JPH0244022B2 - - Google Patents
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- JPH0244022B2 JPH0244022B2 JP57061132A JP6113282A JPH0244022B2 JP H0244022 B2 JPH0244022 B2 JP H0244022B2 JP 57061132 A JP57061132 A JP 57061132A JP 6113282 A JP6113282 A JP 6113282A JP H0244022 B2 JPH0244022 B2 JP H0244022B2
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
- G01N27/225—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity by using hygroscopic materials
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
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Description
本発明はAlの酸化薄膜を利用した湿度センサ
素子に関するものである。湿度センサは従来湿度
観測用として一部に使用されていたのであるが、
最近に至つて家電機器等に利用されるに至つて用
途は急激に拡大された。 Al薄膜を用いたセンサは既に幾つか公知とな
つている。その代表的なものは次の通りである。 (イ) 特願昭51−83507号（アルミニユウムの陽極
酸化薄膜を使用した含湿量検出素子） (ロ) 感度素子の試作（東京都立工業技術センター
研究報告第６号；1976年、51頁〜56頁） (ハ) 陽極化成Alの封孔処理効果（Sealing
Effects near the Barrier―Porous Layer
Interface of Anodic Aluminas；Solid Sate
Sience，Sep.，1970） その製法を、第１図を参照して極めて簡単に説
明する。図はこの種のセンサ素子の平面図であ
る。図において１はセラミツク基板、２は真空蒸
着又はスパツタ法によつて形成した一対の櫛（く
し）状薄膜電極である。即ちTiなどのバルブ金
属を用いて基板１の全面に亘つて蒸着法又はスパ
ツタ法によつて薄膜を形形した後、フオトエツチ
ングによつて所要のくし形電極を形成する。次に
Al薄膜をマスク蒸着により、くし状電極部分の
全面に形成し、後硫酸、蓚酸等の酸を用いて陽極
酸化法により酸化Alの薄膜３（疎斜線で示す）
を形成する。次に、センサ素子完成後に外部引出
しリード線５を半田付けするためにマスク蒸着法
によりAuの端子部４を設ける。その後で該素子
を純水を沸とうさせた熱湯中に30分くらい浸漬し
て、いわゆる封孔処理（Sealing）を行い、最後
にリード線５をAu端子部４に半田づけする。 前述のようにして作られたセンサは幾多の特徴
があるが、一方次のような欠点がある。 (1) 湿度に対するヒステリシスが大きい。 即ち第１図のリード線５，５間のコンダクタン
スが湿度の上昇と共に増加するのであるが、逆に
湿度を減少すると、コンダクタンス値が、上昇の
ときと異なる径路（パス）を通り、その差が大き
い。（第３図曲線を参照） (2) 低湿度の中では、時間と共に感度が徐徐に下
がる。 即ち前記リード線５，５間の湿度に対するコン
ダクタンス値およびそのスローブが時間と共に減
少する。 (3) 高湿度の中では、感度が増加し、かつ不安定
となる。（第３図曲線を参照） 即ち相対湿度が80％R.H.以上の高湿度中では、
感度が次第に増加し、かつ不安定となる。 そこで本発明者は、上記従来の湿度センサ素子
の欠点を解決する湿度センサを、特願昭56−8601
号（特開昭57−124401号：以下前出願と言う。）
に開示した。 前出願に係る湿度センサ素子は、 絶縁基板の上に形成された薄膜状バルブ金属の
電極上の全面に亘つて設けられたAl薄膜を陽極
酸化して生じた酸化Alの表面を、界面活性剤で
被覆して成ることを特徴とするものである。 即ち前出願の新規な点は界面活性剤を用いた点
で、これにより特性は飛躍的に向上した。その理
由については前出願に詳述したが、次に極めて簡
単に述べる。 (1) 陽極化成された酸化Alセンサ素子の表面層
は、いわゆるベーマイト（Bo¨hmite又は
Bo¨moit）層といわれ、AlO（OH）の針状又は
板状の微結晶構造を有している。この層の表面
に非イオン性界面活性剤の層を作つた場合を考
える。（イオン性、両イオン性の活性剤は電界
印加によつてそれ自身電気伝導を開始するの
で、センサの感度増進法としては用いることは
困難なようであり、いまのところ利用できない
ものと思われる。）外界の湿度が上がると活性
剤の表面分子層は直ちにH2O分子をトラツプ
するので、センサの両端子間（第１図に示す
４，４間）のコンダクタンスは増加する。更に
湿度が増すと、活性剤のない場合には、前記ベ
ーマイト層の表面は見掛上H2O分子で飽和し
た形となり、コンダクタンスはあまり増加しな
い。更に湿度が増加すると、表面に結露した
H2Oによる電気伝導が始まるため、急激に前
