耐久試験後においても検知電極に差違は認められない。また、図2より、相対湿度の上昇に伴いインピーダンスが低下し、従来より使用されている下層がタンタルからなり、上層が白金からなる検知電極と同様なインピーダンス特性を示していることが分かる。
これらの結果から、タンタルのみからなる検知電極を有する実施例1の湿度センサでは、高い耐久性を発揮でき、優れた測定性能を発揮できることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のガスセンサ(湿度センサ)の一例の模式的な断面図である。
【図2】実施例で測定された相対湿度とインピーダンスとの相関を表すグラフである。
【図3】実施例1の湿度センサの耐久試験前における光学顕微鏡像による説明図である。
【図4】実施例1の湿度センサの耐久試験後における光学顕微鏡像による説明図である。
【図5】比較例1の湿度センサの耐久試験前における光学顕微鏡像による説明図である。
【図6】比較例1の湿度センサの耐久試験後における光学顕微鏡像による説明図である。
【図7】比較例1の湿度センサの耐久試験前におけるEPMA元素マップによる説明図である。
【図8】比較例1の湿度センサの耐久試験後におけるEPMA元素マップによる説明図である。
【符号の説明】
1;ガスセンサ(湿度センサ)、11;ガスセンサ素子(湿度センサ素子)、111;基板(シリコン基板)、112;第1絶縁層(第1シリカ膜)、113;測温用電極、114;第2絶縁層(第2シリカ膜)、115;検知電極、116;検知電極用リード、117;ガス感応層、12;パッケージ基体、121;ピン、13;ボンディングワイヤ、2;白金の凝集物。[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a humidity sensor. More specifically, it relates to a humidity sensor having excellent durability.
INDUSTRIAL APPLICABILITY The humidity sensor of the present invention detects moisture contained in the atmospheric atmosphere (measurement of environmental humidity, etc.), exhaust gas from internal combustion engines such as vehicles, ships, and airplanes (particularly, it does not substantially contain oxygen and contains a reducing gas. Detection of moisture contained in atmosphere), detection of moisture for control of home air conditioner, detection of moisture for control of humidity of air purifier, detection of moisture for control of humidifier and dehumidifier Detection, moisture detection in horticultural or agricultural humidity management systems, detection of moisture in industrial gas piping, detection of humidity in environmental monitor humidity monitors (constant temperature and humidity), drying of semiconductor industrial gas Detection for humidity control, humidity detection in a humidity monitor in a constant environment room (clean room, etc.), detection of humidity for humidity control in precision electronic component manufacturing process, in anode gas and cathode gas of fuel cells etc. Included in Moisture detection, and it can be used for moisture detection, such as for food quality control.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, noble metals having excellent corrosion resistance and the like and excellent heat resistance have been widely used as detection electrodes. On the other hand, the gas-sensitive layer for humidity sensor, Nafion (registered trademark) polymer system feeling Shimezai such, as well as Al 2 O 3 system, MgCr 2 O 4 -TiO 2 systems and ceramic humidity-sensitive material such as Nasicon It has been known. Above all, as the polymer-based moisture sensitive material, a material composed of a SiO 2 / Nafion (registered trademark) mixed film disclosed in Non-Patent
[0003]
[Non-patent document 1]
C. D. Feng, 4 others, Humidity sensing properties of Nafion and sol-gel derived SiO 2 / Nafion composite thin films, “Sensors and Actibusiness Chemicals B.C. A. , May 1997, Vol. 40, No. 1-2, p. 217-222
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The present inventors have studied the humidity sensor having the structure disclosed in Non-Patent
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a gas sensor that can maintain measurement accuracy even during long-term use and has excellent durability.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
(1) A substrate, a gas-sensitive layer provided on the substrate and containing an acidic polymer electrolyte, and a detection electrode provided in contact with the gas-sensitive layer, wherein at least the gas-sensitive layer of the detection electrode is provided. A humidity sensor characterized in that a surface of a detection electrode in contact with a layer contains Ta as a main component.
(2) The humidity sensor according to (1), wherein the entirety of the detection electrode is mainly composed of Ta.
(3) The humidity sensor according to (1) or (2), wherein the substrate is a silicon substrate.
(4) The humidity sensor according to any one of (1) to (3), wherein the acidic polymer electrolyte is a fluororesin.
[0006]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the humidity sensor of this invention, the durability of a detection electrode is improved effectively and humidity can be measured accurately over a long period of time.
When the entire sensing electrode contains Ta as a main component, particularly high durability can be exhibited.
When the substrate is a silicon substrate, it is excellent in workability and can be easily reduced in size.
