JP2007163449A - 湿度センサー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサー対数線及び安定性の問題により、金属酸化物類型のようなセンサーが拡がっていない点を改善する湿度センサーを提供する。
【解決手段】少なくとも二本の長方形電極は、各々基板上に形成され、各長方形電極には各第一端子及び第二端子がある。また、少なくとも一対の櫛形電極は、それぞれ少なくとも二つの長方形電極の一端と接触する。湿度センサー膜は、親水性のイオン性高分子化合物を具え、且つ少なくとも一対の櫛形電極上に形成する。製造方法に於いて、（ａ）少なくとも二つの長方形電極は各々第一端子及び第二端子を含む。（ｂ）この基板上には少なくとも一対の相互関係はあるが、相互に接触しない櫛形電極を形成し、且つその櫛形電極は基板上の二つの長方形電極の第一端子と接触する。（ｃ）この櫛形電極を湿度センサー材溶液中に浸し、湿度センサー膜を形成する。そのうち、湿度センサー材は親水性のイオン性高分子化合物を具える。
【選択図】図１

Description

本発明は、湿度センサーに関するもので、親水性を具えたイオン性高分子化合物をセンサー材料とし、更に湿度センサーの製造方法を含むものである。

時代の発展によって、科学技術、農業、紡績、工場、航空、宇宙、電力等の工業部門では、湿度センサーの需要が高まっている。製品の質量に対する要求はより高まり、環境温度、湿度の制御、及び工業材の水分値の監視と分析が標準技術を成す条件の一つである。湿度とは、空気中の水分含量を指し、工業製品にとって良い湿度は０−２０％ＲＨの間である。もしも湿度が２０％ＲＨである場合、薬物、食品、電子半導体等は、変質し始め、３５％ＲＨになると、金属、電子製品等は、酸化もしくは部品の老化が極めて深刻になる。更に６０％ＲＨの高湿度になると、撮影情報光学等の器材及び紙類、紡績品には黴が発生して使用できなくなる。このため、湿度の管理は非常に重要なひとつである。

湿度センサーの基本は、基板上にセンサー材を塗布して湿度センサー膜を形成する。空気中の水蒸気を湿度センサー材が吸うと、部品のインピーダンス、媒体常数に大きな変化が発生し、湿度敏感性部品を形成する。これは、水分が導電性に影響する原理を利用したもので、湿度センサーが作られており、室内の空気の飽和と結露状態の有無を測る。

公知の湿度センサーは、金材質の櫛形電極及び異なる湿度センサー材を使用しており、市場での価格は高い。別の公知の金属酸化物類型のセンサーは、類似のＩＣチップを使用して作られており、その整備過程は大変複雑、且つ材料及び製造工程の費用が非常に高いため、一般に普及できない。

目下高分子材製造工程の応用は、金属酸化物類型のセンサーには及ばないものの、近年来、高分子化合物とＩＣ製造過程の発展は目覚しく、加えてこの類型材は敏感度が高く、コストが低く、製造が簡易であるという長所がある。そのため、高分子式の湿度センサーは、大量且つ迅速に開発されている。例として特許文献１では、多重不飽和ラジカル(radical)の導電性化合物の交差結合物が述べられ、また特許文献２では一種のエトキシシラン改質の2−プロピオンアミドー2−メチルベンゼンスルホン酸(2-propionamide-2-methyl benzene sulfonate)の化合物が提示されているが、これらはすべて高分子材の製造工程が積極的に開発されたものである。

台湾特許公報第５０７０７３号明細書 台湾特許公報第５１０９６５号明細書

目下高分子材の製造過程は、センサー対数線及び安定性の問題により、金属酸化物類型のようなセンサーが拡がっていない点である。

本発明の主な目的は、湿度センサーを提供することで、それは基板、少なくとも二本の長方形電極、少なくとも一対の櫛形電極、湿度センサー膜を含む。そのうち、少なくとも二本の長方形電極は、各々基板上に形成され、各長方形電極には各第一端子及び第二端子がある。また、少なくとも一対の櫛形電極は、それぞれ少なくとも二つの長方形電極の一端と接触する。そして湿度センサー膜は、親水性のイオン性高分子化合物を具え、且つ少なくとも一対の櫛形電極上に形成し、少なくとも二本の長方形電極の第二端子とは接触しない。

