JP3118667B2 - 絶対湿度センサ - Google Patents

絶対湿度センサ

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JP3118667B2
JP3118667B2 JP04050363A JP5036392A JP3118667B2 JP 3118667 B2 JP3118667 B2 JP 3118667B2 JP 04050363 A JP04050363 A JP 04050363A JP 5036392 A JP5036392 A JP 5036392A JP 3118667 B2 JP3118667 B2 JP 3118667B2
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紀久夫 敦賀
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、湿気を含む被検出雰囲
気中と乾燥状態とに置かれる同一特性の第1及び第2の
感熱抵抗素子を備え、湿気の状態に応じてこれらの感熱
抵抗素子間に相対的に発生する抵抗値の差に基づいて湿
度を検出する絶対湿度センサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の絶対湿度センサは、図2
(A)に示す如く、同一特性の2個の感熱抵抗素子1,
2をリード端子としてのピン6を介して異なるステム4
に半田付け、或いは溶接等により固定している。又、感
熱抵抗素子1を固定したステム4には、通気孔5を設け
たキャップ3−1が被せられている。一方、感熱抵抗素
子2を固定したステム4には、極低温(−40℃程度)
条件下にてキャップ3−2が被せられている。即ち、2
つのステム4とキャップ3−1,3−2とは、それぞれ
合わせられ、金属管200を成している。
【0003】これにより、感熱抵抗素子2は乾燥雰囲気
中に封入され、感熱抵抗素子1は大気(外気)の湿気中
に晒された状態を維持する。更に、2つの金属管200
の間は、均熱管13により固定されている。尚、感熱抵
抗素子1は抵抗値RTHに設定されるが、感熱抵抗素子2
の方は抵抗値RT 、固定抵抗R1 ,R2 ,R3 ,保護抵
抗Rs (但し、白金抵抗の如く、正特性の温度特性を持
つ感熱抵抗素子を使用した場合、Rs は不要となる)に
設定される。
【0004】このような2個の感熱抵抗素子1,2を備
えた絶対湿度センサは、図3に示す如く電源による印加
電圧VINを含むホイーストン・ブリッジ回路構成され
る。ここで、RT とRHTとの温度−抵抗特性は等しく、
且つR1 とR2 との抵抗値も等しい。感熱抵抗素子1,
2は、電圧が印加されると自己発熱し、周囲温度よりも
高くなる。このとき、感熱抵抗素子1,2の温度は、自
己発熱の消費に寄与する電力と、自己発熱の熱放散とに
より決定されるが、感熱抵抗素子1は大気中の水蒸気に
よる熱伝導が作用して熱放散が大きくなるため、その温
度は感熱抵抗素子2よりも低くなる。
【0005】これにより、湿気の状態に応じて感熱抵抗
素子1,2間に相対的に発生する抵抗値の差を、固定抵
抗R3 の両端に生じる電位差の出力電圧Vout として得
ることができる。従って、この出力電圧Vout に基づい
て大気(被検出雰囲気)中の絶対湿度を検出することが
できる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上述した従来の絶対湿
度センサの場合、感熱抵抗素子1,2の構成が図2
(B)に示す如く、バルク感熱抵抗体11に電極10を
焼き付けてリード線9を取り付けたり、或いはアルミナ
基板12上に薄膜感熱抵抗8を形成してリード線9を取
り付けたものになっているため、電圧印加時や温度変化
時、更には湿度変化の間においてバルク全体或いはセラ
ミック基板全体の温度が均一になるまでの熱的均衡に時
間がかかり、感熱抵抗素子1,2の抵抗値が不安定にな
り易く、それによってブリッジ・バランスの出力が安定
するまでに長い時間を要し、応答性が悪くなっていると
いう問題がある他、ブリッジ・バランスの出力が安定し
ないことにより湿度検出を高精度に行うことができない
という問題がある。
【0007】本発明は、このような問題点を解決すべく
なされたもので、その技術的課題は、応答性に優れ、常
