JPS6020841B2 - 湿度検出素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は小型で高精度、高応答性の湿度検出素子に関す
るものである。

自然界の基礎的な諸変化量、たとえば温度、気圧、湿度
などのうちで、未だ精度の高い測定が困難なものは湿度
である。

食品工業、農業、その他多くの分野で湿度の正確で容易
な測定およびその調整が必要となってきている。現在、
電気信号として湿度を検出する方式としては、塩化リチ
ウムのような潮解性塩のイオン伝導の変化を利用するも
の、マグネタィト、シリコン半導体の水分吸脱着による
抵抗変化を利用したものが広く用いられている。

しかしながら、これらの方式のものは、いずれもイオン
伝導を利用したものであり、分極による隆時変化が大き
く、湿度以外の吸着ガスによっても指示値が変ってしま
う。また、応答性、ヒステリシス、測定湿度範囲が非常
に限られたものとなつていた。他に毛髪、ナイロン、ス
チレンのような合成繊維の水分吸脱着に伴う変形を応力
素子などと粗合せたものもあるが、応答速度、ヒステリ
シス、精度に難点がある。

カーボン、金属粉末などの導篤性微粒子を含んだ合成樹
脂の膨潤性を利用した素子は、感度の点で問題があり、
湿度劣化も大きい。

さらに、酸化アルミニウムの紬孔での水分吸脱着を容量
変化として検出する方式のものもあるが、経時変化が大
きい欠点がある。

また、Ｑ線吸収透過を利用した湿度計は非常に精度が高
いが、装置が大がかりであり、また非常に高価であり一
般用としては用いることができないものであった。

このように現在、開発されあるいは市販されている湿度
検出素子および装魔は、精度、応答性、環境ガスの影響
、測定範囲、感度耐熱性、ヒステリシス、経時変化、取
扱いの容易さ、価格の点などでいずれも一長一短があり
、全ての点で満足できるものが存在しなかった。

本発明は以上のような従来の欠点を除去するものであり
、小型で取扱いが容易で特性的にも安定した安価な湿度
検出素子を提供しようとするものである。

以下、本発明の実施例を添付の図面第１図〜第１０図に
より説明する。

まず、第１図により本発明の湿度検出素子の基本構成に
ついて示す。

１はタンタル、アルミニウム、チタン、ニオフ、ハフニ
ウム、ジルコニウムのような弁作用金属およびこれらの
合金や、シリコン、ゲルマニウムのような金属基体であ
り、この金属基体１の表面には誘電体性陽極酸化皮膜２
が形成され、この誘電体性陽極酸化皮膜２上には二酸化
マンガンのような半導体性金属酸化物膜３が形成されて
いる。

ただし、誘電体性陽極酸化皮膜２と半導体性金属酸化物
膜３とは、接触部分５と非接触空間部４とで隣接してい
る。そして、この半導体性金属酸化物膜３の上には金属
基体１との対向電極６が設けられる。次に本発明の湿度
検出素子の湿度を検出する作用について説明する。

第２図は第１図の誘電体性陽極酸化皮膜２と、半導体性
金属酸化物膜３との接触部分を拡大したものである。

この第２図に示すように、誘電体性陽極酸化皮膜２と半
導体性金属酸化物膜３はｂで示す範囲で接触部分５とな
っており、ａで示す範囲は非接触空間部４となっている
。

いま、相対湿度０％の雰囲気中に本発明の湿度検出素子
を配置した場合、半導体性金属酸化物膜３による水分吸
収が０であるので、第２図の接触部分５のみの譲函体性
陽極酸化皮膜２による静電容量が検出できる。

このとき、半導体性金属酸化物膜３は半導磁性を有する
ため、客量取出用電極としての働きをする。次に本発明
の湿度検出素子を湿気中に配置すると、半導体性金属酸
化物膜３が吸湿性を有するため、吸湿された水分が譲露
体性陽極酸化皮膜２表面まで達して、誘電体性陽極酸化
皮膜２と半導体性金属酸化物膜３との非接触空間部４の
表面に到る。

この半導体性金属酸化物膜３の吸湿水分量は、空気中の
相対溢度に比例するので誘電体性陽極酸化皮膜２におけ
る水分被覆率は相対湿度に比例することになる。このよ
うにして、誘電体性陽極酸化皮膜２まで到達した水分は
空気中の炭酸ガス、半導体性金属酸化物膜３中のマンガ
ンイオン、その他の不純物を含んでおり、それ自体略解
質としての機能をもち、したがって誘電体性陽極酸化皮
膜２の接触部分５と非接触部分４中の水分による被覆部
とによる静電容量を取出すことができる。

