JP2002328110A

JP2002328110A - 静電容量センサ

Info

Publication number: JP2002328110A
Application number: JP2001132479A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ogura; 勉小倉; Sachiko Obara; 幸子小原
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2001-04-27
Publication date: 2002-11-15
Also published as: WO2002088693A1

Abstract

(57)【要約】【課題】高温高湿環境下においてもドリフト劣化が抑
制されている静電容量センサ、とりわけ湿度検出センサ
を提供する。【解決手段】一対の電極２Ａ，２Ｃの間に高分子膜２
Ｂが介在するセンサ本体２が、上下方向に貫通する少な
くとも１個の貫通孔１Ａを有する基板１の片面に配置さ
れている静電容量センサ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静電容量センサに関
し、更に詳しくは、高温高湿環境下で湿度検出センサと
して使用して有効な静電容量センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】感湿材料として高分子膜を用いた湿度検
出センサは、大別して静電容量を測定するタイプのもの
と電気抵抗を測定するタイプの２種類がある。これらの
うち、静電容量を測定して湿度を検出するタイプのもの
は、湿度応答性が良好で、ヒステリシスが小さく、感湿
特性の湿度依存性も小さく、計測可能な湿度・温度範囲
も広いという特徴を備えている。

【０００３】このタイプのセンサは、一般に、次のよう
な構造になっている。すなわち、基板の片面に、薄い下
側電極と電気絶縁性でかつ感湿特性を有する高分子膜と
多孔質構造の薄い上側電極とをこの順序で積層して成る
センサ本体が形成され、下側電極と上側電極のそれぞれ
からはリード線を引き出した構造である。その場合、基
板としては電気絶縁性で適当な強度を有する絶縁材料が
使用され、それでセンサ全体の強度を確保している。

【０００４】したがって、このセンサ構造において、基
板上に形成されている上記センサ本体は、平行平板型の
コンデンサ構造になっている。このセンサは次のような
作動原理に基づいて環境中の湿度を検出する。上記セン
サをある相対湿度の環境下に置くと、環境中の水蒸気ガ
ス（水分子）は多孔質構造の上側電極を透過してその下
に位置する高分子膜の表面にまで到達し、更に、当該高
分子膜の内部に吸蔵される。

【０００５】その場合の吸蔵現象は、環境中の相対湿度
との間で平衡状態が形成されるまで続行する。そして、
平衡状態が形成されたのちにあっては、水蒸気ガスの高
分子膜への吸蔵と吸蔵ガスの高分子膜からの脱離とが進
行し、結局、高分子膜は、環境中の相対湿度に対応する
ある一定量の水蒸気ガスが吸蔵された状態になる。とこ
ろで、高分子膜内への水蒸気ガスの上記した吸蔵量は、
環境中の相対湿度に比例する。また、コンデンサ構造に
なっている上記センサ本体の静電容量は高分子膜に吸蔵
されている水蒸気ガスの吸蔵量に比例する。

【０００６】したがって、上側電極と下側電極から引き
出されている各リード線をインピーダンスアナライザに
接続して、センサ本体の静電容量に関する出力信号を検
出すれば、その出力信号に基づいて高分子膜への水蒸気
ガスの吸蔵量、すなわち、環境中の相対湿度を測定する
ことができる。そして、実際の湿度検出は次のようにし
て行われる。

【０００７】まず、組み立てたセンサの感湿特性が測定
される。すなわち、温度２５℃で、相対湿度がｘ₀，
ｘ₁，…ｘ_nである基準環境を形成し、各基準環境の中に
センサを配置してインピーダンスアナライザで各基準環
境下におけるセンサの検出信号（静電容量）ｃ₀，ｃ₁，
…ｃ_nを測定する。そして、相対湿度と検出信号との関
係：ｘ₀ vs ｃ₀，ｘ₁ vs ｃ₁，…ｘ_n vs ｃ_nを把
握し、これを測定装置に記憶させておく。

