JP2002357581A - Humidity sensor - Google Patents

Humidity sensor

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JP2002357581A
JP2002357581A JP2001165319A JP2001165319A JP2002357581A JP 2002357581 A JP2002357581 A JP 2002357581A JP 2001165319 A JP2001165319 A JP 2001165319A JP 2001165319 A JP2001165319 A JP 2001165319A JP 2002357581 A JP2002357581 A JP 2002357581A
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JP
Japan
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moisture
sensitive layer
electrode
humidity sensor
insulating substrate
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Application number
JP2001165319A
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Japanese (ja)
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Satoshi Sugaya
聡 菅谷
Kenji Kato
健次 加藤
Noboru Ishida
昇 石田
Takafumi Oshima
崇文 大島
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Niterra Co Ltd
Original Assignee
NGK Spark Plug Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a humidity sensor which is high in responsiveness and maintaining stable performance over a long period, even in a specific atmosphere to be measured such as the inside of an exhaust pipe of an automobile or the like. SOLUTION: The humidity sensor 1 is provided with an insulation substrate 11 consisting of alumina and the like, a detection electrode comprising noble metal such as Pt and Au, and a humidity sensitive layer 13 comprising alumina as a main component and blending a prescribed quantity of titania and tin oxide. The detection electrode may be formed on the upper and lower faces of the humidity sensitive layer as a lower electrode 12 and an upper electrode 14. An interdigital electrode may be formed on the insulation layer. The humidity sensitive layer is a porous body, and its thickness is 100 μm, particularly preferably 50 μm is or smaller. The electrode is preferably a porous body, and preferably has a thickness which does not exceed half of the humidity sensitive layer. A heater 111 and a temperature measuring resistor 112 are provided in the inside of the insulation substrate and arranged directly under the humidity sensitive layer, in the inside of the insulation substrate.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、被測定雰囲気にお
ける水蒸気の含有量を感湿層の電気抵抗の変化によって
検出する湿度センサに関する。この湿度センサは、大気
雰囲気に含まれる湿分の検知の他、車両、船舶、飛行機
等の内燃機関の排気管内に含まれる湿分の検知、或いは
燃料電池の燃料極、空気極及び配管等に含まれる湿分の
検知などに使用することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a humidity sensor for detecting the content of water vapor in an atmosphere to be measured by a change in electric resistance of a moisture-sensitive layer. This humidity sensor detects moisture contained in the air atmosphere, and also detects moisture contained in the exhaust pipe of an internal combustion engine of a vehicle, a ship, an airplane, or the like, or detects a fuel electrode, an air electrode, and piping of a fuel cell. It can be used for detecting moisture contained therein.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、一般に使用されている湿度センサ
としては、水分子の吸脱着反応を利用した抵抗変化式、
或いは容量値変化を利用した容量変化式などがある。こ
れらの湿度センサでは、Al23系、MgCr24−T
iO2系、TiO2−V25系、ZrCr24−LiZr
VO4系等の感湿材料が使用されており、これらの多く
は電気抵抗の変化を感知するものである。
2. Description of the Related Art At present, as a humidity sensor generally used, a resistance change type utilizing an adsorption / desorption reaction of water molecules,
Alternatively, there is a capacitance change formula using a capacitance value change. These humidity sensors, Al 2 O 3 system, MgCr 2 O 4 -T
iO 2 system, TiO 2 -V 2 O 5 system, ZrCr 2 O 4 -LiZr
Moisture-sensitive materials such as VO 4 are used, and most of them sense changes in electric resistance.

【0003】これらのセラミック系感湿材料を用いた湿
度センサは、特公平1−22965号公報等に記載され
ている方法により作製されるのが一般的である。即ち、
絶縁基板上に下部電極を形成し、その上部にペレット成
形等により形成された感湿層を設け、この感湿層の上面
に上部電極を形成することにより作製される。また、検
知電極を櫛型形状とした湿度センサも知られている。
A humidity sensor using such a ceramic moisture-sensitive material is generally manufactured by a method described in Japanese Patent Publication No. 1-29655. That is,
It is manufactured by forming a lower electrode on an insulating substrate, providing a moisture-sensitive layer formed by pellet molding or the like on the lower electrode, and forming an upper electrode on the upper surface of the moisture-sensitive layer. A humidity sensor having a comb-shaped detection electrode is also known.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】これら従来の湿度セン
サは通常の大気雰囲気等では何ら問題なく使用すること
ができる。しかし、自動車等の排気管内のように、温度
変化が激しく、極めて酸素濃度が低く、且つガスの流
速、流量、圧力等が激しく変化するような被測定雰囲
気、或いは燃料電池の燃料極等の、相当量の還元性ガス
が含まれる被測定雰囲気では、応答性が低下する等の問
題がある。このような被測定雰囲気では、十分な応答性
等の他、優れた耐熱衝撃性なども必要であるが、従来の
ペレット成形体からなる感湿層を有する湿度センサ、或
いは一般的な厚膜型湿度センサでは、被測定雰囲気に含
まれる湿分による感湿層の抵抗変化を精度よく、且つ高
い応答性で検出することができず、耐熱衝撃性等の強度
の面でも十分ではない。
These conventional humidity sensors can be used without any problem in a normal atmospheric atmosphere or the like. However, as in an exhaust pipe of an automobile or the like, a temperature change is severe, an oxygen concentration is extremely low, and an atmosphere to be measured in which a gas flow velocity, a flow rate, a pressure, and the like change drastically, or a fuel electrode of a fuel cell. In an atmosphere to be measured containing a considerable amount of reducing gas, there are problems such as a decrease in responsiveness. In such an atmosphere to be measured, in addition to sufficient responsiveness and the like, excellent thermal shock resistance and the like are required. However, a conventional humidity sensor having a moisture-sensitive layer made of a pellet molded body, or a general thick film type The humidity sensor cannot accurately detect a change in resistance of the moisture-sensitive layer due to moisture contained in the atmosphere to be measured with high responsiveness, and is not sufficient in terms of strength such as thermal shock resistance.

【0005】本発明は、上記の従来の問題を解決するも
のであり、車両の排気管内のように温度変化が激しく、
極めて酸素濃度が低く、且つガスの流速、流量、圧力等
が激しく変化するような被測定雰囲気などにおいても、
応答性が高く、耐熱衝撃性等にも優れ、長期に渡って安
定した感湿性能が維持される湿度センサを提供すること
を目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention solves the above-mentioned conventional problems, in which the temperature changes drastically as in an exhaust pipe of a vehicle.
Even in an atmosphere under measurement where the oxygen concentration is extremely low and the gas flow rate, flow rate, pressure, etc. change drastically,
It is an object of the present invention to provide a humidity sensor having high responsiveness, excellent thermal shock resistance, and the like, and maintaining stable moisture sensitivity for a long period of time.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】湿度センサの感湿層を特
定の厚さの薄層とすることにより、応答性が高くなり、
熱応力を低減することができる。また、検知電極を耐熱
性、耐食性に優れるPt、Au等の貴金属からなり、且
つ感湿層より平均孔径の大きい多孔質体とすることによ
り、優れた応答性等が損なわれることなく、絶縁基板、
検知電極及び感湿層の密着強度を高めることができる。
このような湿度センサであれば、車両の排気管内等の特
定の被測定雰囲気においても、精度及び応答性が高く、
且つ十分な耐熱衝撃性等を有し、湿分検知の優れた性能
が長期に渡って維持される。本発明は、このような知見
に基づいてなされたものである。
The responsiveness is improved by making the moisture-sensitive layer of the humidity sensor a thin layer having a specific thickness.
Thermal stress can be reduced. In addition, by forming the sensing electrode from a porous material having excellent heat resistance and corrosion resistance, such as Pt or Au, and having a larger average pore diameter than the moisture-sensitive layer, excellent responsiveness and the like can be obtained without impairing the responsiveness. ,
The adhesion strength between the detection electrode and the moisture-sensitive layer can be increased.
With such a humidity sensor, accuracy and responsiveness are high even in a specific measured atmosphere such as in an exhaust pipe of a vehicle,
In addition, it has sufficient thermal shock resistance and the like, and excellent performance of moisture detection is maintained for a long time. The present invention has been made based on such findings.

