JPS6151735B2 - - 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。最近、化学、薬品、紙パ
ルプ、繊維、木材、煙草、印刷等の諸工業関係、
温室、土壤、孵化、養鶏、養豚等の農林畜産業関
係、調理器、冷暖房器、乾燥器、野菜保存器等の
家電関係および医療関係等多くの分野で温度の正
確で容易な測定およびその調整が強く望まれてい
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した
ものが広く利用されている。

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
経時変化が大きく、かつ湿度以外の吸着ガスによ
つても指示値が変つてしまい、また応答性が悪
く、ヒステリシスも大きく、測定湿度範囲が非常
に限られたものであるという欠点を有している。

また、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。

カーボン、金属粉末などの導電性微粒子を含ん
だ合成樹脂の膨潤性を利用した素子もあるが、応
答速度、ヒステリシスに問題があり、湿度劣化も
大きい欠点がある。

さらに、酸化アルミニウムの細孔での水分吸脱
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、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
に高価であるため一般用としては用いることがで
きないものである。

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、感度、応
答性、ヒステリシス、測定湿度範囲、耐熱性、環
境ガスの影響、経時変化、取扱いの容易さ、価格
などでいずれも一長一短があり、すべての面で満
足のできるものが存在しなかつた。

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、本発明の湿度検出素子について第１図〜
第５図を用いて説明する。

まず第１図により本発明の湿度検出素子の基本
構成について述べる。

第１図において、１はタンタル、チタニウム、
アルミニウムのような弁作用金属またはこれらの
合金若しくはシリコンまたはゲルマニウムの金属
基体であり、この金属基体１の表面には陽極酸化
等により誘電体性陽極酸化皮膜２が形成されてい
る。この誘電体性陽極酸化皮膜２の上には二酸化
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に
は半導体性金属酸化膜３との非接触部分４と接触
部分５とがある。そしてこの半導体性金属酸化物
膜３の上には、カーボン層６および陰極集電層７
が設けられている。陰極集電層７の上には、必要
に応じて、半田などにより陰極取出部８が形成さ
れる。

本発明の特徴は、上記誘電体性陽極酸化皮膜２
および半導体性金属酸化物膜３に関するものであ
り、特に陰極取出部、すなわち非感湿部における
誘電体性陽極酸化皮膜２または半導体性金属酸化
物膜３を他の部位、すなわち感湿部における誘電
体性陽極酸化皮膜２または半導体性金属酸化物膜
３よりも厚くしたことを特徴とする湿度検出素子
に関するものである。

以下に本発明の湿度検出素子の湿度検出機構を
述べながら、湿度検出素子としての実用性を考慮
した場合に、陰極取出部位における誘電体性陽極
酸化皮膜または半導体性金属酸化物膜を他の部位
における誘電体性陽極酸化皮膜または半導体性金
属酸化物膜よりも厚く形成することがなぜ必要で
あるかということについて詳細に説明する。

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
模型図である。

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、ａで示す範囲で非
接触空間部４となつており、ｂで示す範囲で接触
部分５となつている。

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であるため、第２図に示した
接触部分５のみの誘電体性陽極酸化皮膜２による
静電容量が検出され得る。このとき、半導体性金
属酸化物膜３は、たとえば二酸化マンガンのよう
なものであり、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
面にまで到る。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
属酸化物膜３の中のマンガンイオン、その他のイ
オンを含んでおり、それ自体が電解質としての機
能を有している。従つて、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における水分に
よる被覆部分とによる合成静電容量を取出すこと
ができる。

このようにして本発明による湿度検出素子は、
空気中の相対湿度変化を静電容量変化に変換する
のである。

ここで、本発明による湿度検出素子は第３図に
示す製造工程図によつて製造される。すなわち、
弁金属基体に誘電体性陽極酸化皮膜を形成し、半
導体性金属酸化物膜を形成し、さらにカーボン
層、および陰極集電層を順次形成し、陰極取出部
を形成し、必要に応じて、エージング処理を施
し、完成品となる。