記端子間のコンダクタンスが増加すると同時
に、その値は不安定になる。然るに界面活性層
がある場合には、湿度が増加しても、その表面
のH2O分子をトラツプする能力は低下しない
ので、端子コンダクタンスは増加し続け、従つ
てセンサ感度は低下しない。また不安定になる
こともない。即ち第３図曲線で示すようにな
る。 次に湿度が低下した場合には、活性面の表面
から、トラツプされたH2O分子が放出されて
端子コンダクタンスは低下する。 このとき放出されるH2Oの分子は、結晶水
の形で束縛されているのではないから、前記ヒ
ステリシス現象は極めて小さい。（第３図曲線
参照） なお活性剤の層の厚さは、大きすぎると当然
センサの感度が下ると同時に、水によつて膨潤
してぜい弱となり、甚だしい時は層自体が移動
するという現象を生ずる。実験結果によると厚
さは0.5μｍ以下が望ましく、大であつても1μｍ
が限度と思われる。このように膜厚を小にする
と活性剤の層はAlの酸化膜又はベーマイト層
と固く結合して、洗滌しても容易に剥離せず、
高温中でも容易に溶出しない。かつ湿度の変化
に対する応答速度も速い。 (2) 前記非イオン性界面活性剤として、ポリオキ
シエチレンアルキルフエニールエーテルが良い
結果を与える。 (3) 電極として使用するバルブ金属としては薄膜
状のTaが望ましい。その理由については前出
願に詳記してあるので省略する。第２図は化成
が終つたときの化成膜の断面の１部を示すもの
で、第１図と同一部分については同一符号を付
して説明を省略する。２1，２2はそれぞれTa
及び酸化Taの薄膜層を示す。Ta電極を用いる
と、化成の最初に酸化層２2が生じ、これが絶
縁層となつて電極部分の内部には酸化反応が進
行しない。それ故化成終了後にも、良好な導電
性を保持する。 前出願に係るセンサ素子は第１図、第２図から
明らかなようにTa電極２―２間の電気伝導は酸
化Alの薄膜によつて行われるのでその入力イン
ピーダンスは極めて高い。その値は後述するよう
に10MΩオーダーとなる。（第１表参照） いま湿度検出装置として第４図の回路を用いる
ことにする。図においてＡ，Ｂは励振電圧Viの
入力端子、Rs１０は標準抵抗、Rx１１はセンサ
素子の入力等価抵抗、１２は増幅器（以下アンプ
と略称する）、１３，１４は帰還電圧の分圧抵抗、
Ｃ，Ｄは出力電圧Voの出力端子である。いまRs
を流れる電流が定電流であり、かつアンプの入力
インピーダンスが非常に大きければ、出力電圧
VoはRxに比例する。このためRsがRxに比して
極めて大であればRs，Rxを流れる電流は定電流
とみなし得る。この条件は100≦（Rs／Rx）であ
れば満足されるとしてよいであろう。 前出願に係るセンサ素子ではRxは10MΩオー
ダであるからRsは少なくとも100MΩ程度となる。
そうすると、その正確な標準抵抗を作ることは相
当困難であるため高価格となり、同様に使用アン
プ１２は高い入力インピーダンスを必要とするた
め、信頼性の良いアンプは高価格となると同時
に、回路自身がやや不安定となり、時には発振す
ることにもなる。 従来の湿度センサ素子において、入力インピー
ダンスを低くできるものとしては、下記の文献
(ニ)，(ホ)に示されたものがある。 (ニ) 特開昭53−9595号（第２図） (ホ) 電気学会論文紙(A)第101巻（第151頁第４図） その構造は第５図に示す通りである。第５図は
従来の湿度センサ素子の一部断面図である。同図
において２０′はTi等の金属薄膜電極であり、
３′は陽極化成された配化Al層であり、２１′は
透水性を有するAu等の導電性の薄膜電極である。
金属薄膜電極２０′は一方の極性の端子に接続さ
れ、透水性を有する薄膜電極２１′は他方の極性
の端子に接続される。したがつて電極２０′及び
２１′は、本発明が改良の対象とする湿度センサ
素子の一対の櫛状電極に相当する。酸化Al層
３′の厚みは20μｍのオーダーであるため、電極
２０′，２１′間のインピーダンスはキヤパシテイ
ブ（capacitive）即ち容量性でかなり大きなもの
となり、入力インピーダンスは減少する。電極２
１′は、透水性を有するため、湿度に対するセン
サ素子の感度は影響を受けない。 しかしながら発明者の実験によると、この従来
の湿度センサ素子では入力インピーダンスは低下
するものの、湿度に対する感度も少なからず低下
することが観測された。その原因なインピーダン
スが容量性であることが関係している。 本発明の目的は、前出願の湿度センサ素子の優
位性を保つてしかも入力インピーダンスの低い湿
度センサ素子を提供することにある。 本発明の湿度センサ素子では、上記問題点を解
決するために、絶縁基板１の上に形成された薄膜
状バルブ金属からなる一対の櫛状電極２，２の電
極部分Ｇ…，Ｈ…上に全面に亘つて設けられた酸
化Al薄膜３の上に、透水性の導電薄膜２１を設
け、この透水性の導電薄膜２１の表面を界面活性
剤で被覆する。 透水性の導電薄膜２１を酸化Al薄膜３の上に
設けると、一対の櫛状電極２，２の対向する各電
極素片Ｇ，Ｈ間のインピーダンスZ0が並列接続さ
れた状態となり、入力インピーダンスは大幅に低
くなる。しかも第５図に示した入力インピーダン
スの低い従来の湿度センサ素子と比べて、本発明
の湿度センサ素子では、インピーダンス中の抵抗
分が大きくなり、キヤパシテイ分が小さくなるた