【0007】本発明の湿度センサは、絶縁基板、検知電
極及び感湿層を備える湿度センサにおいて、該感湿層は
多孔質体であり、厚さが200μm以下であることを特
徴とする。
A humidity sensor according to the present invention is a humidity sensor having an insulating substrate, a sensing electrode, and a moisture-sensitive layer, wherein the moisture-sensitive layer is a porous body and has a thickness of 200 μm or less.

【0008】上記「絶縁基板」を形成する絶縁材料は特
に限定されず、セラミック、樹脂等を用いることができ
る。これらのうちでは耐熱性等に優れるセラミックが好
ましい。このセラミックとしては、Al23、ZrO2
等が挙げられ、絶縁性及び機械的強度等に優れ、コスト
の点でも有利なアルミナがより好ましい。絶縁基板の厚
さ、平面寸法等は特に限定されないが、厚さが0.3〜
2.0mmであり、平面方向の寸法が幅3×10mm〜
長さ8×50mm程度である長方形の板状体とすること
ができる。
[0008] The insulating material forming the above-mentioned "insulating substrate" is not particularly limited, and ceramics, resins and the like can be used. Among them, ceramics having excellent heat resistance and the like are preferable. As this ceramic, Al 2 O 3 , ZrO 2
Alumina, which has excellent insulating properties and mechanical strength, and is advantageous in terms of cost, is more preferable. The thickness, plane dimensions and the like of the insulating substrate are not particularly limited.
2.0 mm and the dimension in the plane direction is 3 × 10 mm
It can be a rectangular plate having a length of about 8 × 50 mm.

【0009】上記「検知電極」は、導電性を有する材料
により形成されるが、Au、Ag、Ru、Rh、Pd、
Os、Ir及びPtのうちの少なくとも1種の貴金属を
主成分とすることが好ましい。貴金属のうちでは、Pt
及びAuがより好ましい。特に、Ptは高温において酸
化し難く、感湿層に拡散することもなく、融点も十分に
高いため最も好ましい。検知電極をPtにより形成する
ことによって、一段と耐久性に優れる湿度センサとする
ことができる。
The above-mentioned "sensing electrode" is formed of a material having conductivity, but is composed of Au, Ag, Ru, Rh, Pd,
It is preferable that at least one noble metal of Os, Ir, and Pt is a main component. Among precious metals, Pt
And Au are more preferred. In particular, Pt is most preferable because it is hardly oxidized at high temperatures, does not diffuse into the moisture-sensitive layer, and has a sufficiently high melting point. By forming the detection electrode with Pt, a humidity sensor having more excellent durability can be obtained.

【0010】検知電極は、これらの貴金属の2種以上か
らなる合金を用いて形成してもよい。例えば、高温にお
けるPtの揮散が抑えられるPtとRhとの併用等は有
用である。尚、貴金属からなる電極には、その物性に大
きな影響を与えない範囲内で、他の成分が含まれていて
もよい。また、「主成分」とは、検知電極を100質量
部とした場合に、貴金属が75質量部以上、特に85質
量部以上含有されることを意味する。
The sensing electrode may be formed using an alloy composed of two or more of these noble metals. For example, a combination of Pt and Rh, which can suppress the volatilization of Pt at a high temperature, is useful. The electrode made of a noble metal may contain other components within a range that does not significantly affect its physical properties. The “main component” means that the noble metal is contained in an amount of 75 parts by mass or more, particularly 85 parts by mass or more, when the detection electrode is 100 parts by mass.

【0011】検知電極は貴金属を主成分とするととも
に、多孔質体であることが好ましい。感湿層とともに検
知電極をも多孔質体とすることにより、感湿層及び検知
電極内における被測定ガスの拡散を容易、且つ均一にす
ることができる。これによって湿度センサの応答性をよ
り高めることができる。また、この湿度センサでは、検
知電極内において被測定ガスの拡散律速が生じないによ
うにすることが好ましく、これによって応答性を更に向
上させることができる。そのためには、検知電極を感湿
層より薄くする、或いは感湿層よりガス透過性を大きく
する等の方法がある。
It is preferable that the detection electrode contains a noble metal as a main component and is a porous body. By making the sensing electrode as well as the moisture-sensitive layer a porous body, the gas to be measured can be easily and uniformly diffused in the moisture-sensitive layer and the sensing electrode. Thereby, the responsiveness of the humidity sensor can be further improved. Further, in this humidity sensor, it is preferable that diffusion of the gas to be measured is not limited in the detection electrode, thereby further improving the responsiveness. For this purpose, there are methods such as making the sensing electrode thinner than the moisture-sensitive layer or increasing the gas permeability than the moisture-sensitive layer.

【0012】検知電極のガス透過性を大きくするために
は、検知電極を、感湿層を形成する感湿材料の粒子より
平均粒径の大きい貴金属粒子により形成する方法が挙げ
られる。これにより、感湿層より平均孔径の大きい多孔
質体とすることができ、検知電極を薄くしたのと同様に
湿度センサの応答性を向上させることができる。感湿材
料の粒子及び貴金属粒子の平均粒径、並びに感湿層及び
検知電極の平均孔径は、いずれも各々の断面を電子顕微
鏡により観察し、その画面上、或いは撮影した写真から
読み取った粒径又は孔径から算出することができる。
In order to increase the gas permeability of the detection electrode, there is a method of forming the detection electrode from noble metal particles having an average particle size larger than that of the moisture-sensitive material forming the moisture-sensitive layer. Thus, a porous body having a larger average pore diameter than the moisture-sensitive layer can be obtained, and the responsiveness of the humidity sensor can be improved as in the case where the detection electrode is thinned. The average particle size of the particles of the moisture-sensitive material and the noble metal particles, and the average pore size of the moisture-sensitive layer and the detection electrode are the particle sizes obtained by observing each cross section with an electron microscope and reading them on the screen or from a photograph taken. Alternatively, it can be calculated from the pore diameter.

【0013】また、検知電極内における被測定ガスの拡
散は電極の材質によっても影響を受ける。電極を形成す
るための原料には、ガラス成分、及びアルカリ土類金属
元素を有する焼結助剤等が配合されることがある。これ
は、低温焼成及び電極の安定性の面では有効である。し
かし、ガラス成分等は被測定ガスの拡散を阻害するもの
であり、検知電極は、これらの成分を含まない貴金属を
主成分として形成されることが好ましい。このように検
知電極の厚さ、平均孔径及び材質を特定することによ
り、検知電極における被測定ガスの拡散律速の影響をほ
とんど解消することができる。尚、焼結助剤としてアル
ミナ、ジルコニア等の熱安定性に優れた化合物を用いる
ことが好ましく、これにより検知電極と、絶縁基板及び
感湿層との密着性及び経時的な安定性を向上させること
ができる。
The diffusion of the gas to be measured in the detection electrode is also affected by the material of the electrode. A raw material for forming an electrode may include a glass component and a sintering aid containing an alkaline earth metal element. This is effective in terms of low-temperature firing and electrode stability. However, the glass component and the like hinder the diffusion of the gas to be measured, and the detection electrode is preferably formed mainly of a noble metal that does not contain these components. By specifying the thickness, the average pore diameter, and the material of the detection electrode in this way, it is possible to almost eliminate the influence of the diffusion control of the gas to be measured on the detection electrode. Note that it is preferable to use a compound having excellent thermal stability such as alumina and zirconia as a sintering aid, thereby improving the adhesion between the detection electrode and the insulating substrate and the moisture-sensitive layer and the stability over time. be able to.

