JP3112180B2 - 湿度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】 本発明は、湿度センサに係り、特に結露
の影響を防ぎ、高精度の湿度検出を行うようにした湿度
センサのセンサ構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、氷温高湿度環境とよばれる−５〜
０°Ｃ，８０〜１００％での食品保存技術が注目されて
いる。

【０００３】食品保存環境としては、温度と湿度が大き
な役割を果たすため、温度と湿度とを高精度に検出し、
その検出値に応じた制御を行う必要がある。

【０００４】一般に室温下におかれた氷温保存庫におけ
る湿度の検出は、高分子膜あるいはセラミックなどから
なる感湿膜に水分子が吸着することによる電気抵抗ある
いは容量変化を検出する湿度センサが用いられている。

【０００５】しかしながら、このようなセンサは氷温環
境で使用した場合、保存庫のドアの開閉時における外気
導入時に結露し、その後数十分は湿度計測が不可能とな
るという問題があった。さらにこのような結露サイクル
の繰り返しによりセンサの特性が劣化するという問題が
あった。このため氷温保存庫には湿度センサが設置され
ておらず庫内の湿度検出は不可能な状態であった。

【０００６】このように従来の湿度センサは、氷温高湿
度環境に用いると結露により正確な湿度検出を行うこと
ができず、また、正確な湿度検出をしようとすると、ド
アの開閉による外気の導入に起因する結露が消失するま
で待たねばならない。

【０００７】そこで、本発明者は、結露の影響を受ける
ことなく、氷温高湿度環境で湿度検出を高精度に連続し
て行うことを目的とし、湿度検出手段の周辺のみを局所
的に加熱する加熱手段を配設し、所定温度以上に加熱し
ながら測定すべき環境の湿度を検出すると共に、この湿
度検出手段の周辺温度と、環境温度とを測定しこれらの
値と検出湿度とから湿度を検出するようにした湿度検出
装置を提案している（特願平２−２３９３００号）。

【０００８】この湿度検出装置は、例えば図３に示すよ
うに、熱的に絶縁性の高い厚さ１mm縦５mm横１５mmの石
英からなる基板１０１の上に膜厚０．１μm の窒化チタ
ン（ＴｉＮ）薄膜からなるヒータ１０２を設置し、絶縁
膜としての窒化アルミニウム（ＡｌＮ）１０６を介し
て、この上層に第１の温度センサ１０３およびプラチナ
薄膜からなる下部電極１４１と、ポリイミド膜からなる
感湿膜１４２と、金からなる上部電極から構成され、湿
度による感湿膜１４２の容量変化を電極１４１から取り
出すようにした湿度センサ１０４を並設するとともに、
これらのセンサと離間して石英基板１０１上に第２の温
度センサ１０５を配設している。

【０００９】この構成によれば、湿度検出手段の周辺の
みを局所的に所定温度以上に加熱した状態で湿度検出を
行うようにしているため、外気が入ってきた場合にも、
即時に結露のない状態で湿度を測定することが可能とな
る上、結露のない状態で湿度を測定しているため、セン
サ自体の劣化を防止することができる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このセ
ンサ構造では、ＴｉＮ薄膜からなるヒータ上に絶縁膜を
介して温度センサおよび湿度センサが形成されているた
め、温度センサや湿度センサの作成時に下地のヒータや
絶縁膜が破壊されやすいという問題があった。

【００１１】また、湿度センサの電極とヒータとの間に
寄生容量が発生し、測定精度が低下したりするという問
題があった。

【００１２】本発明は前記実情に鑑みてなされたもの
で、測定精度および応答性が高く長寿命の湿度センサを
提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、湿度
センサおよび温度センサを囲むように、これらと同一表
面上に加熱手段を配設し、これらの周辺のみを局所的に
加熱するようにしたことを特徴とする。

【００１４】すなわち、本発明は、所定温度以上に加熱
しながら湿度を検出し、環境温度に基づいて換算するこ
とにより、結露の影響を防止しつつ高精度の湿度測定を
行うもので、基板表面に、湿度を検出する湿度検出手段
と、湿度検出手段の周辺温度を検出する第１の温度検出
手段とを配設するとともに、さらにこれら湿度検出手段
および第１の温度検出手段を囲むようにこの基板表面に
加熱手段を配設し、湿度検出手段および第１の温度検出
手段の周辺を局所的に所定温度以上に加熱するように
し、湿度検出手段の出力を、第１の温度検出手段の出力
および環境温度を検出する第２の温度検出手段の出力と
に基づいて換算し、湿度を検出するようにしている。

