JP2003172721A - ポリマータイプの湿度センサ - Google Patents

ポリマータイプの湿度センサ

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JP2003172721A JP2002244215A JP2002244215A JP2003172721A JP 2003172721 A JP2003172721 A JP 2003172721A JP 2002244215 A JP2002244215 A JP 2002244215A JP 2002244215 A JP2002244215 A JP 2002244215A JP 2003172721 A JP2003172721 A JP 2003172721A
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Jong-Chul Shon
鐘哲 孫
Jung-Eui Hoh
政義 許
Keun-Seuk Oh
根錫 呉
Won-Woo Lee
源雨 李
So-Hyun Lee
昭顯 李
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Samsung Electronics Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電子レンジ及びその製造方法に応用されるポ
リマータイプ(Polymer-Type)湿度センサを提供する。 【解決手段】 電子レンジで使用するためのポリマータ
イプ湿度センサはゴムと予め設定された量の炭素で構成
される重合体構造物を有し、また該重合体構造物に連結
される一対の電極を有する。本発明に係るポリマータイ
プ湿度センサは早い応答速度と耐久性、優れた粘着性、
低いヒステリシス、高温と高い相対湿度に露出された場
合の高い安定性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は湿度センサに係り、
特に電子レンジ及びその製造方法に応用されるポリマー
タイプ(Polymer-Type)湿度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】センサはマイクロプロセッサに多様な情
報を提供し、マイクロプロセッサはこの情報を処理して
ユーザに有用な情報を提供する。広範であり多様な情報
がコンピュータとマイクロプロセッサにより処理され人
または機械のような受領者/ユーザに伝達される。しか
し、コンピュータで使用するための基本的な情報を感知
して検出することを基本目的とするセンサ技術は高い複
雑性のためコンピュータ技術や通信技術に比べて相当に
遅れている。このため、センサは多様なシステムを機能
的に改善するのに大きな障害要素になった。
【0003】湿度は共通環境に対する一般変数である
が、この湿度を制御することは精密製造業、繊維、食
品、電子産業のような多様な分野において極めて重要な
ものとして認識される。
【0004】電子レンジでは調理される食品の調理また
は加熱状態を監視するために赤外線温度センサや気体セ
ンサ、湿度センサなどが使用される。赤外線温度センサ
は他のセンサに比べて高い精度を有するが、高価で容器
の形態によりエラーを誘発する場合がある。気体センサ
は赤外線温度センサよりは低廉であるが、多種の食品に
応じて発生する多種の気体のうち所望の気体を選択的に
感知できず、これは単一食品の場合も同様である。これ
とは違って、湿度センサのコストは相対的に低廉であ
る。また、湿度センサは全類型の食品が加熱される際発
生する水分子や水分を検出してその食品の調理状態を監
視するよう設計される。このような長所のため湿度セン
サは一般目的の電子レンジに極めて広範囲に用いられ
る。
【0005】従来のMgCr-TiO鉱物固溶
体ウェーハを用いた湿度センサがNittaの特許(US4、
080、564)を通して最初に開発された。その後引
き続きTiO-V、MgAl、ZnCr
O-LiZnVO、Alなどを用いたセラミ
ック湿度センサが開発された。その後ポリマー(Polyme
r)を用いた湿度センサが報告された。現在はCMOS技
術の長所を用いた薄膜またはMOSキャパシタ湿度セン