本発明の別の目的は、湿度センサーの製造方法を提供することで、そのステップは、（ａ）少なくとも二つの長方形電極を含む基板を提供し、その少なくとも二つの長方形電極は各々第一端子及び第二端子を含む。（ｂ）この基板上には少なくとも一対の相互関係はあるが、相互に接触しない櫛形電極を形成し、且つその櫛形電極は基板上の二つの長方形電極の第一端子と接触する。（ｃ）この櫛形電極を湿度センサー材溶液中に浸し、湿度センサー膜を形成する。そのうち、湿度センサー材は親水性のイオン性高分子化合物を具える。

本発明の湿度センサーは、電気抵抗式の湿度センサーで、環境の変化に応じて対数線を発生する電気抵抗変化で、制御信号に基づき、電器設備、例として除湿装置、冷房空調が環境の相対湿度を調整する。

本発明に適用する基板は、公知のどの基板、例としてセラミック基板、電木基板もしくはガラス繊維板を使用しても良いが、最も良いのは、一対の電極を具えたセラミック基板である。

この電極は、金ゲル、銀ゲルもしくは炭素ゲルの導電材で、特に良いのは銀ゲルで、更に良いのはガラス繊維ゲル系の銀ゲルである。

基板上に形成した櫛形電極材は、公知の如何なる種類の電極用の導電材、例として金ゲル、銀ゲル、炭素ゲルでもよく、良好なのは炭素ゲルである。

本発明の湿度センサー材は、親水性を具えるイオン性高分子化合物例としてスルホン酸基(-SO₃H)、水酸基(-OH)もしくは酸性基(-COOH)イオン等のイオン結合単体から構成される高分子化合物であれば、如何なる種類でもよい。より良いのはスルホン酸を含む化合物で、更に良いのはポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Sodium Polystyrenesulfonate:NaPSS)である。

本発明の製作方法のステップ（ｂ）内での形成方式は、公知の如何なる一種でもよい。比較的良いのはスクリーン印刷に依る形成で、ステップ（ｂ）完成後、ステップ（ｃ）に進む前に、更にステップ（ｂ１）を含む。これは基板を乾かし、ステップ（ｂ）が塗布した導電ゲルを完全に基板上に固定する。また最後のステップ（ｃ）完成後、ステップ（ｃ１）を含み、基板を乾燥させる。

請求項１の発明は、主に基板と、少なくとも一対の櫛形電極と、湿度センサー膜から構成された湿度センサーにおいて、
基板は、少なくとも二つの長方形電極で、それぞれがその基板上で形成され、各長方形電極は第一端子と第二端子を含み、
少なくとも一対の櫛形電極は、各々少なくとも二つの長方形電極の第一端子と接触し、 湿度センサー膜は、親水性のイオン性高分子化合物を含み、且つ少なくとも一対の櫛形電極上に形成し、且つ少なくとも二つの長方形電極の第二端子と接触しないことを特徴とする湿度センサーとしている。
請求項２の発明は、請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記基板は、セラミック基板であることを特徴とする湿度センサーとしている。
請求項３の発明は、請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記少なくとも二つの長方形電極は、銀電極であることを特徴とする湿度センサーとしている。
請求項４の発明は、請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記少なくとも二つの長方形電極の第二端子は、銀電極はんだ付け箇所であることを特徴とする湿度センサーとしている。
請求項５の発明は、請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記櫛形電極は、炭素ゲルを含む電極であることを特徴とする湿度センサーとしている。
請求項６の発明は、請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記櫛形電極は、四対の櫛形電極であることを特徴とする湿度センサーとしている。
請求項７の発明は、請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記湿度センサー材の親水性を具えるイオン性高分子化合物は、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Sodium Polystyrenesulfonate:NaPSS)であることを特徴とする湿度センサーとしている。