【０００８】そして実際の湿度検出が行われる。すなわ
ち、このセンサを湿度測定対象の環境下に配置し、その
ときの出力信号を検出する。その出力信号が、仮にｃ_n
であったとすれば、測定対象の環境における相対湿度を
ｘ_nとして測定装置が読みとる。この検出方式は、上記
した水蒸気ガス以外の分子、例えば極性を有するホルム
アルデヒド，アセトン，アルコールなどに対しても適用
することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
た静電容量測定型の湿度検出センサには次のような問題
がある。すなわち、高温高湿環境下で長時間使用してい
ると、その環境における真実の相対湿度に対応した出力
信号（静電容量）ではなく、前記相対湿度よりも高い相
対湿度に対応した出力信号（静電容量）を発信するとい
う傾向を示すことである。

【００１０】例えば、環境の真実の相対湿度がｘ_nであ
ったとしても、そのときのセンサの出力信号はｃ_n＋Δ
ｃとなってしまい、センサとしては環境の相対湿度をｘ
nとして表示するのではなく、ｘ_n＋Δｘとして表示す
る。逆にいえば、センサの出力信号がｃ_nであったとし
ても、環境の真実の相対湿度はｘ_nではなく、ｘ_n＋Δｘ
になっているということである。

【００１１】そしてこのような現象は、通常、センサの
ドリフト劣化と呼ばれている。本発明は、静電容量測定
型の湿度検出センサにおける上記した問題、すなわち、
ドリフト劣化の発生を抑制するように構造設計されてい
る静電容量センサの提供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
目的を達成するための研究過程で、静電容量測定型の湿
度検出センサにおけるドリフト劣化の発生要因に関して
以下のような考察を行った。（１）一般に高分子膜は、高分子の重縮合によって形成
された骨格部と、この骨格部の中に微細孔の形態をとっ
て３次元的に分布する自由体積部とで構成されている。
そして、水蒸気ガスの高分子膜への吸蔵現象とは、水蒸
気ガスが上記した自由体積部に捕捉される現象であると
解釈することができる。

【００１３】したがって、センサが環境の相対湿度と平
衡状態にあるということは、高分子膜の上記自由体積部
に、相対湿度に見合った水蒸気ガスが吸収されており、
そのうえで等量の吸蔵水蒸気ガスと脱離水蒸気ガスが自
由体積部に出入りしている状態であると考えてよい。（２）そして、このセンサが高温高湿環境下に置かれる
と、高分子膜は膨潤する。その場合、高分子膜の骨格部
と自由体積部の双方はいずれも膨張するが、仮に高分子
膜が非拘束状態にあれば、膨張後における骨格部と自由
体積部との相互割合は膨張前、すなわち、前記した基準
環境下における状態とほとんど変わらない。

【００１４】しかしながら、このセンサにおいては、高
分子膜の一方の膜面（下面）は下側電極を介して基板に
固定されて拘束状態にあるため、その近辺の高分子膜は
膨張せず、自由体積部のみが膨張する。その結果、高分
子膜には応力が蓄積され、同時に、高分子膜における自
由体積部の相対的な割合が熱膨張前に比べて増大する。

【００１５】（３）このような状態は、自由体積部に吸
蔵される水蒸気ガスが熱膨張前（すなわち基準環境下の
状態）よりも増量することを意味する。したがって、こ
の状態で計測される静電容量は、基準環境下で計測され
た静電容量に比べて、増量した水蒸気ガスの誘電率に相
当する分だけ大きい値となる。逆にいえば、仮に高温高
湿環境下におけるセンサの検出信号がｃ_nであったとし
ても、それは基準環境下で計測した相対湿度ｘ_nに相当
する信号ではなく、実際は相対湿度ｘ_n＋Δｘに対応す
る信号を意味していると考えられる。

