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WO2020009164A1 - 複合センサー - Google Patents

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WO2020009164A1
WO2020009164A1 PCT/JP2019/026518 JP2019026518W WO2020009164A1 WO 2020009164 A1 WO2020009164 A1 WO 2020009164A1 JP 2019026518 W JP2019026518 W JP 2019026518W WO 2020009164 A1 WO2020009164 A1 WO 2020009164A1
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WO
WIPO (PCT)
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terminal
sensor
humidity
sensitive member
moisture
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP2019/026518
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English (en)
French (fr)
Inventor
宏 白木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Murata Manufacturing Co Ltd filed Critical Murata Manufacturing Co Ltd
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Priority to EP19831012.0A priority patent/EP3767285B1/en
Priority to JP2020529036A priority patent/JP6965995B2/ja
Publication of WO2020009164A1 publication Critical patent/WO2020009164A1/ja
Priority to US17/125,482 priority patent/US11346801B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Priority to JP2021171642A priority patent/JP7164003B2/ja
Ceased legal-status Critical Current

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    • G01N27/226—Construction of measuring vessels; Electrodes therefor

Definitions

  • the present invention relates to a composite sensor capable of detecting humidity and temperature.
  • the resistance change type has an advantage that the structure is simple, but has a disadvantage that accuracy is poor and low humidity and high humidity cannot be measured.
  • the capacitance change type the capacitance changes linearly with humidity change in a wide humidity range of 0 to 100% RH. For this reason, there is an advantage that accuracy is good, and it is used in a wide range of applications.
  • Resistance change type humidity sensor materials include Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SnO 2 , ZnO, In 2 O 3 , and polymer materials (such as polymer electrolytes and conductive polymers).
  • the resistance change type humidity sensor measures the relative humidity in the atmosphere by measuring the change in electric resistance when water is adsorbed on these materials. At the time of measurement, a bridge circuit or the like is often used.
  • the capacitance change type humidity sensor measures the relative humidity in the atmosphere by measuring the change in capacitance when water is adsorbed on these materials.
  • L indicates the inductance of the external inductor
  • C indicates the capacitance of the humidity sensor. It can be seen from this equation that it is necessary to increase the capacitance of the humidity sensor in order to lower the resonance frequency.
  • the clock frequency for detecting the frequency can be lowered, so that the options of the microcomputer are widened, which leads to a reduction in the size and the price of the humidity sensor module. Also, the lower the frequency, the less affected by noise due to parasitic capacitance and disturbance.
  • Patent Document 1 discloses a temperature / humidity sensor having a three-terminal structure.
  • the electrode and the coil-shaped upper electrode are connected by a via at the center.
  • a temperature sensor is manufactured by measuring a change in electrical resistance of Pt due to a change in temperature.
  • the upper electrode also serves as the upper electrode of the humidity sensor, and the humidity can be measured by measuring the change in the capacity of the humidity sensor material between the upper electrode and the lower electrode.
  • a resonance circuit is formed using an inductor and a capacitor formed in the sensor, and humidity measurement is performed by measuring a change in LC resonance frequency.
  • Patent Document 2 discloses a composite sensor in which a humidity sensor is formed on one surface of a substrate and a temperature sensor is formed on another surface. With this configuration, it is possible to reduce the size and to perform the humidity correction of the temperature or the temperature correction of the humidity more accurately by utilizing the fact that the physical distance is shorter than in the case where they are separately arranged.
  • Patent Document 1 a change in electric resistance between two terminals of a resistor formed of a Pt layer is measured at the time of temperature measurement.
  • humidity can be measured by measuring a change in LC resonance frequency using three terminals.
  • this composite sensor since a part (coil part) of the resistance of the Pt layer used in the temperature measurement and the humidity measurement is shared, there is a problem that the temperature and the humidity cannot be measured simultaneously.
  • Patent Document 2 Although the physical distance between the temperature sensor and the humidity sensor is shorter than the case where they are separately arranged, the temperature sensor and the humidity sensor are different. With the substrate in between, there is still a physical distance between the two sensors. As a result, the humidity around the humidity sensor and the humidity around the temperature sensor are not exactly the same. Furthermore, there is a high possibility that a difference occurs between the temperature of the atmosphere and the temperatures of the temperature sensor and the humidity sensor due to the heat capacity of the substrate, particularly when there is a temperature change.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-280767
  • the humidity sensor has a two-terminal structure and the temperature sensor has a two-terminal structure, for a total of four terminals, which requires a large space for actual mounting.
  • Patent Document 2 Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-280767
  • the present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a composite sensor capable of simultaneously measuring temperature and humidity and having improved accuracy. .
  • the composite sensor of the present disclosure is a composite sensor in which a temperature sensor including a temperature-sensitive member whose resistivity changes according to temperature and a humidity sensor including a humidity-sensitive member whose capacitance changes according to humidity are integrated.
  • the composite sensor includes a first terminal commonly used for the temperature sensor and the humidity sensor, a second terminal disposed between the first terminal and the first terminal so as to measure an electrical characteristic of the temperature-sensitive member, And a third terminal arranged so as to be able to measure the electrical characteristics of the moisture-sensitive member.
  • different voltages can be applied to the temperature sensor using the first terminal and the second terminal, and to the humidity sensor using the first terminal and the third terminal. Allows simultaneous measurement of temperature and humidity.
  • the temperature sensor and the humidity sensor are integrated, the temperature correction of the humidity sensor and the humidity correction of the temperature sensor can be performed more accurately.
  • the temperature sensor and the humidity sensor are separately provided because of the integral structure, the size can be reduced during mounting as compared with the case where the temperature sensor and the humidity sensor are separately prepared.
  • the mounting area can be reduced as compared with a composite sensor having a four-terminal structure.
  • FIG. 2 is a perspective view illustrating a configuration of the composite sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a plan view showing an electrode formation surface of a humidity sensor unit of the composite sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III in FIG. 1. It is an equivalent circuit of a composite sensor. It is a figure showing the modification of the sensor element which unified the humidity sensor and the temperature sensor. It is sectional drawing which shows the cross section at the time of covering an electrode with a moisture sensitive member. It is a figure for explaining the electrode of sensor element (3-2) which is an example which laminated an electrode. It is sectional drawing of the sensor element (3-2) which is an example which laminated
  • FIG. 3 is a diagram comparing characteristics of sensor elements (1-1), (3-1), and (3-2). It is sectional drawing which shows the 1st example of the composite sensor which made the humidity sensor part the laminated structure. It is sectional drawing which shows the 2nd example of the composite sensor which made the humidity sensor part the laminated structure.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating a first example of an electrode stacking arrangement.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a second example of the electrode stacking arrangement. It is a figure showing the 3rd example of lamination arrangement of an electrode. It is a figure which shows the example of the plate-shaped counter electrode formed in the same plane. It is a figure which shows the example of the comb-shaped counter electrode formed in the same plane.
  • FIG. 14 is a diagram showing an example of a planar coil electrode used in the fourth embodiment. It is a figure showing the state where a three-dimensional coil was formed inside an element.
  • FIG. 7 is a diagram showing characteristics of sensor elements (4-1), (4-2), and (4-3) side by side.
  • FIG. 5 is a diagram showing characteristics of sensor elements (5-1), (5-2), and (5-3) side by side.
  • FIG. 7 is a diagram showing characteristics of sensor elements (6-1), (6-2), and (6-3) side by side.
  • FIG. 9 is a diagram showing characteristics of sensor elements (7-1), (7-2), and (7-3) side by side.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the shape of a coil electrode of the humidity sensor unit according to the eighth embodiment which is stacked;
  • FIG. 10 is a diagram showing characteristics of sensor elements (6-3), (8-1), and (9-1) side by side. It is an equivalent circuit diagram of the composite sensor of the comparative example.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a configuration of the composite sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a plan view showing an electrode forming surface of the humidity sensor unit of the composite sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a sectional view taken along the line III-III in FIG.
  • the composite sensor 1-1 shown in FIG. 1 is a composite sensor in which a temperature sensor unit 56 including a temperature-sensitive member and a humidity sensor unit 51 including a humidity-sensitive member are integrated.
  • the composite sensor 1-1 is arranged between a first terminal 53 commonly used for the temperature sensor unit 56 and the humidity sensor unit 51 and between the first terminal 53 so as to be able to measure the electrical characteristics of the temperature-sensitive member. It has a third terminal 52 arranged between the second terminal 57 and the first terminal 53 so that the electrical characteristics of the moisture-sensitive member can be measured.
  • the temperature-sensitive member of the temperature sensor unit 56 is disposed so as to be laminated on the humidity-sensitive member of the humidity sensor unit 51. If the surfaces intersecting the stacking direction of the composite sensor are the upper surface FU and the lower surface FL, and the surfaces along the stacking direction of the composite sensor are the side surfaces FS1 to FS4, the first terminal 53 is formed on the side surface FS1.
  • the composite sensor 1-1 has a rectangular parallelepiped shape.
  • the side surface of the rectangular parallelepiped includes first to fourth side surfaces FS1 to FS4, the first terminal 53 is formed on the first side surface FS1, the third side surface FS3 is a side surface opposite to the first side surface FS1, and The terminal 52 is formed on the third side face FS3.
  • the second terminal 57 is formed on the upper surface FU orthogonal to the stacking direction of the composite sensor.
  • the capacitance change type humidity sensor unit 51 and the temperature sensor unit 56 are integrated in a three-terminal structure in which the respective GND terminals are shared.
  • the moisture-sensitive member 2 of the capacitance change type humidity sensor unit 51 include polyimide, polyamide imide, polyamide, cellulose acetate butyrate (CAB), polymethyl methacrylate (PMMA), vinyl crotonate, polyethylene terephthalate, and the like. These mixtures and the like can be used.
  • the electrodes E1 and E2 shown in FIG. 2 on the surface of the humidity-sensitive member 2 as shown in FIG. 3, the capacitance change of the humidity-sensitive member 2 is measured by the terminals 52 and 53 connected to the electrodes E1 and E2, respectively. can do.
  • the composite sensor 1-1 in which the electrodes E1 and E2 are external electrodes formed on the surface of the moisture-sensitive member 2 as shown in FIG. 3 is surface-mounted on a printed wiring board, for example, the second side surface of FIG. It is preferable to mount the FS2 on the printed wiring board side so that the comb-shaped electrodes formed on the upper surface FU and the lower surface FL are not on the substrate side.
  • the temperature sensor unit 56 generally includes an NTC thermistor, a resistance temperature detector (such as Pt, PtCo, Ni, and Cu), a thermocouple, a pyroelectric temperature sensor, and a semiconductor temperature sensor (such as a diode, a transistor, and an IC).
  • a resistance temperature detector such as Pt, PtCo, Ni, and Cu
  • thermocouple such as Pt, PtCo, Ni, and Cu
  • a pyroelectric temperature sensor such as a diode, a transistor, and an IC.
  • semiconductor temperature sensor such as a diode, a transistor, and an IC.
  • Known temperature sensitive members can be used. The electrical characteristics of these temperature-sensitive members can be measured by the terminals 57 and 53.
  • a comb-shaped electrode pattern is formed between the terminals 57 and 53 so that the resistance between the terminals 57 and 53 is reduced so that the measurement is easy even when the electrical resistivity of the temperature-sensitive member is high. It is formed between.
  • FIG. 4 is an equivalent circuit of the composite sensor.
  • terminal T1 corresponds to first terminal 53 commonly used by temperature sensor unit 56 and humidity sensor unit 51.