【0014】検知電極の平面形状は特に限定されず、円
形、楕円形、図1のような方形等、いずれであってもよ
く、図2のように櫛型の電極とすることもできる。ま
た、電極の感湿層と接していない部分は検知電極として
機能しないため、感湿層は、検知電極の全面に接して積
層されていることが好ましい。更に、櫛型電極の一方と
他方、或いは感湿層の下面に積層される下部電極と上面
に積層される上部電極は、これらを必ずしも同じ貴金属
により形成する必要はないが、同じ貴金属であれば工程
を簡略化することができ、同時焼成も容易である。
The plane shape of the detection electrode is not particularly limited, and may be any one of a circle, an ellipse, a square as shown in FIG. 1, and a comb-shaped electrode as shown in FIG. In addition, since a portion of the electrode that is not in contact with the moisture-sensitive layer does not function as a detection electrode, it is preferable that the moisture-sensitive layer be stacked in contact with the entire surface of the detection electrode. Furthermore, one and the other of the comb-shaped electrodes, or the lower electrode laminated on the lower surface of the moisture-sensitive layer and the upper electrode laminated on the upper surface, need not necessarily be formed of the same noble metal. The process can be simplified, and simultaneous firing is easy.

【0015】上記「感湿層」は各種の感湿材料により形
成することができる。この感湿材料としては、Al23
系、Al23−TiO2−SnO2系、MgCr24−T
iO 2系、TiO2−V25系、ZrCr24−LiZr
VO4系、ZnCrO4系、TiO2−SnO2系及びNA
SICON等のセラミック系感湿材料などが挙げられ
る。複数の酸化物の混合物からなる感湿材料における各
々の酸化物の量比は特に限定されず、一般に使用されて
いるものをそのまま用いることができる。
[0015] The above-mentioned "moisture sensitive layer" is formed of various moisture sensitive materials.
Can be achieved. As this moisture-sensitive material, AlTwoOThree
System, AlTwoOThree-TiOTwo-SnOTwoSystem, MgCrTwoOFour-T
iO TwoSystem, TiOTwo-VTwoOFiveSystem, ZrCrTwoOFour-LiZr
VOFourSystem, ZnCrOFourSystem, TiOTwo-SnOTwoSystem and NA
Ceramic moisture sensitive materials such as SICON
You. Each of the moisture-sensitive materials consisting of a mixture of multiple oxides
The amount ratio of each oxide is not particularly limited, and is generally used.
Can be used as is.

【0016】この感湿層は多孔質体であり、厚さが20
0μm以下である。感湿層の厚さが200μmを越える
と、後記の実施例において記載した62.3%応答時
(次定数τ=1)の応答時間が2秒を越え、応答性が低
くなる。この厚さは100μm以下、特に75μm以
下、更には50μm以下であることが好ましく、厚さが
30μm以下の薄層とすることもできる。62.3%応
答時の応答時間は、感湿層の厚さが50μm以下であれ
ば1.5秒以下、30μm以下であれば1.3秒以下と
十分に短かくすることができる。尚、感湿層の上下面に
電極を形成した場合の短絡の防止、実使用時の十分な耐
久性、及び製造のし易さ等を考慮すると、感湿層の厚さ
は5μm以上、特に10μm以上とすることが好まし
い。
The moisture-sensitive layer is a porous material having a thickness of 20
0 μm or less. If the thickness of the moisture-sensitive layer exceeds 200 μm, the response time at the time of 62.3% response (order constant τ = 1) described in the following example exceeds 2 seconds, and the response becomes low. This thickness is preferably 100 μm or less, particularly preferably 75 μm or less, and more preferably 50 μm or less, and a thin layer having a thickness of 30 μm or less can also be used. The response time at the time of 62.3% response can be sufficiently shortened to 1.5 seconds or less if the thickness of the moisture-sensitive layer is 50 μm or less, and 1.3 seconds or less if the thickness of the moisture-sensitive layer is 30 μm or less. In consideration of prevention of short circuit when electrodes are formed on the upper and lower surfaces of the moisture sensitive layer, sufficient durability in actual use, and ease of manufacturing, the thickness of the moisture sensitive layer is 5 μm or more, especially The thickness is preferably 10 μm or more.

【0017】また、このように感湿層を薄層化すること
による他の効果として、熱応力を低減することができ、
耐熱衝撃性を向上させることができる。湿度センサは絶
縁基板、検知電極及び感湿層を備えるが、これらは材質
が異なり、熱膨張係数が相違する。そのため、絶縁基板
に対して他の各々が厚い場合は熱膨張にともなう熱応力
が大きくなり、亀裂、欠損等を生じることがあり、破損
することもある。
Another effect of thinning the moisture-sensitive layer is that thermal stress can be reduced.
Thermal shock resistance can be improved. The humidity sensor includes an insulating substrate, a sensing electrode, and a moisture-sensitive layer, which are made of different materials and have different coefficients of thermal expansion. Therefore, when each of the other is thicker than the insulating substrate, the thermal stress accompanying the thermal expansion increases, which may cause cracks, defects, or the like, and may cause breakage.

【0018】本発明では、感湿層を薄層にするととも
に、検知電極を感湿層より更に薄くすることによって、
熱応力を十分に低減することができ、より耐久性に優れ
た湿度センサとすることができる。感湿層の厚さ
(tm)と検知電極の厚さ(te)の比は特に限定されな
いが、tm/teを1.5〜3、特に1.8〜2.2とす
ることができる。尚、電極の厚さは特に限定されない
が、その全面を感湿層と十分に密着させるためには過度
に薄くすることは好ましくない。また、検知電極を下
部、上部の各々の電極とする場合、それらの厚さの比も
限定されないが、同程度の厚さとすることができる。
In the present invention, by making the moisture-sensitive layer thinner and making the sensing electrode thinner than the moisture-sensitive layer,
Thermal stress can be sufficiently reduced, and a humidity sensor having more excellent durability can be obtained. The thickness of the moisture-sensitive layer (t m) and the ratio of the thickness of the detection electrode (t e) is not particularly limited, a t m / t e 1.5~3, and especially 1.8 to 2.2 be able to. Although the thickness of the electrode is not particularly limited, it is not preferable to make the electrode excessively thin in order to sufficiently adhere the entire surface to the moisture-sensitive layer. Further, when the detection electrode is a lower electrode and an upper electrode, the thickness ratio is not limited, but may be approximately the same.