このように、空気中の相対湿度変化が静電容量変化に変
換される。

以下、さらに詳細に湿度一静電容量変換について説明す
る。

金属基体１と対向電極６との両電極間に検出される静電
容量Ｃは次のようになる。

Ａ：半導体性金属酸化物膜３が接触していない譲蚤体性
陽極酸化皮膜２の全面積、Ｂ：半導体性金属酸化物膜３
が接触している誘電体性陽極酸化皮膜２の全面積、ご：
誘電体性陽極酸化皮膜２の誘電率、 １：誘電体性陽極酸化皮膜２の厚さ Ｑ：誘電体性陽極酸化皮膜２の非接触部分４部の水分被
覆率、ＨＲ：相対湿度 とすると、誘電体性陽極酸化皮膜２の水分被覆率Ｑが相
対湿度ＨＲに依存するので、ａはＨＲ また、静電容量Ｃは Ｃ＝÷（Ｂ十ＱＡ） ．・．Ｃ戊÷（Ｂ十日ＲＡ） となり、金属基体１と対向電極６間の静電容量Ｃは相対
湿度ＨＲに対して一義的かつ直線的に定まる。

第３図は容量−相対湿度の関係を示したものであり、相
対湿度０〜１００％の間で直線性を示している。このよ
うに本発明の湿度検出素子によれば、相対湿度変化を容
量値に変換して知ることが可能である。

次に本発明の湿度検出素子の応答性、精度、ヒステリシ
ス、経時変化などについて述べる。

■ 応答性、上述したように半導体性金属酸化物膜３の
吸湿作用によって応答性が決定されるが、この半導体性
金属酸化物膜３の膜厚は数十ミクロン〜数百ミクロンで
あり、その吸脱着速度はきわめて速やかであり、数秒以
内に変化し「数秒以内で飽和値に達する。

第４図に湿度９０％から３０％に変化したときの応答性
を示す。‘Ｂ｝ 精度、 誘電体性陽極酸化皮膜２上のミクロな水分の吸脱着を容
量信号として取出すために、従来の抵抗変化式、変形式
などの湿度検出素子に比して高精度であった。

【Ｃ’ ヒステリシス、 応答性が上述のように濠れているため、ヒステリシスは
ほとんど驚く、静電容量−相対湿度の直線関係は常に維
持されている。

■ 隆時変化、 酸化タンタル皮膜などの誘電体性陽極酸化皮膜２は熱的
、電気的、化学的に非常に安定な皮膜であり、その物性
経時変化もほとんど無い。

また、二酸化マンガンなどの半導体性金属酸化物膜３に
ついても同様のことがいえる。さらに表面水分の吸脱着
の操返し‘こよるものであるため、隆時変化はほとんど
認められない。｛Ｅ｝ 耐熱性、 従来の湿度検出素子が潮解性塩、有機ポリマー、毛髪な
どにより構成されていたため、高温での使用には難点が
あり、高々５び０までの使用範囲であったが、本発明に
よる湿度検出素子はその構成材料から判断しても１３０
℃程度までの使用が可能となる。

■ 耐薬品性、耐ガス性。

タンタルなどは耐蝕性の金属であり、この点からも従来
のものより優れている。

〇）価格およびコストパーフオーマンス、以下にも説明
するが、酸化タンタルなどは誘導率が非常に大きい（ご
＝２８）ため、非常に小型の形状でも湿度変化を大きな
容量変化に感度よく変換でき「価格も著しく安価となる
。

また、取扱い、保守についても従来の湿度検出素子に比
して格段に容易となる。次に具体的な実施例について説
明する。

実施例 直径０．１〜１．仇奴、長さ１仇吻のタンタルからなる
金属基体１の一部に酸化タンタル皮膜２を厚さ１００〜
１０００Ａ設け、その上に二酸化マンガン膜３を厚さ数
十〜数百ミクロンを形成し、さらに対向電極としてカー
ボン層６を形成し、このカーボン層６の一部に磁極リー
ド７を半田層８で接続されて構成されている。

この礎成による湿度検出素子の感湿部は二酸化マンガン
膜３に覆われた酸化タンタル皮膜２であるため、カーボ
ン層６は空気中水分を透過する程度の厚さであり、かつ
、雰囲気と直接接触していることが望ましい。

