JP3803862B2 - 湿度センサー及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、金属酸化物系の湿度センサーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
代表的な金属酸化物系湿度センサーとしては、MgCr2O4−TiO2,MgAl2O4などのセラミックス多孔質基体の表面に薄膜状の電極を設けたものが知られている(特開昭59−116536号公報、特開平6−18468号公報)。
このような湿度センサーの測定原理としては、セラミックス多孔質基体の細孔構造に吸着した水の物理吸着による電気抵抗変化を利用するものである。セラミックス多孔質基体の気孔(細孔)の状態は、湿度センサーとしての特性に大きく影響を与える。
これは、セラミックス多孔質基体の細孔で水が毛細管凝縮を起こし、プロトン伝導により表面電気抵抗が変化することを利用しているためで、この細孔の寸法により毛細管凝縮が起こるか否かが決定されるためである。したがって、湿度センサーとして用いられるセラミックス多孔質基体は、適切な細孔径及び気孔率を有するものが必要となり、実用化されているセンサーで、一般には平均細孔径0.001〜1μmの細孔径分布をもち、気孔率が10〜50%のセラミックス多孔質基体が多く用いられている。この適切な平均細孔径は、セラミックス多孔質基体の材質により異なるが、細かすぎても、粗すぎても抵抗値は一定となり、湿度センサーとしての機能を果たさなくなってしまう。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、このようなセラミックス多孔質基体は、特開昭59−116536号公報に示されるように、造粒したセラミックス粉末をプレス成形し焼成する工程、あるいはバインダーを混ぜてスラリー化し、ドクターブレード成形し、所定の厚さに成形し、乾燥後、焼成する工程を経て製造される。
しかしながら、このようにして製造された従来のセラミックス多孔質基体においては、その細孔径が細かく、気孔率が小さいことから、測定環境の水分がセラミックス多孔質基体の全体に均一となる、すなわち、湿度測定値が安定するまでに過大な時間を要してしまい、応答性に優れた湿度センサーを得ることはできなかった。
【0004】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、応答性に優れた湿度センサー及びその製造方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決して、このような目的を達成するために、本発明の湿度センサーは、平均細孔径0.05〜1μmの細孔を有するように微細粒子が焼結されてなる骨格間に、互いに連通する平均気孔径50〜2000μmの連続気孔が形成された三次元網目構造をなすとともに、その気孔率が60〜98容量%とされたセラミックス多孔質基体の表面に、薄膜状の電極を設けたことを特徴とする。
このような湿度センサーにおけるセラミックス多孔質基体は、その骨格が平均細孔径0.05〜1μmの範囲に設定された細孔を有するように焼結されているため、湿度センサーとしての機能を確実に果たすことが可能となり、しかも、このように平均細孔径を小さく設定しながらも、骨格間に連続気孔が形成されて、その気孔率(細孔及び連続気孔のセラミックス多孔質基体に対する体積割合)を60〜98容量%と大きく設定できたのである。
それゆえ、適度な平均細孔径の細孔を有することによって、湿度センサーとしての機能を維持しつつも、高い気孔率を有することによって、水分がセラミックス多孔質基体全体に広がりやすく、しかも、この高い気孔率を呈するがゆえに小さい熱容量を得るので、湿度センサーとしての温度追従性も良好に保って、応答速度の速い湿度センサーを得ることができる。
ここで、骨格内に形成される細孔の平均細孔径が、0.05μmより小さくなると、湿度センサーとしての機能を維持できなくなるおそれがあり、逆に、1μmより大きくなったとしても、湿度センサーとしての機能を維持できなくなるとともに、骨格の強度が低下するおそれが生じてしまう。
