JPS5967601A - 感湿素子 - 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】 ＭｅはＢｌｌ，　ＣＦＩＩ　ｃｄ，　Ｃｏ，　Ｃｕ，　
Ｆｅ，　Ｍｇｌ　Ｍｎ＋　ＮＬ　Ｐｂ＋　Ｓｒもしくは
Ｚｎを表わす。）の粉末ならびにホウケイ酸ガラス粉末
を混合して高温焼結し、湿度の賀化を電気抵抗の変化と
して検出する感湿素子に関するものである。

環境ふんい気の湿度コン）ｐ−ルは産業、一般住居なら
びに医療など種々の分野でその要求が高まっている。

また、集積回路技術の急速な発展により、マイクロフロ
セッサの入手も容易となっている。これに伴って、低価
格、小形で信頼性の高い感湿素子の開発が要望されるよ
うになっ】てきた。一般に感湿素子が具備すべき条件に
は （１）　　高精度で直線性がよく、ヒステリシスがない
こと。

（２）ｆ斥刺目生が茜いこと。

（３）　　応答時間が早いこと。

（４）　　安定性があり、素子の互換性を有すること。

（５）　　インピーダンスが１０８〜１ｏ１Ω程度であ
ること。

（６）　　素子か発熱を伴わないこと。

のほか、風速の影響を受けないこと、小形で安価である
こと等があげられる。

感湿素子にヒステリシスがあり、また応答速度が遅くな
る原因は、湿度検出部に一度吸着した水分が階脱しにく
いことによって起るものである。

従って、ヒステリシスを改善し、応答速度を速くするた
めには、湿度検出部の素材は大気と接する表面積を大き
くすることが必要であり、素子の膜厚を薄くすれば良い
。しかし、素子の月１１口！１１．を薄くすると平面電
極の場合はインピーダンスが高くなり、対向電極の場合
は？ｌｔ　ＩＡ間シンコート起こり易くなる。この問題
を取り除くために、今日までに様々な試みがなされてい
るが、−静的に固有電気抵抗の低い材料は、湿度に対す
る感度が低いこともあって、成功した例は見られ／Ｌい
。また、全ての電気感湿素子の最大の欠陥は高湿度ふん
い気中に放置した場合、劣化が早いことである。その原
因については、イオンの拡散によるもの等のハ！己もあ
るが、現在までの坊明らかでｉｔ　＜　、対策もアニー
ルと材質の精製以外はほとんど行なわれていない０ 感湿素子はその利ｒ（と動作原理から、（１）勲ゼシ物
の塩類を使用したもの、（２）金ｋＩ（酸化物の半導体
を使用したもの、（３）高分子中に導縦材質類を拡散さ
せたもの、（４）その他に分類される。

（１）　　蕪機質の塩類を使用した感湿素子はｌｆｆ１
史も古く、１９３８年のＤｕｎｒｎｏｒｅ形センサに始
まり、ＬＩＣＩ　を使用したものが最も多い、ＬｉＣｌ
　　の支持体には、グラスウールや植物のズイ等が使用
されており、市販品も多い。このものには高湿度ふんい
気中でＬｉＣ１が流失することなどの欠点があり、応答
速度も遅い。

（２）　　金属酸化物等の半導体を使用した感湿素子は
、取り扱いが簡単なため、今後発展するものの一つであ
り、本発明もこれらに属するものである。この種の素子
は、製造方法および措造上などから、更に４種期に分け
られる。第１は感個利料を平面電極上に塗布したもので
ある。代表的なものにマグネタイト集子がある。このも
のは基板上にくし形電極を印刷し、その上にマグネタイ
トコロイドをスプレー等で付着させたものであるが、抵
抗値が低く、全湿度範囲を１個の素子で測定できる等の
ため画期的なものであった。しかし、繰り返し開化する
湿度中に放置すると疲労現象が激しいことと、製造する
場合の再現性に問題がある。第２は焼結形の素子であり
、これらにはＣＯの酸化戦ＭｎとＴＩの酸化物、Ｓｎと
ｓｂの酸化物、Ｓｔと金属酸化物、ニッケルフェライト
、リチウム７エライト、ＳＩＣとガラス、その他種々の
物質についての報告が見られる。しかしながら、これら
の各素子は、バインダの量や粒状境界の問題が素子の再
現性を困難にしている。第３は〃ｃ着等によって得られ
た薄膜を使用して作製した感池素子で、Ｓｅ。