When the acidic polymer electrolyte is a fluororesin, it can be a humidity sensor capable of measuring particularly high humidity.
[0007]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention will be described in detail below.
(1) Substrate The "substrate" supports the detection electrode and the gas-sensitive layer. The material constituting the substrate is not particularly limited, and one or two or more of silicon, silicon carbide, silicon nitride, alumina, and a resin having an active group (epoxy group, hydroxyl group, isocyanate group, carboxyl group, or the like) are used. be able to. Among these, silicon which is excellent in workability, particularly easy to reduce the size of the humidity sensor, and which is excellent in bonding property with an inorganic skeleton or the like described later is preferable. Further, among the above materials, the surface of the substrate formed of silicon, hydrocarbon, and silicon nitride may be subjected to an oxidation treatment to form a silica layer, and may be subjected to a silanolation treatment to form a silanol group. Is also good. Thereby, the adhesiveness with the gas sensitive layer can be improved. Further, the substrate may be composed of only one layer, or may be composed of two or more layers.
[0008]
(2) Gas Sensitive Layer The above “gas sensitive layer” contains an acidic polymer electrolyte described later, and causes an electrical change by the action of water molecules. Other arrangements of the gas-sensitive layer are not particularly limited as long as the gas-sensitive layer is formed on the substrate and is in contact with the detection electrode (usually having a pair).
[0009]
The "acidic polymer electrolyte" causes a change in resistance (impedance) due to adsorption and desorption of water molecules. Examples of the acidic polymer electrolyte include fluorine resins such as Nafion (registered trademark), polystyrenesulfonic acid, vinylsulfonic acid, polytrifluorostyrenesulfonic acid, and polyacrylsulfonic acid. Among them, Nafion is suitable as a polymer electrolyte for a humidity sensor because its proton conductivity changes according to humidity and can measure humidity up to high humidity.
[0010]
The amount of the acidic polymer electrolyte contained in the gas-sensitive layer is not particularly limited, but is preferably 15% by mass or more when the entire gas-sensitive layer is 100% by mass. If it is 15% by mass or more, sufficient sensitivity can be exhibited.
In addition, examples of the gas-sensitive layer other than the acidic polymer electrolyte include an inorganic skeleton having a three-dimensional network structure for fixing the acidic polymer electrolyte. A network skeleton is preferred. Therefore, as the inorganic skeleton, for example, polysiloxane is preferable. When a substrate having a silica layer formed on its surface (for example, a silicon substrate having a silica layer formed thereon) is used as the substrate, it is preferable to include a polysiloxane in the gas-sensitive film because the adhesion to the silica layer is improved.
[0011]
(3) Detection electrode The “detection electrode” is a portion of the conductor layer formed on the substrate, which is in contact with the gas-sensitive layer. This sensing electrode usually includes a pair, but may include two or more pairs. Furthermore, both the one sensing electrode and the other sensing electrode of each pair may be in contact with one surface of the gas-sensitive layer, or may be in contact with one surface and the other surface of the gas-sensitive layer. Further, the detection electrode may be composed of only one layer, or may be composed of two or more layers. Further, the sensing electrode may be made of only one kind of constituent material, or may be made of two or more kinds of constituent materials. The positional relationship between the detection electrode and the substrate is not particularly limited.
[0012]
In addition, at least the sensing electrode surface portion of the sensing electrode which is in contact with the gas sensitive layer contains Ta as a main component. When the surface of the sensing electrode is mainly composed of Ta, even if the inside of the sensing electrode is mainly composed of another metal such as a noble metal, a problem caused by migration or corrosion such as aggregation and dispersion of the metal. Can be effectively prevented. For this reason, the detection electrode exhibits high durability.
The thickness of the sensing electrode surface is not particularly limited, but is preferably 0.01 μm or more. Further, the term “having Ta as a main component” is not particularly limited as long as the effect of containing Ta is exhibited, but is preferably 50% by mass or more. However, Ta contained in the surface portion may be contained in a metal state and function as a conductor, or may be contained as an oxide or the like and not function as a conductor.
[0013]
The sensing electrode may be entirely composed of Ta as a main component. In this case, particularly high durability is exhibited. When platinum is formed on the silica layer as a part of the detection electrode, it is necessary to form an adhesion layer of Ta or the like in order to improve the adhesion between the platinum and the silica layer. On the other hand, when the entirety of the detection electrode is mainly composed of Ta, it is not necessary to form the above-mentioned adhesion layer, and the manufacturing process of the humidity sensor can be simplified.
