JPS6145368B2

JPS6145368B2 -

Info

Publication number: JPS6145368B2
Application number: JP55091488A
Authority: JP
Inventors: Akira Sadamura; Atsushi Nishino; Akihiko Yoshida; Toshuki Yasufuku
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1980-07-03
Filing date: 1980-07-03
Publication date: 1986-10-07
Also published as: JPS5717102A

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、例えば温度、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。その一方では、空調、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、付着水分を電気分解によつて解離するのに
必要な電気量を利用する方式、水分吸着による抵
抗値の変化を利用する方式などがあるが、本発明
者らが開発した素子のように、水分吸着による静
電容量変化を利用する方式もある。この湿度検出
素子は、従来の方式に比べて、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、測定範囲、耐熱性などの全ての点にお
いて優れているが、未だ完全なものではなく、特
に湿度に対する静電容量値の変化が、低湿度から
高湿度領域に亘る応範囲の直線性を有していない
という欠点を有していた。その理由は、後述する
が、湿度検出素子の表面部分にある銀ペイント層
自体による吸脱湿作用があるために、空気中の正
味の水分量変化に対して、静電容量値が正確、か
つ迅速に対応しきれなかつたからである。この欠点を改良するために、銀鏡反応を利用し
て純粋な金属銀のみからなる銀層を形成し、湿度
検出素子を構成するという方法を、最近本発明者
らが開発した。しかし、この方法にも欠点はあり、湿度検出素
子をトレンス試薬の中に浸漬すると、場合によつ
ては毛細管現象により、そのトレンス試薬が素子
の表面を這い上がり、銀層と他の層との間に、金
属銀によるブリツジができることがあり、漏洩電
流（以下、LCと略す）が増大する。LC値の大き
な湿度検出素子はもはや正常な静電容量を維持で
きないので、不良品として処分しなければならな
い。本発明はこのような従来の欠点を解決するもの
であり、小型で組立てが容易で、低湿度領域から
高湿度領域まで広範囲に亘つて、相対湿度に対す
る静電容量値が十分な直線性を持つた湿度検出素
子を安価に提供しようとするものである。以下、
本発明による湿度検出素子について、第１図〜第
８図の図面を用いて説明する。第１図に本発明の対象とする湿度検出素子の基
本構成を示しており、第１図において、１はタン
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
らの合金や、シリコン、ゲルマニウムような金属
基体であり、この金属基体１の表面には誘電性陽
極酸化皮膜２が形成され、この誘電性陽極酸化皮
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４と非接触部分５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が設けられている。ここで、空気中の水分が対向電極６を通過する
際、その対向電極６自体による吸脱湿が行われる
と、湿度に対する静電容量値の直線性に影響が生
じ、湿度検出素子としての精度を低下させ、また
水分の透過が妨げられるようだと、応答性を低下
させるので、いずれの場合も好ましくなく、対向
電極６自体は透過水分に何等の影響を与えないも
のでなければならない。ところが、従来は対向電
極６をアクリル樹脂等の有機物を含む銀ペイント
により形成していたため、これ等の有機物がある
程度水分を吸脱着して湿度検出素子の精度を低下
させる一因になつていた。このような問題を解決するため、本発明では、
純粋な金属銀のみからなる対向電極を形成する手
段として、銀鏡反応を利用するものであるが、そ
の際、トレンス試薬の這い上がりにより、対向電
極と、金属基体、誘電性陽極酸化皮膜、半導体性
金属酸化物膜の各層との間に金属銀によるブリツ
ジが生じると、LC不良の原因となる。以下、前述のようなLC不良阻止のため、トレ
ンス試薬の這い上がりを食い止める手段として、
撥水性塗料を用いる場合の本発明の具体例をあげ
て説明する。まず、銀鏡反応に使用する試薬について説明す
ると、５％硝酸銀水溶液20mlをテフロン容器の中
に入れ、10％水酸化ナトリウム水溶液１mlを加え
て、撹拌しながら２％アンモニア水を添加し、褐
色の酸化銀沈澱を溶解させる。こうしてできた溶
液をトレンス試薬といい、銀がアンモニア錯体の
形で含まれている。トレンス試薬を30〜60℃に加
温し、この中へ、半導体性金属酸化物膜形成を終
えた湿度検出素子の酸化物膜部分を浸漬し、同時
にホルマリン溶液１mlを添加して３〜20分間放置
する。この時、湿度検出素子をそのまま浸漬すると、
第２図に示すように半導体性金属酸化物膜３およ
び誘電性陽極酸化皮膜２の外気と接する表面２
ａ，３ａは微細な凹凸状になつているため、トレ
ンス試薬が凹部を伝つて金属基体１の外気と接す
る表面１ａまで這い上がり、その道筋に金属銀の
ブリツジ７が生成する。そうすると、金属基体１