サの開発のために活発な研究活動がなされつつある。セ
ラミックまたは厚膜形湿度センサは相対的に製造が単純
であるが生産性が低く汚れやすく、薄膜またはCMOS
キャパシタ型湿度センサは製造工程が極めて複雑であ
る。
【0006】有機重合体物質は柔軟性と軽さ、耐腐食
性、電気的絶縁性のため数十年以上幅広く使用されてき
た。しかし、有機重合体物質は低硬度と耐久性、そして
無機物質に比べて低い伝導性などのような固有の特性の
ためその使用が制限的であった。しかし、近年は重合体
の照射(irradiation)の発展により重合体の物理的特性
と化学的特性を変化させうるようになった(化学処理と
加熱、X線照射、紫外線及び/または高エネルギー電子
ビームが照射として一般化された)。産業と医療分野に
おいてこのような処理を通して重合体変形、表面コーテ
ィング、熱収縮チューブの生産、熱的及び電気的抵抗を
有する絶縁体、生物医学物質などの数多くの応用分野を
発見した。
【0007】のみならず、重合技術は重合体がその両端
に電気端子を有することができるほどまで発展して、重
合体があたかも抵抗センサのように動作できるようにな
った。重合体の分極はイオンを注入したり乾式工程で強
い外部電界を加えることにより得られるが、これをイオ
ン変形と称する。この技術は、強い電界の印加を要する
高エネルギー照射を通してなされる。高エネルギーイオ
ンビームの照射技術は重合体の伝導性を向上させること
ができ、また通信分野の導波路(waveguide)に適用する
ように発展してきた。
【0008】図1(a)は電子レンジ10で使用される
従来のセラミック湿度センサ4を示した図である。マグ
ネトロン2は高周波電磁波を発生させるが、この電磁波
は食品3を調理することと関連する。セラミック湿度セ
ンサ4は調理途中に食品3から発生する水蒸気(図示せ
ず)を検出してマイコン5に信号を出力し、マイコン5
はマグネトロン2を制御する。一般に、従来のセラミッ
ク湿度センサ4は MgCrO-TiOに基づいた半
導体セラミックで作られる。
【0009】図1(b)はMgCrO-TiOに基
づいた半導体セラミックで作られたセラミック湿度セン
サ4の表面と接触する水蒸気を示した図である。抵抗値
を変わらせるために小さい水滴41がセラミック湿度セ
ンサ4の表面に形成された数多くの吸収孔42を通して
セラミック湿度センサ4に流入されればセンサの抵抗は
減少する。
【0010】湿度センサ4を用いた湿度変化の検出は湿
度センサ4に使用された水分感知物質の電気的抵抗また
はキャパシタンスの変化に基づき、その変化は水分感知
物質に吸収または凝縮される水分により決まる。湿度セ
ンサ4の水分感知物質にはLiClなどの電解質、S
e、Geなどの金属性物質、MgCr、ZnCr
、TiO、SnOなどの焼結された金属酸化
物、Alなどの多孔性金属酸化膜、ナイロンなど
の伝導性微粒子分散型重合体物質、有機または無機重合
体電解質膜が含まれる。
【0011】セラミック物質で作られた湿度センサ4は
広い湿度範囲にわたって湿度検出が可能であり、熱抵抗
特性が極めて優秀である。しかし、この湿度センサ4は
使用された金属酸化物の不安定な特性のため、室内温度
に維持されるよう許容されている場合さえも経時変化を
する。特に、金属酸化物に吸収された水分によって形成
される水酸化物や、水分感知面積の減少を誘発する堆積
物により水分に対する感度が比較的に早く悪化する。こ
のことから、湿度センサを20〜40分毎に400〜4
50℃で加熱して湿度センサそれ自体の機能が回復され
るようにする必要がある。
【0012】のみならず、セラミック物質で作られた湿
度センサ4の感知能力は基本的に吸収孔42を通した水
分の物理的吸収を基にするため、感知装置間のエラーを
減らし難い。また吸込孔のサイズと分布、間隙率などの
微細構造を変えることのみならず、セラミック物質の特
性を変えても信頼できる検出特性がやはり得難い。
【0013】合成樹脂、ナイロンで代表される重合体は
単量体(monomer)と呼ばれる単純な分子の結合を通して
形成される巨大分子で作られる物質である。ポリマータ
イプ湿度センサは湿度を決めるためにセンサの抵抗また
はキャパシタンスの変化量を示すよう設計される。湿度
センサ4に使用された有機重合体の、例えば酢酸セルロ