【００１６】ドリフト劣化に関する以上の考察を踏まえ
ることにより、本発明者らは、高分子膜を基板に拘束し
ない状態でセンサを構成すれば、高温高湿環境下におけ
る熱膨張に伴う応力蓄積と自由体積部の相対的な割合の
増大を抑制することができ、もってドリフト劣化の抑制
が可能になるとの着想を抱き、この着想に基づいて本発
明の静電容量センサを開発するに至った。

【００１７】すなわち、本発明の静電容量センサは、一
対の電極の間に高分子膜が介在するセンサ本体が、基板
の厚み方向に貫通する少なくとも１個の貫通孔を有する
基板の片面に配置されていることを特徴とする。具体的
には、前記センサ本体が、下側電極と高分子膜と多孔質
構造または網目状構造の上側電極とをこの順序で積層し
て成る静電容量センサ（これをセンサＡという）、また
は、前記センサ本体が、前記基板の表面に所定の間隔を
置いて立設された一対の電極と、少なくとも前記一対の
電極の間に配置された高分子膜とから成る静電容量セン
サ（これをセンサＢという）が提供される。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の静電容量センサを、湿度
検出センサを例にして以下に詳細に説明する。最初に、
センサＡについて説明する。まず、図１に本発明のセン
サＡの１例Ａ₁を示す。このセンサＡ₁は、厚み方向に貫
通する貫通孔１Ａが中央に１個形成されている枠形状を
した基板１の上に、前記した貫通孔１Ａの上部開口を閉
塞するようにして、下側電極２Ａと高分子膜２Ｂと多孔
質構造または網目状構造の上側電極２Ｃとをこの順序で
積層してなる平行平板型のコンデンサ構造のセンサ本体
２が配置されている。そして、下側電極２Ａと上側電極
２Ｃの端部には、それぞれ、例えば導電性接着剤を用い
てリード線３ａ，３ｂが接続されている。

【００１９】このセンサＡ₁の場合、センサ本体２のコ
ンデンサ領域は、基板１の貫通孔１Ａを閉塞した状態で
中空保持された構造になっている。したがって、センサ
本体２における下側電極２Ａの下面は、基板の貫通孔１
Ａを介して環境と直接接触している。このセンサＡ₁は
次のようにして製造することができる。それを図面に則
して説明する。

【００２０】まず、図２で示したように、所定形状の基
板１の上に、例えば真空蒸着法やスパッタ法を適用して
電極材料を成膜して下側電極２Ａを形成する。基板１と
しては、電気絶縁性の材料から成る基板であれば何であ
ってもよく、例えば、ガラス；石英；シリコン；窒化ケ
イ素，窒化アルミニウム，ジルコニア，サイアロンのよ
うなセラミックス；サファイアなどの基板をあげること
ができる。これらのうち、ガラス基板は価格の点や後述
する基板加工が行いやすいなどの点から好適である。

【００２１】また、下側電極２Ａの材料としては導電性
材料から成るものであれば何であってもよく、例えば、
Ｐｔ，Ｃｒ，Ａｕ，Ｎｂ，Ｒｕ，Ｔｉ，Ｔａ，Ａｌ，
Ｗ，Ｃ，Ｓｉ，Ｎｉ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｃｕ，ＲｕＯ₂，Ｉ
ＴＯなどをあげることができる。これらのうち、湿度測
定環境が腐食性環境であることを想定した場合に、Ａ
ｕ，Ｐｔ，Ｔａ，Ｎｂ，Ｃｒ，Ｔｉなどの耐食性材料で
あることが好ましい。とくにＰｔであることが好まし
い。

【００２２】この下側電極２Ａの厚みは格別限定される
ものではないが、通常は、０.０２〜１μｍ程度にすれ
ばよい。ついで、図３で示したように、下側電極２Ａを
埋設して高分子膜２Ｂが成膜される。この高分子膜２Ｂ
の構成材料としては、電気絶縁性でかつ感湿特性を備え
るものであれば何であってもよく、例えば、ポリイミ
ド，ポリスルホン，ポリエーテルスルホン，ポリエーテ
ルイミド，ポリエーテル，ポリアミドイミド，ポリフェ
ニレンオキサイド，ポリカーボネート，ポリメタクリル
酸メチル，ポリブチレンテレフタレート，ポリエチレン
テレフタレート，ポリエチルエーテルケトン，ポリエー
テルケトン，セルロースアセテートブチル，セルロース
アセテートなどの有機高分子材料、および架橋高分子材
料をあげることができる。