ところで、半導体性金属酸化物膜の形成につい
ては、種々の方法が考えられる。例えば、硝酸マ
ンガンや硝酸鉛のような金属硝酸塩を適当な温度
で熱分解により形成する方法、あるいは電気化学
的に形成する方法等が考えられる。また、陰極集
電層の形成に関しても種々の方法が考えられる。
例えば金、銀、銅、アルミニウムなどの電気良導
体を蒸着や溶射等により直接形成する方法、ある
いは、金、銀、白金、銅、アルミニウムなどの電
気良導体の微粉末を合成樹脂中に分散させた、い
わゆる導電ペーストにて形成する方法などが考え
られる。

さらに、陰極取出部の形成に関しても、溶融半
田中に素子を浸漬する方法や、直接金属を形成す
る方法等が考えられる。

しかしながら、一般には、特性的に安定で、取
扱い操作が簡便で、しかも安価な方法の組合せを
用いている。すなわち、半導体性金属酸化物膜の
形成は、硝酸マンガンの熱分解により、カーボン
層の形成は、コロイダルカーボン水溶液中に素子
を浸漬することにより、陰極集電層の形成は、銀
ペイントにより、陰極取出部の形成は、半田デイ
ツプにより形成する方法である。

一方、本発明のような湿度変化を容量変化とし
て変換させる湿度検出素子においては、その他の
方式の湿度検出素子にも共通的に必要とされる諸
特性、例えば精度、感度、応答性、ヒステリシス
などの他に、 耐電圧が高い 短絡故障が無い ことが特に必要とされる。この２点については、
誘電体性陽極酸化皮膜の良否に帰着するものであ
る。すなわち、誘電体性陽極酸化皮膜は、極めて
薄く、機械的ストレスや電気的シヨツク（充放電
の際に流れる瞬時電流）に弱く、損傷し易いもの
である。従つて耐電圧が高く、しかも短絡故障の
無い湿度検出素子を得るためには、誘電体性陽極
酸化皮膜自身を機械的ストレスや電気的シヨツク
に対して強化するか、あるいは、誘電体性陽極酸
化皮膜の保護を強化することが必要となる。

誘電体性陽極酸化皮膜を機械的ストレスや電気
的シヨツクに対して強化し、耐電圧を高め、かつ
短絡故障を無くするための技術的手法としては、
種々の方法が考えられるが、誘電体性陽極酸化皮
膜を強化する方法として化成電圧を高くすること
が考えられ、また誘電体性陽極酸化皮膜を保護す
る方法として半導体性金属酸化物を多くする方法
等が考えられる。

一般に、誘電体性陽極酸化皮膜の生成は、陽極
酸化法により行う。印加電圧と陽極酸化皮膜厚と
は比例関係にあり、高電圧化成の方が膜厚が厚く
なり、素子としての耐電圧が高くなるとともに短
絡故障が少なくなる。

しかしながら、第４図に示すように、湿度変化
に対する容量変化が、高電圧化成の方が少なくな
り、湿度検出素子としての精度が劣る。なお、第
９図の曲線９は高電圧化成を行つた場合、曲線１
０は低電圧化成を行つた場合である。

一方、半導体性金属酸化物、たとえば二酸化マ
ンガンは、一般的に硝酸マンガン水溶液濃度と二
酸化マンガン量とは比例関係にあり、高濃度硝酸
マンガン水溶液を用いれば、二酸化マンガン量が
多くなり、素子としての耐電圧が高くなるととも
に、短絡故障が少なくなる。

しかしながら、二酸化マンガン量が多いと言う
ことは、誘電体性陽極酸化皮膜の全面に二酸化マ
ンガンが付着することになる。つまり、第１図に
示す接触部５が大半をしめ、非接触空間部４が無
くなり湿度検出素子としての機能を有しなくな
る。

以上のことを要約すると、湿度検出素子として
の信頼性を向上させるために、高電圧化成および
二酸化マンガン量を多くすれば、湿度検出素子と
しての性能が劣化すると言う相反する性質があ
る。