[0014]
The constituent material of the detection electrode is not particularly limited except for the above-mentioned Ta, and for example, Pt, Pd, Au, Rh, Cu, Ag, Ru, Re, Ir, and the like can be used. Among these, Pt or the like is preferable because of its high conductivity, excellent heat resistance and the like. These constituent materials may be used alone or in combination of two or more. For example, when Pt and Rh are used in combination, the volatilization of Pt at a high temperature can be suppressed.
The shape of the detection electrode is not particularly limited, and may be a comb-like shape, a meandering shape, or the like.
[0015]
Further, a lead for a detection electrode is usually extended from the detection electrode. The lead for the detection electrode is a portion for establishing conduction between the detection electrode and the connection means of the external circuit. Further, a bonding pad may be provided at an end of the detection electrode lead that is not connected to the detection electrode. The bonding pad is a terminal portion of a lead for a sensing electrode which is formed wide so as to easily connect a bonding wire. The detection electrode, the lead for the detection electrode, and the bonding pad may be made of the same material or different materials.
[0016]
The humidity sensor of the present invention can include other elements in addition to the substrate, the gas-sensitive layer, the detection electrode, the lead for the detection electrode, the bonding pad, and the like. As another element, there may be mentioned an adhesion improving layer for improving the adhesion between the gas sensitive layer and the substrate. Although the substrate and the gas-sensitive layer may be directly bonded to each other, it is preferable to have an adhesion improving layer in order to further improve the adhesion. Examples of the adhesion improving layer include a porous layer capable of improving the adhesion between the substrate and the gas-sensitive layer by an anchor effect.
In addition, when the substrate has conductivity and the detection electrode is provided on the substrate, an insulating layer that insulates the substrate from the detection electrode can be given. When the substrate is a silicon substrate, a silica layer formed by oxidizing the surface of the silicon substrate functions as the insulating layer.
[0017]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples.
[1] Production of Humidity Sensor (1) Example 1 (The whole sensing electrode is made of tantalum)
Using a silicon substrate (111) as a substrate, a first silica film (112) having a thickness of 200 nm was formed on the surface of the silicon substrate (111) by a plasma CVD method. Next, a meandering electrode (113) having a thickness of 200 nm and a line width of 5 μm was formed on the surface of the first silica film (112) by a sputtering method. Thereafter, a second silica film (114) having a thickness of 200 nm was formed again by the plasma CVD method. Next, by a sputtering method, a comb-shaped detection electrode (115) having a thickness of 60 nm, a line width of 20 μm, and made of tantalum on the surface of the second silica film (114), and a detection having a bonding pad at an end. The electrode lead (116) was formed integrally. Thereafter, each humidity sensor element (11) was cut out by dicing, and a predetermined portion was masked. Then, a fluorine-containing resin liquid (manufactured by DuPont, trade name "Nafion") containing 20% by mass of a fluorine-based resin and tetraethoxysilane (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) are mixed and obtained through a predetermined process. The sol solution thus obtained was spin-coated on the surface of the mask provided with the humidity sensor element. Next, the mask was removed and heat treatment was performed at 150 ° C. for 2 hours to form a gas-sensitive layer (117). Thereafter, each humidity sensor element is bonded to the package base (12), and bonding is performed from a bonding pad of the lead (116) for the detection electrode to a predetermined pin (121) using a bonding wire (13) made of gold. Sensor (1) was obtained.
[0018]
(2) Comparative Example 1 (the lower layer of the detection electrode is made of tantalum and the upper layer is made of platinum)
On the second silica film obtained in the same manner as in the above (1), a lower layer is a 20 nm-thick tantalum layer and an upper layer is a 40 nm-thick platinum layer by sputtering. The same detection electrode (115) and detection electrode lead (116) as in (1) above were formed. Otherwise, the humidity sensor of Comparative Example 1 was obtained in the same manner as in the above (1). This humidity sensor differs from the humidity sensor of the present invention in that the surface of the detection electrode is a platinum layer.
[0019]
[2] Evaluation of Humidity Sensor (1) Measurement of Impedance First, the impedance between the initial detection electrodes of the respective humidity sensors of Example 1 and Comparative Example 1 obtained in [1] (1) and (2) above ( (Applied voltage AC 1 V,
[0020]
(2) Observation by Optical Microscope and EPMA In each humidity sensor obtained in the above [1] (1) and (2), an enlarged image of the detection electrode by an optical microscope before the endurance test and an image after the endurance test of 30 cycles. An enlarged image of the detection electrode by an optical microscope was obtained. These enlarged images are shown in FIGS. The humidity sensor of Comparative Example 1 was obtained by measuring the same part of each detection electrode before and after the durability test with an electron probe microanalyzer (hereinafter simply referred to as “EPMA”). The resulting color map (black and white converted) is shown in FIGS.