【００２３】これらのうち、腐食環境下でも変質を起こ
しづらく、感湿特性の長期安定性が良好であるという点
で架橋ポリイミドが好適である。この高分子膜２Ｂの厚
みは、上側・下側電極の有効面積を一定とした場合、製
造したセンサの静電容量と反比例する関係にあるので、
あまり厚くすると検出信号の精度低下を招く。逆に、あ
まり薄くすると、膜としての均質性と絶縁性が劣化して
得られる検出信号の信頼性の低下を招く。このようなこ
とから、膜厚は、通常、０.５〜１０μｍ程度に設定さ
れる。

【００２４】この高分子膜２Ｂの形成に際しては、ま
ず、所定の材料から成り、所定の粘度に調整した樹脂液
を調製する。そして、その樹脂液を、適正な温度下で下
側電極の上に例えばスピンコート法で塗布する。つい
で、適正な温度下で例えば乾燥することにより塗膜を硬
化させて目的とする高分子膜２Ｂにする。この過程で、
樹脂液の塗布厚みを調整することにより、最終的な高分
子膜の膜厚が制御される。

【００２５】ついで、図４で示したように、高分子膜２
Ｂの上に例えば真空密着法やスパッタ法を適用して多孔
質構造または網目状構造の上側電極２Ｃを成膜してコン
デンサ構造のセンサ本体２を形成する。上側電極２Ｃの
形成に用いる電極材料としては、例えば、Ｃｒ，Ａｕ，
Ｐｔ，Ｎｂ，Ｒｕ，Ｔｉ，Ｔａ，Ａｌ，Ｗ，Ｃ，Ｓｉ，
Ｎｉ，Ａｇ，Ｐｄ，Ｃｕなどをあげることができる。こ
れらのうち、Ｃｒは耐食性に優れていると同時に、電極
形成時に微細クラックが発生して多孔質構造になりやす
く、そのため、センサの検出応答性を高めるので好適で
ある。

【００２６】この上側電極２Ｃの厚みをあまり厚くする
と、環境における湿度変化に対する応答速度の低下が起
こりはじめ、逆に薄くなりすぎると、電極面が島状構造
に近づいて電極としての導電性が低下するようになるの
で、その厚みは、通常、１０〜３００nm程度に設定され
る。ついで、図５に示したように、基板１の裏面に例え
ばフォトリソグラフィー技術を適用して、貫通孔を形成
すべき箇所以外の表面を被覆するレジストマスク４を形
成する。

【００２７】ついで、表出している表面１Ｂに対して、
例えば誘導結合プラズマ（inductively-coupled plasm
a：ICP）エッチング法を適用して下側電極２Ａの裏面に
至るまでの基板材料をエッチング除去する。その結果、
基板１には図１で示したような貫通孔１Ａが形成され、
その上部からは下側電極２Ａの裏面が表出する。そして
最後に、高分子膜２Ｂの端部を除去して下側電極２Ａの
端部表面を表出させ、そこにリード線３ａを接続し、ま
た上側電極２Ｃの端部にリード線３ｂを接続して、図１
で示したセンサＡ₁が製造される。

【００２８】このセンサＡ₁の場合、センサ本体２は基
板１の周端部で保持され、その中心部に位置するコンデ
ンサ構造における下側電極２Ａは基板１に固定されてお
らず、したがって、コンデンサ構造は貫通孔１Ａの上で
中空保持された状態になっている。このセンサＡ₁を高
温高湿環境下に配置すると、高分子膜２Ｂは熱膨張す
る。しかしながら、センサ本体２は下側電極２Ａを介し
て基板１に拘束されることなく中空保持されているの
で、高分子膜２Ｂに対する拘束は軽減され、高分子膜２
Ｂはその熱膨張に追随して比較的自由に動き得る。