さらに、気孔率が60容量%より小さくなると、水分がセラミックス多孔質基体の全体に均一となるのに要する時間が長くなったり、熱容量の増大を招いてしまうおそれがあり、逆に、気孔率が98容量%より大きくなったとしても、セラミックス多孔質基体としての強度低下を招いてしまうおそれがある。
【0006】
ここで、この連続気孔の平均気孔径が、50μmより小さくなると、水分がセラミックス多孔質基体の全体に広がりにくくなるおそれがあり、逆に、2000μmより大きくなったとしても、セラミックス多孔質基体を、上述したような気孔率の範囲に設定することが困難となったり、強度の低下を招かざるを得なくなってしまうおそれがある。
【0007】
また、本発明の湿度センサーの製造方法は、本発明の湿度センサーを製造する製造方法であって、セラミックス粉末と水溶性バインダーと界面活性剤と水と非水溶性有機溶剤とからなる発泡スラリーを成形し、前記非水溶性有機溶剤を気化して発泡させた後、これを乾燥させて得られた発泡グリーン体を焼成することによって前記セラミックス多孔質基体を形成し、このセラミックス多孔質基体の表面に薄膜状の電極を設けることを特徴とする。
このような製造方法を用いることによって、平均細孔径0.05〜1μmの細孔を有するように微細粒子が焼結されてなる骨格間に、互いに連通する連続気孔が形成された三次元網目構造をなすとともに、その気孔率が60〜98容量%とされたセラミックス多孔質基体を容易に製造でき、これに薄膜状の電極を設けることで、本発明の湿度センサーを得ることができる。
【0008】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付した図面を参照しながら説明する。
図1は本実施形態の湿度センサーを示す説明図であり、図2は本実施形態による湿度センサーのセラミックス多孔質基体を示す拡大断面図である。
【0009】
本実施形態による湿度センサー1は、図1に示すように、略薄板状をなすセラミックス多孔質基体10の両面(表面)に対して、例えば、酸化ルテニウムからなる薄膜状の電極2,2が密着して積層されるように形成されたものである。また、この2つの薄膜状の電極2,2には配線が接続されている。
【0010】
このセラミックス多孔質基体10は、図2の拡大断面図に示されるように、平均粒径0.05〜3μmのセラミックスの微細粒子11が、それら微細粒子11同士の間に平均細孔径0.05〜1μmの細孔を有するように焼結されてなる中実の骨格12を有することによって三次元網目構造をなしており、この骨格12間には、互いに連通する平均気孔径50〜2000μmの連続気孔13が形成されている。また、これら骨格12内の細孔及び連続気孔13のセラミックス多孔質基体10に対する体積割合、すなわち、気孔率は、60〜98容量%に設定されている。
【0011】
このような湿度センサー1は、例えば、以下に示すようにして製造される。
まず、微細粒子として平均粒径0.05〜3μmのセラミックス粉末と水溶性バインダーと界面活性剤と水と非水溶性有機溶剤とからなる発泡スラリーを、例えばドクターブレード法により薄板状に成形し、非水溶性有機溶剤を気化して発泡させた後、これを乾燥させることにより、発泡グリーン体を得る。
【0012】
そして、得られた発泡グリーン体を脱脂・焼結して焼成することにより、上述したようなセラミックス多孔質基体10を得ることができる。
さらに、このセラミックス多孔質基体10の両面に対し、薄膜状の電極2,2を密着させて積層して形成することにより、上述したようなセラミックス多孔質基体10の両面に、薄膜状の電極2,2が形成された湿度センサー1を得ることができる。
【0013】
このような構成とされた湿度センサー1によれば、そのセラミックス多孔質基体10が、平均細孔径0.05〜1μmの範囲に設定された細孔を有するように微細粒子11が焼結された中実の骨格12を有するために、湿度センサー1としての機能を確実に果たすことができる。また、このように細孔の平均細孔径を小さく設定したのにも関わらず、骨格12間に連続気孔13が形成されていることによって、その気孔率を、60〜98容量%と大きく設定することができる。
【0014】