ース(cellulose acetate)、酢酸酪酸セルロース(cel
lulose acetate butyrate)、ポリエステル(4-vinyl p
yridine)、その他多様な混成重合体などである。しかし
この湿度センサ4に使用された一般の重合体物質は応答
速度が遅く、ヒステリシスが大きく、寿命が縮まる。こ
の短所は高い温度と相対湿度に露出されれば特に酷くな
る。
【0014】セラミック湿度センサとは違って、重合体
電解質膜のような薄膜物質を用いた湿度センサ4は水分
感知物質が有している水分感応性質(hydroscopicity)と
イオン伝導性などの特性を用いる。従って、水分感知特
性は水分感知物質の微細構造よりは物理化学的特性によ
り決定づけられる。
【0015】重合体電解質膜に吸収された水分はイオン
物質の分解を助けて使用可能なイオンの数を増やし、結
局特定抵抗率を大幅に減らす。重合体電解質膜を使用し
た湿度センサ4は吸収された水分量が大気の水分含有量
により可逆的に変わることにより、イオン生成及びそれ
による電気的伝導性の変化を招く現象を用いるものであ
る。
【0016】薄膜物質は再生可能な感度を有するが、そ
れは薄膜物質がその製造条件の影響をほぼ受けないから
である。また、各製品毎に一定した物理的特性を有させ
ることが割合に容易であるが、これは多数個の湿度セン
サ4を同一な基板上で製造できるからである。さらに薄
膜物質はセラミック物質とは違って、湿度センサ4を作
るために特別に高い温度を必要としない。従って、電極
を形成し導線を固定する工程において特別な物質や技術
を必要としない。この長所は周辺回路に集積しやすくな
るのみならず、素子のコストをダウンし小さくて軽く作
られる。しかし、従来の薄膜型湿度センサは複雑な製造
生産構成が要求される。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前述した従来
の技術の問題点を解決するために案出されたもので、そ
の目的は早い応答速度と耐久性、優れた粘着力、低いヒ
ステリシス、低廉なポリマータイプ湿度センサ及びその
製造方法を提供するところにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明に係るポリマータ
イプ湿度センサは、ゴムと炭素で構成され一対の電極が
形成された重合体構造物を備える。このゴムは特殊合成
ゴム(NBR-Acrylic-Nitric Butadiene Rubber)である。
重合体に付加される炭素は10%〜25%の範囲を有す
る。ポリマータイプ湿度センサは500kΩ〜2MΩの
範囲を有する。ポリマータイプ湿度センサは0%と10
0%の相対湿度において2×10Ωと5×10Ωの
インピーダンスを有し、全ての相対湿度範囲にかけたイ
ンピーダンス変化が起こる。ポリマータイプ湿度センサ
の製造方法は、ゴムと炭素を含む混合物を生成し、この
混合物を用いて一対の電極が形成される予め設定された
形態の重合体構造物を形成させる。
【0019】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面に基づき本発
明の望ましい実施形態をさらに詳しく説明する。
【0020】図2は本発明の第1実施形態によるポリマ
ータイプ湿度センサ200の斜視図である。ポリマータ
イプ湿度センサ200は重合体210の予め設定された
位置に電極220を有する。電極220は重合体210
内に離れて挿入される。水分接触面230のような重合
体210の表面はその表面に接触した水分を感知するた
めの水分感知面を提供する。ポリマータイプ湿度センサ
200の重合体210と電極220は応用システムの必
要に応じて予め設定された多様な形態と位置を有する。
【0021】図3は本発明の第2実施例によるポリマー
タイプ湿度センサの斜視図である。
【0022】ポリマータイプ湿度センサ300は重合体
310の両端に互いに対応形成されたブラケット315
を用いて形成される予め設定された形態の外部電極32
0を有する。重合体310の表面、すなわち水分接触面
330は水分が接触する面積を感知できるようにする。
外部電極320とブラケット315が単一部品で構成さ
れたり、外部電極320とブラケット315が別に構成
され外部電極320がブラケット315に結合されるよ