また、カーボン層６の代りとして半田層８を対向電極と
しトカーボン層６を驚くしても充分に機能を果すことが
確認された。

そして、金属基体１と電極リード７間の静電容量変化が
第６図に示すように相対湿度変化に対応していた。

この実施例に示す他の実施例としては、その用途に応じ
て種々考えられる。

まず、第７図、第８図に示す実施例としては、金属やセ
ラミックの基板９上に弁作用金属を蒸着、スパッタリン
グなどによって形成して薄膜状の金属基体１とし、この
金属基体１上に陽極酸化皮膜２、この陽極酸化皮膜２上
に二酸化マンガンなどの半導体性金属酸化物層３、この
半導体性金属酸化物層３上に対向電極としてのカーボン
層６、このカーボン層６上に半田などの引出用電極８を
設けて礎成したものである。

また、第９図、第１０図に示すものは、アルミニウムの
ような安価な金属棒、金属板１０上に、プラズマ溶射に
よって弁作用金属などの金属基体１を形成し、この金属
基体１上に陽極酸化皮膜２、半導体性金属酸化物層３、
対向電極としてのカーボン層６を設け、このカーボン層
６の一部に電極リード７を半田層８で接続して構成した
ものである。

さらに、金属基体１としては升作用金属の暁縞体を用い
ることもでしさる。

また、対向電極６として、カーボン層や半田層の他に銀
ペイント層などを用いることもできるとともに、銅、ア
ルミニウムなどの金属を半導体性金属酸化物層３上の一
部に溶射して構成することがでる。

さらに、半導体性金属酸化物層３として、二酸化マンガ
ンの他に、酸化鉛、酸化ニッケル、酸化ルテニウム、お
よびこれらの混合物が考えられ、二酸化マンガンの場合
と同様に空気中水分の吸脱着によって容量変化を示す。

以上のように、本発明の湿度検出素子は構成されるため
、精度、感度、応答性、ヒステリシス、経時変化、耐薬
品性、取扱いの容易さ、測定範図、耐熱性などの全ての
点において、優れており、工業的価値の大なるものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の湿度検出素子の原理構成を示す断面図
、第２図は同動作原理を示すための要部の拡大断面図、
第３図は同湿度検出素子の相対湿度と静電容量の関係を
示す特性図、第４図は同湿度応答性を示す特性図、第５
図は同湿度検出素子の具体構成を示す断面図、第６図は
同素子の相体温度と容量の関係を示す特性図、第７図は
他の実施例を示す断面図、第８図は同上面図、第９図は
さらに他の実施例を示す断面図、第１０図は同斜視図で
ある。 １……金属基体、２……誘電体性陽極酸化皮膜、３・・
・・・・半導体性金属酸化物膜、４…・・・非接触空間
部、５・・・・・・接触部分「 ６・…・・対向電極、
７・・・・・・鰭極りード、８・・・・・・半田層、９
・・・・・・基板、１０・・・・・・金属蓬。 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 第８図 第９図 第１０図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タンタル、アルミニウム、チタン、ニオブ、ハフニ
   ウム、ジルコニウムのような弁作用金属およびこれらの
   合金またはシリコン、ゲルマニウムのような金属基体に
   誘電体性陽極酸化被膜を設け、この誘電体性陽極酸化被
   膜上に接触部分と非接触部分とで前記誘電体酸化皮膜と
   隣接している半導体性金属酸化物膜を設け、この半導体
   性金属酸化物膜上の一部または全部に対向電極を設けた
   ことを特徴とした湿度検出素子。 ２ 金属基体が焼結体で構成されたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の湿度検出素子。 ３ 金属基体が棒状体で構成されたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の湿度検出素子。 ４ 金属基体が板状体で構成されたことを特徴とする特
   許請求の範囲第１項記載の湿度検出素子。 ５ 金属基体が薄膜で構成されたことを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の湿度検出素子。 ６ 金属基体が、金属セラミツクなどの基板上に溶射に
   よつて形成された溶射膜で構成されたことを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の湿度検出素子。 ７ 対向電極がカーボン、銀ペイント、半田、金属溶射
   膜、金属蒸着膜の少なくともいずれか１つ以上からなる
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の湿度検出
   素子。 ８ 半導体性金属酸化物が、二酸化マンガン、酸化鉛、
   酸化ニツケル、酸化ルテニウムのいずれか１つ以上から
   なることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の湿度
   検出素子。