それゆえ、適度な平均細孔径の細孔を骨格12内に有することによって、湿度センサー1としての機能を維持しつつも、60〜98容量%と高い気孔率をもたせたことによって、水分がセラミックス多孔質基体10の全体に広がりやすく、しかも、この高い気孔率を呈するがゆえに小さい熱容量を得ることができて、湿度センサー1としての温度追従性を良好に保って、応答速度が速く、応答性に優れた湿度センサー1を得ることができる。
【0015】
ここで、骨格12内に形成される細孔の平均細孔径が、0.05μmより小さくなると、湿度センサー1としての機能を維持できなくなり、逆に、1μmより大きくなったとしても、湿度センサー1としての機能を維持できなくなり、かつ、骨格12の強度低下を招いてしまうおそれがある。
さらに、気孔率が60容量%より小さくなると、水分がセラミックス多孔質基体10の全体に均一となるのに時間がかかったり、熱容量の増大を招いてしまうおそれがあり、逆に、気孔率が98容量%より大きくなったとしても、セラミックス多孔質基体10としての強度低下を招いてしまうおそれがある。
なお、上述したような効果をより確実なものとするためには、骨格12内で微細粒子11同士の間に形成される細孔の平均細孔径が、0.1〜1μmの範囲に設定され、また、セラミックス多孔質体10の気孔率が、80〜95μmの範囲に設定されることが好ましい。
【0016】
また、セラミックス多孔質基体10の連続気孔13の平均気孔径が、50〜2000μmの範囲に設定されていることによって、水分がセラミックス多孔質基体10全体により素早く広がるので、とくに応答性の優れた湿度センサー1を得ることができ、かつ、高い強度を維持できる。
ここで、この連続気孔13の平均気孔径が、50μmより小さくなると、水分がセラミックス多孔質基体10の全体に素早く広がるのを阻害してしまうおそれがあり、逆に、2000μmより大きくなったとしても、セラミックス多孔質基体10を、上述したような気孔率の範囲に設定することが困難となってしまうとともに、強度の低下を招かざるを得なくなってしまう。
なお、上述したような効果をより確実なものとするためには、連続気孔13の平均気孔径が、100〜500μmの範囲に設定されることが好ましい。
【0017】
また、上述したような湿度センサー1の製造方法を用いたことによって、平均細孔径0.05〜1μmの細孔を有するように微細粒子11が焼結されてなる中実の骨格12間に連続気孔13を有するとともに、その気孔率が60〜98容量%に設定された三次元網目構造のセラミックス多孔質基体10と、このセラミックス多孔質基体10の両面に積層された薄膜状の電極2,2とからなる湿度センサーを容易に得ることができる。
【0018】
なお、このセラミックス多孔質基体10の構成要件について、セラミックスの微細粒子11の平均粒径は、0.1〜1μmの範囲に設定されることがより好ましい。
さらに、本発明は、上述したような形状の湿度センサーに限定されることなく、湿度センサーとしての機能を呈することができるのであれば、適宜変更を加えてもよいことはもちろんである。
【0019】
【実施例】
セラミックス多孔質基体を得るために、微細粒子として、MgCr2O4に30mol%のTiO2粉末を配合・混合し、1000゜C×2時間仮焼後、粉砕して平均粒径1.5μmのセラミックスの原料粉末を用意した。さらに発泡剤となる有機溶剤(非水溶性有機溶剤)としてn―ヘキサン、界面活性剤としてドデシルベンゼンスルホン酸ナトリウム(以下、DBSと称する。)、水溶性樹脂結合材(水溶性バインダー)としてメチルセルロース(以下、MCと称する。)、可塑剤としてグリセリンをそれぞれ用意した。
原料粉末、MC、グリセリン、界面活性剤および蒸留水を以下の表1に示す配合で4時間混練してスラリーを作製し、さらにこのスラリーにn―ヘキサンを混合し、30分間攪拌することにより発泡スラリーを作製した。
次に、この発泡スラリーをドクターブレード法により薄板状に成形し、湿度90%、温度38゜Cで10分間保持することにより、ヘキサンを気化して成形体を発泡させ、その後遠赤外線により1時間乾燥することにより、発泡グリーン体を得た。
得られた発泡グリーン体を大気中600゜C×30分加熱することにより脱脂し、さらに大気中で、以下の表1に示す温度・時間で加熱することにより、厚さ0.5mmのセラミックス多孔質基体を得た。得られたセラミックス多孔質基体を5×5mmにレーザーにより切断した(実施例1〜5、比較例1〜4)。