めキヤパシテイ分による影響は小さい。また導電
薄膜２１は透水性を有しているため、導電薄膜２
１の表面を覆う界面活性剤の作用が実質的に減じ
られることはない。 第６図は、本発明の一実施例の構造を示す概略
断面図を示している。第６図は第２図及び第５図
に相当する断面図で、１は基板、２，２は第１図
の対向電極２，２を等価回路化して表わしたもの
で３は酸化Alの薄膜、２１はAu等の薄膜の透水
性導電膜である。なお導電薄膜２１の表面を覆う
界面活性剤の層は非常に薄いため、第６図では図
示していない。こうすると対向電極２，２に属す
る任意の相隣る１対の対向電極素片Ｇ，Ｈ間の等
価回路は第７図で表わすことができる。図におい
て１は基板、２１は透水性導電膜である。そうす
るとＧ，Ｈ間のインピーダンスz0は透水性導電膜
２１とＧ、又はＨ間の抵抗をr0、キヤパシター分
をc0とすると第７図の等価回路は結局第８図のよ
うになるから、z0は簡単に次のように求まる。 z0＝2z＝２１／１／γ0＋jωc0＝2r0／１＋jωr0c0 ＝2r0（１−jωr0c0）／１＋ω2r2／0c2／0 ＝2r0／１＋ω2r2／0c2／0−ｊ2ωr2／0c0／１＋ω2r
2／0c2／0(1) 電極片Ｇ，Ｈの寸法、間隔が等しく、かつ陽陰
の櫛状電極がｎ対から成つているとすると、第１
図の端子４―４間のインピーダンスＺは第９図に
示すように（ｎ−１）個のz0の並列回路で構成さ
れているから、直ちに次のように求まる。 Ｚ＝z0／ｎ＋１＝１／ｎ＋１・2r0／１＋ω2r2／0c2
／0 −ｊ１／ｎ＋１・2ωr2／0c0／１＋ω2r2／0c2／0(2) よつてアドミタンスＹは Ｙ＝１／Ｚ＝１／（１／ｎ＋１・2r0／１＋ω2r2／0c2
／0 −ｊ１／ｎ＋１ 2ωr2／0c0／１＋ω2r2／0c2／0） ＝ｎ＋１／2r0＋ｊ（ｎ＋１）c0／２・ω (3) 一方Ｚが抵抗ＲとキヤパシターＣとの並列回路
であるとすると、 Ｙ＝１／Ｒ＋jωC (4) となるから、(3)，(4)を比較して Ｒ＝１／ｎ＋１・2r0 (5) Ｃ＝（ｎ＋１）c0／２ (6) 即ち４―４間の抵抗は、電極素片Ｇ，Ｈ間の抵抗
2r0の１／（ｎ＋１）となり、キヤパシテイーは
Ｇ，Ｈ間のキヤパシテイc0／２の（ｎ＋１）倍と
なることが分る。即ち第１０図に示すようにな
る。 いま第１０図に示すようにくし状電極の有効長
をｌ、幅をｂ、間隔をｄ、第６図の３で示す酸化
Al層の厚さをｔ、その体積固有抵抗をρΩ−cm、
誘電率をＫとすると r0＝ρｔ／bl (7) c0＝Ｋbl／ｔ (8) よつて(5)，(6)に代入すると実際の場合のＲとＣの
値を求めることができる。 次に実施例について計算する。第１１図はセン
サ素子の櫛状電極部の設計の１例を示す平面図の
１部である。図示する各部の寸法は次の通りであ
る。 Ｂ＝７mm ｂ＝ｄ＝0.05mm（＝50μｍ） Ｌ＝8.8mm ｌ＝6.8mm ｎ＝70（対） そうすると第５図の従来例の場合、電極２０′
―２１′間の抵抗R′、キヤパシテイC′は次のよう
に与えられる。 次に本発明の場合には(7)，(8)式により (10)を(5)，(6)に代入して よつて(9)式を用いて 即ち本発明の場合は従来例に比し抵抗は約５倍
キヤパシテイは約１／５になることが分る。 次に実施例について詳述する。 第１図を参照して本発明に係るセンサ素子の製
法の１例について述べる。前出願の発明と重複す
る部分は極めて簡単に述べるに止める。 セラミツク基板１は高純度アルミナ磁器で、寸
法は10mm×15mm×0.6mmである。洗滌乾燥後、高
周波スパツタ法により基板上に、膜厚2000Åの
Ta薄膜を作る。次に化学エツチングにより２，
２で示す櫛状電極を作る。その幅と間隔は50μｍ
とした。 次に高真空中でマスク蒸着法により疎、斜線３
で示す部分に厚さ5000Å〜7000ÅのAl薄膜及び
Au電極４を作る。次に稀硫酸又は蓚酸を電解液
で３の部分を陽極酸化法により酸化Al層を形成
する。化成終了後純水の沸とう液中で充分に封孔
処理する。 次に充分に乾燥した後、蒸着槽の中に収容して
酸化Al層の表面に、Auを蒸着して膜厚1000Å内
外の透水性の非酸化性金属薄膜２１を作る。（第
６図参照）。この場合の金属は非酸化性であれば
よいのでAuの外にAg，Ni，Cr等も使用できる。
これ等の金属は2000Å〜700Å程度であれば何れ
も充分な透水性を有するが、1000Å程度が良好な
結果を与える。 最後に非イオン性界面活性剤ポリオキシエチレ
ン・アルキル・フエノール・エーテルの0.1〜１
容液％液で処理して乾燥する。 このようにして作られたセンサ素子の代表的特
性例を第１表に示す。
素子に関するものである。湿度センサは従来湿度
観測用として一部に使用されていたのであるが、
最近に至つて家電機器等に利用されるに至つて用
途は急激に拡大された。 Al薄膜を用いたセンサは既に幾つか公知とな
つている。その代表的なものは次の通りである。 (イ) 特願昭51−83507号（アルミニユウムの陽極
酸化薄膜を使用した含湿量検出素子） (ロ) 感度素子の試作（東京都立工業技術センター
研究報告第６号；1976年、51頁〜56頁） (ハ) 陽極化成Alの封孔処理効果（Sealing
Effects near the Barrier―Porous Layer