【００２９】したがって、高分子膜２Ｂへの応力蓄積は
緩和され、同時に、その骨格部と自由体積部の熱膨張
は、基準環境下における両者の割合を保持した状態で進
行するため、熱膨張後にあっては、自由体積部の相対的
な割合が増大するということは起こりづらくなる。その
ため、このセンサＡ₁では、高温高湿環境下におけるド
リフト劣化が抑制される。

【００３０】図６は、本発明の別のセンサ例Ａ₂を示
す。このセンサＡ₂の場合は、貫通孔１Ａの上部から下
側電極２Ａと高分子膜２Ｂの一部が表出した構造になっ
ている。このセンサＡ₂では、センサ本体２が貫通孔１
Ａの上で中空保持されているので、センサＡ₁の場合と
同様に熱膨張時における高分子膜２Ｂへの応力蓄積が緩
和される。そしてそのことに加えて、高分子膜２Ｂの一
部表面が環境中に表出しているので、高分子膜２Ｂの熱
膨張に伴う自由体積部の増大により過剰に吸蔵された水
蒸気ガスは環境中へ脱離しやすく、そのため、基準環境
下における感湿特性が高温高湿環境下でも維持されやす
い。更には、高分子膜２Ｂは、上側電極２Ｃ側からだけ
ではなく、下方からも水蒸気ガスと接触するので、環境
の相対湿度と平衡状態になるまでの時間が短い、すなわ
ちセンサの応答性が向上するという効果も発揮する。ま
た、下側電極２Ａを多孔質構造または網目構造にするこ
とで応答性を更に向上させることができる。

【００３１】上記したセンサＡ₁とセンサＡ₂を対比する
と、センサＡ₁の場合は、応答性はセンサＡ₂に比べて遅
いが貫通孔１Ａの上部開口は下側電極２Ａで閉塞されて
高分子膜２Ｂを環境から保護している状態にあるため、
電気的特性の安定性は優れている。以上説明したセンサ
Ａ₁，センサＡ₂は、いずれも、その基板１に１個の貫通
孔を形成した場合であるが、本発明はこの形態に限定さ
れるものではなく、例えば図７で示したように、基板１
に複数個の貫通孔１Ａを形成したセンサであってもよ
い。その場合、貫通孔１Ａの上部開口は、そのすべてが
下側電極２Ａの裏面に達していてもよく、また一部は下
側電極の裏面に、残りは高分子膜の裏面に達していても
よい。更には、図８で示したように、枠形状をした基板
１の片面に、平面視形状が三角形であるセンサ本体２を
片持ち状態で中空保持した構造のものであってもよい。

【００３２】次に、本発明のセンサＢの１例を図９と図
１０に示す。図９はセンサＢの平面図、図１０は図９の
Ｘ−Ｘ線に沿う断面図である。このセンサＢは、貫通孔
１Ａを有する基板１の片面に、平面図である図９で示し
たような少なくとも一対の電極２Ｄ，２Ｅが櫛歯状に立
設されている。これらの電極２Ｄ，２Ｅは、互いに所定
の間隔を置いて略垂直に立設されていて、それぞれは平
面電極になっている。そして、基板１の表面には樹脂液
を塗布した後それを硬化することにより、電極２Ｄ，２
Ｅの間に高分子膜２Ｂが介在した構造になっている。