【0020】
さらに、切断したセラミックス多孔質基体の両面に、平均粒径0.1μmの酸化ルテニウム粉末とガラスフリットを含む電極ペーストをスクリーン印刷で10μmの厚さに塗布し、850゜Cの温度で焼き付けることにより、セラミックス多孔質体の両面に酸化ルテニウムからなる薄膜状の電極が形成された湿度センサーを得た。
【0021】
本発明に対する従来例として、上記と同様のセラミックスの原料粉末を金型でプレス成形し、1300゜Cの温度で焼結した。同様にして、切断後、その両面に酸化ルテニウム電極を形成した。
【0022】
上記のようにして得られた湿度センサーの気孔率を測定し、さらに電子顕微鏡を用いて観察し、骨格内に形成された細孔径を測定した。
また、得られた湿度センサーの2つの電極間抵抗を測定しながら、湿度を10%〜90%の間で変更し、湿度変化により抵抗が変化するか否か(湿度センサーとしての作動可否)を確認した。
さらに、湿度10%、20゜Cの恒温槽に1時間保持した後、湿度50%、温度30゜Cの恒温槽に移し、抵抗変化を測定することにより、応答速度を測定した。ここで、応答速度とは、完全に安定した値になるまでの、抵抗変化率が90%に達するまでの時間で表した。
【0023】
【表1】
【0024】
表1に示されるように、平均細孔径及び気孔率が本発明の範囲内に設定された実施例1〜5では、湿度センサーとして作動したとともに、応答時間も短く応答性に優れるといった良好な結果が得られた。
また、気孔率が本発明の範囲よりも小さい54容量%に設定された比較例1では、応答時間が長くなり、気孔率が本発明の範囲よりも大きい99容量%に設定された比較例2では、強度不足を免れず、壊れてしまった。
また、焼結温度を少し高く、かつ焼結時間を長くして、平均細孔径が0.01μmと本発明の範囲よりも小さく設定した比較例3では、湿度センサーとして作動せず、さらに、焼結温度を少し低くして、平均細孔径が3μmと本発明の範囲よりも大きく設定した比較例4でも、湿度センサーとして作動しなかった。
さらに、従来例では、湿度センサーとしては作動したものの、応答時間が非常に長くなってしまった。
【0025】
【発明の効果】
本発明によれば、セラミックス多孔質基体を、平均細孔径0.05〜1μmの細孔を有するように微細粒子を焼結させて形成したため、湿度センサーとしての機能を確実に果たすことが可能となり、しかも、このように平均細孔径を小さく設定しながらも、骨格間に連続気孔が形成されて、その気孔率を60〜98容量%と大きく設定できる。
それゆえ、適度な平均細孔径の細孔を有することによって、湿度センサーとしての機能を維持しつつも、高い気孔率を有することによって、水分がセラミックス多孔質基体全体に広がりやすく、しかも、この高い気孔率を呈するがゆえに小さい熱容量を得るので、湿度センサーとしての温度追従性も良好に保って、応答速度が速く、応答性に優れた湿度センサーを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態による湿度センサーを示す説明図である。
【図2】 本発明の実施形態による湿度センサーのセラミックス多孔質基体を示す拡大断面図である。
【符号の説明】
1 湿度センサー
2 電極
10 セラミックス多孔質基体
11 微細粒子
12 骨格
13 連続気孔
Claims (2)
- 平均細孔径0.05〜1μmの細孔を有するように微細粒子が焼結されてなる骨格間に、互いに連通する平均気孔径50〜2000μmの連続気孔が形成された三次元網目構造をなすとともに、その気孔率が60〜98容量%とされたセラミックス多孔質基体の表面に、薄膜状の電極を設けたことを特徴とする湿度センサー。
- 請求項1記載の湿度センサーを製造する製造方法であって、
セラミックス粉末と水溶性バインダーと界面活性剤と水と非水溶性有機溶剤とからなる発泡スラリーを成形し、前記非水溶性有機溶剤を気化して発泡させた後、これを乾燥させて得られた発泡グリーン体を焼成することによって前記セラミックス多孔質基体を形成し、
このセラミックス多孔質基体の表面に薄膜状の電極を設けることを特徴とする湿度センサーの製造方法。
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