Interface of Anodic Aluminas；Solid Sate
Sience，Sep.，1970） その製法を、第１図を参照して極めて簡単に説
明する。図はこの種のセンサ素子の平面図であ
る。図において１はセラミツク基板、２は真空蒸
着又はスパツタ法によつて形成した一対の櫛（く
し）状薄膜電極である。即ちTiなどのバルブ金
属を用いて基板１の全面に亘つて蒸着法又はスパ
ツタ法によつて薄膜を形形した後、フオトエツチ
ングによつて所要のくし形電極を形成する。次に
Al薄膜をマスク蒸着により、くし状電極部分の
全面に形成し、後硫酸、蓚酸等の酸を用いて陽極
酸化法により酸化Alの薄膜３（疎斜線で示す）
を形成する。次に、センサ素子完成後に外部引出
しリード線５を半田付けするためにマスク蒸着法
によりAuの端子部４を設ける。その後で該素子
を純水を沸とうさせた熱湯中に30分くらい浸漬し
て、いわゆる封孔処理（Sealing）を行い、最後
にリード線５をAu端子部４に半田づけする。 前述のようにして作られたセンサは幾多の特徴
があるが、一方次のような欠点がある。 (1) 湿度に対するヒステリシスが大きい。 即ち第１図のリード線５，５間のコンダクタン
スが湿度の上昇と共に増加するのであるが、逆に
湿度を減少すると、コンダクタンス値が、上昇の
ときと異なる径路（パス）を通り、その差が大き
い。（第３図曲線を参照） (2) 低湿度の中では、時間と共に感度が徐徐に下
がる。 即ち前記リード線５，５間の湿度に対するコン
ダクタンス値およびそのスローブが時間と共に減
少する。 (3) 高湿度の中では、感度が増加し、かつ不安定
となる。（第３図曲線を参照） 即ち相対湿度が80％R.H.以上の高湿度中では、
感度が次第に増加し、かつ不安定となる。 そこで本発明者は、上記従来の湿度センサ素子
の欠点を解決する湿度センサを、特願昭56−8601
号（特開昭57−124401号：以下前出願と言う。）
に開示した。 前出願に係る湿度センサ素子は、 絶縁基板の上に形成された薄膜状バルブ金属の
電極上の全面に亘つて設けられたAl薄膜を陽極
酸化して生じた酸化Alの表面を、界面活性剤で
被覆して成ることを特徴とするものである。 即ち前出願の新規な点は界面活性剤を用いた点
で、これにより特性は飛躍的に向上した。その理
由については前出願に詳述したが、次に極めて簡
単に述べる。 (1) 陽極化成された酸化Alセンサ素子の表面層
は、いわゆるベーマイト（Bo¨hmite又は
Bo¨moit）層といわれ、AlO（OH）の針状又は
板状の微結晶構造を有している。この層の表面
に非イオン性界面活性剤の層を作つた場合を考
える。（イオン性、両イオン性の活性剤は電界
印加によつてそれ自身電気伝導を開始するの
で、センサの感度増進法としては用いることは
困難なようであり、いまのところ利用できない
ものと思われる。）外界の湿度が上がると活性
剤の表面分子層は直ちにH2O分子をトラツプ
するので、センサの両端子間（第１図に示す
４，４間）のコンダクタンスは増加する。更に
湿度が増すと、活性剤のない場合には、前記ベ
ーマイト層の表面は見掛上H2O分子で飽和し
た形となり、コンダクタンスはあまり増加しな
い。更に湿度が増加すると、表面に結露した
H2Oによる電気伝導が始まるため、急激に前
記端子間のコンダクタンスが増加すると同時
に、その値は不安定になる。然るに界面活性層
がある場合には、湿度が増加しても、その表面
のH2O分子をトラツプする能力は低下しない
ので、端子コンダクタンスは増加し続け、従つ
てセンサ感度は低下しない。また不安定になる
こともない。即ち第３図曲線で示すようにな
る。 次に湿度が低下した場合には、活性面の表面
から、トラツプされたH2O分子が放出されて
端子コンダクタンスは低下する。 このとき放出されるH2Oの分子は、結晶水
の形で束縛されているのではないから、前記ヒ
ステリシス現象は極めて小さい。（第３図曲線
参照） なお活性剤の層の厚さは、大きすぎると当然
センサの感度が下ると同時に、水によつて膨潤
してぜい弱となり、甚だしい時は層自体が移動
するという現象を生ずる。実験結果によると厚
さは0.5μｍ以下が望ましく、大であつても1μｍ
が限度と思われる。このように膜厚を小にする
と活性剤の層はAlの酸化膜又はベーマイト層
と固く結合して、洗滌しても容易に剥離せず、
高温中でも容易に溶出しない。かつ湿度の変化
に対する応答速度も速い。 (2) 前記非イオン性界面活性剤として、ポリオキ
シエチレンアルキルフエニールエーテルが良い
結果を与える。 (3) 電極として使用するバルブ金属としては薄膜
状のTaが望ましい。その理由については前出
願に詳記してあるので省略する。第２図は化成
が終つたときの化成膜の断面の１部を示すもの
で、第１図と同一部分については同一符号を付
して説明を省略する。２1，２2はそれぞれTa
及び酸化Taの薄膜層を示す。Ta電極を用いる
と、化成の最初に酸化層２2が生じ、これが絶
縁層となつて電極部分の内部には酸化反応が進
行しない。それ故化成終了後にも、良好な導電
性を保持する。 前出願に係るセンサ素子は第１図、第２図から
明らかなようにTa電極２―２間の電気伝導は酸
化Alの薄膜によつて行われるのでその入力イン
ピーダンスは極めて高い。その値は後述するよう