Ｇｅ、Ｓｎの酸化物等がある。これらの素子はいずれも
膜厚が薄く、応答時間は速い特徴があるが、経時変化特
性、再現性およびインピーダンスが篩い等の諸問題をか
かえている。第４はＡＩの陽極酸化皮膜を利用したもの
である。ＡＩの陽極酸化膜の多孔性を感湿素子としてう
まく利用したものであるが、バリア層の存在により高習
度で感度が悪くなることや、経時変化が問題となってい
る。

（３）　　高分子中に導電材を拡散させた感湿素子は、
導電材にカーボンを使用することが多いので、一般には
カーボンセンサとよばれている。このものは他の方式の
素子とは異なり、湿度が高くなると抵抗値が高くなる。

これは高分子が水分をふくむことにより膨張し、導体拐
相看間の距離を広げることによる。この素子は抵抗値が
小さく、湿度に対する抵抗沃化が対数的でなく、単純に
比例するものが多いなど使用に際して便利である。しか
し、応答時間が遅く、ヒステリシスにも問題がある。

（４）　　その他の感湿素子はあまり一般的ではないが
、現在まで報告が見られるものについて述べる。第１に
高分子材料中のイオン電導を利用した感湿素子として、
導電樹脂中のアンモニウム塩構造によるもの、ヒドロキ
シエチルセルロースによるもの、メタバナジン酸アンモ
ニウムと硝酸バリウムならびに硝酸ストロンチウムを感
光ヒト樹脂で成形したもの等がある◇また、表面イオン
電流を利用した感湿糸子として、フッ素樹脂のフッ素を
還元して表面処理したものがある。構造的に変っている
ものとして、Ｓｎの酸化物とＳｔの接合部の逆バイアス
電流を利用したものがある。また、高分子膜は水分の吸
着により重量が増加するが、その重量増加を水晶振動子
の振動数沃化として読みとろうとする試みがある。これ
らの素子についてはそれぞれ構造上問題があり、現在の
所実用に供するまでには至っていない。

以上のように従来から用いられているもしくは研究され
ている感湿素子はヒステリシス、直線性ならびに構造な
どに間順があるため、高精度化、高寿命化、小形化など
の面で実用上十分なものではなかった。また、感湿材の
形状が微細となるに従って活性度が高まり、利料の種類
によっては吸湿によって水酸化物を形成するため、これ
が感湿素子の短期間で特性劣化の原因ともなっている。

本発明は従来にない性能をもつＴａ２０５粉末などを用
いた金へ酸化物の半導体による感湿素子に閃するもので
ある。すなわち、本発明に係る感湿素子は、水酸化物を
形成しに＜＜、化学的、物理的、熱的に安定である’ｐ
ａ２０５粉末に感帥補助材としてＭｅＴ１０３の粉末、
結合剤としてホウケイ酸ガラス粉末を混合して高温焼結
することによって、その電気抵抗が低湿度領域から１１
２＋湿度領域に至るまで直線的に特性変化し、ヒステリ
シスも小さく、高湿度ふんい気中に長時間放置した場合
でも抵抗値の上昇などの特性劣化を示さないものである
。

Ｔａ２０５粉末に結合剤としてホウケイ酸ガラス粉末を
混合して高温焼結した感湿素子は直線性の面で若干の問
題があるが、ＭｅＴｉ０３の粉末を混合した場合は、低
濁度領域から高湿度領域に至る抵抗値変化の直線性が顕
著となる。

以下、実施例に基づいて本発明の感湿素子について詳細
に説明する。

（実施例１） 平均粒径約１μｍのＴａ２０５粉末９ｇと平均粒径約１
μｍのホウケイ酸ガラス粉末１ｇとを、アルミナ製自動
乳鉢で約１２時間ζｌｓ８し、この粉末をブチルカルピ
トールを用いてペースト化した。検知素子の基板として
、寸法が５ｍｍＸ１０ｍｍＸ０．６ｍｍのアルミナ基板
を用意し、この表面にＮｌ　ｔｌ−真空蒸着し、更にこ
の上にＡｕを真空蒸着し、エツチングして間ｒＡ０．１
３ｍｍのくし形電極を形成した。第１図は本実施例のく
し形電極の概要を示す。