【0019】更に、感湿層と検知電極をともに薄くする
ことにより、感湿層における抵抗値を大きく低下させる
ことができる。本発明の湿度センサは、自動車の排気管
内、或いは燃料電池の燃料供給管内等においても使用す
ることができるが、これらの被測定雰囲気では一般に電
気的ノイズが多い。そのため、従来の抵抗値の高い感湿
層を備える湿度センサでは、制御回路にコンデンサ等を
取り付けたり、フィルタ回路を設けたりする必要があ
る。しかし、感湿層及び検知電極を薄層とすることによ
り、感湿層の抵抗値を従来の1/10〜1/100程度
に低くすることができ、コンデンサ、フィルタ回路等が
不要となる。
Further, by making both the moisture-sensitive layer and the sensing electrode thin, the resistance value of the moisture-sensitive layer can be greatly reduced. The humidity sensor of the present invention can be used in an exhaust pipe of an automobile, a fuel supply pipe of a fuel cell, or the like, but generally has a lot of electric noise in the atmosphere to be measured. Therefore, in a conventional humidity sensor having a moisture-sensitive layer having a high resistance value, it is necessary to attach a capacitor or the like to the control circuit or provide a filter circuit. However, by making the moisture-sensitive layer and the sensing electrode thin, the resistance value of the moisture-sensitive layer can be reduced to about 1/10 to 1/100 of the conventional value, and a capacitor, a filter circuit and the like become unnecessary.

【0020】本発明の湿度センサは、絶縁基板、検知電
極、感湿層、及び感湿層から出力を取り出すため、電極
に接続され、延設された出力取り出し用リード線を有し
ておれば実用に供することができるが、絶縁基板の内部
にヒータが配設されていることが好ましい。このヒータ
により湿度センサを定期的に加熱することによって、感
湿層の内部に侵入した湿分及び他の不純物等を脱離させ
ることができる。これにより感湿層が常に清浄な状態に
保たれ、検出精度が向上し、且つ優れた出力特性が長期
に渡って安定して維持される。また、湿度が非常に高い
場合に、ヒータを作動させることにより、センサへの結
露を防止することもできる。
The humidity sensor of the present invention is provided with an output substrate connected to the electrode for extending the output from the insulating substrate, the sensing electrode, the moisture-sensitive layer, and the moisture-sensitive layer. Although it can be put to practical use, it is preferable that a heater is provided inside the insulating substrate. By periodically heating the humidity sensor by this heater, moisture and other impurities that have entered the interior of the moisture-sensitive layer can be eliminated. As a result, the moisture-sensitive layer is always kept in a clean state, detection accuracy is improved, and excellent output characteristics are stably maintained over a long period of time. In addition, when the humidity is extremely high, the heater can be operated to prevent condensation on the sensor.

【0021】更に、感湿層の抵抗変化により湿分を検知
する湿度センサでは、被測定雰囲気の温度に対する感湿
材料の抵抗値の変化、所謂、抵抗の温度依存性があるた
め、絶縁基板の内部に測温抵抗体が配設されることが好
ましい。この測温抵抗体によって感湿材料の温度による
抵抗値の変化を補正し、雰囲気温度に依存することなく
精度よく湿度を検出することができる。また、感湿材料
により相対湿度を検知するとともに、測温抵抗体によっ
て雰囲気温度を測定することができ、これによって絶対
湿度を算出することもできる。
Further, in a humidity sensor which detects moisture by a change in resistance of a moisture-sensitive layer, a change in the resistance value of a humidity-sensitive material with respect to the temperature of the atmosphere to be measured, that is, the temperature dependence of the resistance, means that the insulating substrate has It is preferable that a resistance temperature detector is provided inside. This temperature measuring resistor corrects a change in resistance value due to the temperature of the moisture-sensitive material, and can accurately detect humidity without depending on the ambient temperature. In addition, the relative humidity can be detected by the moisture-sensitive material, and the ambient temperature can be measured by the resistance temperature detector, whereby the absolute humidity can be calculated.

【0022】ヒータ及び測温抵抗体は、絶縁基板の内部
において感湿層の直下に配設されることが好ましい。ヒ
ータを感湿層の直下に配設することにより、感湿層全体
をほぼ均一に加熱することが容易であり、感湿層に侵入
した湿分及び他の不純物等を効率よく脱離させることが
でき、加熱に要する電力消費を極力低減することもでき
る。一方、測温抵抗体を感湿層の直下に配設することに
より、絶縁基板の熱伝導の影響を受けることなく、湿度
の検知とほぼ同一の個所で温度を測定することができ、
湿度の検知精度をより向上させることができる。
It is preferable that the heater and the resistance temperature detector are disposed directly below the moisture-sensitive layer inside the insulating substrate. By disposing the heater directly below the moisture-sensitive layer, it is easy to heat the entire moisture-sensitive layer almost uniformly, and to efficiently remove moisture and other impurities that have entered the moisture-sensitive layer. The power consumption required for heating can be reduced as much as possible. On the other hand, by arranging the RTD directly under the moisture-sensitive layer, the temperature can be measured at almost the same location as the humidity detection without being affected by the heat conduction of the insulating substrate.
The humidity detection accuracy can be further improved.

【0023】尚、本発明の湿度センサは、酸素濃度が低
く、相当量の還元性ガスが含まれる雰囲気においても、
優れた性能が長期に渡って維持されるが、この酸素濃度
が低いとは、通常の機器による測定において検出限界値
以下であることを意味し、還元性ガスを含むとは、雰囲
気中に化学平衡状態をもたらす濃度以上の還元性ガスが
含まれていることを意味する。
The humidity sensor of the present invention can be used in an atmosphere having a low oxygen concentration and containing a considerable amount of reducing gas.
Excellent performance is maintained over a long period of time, but a low oxygen concentration means that it is below the detection limit in measurement with ordinary equipment. It means that the reducing gas is contained in a concentration higher than the concentration that provides an equilibrium state.

【0024】本発明の湿度センサでは、感湿層が薄層で
あり、検知電極を感湿層より更に薄くすることにより、
被測定ガスが拡散し易く、高い応答性が得られている。
以下、これについて詳述する。自動車の排気管内、或い
は燃料電池の電極及び配管内のように、温度変化が激し
い、酸素濃度が低い、或いは還元性が高い等の特定の被
測定雰囲気では、湿度センサの応答性が高いことが重要
である。この応答性に最も影響するのは感湿層及び検知
電極の内部における被測定ガスの拡散のし易さである。
このガスの拡散について、感湿層内におけるガスの拡散
に関する模式図である図7に基づいて、フィックの法則
により説明する。
In the humidity sensor according to the present invention, the moisture-sensitive layer is a thin layer, and the detection electrode is made thinner than the moisture-sensitive layer.
The gas to be measured is easily diffused, and high responsiveness is obtained.
Hereinafter, this will be described in detail. Humidity sensors may have high responsiveness in certain measured atmospheres, such as in the exhaust pipe of automobiles or in the electrodes and pipes of fuel cells, where the temperature changes rapidly, the oxygen concentration is low, or the reducibility is high. is important. The most influential factor for this response is the diffusion of the gas to be measured inside the moisture-sensitive layer and the sensing electrode.
This gas diffusion will be described based on Fick's law based on FIG. 7 which is a schematic diagram relating to gas diffusion in the moisture-sensitive layer.

【0025】ある単位断面積を有する細長い単純立方格
子を考えた場合、拡散方向をX方向とすると、格子面1
から格子面2へのガス拡散は、原子が隣接する格子面に
ジャンプする頻度により決定される。結晶面をb、格子
面1及び格子面2の各々における単位体積当たりの拡散
原子数をそれぞれC1、C2、格子面1及び格子面2の各
々における単位面積当たりの原子数をそれぞれn1、n2
とすると、n1=C1b、n2=C2bとなる。これらの原
子が隣接する格子面にジャンプする頻度が単位時間にf
回あるとすると、格子面1から格子面2へジャンプする
原子数はfn1となり、単純立方格子では、6方向の可
能性があるためfn1/6となる。
Considering an elongated simple cubic lattice having a certain unit cross-sectional area, if the diffusion direction is the X direction, the lattice plane 1
The gas diffusion from to the lattice plane 2 is determined by the frequency at which atoms jump to adjacent lattice planes. The crystal plane is b, the number of diffused atoms per unit volume in each of the lattice planes 1 and 2 is C 1 and C 2 , and the number of atoms per unit area in each of the lattice planes 1 and 2 is n 1. , N 2
Then, n 1 = C 1 b and n 2 = C 2 b. The frequency at which these atoms jump to the adjacent lattice plane is f
When there times, the number of atoms to jump from lattice plane 1 to the lattice plane 2 fn 1 becomes, in a simple cubic lattice, the fn 1/6 due to the possibility of six directions.