  • the terminal T2 corresponds to the second terminal 57 arranged so that the electrical characteristics of the temperature sensing member can be measured with the first terminal 53.
  • the terminal T3 corresponds to the third terminal 52 arranged so that the electrical characteristics of the moisture-sensitive member can be measured with the first terminal 53.
  • a first terminal T1 is a ground terminal connected to GND
  • a DC voltage source VSDC is connected between first terminal T1 and second terminal T2
  • first terminal T1 is connected to ground.
  • An AC voltage source VSAC is connected between and the third terminal T3.
  • a resistance measuring circuit and a capacitance measuring circuit are respectively connected between the second terminal and the DC voltage source VSDC and between the third terminal and the AC voltage source VSAC.
  • the resistance R is the equivalent resistance of the temperature-sensitive member.
  • the capacity C is an equivalent capacity of the moisture-sensitive member.
  • the temperature can be measured between the terminals T1 and T2, and the humidity can be measured between the terminals T1 and T3 at the same time.
  • FIG. 30 is an equivalent circuit diagram of the composite sensor of the comparative example.
  • the composite sensor of this comparative example is a composite sensor disclosed in International Publication WO2015 / 022891 (Patent Document 1).
  • Patent Document 1 an LC resonance circuit formed between the terminals PA and PB at the time of measuring humidity is connected between the input of the amplifier and the ground node, and a change in resonance frequency is observed to measure humidity.
  • the temperature is measured by measuring the resistance change between the terminals PA and PB. Therefore, temperature and humidity cannot be measured simultaneously with the circuit configuration of FIG.
  • the temperature sensor and the humidity sensor are integrated, the temperature sensor and the humidity sensor can be more accurately corrected in the detection circuit to which the temperature sensor and the humidity sensor are connected.
  • the mounting size can be reduced compared to the case where two sensors are separately prepared. Further, even in the case of the same integration, in the present embodiment, since the GND terminal is shared, the mounting area can be reduced as compared with the four-terminal structure having no common terminal because the three-terminal structure is used.
  • a polyimide varnish in which polyamic acid is dissolved in N-methyl-2-pyrrolidone (NMP) solvent is used as a raw material for polyimide.
  • a polyimide varnish is applied on the PET film using a doctor blade having a thickness of 100 ⁇ m, and the sheet is moved while drying at a temperature of 60 ° C., thereby forming a polyimide precursor on the PET film.
  • the thickness of the sheet at this point is about 20 ⁇ m (about 15 ⁇ m after firing). If it is desired to further reduce the thickness of the sheet, the thickness of the doctor blade may be reduced.
  • a doctor blade thickness of 50 ⁇ m is used, a polyimide precursor sheet having a thickness of 10 ⁇ m (about 7.5 ⁇ m after firing) can be formed.
  • an Ag paste is screen-printed in a comb shape shown in FIG. 2 to form electrodes E1 and E2 on the polyimide precursor sheet.
  • the shape of the electrodes E1 and E2 can be changed by forming the pattern to be printed into a flat plate shape, a comb shape, or a meander shape. After printing, drying is performed in a dryer at 60 ° C. for 5 minutes.
  • an Ag paste is used for printing here, the type of electrode material can be changed by using a paste of a material to be used as an electrode. Further, the electrodes may be manufactured by using a thin film forming process such as a sputtering method or an evaporation method.
  • a NiMn 2 O 4 thick film is formed at room temperature.
  • a NiCr / Monel / Ag electrode is formed by sputtering.
  • the B constant of the NTC thermistor thus manufactured at 25 ° C./50° C. is 3450 K, and the resistivity ⁇ at 25 ° C. is 2.6 k ⁇ cm.
  • an NTC thermistor having an arbitrary composition can be formed by using a raw material that is optimal as a raw material for producing the NTC thermistor.
  • NiMn 2 O 4 has been described as an example.
  • the NTC thermistor in the present embodiment is not limited to NiMn 2 O 4 and may be any as long as it is generally used as an NTC thermistor.
  • the method of forming the NTC thermistor thick film is not limited to the AD method, as long as the film is formed at a temperature equal to or lower than the glass transition temperature of polyimide (about 450 ° C.).
  • FIG. 5 is a diagram showing a modified example of a sensor element in which a humidity sensor and a temperature sensor are integrated.
  • the production of the Pt temperature sensor unit 66 is performed in parallel with the process of producing the humidity sensor unit 61.
  • a polyimide precursor sheet is formed in the same manner as described above, and a Pt paste is printed on the side opposite to the surface on which the humidity sensor electrodes are printed, and the temperature sensor section 66 is patterned. This sheet is cut to a target size and baked at 350 ° C. for one hour in an air atmosphere to obtain a sensor element (1-2) shown in FIG.
  • the temperature coefficient of the Pt temperature sensor unit 66 at 25 ° C. to 85 ° C. was measured, it was 3800 ppm / K, and characteristics equivalent to those of a general Pt temperature sensor were obtained.
  • the Pt temperature sensor section 66 may be formed by a general thin film or thick film forming method such as a vapor deposition method or a sputtering method.
  • a capacitance change type humidity sensor is used.
  • a resistance change type humidity sensor and a temperature sensor are integrated with a three-terminal structure in which each GND is shared. Let it.
  • Known resistance change type humidity sensor materials include known Al 2 O 3 , TiO 2 , SiO 2 , SnO 2 , ZnO, In 2 O 3 , and polymer materials (polymer electrolyte, conductive polymer, etc.). can do.
  • a slurry is prepared by dispersing alumina powder, sodium nitrate, a binder, a plasticizer, an antifoaming agent, and a wetting agent in water so that the added amount of Na is 2 wt% with respect to alumina.
  • the sheet is moved while being dried at a temperature of 60 ° C. by a 100 ⁇ m doctor blade, thereby producing a Na-added alumina precursor sheet on a PET film.
  • An Ag electrode having the same pattern as that of the sensor element (1-1) (FIG. 2) is printed on this sheet, and peeled off from the PET film.
  • a 3 ⁇ m-thick NiMn 2 O 4 thick film for an NTC thermistor which is patterned using a metal mask by an aerosol deposition method (AD method), is formed at room temperature on the side opposite to the surface on which the electrodes of the sheet are printed. I do.
  • a NiCr / Monel / Ag electrode is formed by sputtering.
  • the sheet is baked at 900 ° C. for 2 hours to produce a humidity sensor using Na-added alumina to obtain the sensor element (2-1).
  • the humidity sensor manufactured by such a method was changed in humidity from 10% RH to 90% RH, the electrical resistance changed from 925 k ⁇ cm to 19 k ⁇ cm by about 48 times.
  • Embodiment 3 is characterized in that a capacitance type humidity sensor is used as a humidity sensor, and an internal electrode covered with a moisture-sensitive member is provided as an electrode for the humidity sensor.
  • the shape of the internal electrode is a plate, comb, meander, or the like.
  • a plurality of these electrodes may be formed in an arbitrary combination.
  • the internal electrode Since the internal electrode has no exposed part, the influence of condensation on the humidity measurement result can be reduced.
  • the humidity can be measured with high sensitivity by increasing the ratio of the moisture-sensitive members around the electrodes.
  • the influence of the electrode corrosion by the corrosive gas in the atmosphere on the humidity measurement result can be reduced.
  • the gas permeability of SO 2 , NH 3 , and H 2 S, which are typical corrosive gases, permeating the moisture-sensitive member was measured by a method in accordance with JIS K 7126.
  • the moisture-sensitive member is a polyimide sheet having a thickness of 15 ⁇ m
  • the gas permeability of SO 2 , NH 3 , and H 2 S is 2.39 ⁇ 10 ⁇ 13 mol / (s ⁇ m 2 / Pa) and 1.26, respectively.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a cross section when the electrode is covered with a moisture-sensitive member.
  • the sensor element (3-1) shown in FIG. 6 has a structure in which a polyimide layer having a thickness of 15 ⁇ m is laminated on the surfaces of the electrodes E1 and E2 of the sensor element (1-1) shown in FIG.
  • a method for manufacturing the sensor element (3-1) will be described.
  • a polyimide precursor sheet was prepared in the same manner as in Embodiment 1, and was laminated on the comb electrode side of the electrode-printed sheet (comb electrode / polyimide / NTC thermistor) of Embodiment 1 to obtain a pressure of 200 MPa. Crimping with pressure. Then, after baking at 350 ° C. for 1 hour in an air atmosphere, the sheet is cut to the size of the composite sensor, whereby the sensor element (3-1) can be manufactured. It can be seen that the capacitance of the humidity sensor in the sensor element (3-1) is 1.366 pF, which is larger than that of 0.809 pF in the case of the sensor element (1-1).
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the electrodes of the sensor element (3-2), which is an example in which electrodes are stacked.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a sensor element (3-2) as an example in which electrodes are stacked.
  • the capacitance can be further increased by laminating the polyimide electrodes 2D, 2E, 2F... And the comb electrodes E1 and E2 in the humidity sensor portion.
  • the sensor element (3-2) in which the electrodes are laminated has 73 sheets laminated with the polyimide precursor sheet used in the sensor element (3-1). Except for the top sheet, the comb electrodes having the same shape as the sensor element (1-1) are printed.
  • the capacitance of the sensor element (3-2) thus manufactured was 103.822 pF.
  • FIG. 9 is a diagram showing characteristics of the sensor elements (1-1), (3-1), and (3-2) in comparison.
  • the change in the capacitance when the relative humidity was changed from 10% RH to 90% was examined. It can be seen that 55.2% was obtained for the sensor element (3-2) and 51.8%, which was higher than the sensitivity for the sensor element (1-1), which was 27.3%.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing a first example of a composite sensor having a humidity sensor unit having a laminated structure.
  • the sensor element shown in FIG. 10 is such that the humidity sensor section 51 of the sensor element (1-1) in FIG. 1 is a laminated humidity sensor.
  • the humidity sensor section 51 a polyimide sheet on which the electrode E1 is formed and a polyimide sheet on which the electrode E2 is formed are alternately laminated. Terminals 52 and 53 are formed in the humidity sensor section 51. By measuring the capacitance between the terminal 52 and the terminal 53, the humidity can be detected.
  • a temperature sensor section 56 composed of an NTC thermistor is arranged.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing a second example of a composite sensor having a humidity sensor unit having a laminated structure.
  • the sensor element shown in FIG. 11 is such that the humidity sensor 61 of the sensor element (1-2) in FIG. 5 is a laminated humidity sensor.
  • the humidity sensor section 61 a polyimide sheet on which the electrode E1 is formed and a polyimide sheet on which the electrode E2 is formed are alternately laminated. Terminals 62 and 63 are formed in the humidity sensor section 61. By measuring the capacitance between the terminal 62 and the terminal 63, the humidity can be detected.
  • the temperature sensor material used for the structure shown in FIG. 10 was NTC thermistor and the temperature sensor material used for the structure shown in FIG. 11 was Pt
  • the Pt temperature sensor was used for the structure shown in FIG.
  • an NTC thermistor may be used in the structure shown in FIG.
  • the humidity sensor 51 shown in FIG. 10 and the humidity sensor 61 shown in FIG. 11 have the same shape as a general multilayer ceramic capacitor.
  • various internal electrode arrangements similar to those of the multilayer ceramic capacitor can be adopted. There are many degrees of freedom in the arrangement of the internal electrodes.
  • FIG. 12 is a diagram showing a first example of a layered arrangement of electrodes.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating a second example of the electrode stacking arrangement.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a third example of the electrode stacking arrangement.