請求項８の発明は、湿度センサーの製造方法は、
（ａ）少なくとも二つの長方形電極の基板を含み、その少なくとも二つの長方形電極は第一端子及び第二端子を含み、
（ｂ）基板上には少なくとも一対の相関し、相互に接触しない櫛形電極を形成し、且つその櫛形電極は各々基板上の少なくとも二つの長方形電極の第一端子に接触し、
（ｃ）櫛形電極を湿度センサー材溶液内に浸し、湿度センサー膜を形成し、そのうち、この湿度センサー材は親水性を具えるイオン性高分子化合物を含むことを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。
請求項９の発明は、請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記ステップ（ａ）中の基板は、セラミック基板であることを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。
請求項１０の発明は、請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記長方形電極は、銀電極であることを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。
請求項１１の発明は、請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記少なくとも二つの長方形電極の第二端子は、銀電極はんだ付け箇所であることを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。
請求項１２の発明は、請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記櫛形電極は、炭素ゲルを含む電極であることを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。
請求項１３の発明は、請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記櫛形電極は、四対の櫛形電極であることを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。
請求項１４の発明は、請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記親水性を具えるイオン性高分子化合物は、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Sodium Polystyrenesulfonate:NaPSS)であることを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。
請求項１５の発明は、請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記ステップ（ｂ）は、スクリーン印刷の方式で形成することを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。
請求項１６の発明は、請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記ステップ(ｂ)は、完成後、ステップ（ｃ）へ進む前に更にステップ(ｂ１)を含み、基板を乾かすことを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。
請求項１７の発明は、請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記ステップ（ｃ）は、完成後、更にステップ（ｃ１）を含み、基板を乾かすことを特徴とする湿度センサーの製造方法としている。

本発明の湿度センサーは、センサー対数線及び安定性の問題により、金属酸化物類型のようなセンサーが拡がっていない点を改善するという利点がある。

［整備例］
湿度センサー材の選択は、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Sodium Polystyrenesulfonate:NaPSS)の粉材を選び、水を加えて水溶液とする。これは一種のイオン性高分子化合物で、良好な親水性を具え、水気に当たると、解離する。解離すると、イオンが流動し、導電性が発生する。

銀電極の製作は、スクリーン印刷方式を使用し、ガラス繊維ゲル系の銀ゲルをセラミック基板上にプリントする。再び高温焼結炉内に入れて８５０℃の高温で焼結させ（５０分間の中温段を加え、１０分間の中温段をタイマー）、はんだ付けできる端子の銀電極を形成する。

櫛形電極は、スクリーン印刷方式を使用し、自ら調整した炭素ゲルをセラミック基板上にプリントする。印刷の円形一端は、相互に交差するが、相互に接触しない四対櫛形電極である。別一端は各々銀電極に連接し、赤外線乾燥炉に於いて２３０℃で８分間焼き、固化したら、完成する。

炭素ゲルの製作は、主に変化できるレジスタで厚膜を使用してプリントし、カーボンブラック、石墨、フェノール樹脂、アルコール溶剤を採用し、三回転筒研磨分散機において、分散した後、濃縮精製し、炭素粉25％、フェノール樹脂６５％及びアルコール溶剤１０％の濃度を得る。

湿度センサー材溶液の政策は、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム高分子粉末を純水内に入れ、重量濃度を１．５％〜２％にして、加熱攪拌器で攪拌し、ポリスチレンスルホン酸ナトリウムを完全に水中に溶かす。

本発明の湿度センサーの製作過程は、図１に示すとおりである。
先ず、スクリーン版で銀電極２，３をセラミック基板（Ａｌ₂Ｏ₃）１上にプリントする。図１の(ａ)に示すとおり。そのうち、セラミック基板の厚みは0.635mm、面積は10.4ｘ5.1mmとする。続いてスクリーン印刷方式で、炭素ゲルをセラミック基板上に印刷し、櫛形電極４を形成する。図１の(ａ')のとおり。その後、セラミック基板を超音波洗浄機内の水中へ入れて振動洗浄5分間行う。その後、温風乾燥機内へ入れて乾かす（５０℃、３０分間）。図１の(ｂ)に示すとおり。セラミック基板の櫛形電極４側を湿度センサー材溶液内に約１０分間浸し（櫛形電極４を完全に浸し、銀電極端子はんだ付け箇所３は浸さない）、その後温風乾燥機内で乾かす（５０℃、１０分間）。セラミック基板上には湿度センサー材溶液を浸した箇所に透明の湿度センサー膜５が形成される。図１の(ｃ)に示すとおり。

［湿度センサーの評価］
当湿度センサーを恒温恒湿機内でテストする。温度は２５度に固定し、ＬＣＲ計（１．０Ｖ、１０００Ｈｚに設定）を使用し、湿度センサーの銀電極端子はんだ付け箇所に連接して湿度センサーの電気抵抗値測る。それぞれ湿度２０％、３０％．．．９０％までの湿度センサー電気抵抗値を測る。湿度が湿度センサーの電気抵抗値の対数表内で、電気抵抗値の変化が直線で示される。そのテスト結果は表１に示すとおりで、湿度が３０％、４０％．．．９０％の電気抵抗値を表示し、電気抵抗値の単位は、ＫΩとする。