に10MΩオーダーとなる。（第１表参照） いま湿度検出装置として第４図の回路を用いる
ことにする。図においてＡ，Ｂは励振電圧Viの
入力端子、Rs１０は標準抵抗、Rx１１はセンサ
素子の入力等価抵抗、１２は増幅器（以下アンプ
と略称する）、１３，１４は帰還電圧の分圧抵抗、
Ｃ，Ｄは出力電圧Voの出力端子である。いまRs
を流れる電流が定電流であり、かつアンプの入力
インピーダンスが非常に大きければ、出力電圧
VoはRxに比例する。このためRsがRxに比して
極めて大であればRs，Rxを流れる電流は定電流
とみなし得る。この条件は100≦（Rs／Rx）であ
れば満足されるとしてよいであろう。 前出願に係るセンサ素子ではRxは10MΩオー
ダであるからRsは少なくとも100MΩ程度となる。
そうすると、その正確な標準抵抗を作ることは相
当困難であるため高価格となり、同様に使用アン
プ１２は高い入力インピーダンスを必要とするた
め、信頼性の良いアンプは高価格となると同時
に、回路自身がやや不安定となり、時には発振す
ることにもなる。 従来の湿度センサ素子において、入力インピー
ダンスを低くできるものとしては、下記の文献
(ニ)，(ホ)に示されたものがある。 (ニ) 特開昭53−9595号（第２図） (ホ) 電気学会論文紙(A)第101巻（第151頁第４図） その構造は第５図に示す通りである。第５図は
従来の湿度センサ素子の一部断面図である。同図
において２０′はTi等の金属薄膜電極であり、
３′は陽極化成された配化Al層であり、２１′は
透水性を有するAu等の導電性の薄膜電極である。
金属薄膜電極２０′は一方の極性の端子に接続さ
れ、透水性を有する薄膜電極２１′は他方の極性
の端子に接続される。したがつて電極２０′及び
２１′は、本発明が改良の対象とする湿度センサ
素子の一対の櫛状電極に相当する。酸化Al層
３′の厚みは20μｍのオーダーであるため、電極
２０′，２１′間のインピーダンスはキヤパシテイ
ブ（capacitive）即ち容量性でかなり大きなもの
となり、入力インピーダンスは減少する。電極２
１′は、透水性を有するため、湿度に対するセン
サ素子の感度は影響を受けない。 しかしながら発明者の実験によると、この従来
の湿度センサ素子では入力インピーダンスは低下
するものの、湿度に対する感度も少なからず低下
することが観測された。その原因なインピーダン
スが容量性であることが関係している。 本発明の目的は、前出願の湿度センサ素子の優
位性を保つてしかも入力インピーダンスの低い湿
度センサ素子を提供することにある。 本発明の湿度センサ素子では、上記問題点を解
決するために、絶縁基板１の上に形成された薄膜
状バルブ金属からなる一対の櫛状電極２，２の電
極部分Ｇ…，Ｈ…上に全面に亘つて設けられた酸
化Al薄膜３の上に、透水性の導電薄膜２１を設
け、この透水性の導電薄膜２１の表面を界面活性
剤で被覆する。 透水性の導電薄膜２１を酸化Al薄膜３の上に
設けると、一対の櫛状電極２，２の対向する各電
極素片Ｇ，Ｈ間のインピーダンスZ0が並列接続さ
れた状態となり、入力インピーダンスは大幅に低
くなる。しかも第５図に示した入力インピーダン
スの低い従来の湿度センサ素子と比べて、本発明
の湿度センサ素子では、インピーダンス中の抵抗
分が大きくなり、キヤパシテイ分が小さくなるた
めキヤパシテイ分による影響は小さい。また導電
薄膜２１は透水性を有しているため、導電薄膜２
１の表面を覆う界面活性剤の作用が実質的に減じ
られることはない。 第６図は、本発明の一実施例の構造を示す概略
断面図を示している。第６図は第２図及び第５図
に相当する断面図で、１は基板、２，２は第１図
の対向電極２，２を等価回路化して表わしたもの
で３は酸化Alの薄膜、２１はAu等の薄膜の透水
性導電膜である。なお導電薄膜２１の表面を覆う
界面活性剤の層は非常に薄いため、第６図では図
示していない。こうすると対向電極２，２に属す
る任意の相隣る１対の対向電極素片Ｇ，Ｈ間の等
価回路は第７図で表わすことができる。図におい
て１は基板、２１は透水性導電膜である。そうす
るとＧ，Ｈ間のインピーダンスz0は透水性導電膜
２１とＧ、又はＨ間の抵抗をr0、キヤパシター分
をc0とすると第７図の等価回路は結局第８図のよ
うになるから、z0は簡単に次のように求まる。 z0＝2z＝２１／１／γ0＋jωc0＝2r0／１＋jωr0c0 ＝2r0（１−jωr0c0）／１＋ω2r2／0c2／0 ＝2r0／１＋ω2r2／0c2／0−ｊ2ωr2／0c0／１＋ω2r
2／0c2／0(1) 電極片Ｇ，Ｈの寸法、間隔が等しく、かつ陽陰
の櫛状電極がｎ対から成つているとすると、第１
図の端子４―４間のインピーダンスＺは第９図に
示すように（ｎ−１）個のz0の並列回路で構成さ
れているから、直ちに次のように求まる。 Ｚ＝z0／ｎ＋１＝１／ｎ＋１・2r0／１＋ω2r2／0c2
／0 −ｊ１／ｎ＋１・2ωr2／0c0／１＋ω2r2／0c2／0(2) よつてアドミタンスＹは Ｙ＝１／Ｚ＝１／（１／ｎ＋１・2r0／１＋ω2r2／0c2
／0 −ｊ１／ｎ＋１ 2ωr2／0c0／１＋ω2r2／0c2／0） ＝ｎ＋１／2r0＋ｊ（ｎ＋１）c0／２・ω (3) 一方Ｚが抵抗ＲとキヤパシターＣとの並列回路
であるとすると、 Ｙ＝１／Ｒ＋jωC (4) となるから、(3)，(4)を比較して Ｒ＝１／ｎ＋１・2r0 (5) Ｃ＝（ｎ＋１）c0／２ (6) 即ち４―４間の抵抗は、電極素片Ｇ，Ｈ間の抵抗