時安定して高精度に湿度検出を行うことができる絶対湿
度センサを提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、被検出
雰囲気に晒される第1の感熱抵抗素子と、該第1の感熱
抵抗素子と同一の特性を持つと共に、乾燥状態に置かれ
る第2の感熱抵抗素子とを備え、第1及び第2の感熱抵
抗素子のそれぞれは、薄膜感熱抵抗体を高熱伝導率材質
の基板上に成膜した発熱部を含み、被検出雰囲気の状態
に応じて該第1及び第2の感熱抵抗素子間に相対的に発
生する抵抗値の差に基づいて湿度を検出する絶対湿度セ
ンサにおいて、基板は、窒化アルミニウムを材質とする
絶対湿度センサが得られる。
【0009】
【作用】基板の材質を高熱伝導率な窒化アルミニウムと
し、この基板上に薄膜感熱抵抗体を成膜した発熱部をそ
れぞれ湿気,乾燥状態に置かれる感熱抵抗素子に設けて
いる。このような感熱抵抗素子を備える絶対湿度センサ
は、感熱抵抗素子の発熱部が湿気の変化に鋭敏に反応し
て瞬時に熱的均衡が図られるので、使用状態に依らずに
応答性が優れたものとなる。
【0010】
【実施例】以下に実施例を挙げ、本発明の絶対湿度セン
サについて、図面を参照して詳細に説明する。図1
(A)は、本発明の一実施例である絶対湿度センサの概
略構成を示し、同図(B)は、その感熱抵抗素子1,2
の構成を示したものである。
【0011】感熱抵抗素子1は、半田付け、或いは溶接
等によりリード端子としてのピン6を介してステム4に
固定されている。この感熱抵抗素子1には、通気孔5を
設けた金属管のキャップ3−1が被せられている。一
方、感熱抵抗素子2は、半田付け、或いは溶接等により
ピン6を介してステム4に固定されている。この感熱抵
抗素子2には極低温(−40℃程度)条件下にて金属管
のキャップ3−2が被せられている。ここでも2つのス
テム4とキャップ3−1,3−2とは、それぞれ合わせ
られ、2つの金属管200を成している。
【0012】又、2つの金属管200の間,即ち、2つ
のキャップ3−1,3−2の間は、半田16により半田
付けされ、接合されている。これにより、感熱抵抗素子
1は大気中に晒され、感熱抵抗素子2は乾燥空気中に封
入された状態を維持する。尚、感熱抵抗素子1,2は、
それぞれ第1の感熱抵抗素子,第2の感熱抵抗素子と呼
ばれても良い。
【0013】更に、感熱抵抗素子1,2は、図1(B)
に示す如く、金属又はセラミック性の薄膜感熱抵抗体8
を、高熱伝導率材質としての窒化アルミニウム基板7上
に成膜した発熱部100を含むもので、この発熱部10
0は2つの電極板14間に置かれている。尚、これら感
熱抵抗素子1,2においても、感熱抵抗素子1は抵抗値
THであり、感熱抵抗素子2は抵抗値RT 、固定抵抗R
1 ,R2 ,R3 ,保護抵抗Rs (但し、正特性の温度特
性を持つ場合、Rs は不要)である。
【0014】次に、感熱抵抗素子1,2の製造方法につ
いて説明する。先ず、窒化アルミニウム基板7上にスパ
ッタ法により薄膜感熱抵抗体8素材としての薄膜白金を
蒸着し、エッチング法により図1(B)に示す如く薄膜
感熱抵抗体8をパターン形成した後、大気中で800〜
1100℃の温度範囲で熱処理して発熱部100を得
る。引き続き、2つの電極14を薄膜感熱抵抗体8に接
触されるように窒化アルミニウム基板7上に設けた後、
2つの電極14に引き出し用リード線9を接続する。更
に、リード線9,電極14,及び発熱部100上にCV
D又はスパッタ法によりSiO2 やSiN等から成る保
護膜15を成膜して感熱抵抗素子1,2を得る。ここで
保護膜15は、感熱抵抗素子1,2の表面を滑らかにす
るように成膜されるものである。その後、上述した如
く、感熱抵抗素子1,2をそれぞれ異なるステム4に半
田付け、又は溶接等により固定する。
【0015】このようにして製造された感熱抵抗素子
1,2は、上述した抵抗値に設定され、図3に示す如く
ホイーストン・ブリッジ回路構成(但し、Rs を使用せ
ず)される。しかして、感熱抵抗素子1,2を備えた絶
対湿度センサは、感熱抵抗素子1を大気中に晒し、感熱
抵抗素子2を乾燥雰囲気中に封入しているので、電圧を
印加すると、それぞれが自己発熱して周囲温度よりも高
い温度になる。
【0016】本発明の絶対湿度センサの場合も、感熱抵