うにすることもできる。
【0023】図4は本発明の第3実施例によるポリマー
タイプ湿度センサの斜視図である。ポリマータイプ湿度
センサ400の重合体410は円筒形を有し、その円筒
の両端に電極420が形成される。円筒形の重合体41
0の表面はその表面に当った水分を感知するための水分
接触面430を提供する。
【0024】図5は本発明の実施例によるポリマータイ
プ湿度センサを採用した電子レンジを示す図である。電
子レンジ500は調理室510とマグネトロン520、
冷却ファン530とを備えて構成される。また、図5に
は食品550から発生した水分540が冷却ファン53
0によりポリマータイプ湿度センサ200のセンサ位置
560側に向けることを示した。食品550を加熱する
と同時にセンサ位置560に置かれたポリマータイプ湿
度センサ200は水分540を検出する。ポリマータイ
プ湿度センサ400に連結されるマイコン(図示せず)は
ポリマータイプの湿度センサ400の抵抗値の変化を検
出し、食品550の残り加熱時間を計算して自動的に電
子レンジ500の動作を止める。センサ位置560は必
ずしも冷却ファン530の反対側に位置する必要はな
く、冷却ファン530の近傍または調理室510から水
分540が排出される他の壁などに位置しても良い。
【0025】本発明の実施例において、ポリマータイプ
湿度センサは0%と100%の相対湿度においてそれぞ
れ2×10Ωと5×10Ωのインピーダンスを有
し、全ての相対湿度範囲にかけたインピーダンス変化が
起こる。また、水分吸収過程(0%RH(relative humi
dity)→100%RH)中の水分感知程度と水分着脱過
程(100%RH→0%RH)中の水分感知程度の差は2
%RH以下に低い。
【0026】イオンの極性(H)を用いれば、ポリマー
タイプ湿度センサは全体湿度範囲にかけて水分の変化に
ついて応答するが、抵抗の変化を通してその応答を表現
する。また、このポリマータイプ湿度センサは製造が容
易であり、サイズを最小化できてコストダウンが可能に
なり、家電製品に集積できる長所を有する。
【0027】ポリマータイプ湿度センサに用いられる本
発明に係る重合体は親水性重合体物質と疎水性重合体物
質の相互結合反応を用いて製造する。さらに具体的には
本発明の重合体は電気的伝導性が向上された天然ゴム化
合物で作られる。具体的に形式は、感知特性の優れた線
形性を有する電子レンジにおける使用に適するようにし
た通り、応用製品の必要に応じて特徴づけられる。例え
ば、本発明に係るポリマータイプ湿度センサ200は天
然ゴムと炭素で構成された混合物であって、500kΩ
〜2MΩの抵抗範囲を有する。ポリマータイプ湿度セン
サ200は電子レンジのような具体的な混合物が用途に
おいて重合体構造物の体積によって10%〜25%の炭
素を含むことを特徴とする。
【0028】ゴムを使用すれば接触端子間の粘着が改善
され、接触端子の酸化が防止され、湿度センサの長期間
にかけた安定性と耐久性の改善がなされる。従って、露
点を移動させることが可能である。また小さくて低廉な
信頼できる湿度センサを生産することが可能になる。
【0029】炭素を使用すれば伝導性が付加されること
により湿度と温度が変わる条件下でも湿度検出特性を安
定化することができる。さらに、炭素はゴムの伝導性を
増やし、機械と電気の接合に必要な互換性のためのイン
ピーダンスと電流及び電圧値の設定が容易である。ま
た、設計された幾何学的形態による物質の抵抗を設定す
ることも容易である。すなわち、物質のインピーダンス
を変えることが容易である。
【0030】また、従来の湿度センサ4に使用された重
合体物質とは違って、本発明の伝導性重合体は早い応答
速度と低いヒステリシス、さらに長寿命のポリマータイ
プ湿度センサ200を提供する。さらに、従来の重合体
物質とは違って、本発明の伝導性重合体は高い温度と高
い相対湿度に露出されても安定的である。
【0031】重合体物質の電気伝導性微粒子分散技術を
用いて製造すれば、本発明のポリマータイプ湿度センサ
は天然ゴムに炭素を収容して抵抗を一定に維持すること
により抵抗値が幾何学的形態により変化しやすくなる。
【0032】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明のポリマータイ