2r0の１／（ｎ＋１）となり、キヤパシテイーは
Ｇ，Ｈ間のキヤパシテイc0／２の（ｎ＋１）倍と
なることが分る。即ち第１０図に示すようにな
る。 いま第１０図に示すようにくし状電極の有効長
をｌ、幅をｂ、間隔をｄ、第６図の３で示す酸化
Al層の厚さをｔ、その体積固有抵抗をρΩ−cm、
誘電率をＫとすると r0＝ρｔ／bl (7) c0＝Ｋbl／ｔ (8) よつて(5)，(6)に代入すると実際の場合のＲとＣの
値を求めることができる。 次に実施例について計算する。第１１図はセン
サ素子の櫛状電極部の設計の１例を示す平面図の
１部である。図示する各部の寸法は次の通りであ
る。 Ｂ＝７mm ｂ＝ｄ＝0.05mm（＝50μｍ） Ｌ＝8.8mm ｌ＝6.8mm ｎ＝70（対） そうすると第５図の従来例の場合、電極２０′
―２１′間の抵抗R′、キヤパシテイC′は次のよう
に与えられる。 次に本発明の場合には(7)，(8)式により (10)を(5)，(6)に代入して よつて(9)式を用いて 即ち本発明の場合は従来例に比し抵抗は約５倍
キヤパシテイは約１／５になることが分る。 次に実施例について詳述する。 第１図を参照して本発明に係るセンサ素子の製
法の１例について述べる。前出願の発明と重複す
る部分は極めて簡単に述べるに止める。 セラミツク基板１は高純度アルミナ磁器で、寸
法は10mm×15mm×0.6mmである。洗滌乾燥後、高
周波スパツタ法により基板上に、膜厚2000Åの
Ta薄膜を作る。次に化学エツチングにより２，
２で示す櫛状電極を作る。その幅と間隔は50μｍ
とした。 次に高真空中でマスク蒸着法により疎、斜線３
で示す部分に厚さ5000Å〜7000ÅのAl薄膜及び
Au電極４を作る。次に稀硫酸又は蓚酸を電解液
で３の部分を陽極酸化法により酸化Al層を形成
する。化成終了後純水の沸とう液中で充分に封孔
処理する。 次に充分に乾燥した後、蒸着槽の中に収容して
酸化Al層の表面に、Auを蒸着して膜厚1000Å内
外の透水性の非酸化性金属薄膜２１を作る。（第
６図参照）。この場合の金属は非酸化性であれば
よいのでAuの外にAg，Ni，Cr等も使用できる。
これ等の金属は2000Å〜700Å程度であれば何れ
も充分な透水性を有するが、1000Å程度が良好な
結果を与える。 最後に非イオン性界面活性剤ポリオキシエチレ
ン・アルキル・フエノール・エーテルの0.1〜１
容液％液で処理して乾燥する。 このようにして作られたセンサ素子の代表的特
性例を第１表に示す。
【表】
【表】
第１表から明らかなように本発明によるセンサ
素子は端子抵抗が常温常湿中で10KΩオーダであ
るから、この素子を用いて第４図の回路により湿
度センサを組立てるときには、標準抵抗Rsは前
述のようにRxの100倍と見て1MΩでよい。従つ
て使用するアンプの入力インピーダンスもそう高
くする必要はない。 然るに前出願発明によるものは端子抵抗は
10MΩ前後となるので、Rsの値は前述のように
1000MΩオーダとする必要がある。 なお端子間の容量は、前出願によるセンサ素子
に比較すれば非常に大きい。これは透水性導電薄
膜があることから当然である。然し第５図に示す
ような従来のセンサ素子に比較すれば数分の１の
大きさになるのである。即ちほぼ(12)式を満足する
ものである。 次にその湿度特性を示すと第１２図のようにな
る。測定回路は第４図による。図においてカーブ
，はそれぞれ前出願発明によるセンサ素子及
び本発明による素子の特性を示す。但し第４図の
標準抵抗Rsは10MΩである。本発明の優位性は明
らかであろう。同図のカーブ，はそれぞれ前
出願によるセンサ素子及び本発明のセンサ素子の
特性である。但し前記Rsの値は1000MΩである。
この場合には前出願によるものが特性は勿論優れ
ている。その理由は既に説明したように入力イン
ピーダンスが1000MΩの高い値であるからであ
る。然るに本発明によるものは入力インピーダン
スが1/100オーダーの低い値である。従つてその
出力電圧が小になることは第４図から明らかであ
ろう。即ち前出願発明に係るものはRsが極めて
高くしないと使用できない。なお使用周波数は50
Hzである。 上記実施例の湿度センサ素子によれば、下記の
効果が得られる。 (i) 入力インピーダンスが低いので、使用回路の
標準抵抗Rsの値も低くてよい。従つてRs、ア
ンプ共に低価格となる。又回路自体が安定にな
る。その理由はRs及び使用アンプの入力イン
ピーダンスが高くなると回路が不安定となり、
甚だしいときには発振することがあるからであ
る。 (ii) 前出願に係るセンサ素子の良好な特性を示す
励振周波数は10Hz前後で、50Hz以上になると特
性が低下する。本発明に係るセンサ素子は10Hz
〜100KHzの広範囲に亘つて良好な特性を示す。
従つて励振用電源としてライン電圧をそのまま
使用できるという利点がある。これ等の周波数
特性については煩雑を避けるために省略する。 以上の通り、本発明によれば、透水性の導電薄
膜を酸化Al薄膜の上に設けることにより、一対
の櫛状電極の対向する各電極素片間のインピーダ
ンスZ0を並列接続状態にして、入力インピーダン
スを低くできる。しかも本発明の湿度センサ素子
では、インピーダンス中の抵抗分が大きくなり、
