JPH01196558A - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、絶縁材料のインピーダンスが水分子の吸着に
よって変化することを利用して湿度を検出する湿度セン
サに関するものである。

［従来の技術］ 現在、実用化されている湿度センサは、感湿材料として
主に吸湿性高分子や、金属酸化物等の焼成により作成し
た多孔質セラミックス用いられ、水分子の吸着による静
電容量の変化及びインピーダンスの変化を利用して湿度
の検出を行っている。先ず、吸湿性高分子を用いて静電
容量の変化を検出する湿度センサは、吸湿性高分子の温
度係数が極めて小さく、また応答性も速くヒステリシス
も３％ＲＨ以内と小さいので、高精度な湿度計測が可能
である。しかし、吸湿性高分子は有機溶剤を含む雰囲気
中や高温雰囲気中では劣化を生ずるために、使用雰囲気
の制約を受けるという欠点がある。

一方、多孔質セラミックスを用いてインピーダンスの変
化を検出する方法による湿度センサは、耐環境性に優れ
特に制約を受けることが少ないので、広範囲に渡って使
用可能である。しかし、多孔質セラミックスを用いた湿
度センサは応答性、再現性、ヒステリシス等の測定精度
の点で吸湿性高分子を用いた湿度センサよりも劣るとい
う欠点がある。

そこで、上述の欠点を補うために感湿材料にとして熱的
化学的に安定な高絶縁材料を用いることが考えられてい
るが、通常ではその抵抗値は絶縁抵抗計を用いなければ
測定できないほど高抵抗である。従って、第８図、第９
図に示すような従来の湿度センサの構造では、現実に湿
度の検出を行うことは不可能である。

例えば、第８図はバルクタイプのものであり、感湿材料
１は主に金属酸化物の多孔質焼結体であり、２枚の電極
板２の間に挟み込まれている。感湿材料１の厚さｄはｍ
ｍ単位、電極板２の面積Ｓはｍ　ｍ　２〜ｃｍ２単位で
ある。この感湿材料１に前述の高絶縁材料を用いた場合
に、機械的強度が得られる範囲で感湿材料１の厚さｄを
限界まで薄くして電極板２の面積Ｓを大きくしても、比
抵抗が大き過ぎてインピーダンスは測定可使な値とはな
らない。

一方、第９図は厚膜印刷を用いた方法であり、絶縁基板
３上に電極４ａ、４ｂが設けられていて、これらの上部
は感湿材料５により覆われている。この場合は電極４ａ
と４ｂの間隔ｄ゛を小さくすれば抵抗値は低下するが、
実用上０．２ｍｍ程度が限界であるため゛、感湿材料５
に高絶縁材料を用いるとインピーダンスの変化を測定す
ることは不可能である。

［発明の目的］ 本発明の目的は、前述の従来例に係る問題点を除去し、
スパッタリング法によって感湿薄膜を形成し、温度や雰
囲気等の耐環境性に優れた高精度な湿度センサを提供す
ることにある。

［発明の概要］ 上述の目的を達成するための本発明の要旨は、絶縁性基
板上に形成した下部電極と、該下部電極の上部に絶縁材
料をスパッタリングにより形成した感湿薄膜と、該感湿
薄膜の上部に形成した水分透過性の上部電極とから構成
した湿度センサであって、前記下部電極は厚膜印刷によ
って形成した金属膜又はスパッタリング或いは厚膜印刷
によって形成した導電性セラミックス膜から成ることを
特徴とする湿度センサである。

［発明の実施例］ 本発明を図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

第１図は本発明に係る湿度センサの第１の実施例を示し
、（ａ）は断面図、（ｂ）はその電気的な等価回路図で
ある。電気絶縁性を有する基板１０上には厚膜印刷によ
って作成された金属膜か、スパッタリングや厚膜印刷に
よって作成した導電性セラミックスから成る例えば厚さ
１０ｐｍの下部電極１１が設けられ、その上部には５ｉ
０２、Ｓ　ｉ３　Ｎ４　、ＡｌＯ２、Ｚ　ｒ０２　、Ｍ
ｇＯ１Ｔｉ０２．或いはこれらを含む混合物質等の絶縁
材料から成る厚さ数ｇｍの感湿薄膜１２がスパー２タリ
ング法により作成されている。感湿薄膜１２の上部には
、真空蒸着等によって水蒸気透過性の厚さ数１０００人
の上部電極１３が設けられていて、感湿薄ｆｉ１２は上
下部を両電極１１．１３によって挟まれた構造になって
いる。