プ湿度センサの湿度感知原理は、センサ膜の表面に形成
された吸収孔を通してこのセンサ膜に物理的に吸収され
る水分子の量で決定されるため、本発明の湿度センサの
特性は吸収孔のサイズと分布、間隙率の微細構造のみな
らず、センサの物質的特性によっても決まる。従って、
本発明のポリマータイプ湿度センサはただ許容範囲内で
だけエラーを誘発して信頼できる動作特性を示す。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)従来のセラミック湿度センサを用いる
電子レンジを示した図である。(b)吸収孔を通して小
さい水滴が流入された従来のセラミック湿度センサ表面
の断面図である。
【図2】 本発明の第1実施例によるポリマータイプ湿
度センサの斜視図である。
【図3】 本発明の第2実施例によるポリマータイプ湿
度センサの斜視図である。
【図4】 本発明の第3実施例によるポリマータイプ湿
度センサの斜視図である。
【図5】 本発明の実施例によるポリマータイプ湿度セ
ンサを採用した電子レンジを示した図である。
【符号の説明】
200 ポリマータイプ湿度センサ 210 重合体 220 電極 300 ポリマータイプ湿度センサ 310 重合体 315 ブラケット 320 外部電極 400 ポリマータイプ湿度センサ 410 重合体 420 電極 430 水分接触面 500 ポリマータイプ湿度センサ 510 調理室 520 マグネトロン 530 冷却ファン 540 水分 550 食品 560 センサ位置
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 呉 根錫 大韓民国京畿道水原市勸善區勸善洞1274 テウォンアパート514−903 (72)発明者 李 源雨 大韓民国京畿道水原市長安區亭子1洞(番 地なし) ハンラビバルディ635−1503 (72)発明者 李 昭顯 大韓民国京畿道水原市八達區忘浦洞486− 8 ドゴファミリータウン7−302 Fターム(参考) 2G046 AA09 BA01 BA08 BA09 BC03 DC14 EA02 EA03 EA04 EB07 FA01 3L086 AA01 BA05 BE11 CB11 CB12 DA17 DA18

Claims (29)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ゴムと炭素を含む予め設定された形態の
    重合体構造物と、 該重合体構造物に接触する一対の電極を含むポリマータ
    イプ湿度センサ。
  2. 【請求項2】 前記重合体構造物に付加される前記炭素
    が10%〜25%の範囲を有する請求項1に記載のポリ
    マータイプ湿度センサ。
  3. 【請求項3】 前記ポリマータイプ湿度センサが500
    kΩ〜2MΩの抵抗範囲を有する請求項1に記載のポリ
    マータイプ湿度センサ。
  4. 【請求項4】 0%と100%の相対湿度においてそれ
    ぞれ2×10Ωと5×10Ωのインピーダンスを有
    し、全ての相対湿度範囲にわたって相対湿度の関数とし
    てインピーダンス変化が起こる請求項1に記載のポリマ
    ータイプ湿度センサ。
  5. 【請求項5】 前記天然ゴムは特殊合成ゴムである請求
    項1に記載のポリマータイプ湿度センサ。
  6. 【請求項6】 前記重合体構造物に付加される前記炭素
    が前記重合体構造物の体積によって10%〜25%の範
    囲を有する請求項5に記載のポリマータイプ湿度セン
    サ。
  7. 【請求項7】 前記湿度センサが500kΩ〜2MΩの
    抵抗範囲を有する請求項6に記載のポリマータイプ湿度
    センサ。
  8. 【請求項8】 0%と100%の相対湿度においてそれ
    ぞれ2×10Ωと5×10Ωのインピーダンスを有
    し、全ての相対湿度範囲にわたって相対湿度の関数とし
    てインピーダンス変化が起こる請求項7に記載のポリマ
    ータイプ湿度センサ。
  9. 【請求項9】 前記電極が前記重合体構造物の予め設定
    した位置に置かれ、前記重合体構造物から外部に延びる
    請求項8に記載のポリマータイプ湿度センサ。
