JPH05322828A - Humidity sensor and its manufacture - Google Patents

Humidity sensor and its manufacture

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JPH05322828A
JPH05322828A JP14990392A JP14990392A JPH05322828A JP H05322828 A JPH05322828 A JP H05322828A JP 14990392 A JP14990392 A JP 14990392A JP 14990392 A JP14990392 A JP 14990392A JP H05322828 A JPH05322828 A JP H05322828A
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JP
Japan
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thin film
humidity sensor
substrate
moisture
humidity
Prior art date
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Pending
Application number
JP14990392A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Akira Kunimoto
晃 国元
Takashi Ono
敬 小野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Riken Corp
Original Assignee
Riken Corp
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Filing date
Publication date
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Priority to JP14990392A priority Critical patent/JPH05322828A/en
Publication of JPH05322828A publication Critical patent/JPH05322828A/en
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

PURPOSE:To obtain a thin humidity sensor of good performance, in which thin- film element section has good adhesion to the substrate. CONSTITUTION:The title humidity sensor 1 is formed by successively forming a layer 18 having fine alumina projections and second thin layer 11 constituted by successively forming a first thin-film electrode 14a, first thin-film layer 12 composed mainly of at least one kind selected from the oxides of alkaline earth metals, and second thin film layer 11 composed mainly of the oxide of a metal other than the alkaline earth metal elements, alkali metal elements, and precious metal elements and a second thin film electrode 14b on one surface of a compact substrate 15 having a good electrical insulating property and forming thin film heaters 16 on the other surface of the substrate 15. The sensor 1 is always maintained in a high-temperature state of >=200 deg.C and detects humidity.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は湿度センサ及びその製造
方法に関し、更に詳しくは、幅広い温度範囲に対応でき
る薄型(小型)の湿度センサ、及びそのような湿度セン
サを製造する方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a humidity sensor and a method of manufacturing the same, and more particularly, to a thin (small) humidity sensor that can handle a wide temperature range and a method of manufacturing such a humidity sensor.

【0002】[0002]

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来よ
り、大気中の湿度や各種ガス中の水分を検知するのに多
種多様の方法が行われているが、最近では、各種家電機
器等に湿度検知手段を付与し、機器の制御をすることが
行われるようになってきており、個体素子型の湿度セン
サが広く使用されるようになってきた。この個体素子型
の湿度センサは、その検知原理から、抵抗変化(イン
ピーダンス変化)を利用するもの、容量変化を利用す
るもの、周波数変化を利用するもの、熱伝導変化を
利用するものや、超音波や赤外線等を利用するものに
分類されるが、それらの中では、抵抗変化型や容量変化
型のものが主として用いられている。
2. Description of the Related Art Conventionally, various methods have been used to detect humidity in the atmosphere and moisture in various gases, but recently, in various home electric appliances, etc. Humidity detecting means has been added to control devices, and individual element type humidity sensors have been widely used. Due to its detection principle, this solid element type humidity sensor uses resistance change (impedance change), capacitance change, frequency change, heat conduction change, and ultrasonic wave. And those using infrared rays, etc., among which resistance change type and capacitance change type are mainly used.

【0003】これら抵抗変化型や容量変化型の湿度セン
サをその構成材料から分類すると、高分子系センサ(高
分子膜を用いたセンサ)と金属酸化物系センサとに大別
される。高分子系センサは、抵抗変化型及び容量変化型
のいずれの場合においても雰囲気中の相対湿度を検知す
るものであり、その材料特性(用いる高分子膜の性質)
から0℃以下の低温雰囲気、及び50℃程度以上の高温雰
囲気の測定には適しない。0℃以下の低温雰囲気では結
氷する可能性があり、また50℃程度以上の高温雰囲気で
は高分子膜が変質する可能性があるからである。通常、
この種のセンサは非加熱方式であるが、高分子系センサ
においては、使用雰囲気中の粉塵、油煙等による素子表
面(高分子膜表面)のよごれにより出力の変動がみられ
やすく、長期安定性が悪い。したがって、高分子系セン
サの使用環境条件は自ずと制限される。
These resistance change type and capacitance change type humidity sensors are roughly classified into polymer type sensors (sensors using a polymer film) and metal oxide type sensors. The polymer type sensor detects the relative humidity in the atmosphere in both the resistance change type and the capacitance change type, and its material characteristics (property of the polymer film used)
It is not suitable for the measurement of low temperature atmosphere below 0 ° C and high temperature atmosphere above 50 ° C. This is because freezing may occur in a low temperature atmosphere of 0 ° C. or lower, and the polymer film may deteriorate in a high temperature atmosphere of approximately 50 ° C. or higher. Normal,
This type of sensor is a non-heating type, but in the case of polymer type sensors, the output is likely to fluctuate due to dust on the element surface (polymer film surface) due to dust, oil smoke, etc. in the use atmosphere, and long-term stability Is bad. Therefore, the environmental conditions of use of the polymer sensor are naturally limited.

【0004】一方、金属酸化物系センサにおいては、抵
抗変化型及び容量変化型とも常温作動のものが広く用い
られているが、この種のセンサも、上述した高分子系セ
ンサと同様に使用環境温度に制約があり、また、使用雰
囲気中の粉塵、油煙等による素子表面のよごれにより出
力の変動がみられやすい欠点がある。そこで、その構成
材料(金属酸化物)の耐熱性を利用して、一時的に素子
を400 〜500 ℃に加熱して素子(金属酸化物)表面の汚
れを焼き飛ばしてしまういわゆるリフレッシュ機構を備
えたセンサも開発されている。
On the other hand, as the metal oxide type sensor, both the resistance change type and the capacitance change type which are operated at room temperature are widely used, but this type of sensor is also used in the same environment as the polymer type sensor described above. There are drawbacks that the temperature is limited and that the output is easily changed due to dirt on the element surface due to dust, oil smoke, etc. in the use atmosphere. Therefore, by utilizing the heat resistance of the constituent material (metal oxide), a so-called refresh mechanism is provided to temporarily heat the element to 400 to 500 ° C to burn off the dirt on the surface of the element (metal oxide). Sensors have also been developed.

【0005】しかしながら、このリフレッシュ機構を作
動させて一時的に素子を加熱する(リフレッシングを行
う)と、リフレッシング及びリフレッシング後のしばら
くの間(再び初期安定レベルに復帰するまでの間)は湿
度センサとして機能できず、その間の湿度の検知は行え
ない。なお、金属酸化物系センサにおいては、金属酸化
物の低温における大きな吸湿能を利用し、水分の吸脱着
に伴う抵抗変化を測定して湿度を検知するように構成さ
れたものが広く利用されている。
However, when the refresh mechanism is operated to temporarily heat the element (refreshing), the humidity sensor is used for a while after the refreshing (until the initial stable level is restored again). It cannot function and cannot detect humidity during that time. In addition, in the metal oxide sensor, a sensor configured to detect the humidity by utilizing the large hygroscopic ability of the metal oxide at a low temperature and measuring the resistance change associated with the adsorption and desorption of water is widely used. There is.

