JPS6049863B2 - 湿度検出素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超小型、高精度で高応答性をもつ電気容量形の
湿度検出素子に係るものである。

さらに詳細に説明すれば、弁作用金属の誘電体性陽極酸
化皮膜を利用した電気容量形で、−５０℃〜 ＋ ２５
０℃の広範囲の温度、圧力条件の下ても高精度て高応答
性の湿度測定の可能な湿度検出素子で、従来から一般に
用いられてきた湿度計応用範囲だけでなく、電気調理器
、ガス調理器のような調理分野、小形トランジスタラジ
オ、腕時計のような小形携帯用電子機器類に設置可能な
広範囲の分野に利用できるものを提供しようとするもの
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つて
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、マグネタイト、シリコン半導体の
水分吸脱着による抵抗変化を利用そ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、いずれイオン伝
導を利用したものであり、分極による経時変化が大きく
、湿度以外の吸着ガスによつても指示値が変つてしまう
。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なう変形を応力
素子などと組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。

カーホン、金属粉末などの導電性微粒子を含んヨだ合成
樹脂の膨潤性を利用した素子は、感度の点で問題があり
、湿度劣化も大い。

さらに、酸化アルミニウムの細孔での水分吸脱着をを容
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。

丁 また、α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てきないものであつた。

このように現在、開発されあるいは市販されている湿度
検出素子および装置は、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つた。本発
明な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高感度な湿度検出素子を提供しよう
とするものである。

特に弁金属基体、前記基体上の誘電体陽極酸化皮膜、前
記皮膜上の半導体金属酸化物から成る湿度検知の感湿度
を改善しようとするものてある。以下、本発明の実施例
を添付の図面第１図〜第８図により説明する。

ます、第１図により本発明の湿度検出素子の基体構成に
ついて示す。

１はタンタル、アルミニウム、チタンのような弁作用金
属およびこれらの合金によりなる金属基体てあり、なお
、かつその表面を拡大化されたも，のである。

この金属基体１の表面には誘電体性陽極酸化皮膜２か形
成され、この金属基体１と誘電体性陽極酸化皮膜２で第
１電極を構成し、上記誘電体性陽極酸化皮膜２上の少な
くとも一部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とて隣接している。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。弁金属基体の表面拡大５化処理としては１
基体を多孔質結晶体とするか、または２化学エッチング
するか３基体上に弁金属等の溶射膜を形成される方法な
どが有効である。次に本発明の湿度検出素子の湿度を検
出する作３用について最も好ましい実施例により説明す
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てある。こ
の第２図に示すように、誘電体性陽極酸化皮４１膜２と
半導体性金属酸化物膜３はｂて示す範囲て接触部分５と
なつており、ａで示す範囲は非接触空間部４となつてい
る。

いま、相対湿度０％の雰囲気中に装置の湿度検出素子を
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てあるのて、第２図の接触部分５のみの誘電体性陽
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は半導電性を有する
ため、容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、吸湿された水分が誘電
体性陽極酸化皮膜２のノ表面まて達して、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の表面に至る。

この半導体性金属酸化物膜３の吸湿水分量は、空気中の
相対湿度に比例するのて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まて到達した水分は
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ており、それ自体電解
質としての機能をもち、したがつて誘電体性陽極酸化皮
膜２の接触部分５と非接触空間部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が接触していない誘電体性
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、ε：
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、 α：誘電体性陽極酸化皮膜２の非接触空間部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αが相
対湿度ＨＲに依存するので、αＣ（ＨＲ また、静電容量Ｃは Ｃ＝＋（Ｂ＋αＡ） ．゜．Ｃ■十（Ｂ＋ＨＲＡ） 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図は容量一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。

第４図は、本発明の湿度検出素子の一例の断面図てある
。各参照記号は、第１図と同一の記号は同様な部分を表
わし、７はリード線、８はハンダである。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。

囚 応答性上述したように半導体性金属酸化物膜３の吸
湿作用によつ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〜数百ミクロンてあ
り、その吸脱着速度はきわめ．て速やかてあり、数秒以
内に変化し、数分以内て飽和値に達する。

第５図に湿度９０％から３０％に変化したときの応答性
を示す。しかし応答性は金属基体１の構造にも依存する
のて後に実施例で詳述する。（Ｂ）精 度、 感度の直線性を向上させ高精度化をはかるものてある。

（Ｃ）ヒステリシス、応答性が上述のように優れている
ため、ヒステリシスはほとんど無く、静電容量一相対湿
度の直線関係は常に維持されている。

（Ｄ）経時変化、 酸化タンタル皮膜なと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
の繰返しによるものであるため、経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、高塩での使用には難点が
があり、高々５０゜Ｃまての使用範囲であつたが、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−
５０′Ｃ〜＋２５０゜Ｃ程度まての使用が可能となる。

（Ｆ）耐薬品性、耐ガス性、タンタル、二酸化マンガン
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、調理器のような腐蝕性雰囲気ての使用も可能て
ある。

