JPH0571760U

JPH0571760U - 静電容量型湿度変換装置

Info

Publication number: JPH0571760U
Application number: JP1964792U
Authority: JP
Inventors: 正博朝倉; 忠彦大橋
Original assignee: Kurabe Industrial Co Ltd
Current assignee: Kurabe Industrial Co Ltd
Priority date: 1992-03-02
Filing date: 1992-03-02
Publication date: 1993-09-28
Anticipated expiration: 2006-03-06
Also published as: JPH088445Y2

Abstract

(57)【要約】【目的】静電容量型湿度検知素子を用い、民生機器で
使用できる程のコスト・パフォーマンスを有する静電容
量型湿度検知装置を提供することにある。【構成】本考案は、下部電極層を有するシリコン基板
の上面に、ポリイミド感湿膜、上部電極層、保護膜が順
次積層されてなる静電容量型湿度検知素子がＣＲタイミ
ング回路の容量成分Ｃとして接続された無安定マルチバ
イブレーターと、アクティブ・ローパス・フィルター
と、直線検波回路と、平滑回路とが、縦続接続されてな
る静電容量型湿度変換装置であり、前記無安定マルチバ
イブレーターの出力方形波の基本周波数が前記アクティ
ブ・ローパス・フィルターの遮断周波数より高い周波数
に設定されるよう構成されたことを特徴とするものであ
る。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、静電容量型湿度検知素子の湿度変化に対する容量変化を電圧の変化として取り出す静電容量型湿度変換装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】

近年、快適空間を実現するためにニューロやファジイ制御が行われるようになってきたが、体感状態を検出するためのファクターとして温度ばかりでなく湿度や風量なども積極的に使われるようになってきている。とりわけ、湿度は快適性を得るための重要な要素であり、従来より種々の湿度検知素子が開発されている。これらの中でも、例えば、工業計測に使用されていた静電容量型湿度検知素子は、低湿度側での測定範囲、直線性、温度特性、ヒステリシス特性、応答時間等の各特性において抵抗型湿度検知素子よりも著しく優れているため、近年、民生機器からも注目されるようになってきている。

【０００３】この種の静電容量型湿度検知素子の構成としては、絶縁基板上に対向電極層が形成され、その上にポリイミドやセルロース系の感湿膜が形成された後、更に最外殻に各種処理が施されたフローティング電極が形成されてなるものが一般的である。しかし、このような構成の湿度検知素子は、構造が複雑で価格が極めて高価であるのに加え、フローティング電極構成であるため、容量値やその変化量が小さく、また、湿度に対する容量変化の直線からのズレがやや大きい。更に、６０℃を越える高湿度中では容量値が変化したまま復元せず（ドリフト量が大きい）、加熱処理等を施しても容易に復元されないという欠点がある。

【０００４】一方、前記静電容量型湿度検知素子の湿度に対する静電容量の変化を電圧の変化等に変換する変換回路は、精度の程度に応じて種々提案されている。

【０００５】この種の変換回路として最も基本的なものとして、例えば、交流ブリッジによる位相差の検出がある。しかし、この回路は高精度ではあるものの回路の規模が大き過ぎ、民生機器の回路としては不適である。また最近では、スイッチド・キャパシタで構成された電荷平衡アンプにより、非常に高精度な変換回路が現実化されているが、これも多相クロックを使うなど構成が複雑で規模も大きく民生機器の回路としては不適である。

【０００６】これらの他、容量値を電圧に変換する回路として、精度は高くないが良く知られているものとして以下のようなものがある。（ａ）ＣＲタイミング回路からなる無安定マルチバイブレーターの方形波出力がカウンターに入力され、そのカウント出力がデジタル・アナログ・コンバーターで電圧に変換される回路。（ｂ）ＣＲタイミング回路からなる無安定マルチバイブレーターの方形波出力のエッジ微分で作成されるトリガー・パルスにより単安定マルチバイブレーターが駆動されて出力される一定間隔パルスが、前記方形波出力周期ごとに積分されて電圧に変換される、いわゆる周波数−電圧変換回路。（ｃ）ＣＲタイミング回路から成る無安定マルチバイブレーターの方形波出力がミラー積分回路に加えられ、その出力が直線検波、平滑されて電圧に変換される、いわゆる周期−電圧変換回路。

【０００７】ここで、前記（ａ）及び（ｂ）の変換回路は、回路構成が複雑であると共に、優れた精度や安定性を得ることが難しく、また調整が繁雑な点や比較的高価な部品を必要とする点で不経済である。

【０００８】前記（ｃ）の変換回路は、高精度ではないものの、回路構成が極めて簡単であるため、高価な部品は使用せず経済的である。しかし、その反面、無安定マルチバイブレーターからの方形波出力が、１次アクティブ・ローパス・フィルターの１種ではあるが、ミラー積分回路という単純な回路に入力されるために方形波出力の周波数成分に対して、減衰特性、遮断周波数、Ｑ値等のフィルター特性を自由に選択することができず、変換特性の感度や安定性に不満足な点が残る場合が多い。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