【0006】以上述べた常温作動型のセンサ(リフレッ
シュ機構を備えたセンサも含む)における欠点(使用環
境温度の狭さや長期安定性の問題)を解決しようとした
ものとして、高温作動型の金属酸化物系センサが開発さ
れている。一般に、高温域での金属酸化物の湿度に対す
るインピーダンスの変化量は常温におけるそれよりは小
さくなるが、十分に湿度の変化を検知できる程度の変化
を示し、また、100 ℃以上の高温雰囲気中でも十分に湿
度の検知を行うことが可能である。このような高温作動
型の金属酸化物系センサにおいては、素子は常時数百℃
に加熱されているので特別なリフレッシングは必要な
く、素子表面は常に清浄な状態に保たれることになる。
したがって、検知レベルは長期間にわたって安定する。
As an attempt to solve the above-mentioned drawbacks (problems of narrow environmental temperature and long-term stability) of the room temperature operation type sensor (including the sensor having a refresh mechanism), a high temperature operation type metal oxide is used. Physical sensors have been developed. In general, the amount of change in impedance of a metal oxide with respect to humidity in the high temperature range is smaller than that at room temperature, but it shows a change enough to detect a change in humidity, and is sufficient even in a high temperature atmosphere of 100 ° C or higher. It is possible to detect humidity. In such a high temperature operation type metal oxide sensor, the element is always several hundred degrees Celsius.
Since it is heated to 0 ° C., no special refreshing is necessary and the element surface is always kept clean.
Therefore, the detection level is stable for a long period of time.

【0007】高温作動型の抵抗変化型湿度センサには、
従来、ZrO2 、TiO2 、CaZrO3 等のセラミック粉体を
バインダー等とともに一旦ペーストにし、それをシート
状に成形、焼成して得られたセラミックシートをチップ
状に切断して得られた感湿体が用いられていた。そのよ
うな高温作動型の湿度センサの一例として、特開昭58−
138001号には図6に示す構成のセンサが開示されてい
る。図6に示す湿度センサ8は、金属酸化物のチップ基
板81(これが湿度の変化に伴って電気抵抗値を変化させ
るものであり、感湿体と呼ばれる)と、この基板81の両
面に形成された一対の多孔質の電極82、82と、これらの
電極に接続した白金等のリード線部84、84とを有する素
子の周りに、コイルヒータ83を配置してなる。なお、こ
の構造の湿度センサ8では、コイルヒータ83は感湿体に
接触しないように素子を取り巻くか、またはコイルヒー
タ83の表面に絶縁層を形成しておく必要がある。
The high temperature operation resistance change type humidity sensor includes
Moisture-sensitive material obtained by cutting ceramic powder such as ZrO 2 , TiO 2 and CaZrO 3 into a paste with a binder, molding it into a sheet and firing it into chips The body was being used. As an example of such a high temperature operation type humidity sensor, Japanese Patent Laid-Open No.
No. 138001 discloses a sensor having the structure shown in FIG. The humidity sensor 8 shown in FIG. 6 is formed on both surfaces of a metal oxide chip substrate 81 (which is referred to as a humidity sensitive element, which changes an electric resistance value with a change in humidity). A coil heater 83 is arranged around an element having a pair of porous electrodes 82, 82 and lead wire portions 84, 84 made of platinum or the like connected to these electrodes. In the humidity sensor 8 having this structure, the coil heater 83 needs to surround the element so as not to come into contact with the humidity sensitive body, or an insulating layer needs to be formed on the surface of the coil heater 83.

【0008】図6に示す湿度センサ8では、間接的に素
子(感湿体)を加熱する構造となっているので、ヒータ
熱効率が悪い。また、コイル状ヒータを使っているため
ヒータの抵抗値を大きくすることが難しく、そのため素
子(感湿体)を所望の作動温度に加熱するために比較的
大きな電流を必要とし、消費電力が大きくなる。したが
って、この種の素子を機器に組み込む場合には、容量の
大きな高価な回路部品が必要となる。
Since the humidity sensor 8 shown in FIG. 6 has a structure for indirectly heating the element (humidity sensor), the heater thermal efficiency is poor. Further, since the coil heater is used, it is difficult to increase the resistance value of the heater. Therefore, a relatively large current is required to heat the element (humidity sensor) to a desired operating temperature, resulting in high power consumption. Become. Therefore, when incorporating this type of element into a device, an expensive circuit component having a large capacity is required.

【0009】また、特開平1−158340号には、図7に示
すような湿度センサが開示されている。図7は湿度セン
サ9を一部破断して示しているが、この湿度センサ9
は、ヒータ92、電極94及び測温体93を1つの感湿体91内
に埋設した構造を有する。なお、湿度センサ9において
は、ヒータ92は、電極94に対向するもう一方の電極を兼
ねている。このような構造のセンサでは、ヒータ92は直
接的に感湿体91を加熱することになるので、熱効率は大
きくなる。なお、このような構造の湿度センサは、ヒー
タ92、測温体93、電極94をそれぞれ表面に形成した複数
のセラミックグリーンシートを重ね合わせ、これを焼成
することにより製造することができ、感湿体91に埋設さ
れたヒータ等への結線はスルーホール95を用いて行うこ
とができる。
Further, Japanese Patent Laid-Open No. 1-158340 discloses a humidity sensor as shown in FIG. FIG. 7 shows the humidity sensor 9 in a partially cutaway manner.
Has a structure in which the heater 92, the electrode 94, and the temperature measuring element 93 are embedded in one humidity sensing element 91. In the humidity sensor 9, the heater 92 also serves as the other electrode facing the electrode 94. In the sensor having such a structure, the heater 92 directly heats the moisture sensitive body 91, so that the thermal efficiency is increased. The humidity sensor having such a structure can be manufactured by stacking a plurality of ceramic green sheets each having a heater 92, a temperature measuring element 93, and an electrode 94 formed on the surface thereof, and firing the stacked sheets. Connection to a heater or the like embedded in the body 91 can be performed using the through hole 95.

【0010】図6及び図7に示すような従来の高温作動
型の湿度センサでは、ともに金属酸化物粉体から製造し
た成形体を焼成して感湿体としている。金属酸化物は、
組成及び不純物濃度にもよるが一般に高抵抗値を示す。
このため、この種の湿度センサにおいては、感湿体の厚
みが大きいほど抵抗値が上昇し、回路設計が難しくな
る。高温作動型の湿度センサの湿度感知は、基本的に感
湿体の抵抗値の変化によるものであるので、実際上は感
湿体の抵抗値(インピーダンス)を1MΩ以下に設定す
る必要があり、薄型の感湿体とするのが望ましい。
In the conventional high temperature operation type humidity sensor as shown in FIGS. 6 and 7, both the molded body made of the metal oxide powder is fired to obtain the moisture sensitive body. The metal oxide is
Generally, it exhibits a high resistance value, although it depends on the composition and the impurity concentration.
Therefore, in this type of humidity sensor, the resistance value increases as the thickness of the humidity sensing element increases, which makes circuit design difficult. Since the humidity sensing of the high temperature type humidity sensor is basically based on the change of the resistance value of the humidity sensitive body, it is necessary to set the resistance value (impedance) of the humidity sensitive body to 1 MΩ or less in practice. It is desirable to use a thin moisture sensitive material.

