JPS6212468B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は結露センサに関し、特に、半導体セ
ラミツクを主体とする新規な結露センサに関す
る。

従来、自動車の後部窓の結露検出や、ビデオ装
置のヘツドの結露検出や、電子レンジ中の料理の
進行のモニタなどのために、結露センサが用いら
れている。現在の結露センサは、有機高分子を用
いたものが主流である。

その一例として、吸湿性高分子にカーボン粒子
を分散させたものがある。これは、結露時に高分
子の膨張が生じ、カーボン粒子の接触頻度が減少
して、電気抵抗が上昇することにより結露を検知
するものである。

他の例として、高分子に半導体または導体粉末
を分散させたものがある。これは、結露時に抵抗
が低下することで結露を検知するものである。

しかしながら、上述のような結露センサには、
以下のような問題点がある。第１に、有機物を用
いるため、熱に弱く、加工時においても熱処理温
度に制限を受ける。第２に、結露センサ素子の検
知面の強度はそれ程大きくなく、したがつて機械
的強度に問題がある。第３に、素子の構成が分散
系であるため、使用中における特性の経時変化は
避けられない。

それゆえに、この発明の主たる目的は、上述し
た問題点を解消しうる結露センサを提供すること
である。

この発明は、要約すれば、第１の導電型式の半
導体セラミツクで構成される第１半導体領域と第
２の導電型式の第２半導体領域との接合部にえん
層を形成し、このえん層を外部に露出した状態と
し、この露出したえん層の部分に結露した水分が
付着することによりえん層のインピーダンスが低
下し、それによつて結露状態をこのインピーダン
スの変化で検知するようにした結露センサであ
る。

この発明のその他の目的と特徴は以下に図面を
参照して行なう詳細な説明から一層明らかとなろ
う。

第１図ないし第３図はそれぞれこの発明の結露
センサの典型的な外観の例を与える平面図であ
る。第１図ないし第３図に示すものはいずれも、
センサ本体１、およびその表面に形成される１対
の電極２，２を備え、各電極２には、それぞれ、
図解的に示されたリード線３が接続される。な
お、第１図に示す電極２は１つの表面上に所定の
間隔を隔てて形成される単純な対向電極であり、
第２図に示す電極２はくし型電極であり、第３図
に示す電極２は対向する表面上にそれぞれ形成さ
れたものである。この発明の特徴はセンサ本体１
の構造にある。これについて以下に説明する。

第４図はこの発明の一実施例の構造を示す断面
図である。第５図は第４図の要部を拡大して示す
断片的な断面図である。

センサ本体１は、たとえばＮ型の半導体セラミ
ツクで構成される第１半導体領域４と、たとえば
Ｐ型の半導体から構成される第２半導体領域５
と、第１半導体領域４と第２半導体領域５との接
合部に形成されるえん層６とを含む。電極２は第
２半導体領域５上に形成される。

この実施例では、第１半導体領域４の一面に沿
つて、第２半導体領域５およびえん層６ならびに
電極２が一様に形成された後、電極２、第２半導
体領域５およびえん層６を含む層構造物の中央の
部分７を所定の幅で除去することによつて相互に
分離されたものとなつている。そして、この除去
部分７の後に残された壁面には、えん層６が露出
している。

この発明の結露センサは、えん層６のこの露出
している部分で結露を検知するものである。この
えん層６は整流性をもつていて、Ｎ型半導体であ
る第１半導体領域４を正として電圧を印加したと
き、逆方向バイアスとなつて電流が流れにくく、
したがつて、このえん層６において高いインピー
ダンスが存在する。なお、第４図に示すように、
第１半導体領域４に対して２個のえん層６が相互
に分離して形成され、一方の電極２、一方の第２
半導体領域５、一方のえん層６、第１半導体領域
４、他方のえん層６、他方の第２半導体領域５、
他方の電極２というように順次直列接続された構
造であれば、どちらかのえん層６が常にインピー
ダンスとして作用するので、１対の電極２に印加
する電圧の極性に左右されない。

第５図において、えん層６がインピーダンスと
して作用しているとき、このえん層６の露出部分
に、モデル的に示したように水分８が付着する
と、えん層６のインピーダンスが著しく低下する
ことがわかつた。これは、水分８中のイオン伝導
により、えん層６の露出部分におけるインピーダ
ンスが急激に低下するためである。水分８は、い
うまでもなく、結露の結果として生じたものであ
り、したがつて、このインピーダンスの変化を検
出することにより、結露状態が検知されることに
なる。このインピーダンスの測定は、第４図の１
対の電極２，２間でのインピーダンスを測定すれ
ばよい。