【００３３】したがって、ある一対の電極２Ｄ，２Ｅと
その間に介在する高分子膜２Ｂで１個のコンデンサ構造
から成るセンサ本体が形成されているので、高分子膜２
Ｂの吸湿に伴う静電容量の変化は、上記した一対の電極
２Ｄ，２Ｅからの検出信号として取り出すことができ
る。その場合、このセンサ本体における高分子膜２Ｂ
は、前記したセンサＡにおける高分子膜の場合とは異な
る挙動を示す。すなわち、センサＢを高温高湿環境下に
置くと高分子膜２Ｂは熱膨張しようとするが、しかし、
両側に位置する電極２Ｄ，２Ｅによってその熱膨張は抑
制される。したがって、高分子膜２Ｂは基準環境下の状
態を維持することになり、結局、ドリフト劣化は抑制さ
れることになる。

【００３４】そして、高分子膜２Ｂは上方からも、また
貫通孔１Ａを介して下方からも、直接、水蒸気ガスと接
触するので、このセンサＢの応答性は優れたものにな
る。

【００３５】

【実施例】１．センサの製造図１で示したセンサＡ₁を次のようにして製造した。厚
み０.５mmのガラス板の上に、真空蒸着法でＰｔを堆積
して厚み５００nmの下側電極２Ａを形成し（図２）、更
にその上に、ポリイミドから成る樹脂液を塗布したのち
温度３００℃で熱処理して厚み５μｍの架橋ポリイミド
膜（高分子膜）２Ｂを成膜した（図３）。そして、この
架橋ポリイミド膜の上に、スパッタ法で金属Ｃｒを堆積
して厚み１００nmの上側電極２Ｃを形成し、ガラス板の
片面にセンサ本体２を配置した（図４）。

【００３６】ついで、ガラス板の裏面にレジストを塗布
したのちフォトリソグラフィーを行い、ガラス板の裏面
端部に枠状のレジストマスク４を形成した（図５）。つ
いで、ＩＣＰエッチング装置を用いて、表出しているガ
ラス板の裏面から下側電極までの板厚部をエッチング除
去し、センサ本体２をガラス板で中空保持した構造を製
造した。そして、ポリイミド膜２Ｂの一部を除去して下
側電極２Ａの端部を表出させ、この端部と上側電極２Ｃ
の端部のそれぞれにＣｕ製のリード線３ａ，３ｂを導電
性接着剤で接続して、図１で示したセンサＡ₁とした。

【００３７】比較のために、ガラス板にエッチング処理
を行わずガラス板の片面にセンサ本体２が配置されてい
るセンサを製造した。これをセンサＡ₁’とする。２．ドリフト劣化の測定（１）まず最初に、各センサにおける相対湿度１％当た
りの静電容量の変化値を測定する。

【００３８】いずれも温度が２５℃で、相対湿度が例え
ば１０％，２０％，３０％，４０％，５０％，６０％，
７０％，８０％，９０％の９水準で管理されている環境
を作成し、これら環境にセンサを配置し、そのときの静
電容量を測定する。測定は、ＬＣＺメータ（測定条件：
周波数１００kHz，印加電圧１.０Ｖ）で行った。得られ
た計測値を縦軸に、上記相対湿度を横軸にしてプロット
する。測定温度は２５℃と低温であるため、相対湿度と
計測値（静電容量）は比例関係にあり、直線が得られ
る。

【００３９】そして、この直線の勾配を求めれば、得ら
れた値は、相対湿度が１％変化したときにセンサで計測
される静電容量の変化量を意味し、その値はセンサに用
いた高分子膜の種類で一義的に決まる。単位は（静電容
量／１％相対湿度）である。センサＡ₁，センサＡ₁’に
関して得られた変化値（ａ１）は、いずれも０.２であ
った。

【００４０】（２）ドリフト劣化の測定基準環境として、温度２５℃，相対湿度１０％の環境
（Ｉ），温度２５℃、相対湿度５０％の環境（II），温
度２５℃，相対湿度９０％の環境（III）を設定した。
各環境の中にセンサＡ₁，センサＡ₁’を配置し、そのと
きの静電容量を測定した。センサＡ₁，センサＡ₁’はい
ずれも、環境（Ｉ）の場合は１９２ｐＦ，環境（II）の
場合は２００ｐＦ，環境（III）の場合は２０８ｐＦで
あった。