【0011】また、感湿体の厚みが大きい場合、以下の
ような不都合が生じやすい。すなわち、感湿体の表面層
部分は容易に雰囲気中の水分を吸収して抵抗変化を起こ
すが、一方、感湿体の内部(深部)には水分が到達しに
くく、もってほとんど抵抗変化を起こさない。このよう
な状態が生じると、素子抵抗(感湿体の抵抗)は徐々に
変化することになり、なかなか出力が一定しない。な
お、このような状態を回避するため、感湿体を多孔質に
形成して湿気を含む雰囲気ガスが感湿体の内部にまで容
易に到達できるような工夫がなされている。
Further, when the thickness of the moisture sensitive body is large, the following problems are likely to occur. That is, the surface layer portion of the moisture sensitive body easily absorbs moisture in the atmosphere to cause a resistance change, but on the other hand, moisture does not easily reach the inside (deep part) of the moisture sensitive body, so that almost no resistance change occurs. Absent. When such a state occurs, the element resistance (the resistance of the moisture sensitive body) gradually changes, and the output is not stable. In order to avoid such a state, the moisture sensitive body is made porous so that the atmospheric gas containing moisture can easily reach the inside of the moisture sensitive body.

【0012】以上の観点から、感湿体自体を薄膜化する
ことが望ましいが、さらに近年では、電子回路の小型
化、電子デバイスの小型化が目指されており、高温作動
型の湿度センサにおいても小型化及び低消費電力型(低
電流型)のものが要求されるようになってきた。この観
点からも感湿体の薄膜化が望まれている。
From the above viewpoints, it is desirable to make the moisture sensitive body itself thin, but in recent years, there has been an aim to reduce the size of electronic circuits and electronic devices, and even in high temperature operating humidity sensors. Miniaturization and low power consumption type (low current type) have been demanded. From this point of view, it is desired to make the moisture sensitive film thinner.

【0013】ところで、一般に金属酸化物のシート状焼
結体を作製する場合、ドクターブレード法が用いられる
が、この方法によると、シートの厚みはいくら薄くして
も数10μm程度が限度であり、100 〜200 μm程度の焼
結体とするのが一般的である。この程度の厚みでは素子
の小型化(薄型化)は十分でない。なお、ドクターブレ
ード法で数10μm程度の焼結体を得たとしても、そのよ
うな薄型の焼結体ではその強度、寸法、ハンドリング等
に問題が生じることがあり、良好な素子を形成すること
は難しい。
By the way, generally, when a sheet-shaped sintered body of metal oxide is produced, a doctor blade method is used. According to this method, however, the thickness of the sheet is limited to several tens of μm, no matter how thin. Generally, a sintered body of about 100 to 200 μm is used. With such a thickness, miniaturization (thinning) of the element is not sufficient. Even if a doctor blade method is used to obtain a sintered body of about several tens of μm, such a thin sintered body may cause problems in strength, dimensions, handling, etc. Is difficult

【0014】さらに、以下のような問題も生じてくる。
すなわち、単に感湿体を薄膜化しただけでは素子の小型
化(薄型化)は達成できず、感湿体の両面に形成される
電極部も薄膜状に形成しなければならない。しかしなが
ら、Pt系の金属(合金)等でスパッタリング法等により
薄膜状に電極を形成した場合、その電極の多孔度は、同
種の材料で焼結等により肉厚に形成した電極の多孔度よ
りもかなり小さくなる。したがって、従来の感湿体材料
からなる薄膜状感湿体の両面に薄膜状の電極を形成して
なる素子では、薄膜電極を通して感湿体に到達する水分
の量がずっと少なくなり、素子の感度はかなり小さくな
る。
Further, the following problems will occur.
That is, it is not possible to achieve the downsizing (thinning) of the element simply by thinning the moisture sensitive body, and the electrode portions formed on both surfaces of the moisture sensitive body must also be formed in a thin film shape. However, when a thin-film electrode is formed of a Pt-based metal (alloy) by a sputtering method, etc., the porosity of the electrode is higher than that of a thick electrode formed by sintering the same kind of material. It gets quite small. Therefore, in the element formed by forming thin film electrodes on both sides of a thin film moisture sensitive material made of a conventional moisture sensitive material, the amount of moisture reaching the moisture sensitive material through the thin film electrode is much smaller, and the sensitivity of the element is reduced. Is considerably smaller.

【0015】そこで、本発明者は先に、図8に示す構成
の湿度センサ素子を提案した(特願平4−76136 号)。
この湿度センサ素子10は、湿度の変化に伴って電気抵抗
値に変化を生じる金属酸化物からなる層11と、アルカリ
土類元素の酸化物からなる層12とを積層してなる薄型の
湿度感知膜(感湿薄膜)13の両面に薄膜状電極14、14を
形成したものであって、素子全体が薄型となっている。
このような層構成の感湿薄膜13とすると、その両面にス
パッタリング等の方法で比較的緻密な薄膜状電極14、14
を設けたとしても、感湿薄膜13中に配置したアルカリ土
類元素の酸化物からなる層12が大きな吸湿能を有するた
めに、感度の良好な湿度検知を行うことが可能となる。
Therefore, the present inventor previously proposed a humidity sensor element having the structure shown in FIG. 8 (Japanese Patent Application No. 4-76136).
This humidity sensor element 10 is a thin humidity sensor formed by stacking a layer 11 made of a metal oxide whose electric resistance changes with a change in humidity and a layer 12 made of an oxide of an alkaline earth element. A thin film electrode (14) is formed on both surfaces of a film (moisture-sensitive thin film) 13, and the entire element is thin.
When the moisture-sensitive thin film 13 having such a layered structure is used, a relatively dense thin film electrode 14, 14 is formed on both surfaces thereof by a method such as sputtering.
Even if the above is provided, since the layer 12 made of an oxide of an alkaline earth element arranged in the moisture-sensitive thin film 13 has a large hygroscopic ability, it is possible to perform highly sensitive humidity detection.

【0016】しかしながら、上述した薄型の湿度センサ
素子をただ基板上に形成するのでは、この素子(素子の
一方の面にある薄膜状電極)と基板との密着性が良好と
はならない。基板と薄膜状電極との密着性はセンサの特
性上及び製造上、非常に重要である。また、湿度センサ
(素子)の加熱手段も熱効率が良好となるように工夫し
なくてはならない。
However, if the thin humidity sensor element described above is simply formed on the substrate, the adhesion between this element (the thin film electrode on one surface of the element) and the substrate will not be good. The adhesiveness between the substrate and the thin film electrode is very important in terms of sensor characteristics and manufacturing. Also, the heating means of the humidity sensor (element) must be devised so as to have good thermal efficiency.

【0017】したがって本発明の目的は、薄型で、幅広
い温度領域において良好な湿度検知を行うことができ、
消費電力が小さく、また、基板とその上に形成された薄
膜状の素子部との密着性が良好な湿度センサ、及びその
ような湿度センサを製造する方法を提供することであ
る。
Therefore, an object of the present invention is that it is thin and can perform excellent humidity detection in a wide temperature range,
It is an object of the present invention to provide a humidity sensor having low power consumption and good adhesion between a substrate and a thin film element formed on the substrate, and a method for manufacturing such a humidity sensor.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、緻密な絶縁性基板の一方の面上に
微細なアルミナ突起を形成した後で、(a) 第一の薄膜状
電極と、(b) 湿度の変化に伴って電気抵抗値に変化を生
じる金属酸化物からなる層と、アルカリ土類元素の酸化
物からなる層とが積層してなる薄型の感湿薄膜と、(c)
第二の薄膜状電極とをその順に形成するとともに、この
基板の他方の面上に薄膜状のヒータを形成すれば、全体
的に薄型の湿度センサとすることができ、また、基板と
薄膜状電極との密着性が良好となることを発見した。さ
らに、感湿薄膜中のアルカリ土類元素の酸化物からなる
層が大きな吸湿能(水分吸着能)を有するため、良好な
感度で湿度検知を行うことができることを発見した。さ
らにまた、ヒータを基板上に形成しているために熱効率
も良くなり、低消費電力化を達成することができること
を発見し、本発明を完成した。
As a result of earnest research in view of the above object, the present inventors have found that after forming fine alumina projections on one surface of a dense insulating substrate, (a) the first A thin moisture-sensitive thin film in which a thin-film electrode, (b) a layer made of a metal oxide whose electric resistance changes with a change in humidity, and a layer made of an oxide of an alkaline earth element are laminated. And (c)
By forming the second thin-film electrode in that order and forming a thin-film heater on the other surface of this substrate, it is possible to make a thin humidity sensor as a whole. It was discovered that the adhesion with the electrode is good. Further, it has been discovered that the layer made of an oxide of an alkaline earth element in the moisture-sensitive thin film has a large hygroscopic ability (moisture adsorbing ability), and therefore humidity can be detected with good sensitivity. Furthermore, since the heater is formed on the substrate, the thermal efficiency is improved and the power consumption can be reduced, and the present invention has been completed.