【0026】従って、格子面1と格子面2の間のA面に
おいてX方向へ通過する原子数(流束)Jは下記の式に
より表わすことができる。 J=−fb/6*(C2−C1) C1とC2との差が微小であれば、濃度勾配を用いて、 C2−C1=b*dC/dX とすることができ、 J=−fb/6*b*dC/dX となる。ここで、D=fb2/6とすれば、 J=−D*dC/dX となり、拡散量は濃度勾配に比例する。
Accordingly, the number of atoms (flux) J passing in the X direction on the A plane between the lattice planes 1 and 2 can be expressed by the following equation. J = −fb / 6 * (C 2 −C 1 ) If the difference between C 1 and C 2 is very small, the concentration gradient can be used to make C 2 −C 1 = b * dC / dX. , J = −fb / 6 * b * dC / dX. Here, if D = fb 2/6, J = -D * dC / dX , and the amount of diffusion is proportional to the concentration gradient.

【0027】上記のそれぞれの式によれば、拡散量は、
感湿材料の種類、複数の感湿材料を用いる場合の配合
比、或いは感湿材料の粒径等によって変化する定数bに
より調整することができる。しかし、このように感湿層
の材質等を変化させた場合は感湿層の特性が大きく変化
してしまい、所定の感湿特性を有する湿度センサとする
ことは容易ではない。一方、拡散量は、X方向の距離、
即ち、感湿層の厚さにより調整することができ、感湿層
が薄いほど拡散量が多くなり、応答性が高くなる。この
感湿層の厚さにより調整する方法では、本発明の湿度セ
ンサのように感湿特性を変化させずに応答性を高めるこ
とができる。
According to each of the above equations, the amount of diffusion is
It can be adjusted by the type b of the moisture-sensitive material, the compounding ratio when a plurality of moisture-sensitive materials are used, or the constant b that changes depending on the particle size of the moisture-sensitive material. However, when the material or the like of the moisture-sensitive layer is changed in this way, the characteristics of the moisture-sensitive layer greatly change, and it is not easy to provide a humidity sensor having predetermined moisture-sensitive characteristics. On the other hand, the diffusion amount is the distance in the X direction,
That is, it can be adjusted by the thickness of the moisture-sensitive layer. According to the method of adjusting the thickness based on the thickness of the moisture-sensitive layer, the responsiveness can be improved without changing the moisture-sensitive characteristics unlike the humidity sensor of the present invention.

【0028】[0028]

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例により更に
詳しく説明する。 [1]湿度センサの構造 実施例1 図1、(a)は本発明の湿度センサ1の一例を示す斜視
図である。また、(b)は(a)のA−A’における断
面図である。 (1)絶縁基板 絶縁基板11はAl23からなり、厚さは1.6mm、
平面方向の幅は4mm、長さは45mmである。この絶
縁基板の内部の感湿層の直下には、厚さ方向の下面から
1/4程度の位置に、Ptからなり、折れ曲がった帯状
のヒータ111が配設されている。また、絶縁基板の内
部の感湿層の直下には、厚さ方向の上面から1/4程度
の位置に、Ptからなり、折れ曲がった帯状の測温抵抗
体112が配設されている。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, the present invention will be described in more detail by way of examples. [1] Structure of Humidity Sensor First Embodiment FIG. 1A is a perspective view showing an example of a humidity sensor 1 of the present invention. (B) is a cross-sectional view taken along AA ′ of (a). (1) Insulating substrate The insulating substrate 11 is made of Al 2 O 3 and has a thickness of 1.6 mm.
The width in the plane direction is 4 mm and the length is 45 mm. Immediately below the moisture-sensitive layer inside the insulating substrate, a bent belt-shaped heater 111 made of Pt is disposed at a position about 1/4 from the lower surface in the thickness direction. A bent temperature measuring resistor 112 made of Pt is disposed just below the moisture-sensitive layer inside the insulating substrate at a position about 1/4 from the upper surface in the thickness direction.

【0029】(2)感湿層及び検知電極等 絶縁基板の長さ方向の片端側の上面には、Ptからなる
下部電極12が接合されている。その厚さは15μm、
平面方向の寸法は幅2mm、長さ2.5mmである。こ
の下部電極は、その一部で出力取り出し用リード線12
1と接続されている。また、下部電極の全面及び絶縁基
板上の一部には、Al23に所定量のTiO2及びSn
2を配合してなるセラミック系感湿材料からなる感湿
層13の一面が接合されている。その厚さは30μm、
平面方向の寸法は幅、長さともに2.5mmである。更
に、感湿層の他面の下部電極と対向する位置にPtから
なる上部電極14が接合されている。その厚さは15μ
m、平面方向の寸法は幅2mm、長さ2.5mmであ
る。この上部電極の一部は延設され、出力取り出し用リ
ード線141に接続されている。
(2) Moisture Sensitive Layer, Sensing Electrode, etc. A lower electrode 12 made of Pt is joined to the upper surface on one end in the longitudinal direction of the insulating substrate. Its thickness is 15 μm,
The dimensions in the plane direction are 2 mm in width and 2.5 mm in length. The lower electrode is partially connected to the output lead wire 12.
1 is connected. Further, a predetermined amount of TiO 2 and Sn are added to Al 2 O 3 on the entire surface of the lower electrode and a part of the insulating substrate.
One surface of the moisture-sensitive layer 13 made of a ceramic moisture-sensitive material containing O 2 is joined. Its thickness is 30 μm,
The dimensions in the plane direction are both 2.5 mm in width and length. Further, an upper electrode 14 made of Pt is joined to the other surface of the moisture-sensitive layer at a position facing the lower electrode. Its thickness is 15μ
m, the dimension in the plane direction is 2 mm in width and 2.5 mm in length. A part of the upper electrode is extended and connected to the output lead wire 141.

【0030】尚、ヒータは電力供給源に接続され、測温
抵抗体は温度検出回路に接続されているが、電力供給源
及び温度検出回路並びにこれらに接続されているリード
線の図示は省略する。
The heater is connected to a power supply source, and the resistance temperature detector is connected to a temperature detection circuit. However, the illustration of the power supply source, the temperature detection circuit, and the lead wires connected thereto are omitted. .