と対向電極６の間が金属銀のブリツジ７を仲介と
して短絡し、LCが増大する。ところが、半導体性金属酸化物膜３と誘電性陽
極酸化皮膜２の外気と接する表面２ａ，３ａ同志
が接する境界面に撥水性塗料８を塗布すると、第
３図に示すようにトレンス試薬は半導体性金属酸
化物膜３の表面３ａのみしかぬらさず、対向電極
６としての金属銀はその表面３ａのみにしか生成
しない。なお、銀鏡反応の機構は、下記反応に示
すように、トレンス試薬中の銀アンモニア錯体が
還元されて金属銀となり、試料表面に析出するも
のである。 HCHO＋２〔Ag（NH₃）₂〕⁺OH^- →2Ag＋HCO₂NH₄＋3NH₃＋H₂O こうして形成された対向電極６としての銀層
は、まだ硝酸根、水酸化ナトリウム、アンモニ
ア、ホルマリン等を含んでおり、湿度検出素子の
特性に悪影響を及ぼすので、銀層形成後の素子を
十分に水洗した後、乾燥使用する。このようにし
て形成された銀層は、厚みが１μ以下で非常に薄
く、また脆いので、湿度検出素子としての特性面
が改良される反面、取扱いに注意を要する。そう
いう理由から、銀層の上にさらにカーボン層を介
して、または直接に低濃度の銀ペイントを用い
て、薄い銀層を設けたり、あるいは溶射金属層、
蒸着金属層等を設けてもよい。本発明の湿度検出素子を用いると、低湿度領域
から高湿度領域に亘つて、湿度の変化に対する静
電容量の変化が非常に直線性良く行われ、広湿度
範囲に亘つて正確に湿度を測定することができる
とともに、湿度検出素子のLC不良が主原因であ
つた歩留りの低さを向上することになり、結果と
して製造単価が安くなる。ところで、本発明の湿度検出素子を湿気中に配
置すると、空気中の水分は対向電極６、半導体性
金属酸化物膜３を透過して、誘電性陽極酸化皮膜
２との界面に達する。この界面には、接触部分４
と非接触部分５とがあり、界面に達した水分が、
非接触部分５において、その中に溶かし込んでい
る空気中の炭酸ガスや窒素酸化物等の半導体性金
属酸化物膜３中のマンガンイオン、その他の不純
物等のため、あたかも電解質のような作用をし
て、見掛け上の接触面積が増大するので、静電容
量が増加する。このように、空気中の水分量の多
少、すなわち湿度により、誘電性陽極酸化皮膜２
と半導体性金属酸化物膜３の界面における見掛け
上の接触面積が増減するので、空気中の相対湿度
変化を静電容量変化に変換することができる。ここで、本発明の方法により対向電極６として
銀層を生成すると、銀鏡反応によつて生成した銀
層は純粋な銀であり、しかも非常に薄く均一に形
成することができるため、空気中の水分透過に対
し、何等の影響を与えるものではない。従来のよ
うに、銀ペイントによつて銀層を設けた場合、バ
インダーとして含まれている樹脂自体がある程度
の吸脱湿作用を持つているため、空気中の水分量
に正しく比例する量の水分が、半導体性金属酸化
物膜３と誘電性陽極酸化皮膜２の界面に到達せず
従つて湿度に対して静電容量値が正確に対応しな
かつたのであるが、本発明の方法により、この問
題は解決される。しかも、第３図のように少なく
とも半導体性金属酸化物膜３と誘電性陽極酸化皮
膜２の外気と接する表面２ａ，３ａ同志の境界面
に撥水性塗料８を塗布するため、銀鏡反応の際
に、トレンス試薬の厳密な液面管理を行わなくて
もよい。すなわち、従来境界面に何も塗布しなか
つた時は、トレンス試薬の液面を境界面より下に
なるよう湿度検出素子の浸漬深さを管理せねばな
らず、大変な手間がかかつていた上、そのように
管理しても、毛管現象あるいは液面の振動等が原
因となるLC不良が十数％は発生していたが、そ
れが零になつた。次に、具体的な実施例をあげ、従来との特性の
違いについて説明する。第４図〜第７図に本発明の湿度検出素子の具体
的な実施例を示しており、直径0.5mm、長さ10mm
のタンタルからなる金属基体９の先端部１mmを残
した全表面に酸化タンタル皮膜１０を厚さ100〜
10000Åで設け、その境界面から１mm離して、酸
化タンタル皮膜１０表面に二酸化マンガン膜１１
を厚さ数十から数百μで形成する。次いで、第４
図に示すように金属基体９の露出した先端部から
2.5mmの部分、すなわち二酸化マンガン膜１１の
端部から0.5mmの部分までを、信越化学工業(株)製
のシリコンオイル“KF96”（粘度30cps）に浸漬
して、第５図に示すように浸漬部分の表面に薄い
シリコンオイルの撥水性皮膜１２を形成する。次
に、第６図に示すように全体をトレンス試薬に浸
漬し、撥水性皮膜１２の形成されてない部分、す
なわち二酸化マンガン膜１１の外気に接する表面
に、銀鏡反応により生成する銀層１３を形成し
て、対向電極とし、第７図のようにこの銀層１３
の一部に電極リード１４を半田層１５で接続し
て、本発明の湿度検出素子を構成した。なお、こ
の際に使用する撥水性塗料としては、本実施例で
適用のシリコンオイルに限らず、シリコンワニス
を含むシリコン系樹脂、テフロン系樹脂や、パラ
フイン、油脂のような疎水性物質等の群から選ば
れた少くとも１種以上を組合せて用いてもよい。
また、粘度が10cps以下だと、塗料が二酸化マン
ガン膜１１上の銀層１３を設けるべき部分にまで
広がる恐れがあるし、500cps以上だと塗布むら
が生じて好ましくないので、その範囲内の粘度か
ら選択するとよい。また、同様に銀鏡反応を利用
して対向電極としての銀層１３を形成するが、撥
水性塗料を用いてない湿度検出素子をＢ、また対
向電極としてカーボン層の上の銀層をアクリル樹
脂２％をバインダーにした銀ペイントで形成した
従来の湿度検出素子をＣとした時の相対湿度と静
電容量の関係を第８図に、LC不良による歩留り
との関係を次表に示している。なお、本発明の湿
度検出素子をＡとしている。