【0019】すなわち、本発明の湿度センサは、緻密で
電気的絶縁性の高い基板の一方の面上に微細なアルミナ
突起が形成されており、その上に、(a) 第一の薄膜状電
極と、(b) アルカリ土類金属元素の酸化物の少なくとも
一種を主成分とする第一の薄膜層と、アルカリ土類金属
元素、アルカリ金属元素系、及び貴金属元素以外の金属
の酸化物を主成分とする第二の薄膜層とが積層してなる
感湿薄膜と、(c) 第二の薄膜状電極とがその順に積層さ
れているとともに、前記基板の他方の面上に、(d) 薄膜
状ヒータが形成されてなり、前記ヒータの作動により、
常時200℃以上の高温状態に保持され、雰囲気中の湿
度の変化に応じて前記感湿薄膜の抵抗値が変化すること
を特徴とする。
That is, in the humidity sensor of the present invention, fine alumina protrusions are formed on one surface of a dense and highly electrically insulating substrate, and (a) the first thin film electrode is formed thereon. And (b) a first thin-film layer containing at least one kind of oxide of an alkaline earth metal element as a main component, and an oxide of a metal other than an alkaline earth metal element, an alkali metal element system, and a noble metal element. A moisture sensitive thin film formed by laminating a second thin film layer as a component, and (c) a second thin film electrode is laminated in that order, and on the other surface of the substrate, (d) A thin film heater is formed, and by the operation of the heater,
It is characterized in that it is constantly kept at a high temperature of 200 ° C. or higher, and the resistance value of the moisture-sensitive thin film changes according to the change of humidity in the atmosphere.

【0020】また、上述した構造の湿度センサを製造す
る本発明の方法は、緻密な絶縁性基板の一方の面上にア
ルミニウムの薄膜を形成し、それを温水処理、又は高温
水蒸気で処理することにより微細突起を有するベーマイ
ト薄膜を形成し、これを酸化性雰囲気中で焼成して前記
基板の表面にアルミナの微細突起を形成し、次に、前記
アルミナの微細突起が形成された基板面上に、(a) 第一
の薄膜状電極と、(b)アルカリ土類金属元素の酸化物の
少なくとも一種を主成分とする第一の薄膜層と、アルカ
リ土類金属元素、アルカリ金属元素系、及び貴金属元素
以外の金属の酸化物を主成分とする第二の薄膜層とが積
層してなる感湿薄膜と、(c) 第二の薄膜状電極とをその
順に積層することを特徴とする。
Further, in the method of the present invention for manufacturing the humidity sensor having the above-mentioned structure, the aluminum thin film is formed on one surface of the dense insulating substrate, and the aluminum thin film is treated with hot water or high temperature steam. To form a boehmite thin film having fine protrusions, which is baked in an oxidizing atmosphere to form alumina fine protrusions on the surface of the substrate, and then on the substrate surface on which the alumina fine protrusions are formed. , (A) a first thin film electrode, (b) a first thin film layer containing at least one kind of oxide of an alkaline earth metal element as a main component, an alkaline earth metal element, an alkali metal element system, and A moisture-sensitive thin film formed by laminating a second thin film layer containing an oxide of a metal other than a noble metal element as a main component, and (c) a second thin film electrode are laminated in that order.

【0021】[0021]

【実施例及び作用】以下、添付図面を参照して本発明を
詳細に説明する。図1は本発明の一実施例による湿度セ
ンサを示す概略断面図である。この湿度センサ1におい
て、緻密で電気絶縁性を有する基板15の一方の面上に
は、微細なアルミナの突起層18が形成されており、その
上に、(a) 第一の薄膜状電極14a と、(b) 湿度の変化に
伴って電気抵抗値を変化させる金属酸化物からなる層
(以下、感湿抵抗体層と呼ぶ)11と、アルカリ土類元素
の酸化物からなる層12とが積層してなる感湿薄膜13と、
(c) 第二の薄膜状電極14とがその順に積層されている。
また、基板15の他方の面上には、薄膜状のヒータ16が形
成されている。なお、基板15の面上に形成されたヒータ
16は蛇行しているので、図1に示す断面図ではヒータ16
の断面部分が離隔して示されている。
The present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing a humidity sensor according to an embodiment of the present invention. In this humidity sensor 1, a fine alumina projection layer 18 is formed on one surface of a dense and electrically insulating substrate 15, and (a) the first thin film electrode 14a is formed thereon. And (b) a layer made of a metal oxide (hereinafter referred to as a humidity sensitive resistor layer) 11 that changes an electric resistance value with a change in humidity and a layer 12 made of an oxide of an alkaline earth element. Moisture sensitive thin film 13 formed by stacking,
(c) The second thin film electrode 14 is laminated in that order.
A thin film heater 16 is formed on the other surface of the substrate 15. A heater formed on the surface of the substrate 15
Since 16 is meandering, the heater 16 is shown in the sectional view of FIG.
The cross-sections of are shown spaced apart.

【0022】まず、湿度センサの基板15は、緻密で、電
気絶縁性に良好な材料からなるものを用いる。具体的に
は、Al2 3 、SiO2 等からなる基板を用いるのが好ま
しい。
First, the substrate 15 of the humidity sensor is made of a material that is dense and has a good electric insulation. Specifically, it is preferable to use a substrate made of Al 2 O 3 , SiO 2 or the like.

【0023】特に、基板15として、アルミナ、又はアル
ミナ系複合材を用いると、アルミナの微細突起層18と基
板15との熱膨張率をほぼ同等とすることができ、基板15
とアルミナの微細突起層18との接合性が一段と向上す
る。
In particular, when alumina or an alumina-based composite material is used as the substrate 15, the coefficient of thermal expansion of the fine protrusion layer 18 of alumina and the substrate 15 can be made substantially equal.
The bondability between alumina and the fine protrusion layer 18 of alumina is further improved.