次に、前述したペーストを、くシ形電極を有する基板の
表面にスプレーで塗布し、１６０℃中で１時間の予備乾
燥後、８３０±１０℃の空気中において焼結させた。こ
のようにして得られた感湿体の厚みは約２０μｍであっ
た、第２図にはこの実施例の湿度に対する抵抗値変化の
直線性ならびにヒス低湿度における抵抗値と高牌度にお
ける抵抗値とを直線的に結んだものを示している。これ
から明らかであるように、ヒステリシスは小さいが直線
性に若干の問題がある。

（実施例２） 平均粒径約１μｍのＴａ２０５粉末４．５ｇと平均粒後
動乳鉢で約１２時間混合し、この粉末をブチルカルピト
ールを用いてペースト化した。このペーストを実施例１
で記述したくし形電極を有する基板の表面にスプレーで
塗布し、実施例１で記述した焼結操作を施した。このよ
うにして得られた感湿素子の膜厚は約２０μｍであった
。

第３図にはこの実施例の湿度に対する抵抗値変化の直線
性ならびにヒステリシスを示す。第３図においての抵抗
値は各湿度ふんい気中に５分間放置後の値である。破線
は低Ｇ度における抵抗値と高湿度における抵抗値とを直
線的に結んだものである。これから明らかであるように
、ヒステリシスは小さく実使用上の問題はない。また、
直線性については顕著な改善が見られることを明らかに
した。

次に、第４図はこの実施例による感湿素子を低湿度ふん
い気中に１時間放置後、高湿度ふんい気中に放ｎした場
合の湿度応答特性、および素子を高湿度ふんい気中に１
時間放置後、低湿度ふんい気中に放置した場合の湿度応
答特性を示す。これから明らかであるように、湿度応答
性についても優れた特性を示す。更に第５図はこの実施
例による感湿素子を２０℃、９８％相対湿度ふんい気中
に長時間放置した場合の抵抗値と経過時間の関係を示す
。これから明らかであるように、高湿度ふんい気中に長
時間放置した場合でも抵抗値の上昇による特性の劣化は
見られない。

このように、本発明によれば、信頼性のある感涙素子を
製造することができる。

なお、ＭｅＴ１０３の充填量が７０重昌子以上とした場
合は直線性などの種々の特性が悲くなる。

【図面の簡単な説明】

第１図はくし形電極を示す図、ｒ（＜　２図は実施例１
による感湿素子の感湿特性を示す図、第３図は本発明に
よる感湿素子の感湿特性を示す図、第４図は本発明によ
る感湿素子の応答性を示す図および第５図は本発明によ
る感湿素子を高湿度ふんい気中に放置した場合の寿命の
一例を示す図である。 相対湿度（％ＲＨ） 相対湿度（％ＲＨ） 経過時間（秒） 経過時間（ｈ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、　　Ｔａ２０５粉末に一般式ＭｅＴＩ０３　（式中
   ＭｅはＢａ。 Ｃａｔ　Ｃｄ、　Ｃｏ、　Ｃｕ、　Ｆｅ、　Ｍｇ、　Ｍ
   ｎ、　ＮＩ、　Ｐｂ、　ＳｒもしくＩよＺｎを表わす。 ）の粉末を晶合し、結合剤にガラス粉末を用いて高温焼
   結し、湿度の衷化を電気抵抗の変化として検出すること
   を特徴とする感湿素子。 ２、特許請求の範囲第１虫の記載において、前記感湿素
   子は、耐熱性支持系体上のくし形電極上ｔこ形成された
   焼結膜であることを特徴とする感湿素子０ ３、　　ＭｅＴ＋０３粉末の充填量がＴａ２０５粉末に
   対して０．５〜７０ｉｆｆｉ％であることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の感湿素子。 ４　ガラス粉末としてホウケイ酸ガラスを用い、その充
   埴轍がＴａ２０５＋ＭｅＴｉ０３に対して５〜１５重飛
   ％であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の
   感湿素子。 ５、　　Ｔａ２０５粉末、Ｍｅ’ｐｉＱ３粉末、ガラス
   粉末の粒子径がｌｐｍ以下であることを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の感湿素子。 ６、　焼結温度が６００〜８５０℃であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項記載の感湿素子。