抗素子1,2の温度は自己発熱の消費に寄与する電力
と、自己発熱の熱放散とにより決定されるが、感熱抵抗
素子1は大気中の水蒸気による熱伝導が作用して熱放散
が大きくなるため、その温度が感熱抵抗素子2よりも低
くなる。従って、湿気の状態に応じて感熱抵抗素子1,
2間に相対的に発生する抵抗値の差を固定抵抗R3 の両
端に生じる電位差の出力電圧Vout として得ることがで
きるので、大気中の絶対湿度を検出することができる。
【0017】ところで、本発明の絶対湿度センサは、感
熱抵抗素子1,2のそれぞれの発熱部100において、
高熱伝導率材質の窒化アルミニウム基板7上に薄膜感熱
抵抗体8を成膜しているので、電圧印加時や温度変化
時、更には湿度変化の間において、ブリッジ出力が安定
するまでの応答時間が大幅に短縮される。これは、従来
の基板材質に用いられるアルミナの熱放散よりも、窒化
アルミニウムの熱放散の方が1桁以上も大きい上に、感
熱抵抗素子1,2全体の温度が一定になるまでの時間が
大部分の体積を占める窒化アルミニウム基板7の熱応答
時間で殆どで決められるからである。
【0018】加えて、従来の絶対湿度センサでは、感熱
抵抗素子1,2を封入した金属管200の間を均熱管1
3にて固定していた(図2(A)参照)為、均熱管13
と金属管200(そのキャップ3−1,3−2)の間に
隙間が生じて、各金属管200の温度が均一になり難い
ものであったが、本発明の絶対湿度センサでは、各金属
管200(キャップ3−1,3−2)の突き合わせ面全
体を半田16により接合しているので、各金属管200
(キャップ3−1,3−2)が面接触となり、温度平衡
(均一性)が得易くなっている。従って、本発明の絶対
湿度センサは、応答性に優れ、ブリッジ回路の出力が安
定するので、常時高精度な湿度検出を行い得るものとな
る。
【0019】
【発明の効果】以上のように、本発明の絶対湿度センサ
によれば、高熱伝導率材質な窒化アルミニウムによる基
板上に薄膜感熱抵抗体を成膜した発熱部をそれぞれ湿
気,乾燥状態に置かれる感熱抵抗素子に備えているの
で、電圧印加時や温度変化時、更には湿度変化の間にお
ける熱平衡が短時間で得られ、ブリッジ出力が安定する
までの応答時間が大幅に短縮される。これにより、絶対
湿度センサは、使用状態を問わずに湿度検出を常時高精
度に行うことができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図1】(A)は本発明の絶対湿度センサの概略構成を
示した図、(B)はその感熱抵抗素子の構成を示した図
である。
【図2】(A)は従来の絶対湿度センサの概略構成を示
した図、(B)はその感熱抵抗素子の構成を示した図で
ある。
【図3】従来の絶対湿度センサに用いられるブリッジ回
路を示した図である。
【符号の説明】
1,2 感熱抵抗素子 3−1,3−2 キャップ 4 ステム 5 通気孔 6 ピン 7 窒化アルミニウム基板 8 薄膜感熱抵抗体 9 リード線 10,14 電極 11 バルク感熱抵抗体 12 アルミナ基板 13 均熱管 15 保護膜 16 半田 100 発熱部 200 金属管 VIN 印加電圧 Vout 出力電圧 RHT 感熱抵抗素子1の抵抗 RT 感熱抵抗素子2の抵抗 R1 ,R2 ,R3 固定抵抗 Rs 保護抵抗
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/18 G01N 25/00 - 25/72

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 被検出雰囲気に晒される第1の感熱抵抗
    素子と、該第1の感熱抵抗素子と同一の特性を持つと共
    に、乾燥状態に置かれる第2の感熱抵抗素子とを備え、
    前記第1及び第2の感熱抵抗素子のそれぞれは、薄膜感
    熱抵抗体を高熱伝導率材質の基板上に成膜した発熱部を
    含み、前記被検出雰囲気の状態に応じて該第1及び第2
    の感熱抵抗素子間に相対的に発生する抵抗値の差に基づ
    いて湿度を検出する絶対湿度センサにおいて、前記基板
    は、窒化アルミニウムを材質とすることを特徴とする絶
    対湿度センサ。
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