（Ｇ） 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電率が非常に大きい
（ε＝２８）ため、非常に小型の形状ても湿度変化を大
きな容量変化に感度よく変換てき、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。以上詳述の如く本発明の構成か
らなる湿度検出素子は従来のものと比較して極めて優れ
た特徴を有するが、本発明てはこの湿度検出素子の感度
を向上させ高精度にするための必要条件について以”下
に詳述する。

実施例 実施例て用いる湿度検出素子の金属基体１と構造に関し
、第１表と第６図に示した。

試料ＮＯ．ｌの金属基体１は第６図Ａに示したし字状の
構造を有し、金属基体１は１．０ψ×１５ｗｒ！ｎ長さ
のタンタル線で、その表面をエッチング液でエッチング
し表面拡大処理がなされている。

ＮＯ．２の基体は第６図Ｂに示しもので１．０ψのタン
タル線１の表面にプラズマ溶射法により厚さ３０ｐｍの
多孔質タンタル溶射膜１ａを形成したものてある。

ＮＯ．３の基体は第６図Ｃに示したもので粒径１００Ｐ
ｒｒｉ．のタンタル粉末を１Ｔ１ｕｎψ×長さ１５？に
加圧成型し、２０００゜Ｃて真空焼結した棒状の多孔質
タンタル焼結体１０である。

ＮＯ．ｌ〜ＮＯ．３は第６図の構造を有するタンタル基
体１を２０゜Ｃで、２０ダ／ｅからなるＨＮＯ３溶液中
て陽極化成を行ない（化成部長さはいずれも１０Ｔｆ＄
Ｌ）、タンタル基体１の表面に５０〜１５００ＡのＴａ
２Ｏ５の誘電体性陽極酸化皮膜を形成させる。

その後その誘電体性陽極酸化皮膜上にＭｎ（ＮＯ３）２
．溶液を含浸させ、次いで３００′ＣでＭｎ（ＮＯ３）
２溶液を熱分解させ、ＭｎＯ２を熱分解形成させる。次
いでその二酸化マンガンン上にコロイダル黒鉛を含浸付
着形成させ、対極集電層を形成させる。このコロイダル
黒鉛集電体層上の一部にシルバーペイ、ントを形成させ
その上に対極リードを半田付着させる。比較のため基体
としてＮＯ．４に示すような表面拡大化処理を施さない
タンタル線を用いたものについても同じ構造の検出素子
を試作した。このように形成されたＮＯ．ｌ〜ＮＯ，４
の試料はそれ・それ金属基体の形状と大きさか異なり、
誘電体性陽極酸化皮膜層の表面積の大きさも異なるのて
、電気容量も異なり、このような構造変化により湿度検
出素子の迅速応答性、ヒステリシス、単位湿度当りの容
量変化率が異なることになる。この単位湿度当りの容量
変化率の大なるもの程、湿度検・出素子としての電気信
号がとり出し易くなる。次にこれら試料の容量変化率を
調べる。飽和硝酸鉛溶液を用いて調湿された湿度部％恒
湿中ての飽和電気容量をＣ９８とし、又飽和塩化カルシ
ウム溶液を用いて調湿された湿度３１％恒湿中”での飽
和電気容量をＣ３ｌとして、湿度３１％から湿度９８％
までに変化する電気容量の変化率をＣ９８−Ｃ３ｌＣ９
８＝Ｃ，，として、ＮＯ．ｌからＮＯ．４まてのそれぞ
れの測定値と変化率ＣＯを計算し、表１に示した。

又湿度３１％から湿度９８％まての容量変化率を？−３
１＝６７て割算し、単位湿度当りの容量変化率を０ゝｊ
？？７６で表１に示した。第７図には相対湿度と容量変
化率（ＣＯ）を図示する。

このようにその表面を拡大化処理した弁金属基体を用い
た湿度検出素子は拡大化処理しないものに比べて感度が
大きい。実施例ては金属基体の材質としてタンタルを用
いたが、アルミニウム、チタンおよびこれらの合金を金
属基体に用いても湿度検出素子を構成するこは可能であ
る。

さらに、半導体性金属酸化物膜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
に空気中の湿度により容量変化を示す。

以上のごとく、本発明の湿度検出素子は感湿度の向上に
より従来の湿度検出素子より高精度のものになる。

【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図は同湿度検出素子の具体的構成を示
す断面図、第５図は同湿度応答性を示す特性図、第６図
Ａ−Ｄは実施例て用いる湿度検出素子の基体構成図、第
７図は同実施例の素子の容量出力の相対湿度依存性を示
す特性図、第８図は同実施例の飽和容量に到達するまで
の経時変化を示す特性図てある。 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。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも弁作用金属を素材とし表面を拡大化した
   基体と、前記基体の表面に設けた誘電体性陽極酸化皮膜
   と、前記誘電体性陽極酸化皮膜と接触する部分および非
   接触空間部を介して隣接する半導体性金属酸化物膜と、
   前記半導体性金属酸化物膜上の対向電極を具備すること
   を特徴とする湿度検出素子。 ２ 基体は多孔質焼結体であ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。 ３ 基体は表面をエッチング処理したものであることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の湿度検出素子。