  • the internal electrode structure shown in FIGS. 12 to 14 as generally known as a multilayer ceramic capacitor may be employed for the humidity sensor.
  • the arrangement shown in FIG. 12 is the most typical electrode arrangement.
  • the arrangement shown in FIG. 13 is an electrode arrangement in which the electrodes E1 and E2 are alternately stacked at the center.
  • a counter electrode conducting to the terminal T2 is formed with an interval between the electrodes E1
  • the electrode E2 conducting to the terminal T2 is formed.
  • a counter electrode that is electrically connected to the terminal T1 with an interval between the electrodes E2 is formed.
  • an electrode E3 is arranged between the electrodes E1 and E2.
  • the equivalent circuit of the sensor element having this arrangement is a circuit in which a parallel plate capacitor formed by electrodes E1 and E3 and a parallel plate capacitor formed by electrodes E2 and E3 are connected in series.
  • the moisture-sensitive member 2 includes a plurality of moisture-sensitive layers that are arranged one on top of the other so as to be at least partially in contact with each other, and a plurality of electrodes of the first electrode E1.
  • the part is arranged so as to be alternately stacked with a plurality of moisture-sensitive layers.
  • the plurality of electrode portions of the second electrode E2 are also alternately stacked with the plurality of moisture-sensitive layers.
  • the capacitance of the humidity sensor can be further increased.
  • various internal electrode shapes may be combined. Some examples of internal electrode shapes are shown below.
  • FIG. 15 is a diagram showing an example of a flat counter electrode formed on the same plane.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating an example of a comb-shaped counter electrode formed on the same plane.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating an example of a meandering (countered) counter electrode formed on the same plane.
  • FIG. 18 is a diagram showing an example of a plate-like counter electrode formed in a different layer.
  • FIG. 19 is a diagram illustrating an example of comb-shaped counter electrodes formed in different layers.
  • FIG. 20 is a diagram showing an example of meandering counter electrodes formed in different layers.
  • a humidity sensor having high capacitance, fast response speed, and recovery speed can be manufactured.
  • a plate-shaped electrode may be arranged at the center of the humidity sensor unit, and a comb-shaped or meandered electrode may be arranged outside the humidity sensor unit.
  • the humidity sensor units 1 and 11 include a first electrode E1 electrically connected to the first terminal T1, and a second electrode E2 electrically connected to the third terminal T3.
  • the first electrode E1 includes a first internal electrode portion E1A having a first main surface S1 covered by the moisture-sensitive member 2 and a second main surface S2 covered by the moisture-sensitive member 2.
  • the second electrode E2 includes a second internal electrode portion E2A having a third main surface S3 covered by the moisture-sensitive member 2 and a fourth main surface S4 covered by the moisture-sensitive member 2.
  • the first internal electrode portion E1A includes a portion facing at least a part of the second internal electrode portion E2A with the moisture-sensitive member 2 interposed therebetween.
  • the composite sensor includes the humidity sensor in which the first electrode E1 and the second electrode E2 are embedded in the moisture sensitive member 2, the detection sensitivity of humidity is improved, and the electrode is protected from corrosive gas. The reliability of the humidity sensor is improved.
  • a sensor element (3-1) having a structure in which electrodes are used as internal electrodes as in the sensor element (3-1) is used. 3-3).
  • the electric resistance changed about 75 times from 619 k ⁇ cm to 8.3 k ⁇ cm.
  • the resistance change was about 48 times in the sensor element (2-1)
  • the sensitivity of the humidity sensor part was improved in the sensor element (3-3) by using the structure using the internal electrode. I understand that there is.
  • an internal electrode is provided inside a humidity sensor material as an electrode for a capacitance type humidity sensor, and the internal electrode is formed in a coil shape. Further, as the internal electrode, a combination with an electrode having a plate shape, a comb shape, a meander shape, or the like may be used, or a plurality of these electrodes may be formed.
  • the resonance circuit for measuring humidity can resonate without using an external inductor.
  • FIG. 21 is a diagram illustrating an example of a planar coil electrode used in the fourth embodiment.
  • a planar coil-shaped upper electrode having an L / S (line / space) of 100 ⁇ m / 100 ⁇ m and a planar coil-shaped lower electrode are connected through a central via.
  • the sensor element (4-1) having the above structure is shown.
  • the sensor element (4-1) can be manufactured by the following method.
  • a polyimide precursor sheet is manufactured in the same manner as in Embodiment 1.
  • a via is opened in the polyimide precursor sheet using a laser puncher.
  • the Ag paste is poured into the via and dried at 60 ° C., and then Ag electrodes E11A and E11B in a coil shape are formed on both surfaces by printing. Drying is performed at 60 ° C. each time one-sided printing is performed.
  • a 10 ⁇ m thick NiMn 2 O 4 thick film for NTC thermistor which is patterned using a metal mask, is formed on one surface of the sheet by an aerosol deposition method (AD method) at room temperature.
  • AD method aerosol deposition method
  • a NiCr / Monel / Ag electrode is formed by sputtering. After cutting the sheet to a desired size, baking is performed at 350 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. After forming an Ag extraction electrode on the fired sample, the sample is further fired at 100 ° C., thereby completing the production of the target composite sensor element.
  • the inventor of the present application confirmed the resonance frequency of the sensor element (4-1) by an experiment, it was 6.907 GHz.
  • a sensor element (4-2) is obtained by further laminating 15 ⁇ m thick polyimide on the external electrodes of the sensor element (4-1).
  • the sensor element (4-2) is obtained by laminating a polyimide precursor sheet after electrode printing in a process of manufacturing the sensor element (4-1) on a polyimide sheet on which no electrode is printed, and pressing the polyimide precursor sheet under a pressure of 200 MPa. It can be manufactured by baking at 350 ° C. for 1 hour in an air atmosphere. When the present inventor confirmed the resonance frequency of this structure through experiments, it was 5.559 GHz, which was lower than that of the sensor element (4-1).
  • FIG. 22 is a diagram showing a state in which a three-dimensional coil is formed inside the element.
  • the element employing the three-dimensional coil in FIG. 22 is referred to as a sensor element (4-3).
  • the sensor element (4-3) performs via-opening of the polyimide precursor sheet, pouring of the Ag electrode, and printing of the Ag electrode. It is obtained by laminating a total of 73 sheets.
  • the inventors of the present application confirmed the resonance frequency of the sensor element (4-3) manufactured as described above through experiments, and it was 0.715 GHz.
  • FIG. 23 is a diagram showing the characteristics of the sensor elements (4-1), (4-2), and (4-3) side by side. It can be seen that the resonance frequency of the sensor element (4-3) can be significantly reduced as compared with the sensor element (4-1) and the sensor element (4-2). For this reason, it is possible to measure the resonance frequency required for humidity measurement using a low-speed microcomputer with a low clock frequency.
  • a composite material of a humidity sensor material and a material having a dielectric constant different from that of the humidity sensor material is used as the humidity sensing member of the humidity sensor unit.
  • Materials with different dielectric constants have higher relative dielectric constants than humidity sensor materials.
  • the humidity sensor material for example, polyimide, polyamide imide, polyamide, cellulose acetate butyrate (CAB), polymethyl methacrylate (PMMA), vinyl crotonate, polyethylene terephthalate, and a mixture thereof can be used.
  • each component of the composite material may be a uniform mixture of the humidity sensor material and the dielectric material, a non-uniform mixture, or a localization.
  • a composite material of a humidity sensor material and a material having a high relative dielectric constant a composite material of polyimide and BaTiO 3 which is a ferroelectric material was studied.
  • the same polyimide varnish as above was used as a polyimide raw material, and BaTiO 3 powder was mixed with polyimide varnish and BaTiO 3 so that the volume ratio of polyimide: BaTiO 3 was 1: 1.
  • a humidity sensor using a composite sheet of polyimide and BaTiO 3 is obtained by performing sheet molding, electrode printing, lamination, pressure bonding, and firing under the same method and conditions as in Embodiment 1 using the mixture as a composite sheet production raw material. Can be made.
  • FIG. 24 is a diagram showing the characteristics of the sensor elements (5-1), (5-2), and (5-3) side by side.
  • the capacitances of the humidity sensor units of the sensor elements (5-1), (5-2), and (5-3) are 6.760 pF, 13.810 pF, and 1.209 nF. It can be seen that these have approximately 8.35 to 11.65 times the capacitance of the case where the moisture-sensitive member made of only polyimide is used.
  • a composite material having a volume ratio of 5: 1 between polyimide and CaCu 3 Ti 4 O 12 which is not a ferroelectric but has a high dielectric constant was also examined.
  • a sensor element in which the same structure as the sensor elements (1-1), (3-1), and (3-2) described in the first and third embodiments is manufactured using a polyimide / CaCu 3 Ti 4 O 12 composite sheet.
  • FIG. 25 is a diagram showing the characteristics of the sensor elements (5-4), (5-5), and (5-6) side by side.
  • the capacitances of the humidity sensor sections of the sensor elements (5-4), (5-5), and (5-6) are 31.595 pF, 66.081 pF, and 5.873 nF. It can be seen that these have approximately 39.05 to 56.57 times the capacitance of the case using only polyimide.
  • Embodiment 6 a moisture-sensitive member using a composite material of a humidity sensor material and a material having a higher relative magnetic permeability than the humidity sensor material will be examined.
  • Materials having high relative permeability include various ferrites (spinel ferrite, hexagonal ferrite, garnet ferrite, etc.), various ceramic magnetic materials (iron oxide, etc.), permalloy, various stainless steels, various metal magnetic materials (FePt, PtCo). , FeCo, Ni, Fe, etc.) can be used.
  • each component of the composite material may be a mixture of the humidity sensor material and the magnetic material uniformly, unevenly mixed, or localized.
  • the inductance of the humidity sensor can be increased. This eliminates the need for an external inductor when configuring the LC oscillation circuit using the composite sensor.
  • a composite material of a humidity sensor material and a material having a high relative magnetic permeability ⁇ r a composite material of polyimide and a ferrite material having a relative magnetic permeability ⁇ r of 1300 was studied.
  • the same polyimide varnish as above is used as a polyimide raw material, and a powder of the ferrite material is mixed with the polyimide varnish and the ferrite material so that the volume ratio of the polyimide: ferrite material is 1: 1.
  • the mixed material is used as a composite sheet production raw material, and sheet molding, electrode printing, lamination, pressure bonding, and firing are performed under the same method and conditions as in the production of the sensor element (1-1) of Embodiment 1 to obtain a polyimide and ferrite material.
  • the sensor element (6-1) is a structure in which the same structure as the sensor elements (4-1), (4-2), and (4-3) described in the fourth embodiment is manufactured using a composite sheet of polyimide and a ferrite material. , (6-2), and (6-3).
  • FIG. 26 is a diagram showing the characteristics of the sensor elements (6-1), (6-2), and (6-3) side by side.
  • the resonance frequencies of the sensor elements (6-1), (6-2), and (6-3) are 3.677 GHz, 0.427 GHz, and 39.812 MHz, respectively. It can be seen that these have lower frequencies of about 46.76% to 94.54% as compared with the case where a moisture-sensitive member made of only polyimide is used.
  • Embodiment 7 In the seventh embodiment, a combination of the fifth embodiment (composite of a humidity sensor material and a dielectric material) and the sixth embodiment (composite of a humidity sensor material and a magnetic material) will be examined. That is, a composite material of a humidity sensor material, a dielectric material having a higher dielectric constant than the humidity sensor material, and a magnetic material is used for the humidity-sensitive member of the humidity sensor unit.