【表】このように本発明の湿度検出素子は、低湿度か
ら高湿度の広い範囲に亘つて直線性に優れている
とともに、LC不良が少なくなるという極めて優
れたものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明で対象とする湿度検出素子の基
本構成を示す断面図、第２図は銀鏡反応によつて
対向電極を形成した本発明の従来例に相当する湿
度検出素子の要部を示す断面図、第３図は本発明
の一実施例による湿度検出素子の要部を示す断面
図、第４図〜第７図は本発明による湿度検出素子
を得る場合の具体的な製造工程における状態を示
す断面図、第８図は本発明による湿度検出素子と
従来の湿度検出素子との相対湿度−静電容量の特
性を比較して示す図である。１……金属基体、２……誘電性陽極酸化皮膜、
３……半導体性金属酸化物膜、６……対向電極、
８……撥水性塗料。

Claims

【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も
しくは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表面に、誘電性陽極酸化皮膜
および半導体性金属酸化物膜を金属基体およびそ
れぞれの膜の端部表面が外気と接する階段状とな
るように順次積層形成し、かつ前記誘電性陽極酸
化皮膜と半導体性金属酸化物膜との境界面に撥水
性塗料による層を形成するとともに、前記半導体
性金属酸化物膜上に銀鏡反応により形成される銀
層を有する対向電極を形成したことを特徴とする
湿度検出素子。２撥水性塗料として、シリコン系樹脂、テフロ
ン系樹脂および疎水性物質の中から選ばれる少な
くとも１種を用いたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の湿度検出素子。３撥水性塗料の粘度を常温において10〜
500cpsとしたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の湿度検出素子。