本発明では、上記のような相反する性質にもか
かわらず、湿度検出素子としての性能を劣化させ
ることなく、耐電圧を向上させ、かつ短絡故障の
少ない素子を得るものである。

第５図に本発明の一実施例による湿度検出素子
を示し、第６図ａ，ｂに従来の湿度検出素子と本
発明の湿度検出素子との要部を比較して示してい
る。第５図において、ｃの部分は湿度検知素子と
しての感湿部であり、ｄの部分は非感湿部分であ
る。なぜなら、ｄの部分は、陰極取出部８が半田
等の金属であるため、この金属層を通しての湿度
の出入は考えられないからである。つまりｄの部
分は、湿度検知素子としての検知能力の無い、い
わゆるデツドスペースとなつている。

一方、この部分は、陰極取出等の作業において
機械的ストレスが集中し、また電流も集中する。
すなわち、この部分に機械的ストレスも電気的ス
トレスも集中し、他の部分に比べて著しく弱い箇
所である。

本発明では、その弱点部を強化するために、ｄ
の非感湿部のみを高電圧化成を行うか、またはｄ
の非感湿部のみに二酸化マンガン等の半導体性金
属酸化物膜を厚く生成させるのである。従来品、
本発明品のｄの非感湿部における二酸化マンガン
の生成状態の様子を第６図ａ，ｂに示している。

本発明のように、非感湿部のみ高電圧化成を行
つたり、または二酸化マンガン等の半導体性金属
酸化物膜を多く生成させても、感湿部が従来通り
であるため、湿度検出素子としての検出性能は同
等であり、しかも耐電圧が向上し、しかも短絡故
障の無い湿度検出素子が得られる。

以上記載のように、本発明によつて得られる湿
度検出素子は、特に、高感度、高応答性でしか
も、耐電圧が高く、かつ短絡故障の無い長期安定
な高信頼性の湿度検出素子であり、従来の湿度検
出素子では得られなかつた優れた効果を有するも
のであり、その工業的価値は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかわる容量変化形湿度検出
素子の原理構成を示す断面図、第２図は同素子の
動作原理を示すための要部の拡大断面図、第３図
は本発明の湿度検出素子の製造工程を示すフロー
チヤート、第４図は本発明にかかわる容量変化形
湿度検出素子の湿度変化に対する容量変化を示す
特性図、第５図は本発明の一実施例による湿度検
出素子を示す外観斜視図、第６図ａ，ｂは従来の
湿度検出素子と本発明の湿度検出素子の要部を比
較して示す拡大断面図である。 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、６……カーボ
ン層、７……陰極集電層、８……陰極取出部、ｃ
……感湿部、ｄ……非感湿部。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タンタル、チタニウム、アルミニウム、ジル
   コニウム、ハフニウムのような弁作用を有する金
   属またはこれらの合金若しくはゲルマニウムの基
   体を陽極酸化して得られる誘電体性陽極酸化皮膜
   上に、半導体性金属酸化物膜を形成し、さらにカ
   ーボン層、陰極集電層、陰極取出部を順次形成し
   てなる湿度検出素子において、陰極取出部、陰極
   集電層および半導体金属酸化物膜におおわれてい
   る部分の誘電体性陽極酸化皮膜の厚さを陰極集電
   層および半導体金属酸化物膜におおわれている誘
   電体性陽極酸化皮膜の厚さよりも厚く形成したこ
   とを特徴とする湿度検出素子。 ２ タンタル、チタニウム、アルミニウム、ジル
   コニウム、ハフニウムのような弁作用を有する金
   属またはこれらの合金若しくはシリコンまたはゲ
   ルマニウムの基体を陽極酸化して得られる誘電体
   性陽極酸化皮膜上に半導体性金属酸化物膜を形成
   し、さらにカーボン層、除極集電層、除極取出部
   を順次形成してなる湿度検出素子において、陰極
   取出部の下層における半導体金属酸化物膜の厚さ
   を陰極集電層下層の半導体性金属酸化物膜の厚さ
   より厚く形成したことを特徴とする湿度検出素
   子。