JPS6145367B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は湿度検知素子の製造方法に関するもの
であり、さらに詳細には寸法精度を向上させると
ともに、固体電解質層および水蒸気透過性の導電
性電極形成の安定化、歩留り向上、量産性の向上
を図るものである。 最近、空調、電子部品の製造、農林、食品等の
工業において、特に湿度の制御と容易な計測が望
まれ始めた。特に、制御という点からは電気信号
により湿度を検知する方法が必要であり、その検
知方式として現在あるものは、塩化リチウムのよ
うな潮解性塩のイオン伝導の変化によるもの、マ
グネタイト、シリコン半導体の水分吸脱着による
抵抗変化式のもの、毛髪、ナイロン、スチレンの
ような繊維の水分吸脱着に伴う変形を応力素子、
マイクロスイツチなどと組み合わせたもの、カー
ボン、金属粉末等の導電性微粒子を含んだ有機樹
脂の樹潤性を利用したもの、α線吸収透過を利用
したものなどがある。 ところが、これらの中でイオン伝導を利用した
ものは経時変化が大きく、メンテナンスに手間ど
り、樹脂型のものは応答速度が遅く、α線利用の
ものは高価であり、またその他のものについても
いずれも精度、応答性、環境ガスの影響、測定可
能な湿度範囲、感度、耐熱性、ヒステリシス、経
時変化、価格等の点で一長一短である。 これに対し、本発明で言及する湿度検知素子は
誘電体性酸化膜の吸脱着による静電容量変化を検
知するものであり、その構成および原理は特開昭
54−1897号公報に詳細に述べられている。この内
容について若干の説明を行なう。 第１図に本発明に関する湿度検知素子の構成図
を示しておりタンタル、チタン、ニオブ、アルミ
ニウム、ハフニウムのような弁作用金属からなる
陽極基体１の上に陽極酸化により誘電体性陽極酸
化皮膜２を形成し、さらにこの誘電体性陽極酸化
皮膜２上の全面または一部に、例えば硝酸マンガ
ンのような熱分解性金属塩の熱分解によつて二酸
化マンガンのような半導体性金属酸化物層３を形
成し、そしてその上にカーボン、銀ペイントを用
いて水蒸気透過性の導電性電極４を形成した構造
である。 第２図にその具体的な構造の一例を示してお
り、５はタンタル線、６は酸化タンタル皮膜、７
は二酸化マンガン層、８は導電性電極、９は半
田、１０は透孔１１を有する有底筒状の金属ケー
ス、１２はこの金属ケース１１に接続固定した外
部リード線、１３はハーメチツクシール部であ
る。 このようにして形成された湿度検知素子は相対
湿度に応じた空気中の水分を吸着し、この水分が
誘電体性陽極酸化皮膜２の対向電極として作用
し、高湿の場合には、この電極面積が増加するの
で、高静電容量が得られ、低湿の場合には逆に低
静電容量が信号として検出され、最終的に空気中
の相対湿度変化を静電容量変化として検知する湿
度検知素子になる。この方式の湿度検知素子は第
３図に示すように、０〜100％RHにわたつて測定
精度、感度も高く、第４図に示すように吸脱湿の
応答性も非常に優れている。このため、信号検出
のための周辺電気回路も簡単なものとなり、価格
も安価である。 このように本発明の言及する湿度検知素子は、
前述した従来のいかなる湿度検知素子よりも性
能、取扱い容易さの点で優れている。 本発明はこのような静電容量変化型の湿度検知
素子の静電容量特性のバラツキの安定化および感
湿特性の安定化、量産性の向上のための湿度検知
素子の製造方法に関するものであり、以下本発明
の内容を詳細に説明する。 本発明による湿度検知素子は、第５図に示す製
造工程によつて製造される。すなわち、陽極基体
に誘電体性陽極酸化皮膜を形成し、半導体性金属
酸化物を形成し、さらにカーボン層、および陰極
集電層を順次形成した後、高湿エージングし、こ
の構成物を組立した後完成品となる。 本発明は、このような湿度検知素子を精度良
く、バラツキを少なく製造し、湿度検知特性の安
定化、量産性の向上を図るために、Ｌ型形状に成
形加圧した導電帯に陽極基体をぶら下げて取付
け、その導電帯に取付けた陽極基体を一単位とし
て前述した第５図、すなわち誘電体性陽極酸化皮
膜形成工程、半導体性金属酸化物形成工程、さら