  • both the capacitance and the inductance of the humidity sensor can be increased. Further, an external inductor is not required when an LC oscillation circuit is formed using the composite sensor.
  • a composite sheet is manufactured by mixing a humidity sensor material, a dielectric material, and a magnetic material.
  • FIG. 27 is a diagram showing the characteristics of the sensor elements (7-1), (7-2), and (7-3) side by side.
  • the resonance frequencies of the humidity sensor sections of the sensor elements (7-1), (7-2), and (7-3) are 2.239 GHz, 0.309 GHz, and 28.151 MHz, respectively. It can be seen that these have a lower resonance frequency of about 67.58% to 96.08% as compared with the case where the moisture-sensitive member made of polyimide alone is used.
  • Embodiment 8 Increasing the amount of dielectric and magnetic materials has the advantage of increasing capacitance and inductance, but these materials do not respond to humidity, so the disadvantage is that sensitivity to changes in humidity is reduced. is there. Therefore, in the eighth embodiment, while the ratio of the dielectric or the magnetic material is increased in the central portion of the element of the humidity sensor, the ratio of polyimide is increased near the surface of the element of the humidity sensor.
  • the distribution of the ratio of the humidity sensor material may be any distribution such as uniform, non-uniform, or localized as long as the above requirements are satisfied.
  • FIG. 28 is a diagram for explaining the shape of the stacked coil electrodes of the humidity sensor unit according to the eighth embodiment.
  • the sensor element (6-3) described in the sixth embodiment two layers from the surface are 100% polyimide, and the central 71 layer is a polyimide: ferrite material (relative magnetic permeability ⁇ r).
  • ferrite material relative magnetic permeability ⁇ r.
  • a composite sheet having a mixing ratio of 1: 1 by volume is referred to as a sensor element (8-1).
  • the electrode on the surface sandwiched between the polyimide sheets is the same as the sensor element (1-1) and is a tooth electrode.
  • the resonance frequency of the sensor element (8-1) is 42.193 MHz. Although this resonance frequency is slightly higher than the resonance frequency 39.812 MHz of the sensor element (6-3), the resonance frequency change due to a humidity change from 10% RH to 90% RH is 23.28%. It can be seen that this change rate is larger than 20.66% in the case of the sensor element (6-3). Therefore, it can be seen that the sensitivity to humidity can be increased as compared with the case of the sixth embodiment.
  • the sensor element (8-1) has the same material composition at the center for comparison with the sensor element (6-3), but the resonance frequency is increased by increasing the ratio of the ferrite material at the center. Can be lowered. In addition, although the resonance frequency is increased by increasing the proportion and thickness of the polyimide on the surface, the sensitivity to humidity can be increased.
  • Embodiment 9 In the composite sensor according to the eighth embodiment, the humidity-sensing member of the humidity sensor portion is disposed closer to the first portion and the main surface (outer surface) of the humidity sensor portion than the first portion. ) Is characterized by including a second portion having a higher ratio than the first portion.
  • the composite sensor according to the ninth embodiment is the same as the composite sensor according to the eighth embodiment except that the ratio of the humidity sensor material on the element surface of the humidity sensor unit is set to 100%. The difference is that the ratio of the sensor material is set to 0%. This ratio is an optimal example in which the capacitance and inductance can be increased and the capacitance change due to humidity change can be increased.
  • the sensor element (9-1) shown in FIG. 28 in which the center is made of a 100% ferrite material (having a relative magnetic permeability ⁇ r of 1300) is described.
  • the central portion is the same as a general chip inductor structure, a general manufacturing process can be used as it is.
  • a ferrite sheet is produced on a PET film by moving the sheet while drying the slurry at a temperature of 60 ° C. using a 100 ⁇ m doctor blade. After printing Ag electrodes on this sheet, 71 sheets are laminated, and then pressure-bonded at a pressure of 200 MPa. Thereafter, by firing at 900 ° C. for 2 hours, ferrite laminated sheets L1 to L71 are obtained.
  • the above-described polyimide varnish is spin-coated on the ferrite laminated sheets L1 to L71, and then dried at 130 ° C. Thereafter, a sheet L72 on which a comb electrode pattern of Ag is printed is arranged, and a polyimide varnish is further spin-coated on the sheet L72, and dried at 130 ° C. Thereafter, similarly to Embodiment 1, an NTC thermistor of NiMn 2 O 4 and an electrode are formed on the L1 side of the laminated sheet by the AD method. By such a method, the structure of polyimide precursor / Ag electrode / polyimide precursor / ferrite laminated sheet / NTC thermistor can be obtained. After baking at 350 ° C. for 1 hour in an air atmosphere in this state, the sensor element (9-1) can be manufactured by cutting to a target size.
  • FIG. 29 is a diagram showing the characteristics of the sensor elements (6-3), (8-1), and (9-1) side by side.
  • the resonance frequency of the sensor element (9-1) is 9.560 MHz, which is lower than the resonance frequency of the sensor element (8-1).
  • the change rate of the resonance frequency due to the humidity change from 10% RH to 90% RH was 10.85%.
  • the frequency change is about 1.1 MHz, which is very large. Therefore, by adopting the structure of the sensor element (9-1), a sufficiently large frequency change can be obtained while greatly reducing the resonance frequency.
