JPS637018B2 - - 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
子を提供するものである。

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。一方、食品工業、農業、
その他の多くの分野で、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、湿度を電気信号の変化として検出する方
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、本発明者らが
先に開発した水分吸着による静電容量変化を利用
する方式などがある。

この中で本発明者らが開発した湿度検出素子
は、他の方式に比べて、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が、低湿度から高湿度領域に
わたつて直線性をもつてない、すなわち完全に一
定割合で変化するものではないという欠点を有し
ていた。

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わたつて、湿度に対して
一定の割合で静電容量が変化するような安定した
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、本発明の湿度検出素子について、第１
図〜第５図の図面を用いて説明する。

第１図に本発明の湿度検出素子の基本構造を示
しており、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またはこれらの合金若しくは
シリコン、ゲルコニウムのような材料からなる金
属基体であり、この金属基体１の表面には誘電体
性陽極酸化皮膜２が形成され、そしてこの誘電体
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。この
誘電体性陽極酸化皮膜２と半導体性金属酸化物膜
３との間には、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、銀鏡反応による銀層により基本的に構成した
金属基体１との対向電極６が形成されている。

このような構成において、半導体性金属酸化物
膜３の表面は、非常にマイクロポーラスな状態に
なつており、対向電極６との接触面積を大きくし
ている。この孔部分は、実測によれば、孔径数μ
から十数μ程度の非常に微細なものであり、その
表面全体に、空気中の水分を透過する程度の厚さ
を持つた対向電極６を設けるわけである。

ところで、従来は対向電極６として、カーボン
層、半田層、銀層等を用いていた。そしてマイク
ロポーラスな半導体性金属酸化物膜３の孔部分に
まで対向電極層６を設けるために、先ず粒径が
10μｍから数百μｍのカーボンブラツクを適当な
溶媒に分散したものに浸漬して、孔部分の表面全
体を覆うようにカーボン層を形成した後、銀ペイ
ントに浸漬して表面に銀ペイント層を形成するこ
とにより、電極リードとの接続に用いる半田層と
の溶着を容易にするとともに、湿度検出素子の電
気抵抗を低く抑えるようにしていた。また、半導
体性金属酸化物膜３の上に、直接銀ペイント層を
設けようと試みたが、比重の大きい銀を分散させ
た銀ペイントは必然的に粘度が大になり、孔部分
を完全に覆うことは不可能であつた。カーボン層
の上に、銀層を設けるため、銀ペイントについて
種々試験を重ねた結果、カーボン層の表面に均一
に銀ペイント層が形成され、かつ取扱いが容易で
あるという点から、バインダーとしてアクリル樹
脂を0.5〜５％含んだ銀ペイントを選択していた。
第２図にその従来の対向電極部分の構造を示して
おり、図において６′は対向電極、６a′はカーボ
ン層、６b′は銀ペイント層、３′は半導体性金属
酸化物膜３の孔部分である。

ここで、銀ペイント層６b′の働きは金属基体１
に対する対向電極であるが、空気中の水分が銀ペ
イント層６b′を透過する際、その銀ペイント層６
b′自体による吸脱湿が行なわれると、湿度と静電
容量の直線性に影響があり、湿度検出素子として
の精度を低下させてしまい、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
れも好ましくなく、銀ペイント層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、このような銀ペイントを用いた従来
の湿度検出素子では、バインダーとして存在する
樹脂が、ある程度水分を吸脱着するため、前述の
ような不都合を生じていた。

本発明では、半導体性金属酸化物膜３の孔部分
３′を含めた表面全域に、直接銀鏡反応により銀
層を形成するものである。以下、銀鏡反応による
銀層形成について、具体例をあげて説明する。使
用する試薬は次のようにして準備する。

すなわち、５％硝酸銀水溶液20mlをテフロン容
器の中に入れ、その中に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、褐色の酸化銀沈殿が溶解するまで加
える。こうしてできた溶液をトレンス試薬とい
う。このトレンス試薬を30〜60℃に加温し、この
中へ半導体性金属酸化物膜３形成までを終了した
湿度検出素子の前記半導体性金属酸化物膜３部分
を浸漬し、ホルマリン溶液１mlを添加して10分間
放置する。こうすると、トレンス試薬中に生成し
た銀アンモニア錯体が、下記の反応に従つて還元
されて銀となり、孔部分３′を含めた半導体性金
属酸化物膜３表面に析出する。