逆にキヤパシテイ分が小さくなるため、キヤパシ
テイによる感度の低下を抑制できる。 また本発明では、透水性の導電薄膜を界面活性
剤で覆つているため、湿度センサ素子のヒステリ
シス現象を小さくして、しかも感度を上げること
ができる。
素子は端子抵抗が常温常湿中で10KΩオーダであ
るから、この素子を用いて第４図の回路により湿
度センサを組立てるときには、標準抵抗Rsは前
述のようにRxの100倍と見て1MΩでよい。従つ
て使用するアンプの入力インピーダンスもそう高
くする必要はない。 然るに前出願発明によるものは端子抵抗は
10MΩ前後となるので、Rsの値は前述のように
1000MΩオーダとする必要がある。 なお端子間の容量は、前出願によるセンサ素子
に比較すれば非常に大きい。これは透水性導電薄
膜があることから当然である。然し第５図に示す
ような従来のセンサ素子に比較すれば数分の１の
大きさになるのである。即ちほぼ(12)式を満足する
ものである。 次にその湿度特性を示すと第１２図のようにな
る。測定回路は第４図による。図においてカーブ
，はそれぞれ前出願発明によるセンサ素子及
び本発明による素子の特性を示す。但し第４図の
標準抵抗Rsは10MΩである。本発明の優位性は明
らかであろう。同図のカーブ，はそれぞれ前
出願によるセンサ素子及び本発明のセンサ素子の
特性である。但し前記Rsの値は1000MΩである。
この場合には前出願によるものが特性は勿論優れ
ている。その理由は既に説明したように入力イン
ピーダンスが1000MΩの高い値であるからであ
る。然るに本発明によるものは入力インピーダン
スが1/100オーダーの低い値である。従つてその
出力電圧が小になることは第４図から明らかであ
ろう。即ち前出願発明に係るものはRsが極めて
高くしないと使用できない。なお使用周波数は50
Hzである。 上記実施例の湿度センサ素子によれば、下記の
効果が得られる。 (i) 入力インピーダンスが低いので、使用回路の
標準抵抗Rsの値も低くてよい。従つてRs、ア
ンプ共に低価格となる。又回路自体が安定にな
る。その理由はRs及び使用アンプの入力イン
ピーダンスが高くなると回路が不安定となり、
甚だしいときには発振することがあるからであ
る。 (ii) 前出願に係るセンサ素子の良好な特性を示す
励振周波数は10Hz前後で、50Hz以上になると特
性が低下する。本発明に係るセンサ素子は10Hz
〜100KHzの広範囲に亘つて良好な特性を示す。
従つて励振用電源としてライン電圧をそのまま
使用できるという利点がある。これ等の周波数
特性については煩雑を避けるために省略する。 以上の通り、本発明によれば、透水性の導電薄
膜を酸化Al薄膜の上に設けることにより、一対
の櫛状電極の対向する各電極素片間のインピーダ
ンスZ0を並列接続状態にして、入力インピーダン
スを低くできる。しかも本発明の湿度センサ素子
では、インピーダンス中の抵抗分が大きくなり、
逆にキヤパシテイ分が小さくなるため、キヤパシ
テイによる感度の低下を抑制できる。 また本発明では、透水性の導電薄膜を界面活性
剤で覆つているため、湿度センサ素子のヒステリ
シス現象を小さくして、しかも感度を上げること
ができる。
第１図は皮膜形（薄膜形を含む）センサ素子の
平面図、第２図は第１図のくし状電極の１部を拡
大した断面図、第３図は従来のセンサ素子と前出
願発明に係るセンサ素子の対湿特性を示すグラ
フ、第４図は前記対湿特性の測定回路図、第５図
は透水性の導電性薄膜電極を用いた従来のセンサ
素子の１部断面図、第６図は本発明に係る透水性
の導電性薄膜層を有するセンサ素子の１部断面
図、第７図はくし状電極の任意の１対の電極素片
間の電気的インピーダンスの等価回路図、第８図
は第７図を理解しやすく書き換えた等価回路図、
第９図は本発明に係るセンサ素子端子間のインピ
ーダンス等価回路図、第１０図は第９図を更に簡
略化した等価回路図、第１１図はくし状電極のく
し状部分の平面図、第１２図は本発明及び前出願
発明に係るセンサ素子の対湿特性を示すグラフで
ある。 図において、１…セラミツク基板、４…櫛状電
極の端子、２…櫛状電極、５…リード線、３…酸
化Al薄膜、２１…透水性の導電性薄膜である。
平面図、第２図は第１図のくし状電極の１部を拡
大した断面図、第３図は従来のセンサ素子と前出
願発明に係るセンサ素子の対湿特性を示すグラ
フ、第４図は前記対湿特性の測定回路図、第５図
は透水性の導電性薄膜電極を用いた従来のセンサ
素子の１部断面図、第６図は本発明に係る透水性
の導電性薄膜層を有するセンサ素子の１部断面
図、第７図はくし状電極の任意の１対の電極素片
間の電気的インピーダンスの等価回路図、第８図
は第７図を理解しやすく書き換えた等価回路図、
第９図は本発明に係るセンサ素子端子間のインピ
ーダンス等価回路図、第１０図は第９図を更に簡
略化した等価回路図、第１１図はくし状電極のく
し状部分の平面図、第１２図は本発明及び前出願
発明に係るセンサ素子の対湿特性を示すグラフで
ある。 図において、１…セラミツク基板、４…櫛状電
極の端子、２…櫛状電極、５…リード線、３…酸
化Al薄膜、２１…透水性の導電性薄膜である。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 絶縁基板の上に形成された薄膜状バルブ金属