  • the composite sensors of the first to ninth embodiments separately use the first terminal and the second terminal for the temperature sensor unit and use the first terminal and the third terminal for the humidity sensor unit. , It is possible to simultaneously measure temperature and humidity with one sensor. In addition, since the temperature sensor and the humidity sensor are integrated, the temperature correction of the humidity sensor and the humidity correction of the temperature sensor can be performed more accurately. Further, since the temperature sensor and the humidity sensor are separately provided because of the integral structure, the size can be reduced during mounting as compared with the case where the temperature sensor and the humidity sensor are separately prepared. Furthermore, because of the three-terminal structure, the mounting area can be reduced as compared with a composite sensor having a four-terminal structure.
  • 1-1 composite sensor 2 moisture sensitive member, 2D, 2E, 2F polyimide, 1, 11, 51, 61 humidity sensor, 52, 53, 57, 62, 63, T1, T2, T3 terminal, 56, 66 temperature Sensor part, E1, E2, E3, E11A, E11B electrodes, FL bottom surface, FS1 to FS4 first to fourth side surfaces, FU top surface, L1 to L71 ferrite laminated sheet.

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Abstract

複合センサー（１－１）は、感温部材を含む温度センサー部（５６）と感湿部材を含む湿度センサー部（５１）とを一体化した複合センサーである。複合センサー（１－１）は、温度センサー部（５６）と湿度センサー部（５１）に共通して用いられる第１端子（５３）と、第１端子（５３）との間で感温部材の電気的特性を測定可能に配置された第２端子（５７）と、第１端子（５３）との間で感湿部材の電気的特性を測定可能に配置された第３端子（５２）とを備える。このような構成とすることによって、温度と湿度とを同時に計測することが可能であり、かつ精度が改善された複合センサーを提供する。

Description

複合センサー
　この発明は、湿度と温度とを検知することが可能な複合センサーに関する。
　現在、湿度センサーおよび温度センサーは、プリンター、エアコン、空気清浄機、電子レンジ、車載品など、幅広い用途に用いられている。さらに近年ＩｏＴ（Internet　of　Things）技術の進化により、位置や速度などの物理的な情報だけでなく、温度、湿度、ガスなどの化学的な情報をモニタリングするというニーズが高まっている。
　湿度センサーには、湿度が変化した場合の湿度センサー材料の抵抗変化を測定する抵抗変化型と、容量変化を測定する容量変化型の２方式がある。一般的に抵抗変化型は構造がシンプルだという利点がある一方で、精度が悪く、低湿度および高湿度が測定できないという欠点がある。一方で、容量変化型は、０～１００％ＲＨという広い湿度範囲において湿度変化に対して直線的に静電容量が変化する。このため精度がよいという利点があり、幅広い用途で用いられている。
　抵抗変化型湿度センサー材料としては、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ポリマー材料（高分子電解質や導電性ポリマーなど）、などが知られている。抵抗変化型湿度センサーは、これらの材料に水が吸着した際の電気抵抗変化を測定することによって、大気中の相対湿度を測定している。測定の際には、ブリッジ回路などが用いられることが多い。
　容量変化型の湿度センサー材料としては、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、酢酸酪酸セルロース（ＣＡＢ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、クロトン酸ビニル、ポリエチレンテレフタラート及びこれらの混合物などの高分子材料が用いられることが多い。容量変化型の湿度センサーは、これらの材料に水が吸着した際の静電容量の変化を測定することによって、大気中の相対湿度を測定している。
　なお、湿度センサーをモジュール化してマイコンで湿度を測定する際には、湿度センサーをＬＣ共振回路などに組み込んで共振周波数を測定し、共振周波数を静電容量に変換することによって静電容量を測定している。ＬＣ共振の場合の共振周波数ｆは、ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））で表される。この式で、Ｌは外付けインダクターのインダクタンスを示し、Ｃは湿度センサーの静電容量を示す。共振周波数を低くするためには、湿度センサーの静電容量を大きくする必要があることがこの式から分かる。共振周波数を低くすることによって、周波数を検出するためのクロック周波数が低くて済むのでマイコンの選択肢が広くなり、湿度センサーモジュールの小型化・低価格化に繋がる。また、周波数が低いほど寄生容量や外乱によるノイズの影響も受けにくくなる。
　例えば国際公開第２０１５／０２２８９１号公報（特許文献１）には、３端子構造の温湿度センサーが開示されている。このセンサーでは、電極とコイル状の上部電極が中心部のビアによって接続されている。これらの電極をＰｔで形成することにより、温度変化によるＰｔの電気抵抗変化を測定することで温度センサーが作製されている。また、上部電極は湿度センサーの上部電極も兼ねており、上部電極と下部電極との間で、湿度センサー材料の容量変化を測定することにより、湿度を測定することができる。なお、湿度を測定する際には、センサー中に形成されたインダクターおよびキャパシターを用いて共振回路を構成し、ＬＣ共振周波数変化を測定することによって湿度測定を行なう。
　また、例えば特開平７－２８０７６７号公報（特許文献２）には、基板の片面に湿度センサー、別の面に温度センサーを形成する複合センサーが開示されている。この構成によって、小型化を図るとともに、別々に配置した場合に比べて物理的な距離が近くなることを利用して、温度の湿度補正または湿度の温度補正をより正確に行なうことができる。
国際公開第２０１５／０２２８９１号公報 特開平７－２８０７６７号公報
　国際公開第２０１５／０２２８９１号公報（特許文献１）に開示された複合センサーでは、温度測定の際はＰｔ層で形成された抵抗の二端子間の電気抵抗変化を測定している。一方で、湿度測定の際は、三端子を使用してＬＣ共振周波数変化を測定することで湿度測定ができる。この複合センサーでは温度測定と湿度測定で使用するＰｔ層の抵抗の一部（コイル部分）が共用されているので、温度と湿度を同時に測定することができないという問題がある。
　特開平７－２８０７６７号公報（特許文献２）に開示された複合センサーでは、温度センサーと湿度センサーの物理的距離は別々に配置した場合に比べて近くなっているものの、温度センサーと湿度センサーの間に基板が配置してあることによって、２つのセンサー間に依然として物理的な距離が存在する。これにより、湿度センサー周りの湿度と、温度センサー周りの湿度は厳密には同じではなくなってしまう。さらに、基板の熱容量により、特に温度変化があった場合などでは大気の温度と温度センサーおよび湿度センサーの温度に差が生じる可能性が高い。
　さらに、特開平７－２８０７６７号公報（特許文献２）では湿度センサーで２端子、温度センサーで２端子の合計４端子構造となっており、実際に実装する際のスペースが大きく取られてしまうという問題もある。
　この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、温度と湿度とを同時に計測することが可能であり、かつ精度が改善された複合センサーを提供することである。
　本開示の複合センサーは、温度に応じて抵抗率が変化する感温部材を含む温度センサーと湿度に応じて静電容量が変化する感湿部材を含む湿度センサーとを一体化した複合センサーである。複合センサーは、温度センサーと湿度センサーに共通して用いられる第１端子と、第１端子との間で感温部材の電気的特性を測定可能に配置された第２端子と、第１端子との間で感湿部材の電気的特性を測定可能に配置された第３端子とを備える。
　本発明によれば、温度センサーには第１端子および第２端子を用いて、湿度センサーには第１端子および第３端子を用いて、別々の電圧を印加することができるため、１つのセンサーで温度および湿度の同時測定が可能となる。また、温度センサーと湿度センサーとが一体構造となっているため、湿度センサーの温度補正、温度センサーの湿度補正がより正確にできる。また、一体構造のため、別々に温度センサーと湿度センサーとを用意した場合に比べて実装時の小型化が可能となる。さらに、３端子構造のため、４端子構造の複合センサーに比べて実装面積を減らすことができる。
実施の形態１の複合センサーの構成を示す斜視図である。 実施の形態１の複合センサーの湿度センサー部の電極形成面を示した平面図である。 図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面における断面図である。 複合センサーの等価回路である。 湿度センサーと温度センサーとを一体化させたセンサー素子の変形例を示した図である。 電極を感湿部材で覆った場合の断面を示す断面図である。 電極を積層させた例であるセンサー素子（３－２）の電極を説明するための図である。 電極を積層させた例であるセンサー素子（３－２）の断面図である。 センサー素子（１－１）、（３－１）、（３－２）について特性を比較して示した図である。 湿度センサー部を積層構造とした複合センサーの第１例を示す断面図である。 湿度センサー部を積層構造とした複合センサーの第２例を示す断面図である。 電極の積層配置の第１例を示した図である。 電極の積層配置の第２例を示した図である。 電極の積層配置の第３例を示した図である。 同一平面に形成された平板状の対向電極の例を示す図である。 同一平面に形成されたくし歯状の対向電極の例を示す図である。 同一平面に形成されたミアンダ（蛇行）状の対向電極の例を示す図である。 異なる層に形成された平板状の対向電極の例を示す図である。 異なる層に形成されたくし歯状の対向電極の例を示す図である。 異なる層に形成されたミアンダ状の対向電極の例を示す図である。 実施の形態４で用いられる平面コイル電極の一例を示す図である。 ３次元的なコイルが素子内部に形成されている状態を示す図である。 センサー素子（４－１），（４－２），（４－３）の特性を並べて示した図である。 センサー素子（５－１）、（５－２）、（５－３）の特性を並べて示した図である。 センサー素子（５－４）、（５－５）、（５－６）の特性を並べて示した図である。 センサー素子（６－１）、（６－２）、（６－３）の特性を並べて示した図である。 センサー素子（７－１）、（７－２）、（７－３）の特性を並べて示した図である。 実施の形態８における湿度センサー部の積層されたコイル電極の形状を説明するための図である。 センサー素子（６－３）、（８－１）、（９－１）の特性を並べて示した図である。 比較例の複合センサーの等価回路図である。
　以下、検討例と本発明の実施の形態とについて、図面を参照しつつ比較しながら説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
　［実施の形態１］
　図１は、実施の形態１の複合センサーの構成を示す斜視図である。図２は、実施の形態１の複合センサーの湿度センサー部の電極形成面を示した平面図である。図３は、図１におけるＩＩＩ－ＩＩＩ断面における断面図である。
　図１に示す複合センサー１－１は、感温部材を含む温度センサー部５６と感湿部材を含む湿度センサー部５１とを一体化した複合センサーである。複合センサー１－１は、温度センサー部５６と湿度センサー部５１に共通して用いられる第１端子５３と、第１端子５３との間で感温部材の電気的特性を測定可能に配置された第２端子５７と、第１端子５３との間で感湿部材の電気的特性を測定可能に配置された第３端子５２とを備える。