このように従来の静電容量型湿度検知素子は、抵抗型湿度検知素子に比べ特性は著しく優れているものの、低湿度域の測定においては直線性を得るために補正回路が必要であるし、少ない容量変化を拡大するための高精度で、かつ高安定な湿度変換回路が必要であった。

【００１０】また、湿度変換回路にしても、民生機器において使用できる程簡単な構成であり安価で、しかも精度、安定性、設計の自由度が得られる回路は見当たらない。

【００１１】本考案はこのような点に基づいてなされたもので、その目的とするところは、静電容量型湿度検知素子を用い、民生機器で使用できる程のコスト・パフォーマンスを有する静電容量型湿度検知装置を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】

前記目的を達成するべく本考案による静電容量型湿度変換装置は、下部電極層を有するシリコン基板の上面に、ポリイミド感湿膜、上部電極層、保護膜が順次積層されてなる静電容量型湿度検知素子がＣＲタイミング回路の容量成分Ｃとして接続された無安定マルチバイブレーターと、アクティブ・ローパス・フィルターと、直線検波回路と、平滑回路とが縦続接続されてなる静電容量型湿度変換装置において、前記無安定マルチバイブレーターの出力方形波の基本周波数が前記アクティブ・ローパス・フィルターの遮断周波数より高い周波数に設定されるよう構成されたことを特徴とするものである。

【００１３】

【作用】

上述のように構成された本考案よる静電容量型湿度変換装置は、まず静電容量型湿度検知素子の優れた作用が挙げられる。本考案において使用される湿度検知素子については、特願平３−６０８２２号に詳しく述べられているが、図２及び図３を参照して簡単に説明する。図２において、まず符号１は金（Ａｕ）の真空蒸着によって形成された下部電極層２を有するシリコン単結晶基板である。このシリコン基板１の上面にはポリイミド感湿膜３、Ａｕの真空蒸着による上部電極層４、ポリイミド保護膜５が順次形成されている。符号７はリード線であり、上部電極層４及び下部電極層２に導電性接着剤６によって接続されている。このように構成された湿度検知素子８は、図３に示すような保護ケース９に収納されて使用される。

【００１４】上記構成をなす容量型湿度検知素子は、以下に示すような特徴を有するものである。（１）相対湿度に対する静電容量の直線性が良い。（２）容量値と容量変化を比較的大きくとれる。（３）結露に対する変動が少なく、加熱による短時間復帰が可能である。（４）ヒステリシスが小さい。（５）０〜１００％ＲＨまでの測定が可能である。（６）温度依存性が著しく小さい。（７）応答性が早い。このような特徴を持つ静電容量型湿度検知素子は、従来の素子には無い優れた特性を有すると共に、構造が簡単で作製し易く、歩留りも高いため民生機器で使用するための諸条件を十分満足するものである。

【００１５】一方、静電容量型湿度変換回路は、前記の周期−電圧変換回路のミラー積分回路による１次アクティブ・ローパス・フィルター回路構成をｎ次を含むアクティブ・ローパス・フィルターに拡張することによって、精度、安定性及び設計の自由度が得られるようになり、また前記無安定マルチバイブレーターからの方形波出力の基本周波数が、前記アクティブ・ローパス・フィルターの遮断周波数より高い周波数に設定されるので、次のような大きな作用がある。

【００１６】つまり、本考案で使用される静電容量型湿度検知素子は、使用する素材の純度や混合比、及び寸法や熱処理条件により容量値、容量変化率、直線性等の基本的特性が変化するものの、本考案の湿度変換回路に組み込むことにより出力の大きさや感度及び直線性を任意に選択できるので、装置の総合出力としては正規化できる。従って、たとえ湿度検知素子間にバラツキが生じても湿度変換装置としては高い歩留りを維持することができるのである。

【００１７】

【実施例】

以下、図１乃至図４を参照して本考案を更に詳しく説明する。図２は、本考案を構成する静電容量型湿度検知素子の一実施例を示す斜視図である。まず、厚さ０．４ｍｍ、抵抗率０．０１Ω・ｃｍのＮ型シリコン単結晶基板１があり、この基板１の裏面にはクロム（Ｃｒ）、ニッケル（Ｎｉ）、Ａｕが順次真空蒸着されて、下部電極層２が形成される。上記基板１の表面にはポリイミド樹脂がスピンコーターで塗布され、乾燥後約３５０℃で硬化され、厚さ約１．２μ ｍのポリイミド感湿膜３が形成される。上記感湿膜３の表面には櫛型のメタルマスクを用いてＡｕが真空蒸着され、水分透過性の厚さ約２００Åの上部電極層４が形成される。更にその上面には感光性ポリイミド膜が塗布され、ホトリソグラフィによりリード線取り出し窓が開けられると同時に感光性ポリイミド膜は溶剤処理によって多孔質化され、ポリイミド保護膜５が形成される。これらは更に、４．５ｍｍ×５．５ｍｍの大きさにカットされチップ状とされた後、上部電極層１及び下部電極層４にリード線７が導電性接着剤６によって接続される。このようにして形成された静電容量型湿度検知素子８は、図３に示すような保護ケース９に収納されて使用される。尚、図３において、符号１０はリードピンであり、静電容量型湿度検知素子８のリード線７と接続されている。