HCHO＋２〔Ag（NH₃）₂）〕⁺OH^-→2Ag＋ HCO₂NH₄＋3NH₃＋H₂O このようにして形成した銀層は、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、
乾燥して使用する。このような銀鏡反応により形
成された銀層は、反応条件によつては、時々非常
に不安定になるため、この上に更にカーボン層を
介して、あるいは直接に低濃度の銀ペイントを用
いて、薄い銀ペイント層を設けたり、あるいは溶
射金属層、蒸着金属層等を設けても良い。

第３図に本発明による湿度検出素子の対向電極
部分を示している。

このような本発明による湿度検出素子によれ
ば、次のような理由により低湿度領域から高湿度
領域にわたつて、湿度の変化に対する湿度検出素
子の静電容量の変化が正比例の関係で対応するた
め、すなわち非常に直線性が良いため、広湿度範
囲にわたつて正確に湿度を測定することができ
る。すなわち、本発明の湿度検出素子を湿気中に
配置すると、空気中の水分は銀層による対向電極
６、半導体性金属酸化物膜３を透過して、誘電体
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５と非接触部分４とがあり、界面に
達した水分が非接触部分４において、その中に溶
かしこんでいる空気中の炭酸ガス、半導体金属酸
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
掛け上の接触面積を増大するので、静電容量が増
加する。このようにして、空気中の水分量の増
減、すなわち湿度により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、本発明にお
いては、銀鏡反応によつて生成した銀層は純粋な
銀であり、しかも非常に薄く形成することができ
るために、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く、従来のように、銀ペイン
トによつて銀ペイント層を設けた場合、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
脱湿作用をもつているために、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と誘電体性陽極酸化皮膜２の界面に到達せず、
湿度に対して静電容量値が正確に対応しないとい
う問題を解決することができる。

次に、本発明の具体的な実施例をあげ、従来品
との特性の違いについて説明する。

４図のように、直径0.1〜1.0mm、長さ10mmのタ
ンタルからなる金属基体７の一部に、酸化タンタ
ル皮膜８を100〜1000Åの厚さで設け、その上に
二酸化マンガン膜９を数十〜数百μの厚さで形成
し、さらに対向電極として、その上に銀鏡反応に
よつて銀層１０を形成し、この銀層１０の一部に
電極リード１１を半田層１２によつて接続して湿
度検出素子を構成した。

この本発明の湿度検出素子Ａと、対向電極とし
て、カーボン層とアクリル樹脂２％をバインダー
にした銀ペイント層とを用いた同じ大きさの従来
の湿度検出素子Ｂとについて、相対湿度と静電容
量の関係を調べた。この結果を第５図に示してお
り、この第５図から明らかなように本発明の湿度
検出素子は、広い湿度範囲で直線性に優れている
ことが明らかである。

以上のように本発明によれば、広い湿度範囲に
わたつて、相対湿度と静電容量との関係の直線性
の優れた湿度検出素子を得ることができるのであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による湿度検出素子の基本構造
を示す断面図、第２図は従来の湿度検出素子にお
ける対向電極部分を示す拡大図、第３図は本発明
による湿度検出素子における対向電極部分を示す
拡大図、第４図は本発明の一実施例による湿度検
出素子を示す断面図、第５図は本発明の湿度検出
素子の特性を従来の湿度検出素子の特性と比較し
て示す図である。 １，７……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……対向
電極、８……酸化タンタル皮膜、９……二酸化マ
ンガン膜、１０……銀層。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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単
   独またはこれらの合金、若しくはシリコン、ゲル
   マニウムのような金属基体上に誘電体性陽極酸化
   皮膜を形成し、その酸化皮膜上に半導体性金属酸
   化物膜を形成し、さらにその上に銀鏡反応により
   形成した銀層単独若しくはこの銀層と他の導電材
   料との組合せからなる対向電極を形成したことを
   特徴とする湿度検出素子。