【００４１】ついで、センサＡ₁，センサＡ₁’を、環境
（Ｉ），（II），（III）から温度４０℃、相対湿度９
０％の高温高湿環境下に移してそこに放置した。２００
時間経過後，６００時間経過後，１０００時間経過後に
センサを取り出し、直ちに、元の環境（Ｉ），（II），
（III）に戻してその環境下において静電容量を測定し
た。

【００４２】そして、得られた測定値（ｃ）と、各セン
サの１％相対湿度当たりの静電容量の変化値（ａ）とを
用いて、以下のようにしてｃ／ａ値を求めた。すなわ
ち、環境（Ｉ）の場合：（高温高湿環境下に放置後における
相対湿度１０％のときの静電容量−初期高温高湿環境下
に放置前の相対湿度１０％のときの静電容量）／ａ＋１
０環境（II）の場合：（高温高湿環境下に放置後における
相対湿度５０％のときの静電容量−初期高温高湿環境下
に放置前の相対湿度５０％のときの静電容量）／ａ＋５
０環境（III）の場合：（高温高湿環境下に放置後におけ
る相対湿度９０％のときの静電容量−初期高温高湿環境
下に放置前の相対湿度９０％のときの静電容量）／ａ＋
９０以上の結果を、環境（Ｉ）の場合は図１１に、環境（I
I）の場合は図１２に、環境（III）の場合は図１３にそ
れぞれ示した。

【００４３】（３）評価図１１〜図１３において、横軸のゼロ点における縦軸の
値は、環境（Ｉ），環境（II）または環境（III）での
センサの静電容量に関する特性値である。この値は、セ
ンサＡ₁，センサＡ₁’がいずれも同種の高分子膜を用い
ているので同じ値になっている。

【００４４】ところが、センサＡ₁，センサＡ₁’を高温
高湿環境下に放置すると、両者は次のような挙動を示
す。例えば、図１１において、センサＡ₁を２００時間
放置したのち再び環境（Ｉ）に戻して静電容量を測定す
ると、ｃ／ａ値は約１０.５を示すが、センサＡ₁’の場
合は約１２.１のｃ／ａ値を示している。高温高湿環境
下に放置する前、すなわち環境（Ｉ）におけるｃ／ａ値
がセンサＡ₁，センサＡ₁’はいずれも１０.０であった
ことを考えると、高温高湿環境下に２００時間放置され
ることにより、センサＡ₁のｃ／ａ値は約０.５（１０.
５−１０.０）大きくなり、センサＡ₁’のｃ／ａ値は
１.６（１２.１−１０.５）大きくなっている。

【００４５】このｃ／ａ値の増量は、高分子膜に吸蔵さ
れた水蒸気ガスが環境（Ｉ）のときよりも増量している
ことを示している。すなわち、センサＡ₁，センサＡ₁’
のいずれにおいても、高温高湿環境下で２００時間放置
しておくと、高分子膜の熱膨張によりその自由体積部が
増加して水蒸気ガスの吸蔵量は増加するが、再び環境
（Ｉ）に戻しても、高分子膜における水蒸気ガスの吸蔵
量は元の状態に復元せず、高分子膜内に増加した水蒸気
ガスが脱離することなく残留していることを示してい
る。その結果がｃ／ａ値の増量である。

【００４６】したがって、図１１において、ｃ／ａ値
が、環境（Ｉ）におけるｃ／ａ値（基準値）、すなわ
ち、横軸のゼロ点における縦軸の値から離れた値を示す
センサほど、上記した水蒸気ガスの残留量が多くなって
いることを意味しているので、高温高湿環境下で検出さ
れる信号は、その環境下における真実の相対湿度に対応
する信号ではなく、それよりも高い相対湿度に対応する
信号になっている。