この発明の結露センサの機械的構造の例とし
て、第４図に示すものを例示した。この第４図の
ものは、除去部分７の壁面にえん層６を露出させ
るとともに、この除去部分７によつて各２個の電
極２、第２半導体領域５およびえん層６をそれぞ
れ形成するものであつた。なお、除去部分７の形
成は、研磨のように機械的除去や、エツチング除
去などが適用されうる。第４図に示す構造は、外
観的には第１図または第２図の結露センサの構造
またはその一部を示しているといえる。外観的に
第３図に示すようなものを得るためには、第１半
導体領域４の相互に対向する２つの面のそれぞれ
に、えん層６、第２半導体領域５および電極２を
形成すればよい。また、第４図に示す構造は、１
個の第１半導体領域４に対して、それぞれ２個の
第２半導体領域５およびえん層６を相互に分離し
て形成したものを例示しているといえる。しかし
ながら、すでに述べたように、このような結露セ
ンサ、換言すればえん層６に印加する電圧の極性
を一定に選ぶのであれば、単に１個のえん層６を
もつて結露センサを構成することも可能である。

前述のように、第１半導体領域４は、たとえば
Ｎ型半導体の半導体セラミツクで構成される。Ｎ
型半導体としては、ペロブスカイト型、イルメナ
イト型、パイロクロア型、スピネル型、タングス
テンブロンズ型、などが用いられる。

ペロブスカイト型半導体の例として、
BaTiO₃、SrTiO₃、CaTiO₃、BaZrO₃、BaCeO₃、
BaThO₃、SrZrO₃、SrHfO₃、SrFeO₃、または前
記複合酸化物のうちTi、Zr、Hf、Ce、Th、Fe、
の一部をSnもしくはTi、Zr、Hf、Ce、Th、Fe
で置換した、たとえばBa（Ti、Sn）O₃、Ba
（Ti、Zr）O₃、Sr（Ti、Zr）O₃、Ca（Ti、Hf）
O₃などや、あるいは２価金属イオンをBa、Sr、
Ca、Mgなどで相互に固溶させた、たとえば
（Ba、Sr、Ca、Mg）TiO₃などがある。これらの
ものは、La、Ce、Pr、Nd、Dyなどの希土類元
素、またはＹ、Sb、Bi、Ｗを微量添加するか、
中性または還元性雰囲気で熱処理することによつ
て半導体化させるものである。

イルメナイト型半導体の例として、MgTiO₃、
MnTiO₃、FeTiO₃、CoTiO₃、NiTiO₃、
ZnTiO₃、CdTiO₃、LiTaO₃、LiNbO₃などがあ
る。これらは強制還元処理により、あるいは
ZnTiO₃、CdTiO₃についてはそれぞれZzO、CdO
を過剰加えることにより半導体化される。

パイロクロア型半導体としては、Tl₂M₂O₇（Ｍ
＝Rh、Os、Ir）、Pb₂M₂O_7-x（Ｍ＝Ru、Os、
Ir、Tc、Re）、Bi₂M₂O_7-x（Ｍ＝Ru、Rh、Ir）、
Lu₂M₂O₇（Ｍ＝Ru、Ir）などがある。ここに示
したものは、初めから半導体の性質を有している
ものである。

スピネル型半導体としては、MFe₂O₄（Ｍ＝
Zn、Mg、Ni、Ca）、Fe₃O₄、LiTi₂O₄、LiV₂O₄な
どがある。これらのうち、MFe₂O₄については
TiO₂を添加することにより半導体化され、
Fe₃O₄、LiTi₂O₄、LiV₂O₄は大気下の合成で半導
体になつているものである。

タングステンブロンズ型半導体としては、Ａ_x
B₂O₆（Ａ＝Pb、Ba、Sr；Ｂ＝Nb、Ta）などが
ある。これは、還元性雰囲気で熱処理することに
より半導体化される。

その他のＮ型半導体としては、ZnO、Nb₂O₅、
CdO、ThO₂、TiO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅、PbCrO₄、
SnO₂、V₂O₅、SnSe、Ag₂S、ZnS、CdSなどがあ
る。これらのうち、ZnO、Nb₂O₅、TiO₂、
ThO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅、PbCrO₄、V₂O₅などは還
元性雰囲気中で熱処理することにより半導体化さ
れる。TiO₂、SnO₂はNb₂O₅、Ta₂O₅、Sb₂O₅など
を微量添加することにより半導体化される。
Fe₂O₃はTiO₂、SnO₂、WO₃などを微量添加する
ことにより半導体化される。なおZnO、SnO₂は
そのままでも半導体の性質を有し、そのまま用い
てもよい。