【0031】実施例2 図2、(b)は本発明の湿度センサ1の他の例を示す斜
視図である。また、(b)は、絶縁基板上に形成された
櫛型電極を示す斜視図である。更に、(c)は(b)の
A−A’における断面図である。この湿度センサでは、
絶縁基板11の長さ方向の片端側の上面に、Ptからな
り、厚さ15μm、平面方向の外形寸法が幅2mm、長
さ2.5mm、各々の櫛歯の幅が100μmの櫛型電極
15が接合されている。また、各々の電極の一端部は出
力取り出し用リード線151、152に接続されてい
る。更に、この櫛型電極の全面及び絶縁基板の一部に、
Al23に所定量のTiO2及びSnO2を配合してなる
セラミック系感湿材料からなる感湿層13の一面が接合
されている。その他は実施例1の湿度センサと同じであ
る。
Embodiment 2 FIG. 2B is a perspective view showing another example of the humidity sensor 1 of the present invention. (B) is a perspective view showing a comb-shaped electrode formed on an insulating substrate. (C) is a cross-sectional view taken along line AA ′ of (b). In this humidity sensor,
A comb-shaped electrode 15 made of Pt, having a thickness of 15 μm, an outer dimension in a planar direction of width 2 mm, a length of 2.5 mm, and a width of each comb tooth of 100 μm is formed on the upper surface on one end side in the length direction of the insulating substrate 11. Are joined. One end of each electrode is connected to output lead wires 151 and 152. Furthermore, on the entire surface of the comb-shaped electrode and a part of the insulating substrate,
One surface of a moisture-sensitive layer 13 made of a ceramic moisture-sensitive material obtained by mixing predetermined amounts of TiO 2 and SnO 2 with Al 2 O 3 is joined. Others are the same as the humidity sensor of the first embodiment.

【0032】[2]湿度センサの製造 実施例1の湿度センサの製造 (1)表面に出力取り出し用リード線が形成され、内部
にヒータと測温抵抗体が配設された絶縁基板の作製 アルミナ粉末を含むスラリーを調製し、ドクターブレー
ド法により、厚さ400μmのアルミナグリーンシート
A、B、C及びD(これらが一体に焼成され絶縁基板1
1となる。)を形成した。その後、アルミナグリーンシ
ートAの一面にPtを含むヒータ用ペーストをスクリー
ン印刷し、ヒータパターン[焼成後、ヒータ111並び
に電力供給源への接続線(図示せず)となる。]を形成
した。
[2] Manufacture of Humidity Sensor Manufacture of the Humidity Sensor of Example 1 (1) Manufacture of an insulating substrate in which a lead wire for output extraction is formed on the surface and a heater and a temperature measuring resistor are disposed inside Alumina A slurry containing powder was prepared, and 400 μm-thick alumina green sheets A, B, C, and D (these were integrally fired to form an insulating substrate 1 by a doctor blade method).
It becomes 1. ) Formed. Thereafter, a paste for the heater containing Pt is screen-printed on one surface of the alumina green sheet A to form a heater pattern [after firing, a connection line (not shown) to the heater 111 and the power supply source]. ] Was formed.

【0033】また、アルミナグリーンシートCの一面
に、Ptを含む測温抵抗体用ペーストをスクリーン印刷
し、測温抵抗体パターン[焼成後、測温抵抗体112並
びに温度検出回路への接続線(図示せず)となる。]を
形成した。更に、アルミナグリーンシートDの一面にP
tを含む出力取り出し線用ペーストをスクリーン印刷
し、感湿層からの出力取り出し用リード線パターン(焼
成後、出力取り出し用リード線121及び141とな
る。)を形成した。
On one surface of the alumina green sheet C, a paste for a temperature measuring resistor containing Pt is screen-printed, and a temperature measuring resistor pattern [after firing, connecting wires to the temperature measuring resistor 112 and the temperature detecting circuit ( (Not shown). ] Was formed. Further, P on the one surface of the alumina green sheet D
The output take-out paste containing t was screen-printed to form an output take-out lead pattern from the moisture-sensitive layer (after firing, the output take-out leads 121 and 141 were formed).

【0034】次いで、1)一面に出力取り出し用リード
線パターンが形成されたアルミナグリーンシートDの他
面と、アルミナグリーンシートCの測温抵抗体パターン
が形成された面、2)アルミナグリーンシートCの他面
と、ヒータパターンと測温抵抗体パターンとの接触をよ
り確実に防止するための絶縁層として積層されるアルミ
ナグリーンシートBの一面、3)アルミナグリーンシー
トBの他面と、アルミナグリーンシートAのヒータパタ
ーンが形成された面、をそれぞれ当接させ、圧着して積
層体とした。その後、1550℃の温度に2時間保持し
て一体に焼成し、内部にヒータと測温抵抗体とが配設さ
れた絶縁基板を作製した。
Next, 1) the other surface of the alumina green sheet D having a lead wire pattern for output extraction formed on one surface thereof, and the surface of the alumina green sheet C having the resistance temperature detector pattern formed thereon, 2) the alumina green sheet C , One surface of an alumina green sheet B laminated as an insulating layer for more reliably preventing contact between the heater pattern and the resistance temperature detector pattern, 3) the other surface of the alumina green sheet B, and alumina green The surface of the sheet A on which the heater pattern was formed was brought into contact with each other and pressed to form a laminate. Then, it was maintained at a temperature of 1550 ° C. for 2 hours and baked integrally, thereby producing an insulating substrate in which a heater and a resistance temperature detector were disposed.

【0035】尚、各々のグリーンシートは、10本の絶
縁基板を作製することができる寸法とし、本数分のヒー
タパターン、測温抵抗体パターン及び出力取り出し用リ
ード線パターンを形成し、上記のようにして積層し、こ
の積層体から個々の未焼成基板を切り出した後、焼成
し、10本の絶縁基板を同時に作製した。
Each of the green sheets has such a size that ten insulating substrates can be manufactured, and a heater pattern, a resistance temperature detector pattern, and a lead wire pattern for output extraction are formed for the number of the green sheets. Then, individual unsintered substrates were cut out from the stacked body, and then fired, thereby simultaneously producing ten insulating substrates.

【0036】(2)感湿層及び検知電極等の形成 以下の〜の工程に従って感湿層及び検知電極等を形
成した。 下部電極の形成 (1)で作製した絶縁基板11の表面に、白金ペースト
を印刷し、厚さ15μm、平面方向の寸法が幅2mm、
長さ2.5mmの下部電極パターンを形成した。その
後、60℃で1時間乾燥させ、1200℃で10分間保
持し、焼成して下部電極12を形成した。
(2) Formation of moisture sensitive layer, sensing electrode, etc. A moisture sensitive layer, sensing electrode, etc. were formed according to the following steps (1) to (3). Formation of Lower Electrode A platinum paste is printed on the surface of the insulating substrate 11 prepared in (1), the thickness is 15 μm, the width in the plane direction is 2 mm,
A lower electrode pattern having a length of 2.5 mm was formed. Then, it dried at 60 degreeC for 1 hour, hold | maintained at 1200 degreeC for 10 minutes, and baked, and the lower electrode 12 was formed.

【0037】感湿層の形成 で形成した下部電極の表面に、Al23粉末に、所定
量のTiO2粉末とSnO2粉末とを配合した混合粉末を
含む感湿層用ペーストを印刷し、1200℃で2時間保
持し、焼成して厚さ30μm、平面方向の寸法が幅、長
さともに2.5mmの感湿層13を形成した。
On the surface of the lower electrode formed by the formation of the moisture-sensitive layer, a paste for a moisture-sensitive layer containing a mixed powder obtained by mixing a predetermined amount of TiO 2 powder and SnO 2 powder with Al 2 O 3 powder was printed. This was held at 1200 ° C. for 2 hours and fired to form a moisture-sensitive layer 13 having a thickness of 30 μm and a width and a length of 2.5 mm in a plane direction.