【0024】基板15の一方の面上のアルミナ微細突起層
18は後述する方法により形成することができるが、その
方法によれば、アルミナ微細突起層18における突起サイ
ズ(平均径)を数十オングストロームから約500オン
グストローム程度とすることができる。また、アルミナ
微細突起を基板15の上に緻密に形成することができる。
このような突起サイズを有するアルミナ微細突起層18の
上に薄膜状電極14a を形成すれば、基板15と薄膜状電極
14a との密着性を著しく向上させることができる。ま
た、アルミナ微細突起層18における突起サイズを狭い分
布内におさめることができるので、その上に形成される
薄膜状電極14a の多孔度を所望の度合いに設定すること
が可能となる。なお、薄膜状電極14a の多孔度を調節で
きれば、その上に形成する感湿抵抗体層11の多孔度も容
易に調節することができる。
Alumina fine protrusion layer on one surface of the substrate 15
Although 18 can be formed by the method described later, according to this method, the projection size (average diameter) in the alumina fine projection layer 18 can be set to several tens of angstroms to about 500 angstroms. Further, the alumina fine protrusions can be formed densely on the substrate 15.
If the thin film electrode 14a is formed on the alumina fine protrusion layer 18 having such a protrusion size, the substrate 15 and the thin film electrode are formed.
The adhesiveness with 14a can be remarkably improved. Further, since the projection size in the alumina fine projection layer 18 can be kept within a narrow distribution, it is possible to set the porosity of the thin film electrode 14a formed thereon to a desired degree. If the porosity of the thin film electrode 14a can be adjusted, the porosity of the moisture-sensitive resistor layer 11 formed thereon can also be easily adjusted.

【0025】ところで、基板15と薄膜状電極14a との密
着性は製造上及びセンサの特性上、非常に重要となって
くる。アルミナ等の基板上にスパッタリング等により薄
膜状電極を形成する場合、一般に、基板の表面粗さが大
きい方が基板と薄膜状電極との密着性が向上する。しか
しながら、基板の表面粗さを単に機械的な処理により大
きくしてやり、これに薄膜状電極14a を形成すると、薄
膜状電極14a の多孔度の制御が難しくなる。すなわち、
薄膜状電極14a における孔径の分布が広くなる。また、
比較的径の大きな孔を有する多孔質の薄膜状電極14a が
できやすい。このような状態の薄膜状電極14a 上には、
やはり比較的径の大きな孔を有する感湿薄膜13が形成さ
れやすい。このようにして感湿薄膜13中に大孔径の孔部
が形成されれば、電極間の短絡につながり不良品とな
る。一方、基板15の表面粗さを小さくし、この上に薄膜
状電極を設けようとすると、基板に対する薄膜状電極の
密着性が低下する。
By the way, the adhesion between the substrate 15 and the thin film electrode 14a becomes very important in terms of manufacturing and sensor characteristics. When forming a thin film electrode on a substrate such as alumina by sputtering, generally, the larger the surface roughness of the substrate, the better the adhesion between the substrate and the thin film electrode. However, if the surface roughness of the substrate is simply increased by mechanical treatment and the thin film electrode 14a is formed on this, it becomes difficult to control the porosity of the thin film electrode 14a. That is,
The distribution of hole diameters in the thin film electrode 14a becomes wider. Also,
It is easy to form a porous thin film electrode 14a having pores with a relatively large diameter. On the thin film electrode 14a in such a state,
After all, the moisture-sensitive thin film 13 having pores of relatively large diameter is easily formed. If a large-diameter hole is formed in the moisture-sensitive thin film 13 in this way, a short circuit occurs between the electrodes, resulting in a defective product. On the other hand, if the surface roughness of the substrate 15 is reduced and the thin film electrode is to be provided on the surface roughness, the adhesion of the thin film electrode to the substrate is reduced.

【0026】しかしながら、上述したようなアルミナ微
細突起層18を基板15上に設け、その上に薄膜状電極14a
を形成すれば、電極14a 、14b (及びその間に形成され
る感湿薄膜13)の多孔度を制御しつつ、薄膜状電極と基
板との密着性を良好にすることができるようになる。
However, the alumina fine protrusion layer 18 as described above is provided on the substrate 15, and the thin film electrode 14a is formed thereon.
By forming the above, it becomes possible to improve the adhesion between the thin film electrodes and the substrate while controlling the porosity of the electrodes 14a and 14b (and the moisture sensitive thin film 13 formed therebetween).

【0027】基板15上のアルミナ微細突起層18上に設け
た第一の薄膜状電極14a 、及び後述する感湿薄膜13の上
面に形成する第二の薄膜状電極14b は、ともにPt、Pt系
金属、またはそれらの合金から形成することができる。
この二つの電極の厚さはそれぞれ500 〜2000オングスト
ローム程度とするのがよい。薄膜状電極14a 、14b はス
パッタリング法等により形成することができる。
The first thin film electrode 14a provided on the alumina fine protrusion layer 18 on the substrate 15 and the second thin film electrode 14b formed on the upper surface of the moisture sensitive thin film 13 described later are both Pt and Pt type. It can be formed from metals or their alloys.
The thickness of each of the two electrodes is preferably about 500 to 2000 angstroms. The thin film electrodes 14a and 14b can be formed by a sputtering method or the like.

【0028】薄膜状電極を形成する際のスパッタリング
の条件は、基板温度を100 〜400 ℃とし、スパッタ出力
を1.2 〜2.0 W/cm2 とするのが好ましい。
The sputtering conditions for forming the thin film electrode are preferably such that the substrate temperature is 100 to 400 ° C. and the sputtering output is 1.2 to 2.0 W / cm 2 .

【0029】第一の薄膜状電極14a 上には、感湿抵抗体
層11と、アルカリ土類元素の酸化物からなる層12とが積
層してなる感湿薄膜13が形成されている。本実施例で
は、感湿薄膜13中の感湿抵抗体層11とアルカリ土類元素
の酸化物からなる層12とはそれぞれ1層ずつであるが、
後述するように、本発明はこれに限定されない。
On the first thin film electrode 14a, a moisture sensitive thin film 13 is formed by laminating a moisture sensitive resistor layer 11 and a layer 12 made of an oxide of an alkaline earth element. In this embodiment, each of the moisture-sensitive resistor layer 11 and the layer 12 made of an oxide of an alkaline earth element in the moisture-sensitive thin film 13 is one layer.
As described below, the present invention is not limited to this.

【0030】感湿薄膜13中の感湿抵抗体層11は、従来の
高温作動型の金属酸化物系センサに用いる感湿体(感湿
抵抗体)と同様の材料から形成されてなるが、本発明で
は、アルカリ土類金属元素、アルカリ金属元素系、及び
貴金属元素以外の金属の酸化物を用いる。具体的には、
ZrO2 、TiO2 、CeO2 、La2 3 、Nb2 5 、Y2
3 、Ta2 5 、Cr2 3 、Ni2 3 、Fe2 3 、ZnO、
2 5 等や、これらの酸化物の混合物を用いることが
できる。ただし、感度の点から見ると、ZrO2、Ti
2 、Ta2 5 、Nb2 5 、ZnOが好ましい。上述した
材料からなる感湿抵抗体層とすれば、200 ℃を超す雰囲
気温度でも良好に湿度の検知を行うことができるように
なる。
The moisture sensitive resistor layer 11 in the moisture sensitive thin film 13 is formed of the same material as the moisture sensitive substance (moisture sensitive resistor) used in the conventional high temperature operation type metal oxide sensor. In the present invention, an oxide of a metal other than an alkaline earth metal element, an alkali metal element system, and a noble metal element is used. In particular,
ZrO 2 , TiO 2 , CeO 2 , La 2 O 3 , Nb 2 O 5 , Y 2 O
3 , Ta 2 O 5 , Cr 2 O 3 , Ni 2 O 3 , Fe 2 O 3 , ZnO,
V 2 O 5 or the like, or a mixture of these oxides can be used. However, in terms of sensitivity, ZrO 2 , Ti
O 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 and ZnO are preferred. With the humidity-sensitive resistor layer made of the above-mentioned materials, it becomes possible to detect humidity well even at an ambient temperature exceeding 200 ° C.

