JPH02283002A - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、外界の湿度に対応して素子の電気的特性が変
化することにより湿度を検出する湿度センサに関する。

［従来の技術］ 近年、湿度計測、湿度制御を必要とする分野が増加し、
湿度センサの重要性が認められるようになった。

外界の湿度に対応して素子の電気的特性が変化すること
により湿度を検出する湿度センサには、電解質系、金属
系、高分子系、セラミックス系等があり、それぞれいろ
いろな系が研究されているが、現在実用化されているも
のは、高分子系およびセラミックス系の湿度センサであ
る。いずれも、素子に対する水の吸脱着により、素子の
抵抗値または静電容量が変化する性質を利用したもので
ある。外界の湿度に対応して素子の抵抗値が変化するこ
とにより湿度を検出する湿度センサを抵抗値変化型の湿
度センサと呼び、外界の湿度に対応して素子の静電容量
が変化することにより湿度を検出する湿度センサを静電
容量変化型の湿度センサと呼ぶ。

［発明が解決しようとする課題］ 従来の抵抗値変化型の湿度センサは、低湿度で極めて高
抵抗となるものが多く、低湿度を精度良く測定すること
ができない。高抵抗を精度良く測定するためには、高度
な回路技術および実装技術を必要とするため、高価格な
湿度計になってしまう、−船釣な抵抗値変化型の湿度セ
ンサは、相対湿度の変化に対し、抵抗値の対数が直線的
に変化する。この直線性が良ければ、対数増幅回路で直
線補償することができる。実際の湿度センサは、この直
線性が悪く、高精度な湿度計を製作するためには、複雑
な直線補償回路を必要とする。抵抗値変化型の湿度セン
サは、低湿度と高湿度の抵抗値の変化率が大きいものほ
ど感度が良いと言われることが多いが、湿度計を製作す
る場合には、低湿度と高湿度の抵抗値の変化率があまり
大きいと、測定回路のダイナミックレンジを確保するこ
とが困難になるため、相対湿度Ｏ〜１００％における抵
抗値の変化率は１〜３桁程度か望ましい。実際の湿度セ
ンサは、この変化率が大きく、高精度な湿度計を製作す
るためには、高度な回路技術および実装技術を必要とす
る。静電容量変化型の湿度センサも、相対湿度の変化に
対する静電容量の変化の直線性が悪く、高精度な湿度計
を製作するためには、複雑な直線補償回路を必要とする
。静電容量変化型の湿度センサは、高湿度で安定性が悪
いものが多く、高湿度を精度良く測定することができな
い。

従来の湿度センサは、感湿特性の温度依存性が大きく、
温度補償回路を必要とする。感温特性の温度依存性が簡
単な関数であれば、温度補償回路は余り複雑にはならな
いが、実際の湿度センサは、感湿特性の温度依存性が簡
単な関数ではなく、高精度な湿度計を製作するためには
、複雑な温度補償回路を必要とする。温度補償を行って
も、湿度センサと温度センサの熱応答性の違いや、温度
センサと温度センサの位置による温度の違いから、温度
変化が激しい場所では、完璧な温度補償は不可能であり
、湿度センサの感湿特性に温度依存性がある限り、精密
な温度測定は不可能である。

このように、従来の湿度センサでは、高精度な湿度計を
製作するためには、高度な回路技術および実装技術を必
要とし、検査、調整にも高度な技術、長時間を必要とす
るため、量産性が悪く、高価格な湿度計になってしまう
、また２　回路の消費電力が大きくなり、電池駆動で長
電池寿命の湿度計を製作することはできない。

一方信頼性においては、高分子系湿度センサは、高温高
温中で劣化するものが多い、特に有機溶媒に対しては劣
化が顕著である。セラミックス系湿度センサには、一定
時間毎に素子を数１００℃に加熱し、劣化した特性を回
復させる、加熱リフレッシュという機構を設けた製品が
ある。この場合、加熱リフレッシュにより経時変化は小
さくできるが、素子が高温になるため、可燃性のガスや
粉塵の存在するところでは爆発や火災の危険があり使用
できない、このように、満足すべき特性を持つ湿度セン
サは、現状では皆無であるといっても過言ではない。

そこで本発明はこのような課題を解決するもので、その
目的とするところは、広範囲の湿度を精度良く測定でき
、過酷な環境でも劣化しない、高精度でかつ信頼性の高
い湿度センサを提供するところにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の湿度センサは、クラックを有する、炭素粒子を
分散させたシリカ膜を感湿膜として用いることを特徴と
する。