  10. 【請求項10】 前記電極が前記重合体構造物の外面に
    接触する請求項8に記載のポリマータイプ湿度センサ。
  11. 【請求項11】 前記予め設定された形態は湿度を有す
    る気体を接触させるための平面を含む請求項8に記載の
    ポリマータイプ湿度センサ。
  12. 【請求項12】 前記予め設定された形態は湿度を有す
    る気体が接触するようにするための曲面を含む請求項8
    に記載のポリマータイプ湿度センサ。
  13. 【請求項13】 前記予め設定された形態は両端に前記
    電極を有する円筒形である請求項12に記載のポリマー
    タイプ湿度センサ。
  14. 【請求項14】 前記予め設定された形態は縁部に電極
    を有するコイル状である請求項12に記載のポリマータ
    イプ湿度センサ。
  15. 【請求項15】 ポリマータイプ湿度センサの感知構造
    物として動作する重合体構造物において、 天然ゴムと、 該天然ゴムに混合された炭素を含む重合体構造物。
  16. 【請求項16】 前記天然ゴムは特殊合成ゴムである請
    求項15に記載の重合体構造物。
  17. 【請求項17】 前記重合体構造物に付加される前記炭
    素が10%〜25%の範囲を有する請求項16に記載の
    重合体構造物。
  18. 【請求項18】 500kΩ〜2MΩの抵抗範囲を有す
    る請求項17に記載の重合体構造物。
  19. 【請求項19】 0%と100%の相対湿度においてそ
    れぞれ2×10Ωと5×10Ωのインピーダンスを
    有し、全ての相対湿度範囲にわたって相対湿度の関数と
    してインピーダンス変化が起こる請求項18に記載の重
    合体構造物。
  20. 【請求項20】 食品を調理するための電子レンジにお
    いて、 調理室を含む本体と、 前記調理室の内部で前記食品を調理するための加熱装置
    と、 前記加熱装置を冷却する中前記調理室に待機中の空気を
    吸い込む冷却ファンと、 前記調理室から空気を排出させるための排気装置と、 前記食品の調理過程を制御する制御装置と、 ゴムと炭素を有する予め設定された形態の重合体構造部
    と、該重合体構造物と接触する一対の電極を含み、前記
    排気装置に形成され前記排気の湿度に対する情報を得る
    ためのポリマータイプ湿度センサを含む電子レンジ。
  21. 【請求項21】 前記加熱装置を冷却させる間待機中の
    空気を前記調理室に送風するための冷却ファンをさらに
    備えてなる請求項20に記載の電子レンジ。
  22. 【請求項22】 前記混合物を得る段階において前記ゴ
    ムに追加される前記炭素が前記重合体構造物の体積によ
    って10%〜25%の範囲を有する請求項20に記載の
    電子レンジ。
  23. 【請求項23】 前記ポリマータイプ湿度センサが50
    0kΩ〜2MΩの抵抗範囲を有する請求項20に記載の
    電子レンジ。
  24. 【請求項24】 前記ポリマータイプ湿度センサは、0
    %と100%の相対湿度でそれぞれ2×10Ωと5×
    10Ωのインピーダンスを有し、全ての相対湿度範囲
    にわたって相対湿度の関数としてインピーダンス変化が
    起こる請求項20に記載の電子レンジ。
  25. 【請求項25】 前記天然ゴムは特殊合成ゴムである請
    求項22に記載の電子レンジ。
  26. 【請求項26】 ゴムと炭素とからなる重合体構造物
    と、 該重合体構造物の両端にそれぞれ接触される電極を含め
    てなるポリマータイプ湿度センサ。
  27. 【請求項27】 前記重合体構造物は、両端に前記電極
    を有する円筒形であることを特徴とする請求項26に記
    載のポリマータイプ湿度センサ。
  28. 【請求項28】 前記重合体構造物は、両端に前記電極
    を有する角筒形であることを特徴とする請求項26に記
    載のポリマータイプ湿度センサ。
  29. 【請求項29】 前記角筒形の重合体構造物が四角の断
    面を有することを特徴とする請求項28に記載のポリマ
    ータイプ湿度センサ。
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