スパッタリング法は基本的には低真空のアルゴン雰囲気
中で放電を行うと、陰極（カソード）側に設置された物
質（ターゲット）の原子又は原子群がアルゴンイオンの
衝突によって外部に飛び出し、陽極（アノード）側に設
置された基板１０上に付着することを利用している。従
って、膜作成物質を陰極側に、膜作成用基板１０を陽極
側に設置し、１０（〜ｌ　Ｏ’　Ｔａｒｔのアルゴン雰
囲気中で放電を行えば膜作成用基板１０上に薄膜を作成
することができる。膜厚は真空度・蒸気圧・電源出力等
の物理的パラメータのみで制御でき、また基板１０上の
下部電極１１と薄膜との密着性も通常の蒸着よりも優れ
ていて、更には膜の組成も膜作成物質と同一のものが得
られる。

スパッタリング法には多くのバリエーションがあるが、
本実施例のように５ｉ０２やＳｉ３Ｎ。

等の絶縁膜を作成する場合には高周波電源を用いたＲＦ
スパッタリングや、アルゴンの他に酸素や窒素を雰囲気
として注入し、ターゲットとしてシリコン及び金属材料
等を用いて、一種の化学反応により薄膜を作成する反応
性スパッタリングが主に行われている。

以上のように構成すれば、感湿薄膜１２の膜厚は０．１
１−１Ｏ１Ｌの範囲となるので、通常でも十分測定可能
なインピーダンス値となる。これは抵抗値Ｒ＝ｐ−ｄ／
Ｓ（ただし、ρは比抵抗、ｄは電極間隔、Ｓは断面積）
となるので、比抵抗ρが大きい物質であっても、断面積
Ｓが電極間隔ｄよりも十分大きければ測定可能な抵抗値
となる。

感湿薄膜１６はスパッタリング法により作成しているの
で膜厚の安定性が高く、量産等に際しても規格の安定し
た高精度なものとなる。また、１１は厚膜印刷によって
作成するか、膨張係数の小さい導電性セラミックスを用
いるため、感湿薄ＩＩ％　１２と下部電極１１との膨張
係数の一致が得られるので、感湿薄膜１２の剥離やクラ
ックの発生が緩和されて耐久性の高いものとなる。

また、感湿薄膜１２は膜厚を小さくすることによって、
吸着した水分子の誘電率による容量成分の影響を受け、
そのインピーダンス値は低下する。従って、概念的には
第１図（ｂ）に示すように抵抗ＲとコンデンサＣを並列
に持続した等価回路となっており、そのインピーダンス
値Ｚは次式のようになる。

Ｉ　　Ｚ　　ｌ　　＝　　１／（（１／Ｒ）　　２　＋
　　（ωＣ）２　）　４第２図はこの湿度センサの感湿
特性及びヒステリシス特性を示したグラフ図であり、感
湿特性は相対湿度で３０％〜８０％ＲＨの間で約２桁の
インピーダンス変化が得られ、インピーダンスの対数を
取ればほぼ直線的な特性を得ることが可能である。一方
、ヒステリシスは約２％ＲＨ程度であり再現性が良好で
あることが認められる。

第３図は応答性を示しており、９０％応答までに約８〜
９秒で到達しており・、従来の多孔質セラミックスを用
いた湿度センサに比べて応答性が向上している。

なお、これらのデータは絶縁性を有する感湿薄膜１２と
して５ｉ０２を使用しているが、Ｓｉ３Ｎ４．ＡＮ□０
３．ＭｇＯ１Ｚｒ０２、ＴｉＯ２，或いはこれらを含む
混合物質についても同様な特性を得ることができる。ま
た、下部電極１１としては厚膜印刷により作成したＡｕ
−Ｐｔ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｕ−Ｐｄ、Ａｇ−Ｐｄや、Ｒｕ
Ｏ２等の導電性セラミックスを用いることが適当である
。