【0038】上部電極の形成 で形成した感湿層の表面に白金ペーストを印刷し、厚
さ15μm、平面方向の寸法が幅2mm、長さ2.5m
mの上部電極パターンを形成した。同時に感湿層の一側
縁面から絶縁基板の表面に渡って、上部電極と出力取り
出し用リード線141との導通確保のためのパターンを
印刷し、次いで、60℃で1時間乾燥させ、1200℃
で10分間保持し、焼成して上部電極14等を形成し、
湿度センサを製造した。
A platinum paste was printed on the surface of the moisture-sensitive layer formed in the step of forming the upper electrode, and the thickness in the plane direction was 15 mm, the width in the plane direction was 2 mm, and the length was 2.5 m.
m of upper electrode patterns were formed. At the same time, a pattern for ensuring conduction between the upper electrode and the output lead wire 141 is printed from one side surface of the moisture sensitive layer to the surface of the insulating substrate, and then dried at 60 ° C. for 1 hour, and dried at 1200 ° C. ° C
For 10 minutes and fired to form the upper electrode 14 and the like,
A humidity sensor was manufactured.

【0039】実施例2の湿度センサの製造 実施例1の湿度センサの製造の場合と同様にして作製し
た絶縁基板の表面に、白金ペーストを印刷し、櫛型電極
パターンを形成した。これを乾燥し、焼成して櫛型電極
を形成した後、この櫛型電極の表面に実施例1の湿度セ
ンサの製造におけると同じ感湿層用ペーストを印刷し、
焼成して感湿層を形成した他は、実施例1の場合と同様
にして湿度センサを製造した。このようにして2種類の
本発明の湿度センサを製造した。また、ペレット成形法
により形成された厚さ400μmの感湿層とした他は、
実施例1と同様にして比較例1の湿度センサを製造し
た。
Manufacture of the Humidity Sensor of Example 2 A platinum paste was printed on the surface of the insulating substrate manufactured in the same manner as in the manufacture of the humidity sensor of Example 1 to form a comb-shaped electrode pattern. After drying and firing to form a comb-shaped electrode, the same moisture-sensitive layer paste as in the manufacture of the humidity sensor of Example 1 was printed on the surface of the comb-shaped electrode,
A humidity sensor was manufactured in the same manner as in Example 1 except that a moisture-sensitive layer was formed by firing. Thus, two kinds of humidity sensors of the present invention were manufactured. Also, except for a moisture-sensitive layer having a thickness of 400 μm formed by a pellet molding method,
A humidity sensor of Comparative Example 1 was manufactured in the same manner as in Example 1.

【0040】[3」湿度センサの性能評価 (1)初期特性の評価 [2]で製造した本発明の湿度センサ及び比較用の湿度
センサの感湿特性及び応答特性を分流法(JIS Z
8806に準ずる。図8参照)により評価した。これ
は、感湿層の厚さにより各々の特性がどの程度変化する
かを評価するために行ったものである。評価条件は下記
のとおりである。
[3] Performance Evaluation of Humidity Sensor (1) Evaluation of Initial Characteristics The humidity sensitivity characteristics and the response characteristics of the humidity sensor of the present invention and the comparative humidity sensor manufactured in [2] are measured by a flow dividing method (JIS Z).
8806. (See FIG. 8). This was performed to evaluate how much each characteristic changes depending on the thickness of the moisture-sensitive layer. The evaluation conditions are as follows.

【0041】感湿特性(実施例1及び比較例1の湿度
センサ) 評価ガスとして空気を使用し、温度20℃、相対湿度1
0、20、40、60、80及び90%の条件でセンサ
出力を測定した。結露した水を除去するためセンサを加
熱し、抵抗値が安定した後、各々の湿度におけるセンサ
抵抗を測定し、評価した。結果を図3に示す。
Humidity Sensitivity (Humidity Sensors of Example 1 and Comparative Example 1) Air was used as an evaluation gas at a temperature of 20 ° C. and a relative humidity of 1
The sensor output was measured under the conditions of 0, 20, 40, 60, 80 and 90%. After the sensor was heated to remove dewed water and the resistance was stabilized, the sensor resistance at each humidity was measured and evaluated. The results are shown in FIG.

【0042】応答特性(実施例1、実施例2及び比較
例1の湿度センサ) 評価ガスとして空気を使用し、温度20℃、相対湿度を
20〜80%の間で変化させ、センサ出力を測定した。
結露した水を除去するためセンサを加熱し、抵抗値が安
定した後、湿度を変化させ、それにともなう抵抗値の変
化を測定し、評価した。結果を表1、図4及び図5に示
す。図4及び図5において、縦軸は、抵抗値を基に湿度
換算したセンサ出力値であり、応答特性は63.2%応
答時の応答時間により比較した。
Response Characteristics (Humidity Sensors of Examples 1, 2 and Comparative Example 1) Air was used as an evaluation gas, the temperature was changed to 20 ° C., and the relative humidity was changed between 20 to 80%, and the sensor output was measured. did.
The sensor was heated to remove the dew condensation water, and after the resistance value was stabilized, the humidity was changed, and the change in the resistance value was measured and evaluated. The results are shown in Table 1, FIG. 4 and FIG. 4 and 5, the vertical axis represents the sensor output value converted into humidity based on the resistance value, and the response characteristics were compared based on the response time at 63.2% response.

【0043】[0043]

【表1】 [Table 1]

【0044】図3によれば、実施例1と比較例1の湿度
センサの感湿特性はほぼ同様であるが、実施例1のセン
サではセンサ抵抗を約1/30程度に低減し得ることが
分かる。また、表1、図4及び図5によれば、応答時間
は、実施例1及び実施例2の湿度センサでは1秒を少し
越える程度であり、優れた応答性を有する。一方、比較
例1の湿度センサでは応答時間は9秒近くであり、感湿
層が厚いことにより応答性が大きく劣っていることが分
かる。
According to FIG. 3, the humidity sensor of the first embodiment and the humidity sensor of the comparative example 1 have almost the same humidity sensitivity, but the sensor of the first embodiment can reduce the sensor resistance to about 1/30. I understand. According to Table 1, FIG. 4 and FIG. 5, the response time of the humidity sensors of Examples 1 and 2 is slightly more than 1 second, and has excellent responsiveness. On the other hand, the response time of the humidity sensor of Comparative Example 1 was close to 9 seconds, and it can be seen that the response was significantly poor due to the thick moisture-sensitive layer.

【0045】(2)感湿層の厚さと応答性の相関(実施
例1) 実施例1の湿度センサを使用し、(1)、と同様にし
て感湿層の厚さと応答性の相関を評価した。結果を図6
に示す。図6によれば、感湿層が薄層になるとともに応
答性が向上し、感湿層の厚さが100μm以下では応答
時間が2秒以下になり、優れた応答性を有することが分
かる。このように感湿層が薄くなるとともに応答性は向
上するが、前記のように過度に薄いと上下の電極間で短
絡する等の問題が生ずるため、感湿層の厚さはこれらを
勘案して設定することが好ましい。
(2) Correlation between Humidity Sensing Layer Thickness and Responsiveness (Example 1) Using the humidity sensor of Example 1, the correlation between the thickness of the moisture sensitive layer and the responsiveness was determined in the same manner as in (1). evaluated. Fig. 6 shows the results.
Shown in According to FIG. 6, the response is improved as the moisture-sensitive layer becomes thinner, and when the thickness of the moisture-sensitive layer is 100 μm or less, the response time becomes 2 seconds or less, indicating that the device has excellent response. As described above, the response is improved as the moisture-sensitive layer becomes thinner. However, if the thickness is excessively thin as described above, a problem such as a short circuit between the upper and lower electrodes occurs. It is preferable to set it.