湿度センサの感湿膜としては、一般には水の吸脱着が容
易な多孔質膜が用いられるが、クラックを有する膜も、
水の吸脱着が容易であり、感湿膜として用いることがで
きる。このとき、クラックに吸着した水の解離により発
生したＨｏによるイオン伝導により、電流が流れる。し
たがって、電流はクラックを流れるため、抵抗値の小さ
い湿度センサを得るためには、一対の電極間が、連続し
たクラックにより結ばれていることが望ましい。また、
クラック幅が広すぎると、水がクラックに吸着しにくく
なるため、幅１０μｍ以下のクラックが存在することが
望ましい。このようにすると、感湿特性はクラックを流
れる電流に支配されるため、バルクの部分は絶縁体でも
よい、したがって、耐久性、信頼性の高い材料を用いる
ことができる。

シリカ膜は化学的に安定であるため、過酷な環境でも劣
化しない。もちろん、添加物を加えたシリカ膜でもよい
、シリカ膜に炭素粒子を分散させることにより、膜厚や
クラックの入り方を制御する自由度を広げることができ
る。炭素粒子も化学的に安定であるため、過酷な環境で
も劣化しない、信頼性の高い湿度センサを製造すること
ができる。

このように、クラックを有する、炭素粒子を分散させた
シリカ膜は、クラックの入り方を制御することにより、
導電率を自由に変化させることができる。したがって、
相対湿度の変化に対する抵抗値の変化の直線性が良く、
抵抗値が大きくなる低湿度でも測定し易い抵抗値の温度
センサを製造することができるため、広範囲の湿度を精
度良く測定することができる。また、−船釣な抵抗値変
化型の湿度センサは、相対湿度と抵抗値の対数が直線関
係になるが、本発明の湿度センサは、膜厚やクラックの
入り方を制御することにより相対湿度と抵抗値が直線関
係になる湿度センサも製造でき、このような温度センサ
は対数増幅回路が不用である。さらに、感湿特性の温度
依存性が小さいため、温度補償回路が不用である。した
がって、高精度、高信頼性湿度センサとして使用できる
。

［実施例１］ テトラエトキシシラン（Ｓ　ｉ　（ＯＣｇＨ＆）４）　
５０ｒｎｌにエタノール２５ｍ１．０．０２Ｎ塩酸４ｍ
ｌを加え、１時間攪拌することによりテトラエトキシシ
ランを加水分解した後、グリセリン１０ｍｌ、微粉末シ
リカ２０ｇ、活性炭２．７ｇを加え、３０分間攪拌する
ことにより、炭素粒子を分散させたシリカゾルを作製し
た。Ｃｒ、Ａｕをこの順にスパッタリングして櫛形電極
を形成したガラス基板上に、このゾルをデイツプコーテ
ィングし、１゜０℃で１０分間乾燥し、窒素中で５００
’Ｃで３０分間焼結し、クラックを有する、炭素粒子”
を分散させたシリカ膜を形成した。顕微鏡観察により、
電極間が連続したクラックにより結ばれていること、幅
１０μｍ以下のクラックが存在することを確認した。膜
厚は５μｍであった。

このようにして製作した湿度センサの説明図を第１図に
示す、第１図において、１は基板、２は電極、３はクラ
ックを有する、炭素粒子を分散させたシリカ膜である０
本湿度センサの感湿特性を第２図に示す、第２図より、
相対湿度に対する抵抗値の対数の直線性が良く、低湿度
でも測定し易い抵抗値であるため、複雑な直線補償回路
や、高抵抗測定回路が不用であることがわかる。また、
感湿特性の温度依存性が小さく、本湿度センサは温度補
償回路が不用である０本湿度センサの応答特性を第３図
に示す、第３図より、本湿度センサは応答が速いことが
わかる０本湿度センサの耐久性、信頼性を調べるため、
本湿度センサを６０°Ｃ１相対湿度９５％の恒温恒温層
中に１０００時間放置後、感湿特性を測定したところ、
第２図と測定誤差の範囲内で同様であった。したがって
、本湿度センサは、耐久性、信頼性が高いことがわかる
。

このように、本湿度センサを用いれば、簡単な回路で、
低価格、低消費電力、高精度、高速応答性、高信頼性の
湿度計や、温度検出器を製作することができる。

［実施例２］ テトラエトキシシラン５０ｍ１にエタノール５０ｍ１．
０．０２Ｎ塩酸１６ｍ１、活性炭５．４ｇ、カーボンブ
ラック２．７ｇを加え、１時間攪拌することによりテト
ラエトキシシランを加水分解した後、微粉末シリカ６．
８ｇを加え、３０分間攪拌することにより、炭素粒子を
分散させたシリカゾルを作製した。Ｐｔ−Ｐｄ櫛形電極
をスクリーン印刷により形成したアルミナ基板上に、こ
のゾルをスピンコーティングし、真空中で７００”Ｃで
１時間焼結し、クラックを有する、炭素粒子を分散させ
たシリカ膜を形成した。顕微鏡観察により、電極間が連
続したクラックにより結ばれていること、幅１０μｍ以
下のクラックが存在することを確認した。膜厚は１．ｃ
ｔｍであった。