第４図は第２の実施例を示し、（ａ）は断面図、（ｂ）
は平面図である。基本的に第１図（ａ）と同様であり、
電気絶縁性を有する基板１４上に金属膜や導電性セラミ
ックスから成る下部電極１５、スパッタリング法により
作成した絶縁材料による感湿薄膜１６、水蒸気透過性の
上部電極１７が順次に積層されている。しかし、実用上
は外部との信号送受を行うために、上下電極１５．１７
にはそれぞれ接続端部１５ｓ、１７ｓが設けられていて
、図示しない導線がそれぞれ接続されている。

なお、第４図（ｂ）においては見易さのために、上下電
極１５．１７はずらして示しであるが、上下電極１５．
１７は接続端部１５ｓ、１７ｓを除いて同じ形状とし、
同位置に重なるように配置することが好適であることは
勿論である。

ところで、第１図、第４図において、感湿薄膜１２．１
６は水分子の吸着が十分少じるように多孔質膜となって
いるため、感湿薄膜１２．１６上に作成する上部電極１
３．１７を適度に厚くする必要があるが、水蒸気の透過
性が疎外され応答性が悪化する。従って、上部電極１３
．１７からの信号の取り出しのための電極の引き廻しは
できるだけ少なくする必要がある。第５図はそのことを
考慮に入れ・た第３の実施例を示し、（ａ）は模式的構
造図、（ｂ）はその等価回路図である。この実施例は基
本的には第１図（ａ）と同様の構造であるが、下部電極
１１をｌｌａ及びｌｌｂのように２個に分割し、外部と
の信号の送受信を全て下部電極１１で行っていて、理論
的には第５図（ｂ）に示すように抵抗Ｒａ、　Ｒｂ及び
コンデンサＣａ、　Ｃｂの並列回路を２個直列に接続し
た状態となる。

第６図は第４の実施例の平面図であり、第４図の実施例
において下部電極１５を１５ａ及び１５ｂの２個に分割
して、その接続端部１５ｓ、１５Ｓ’　にはそれぞれ信
号の送受信のための導線を取り付けた構造となっている
。従って、概念的には第７図に示すように、外部との信
号の送受信は２個の下部電極１５ａ、１５ｂを介して行
われることになる。

また、この湿度センサは薄膜化により温度、圧力、光等
のセンサと同一基板上に作成することも可能となり、多
機能センサに応用できる。

［発明の効果］ 以上説明したように本発明に係る湿度センサは、感湿材
料として絶縁材料を用い、スパッタリング法により感湿
材料を薄膜化しているので湿度や雰囲気等の耐環境性に
優れ、かつ応答性が向上するだけでなく膜厚の制御が容
易となり、量産に際しても規格が一定化して信頼性が高
い、更には、下部電極は厚膜印刷によって作成された金
属膜か、導電性セラミックスを用いるので、基板との膨
張係数が合致しているため、感湿膜の剥離やクラックの
発生を抑制することができ耐久性が向上する。

【図面の簡単な説明】

図面は本発明に係る湿度センサの実施例を示し、第１図
（ａ）は第１の実施例の断面図、（ｂ）は等価回路図、
第２図はその感湿特性及びヒステリシス特性図、第３図
は応答特性図、第４図（ａ）は第２の実施例の断面図、
（１））は平面図、第５図（ａ）は第３の実施例の断面
図、（ｂ）は等側平面図、第６図は第４の実施例の平面
図、第７図は側面図であり、第８図は従来例の構成図、
第９図は従来例の断面図である。 符号１０．１４は基板、１１．１５．１５ａ、１５ｂは
下部電極、１２．１６は感湿薄膜、１３．１７は上部電
極である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　１．絶縁性基板上に形成した下部電極と、該下部電極
   の上部に絶縁材料をスパッタリングにより形成した感湿
   薄膜と、該感湿薄膜の上部に形成した水分透過性の上部
   電極とから構成した湿度センサであって、前記下部電極
   は厚膜印刷によって形成した金属膜又はスパッタリング
   或いは厚膜印刷によって形成した導電性セラミックス膜
   から成ることを特徴とする湿度センサ。