【００４７】このようなことから、図１１におけるセン
サＡ₁とセンサＡ₁’を対比すると、センサＡ₁のｃ／ａ
値は基準値よりも大きいとはいえ、センサＡ₁’の場合
に比べてその差は小さい。すなわち、センサＡ₁はセン
サＡ₁’に比べて高温高湿環境下におけるそのドリフト
劣化が抑制されている。これは、センサＡ₁とセンサ
Ａ₁’で用いた高分子膜が同種であるとはいえ、センサ
Ａ₁の場合はセンサ本体を中空保持した構造にしている
ことを考えれば、その構造の有効性を明確に示してい
る。

【００４８】このセンサ構造は、基準環境を高湿側に設
定すればするほど有利であることが図１２と図１３から
明らかである。

【００４９】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
静電容量センサは、それを湿度検出センサとして用いた
場合、高温高湿環境下においてもドリフト劣化を起こし
づらく、信頼性の高い湿度信号を発信している。これ
は、センサ本体が配置されている基板に、センサ本体に
まで到達する貫通孔を設けることにより、センサ本体の
高分子膜の熱膨張時における自由度を確保して高分子膜
の応力蓄積を緩和させるように構造設計したことによっ
てもたらされた効果である。

【００５０】したがって、このセンサは、例えば燃料電
池における湿度検出や、施設園芸栽培分野のように極め
て高湿の環境を形成することが必要とされる分野に使用
して有効である。なお、以上の説明は測定対象が環境中
の湿度である場合について行ったが、本発明の静電容量
センサはこれに限定されるものではなく、高分子膜への
吸蔵とその脱離により静電容量を変化させるようなガス
類であれば、それを検出対象とするセンサとして使用す
ることもできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のセンサの１例Ａ１を示す断面図であ
る。

【図２】センサＡ₁を製造する際に、基板上に下側電極
を形成した状態を示す断面図である。

【図３】高分子膜を成膜した状態を示す断面図である。

【図４】上側電極を形成した状態を示す断面図である。

【図５】基板の裏面にレジストマスクを形成した状態を
示す断面図である。

【図６】本発明のセンサの別の例Ａ₂を示す断面図であ
る。

【図７】本発明のセンサの更に別の例を示す断面図であ
る。

【図８】本発明のセンサの更に他の例を示す斜視図であ
る。

【図９】本発明のセンサの別の例Ｂを示す平面図であ
る。

【図１０】図９のＸ−Ｘ線に沿う断面図である。

【図１１】基準環境を温度２５℃，相対湿度１０％（環
境（Ｉ））としたときの、高温高湿環境中へのセンサの
放置時間とｃ／ａ値との関係を示すグラフである。

【図１２】基準環境を温度２５℃，相対湿度５０％（環
境（II））としたときの、高温高湿環境中へのセンサの
放置時間とｃ／ａ値との関係を示すグラフである。

【図１３】基準環境を温度２５℃，相対湿度９０％（環
境（III））としたときの、高温高湿環境中へのセンサ
の放置時間とｃ／ａ値との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１基板１Ａ基板１の貫通孔２センサ本体２Ａ下側電極２Ｂ高分子膜２Ｃ上側電極２Ｄ，２Ｅ平板電極３ａ，３ｂリード線４レジストマスク

フロントページの続きＦターム(参考） 2G060 AA01 AB02 AB19 AB21 AB22 AE19 AF03 AF06 AF10 AF11 AG08 AG11 BA09 BB10 HA02 HC10 HC19 HE03 JA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一対の電極の間に高分子膜が介在するセ
ンサ本体が、基板の厚み方向に貫通する少なくとも１個
の貫通孔を有する基板の片面に配置されていることを特
徴とする静電容量センサ。
【請求項２】前記センサ本体が、下側電極と高分子膜
と多孔質構造または網目状構造の上側電極とをこの順序
で積層して成る請求項１の静電容量センサ。
【請求項３】前記センサ本体が、前記基板の表面に所
定の間隔を置いて立設された一対の電極と、少なくとも
前記一対の電極の間に配置された高分子膜とから成る請
求項１の静電容量センサ。