　好ましくは、温度センサー部５６の感温部材は、湿度センサー部５１の感湿部材に積層して配置される。複合センサーの積層方向に交差する面を上面ＦＵおよび下面ＦＬとし、複合センサーの積層方向に沿う面を側面ＦＳ１～ＦＳ４とすると、第１端子５３は側面ＦＳ１に形成される。
　より好ましくは、複合センサー１－１は、直方体の形状を有する。直方体の側面は、第１～第４側面ＦＳ１～ＦＳ４を含み、第１端子５３は第１側面ＦＳ１に形成され、第３側面ＦＳ３は、第１側面ＦＳ１と反対側の側面であり、第３端子５２は、第３側面ＦＳ３に形成される。好ましくは、第２端子５７は、複合センサーの積層方向に直交する上面ＦＵに形成される。
　実施の形態１では、静電容量変化型の湿度センサー部５１と、温度センサー部５６とを、それぞれのＧＮＤ端子を共通化した３端子構造で一体化させる。静電容量変化型の湿度センサー部５１の感湿部材２としては、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、酢酸酪酸セルロース（ＣＡＢ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、クロトン酸ビニル、ポリエチレンテレフタラート及びこれらの混合物などを使用できる。図３に示すように感湿部材２の表面に図２に示す電極Ｅ１，Ｅ２を形成することによって、感湿部材２の容量変化を電極Ｅ１、Ｅ２にそれぞれ接続された端子５２，５３によって測定することができる。
　なお、図３に示すように電極Ｅ１，Ｅ２を感湿部材２の表面に形成される外部電極とした複合センサー１－１をプリント配線基板に表面実装する場合、例えば、図１の第２側面ＦＳ２をプリント配線基板側として実装し、上面ＦＵおよび下面ＦＬに形成されたくし歯形電極が基板側とならないようにする方が好ましい。
　温度センサー部５６は、ＮＴＣサーミスター、測温抵抗体（Ｐｔ、ＰｔＣｏ、Ｎｉ、Ｃｕなど）、熱電対、焦電型温度センサー、半導体温度センサー（ダイオード、トランジスタ、ＩＣなど）など、一般的に知られている感温部材を使用できる。端子５７と端子５３によってこれらの感温部材の電気的特性を測定することができる。図１では、感温部材の電気抵抗率が高い場合でも測定が容易なように、端子５７と端子５３の間の抵抗値が低くなるようにくし歯形の電極パターンが端子５７と端子５３との間に形成されている。なお、くし歯形の電極パターンは必ずしも必要ではなく、端子５７と端子５３との間は電極パターンが形成されていない感温部材の表面が露出していても良い。
　図４は、複合センサーの等価回路である。図１、図４を参照して、端子Ｔ１は、温度センサー部５６と湿度センサー部５１に共通して用いられる第１端子５３に対応する。端子Ｔ２は、第１端子５３との間で感温部材の電気的特性を測定可能に配置された第２端子５７に対応する。端子Ｔ３は、第１端子５３との間で感湿部材の電気的特性を測定可能に配置された第３端子５２に対応する。
　図４を参照して、第１端子Ｔ１は、ＧＮＤに接続される接地端子であり、第１端子Ｔ１と第２端子Ｔ２との間には、直流電圧源ＶＳＤＣが接続され、第１端子Ｔ１と第３端子Ｔ３との間には、交流電圧源ＶＳＡＣが接続される。なお、図示しないが、第２端子と直流電圧源ＶＳＤＣの間、および第３端子と交流電圧源ＶＳＡＣの間には、各々抵抗測定回路、容量測定回路が接続される。
　抵抗Ｒは、感温部材の等価抵抗である。容量Ｃは、感湿部材の等価容量である。端子Ｔ１－Ｔ２間で温度を測定することができ、同時に端子Ｔ１－Ｔ３間で湿度を測定することができる。
　図３０は、比較例の複合センサーの等価回路図である。この比較例の複合センサーは、国際公開第２０１５／０２２８９１号公報（特許文献１）に開示された複合センサーである。図３０の回路構成では、湿度測定の際に端子ＰＡ－ＰＢ間に形成されるＬＣ共振回路を増幅器の入力と接地ノードの間に接続し、共振周波数の変化を観測して湿度を測定する。一方で、温度測定の際には、端子ＰＡ－ＰＢ間の抵抗変化を測定することによって、温度を計測する。したがって、図３０の回路構成では同時に温度と湿度を測定することができない。
　これに対し、本実施の形態では図４に示す回路構成とすることによって、温度センサーと湿度センサーには別々の電圧を印加することができるため、温度および湿度の同時測定が可能となる。
　また、温度センサーと湿度センサーが一体構造であるため、温度センサーおよび湿度センサーが接続された検出回路において、湿度センサーの温度補正、温度センサーの湿度補正がより正確にできる。
　また、温度センサーと湿度センサーを一体構造としたので、別々に２つのセンサーを用意した場合に比べて実装時の小型化が可能となる。また、同じ一体化させた場合であっても、本実施の形態ではＧＮＤ端子を共通化した３端子構造のため、共通端子を持たない４端子構造に比べて実装面積を小さくすることができる。
　次に、感湿材料としてポリイミドを用い、感温材料としてＮｉＭｎ２Ｏ４のＮＴＣサーミスターを用いる具体例について説明する。
　ポリイミドの原料として、ポリアミック酸がＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）溶媒に溶けているポリイミドワニスを使用する。ポリイミドワニスをＰＥＴフィルム上に１００μｍ厚のドクターブレードを用いて塗布し、６０℃の温度で乾燥させながらシートを動かすことによって、ＰＥＴフィルム上にポリイミドの前駆体を形成する。なお、１００μｍ厚のドクターブレードを用いた場合にはこの時点でのシートの厚みは、約２０μｍ（焼成後約１５μｍ）となる。さらにシートの厚さを薄くしたい場合には、ドクターブレードの厚みを薄くすればよい。例えば、５０μｍのドクターブレード厚を用いた場合には、１０μｍ厚（焼成後約７．５μｍ）のポリイミド前駆体シートが形成できる。
　このシートをカットした後に、図２に示すくし歯形状にＡｇペーストをスクリーン印刷し、ポリイミド前駆体シート上に電極Ｅ１，Ｅ２を形成する。ここで印刷するパターンを平板状や、くし歯状、ミアンダ状とすることで、電極Ｅ１，Ｅ２の形状を変えることができる。印刷後、６０℃で５分間、乾燥機で乾燥を行なう。なお、ここでは印刷にＡｇペーストを用いているが、電極として使用したい材料のペーストを用いることで、電極材料の種類を変えることができる。また、スパッタ法や蒸着法などの薄膜形成プロセスを用いて電極を作製してもよい。
　このようにして作製したポリイミド前駆体シートの表面のうち、電極を印刷した面とは逆側に、エアロゾルディポジション法（ＡＤ法）で、メタルマスクを用いてパターニングした３μｍ厚のＮＴＣサーミスター用ＮｉＭｎ２Ｏ４厚膜を室温で成膜する。このＮＴＣサーミスター用電極として、ＮｉＣｒ／モネル／Ａｇ電極をスパッタにより形成する。
　この状態で目的の複合センサーのサイズにシートをカットした後に、空気雰囲気下で３５０度、１時間の焼成を行なう。焼成後の試料に、Ａｇの引き出し電極を形成し、その後さらに１００℃で焼成することで、図１、図３に示すセンサー素子（１－１）を得ることができる。
　このように作製したＮＴＣサーミスターの２５℃／５０℃におけるＢ定数は３４５０Ｋ、２５℃での抵抗率ρは２．６ｋΩｃｍである。なお、ＮＴＣサーミスターを作製する際の原料に最適な原料を用いることで任意の組成のＮＴＣサーミスターを形成することができる。上記ではＮｉＭｎ２Ｏ４を例に説明したが、本実施の形態におけるＮＴＣサーミスターは、ＮｉＭｎ２Ｏ４に限定されることなく、一般的にＮＴＣサーミスターとして利用されているものであればよい。さらに、ＮＴＣサーミスター厚膜の成膜方法は、ポリイミドのガラス転移温度（約４５０℃）以下での成膜を行なうものであればよく、ＡＤ法に限定されるものではない。
　このようにして形成した、湿度センサー部分の静電容量は、０．８０９ｐＦであった。
　なお、湿度センサーと一体化する温度センサーはＰｔの電気抵抗変化を用いたものでもよい。図５は、湿度センサーと温度センサーとを一体化させたセンサー素子の変形例を示した図である。Ｐｔ温度センサー部６６の作製は、湿度センサー部６１作製のプロセスに並行して行なう。上記方法と同様にポリイミド前駆体シートを形成し、湿度センサー用電極を印刷した面とは逆側にＰｔペーストを印刷し、温度センサー部６６のパターニングを行なう。このシートを目的サイズになるようにカットし、空気雰囲気下で３５０℃、１時間の焼成を行なうことによって、図５に示すセンサー素子（１－２）を得ることができる。このＰｔ温度センサー部６６の２５℃～８５℃の温度係数を測定したところ、３８００ｐｐｍ／Ｋであり、一般的なＰｔ温度センサーと同等の特性が得られる。なお、Ｐｔ温度センサー部６６の形成は、蒸着法やスパッタ法などの一般的な薄膜または厚膜形成方法で行なってもよい。
　［実施の形態２］
　実施の形態１では、湿度センサーとして容量変化型のものを使用したが、実施の形態２では、抵抗変化型の湿度センサーと、温度センサーを、それぞれのＧＮＤを共通化した３端子構造で一体化させる。抵抗変化型湿度センサー材料としては、知られているＡｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ポリマー材料（高分子電解質や導電性ポリマーなど）、などを使用することができる。
　一例として、抵抗変化型湿度センサーの感湿材料にＮａ添加Ａｌ２Ｏ３Ｎａ（Ｎａ添加アルミナ）を用い、温度センサーとしてＮＴＣサーミスターを用いた場合の作製方法について説明する。
　まず、アルミナ粉末、硝酸ナトリウム、バインダー、可塑剤、消泡剤、湿潤剤を、Ｎａ添加量がアルミナに対して２ｗｔ％となるように水に分散させ、スラリーを作製する。そのスラリーを用いて、１００μｍのドクターブレードにより６０℃の温度で乾燥させながらシートを動かすことによってＰＥＴフィルム上にＮａ添加アルミナ前駆体シートを作製する。このシートにセンサー素子（１－１）と同じパターン（図２）のＡｇ電極を印刷し、ＰＥＴフィルムから剥がす。その後、シートの電極を印刷した面とは逆側に、エアロゾルディポジション法（ＡＤ法）で、メタルマスクを用いてパターニングした３μｍ厚のＮＴＣサーミスター用ＮｉＭｎ２Ｏ４厚膜を室温で成膜する。このＮＴＣサーミスター用の電極として、ＮｉＣｒ／モネル／Ａｇ電極をスパッタにより形成する。この状態で目的の複合センサーのサイズにシートをカットした後に、９００℃で２時間焼成することで、Ｎａ添加アルミナを用いた湿度センサーを作製し、センサー素子（２－１）を得る。このような方法で作製した湿度センサーは、１０％ＲＨ～９０％ＲＨと湿度を変化させると、電気抵抗が９２５ｋΩｃｍから１９ｋΩｃｍまで抵抗が約４８倍変化した。
　［実施の形態３］
　実施の形態３では、湿度センサーとして静電容量型湿度センサーを用い、湿度センサー用の電極として、感湿部材に覆われた内部電極を有する点が特徴である。内部電極の形状は、平板状、くし歯状、ミアンダ状などの形状にする。また、これらの電極を任意の組み合わせで複数層形成してもよい。
　内部電極は、露出部分が無いので、結露が湿度測定結果に与える影響を低減できる。また、電極周りにある感湿部材の割合が増えることにより、高感度に湿度を測定できる。
　電極が湿度センサー材料の内部に配置されている場合、大気中の腐食ガスによる電極腐食が湿度測定結果に与える影響を小さくできる。腐食性ガスとして代表的なＳＯ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｓが感湿部材を透過するガス透過度をＪＩＳ　Ｋ　７１２６に則った方法でそれぞれ測定した。感湿部材が１５μｍ厚のポリイミドシートである場合、ＳＯ２、ＮＨ３、Ｈ２Ｓのガス透過度は、それぞれ２．３９×１０－１３ｍｏｌ／（ｓ・ｍ２／Ｐａ）、１．２６×１０－１３ｍｏｌ／（ｓ・ｍ２／Ｐａ）、５．０２×１０－１４ｍｏｌ／（ｓ・ｍ２／Ｐａ）であった。外部電極の場合は電極に直接腐食性ガスが暴露されることを考えると、内部電極にすることでそれぞれの腐食性ガスに対して一定のガス透過抑制効果があることが分かる。そのため、直接電極が大気に開放されている場合に比べて、ガス腐食に対する耐性が向上することが分かる。
　図６は、電極を感湿部材で覆った場合の断面を示す断面図である。図６に示したセンサー素子（３－１）は、図３に示したセンサー素子（１－１）の電極Ｅ１，Ｅ２表面に１５μｍ厚のポリイミドの層を積層した構造を有する。
　センサー素子（３－１）の作製方法について説明する。実施の形態１と同じ方法でポリイミド前駆体シートを作製し、それを実施の形態１の電極印刷済みのシート（くし歯電極／ポリイミド／ＮＴＣサーミスター）のくし歯電極側に積層し、２００ＭＰａの圧力で圧着する。その後、空気雰囲気下で３５０℃、１時間の焼成を行なった後、複合センサーのサイズにシートをカットすることでセンサー素子（３－１）を作製することができる。センサー素子（３－１）における湿度センサーの静電容量は、１．３６６ｐＦと、センサー素子（１－１）の場合の０．８０９ｐＦに比べて静電容量が大きくなっていることが分かる。