【００１５】

【作用】上記構成によれば、ヒータは、湿度検出手段お
よび温度検出手段の下側ではなく、湿度検出手段および
温度検出手段の周りに設置されているため、湿度検出手
段および温度検出手段との間に寄生容量を生起すること
もない。また、湿度検出手段および温度検出手段の作成
時にヒータや絶縁膜が破壊されたりすることもないた
め、測定精度が良好でかつ信頼性の高い湿度センサを得
ることができる。

【００１６】また、図３に示したものと同様、湿度検出
手段の周辺のみを局所的に所定温度以上に加熱した状態
で湿度検出を行うようにしているため、外気が入ってき
た場合にも、即時に結露のない状態で湿度を測定するこ
とが可能となる。

【００１７】また、結露のない状態で湿度を測定してい
るため、センサ自体の劣化を防止することができる。

【００１８】また、常に連続して湿度の測定を行うこと
ができる。

【００１９】この加熱手段の加熱温度は、外気などにふ
れた場合にも結露を生じない程度の温度とするのが望ま
しい。例えば、食品貯蔵庫の場合には室温程度に加熱す
る加熱手段を用いれば良い。

【００２０】

【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照しつ
つ詳細に説明する。

【００２１】第１図(a) および第１図(b) は本発明の第
１の実施例の湿度センサを示す図である。

【００２２】この湿度センサは、氷温保存庫内の湿度検
出のために設置されるもので、熱的に絶縁性の高い厚さ
１mm縦５mm横１５mmの石英からなる基板１と、この上に
並設された第１の温度センサ３および湿度センサ４と、
これらのセンサを囲むように形成されたプラチナ（Ｐ
ｔ）パターンを抵抗パターンとして用いたヒータ２と、
これらのセンサとやや離間して石英基板１上に配設され
た第２の温度センサ５とから構成されている。

【００２３】この湿度センサ４は、石英基板１上に、プ
ラチナ薄膜で構成された２つの下部電極４１ａ，４１ｂ
と、ポリイミド膜からなる感湿膜４２と、金薄膜で構成
された上部電極４３とが順次積層されて構成されてお
り、湿度による感湿膜４２の容量変化を電極４１ａと４
１ｂとから取り出すようにしたものである。

【００２４】また、第１の温度センサ３は、プラチナ
（Ｐｔ）パターンからなるミアンダ状の抵抗パターン３
２からなり、温度変化に基づく抵抗値の変化から温度を
検出するものである。

【００２５】さらにまた、第２の温度センサ５は、第１
の温度センサ３および湿度センサ４から離間して基板１
の上に直接形成された、プラチナ（Ｐｔ）パターンから
なるミアンダ状の抵抗パターンからなり、前記第１の温
度センサ３と同様、温度変化に基づく抵抗値の変化から
温度を検出するものである。

【００２６】次に、この湿度センサを用いた湿度の測定
について説明する。

【００２７】湿度センサ４、第１の温度センサ３および
第２の温度センサ５の出力をそれぞれ測定する。

【００２８】これらの各測定値をそれぞれａ（％Ｒ．
Ｈ．），ｂ（℃）（室温程度），ｃ（℃）とする。

【００２９】そしてまず、第２図に示すように各温度に
おける飽和水蒸気量曲線を求めておく。ここで縦軸は飽
和水蒸気量（ｇ／ m³ ）、横軸は温度（℃）とした。温
度ｂ，ｃのときの飽和水蒸気量をそれぞれＢ，Ｃとする
と、第１の温度センサおよび湿度センサの置かれている
ヒータ２上の水蒸気量ｘ（ｇ／ m³ ）は、次式（１）で
求められる。

【００３０】 ｘ（ｇ／ m³ ）＝ａ×Ｂ／１００……（１） この後、庫内温度すなわち第２の温度センサの出力ｃに
おける飽和水蒸気量Ｃとの比を求めることにより湿度ｙ
（％Ｒ．Ｈ．）を求めることができる。

【００３１】 ｙ（％Ｒ．Ｈ．）＝ｘ／Ｃ×１００ ＝ａ×Ｂ／Ｃ……（２） このようにして極めて容易かつ高精度に氷温下での湿度
を求めることができる。ここで、ヒータが温度センサを
囲む領域Ｒ１と、ヒータが湿度センサを囲む領域Ｒ２の
面積とを同一にしておくようにすれば、それぞれの領域
内で温度分布が生じても２つのセンサ領域Ｒ１，Ｒ２の
平均温度は等しくなる。