にカーボン層形成工程、陰極集電層形成工程、高
湿エージング工程の各製造工程を経た後、構成物
と導電帯を分離することを特徴とする製造方法で
ある。 ここで、本発明の湿度検知素子の湿度検知機構
を述べながら、湿度検知素子としての実用性を考
慮した場合、特に誘電体性酸化皮膜形成、半導体
性金属酸化物形成、カーボン層、陰極集電層形成
を精度よく、バラツキなく形成することの重要点
について述べる。 第６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層３との接触部分を拡大した
ものである。 この第６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層３はａで示す範囲で
非接触部１３となつており、ｂで示す範囲で接触
部１４となつている。 今、相対湿度０％の雰囲気中に本発明の湿度検
知素子を配置した場合、半導体性金属酸化物層３
による水分吸収が０であるため、第６図の接触部
１４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。この時、半導体性金属酸化物層
３は、半導電性を有するため、容量取出用電極と
して作用する。 次に、本発明の湿度検知素子を湿気中に配置す
ると、半導体性金属酸化物層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
の表面にまで達し、誘電体性陽極酸化皮膜２と半
導体性金属酸化物層３との非接触部１３の表面に
到達する。この半導体性金属酸化物層３の吸湿水
分量は、空気中の相対湿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
属酸化物層３中の金属イオン、その他の不純物を
含んでおり、それ自体電解質としての機能を持
ち、したがつて誘電体性陽極酸化皮膜２の接触部
１４と非接触部１３中の水分による被覆部とによ
る合成静電容量を取出すことができるのである。 このようにして、本発明の湿度検知素子は、空
気中の相対湿度の変化を静電容量の変化に変換す
る。 本発明の湿度検知素子の濃度−静電容量変換の
特性をバラツキなく正確に取り出すためには、陽
極基体１と導電性電極４との間の両電極間に検出
される静電容量を精度良く取り出す必要性があ
る。 この前述した両電極間の静電容量Ｃは次のよう
になる。 Ａ：半導体性金属酸化物層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層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 ｌ：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の非接触部１３の水
分による被覆率 RH：相対湿度 とすると、誘電体性陽極酸化皮膜２の水分覆率α
が相対湿度RHに依存するので、 α∝RH となり、また静電容量Ｃは、 Ｃ＝ε／ｌ（Ｂ＋α・Ａ） ∴Ｃ∝ε／ｌ（Ｂ＋RH・Ａ） となり、陽極基体１と導電性電極４との間の静電
容量Ｃは相対湿度RHに対して一義的かつ直線的
に定まる。第４図は、静電容量−相対湿度の関係
を示したものである。 本発明は、湿度検知素子の前述された陽極基体
１と導電性電極４の間の静電容量をバラツキなく
決められた任意の値で取り出すことを特徴とする
湿度検知素子の製造方法であり、具体的には第７
図に示すＬ型形状の導電帯１５に陽極基体１を取
付けた後、第８図に示すように陽極基体１におけ
る誘電体性陽極酸化皮膜２の寸法ａ、半導体性金
属酸化物層３の寸法ｂ、導電性電極４の寸法ｃを
導電帯１５を使用して任意の値にコントロールし
ながら第５図に示す製造工程図にそつて順次製造
し、上述した誘電体性陽極酸化皮膜２の全面積を
精度良く形成し、誘電体性陽極酸化皮膜２の半導
体性金属酸化物層３との接触率、すなわち両者の
接触部１４の誘電体性陽極酸化皮膜２の全面積に
対する割合、Ｂ／Ａ＋Ｂを、任意の値にコントロ
ールすることができる。本発明の製造方法を用い
れば、従来の方法に比較して前述した寸法ａ，
ｂ，ｃの精度も極端に向上し、また陽極基体１と