　図７は、電極を積層させた例であるセンサー素子（３－２）の電極を説明するための図である。図８は、電極を積層させた例であるセンサー素子（３－２）の断面図である。図７、図８に示すように湿度センサー部分のポリイミド２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ…とくし歯電極Ｅ１，Ｅ２を積層することによって、さらに静電容量を大きくすることができる。この電極を積層させたセンサー素子（３－２）は、センサー素子（３－１）で用いたポリイミド前駆体シートを積層するシートの枚数を７３枚にしたものである。最上部のシート以外には、センサー素子（１－１）と同じ形状のくし歯電極を印刷してある。このようにして作製したセンサー素子（３－２）の静電容量は、１０３．８２２ｐＦであった。
　図９は、センサー素子（１－１）、（３－１）、（３－２）について特性を比較して示した図である。センサー素子（３－１）、センサー素子（３－２）において、１０％ＲＨから９０％まで相対湿度を変化させた際の静電容量の変化を調べたところ、センサー素子（３－１）では５５．２％、センサー素子（３－２）では５１．８％と、センサー素子（１－１）の２７．３％に比べて大きな感度が得られていることが分かる。
　図１０は、湿度センサー部を積層構造とした複合センサーの第１例を示す断面図である。図１０に示すセンサー素子は、図１のセンサー素子（１－１）の湿度センサー部５１を積層型の湿度センサーとしたものである。湿度センサー部５１では、電極Ｅ１が形成されたポリイミドシートと電極Ｅ２が形成されたポリイミドシートが交互に積層されている。湿度センサー部５１には端子５２，５３が形成されている。端子５２と端子５３との間の静電容量を計測することによって、湿度を検出することができる。
　湿度センサー部５１の上には、ＮＴＣサーミスターによって構成される温度センサー部５６が配置されている。
　図１１は、湿度センサー部を積層構造とした複合センサーの第２例を示す断面図である。図１１に示すセンサー素子は、図５のセンサー素子（１－２）の湿度センサー部６１を積層型の湿度センサーとしたものである。湿度センサー部６１では、電極Ｅ１が形成されたポリイミドシートと電極Ｅ２が形成されたポリイミドシートが交互に積層されている。湿度センサー部６１には端子６２，６３が形成されている。端子６２と端子６３との間の静電容量を計測することによって、湿度を検出することができる。
　なお、図１０に示した構造に使用する温度センサー材料をＮＴＣサーミスターとし、図１１に示した構造に使用する温度センサー材料をＰｔとしたが、図１０に示した構造にＰｔ温度センサーを用いてもよく、図１１に示した構造にＮＴＣサーミスターを用いても良い。
　図１０に示した湿度センサー部５１および図１１に示した湿度センサー部６１は、一般的な積層セラミックコンデンサーと同じ形状をしている。実施の形態３の湿度センサー部においても、積層セラミックコンデンサーと同様な種々の内部電極の配置を採用できる。内部電極の配置の仕方には多くの自由度がある。図１２は、電極の積層配置の第１例を示した図である。図１３は、電極の積層配置の第２例を示した図である。図１４は、電極の積層配置の第３例を示した図である。
　例えば、湿度センサー部に一般的に積層セラミックコンデンサーで知られているような図１２～図１４に示す内部電極構造を採用しても良い。図１２に示す配置は、最も典型的な電極配置である。図１３に示す配置は、電極Ｅ１、Ｅ２が中央部分で交互に積層されている電極配置である。この場合、端子Ｔ１に導通している電極Ｅ１が形成される層には、電極Ｅ１に間をあけて端子Ｔ２に導通している対極が形成され、端子Ｔ２に導通している電極Ｅ２が形成される層には、電極Ｅ２に間をあけて端子Ｔ１に導通している対極が形成される。図１４に示す配置では、電極Ｅ１、Ｅ２の間に電極Ｅ３が配置される。この配置のセンサー素子の等価回路は、電極Ｅ１およびＥ３で形成される平行平板コンデンサーと電極Ｅ２およびＥ３で形成される平行平板コンデンサーが直列に接続された回路となる。図１０～図１４に示すような湿度センサーにおいては、感湿部材２は、互いに少なくとも一部が接するように順に重ねて配置された複数の感湿層を含み、第１電極Ｅ１の複数の電極部は、複数の感湿層と交互に積層して配置される。また第２電極Ｅ２の複数の電極部も、複数の感湿層と交互に積層して配置される。
　このように、内部電極を複数層形成することによって、湿度センサー部の静電容量をさらに大きくできる。この場合、様々な内部電極形状を組み合わせても良い。以下に内部電極形状の例をいくつか示す。
　図１５は、同一平面に形成された平板状の対向電極の例を示す図である。図１６は、同一平面に形成されたくし歯状の対向電極の例を示す図である。図１７は、同一平面に形成されたミアンダ（蛇行）状の対向電極の例を示す図である。
　図１８は、異なる層に形成された平板状の対向電極の例を示す図である。図１９は、異なる層に形成されたくし歯状の対向電極の例を示す図である。図２０は、異なる層に形成されたミアンダ状の対向電極の例を示す図である。
　図１５～図２０に示したような様々な内部電極形状を組み合わせることによって高い静電容量と早い応答速度とリカバリー速度とを有する湿度センサーが作製できる。例えば、湿度センサー部の中央部に平板状の電極、湿度センサー部の外側でくし歯電極状やミアンダ状の電極などを配置するとよい。
　代表として図１５および図１８について、内部電極を有する湿度センサー部の特徴を説明する。湿度センサー部１および１１は、第１端子Ｔ１に電気的に接続された第１電極Ｅ１と、第３端子Ｔ３に電気的に接続された第２電極Ｅ２とを備える。第１電極Ｅ１は、感湿部材２に覆われた第１主面Ｓ１と、感湿部材２に覆われた第２主面Ｓ２とを有する第１内部電極部Ｅ１Ａを含む。第２電極Ｅ２は、感湿部材２に覆われた第３主面Ｓ３と、感湿部材２に覆われた第４主面Ｓ４とを有する第２内部電極部Ｅ２Ａを含む。第１内部電極部Ｅ１Ａは、第２内部電極部Ｅ２Ａの少なくとも一部と感湿部材２を挟んで対向する部分を含む。このように、感湿部材２に第１電極Ｅ１および第２電極Ｅ２が埋設された湿度センサー部を複合センサーが備えることによって、湿度の検出感度が良くなるとともに、腐食性ガスから電極が保護され、湿度センサー部の信頼性が向上する。
　なお、湿度に応じて抵抗率が変化する感湿部材を用いる抵抗変化型湿度センサーの場合で、センサー素子（３－１）のように電極を内部電極にした構造を作製したものをセンサー素子（３－３）とする。センサー素子（３－３）において１０％ＲＨから９０％ＲＨまで湿度を変えることで、電気抵抗が６１９ｋΩｃｍから８．３ｋΩｃｍまで抵抗値が約７５倍に変化した。センサー素子（２－１）では抵抗変化は約４８倍であったことを考えると、内部電極を用いた構造とすることで、センサー素子（３－３）では湿度センサー部の感度が向上していることが分かる。
　［実施の形態４］
　実施の形態４では、静電容量型湿度センサー用の電極として、湿度センサー材料内部に内部電極を有し、この内部電極の形状をコイル状にする。また、内部電極としては、平板状、くし歯状、ミアンダ状などの電極形状のものと組み合わせを用いたりしてもよく、これらの電極を複数層形成してもよい。
　実施の形態４によれば、湿度センサーのＬ成分を大きくできるので、外付けでインダクターを使用しなくても湿度測定用の共振回路を共振させることができる。
　一例として、平面コイル状の電極の場合について説明する。図２１は、実施の形態４で用いられる平面コイル電極の一例を示す図である。縦×横が１．２ｍｍ×２．０ｍｍのサイズにおいて、Ｌ／Ｓ（ライン／スペース）が１００μｍ／１００μｍの平面コイル状の上部電極と、平面コイル状の下部電極が、中心部のビアを通して繋がっている構造を有するセンサー素子（４－１）が示されている。
　センサー素子（４－１）は、以下の方法で作製することができる。実施の形態１と同様な方法でポリイミド前駆体シートを作製する。ポリイミド前駆体シートにレーザーパンチャーを用いてビアをあける。ビアあけの後、Ａｇペーストをビアに流し込み、６０℃で乾燥させた後、両面にコイル状のＡｇ電極Ｅ１１Ａ，Ｅ１１Ｂを印刷により形成する。片面印刷する毎に、６０℃で乾燥を行なう。その後、シート片面にエアロゾルディポジション法（ＡＤ法）で、メタルマスクを用いてパターニングした１０μｍ厚のＮＴＣサーミスター用ＮｉＭｎ２Ｏ４厚膜を室温で成膜する。このＮＴＣサーミスター用の電極として、ＮｉＣｒ／モネル／Ａｇ電極をスパッタにより形成する。目的のサイズにシートをカットした後、空気雰囲気下で３５０℃、１時間の焼成を行なう。焼成後の試料にＡｇの引き出し電極を形成した後に、１００℃でさらに焼成することで、目的とする複合センサー素子の作製が完了する。センサー素子（４－１）の共振周波数を本願発明者が実験によって確認したところ、６．９０７ＧＨｚであった。
　センサー素子（４－１）の外部電極上にさらに１５μｍ厚のポリイミドを積層したものをセンサー素子（４－２）とする。センサー素子（４－２）は、センサー素子（４－１）の製作過程における電極印刷後のポリイミド前駆体シートを、電極を印刷していないポリイミドシート上に積層し、２００ＭＰａの圧力で圧着した後、空気雰囲気下で３５０℃、１時間の焼成を行なうことで作製できる。この構造での共振周波数を本願発明者が実験によって確認したところ、５．５５９ＧＨｚであり、センサー素子（４－１）に比べて共振周波数を低くすることができた。
　さらに、一般的なチップインダクターのように、３次元的なコイルを素子内部に形成するとさらに共振周波数を下げることができる。図２２は、３次元的なコイルが素子内部に形成されている状態を示す図である。図２２の３次元コイルを採用した素子をセンサー素子（４－３）とする。センサー素子（４－３）は、センサー素子（４－１）やセンサー素子（４－２）の場合と同様に、ポリイミド前駆体シートのビアあけ、Ａｇ電極流し込み、Ａｇ電極印刷を行ない、それらを合計７３シート積層することで得られる。このように作製したセンサー素子（４－３）の共振周波数を本願発明者が実験によって確認したところ、０．７１５ＧＨｚであった。図２３は、センサー素子（４－１），（４－２），（４－３）の特性を並べて示した図である。センサー素子（４－３）では、センサー素子（４－１）やセンサー素子（４－２）に比べて大幅に共振周波数を下げられることがわかる。このため、クロック周波数の低い低速のマイクロコンピュータを使用して、湿度測定に必要な共振周波数を測定することが可能となる。
　［実施の形態５］
　実施の形態５では、複合センサーの構成において、湿度センサー部の感湿部材として、湿度センサー材料と、湿度センサー材料とは誘電率が異なる材料とのコンポジット材料を用いる。誘電率が異なる材料は、湿度センサー材料より比誘電率が高い。湿度センサー材料としては、例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、酢酸酪酸セルロース（ＣＡＢ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、クロトン酸ビニル、ポリエチレンテレフタラート及びこれらの混合物などを使用できる。また、比誘電率が高い材料としては、ＢａＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３、ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２などのセラミックス誘電体材料などを使用できる。また、コンポジット材料の各成分は、湿度センサー材料と誘電体材料が均一に混ざっていても、不均一に混ざっていても、局在していても良い。
　このように比誘電率が高い材料と湿度センサー材料とのコンポジット材料を使用することによって、湿度センサー部の静電容量を大きくすることができる。
　湿度センサー材料と比誘電率が高い材料とのコンポジット材料の例として、ポリイミドと強誘電体材料であるＢａＴｉＯ３のコンポジット材料を検討した。上記ポリイミドワニスと同じものをポリイミド原料とし、ＢａＴｉＯ３の粉末をポリイミド：ＢａＴｉＯ３が体積比で１：１となるようにポリイミドワニスとＢａＴｉＯ３を混合した。混合したものをコンポジットシート作製原料とし、実施の形態１と同じ方法、条件においてシート成形、電極印刷、積層、圧着、焼成を行なうことで、ポリイミドとＢａＴｉＯ３とのコンポジットシートを用いた湿度センサーを作製できる。
　実施の形態１および実施の形態３で説明したセンサー素子（１－１）、（３－１）、（３－２）と同じ構造をポリイミドとＢａＴｉＯ３とのコンポジットシートで作製したセンサー素子をそれぞれセンサー素子（５－１）、（５－２）、（５－３）とする。
　図２４は、センサー素子（５－１）、（５－２）、（５－３）の特性を並べて示した図である。センサー素子（５－１）、（５－２）、（５－３）の湿度センサー部の静電容量は６．７６０ｐＦ、１３．８１０ｐＦ、１．２０９ｎＦである。これらは、ポリイミドのみの感湿部材を用いた場合に比べておよそ８．３５～１１．６５倍の静電容量となっていることが分かる。
　コンポジット材料の他の例として、ポリイミドと、強誘電体ではないが高い誘電率を示すＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２の体積比で５：１のコンポジット材料についても同様に検討した。
　実施の形態１および実施の形態３で説明したセンサー素子（１－１）、（３－１）、（３－２）と同じ構造をポリイミド／ＣａＣｕ３Ｔｉ４Ｏ１２コンポジットシートで作製したセンサー素子をそれぞれセンサー素子（５－４）、（５－５）、（５－６）とする。
　図２５は、センサー素子（５－４）、（５－５）、（５－６）の特性を並べて示した図である。センサー素子（５－４）、（５－５）、（５－６）の湿度センサー部の静電容量は３１．５９５ｐＦ、６６．０８１ｐＦ、５．８７３ｎＦである。これらは、ポリイミドのみを用いた場合に比べておよそ３９．０５～５６．５７倍の静電容量となっていることが分かる。