【0031】感湿抵抗体層11の厚さは、0.2 〜5μm程
度とするのが好ましく、さらに好ましくは1〜2μm程
度とする。感湿抵抗体層11が0.2 μm未満では電極の短
絡が発生しやすくなる。また5μmを超すと、素子を薄
膜化して小型化するという目的が達成できず、またイン
ピーダンスが大きくなる等の不都合も生じる。
The moisture-sensitive resistor layer 11 preferably has a thickness of about 0.2 to 5 μm, more preferably about 1 to 2 μm. If the moisture-sensitive resistor layer 11 has a thickness of less than 0.2 μm, short-circuiting of electrodes is likely to occur. On the other hand, when the thickness exceeds 5 μm, the object of thinning the element to reduce the size cannot be achieved, and the impedance becomes large.

【0032】上述したように感湿抵抗体層11は薄く形成
するので、その形成においては気相成長法を利用するの
がよい。しかしながら、本発明はこれに限定されず、感
湿抵抗体層11を上述した厚さに形成することができれば
その他の方法を用いてもよい。具体的には、スパッタリ
ング法、CVD法等の蒸着法、ゾルゲル溶液法等の方法
により形成することができる。特にスパッタリング法
(高周波スパッタリング法)が好ましい。この方法によ
ると1μm程度の厚さの感湿抵抗体層を容易に形成する
ことができる。高周波スパッタリング法で金属酸化物を
成膜(金属酸化物層を形成)する場合、通常、成膜速度
は40〜100 オングストローム/分程度であるので、2〜
4時間のスパッタリングを行えば1μm程度の厚さの感
湿抵抗体層を得ることができる。なお、高周波スパッタ
リング法により形成された感湿抵抗体層は、その層中の
金属酸化物の酸素欠損の補完、及び層に生じた歪みの除
去等の目的で、大気中で加熱処理するのが好ましい。
Since the moisture-sensitive resistor layer 11 is formed thin as described above, it is preferable to use the vapor phase growth method for forming it. However, the present invention is not limited to this, and other methods may be used as long as the humidity-sensitive resistor layer 11 can be formed to the above-described thickness. Specifically, it can be formed by a sputtering method, a vapor deposition method such as a CVD method, or a sol-gel solution method. Particularly, the sputtering method (high-frequency sputtering method) is preferable. According to this method, the moisture sensitive resistor layer having a thickness of about 1 μm can be easily formed. When forming a metal oxide film (forming a metal oxide layer) by a high frequency sputtering method, the film formation rate is usually about 40 to 100 angstrom / min.
If the sputtering is performed for 4 hours, a moisture sensitive resistor layer having a thickness of about 1 μm can be obtained. The moisture-sensitive resistor layer formed by the high frequency sputtering method is preferably heat-treated in the atmosphere for the purpose of supplementing oxygen vacancies in the metal oxide in the layer and removing strain generated in the layer. preferable.

【0033】感湿抵抗体層11をスパッタリングにより形
成する場合、基板温度を200 〜400℃とし、スパッタ出
力を1.5 〜2.5 W/cm2 とするのが好ましい。また、そ
の時のガス圧は5〜20mmTorrとするのが好ましい。
When the moisture-sensitive resistor layer 11 is formed by sputtering, the substrate temperature is preferably 200 to 400 ° C. and the sputter output is preferably 1.5 to 2.5 W / cm 2 . The gas pressure at that time is preferably 5 to 20 mmTorr.

【0034】アルカリ土類元素の酸化物からなる層12は
50〜5000オングストローム程度の厚さに形成するのが好
ましい。アルカリ土類元素の酸化物層12の厚さが50オン
グストローム未満であると、アルカリ土類元素の酸化物
層12を湿度感知膜13内に設けた効果が十分に現れず、素
子の感度が良好にならない。また、本発明者等の研究に
よれば、この層12を5000オングストロームを超す厚さと
しても良好な感度が得られない。アルカリ土類元素の酸
化物層12が厚すぎると、この層に吸着した水が感湿抵抗
体層11まで到達するのに長い距離を移行しなければなら
ず、結果として感湿抵抗体層11に十分な量の水分が到達
できないためと思われる。なお、複数のアルカリ土類元
素の酸化物層12と複数の感湿抵抗体層11とを積層して湿
度感知膜とする場合には、複数のアルカリ土類元素の酸
化物層12の合計の厚さを50〜5000オングストローム程度
とするのが好ましい。
The layer 12 made of an alkaline earth oxide is
It is preferably formed to a thickness of about 50 to 5000 angstroms. When the thickness of the alkaline earth oxide layer 12 is less than 50 angstroms, the effect of providing the alkaline earth oxide layer 12 in the humidity sensing film 13 does not sufficiently appear, and the sensitivity of the element is good. do not become. Further, according to the research conducted by the present inventors, even if the layer 12 has a thickness exceeding 5000 angstroms, good sensitivity cannot be obtained. If the alkaline earth element oxide layer 12 is too thick, the water adsorbed to this layer must travel a long distance to reach the moisture-sensitive resistor layer 11, and as a result, the moisture-sensitive resistor layer 11 This is probably because a sufficient amount of water cannot be reached. In the case of forming a humidity sensing film by laminating a plurality of alkaline earth element oxide layers 12 and a plurality of humidity sensitive resistor layers 11, the total of the plurality of alkaline earth element oxide layers 12 is The thickness is preferably about 50 to 5000 angstroms.

【0035】アルカリ土類元素の酸化物としては、Mg
O、BaO、CaO、SrOを用いるのが好ましく、さらにこ
れらを混合して用いてもよい。このアルカリ土類元素の
酸化物からなる層12の形成も、上述した感湿抵抗体層11
と同様の方法で形成することができる。
As the oxide of the alkaline earth element, Mg
It is preferable to use O, BaO, CaO, and SrO, and these may be mixed and used. The formation of the layer 12 made of the oxide of the alkaline earth element also applies to the moisture-sensitive resistor layer 11 described above.
It can be formed by a method similar to.

【0036】一方、薄膜状のヒータ16は、白金ペースト
を用いたスクリーン印刷やフォトリソグラフィー等の方
法により基板15の他方の面に形成することができる。特
に、フォトリソグラフィー法によれば、容易に、かつ精
度よくヒータをパターニング形成でき、生産効率が非常
に高くなる。また、パターニング精度が高いので、ヒー
タの抵抗値のバラツキも非常に小さくなる。
On the other hand, the thin film heater 16 can be formed on the other surface of the substrate 15 by a method such as screen printing using a platinum paste or photolithography. In particular, according to the photolithography method, the heater can be patterned easily and accurately, and the production efficiency becomes very high. Further, since the patterning accuracy is high, the variation in the resistance value of the heater is very small.

【0037】なお、薄膜状の各電極及び薄膜状のヒータ
16に接続するリード線17としては、Pt線、Pt系合金から
なる線等を用いることができる。
Each thin film electrode and thin film heater
As the lead wire 17 connected to the wire 16, a Pt wire, a wire made of a Pt-based alloy, or the like can be used.