導電性電極４の重合による短絡不良も極端に減少
し、静電容量Ｃの容量許容差も減少し任意の値の
静電容量を要求する電気回路へのマツチングも著
しく簡単になる。 次に、本発明の具体的な実施例について説明す
る。 径が１mmφ、長さ20mmのタンタル線を第９図
に示すようなＬ型形状に成形加圧したステンレス
導電帯１６の側面に取付けた後、浸漬槽１７内の
蓚酸および蓚酸水溶液25℃〜100℃で50Vの電圧
を印加して酸化皮膜を形成し、その後比重が1.5
の硝酸マンガン水溶液を塗布、熱分解により陽極
酸化皮膜上に二酸化マンガンの金属酸化物を形成
する。さらに、コロイダカーボンを含浸し乾燥す
ることにより二酸化マンガン上にカーボン層を形
成し、そのカーボン層上に銀ペイント層を形成す
る。このようにしてできた構成物を40℃、90％
RH条件下で50時間保持する。 このようにしてできた構成物と、第１０図に示
すような１mmφのステンレス棒１８に本発明のも
のと同じタンタル線を押圧し、第１１図に示す工
程で製造した構成物と比較して見ると、表１のよ
うになる。

【表】 以上の結果を湿度検知素子における相対湿度−
静電容量特性として第１２図、第１３図に示して
いる。 また、第１０図による方法では、ステンレス棒
１８の曲がり、ねじれ等によつて浸漬精度が、ば
らつくことに加え、各製造工程における浸漬によ
る液の這い上がり等を加えると、表２に示すよう
に相対湿度50％RHにおける静電容量幅は、本発
明に比べて著しくバラツクと同時に、短絡故障も
著しく増大する。

【表】 以上の結果からわかるように本発明の方法で製
造した湿度検知素子は、第１２図のようにバラツ
キが非常に小さく、言い換えれば、電気回路が要
求する任意の傾きが取り出せ、回路へのマツチン
グ調整等も比較的簡単となり、量産性の向上、歩
留りの向上を図り、安価で互換性のある湿度検知
素子が得られる。 このように本発明は、上述した条件を満足する
湿度検知素子を造るために不可欠な条件であり、
その工業的価値は大である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る湿度検知素子の基本構成
を示す断面図、第２図は同素子の具体例を示す断
面図、第３図は同素子の静電容量−相対湿度特性
を示す特性図、第４図は同素子の吸脱湿応答特性
を示す特性図、第５図は本発明による湿度検知素
子の製造工程を示す工程図、第６図は本発明の湿
度検知素子の誘電体性陽極酸化皮膜と半導体性金
属酸化物層の状態を示す拡大図、第７図は本発明
による製造方法で用いるＬ型形状の導電帯を示す
斜視図、第８図は同方法における効果を説明する
ための湿度検知素子の断面図、第９図は本発明の
製造方法における要部工程の状態を示す概略図、
第１０図は本発明の製造方法と比較するための比
較例における要部工程の状態を示す概略図、第１
１図は同比較例における工程を示す工程図、第１
２図および第１３図はそれぞれ本発明による製造
方法と、本発明と比較するための比較例とにおけ
る静電容量−湿度特性を示す特性図である。 １……陽極基体、２……誘電体性陽極酸化皮
膜、３……半導体性金属酸化物層、４……導電性
電極、１５……導電帯。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ Ｌ型形状に成形加工した導電帯に弁作用金属
   からなる複数個の陽極基体をぶら下げて取付け、
   この導電帯に取付けた複数個の陽極基体を一単位
   として誘電体性陽極酸化皮膜、半導体性金属酸化
   物層および水蒸気透過性の導電性電極を順次積層
   形成するそれぞれの工程を実施した後、導電帯よ
   り分離することを特徴とする湿度検知素子の製造
   方法。 ２ 弁作用金属がタンタル、チタン、ニオブ、ア
   ルミニウム、ハフニウムの中から選ばれたもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記
   載の湿度検知素子の製造方法。 ３ 陽極基体が弁作用金属線であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の湿度検知素子
   の製造方法。