また、第２半導体領域５は、Ｐ型半導体で構成
される。

Ｐ型半導体としては、Cu₂O、NiO、CoO、
FeO、MnO、Cr₂O₃、CuI、SnS、Bi₂O₃、Y₂O₃、
Pr₂O₃、MoO₂、Tl₂O、Ag₂O、LaMnO₃、
LaCrO₃、LaFeO₃などがある。これらのうち、
LaMnO₃、LaFeO₃はSrO、CaOなどを添加する
ことにより、Cr₂O₃はMgOを添加することにより
半導体化される。NiO、CoO、FeO、MnOは、
Li₂Oを微量添加することにより半導体化され
る。NiO、CoO、FeO、Cr₂O₃、Bi₂O₃、MoO₂な
どは、酸化性雰囲気中で熱処理することにより半
導体化される。

なお、以上述べた実施例では、第１半導体領域
４がＮ型半導体であり、第２半導体領域５がＰ型
半導体で構成されたが、その逆の場合、すなわち
第１半導体領域４がＰ型半導体で、第２半導体領
域５がＮ型半導体で構成されてもよい。

次に、この発明のより具体的な実施例を説明
し、結露センサとしての実現性を明らかにする。

この具体例は、第４図に示すような構造に相当
するものである。まず、BaTiO₃半導体セラミツ
クの表面に、Cuを蒸着し金属銅を形成する。次
に、その上に銀を塗布して大気中で焼き付ける。
すると、銅が適当に酸化され、さらに銀とガラス
成分とが作用してえん層が生じるとともに、電極
も一挙に形成される。なお、このようなAsやCu
のように酸化物がＰ型の半導体となり易い金属
を、Ｎ型の半導体としてのBiTiO₃半導体の表面
に付けて、これを酸化性の雰囲気中で熱処理する
と、電極、Ｐ型半導体領域、えん層、Ｎ型半導体
領域が順次層をなすように構成された層構造物が
能率よく得られるということおよびその方法の詳
細は、特公昭42−24101号公報および、米国特許
第3299332号明細書に開示されている。

上述のようにして得られた層構造物を、その電
極を２分するように中央で幅２mmで電極（ここに
はＰ型半導体領域が含まれている）と半導体セラ
ミツクの表面層とを削りとり、電極を対向電極と
することにより、第４図に示すような構造のもの
が得られる。ここで、電極２，２間のインピーダ
ンスを測定すれば、次のような結果が得られた。
すなわち、印加電圧1Vにおいて、相対湿度50％
では50MΩであつたのに対し、結露状態では500k
Ωとなり、結露状態での著しいインピーダンスの
低下が測定された。このインピーダンスの変化で
結露状態を検出することができる。

以上のように、この発明によれば、センサ本体
がセラミツクを主体として構成されているので、
機械的強度が大きく、寿命が長く、使用による特
性劣化も有機高分子を用いたものに比べてはるか
に小さい結露センサが得られる。また、えん層の
有効厚さはきわめて薄いので、微量の水分でもそ
の露出部分におけるインピーダンスに影響を与え
ることになり、結露状態を迅速に感じかつそのイ
ンピーダンス変化も急激に生じるので、結露セン
サとしてきわめて好適である。

【図面の簡単な説明】

第１図ないし第３図はそれぞれこの発明の結露
センサの典型的な外観の例を与える平面図であ
る。第４図はこの発明の一実施例の構造を示す断
面図である。第５図は第４図の要部を拡大して示
す断片的な断面図である。 図において、１はセンサ本体、２は電極、４は
第１半導体領域、５は第２半導体領域、６はえん
層、８は水分を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 第１の導電型式の半導体セラミツクで構成さ
   れる第１半導体領域、前記第１の導電型式とは異
   なる第２の導電型式の第２半導体領域、および前
   記第１半導体領域と前記第２半導体領域との接合
   部に形成されるえん層を含むセンサ本体と、 前記えん層に電圧を印加するための１対の電極
   とを備え、 前記えん層は前記センサ本体の外面に露出して
   いて、このえん層の露出した部分に結露した水分
   が付着することにより、えん層のインピーダンス
   が低下して結露状態をインピーダンスの変化で検
   知するようにした結露センサ。 ２ 前記第１半導体領域に対して前記第２半導体
   領域および前記えん層はそれぞれ２個相互に分離
   して形成される特許請求の範囲第１項記載の結露
   センサ。 ３ 前記電極は、前記第２半導体領域上に形成さ
   れる特許請求の範囲第２項記載の結露センサ。 ４ 前記各２個の第２半導体領域およびえん層
   は、前記半導体領域の一面に沿つて形成された第
   ２の導電型式の半導体領域およびえん層の中央を
   所定の幅で除去することによつて相互に分離され
   て形成されたものであり、 前記えん層の露出部は前記除去の後に残された
   壁面に形成される特許請求の範囲第３項記載の結
   露センサ。