【0038】図1に示した構成とすると、スパッタリン
グ等により形成された薄膜状の電極14b の多孔度がたと
え小さくても(スパッタリングにより形成されたPt等の
電極薄膜では、孔径は一般に数10オングストローム程度
となる)、感湿薄膜13内に設けたアルカリ土類元素酸化
物層12が有する大きな水分吸着能により水分が感湿薄膜
13内に取り込まれる。これによって、感湿薄膜13内の感
湿抵抗体層11にも水分が到達し、感湿抵抗体層11におい
て、水分の量に見合った抵抗変化が生じる。
With the structure shown in FIG. 1, even if the thin film electrode 14b formed by sputtering or the like has a small porosity (in the case of an electrode thin film such as Pt formed by sputtering, the pore diameter is generally several tens of angstroms). The moisture is a moisture-sensitive thin film due to the large water adsorption capacity of the alkaline earth element oxide layer 12 provided in the moisture-sensitive thin film 13.
Captured within 13. As a result, the moisture reaches the moisture-sensitive resistor layer 11 in the moisture-sensitive thin film 13, and the resistance change corresponding to the amount of moisture occurs in the moisture-sensitive resistor layer 11.

【0039】図1に示す実施例では、感湿薄膜13は、1
つの感湿抵抗体層11と1つのアルカリ土類元素の酸化物
からなる層12とを積層した構成となっており、感湿抵抗
体層11が外側(基板15から遠い方)に形成されている
が、本発明はこれに限定されない。たとえば、感湿薄膜
13中の感湿抵抗体層11と1つのアルカリ土類元素の酸化
物からなる層12とを反対に積層した構造としてもよい。
また、感湿薄膜13と薄膜状の電極14b との密着性を向上
する等の目的で、図1に示す実施例において、アルカリ
土類元素の酸化物層12の上にさらに感湿抵抗体層11を設
けた積層構造としてもよいし、さらにまた、感湿抵抗体
層11とアルカリ土類元素の酸化物層12とをそれぞれ交互
に複数回積層することもできる。
In the embodiment shown in FIG. 1, the moisture-sensitive thin film 13 is 1
One moisture-sensitive resistor layer 11 and one layer 12 made of an oxide of an alkaline earth element are laminated, and the moisture-sensitive resistor layer 11 is formed on the outer side (the side far from the substrate 15). However, the present invention is not limited to this. For example, a moisture sensitive thin film
The moisture sensitive resistor layer 11 in 13 and the layer 12 made of one oxide of an alkaline earth element may be laminated in the opposite manner.
Further, in order to improve the adhesion between the moisture-sensitive thin film 13 and the thin-film electrode 14b, in the embodiment shown in FIG. 1, a moisture-sensitive resistor layer is further formed on the alkaline earth element oxide layer 12. A laminated structure in which 11 is provided may be used, or the moisture-sensitive resistor layer 11 and the alkaline earth element oxide layer 12 may be alternately laminated a plurality of times.

【0040】しかしながら、アルカリ土類元素の酸化物
層12の役割を考えると、できるだけ雰囲気側(湿度感知
膜の表層部)にアルカリ土類元素の酸化物層12を配置す
るのが好ましい。すなわち、少なくとも湿度感知膜の一
方の表層部にはアルカリ土類元素の酸化物層を配置する
のが好ましい。
However, considering the role of the alkaline earth element oxide layer 12, it is preferable to dispose the alkaline earth element oxide layer 12 on the atmosphere side (surface layer portion of the humidity sensing film) as much as possible. That is, it is preferable to dispose an alkaline earth element oxide layer on at least one surface layer of the humidity sensing film.

【0041】次に、基板15上に設けるアルミナ微細突起
層18の形成方法について説明する。まず、基板15上に純
アルミニウムの薄膜を形成する。アルミニウムの薄膜の
厚さは、この後の温水処理(又は高温水蒸気処理)によ
るベーマイト突起サイズに直接影響するので、精確にコ
ントロールしなければならない。アルミニウムの薄膜の
厚さは100〜3000オングストロームの範囲が好ま
しいが、実際には、薄膜状電極等の厚さを考慮して決定
する。
Next, a method of forming the alumina fine protrusion layer 18 provided on the substrate 15 will be described. First, a pure aluminum thin film is formed on the substrate 15. The thickness of the aluminum thin film has a direct influence on the boehmite protrusion size by the subsequent hot water treatment (or high temperature steam treatment), and therefore must be precisely controlled. The thickness of the aluminum thin film is preferably in the range of 100 to 3000 angstroms, but it is actually determined in consideration of the thickness of the thin film electrode or the like.

【0042】つぎに、このアルミニウム薄膜が酸化しな
いうちに素早く温水処理を施すか、又は高温の水蒸気に
さらすかすれば、アルミニウムの水酸化物(ベーマイ
ト)が微細な突起を伴って形成される。なぜ突起を形成
するのか不明な点はあるが、傾向として、低温度側で長
時間かけてゆっくりと処理すると突起サイズは小さくな
る。また、アルミニウム膜厚が小さいほど突起サイズも
小さくなる。温水処理の場合、温度は80〜100℃
で、処理時間としては5〜30分が適当である。また、
水蒸気による処理では、100 〜300 ℃の水蒸気を1〜10
分当てるのが適当である。
Next, if the aluminum thin film is quickly subjected to hot water treatment or exposed to high-temperature steam before being oxidized, aluminum hydroxide (boehmite) is formed with fine projections. Although it is unclear why the protrusions are formed, the tendency is that the protrusion size becomes smaller when the treatment is performed slowly on the low temperature side for a long time. Further, the smaller the aluminum film thickness, the smaller the projection size. In case of hot water treatment, the temperature is 80 ~ 100 ℃
Therefore, 5 to 30 minutes is suitable as the processing time. Also,
In the treatment with steam, steam at 100 to 300 ° C can be used for 1 to 10
It is appropriate to allocate.

【0043】上述の方法でベーマイト突起を形成した
ら、これを酸化性雰囲気中(たとえば大気中)で焼成
し、安定なアルミナ(アルミナの微細突起)に変化させ
る。通常、1000〜1500℃(例えば約1300
℃)で、1〜5時間(例えば約1時間)焼成すれば、ベ
ーマイト突起がアルミナ突起に変化する。なお、このと
き突起サイズは(ベーマイト突起の大きさから)ほとん
ど変化しない。
After forming the boehmite protrusions by the above method, the boehmite protrusions are fired in an oxidizing atmosphere (for example, in the air) to change into stable alumina (fine alumina protrusions). Usually, 1000 to 1500 ° C (for example, about 1300
If it is baked at (° C.) for 1 to 5 hours (for example, about 1 hour), the boehmite protrusions change into alumina protrusions. At this time, the protrusion size hardly changes (from the size of the boehmite protrusion).

【0044】上述の方法により得られたアルミナの微細
突起は非常に微細であり、また均一であり、この上に薄
膜状電極を形成すると、薄膜状電極14a の基板15(基板
15上に設けたアルミナ微細突起層18)への密着性は十分
に大きくなる。
The alumina fine projections obtained by the above method are extremely fine and uniform, and when a thin film electrode is formed on this, the substrate 15 (substrate) of the thin film electrode 14a is formed.
Adhesion to the alumina fine projection layer 18) provided on 15 is sufficiently increased.