【００１８】この湿度検知素子８の湿度に対する静電容量値の変化の様子は図４に示す通りである。

【００１９】図１は、本考案による静電容量型湿度変換装置の一実施例を示す説明図である。図１において、左側の部分はＣＲタイミング回路の容量成分Ｃとして前記静電容量型湿度検知素子８（Ｃ_Ｘ）が接続されたＣＭＯＳタイマーＩＣ５５５５からなる無安定マルチバイブレーターであり、そのＡ点出力は図４に示した容量変化に対し、ほとんど直線的な変化であり２１．１ＫＨｚから１７．５ＫＨｚまで変わる。出力波形は方形波でデューティはほぼ１／２である。この方形波出力は図１の中央部に示す２次バター・ワース・アクティブ・ローパス・フィルターに入力され、その遮断周波数ｆ_Ｃは６．２５２ＫＨｚであるから、入力された方形波の基本周波数ｆ_０の方が十分高周波側にある。Ｂ点の波形は直流バイアスの乗ったほぼ正弦波に近いものである。尚、前記ｆ_０とｆ_Ｃの関係が数１であったり、数２であったりすると、容量変化に対する出力の直線性は著しく劣化するので、数３となる条件が必要である。Ｂ点の出力は図１の右側の部分の直線検波回路と平滑回路に入力され、直流電圧に変換される。ここで得られる出力Ｖ_０の値は１．０１Ｖ〜１．１５Ｖであり、その直線性誤差は図４に示した湿度検知素子の湿度−容量変化特性を基準にして、相対湿度換算で±１％ＲＨ以内という高精度が得られた。

【００２０】

【数１】

【００２１】

【数２】

【００２２】

【数３】

【００２３】このように本考案で述べた静電容量型湿度検知素子の容量変化特性を、無安定マルチバイブレーターの発振周波数とアクティブ・ローパス・フィルターの特性とで組み合わせれば、自由度の高い設計が可能となり、高精度な変換結果が得られるのは明らかである。

【００２４】尚、本実施例ではアクティブ・ローパス・フィルターとして、２次バター・ワース・ローパス・フィルターを用いたが、ｎ次のベッセル・フィルターやチエビシェフ・フィルターを用いて自由度を高め得ることは勿論である。

【００２５】また、図１において、Ｕ１はタイマーＩＣ５５５５、Ｕ２はオペアンプＩＣ３２４Ｃ、Ｄ１は小信号用ダイオード、Ｒ₁〜Ｒ₅は固定抵抗器（Ｒ₁:１００ｋΩ 、Ｒ₂:３ｋΩ、Ｒ₃:２ｋΩ、Ｒ₄:３６ｋΩ、Ｒ₅:３６ｋΩ）、Ｃ₁〜Ｃ₄はフィルムコンデンサー（Ｃ₁:１００００ｐＦ、Ｃ₂:１０００ｐＦ、Ｃ₃:５００ｐＦ、Ｃ ₄ ：１０００００ｐＦ）を示している。尚、図中のＵ１の番号１〜８は、ＩＣのピン番号である。

【００２６】

【考案の効果】

以上説明したように本考案によれば、シリコン基板上に形成されたポリイミド感湿膜からなる静電容量型湿度検知素子が、無安定マルチバイブレーターに組み込まれ、その出力がアクティブ・ローパス・フィルターと直線検波回路と平滑回路に順次入力されて、容量変化が直流電圧に変換されるので、静電容量型湿度検知素子と簡単な構成の変換回路との組み合わせでありながら、自由度の高い設計が可能となり、従来、工業計測にしか使われ難かった静電容量型湿度変換装置を民生機器へ適用できる程の高歩留りと、コスト・パフォーマンスを実現できるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案による静電容量型湿度変換装置の一実施
例を示す説明図である。

【図２】本考案を構成する静電容量型湿度検知素子の一
実施例を示す斜視図である。

【図３】本考案を構成する静電容量型湿度検知素子が収
納される保護ケースの一例を示す図であり、（ａ）は正
面図、（ｂ）は側面図である。

【図４】本考案を構成する静電容量型湿度検知素子の感
湿特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１シリコン単結晶基板２下部電極層３ポリイミド感湿膜４上部電極層５ポリイミド保護膜６導電性接着剤７リード線８静電容量型湿度検知素子９保護ケース 10 リードピン

Claims

【実用新案登録請求の範囲】

【請求項１】下部電極層を有するシリコン基板の上面
に、ポリイミド感湿膜、上部電極層、保護膜が順次積層
されてなる静電容量型湿度検知素子がＣＲタイミング回
路の容量成分Ｃとして接続された無安定マルチバイブレ
ーターと、アクティブ・ローパス・フィルターと、直線
検波回路と、平滑回路とが、縦続接続されてなる静電容
量型湿度変換装置において、前記無安定マルチバイブレ
ーターの出力方形波の基本周波数が前記アクティブ・ロ
ーパス・フィルターの遮断周波数より高い周波数に設定
されるよう構成されたことを特徴とする静電容量型湿度
変換装置。