からなる一対の櫛状電極と、 前記一対の櫛状電極の電極部分上に全面に亘つ
て設けられた酸化Al薄膜と、 前記酸化Al薄膜の上に形成された透水性の導
電薄膜とを具備し、 前記透水性の導電薄膜の表面が界面活性剤で被
覆されていることを特徴とするAlの陽極酸化薄
膜を用いた湿度センサ素子。 ２ 第１項記載の界面活性剤として、非イオン性
界面活性剤を用いることを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載のAlの陽極酸化薄膜を用いた湿
度センサ素子。 ３ 第２項記載の非イオン性活性界面剤として、
ポリオキシエチレンアルキルフエニールエーテル
を用いることを特徴とする特許請求の範囲第２項
記載のAlの陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ素
子。 ４ 第１項記載の一対の櫛状電極として薄膜状
Ta電極を用いることを特徴とする特許請求の範
囲第１項ないし第３項の何れか１つに記載のAl
の陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ素子。 ５ 第１項記載の透水性の導電薄膜として、不銹
性の金属薄膜を用いることを特徴とする特許請求
の範囲第１項ないし第４項の何れか１つに記載の
Alの陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ素子。 ６ 第５項記載の不銹性の金属薄膜として、Au，
Ag，Ni及びCr等の金属の薄膜を用いることを特
徴とする特許請求の範囲第５項記載のAlの陽極
酸化薄膜を用いた湿度センサ素子。 ７ 第１項記載の透水性の導電薄膜の厚さを500
Å〜2000Åとすることを特徴とする特許請求の範
囲第１項ないし第６項の何れか１つに記載のAl
の陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57061132A JPS58179348A (ja) | 1982-04-14 | 1982-04-14 | Ａｌの陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57061132A JPS58179348A (ja) | 1982-04-14 | 1982-04-14 | Ａｌの陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58179348A JPS58179348A (ja) | 1983-10-20 |
| JPH0244022B2 true JPH0244022B2 (ja) | 1990-10-02 |
Family
ID=13162240
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57061132A Granted JPS58179348A (ja) | 1982-04-14 | 1982-04-14 | Ａｌの陽極酸化薄膜を用いた湿度センサ素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58179348A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003516539A (ja) * | 1999-12-08 | 2003-05-13 | ゼンジリオン アクチエンゲゼルシャフト | 容量型センサー |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS6283641A (ja) * | 1985-10-08 | 1987-04-17 | Sharp Corp | 電界効果型半導体センサ |
| JP2002243689A (ja) * | 2001-02-15 | 2002-08-28 | Denso Corp | 容量式湿度センサおよびその製造方法 |
| JP4708636B2 (ja) * | 2001-09-20 | 2011-06-22 | ミサワホーム株式会社 | 天井施工方法および天井パネル |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS57124401A (en) * | 1981-01-24 | 1982-08-03 | Hokuriku Elect Ind | Moisture sensor element using al anode oxide thin film |
-
1982
- 1982-04-14 JP JP57061132A patent/JPS58179348A/ja active Granted
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003516539A (ja) * | 1999-12-08 | 2003-05-13 | ゼンジリオン アクチエンゲゼルシャフト | 容量型センサー |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58179348A (ja) | 1983-10-20 |
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