[0021]
[3] Effect of Example From the above [2] (2), FIG. 5 shows the state of the detection electrode of the humidity sensor of Comparative Example 1 before the durability test. FIG. 6 shows the humidity sensor of Comparative Example 1 after a 30-cycle durability test. The thin white line (meandering shape) in each figure is a temperature measurement electrode, and the thick comb-shaped white line (115 in the figure) is a detection electrode. Comparing the detection electrodes of the two optical microscope images, it can be seen in FIG. 6 that most of the comb-shaped detection electrodes have disappeared. It can also be seen that a new black line (2 in FIG. 6) is observed.
[0022]
FIGS. 7 and 8 show portions with particularly high Pt concentrations in lighter colors. According to this, a tip portion of the comb-shaped detection electrode is recognized in a portion surrounded by a white line ellipse in FIG. 7, while a comb-shaped detection electrode recognized in FIG. It can be seen that the tip is not recognized and a line (2 in FIG. 8) which is not recognized in FIG. This is the black line observed in FIG. 6, and it can be seen that platinum was formed by aggregation. That is, it can be confirmed that the detection electrode formed in a comb shape before the endurance test aggregates into a unique shape after the endurance test, and most of the tip of the detection electrode has disappeared.
[0023]
According to the graph of FIG. 2, the impedance of the comparative example 1 after the durability test was 2.3 times at 45 RH%, 6.5 times at 55 RH%, and 12 times at 70 RH% compared to the impedance before the durability test. It can be seen that they are increased 12 times at 85 RH% and 8.8 times at 90 RH%.
From these results, in the humidity sensor (Comparative Example 1) in which the surface portion of the detection electrode has Pt as the main component and has the detection electrode formed in direct contact with the acidic polymer electrolyte, the platinum gradually becomes higher as the measurement is repeated. It is considered that aggregation occurs, the impedance increases, and the measurement accuracy decreases.
[0024]
On the other hand, in the humidity sensor having the detection electrode made of only tantalum (Example 1), FIGS. 3 and 4 which are explanatory diagrams using an optical microscope image show the detection electrode both before and after the durability test. No difference is recognized. FIG. 2 also shows that the impedance decreases as the relative humidity increases, and that the lower layer conventionally used is made of tantalum and the upper layer shows the same impedance characteristics as the detection electrode made of platinum.
From these results, it can be seen that the humidity sensor of Example 1 having the detection electrode made of only tantalum can exhibit high durability and exhibit excellent measurement performance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of an example of a gas sensor (humidity sensor) of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a correlation between relative humidity and impedance measured in an example.
FIG. 3 is an explanatory diagram based on an optical microscope image before a durability test of the humidity sensor of Example 1.
FIG. 4 is an explanatory diagram based on an optical microscope image after a durability test of the humidity sensor of Example 1.
FIG. 5 is an explanatory diagram based on an optical microscope image before a durability test of a humidity sensor of Comparative Example 1.
FIG. 6 is an explanatory diagram based on an optical microscope image after a durability test of the humidity sensor of Comparative Example 1.
FIG. 7 is an explanatory diagram using an EPMA element map before a durability test of the humidity sensor of Comparative Example 1.
FIG. 8 is an explanatory diagram based on an EPMA element map after a durability test of the humidity sensor of Comparative Example 1.
[Explanation of symbols]
1; gas sensor (humidity sensor), 11; gas sensor element (humidity sensor element), 111; substrate (silicon substrate), 112; first insulating layer (first silica film), 113; electrode for temperature measurement, 114; Insulating layer (second silica film), 115; detecting electrode, 116; lead for detecting electrode, 117; gas-sensitive layer, 12; package base, 121; pin, 13; bonding wire, 2: aggregate of platinum.
Claims (4)
該基板上に設けられ、酸性高分子電解質を含有したガス感応層と、
該ガス感応層に接して設けられた検知電極と、を備え、
該検知電極の少なくとも該ガス感応層と接する検知電極表面部はTaを主成分とすることを特徴とする湿度センサ。Board and
A gas-sensitive layer provided on the substrate and containing an acidic polymer electrolyte,
A detection electrode provided in contact with the gas-sensitive layer,
A humidity sensor characterized in that at least a surface of the sensing electrode in contact with the gas-sensitive layer has Ta as a main component.
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2003
- 2003-03-25 JP JP2003083840A patent/JP2004294127A/en active Pending
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