【００３２】また、ヒータは、湿度センサおよび温度セ
ンサの下層ではなく、湿度センサおよび温度センサの周
りに設置されているため、湿度センサおよび温度センサ
との間に寄生容量を生起することもない。したがって、
測定容量はセンサ容量のみであるため、応答性が良好で
ある上、測定精度が良好である。また、湿度センサおよ
び温度センサの作成時にヒータや絶縁膜が破壊されたり
することもないため、信頼性の高い湿度センサを得るこ
とができる。

【００３３】さらに、従来の湿度センサの場合、湿度セ
ンサの下部電極形成工程、感湿膜の形成工程および上部
電極の形成工程に加え、ヒータとしてのＴｉＮ薄膜の形
成工程および絶縁膜の形成工程が必要であったが、本発
明の構造ではヒータは湿度センサの下部電極の形成と同
一工程で形成でき、また層間膜としての絶縁膜の形成は
不要となるため、工数が５工程から３工程に低減され、
製造が極めて容易となる。なお、ヒータの発熱量につい
ては、パターンの幅および長さを調整することにより、
適宜設定することができる。

【００３４】また、結露がないため、ドアの開閉を行っ
た場合でも直ぐに、連続して測定を実行することができ
る上、センサの劣化を防止することができる。

【００３５】また、ヒータを配設しない従来方式の湿度
センサを用いた場合、ドアを開閉したのち５０分程度経
過しないと結露が消えないため、結露による湿度上昇に
より精度良く湿度測定を行うことができなかったが、本
発明によれば、ドアの開閉直後にも精度良く湿度検出を
行うことができ、常に高精度の検出を行うことが可能と
なる。

【００３６】さらにまた、上記構成によれば、全て薄膜
技術で形成することができるため、大幅な小形化をはか
ることができる。また、前記実施例では示していない
が、演算回路等の周辺回路をも集積化するようにすれ
ば、さらなる小形化をはかることができる。

【００３７】なお、湿度センサとしては容量変化型セン
サを用いたが、抵抗変化型センサを用いても良く、また
高温領域で使用する場合にはＡｌ₂ Ｏ₃ 系のセラミック
スを用いるようにしてもよい。そしてまたこれらの感湿
抵抗膜の材質あるいは絶縁性薄膜の材質等については適
宜変更可能である。

【００３８】また前記実施例では、すべてのセンサを薄
膜で形成し、モノリシックに形成したが、第２の温度セ
ンサについては、適宜チップ化し、ハイブリッドに形成
するようにしてもよい。

【００３９】さらにヒータの形状としては実施例に限定
されることなく、適宜変形可能である。ただし、第１の
領域と第２の領域とでヒータ形状が対称となるように形
成するのが望ましいが、各領域の平均温度が等しくなる
ようにすれば、非対称でもよい。

【００４０】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、湿度検出手段および温度検出手段を囲むように、こ
れらと同一表面上に加熱手段を配設し、これらの周辺の
みを局所的に加熱するようにし、湿度検出手段の周辺を
所定温度以上に加熱した状態で湿度検出を行うようにし
ているため、寄生容量もなくかつ作成時における加熱手
段の破壊もなく、常に結露のない状態で長期にわたって
湿度を測定することができ、常に応答性よくかつ高精度
の湿度検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明実施例の湿度センサを示す図

【図２】同湿度センサでの測定のために用いられる飽和
水蒸気量曲線を示す図

【図３】従来例の湿度センサを示す図

【符号の説明】

１ 基板 ２ ヒータ ３ 第１の温度センサ ４ 湿度センサ ５ 第２の温度センサ ３２ 抵抗パターン ４１ 下部電極 ４２ 感湿膜 ４３ 上部電極 １０１ 基板 １０２ ヒータ １０３ 第１の温度センサ １０４ 湿度センサ １０５ 第２の温度センサ １０６ 絶縁膜

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板表面に形成され、湿度を検出する湿
   度検出手段と、 前記湿度検出手段に近接して前記基板表面上に配設さ
   れ、前記湿度検出手段の周辺温度を検出する第１の温度
   検出手段と、 前記湿度検出手段および前記第１の温度検出手段を囲む
   ように前記基板表面に形成され、前記湿度検出手段の周
   辺および前記第１の温度検出手段の周辺を局所的に所定
   温度以上に加熱する加熱手段とを具備したセンサ本体部
   と、 前記センサ本体部の設置された環境の温度を検出する第
   ２の温度検出手段とを具備し、 前記湿度検出手段の出力を、前記第１の温度検出手段の
   出力と、前記第２の温度検出手段の出力とに基づいて換
   算し、測定すべき環境の湿度を測定するようにしたこと
   を特徴とする湿度センサ。