　［実施の形態６］
　実施の形態６では、湿度センサー材料と、湿度センサー材料より比透磁率が高い材料とのコンポジット材料を用いた感湿部材について検討する。比透磁率が高い材料としては、各種フェライト（スピネルフェライト、六方晶フェライト、ガーネットフェライトなど）、各種セラミックス磁性体材料（酸化鉄など）、パーマロイ、各種ステンレス鋼、各種金属磁性体材料（ＦｅＰｔ、ＰｔＣｏ、ＦｅＣｏ、Ｎｉ、Ｆｅなど）などを使用することができる。また、コンポジット材料の各成分は、湿度センサー材料と磁性体材料が均一に混ざっていても、不均一に混ざっていても、局在していても良い。
　このように比透磁率が高い材料と湿度センサー材料とのコンポジット材料を使用することによって、湿度センサー部のインダクタンスを大きくすることができる。このため、複合センサーを用いてＬＣ発振回路を構成する際の外付けインダクターが不要になる。
　湿度センサー材料と比透磁率μｒが高い材料とのコンポジット材料の例として、ポリイミドと比透磁率μｒが１３００のフェライト材料のコンポジット材料を検討した。上記ポリイミドワニスと同じものをポリイミド原料とし、フェライト材料の粉末をポリイミド：フェライト材料が体積比で１：１となるようにポリイミドワニスとフェライト材料を混合する。混合したものをコンポジットシート作製原料とし、実施の形態１のセンサー素子（１－１）作製時と同じ方法、条件においてシート成形、電極印刷、積層、圧着、焼成を行なうことによって、ポリイミドとフェライト材料とのコンポジットシートを用いた湿度センサーを作製する。実施の形態４で示したセンサー素子（４－１）、（４－２）、（４－３）と同じ構造をポリイミドとフェライト材料とのコンポジットシートで作製した構造をセンサー素子（６－１）、（６－２）、（６－３）とする。
　図２６は、センサー素子（６－１）、（６－２）、（６－３）の特性を並べて示した図である。センサー素子（６－１）、（６－２）、（６－３）の共振周波数は、それぞれ３．６７７ＧＨｚ、０．４２７ＧＨｚ、３９．８１２ＭＨｚである。これらは、ポリイミドのみの感湿部材を用いた場合に比べて、約４６．７６％～９４．５４％と周波数が低くなっていることが分かる。
　［実施の形態７］
　実施の形態７では、実施の形態５（湿度センサー材料と誘電体材料のコンポジット）と実施の形態６（湿度センサー材料と磁性体材料のコンポジット）の組み合わせについて検討する。すなわち、湿度センサー材料と、湿度センサー材料より誘電率の高い誘電体材料と、磁性体材料とのコンポジット材料を湿度センサー部の感湿部材に使用する。
　このようなコンポジット材料を使用することによって、湿度センサー部の静電容量とインダクタンスを共に大きくすることができる。また、複合センサーを用いてＬＣ発振回路を構成する際の外付けインダクターが不要になる。
　実施の形態５及び実施の形態６と同様に、湿度センサー材料と誘電体材料、磁性体材料を混合することでコンポジットシートを作製する。
　例えば、ポリイミド：ＢａＴｉＯ３：フェライト材料（比透磁率μｒが１３００）の体積比が２：１：１となるように、ポリイミドワニス、ＢａＴｉＯ３粉末、フェライト材料粉末を混合した場合について説明する。実施の形態４と同様の方法で、センサー素子（４－１）、（４－２）、（４－３）と同じ構造をポリイミドとＢａＴｉＯ３とフェライト材料とのコンポジットシートで作製した構造をセンサー素子（７－１）、（７－２）、（７－３）とする。
　図２７は、センサー素子（７－１）、（７－２）、（７－３）の特性を並べて示した図である。センサー素子（７－１）、（７－２）、（７－３）の湿度センサー部の共振周波数は、それぞれ２．２３９ＧＨｚ、０．３０９ＧＨｚ、２８．１５１ＭＨｚである。これらは、ポリイミドのみの感湿部材を用いた場合に比べて、約６７．５８％～９６．０８％と共振周波数が低くなっていることが分かる。
　［実施の形態８］
　誘電体や磁性体材料の量を多くすることで静電容量やインダクタンスが大きくなるというメリットがある一方で、これらの材料は湿度に対して応答しないので、湿度変化に対する感度が悪くなるというデメリットもある。そこで、実施の形態８では、湿度センサー部の素子の中心部分で誘電体や磁性体の割合を高くする一方で、湿度センサー部の素子の表面付近ではポリイミドの割合を高くする。
　なお、湿度センサー材料の割合の分布は、上記要件を満たす限り、均一、不均一、局在的など、どのように分布していても良い。
　このように表面部の湿度センサー材料の濃度を高くすると、湿度による静電容量変化を大きくすることができるため、静電容量やインダクタンスを大きく保ちつつ、湿度に対する感度を高くすることができる。
　図２８は、実施の形態８における湿度センサー部の積層されたコイル電極の形状を説明するための図である。実施の形態６で説明したセンサー素子（６－３）の構成において、７３層積層したシートのうち、表面から２層分をポリイミド１００％、中心の７１層をポリイミド：フェライト材料（比透磁率μｒが１３００）混合比が体積比で１：１のコンポジットシートとする場合をセンサー素子（８－１）とする。
　なお、センサー素子（８－１）では、ポリイミドシートで挟まれた表面の電極はセンサー素子（１－１）と同じくし歯電極としている。センサー素子（８－１）の共振周波数は４２．１９３ＭＨｚである。この共振周波数は、センサー素子（６－３）の共振周波数３９．８１２ＭＨｚよりも若干高くなっているものの、１０％ＲＨから９０％ＲＨまでの湿度変化による共振周波数変化が２３．２８％である。この変化率は、センサー素子（６－３）の場合の２０．６６％よりも大きいことが分かる。そのため、実施の形態６の場合に比べて湿度に対する感度を大きくすることができていることがわかる。
　なお、センサー素子（８－１）ではセンサー素子（６－３）との比較のために中心部分での材料組成は同じにしてあるが、中心部分のフェライト材料の割合を増やすことで共振周波数を下げることができる。また、表面のポリイミドの割合や厚みを増やすことで共振周波数は高くなるものの、湿度に対する感度を増加させることができる。
　［実施の形態９］
　実施の形態８の複合センサーは、湿度センサー部の感湿部材は、第１部分と、第１部分よりも湿度センサー部の主面（外表面）の近くに配置され、湿度センサー材料（ポリイミド等）の割合が第１部分よりも高い第２部分とを含む点が特徴であった。
　実施の形態９の複合センサーは、実施の形態８の複合センサーの構成と比べて、湿度センサー部の素子表面で湿度センサー材料の割合を１００％とする点は同じであるが、素子内部で湿度センサー材料の割合を０％にする点が異なる。この割合が、静電容量やインダクタンスを高くしつつ、湿度変化による静電容量変化を大きくできる最適例である。
　表面のシートの湿度センサー材料の割合を１００％とすることによって、表面のシートの静電容量変化により、十分大きな感度が得られる。
　例として、図２８に示すセンサー素子（８－１）において、中心部が１００％フェライト材料（比透磁率μｒが１３００）であるセンサー素子（９－１）の作製方法を説明する。この場合、中心部は一般的なチップインダクター構造と同じであるため、一般的な作製プロセスをそのまま使用することが可能である。
　フェライト材料粉末、バインダー、可塑剤、消泡剤、湿潤剤を水に溶かし、攪拌、脱泡したものをシート成形のためのスラリーとする。このスラリーを１００μｍのドクターブレードを用いて６０℃の温度で乾燥させながらシートを動かすことでＰＥＴフィルム上にフェライトシートを作製する。このシートにＡｇ電極を印刷した後、７１枚シートを積層した後、２００ＭＰａの圧力で圧着する。その後、９００℃で２時間の焼成することによって、フェライト積層シートＬ１～Ｌ７１が得られる。
　このフェライト積層シートＬ１～Ｌ７１に上記のポリイミドワニスをスピンコートした後、１３０℃で乾燥する。その後、Ａｇのくし歯電極パターンを印刷したシートＬ７２を配置し、シートＬ７２の上部にさらにポリイミドワニスをスピンコートし、１３０℃で乾燥する。その後実施の形態１と同様に、ＡＤ法によりＮｉＭｎ２Ｏ４のＮＴＣサーミスター及び電極を積層シートのＬ１側に形成する。このような方法で、ポリイミド前駆体／Ａｇ電極／ポリイミド前駆体／フェライト積層シート／ＮＴＣサーミスターの構造ができる。この状態で空気雰囲気下において３５０℃、１時間の焼成をした後に、目的の大きさにカットすることで、センサー素子（９－１）が作製できる。
　図２９は、センサー素子（６－３）、（８－１）、（９－１）の特性を並べて示した図である。図２９に示すように、センサー素子（９－１）の共振周波数は９．５６０ＭＨｚであり、センサー素子（８－１）の共振周波数よりも低くなっていることが分かる。また、１０％ＲＨから９０％ＲＨまでの湿度変化による共振周波数の変化率は１０．８５％であった。これはセンサー素子（８－１）に比べて変化率が小さくなっているものの、約１．１ＭＨｚの周波数変化であり非常に大きい。そのためセンサー素子（９－１）の構造とすることで、共振周波数を大幅に低減しつつ、十分大きな周波数変化を得ることができる。
　以上説明したように、実施の形態１～９の複合センサーは、温度センサー部には第１端子および第２端子を用いて、湿度センサー部には第１端子および第３端子を用いて、別々の電圧を印加することができるため、１つのセンサーで温度および湿度の同時測定が可能となる。また、温度センサーと湿度センサーとが一体構造となっているため、湿度センサーの温度補正、温度センサーの湿度補正がより正確にできる。また、一体構造のため、別々に温度センサーと湿度センサーとを用意した場合に比べて実装時の小型化が可能となる。さらに、３端子構造のため、４端子構造の複合センサーに比べて実装面積を減らすことができる。
　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　１－１　複合センサー、２　感湿部材、２Ｄ，２Ｅ，２Ｆ　ポリイミド、１，１１，５１，６１　湿度センサー部、５２，５３，５７，６２，６３，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ３　端子、５６，６６　温度センサー部、Ｅ１，Ｅ２，Ｅ３，Ｅ１１Ａ，Ｅ１１Ｂ　電極、ＦＬ　下面、ＦＳ１～ＦＳ４　第１～第４側面、ＦＵ　上面、Ｌ１～Ｌ７１　フェライト積層シート。

Claims (10)

  1. 　温度に応じて抵抗率が変化する感温部材を含む温度センサーと湿度に応じて静電容量または抵抗率が変化する感湿部材を含む湿度センサーとを一体化した複合センサーであって、
    　前記温度センサーと前記湿度センサーに共通して用いられる第１端子と、
    　前記第１端子との間で前記感温部材の電気的特性を測定可能に配置された第２端子と、
    　前記第１端子との間で前記感湿部材の電気的特性を測定可能に配置された第３端子とを備える、複合センサー。
  2. 　前記感温部材は、前記感湿部材に積層して配置され、
    　前記第１端子は、前記複合センサーの積層方向に沿う面に形成される、請求項１に記載の複合センサー。
  3. 　前記複合センサーは、直方体の形状を有し、
    　前記直方体は、前記複合センサーの積層方向に沿う第１～第４面を含み、
    　前記第１端子は前記第１面に形成され、
    　前記第３面は、前記第１面と反対側の面であり、
    　前記第３端子は、前記第３面に形成される、請求項１に記載の複合センサー。
  4. 　前記第２端子は、前記積層方向に直交する面に形成される、請求項２または３に記載の複合センサー。
  5. 　前記第１端子は、接地端子であり、
    　前記第１端子と前記第２端子との間には、直流電圧源が接続され、
    　前記第１端子と前記第３端子との間には、交流電圧源が接続される、請求項１～４のいずれか１項に記載の複合センサー。
  6. 　前記第１端子に電気的に接続された第１電極と、
    　前記第３端子に電気的に接続された第２電極とをさらに備え、
    　前記第１電極は、
    　前記感湿部材に覆われた第１主面と、前記感湿部材に覆われた第２主面とを有する第１内部電極部を含み、
    　前記第２電極は、
    　前記感湿部材に覆われた第３主面と、前記感湿部材に覆われた第４主面とを有する第２内部電極部を含み、
    　前記第１内部電極部と前記第２内部電極部とは前記感湿部材を挟んで配置される、請求項１に記載の複合センサー。
  7. 　前記感湿部材は、湿度の変化に応じて静電容量が変化する第１材料と、前記第１材料と誘電率が異なる第２材料とを含む複合材料で形成される、請求項１に記載の複合センサー。
  8. 　前記感湿部材は、湿度の変化に応じて静電容量が変化する第１材料と、磁性体である第２材料とを含む複合材料で形成される、請求項１に記載の複合センサー。
  9. 　前記感湿部材は、湿度の変化に応じて静電容量が変化する第１材料と、前記第１材料と誘電率が異なる第２材料と、磁性体である第３材料とを含む複合材料で形成される、請求項１に記載の複合センサー。
  10. 　前記感湿部材は、
    　第１部分と、
    　前記第１部分よりも前記感湿部材の主面の近くに配置され、前記第１材料の割合が前記第１部分よりも高い第２部分とを含む、請求項７～９のいずれか１項に記載の複合センサー。
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