【0046】[0046]

【発明の効果】本発明によれば、被測定雰囲気が、酸素
濃度が低い、還元性ガスを含む、高温である、或いはガ
スの流量、流速等が大きく変化する等であっても、出力
が安定しており、優れた耐久性を有する湿度センサとす
ることができる。また、このようなセンサを特定の材
料、装置、操作等を要することなく、従来と同様の材
質、製法等により得ることができる。この湿度センサ
は、車両等の排気管、或いは燃料電池の電極などの特定
の雰囲気における湿分の検知に特に有用である。
According to the present invention, even if the atmosphere to be measured has a low oxygen concentration, contains a reducing gas, is at a high temperature, or has a large change in gas flow rate, flow rate, etc., the output can be reduced. The humidity sensor is stable and has excellent durability. Further, such a sensor can be obtained by the same material, manufacturing method, and the like as before, without requiring a specific material, device, operation, or the like. The humidity sensor is particularly useful for detecting moisture in a specific atmosphere such as an exhaust pipe of a vehicle or an electrode of a fuel cell.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(a)は、感湿層の上下面に電極を形成した形
態の湿度センサを模式的に示す斜視図である。(b)
は、(a)のA−A’における断面図である。
FIG. 1A is a perspective view schematically showing a humidity sensor in which electrodes are formed on upper and lower surfaces of a moisture-sensitive layer. (B)
FIG. 3A is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG.

【図2】(a)は、絶縁基板上に形成された櫛型電極を
模式的に示す斜視図である。(b)は、更に感湿層が積
層された湿度センサを模式的に示す斜視図である。
(c)は、(b)のA−A’における断面図である。
FIG. 2A is a perspective view schematically showing a comb-shaped electrode formed on an insulating substrate. (B) is a perspective view schematically showing a humidity sensor on which a moisture sensitive layer is further laminated.
(C) is a cross-sectional view along AA 'of (b).

【図3】相対湿度に対するセンサ抵抗の変化を、実施例
と従来例の場合を比較して示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a change in sensor resistance with respect to relative humidity in a case where an embodiment and a conventional example are compared.

【図4】湿度換算したセンサ出力値により表わされる応
答特性を、実施例と従来例の場合を比較して示すグラフ
である。
FIG. 4 is a graph showing response characteristics represented by humidity-converted sensor output values in comparison between the embodiment and the conventional example.

【図5】図4の応答時間が短い領域を拡大して示すグラ
フである。
FIG. 5 is an enlarged graph showing a region where the response time is short in FIG. 4;

【図6】湿度換算したセンサ出力値により表わされる応
答特性と、感湿層の厚さとの相関を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing a correlation between a response characteristic represented by a humidity-converted sensor output value and a thickness of a moisture-sensitive layer.

【図7】感湿層内における被測定ガスの拡散を模式的に
示す説明図である。
FIG. 7 is an explanatory view schematically showing diffusion of a gas to be measured in a moisture-sensitive layer.

【図8】分流法により湿度センサの初期特性等を評価す
るために用いた装置の概略を示す模式図である。
FIG. 8 is a schematic diagram showing an outline of an apparatus used for evaluating initial characteristics and the like of a humidity sensor by a split flow method.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1;湿度センサ、11;絶縁基板、111;ヒータ、1
12;測温抵抗体、12;下部電極、13;感湿層、1
4;上部電極、15;櫛型電極、121、141、15
1、152;各々の電極に接続された出力取り出し用リ
ード線、2;空気ボンベ、31;マスフロー(ウェッ
ト)、32;マスフロー(ドライ)、4;恒温水槽、5
1、第1飽和槽、52;第2飽和槽、6;評価槽、7;
温湿度検定器。
1; humidity sensor, 11; insulating substrate, 111; heater, 1
12; RTD, 12; lower electrode, 13; moisture sensitive layer, 1
4; upper electrode, 15; comb-shaped electrode, 121, 141, 15
1, 152; output lead wire connected to each electrode, 2; air cylinder, 31; mass flow (wet), 32; mass flow (dry), 4;
1, first saturation tank, 52; second saturation tank, 6; evaluation tank, 7;
Temperature and humidity tester.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 昇 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 (72)発明者 大島 崇文 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 Fターム(参考) 2G046 AA09 BA01 BB02 BC03 BC05 BE03 EA02 EA04 EA08 EA09 EA11 FB02 FE03 FE10 FE19 FE20 FE23 FE31 FE38 FE39 FE44 FE45 FE49 5H027 AA02 KK41 KK51  ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Noboru Ishida 14-18 Takatsuji-cho, Mizuho-ku, Nagoya-shi Inside Japan Specialty Ceramics Co., Ltd. F term (for reference) 2G046 AA09 BA01 BB02 BC03 BC05 BE03 EA02 EA04 EA08 EA09 EA11 FB02 FE03 FE10 FE19 FE20 FE23 FE31 FE38 FE39 FE44 FE45 FE49 5H027 AA02 KK41 KK51

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 絶縁基板、検知電極及び感湿層を備える
湿度センサにおいて、該感湿層は多孔質体であり、厚さ
が200μm以下であることを特徴とする湿度センサ。
1. A humidity sensor comprising an insulating substrate, a sensing electrode, and a moisture-sensitive layer, wherein the moisture-sensitive layer is a porous body and has a thickness of 200 μm or less.
【請求項2】 上記感湿層の厚さが50μm以下である
請求項1記載の湿度センサ。
2. The humidity sensor according to claim 1, wherein said moisture-sensitive layer has a thickness of 50 μm or less.
【請求項3】 上記検知電極は貴金属を主成分とし、上
記感湿層より平均孔径の大きい多孔質体からなる請求項
1又は2に記載の湿度センサ。
3. The humidity sensor according to claim 1, wherein the detection electrode is made of a porous material containing a noble metal as a main component and having a larger average pore diameter than the moisture-sensitive layer.
【請求項4】 上記検知電極は下部電極と上部電極とか
らなり、上記絶縁基板上に該下部電極が積層され、該下
部電極の全面に上記感湿層の一面が積層され、該感湿層
の他面の該下部電極に対向する位置に上記上部電極が積
層されている請求項1乃至3のいずれか1項に記載の湿
度センサ。
4. The sensing electrode comprises a lower electrode and an upper electrode, the lower electrode is laminated on the insulating substrate, and one surface of the moisture-sensitive layer is laminated on the entire surface of the lower electrode. The humidity sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the upper electrode is stacked on a surface of the other surface facing the lower electrode.
【請求項5】 上記検知電極の平面形状は櫛型であり、
上記絶縁基板上に該検知電極が積層され、該検知電極の
全面に上記感湿層が積層されている請求項1乃至3のい
ずれか1項に記載の湿度センサ。
5. The planar shape of the detection electrode is comb-shaped,
The humidity sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the detection electrode is laminated on the insulating substrate, and the moisture-sensitive layer is laminated on the entire surface of the detection electrode.
【請求項6】 上記絶縁基板の内部にヒータが配設され
た請求項1乃至5のいずれか1項に記載の湿度センサ。
6. The humidity sensor according to claim 1, wherein a heater is provided inside the insulating substrate.
【請求項7】 上記絶縁基板の内部に測温抵抗体が配設
された請求項1乃至6のいずれか1項に記載の湿度セン
サ。
7. The humidity sensor according to claim 1, wherein a temperature measuring resistor is provided inside the insulating substrate.
【請求項8】 上記ヒータ及び上記測温抵抗体が、上記
絶縁基板の内部において上記感湿層の直下に配設されて
いる請求項7記載の湿度センサ。
8. The humidity sensor according to claim 7, wherein the heater and the resistance temperature detector are disposed directly below the moisture-sensitive layer inside the insulating substrate.
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