本湿度センサの感湿特性を第４図に示す。本湿度センサ
の耐久性、信頼性を調べるため、本湿度センサを沸騰水
中で１時間煮沸し、１００℃で１時間乾燥後、感湿特性
を測定したところ、第４図と測定誤差の範囲内で同様で
あった。また、本湿度センサを６０℃、水とエタノール
の蒸気で飽和した雰囲気中に１０００時間放置後、感湿
特性を測定したところ、第４図と測定誤差の範囲内で同
様であった。したがって、本湿度センサは、極めて過酷
な環境でも安定であることがわかる。

［実施例３］ テトラエトキシシラン５０ｍ１に、０．０２Ｎ塩酸４０
ｍ１、微粉末シリカ２７ｇを加え、１時間攪拌すること
によりテトラエトキシシランを加水分解した後、カーボ
ンブラック１ｇを加え、３０分間攪拌することにより、
炭素粒子を分散させたシリカゾルを作製した。ＲｕＯ２
による櫛形電極をスクリーン印刷により形成した耐熱煉
瓦基板上に、このゾルをロールコーティングし、５０℃
で２４時間乾燥し、大気中で３００°Ｃで５時間焼結し
、クラックを有する、炭素粒子を分散させたシリカ膜を
形成した。顕微鏡観察により、電極間が連続したクラッ
クにより結ばれていること、幅１０μｍ以下のクラック
が存在することを確認した。膜厚は５０μｍであった。

本湿度センサの感湿特性を第５図に示す。第５図より、
本湿度センサは、相対湿度と抵抗値が直線関係になるこ
とがわかる。したがって、本湿度センサは対数増幅回路
が不要であり、極めて簡単な回路で広ｉ囲の湿度を精度
良く測定することができる。このように、本発明の湿度
センサは、膜厚やクラックの入り方を制御することによ
り相対湿度と抵抗値が直線関係になる湿度センサも製造
できる０本湿度センサの耐久性、信頼性を調べるため、
本湿度センサをアセトン中で１０分間超音波洗浄後、感
湿特性を測定したところ、第５図と測定誤差の範囲内で
同様であった。したがって、本湿度センサは、極めて過
酷な環境でも安定であることがわかる。

［発明の効果］ 以上述べたように本発明の湿度センサは、クラックを有
する、炭素粒子を分散させたシリカ膜を感湿膜として用
いるので、クラックの入り方を制御することにより、導
電率を自由に変化させることができる。

したがって、相対湿度の変化に対する抵抗値の変化の直
線性が良く、抵抗値が大きくなる低湿度でも測定し易い
抵抗値の湿度センサを製造することができるため、簡単
な回路で広範囲の湿度を精度良く測定することができる
。また、相対湿度と抵抗値が直線関係になる湿度センサ
も製造でき、このような湿度センサは対数増幅回路が不
要である。さらに、感湿特性の温度依存性が小さいため
、温度補償回路が不要である。したがって、湿度計測回
路を簡略化することができ、高精度、低価格、低消費電
流の湿度測定装置を製造することができる。

次に、シリカ膜、炭素粒子は化学的に安定であるため、
過酷な環境でも劣化しない、したがって、加熱リフレッ
シュが不要であり、可燃性のガスや粉塵の存在するとこ
ろでも使用できる。また、湿度の変化に対する応答が速
く、特性の経時変化が小さいため、高精度の湿度制御装
置にも使用できる。

さらに、本発明の湿度センサは、容易に製造することが
できるため量産性が良く、さらに、原料や製造費用が安
価であるため低価格の湿度センサを製造することができ
る。

このように本発明の湿度センサは、高精度、高信頼性湿
度センサとして、湿度計測、湿度制御を必要とする分野
に広く応用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の湿度センサの説明図。 １・・・基板 ２・・・電極 ３・・・クラックを有する、炭素粒子を分散させたシリ
カ膜 第２図、第４図、第５図は、本発明の湿度センサの感温
特性図。 第３図は、 本発明の湿度センサの応答特性図。 以上

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）クラックを有する、炭素粒子を分散させたシリカ
   膜を感湿膜として用いることを特徴とする湿度センサ。
2. （２）一対の電極間が、連続したクラックにより結ばれ
   ていることを特徴とする請求項１記載の湿度センサ。
3. （３）幅１０μｍ以下のクラックが存在することを特徴
   とする請求項１記載の湿度センサ。