更に表１内の３０％、４０％．．．９０％の各々の最大値、平均値及び最小値を取り上げた結果が表２に示すもので、それを表に示したものが、図２であり、得た電気抵抗値の対数化である。図２に示すとおり、湿度が高くなると、電気抵抗値は下がる。更にその両者の間の変化は対数線性を示し、良好な対数線性化及び安定性を示す。つまり、返信号制御によって、環境の相対湿度が制御できた。

本発明の第一実施例の整備構造平面図である。 本発明の電気抵抗値と相対湿度テスト結果図である。

符号の説明

１ セラミック基板
２ 銀電極
３ 銀電極端子はんだ付け箇所
４ 櫛形電極
５ 湿度センサー膜

Claims (17)

1. 主に基板と、少なくとも一対の櫛形電極と、湿度センサー膜から構成された湿度センサーにおいて、
   基板は、少なくとも二つの長方形電極で、それぞれがその基板上で形成され、各長方形電極は第一端子と第二端子を含み、
   少なくとも一対の櫛形電極は、各々少なくとも二つの長方形電極の第一端子と接触し、 湿度センサー膜は、親水性のイオン性高分子化合物を含み、且つ少なくとも一対の櫛形電極上に形成し、且つ少なくとも二つの長方形電極の第二端子と接触しないことを特徴とする湿度センサー。
2. 請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記基板は、セラミック基板であることを特徴とする湿度センサー。
3. 請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記少なくとも二つの長方形電極は、銀電極であることを特徴とする湿度センサー。
4. 請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記少なくとも二つの長方形電極の第二端子は、銀電極はんだ付け箇所であることを特徴とする湿度センサー。
5. 請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記櫛形電極は、炭素ゲルを含む電極であることを特徴とする湿度センサー。
6. 請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記櫛形電極は、四対の櫛形電極であることを特徴とする湿度センサー。
7. 請求項１記載の湿度センサーにおいて、前記湿度センサー材の親水性を具えるイオン性高分子化合物は、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Sodium Polystyrenesulfonate:NaPSS)であることを特徴とする湿度センサー。
8. 湿度センサーの製造方法は、
   （ａ）少なくとも二つの長方形電極の基板を含み、その少なくとも二つの長方形電極は第一端子及び第二端子を含み、
   （ｂ）基板上には少なくとも一対の相関し、相互に接触しない櫛形電極を形成し、且つその櫛形電極は各々基板上の少なくとも二つの長方形電極の第一端子に接触し、
   （ｃ）櫛形電極を湿度センサー材溶液内に浸し、湿度センサー膜を形成し、そのうち、この湿度センサー材は親水性を具えるイオン性高分子化合物を含むことを特徴とする湿度センサーの製造方法。
9. 請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記ステップ（ａ）中の基板は、セラミック基板であることを特徴とする湿度センサーの製造方法。
10. 請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記長方形電極は、銀電極であることを特徴とする湿度センサーの製造方法。
11. 請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記少なくとも二つの長方形電極の第二端子は、銀電極はんだ付け箇所であることを特徴とする湿度センサーの製造方法。
12. 請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記櫛形電極は、炭素ゲルを含む電極であることを特徴とする湿度センサーの製造方法。
13. 請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記櫛形電極は、四対の櫛形電極であることを特徴とする湿度センサーの製造方法。
14. 請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記親水性を具えるイオン性高分子化合物は、ポリスチレンスルホン酸ナトリウム(Sodium Polystyrenesulfonate:NaPSS)であることを特徴とする湿度センサーの製造方法。
15. 請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記ステップ（ｂ）は、スクリーン印刷の方式で形成することを特徴とする湿度センサーの製造方法。
16. 請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記ステップ(ｂ)は、完成後、ステップ（ｃ）へ進む前に更にステップ(ｂ１)を含み、基板を乾かすことを特徴とする湿度センサーの製造方法。
17. 請求項８記載の湿度センサーの製造方法において、前記ステップ（ｃ）は、完成後、更にステップ（ｃ１）を含み、基板を乾かすことを特徴とする湿度センサーの製造方法。
    

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