【0045】以下、具体的実施例に基づき、本発明をさ
らに詳細に説明する。
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples.

【0046】実施例1 以下の要領で、図1に示す構造の湿度センサを製造し
た。2mm×2mm×0.2mmのアルミナ基板(純度
97%)上に、まずRFスパッタリングにより純アルミ
ニウムの薄膜を約500オングストロームの厚さに成膜
し、そのアルミニウム薄膜の表面が酸化しないうちに沸
騰純水中に浸し、ベーマイト(アルミの水酸化物)膜と
した。形成されたベーマイト膜の表面は、平均表面粗さ
約100オングストロームと、非常に微細な突起を有し
ていた。これを1300℃で1時間大気中で焼成して、
微細突起を有するアルミナ膜を得た。
Example 1 A humidity sensor having the structure shown in FIG. 1 was manufactured by the following procedure. On a 2 mm x 2 mm x 0.2 mm alumina substrate (purity 97%), a thin film of pure aluminum was formed to a thickness of about 500 angstrom by RF sputtering, and the pure aluminum boiled before the surface of the aluminum thin film was oxidized. It was immersed in water to form a boehmite (aluminum hydroxide) film. The surface of the formed boehmite film had an average surface roughness of about 100 Å and very fine protrusions. Bake this at 1300 ° C for 1 hour in the air,
An alumina film having fine protrusions was obtained.

【0047】この微細突起膜の上に、RFスパッタリン
グ法により第一の電極としてPt薄膜状電極を厚さ約2000
オングストロームに成膜した。その時のスパッタリング
条件は、スパッタ出力1.7 W/cm2 、基板温度200
℃、ガス圧力10mmTorrとした。
A Pt thin film electrode having a thickness of about 2000 is formed as a first electrode on the fine projection film by the RF sputtering method.
The film was formed in Angstrom. The sputtering conditions at that time were as follows: sputter output 1.7 W / cm 2 , substrate temperature 200
The gas pressure was 10 mmTorr.

【0048】次に、Pt薄膜状電極上に、同じく高周波マ
グネトロンスパッタリング法によりZrO2 層(感湿抵抗
体層)を厚さ約2μmになるように成膜(層形成)し
た。さらに、このZrO2 層の上に、高周波マグネトロン
スパッタリング法によりMgO層を500 オングストローム
の厚さに形成した。
Next, a ZrO 2 layer (moisture-sensitive resistor layer) was formed (layered) on the Pt thin film electrode by the high frequency magnetron sputtering method to a thickness of about 2 μm. Further, an MgO layer having a thickness of 500 angstrom was formed on the ZrO 2 layer by a high frequency magnetron sputtering method.

【0049】ここで、ZrO2 層及びMgO層中の酸素欠損
の補完及び膜歪みの除去の目的で、得られた積層体を大
気中、600 ℃で2時間加熱した。
Here, for the purpose of complementing oxygen vacancies in the ZrO 2 layer and MgO layer and removing film strain, the obtained laminate was heated in the atmosphere at 600 ° C. for 2 hours.

【0050】さらに、上記の積層体のMgO層上に、スパ
ッタリングによりPt薄膜状電極を形成し、両Pt薄膜状電
極にそれぞれリード線を接続した。
Further, a Pt thin film electrode was formed on the MgO layer of the above laminated body by sputtering, and a lead wire was connected to each of the Pt thin film electrodes.

【0051】次に、基板の反対側の面に、スパッタリン
グによりPt薄膜を約3000オングストロームの厚みに
成膜後、フォトリソグラフィーにより蛇行したパターン
のヒータを形成し、リード線を接続し、湿度センサとし
た。
Next, a Pt thin film was formed on the opposite surface of the substrate by sputtering to a thickness of about 3000 angstroms, and then a heater having a meandering pattern was formed by photolithography, a lead wire was connected, and a humidity sensor was connected. did.

【0052】この湿度センサを用いて図2に示す回路を
形成した。ここで、センサ1中のヒータ16の電源として
は直流電圧電源Eを用いた。また、信号電圧電源31は交
流70Hz、7V0-P とし、信号検出負荷抵抗RL を500 k
Ωとした。なお、信号電圧電源31として交流電源を用い
たのは、吸着水の分極を防ぐためである。
A circuit shown in FIG. 2 was formed using this humidity sensor. Here, the DC voltage power source E was used as the power source of the heater 16 in the sensor 1. The signal voltage power supply 31 is AC 70Hz, 7V 0-P , and the signal detection load resistance R L is 500 k.
Ω. An AC power supply is used as the signal voltage power supply 31 in order to prevent polarization of adsorbed water.

【0053】図2の回路を用い、センサの周囲の雰囲気
中の湿度を変化させて、センサ(作動)温度を400 〜50
0 ℃とした場合の雰囲気中の絶対湿度とインピーダンス
との関係を調べた。結果を図3に示す。
By changing the humidity in the atmosphere around the sensor using the circuit of FIG. 2, the sensor (operating) temperature is set to 400 to 50.
The relationship between the absolute humidity in the atmosphere and the impedance at 0 ° C was investigated. Results are shown in FIG.

【0054】また、10℃における40%相対湿度(以下、
10℃/40%RHと記す。ここで、RHは相対湿度を示
す。なお、10℃/40%RHの場合の空気中の水の量は2.
92g/kgである。)でのセンサのインピーダンスR
1 と、35℃/80%RH(24.64 g/kg)でのセンサのイ
ンピーダンスR2 とから下記式(1)に従って湿度検出感
度Sを計算した。 S=log (R1 /R2 )・・・(1) 各温度における湿度検出感度Sを図3中に記す。
Further, 40% relative humidity at 10 ° C. (hereinafter,
It is described as 10 ° C / 40% RH. Here, RH indicates relative humidity. The amount of water in the air at 10 ° C / 40% RH is 2.
It is 92 g / kg. ) Sensor impedance R at
The humidity detection sensitivity S was calculated from 1 and the sensor impedance R 2 at 35 ° C./80% RH (24.64 g / kg) according to the following equation (1). S = log (R 1 / R 2 ) ... (1) The humidity detection sensitivity S at each temperature is shown in FIG.

【0055】図3からわかるように、本実施例の湿度セ
ンサは、作動温度が400 〜500 ℃の高温領域でも湿度に
応じてセンサ素子インピーダンスが十分に大きく変動し
ており、良好な感度を有することがわかる。特に、作動
温度が450 ℃のときに感度が最もよいことがわかる。
As can be seen from FIG. 3, in the humidity sensor of this embodiment, the sensor element impedance fluctuates sufficiently in accordance with the humidity even in the high temperature range of 400 to 500 ° C., and has a good sensitivity. I understand. In particular, it can be seen that the sensitivity is best when the operating temperature is 450 ° C.

【0056】また、図2に示す回路を用い、作動温度が
400 〜500 ℃の時のセンサの応答時間を測定した。この
応答時間の測定では、雰囲気の絶対湿度を2.92g/kgか
ら6.69g/kgへ急激に(ステップ的に)変化させた時、
7.16g/kgから14.31 g/kgへ急激に(ステップ的に)
変化させた時、及び14.31 g/kgから24.64 g/kgへ急
激に(ステップ的に)変化させた時の各々の90%応答時
間(T90)を求めた。結果を図4に示す。
Using the circuit shown in FIG. 2, the operating temperature is
The response time of the sensor was measured at 400-500 ° C. In this response time measurement, when the absolute humidity of the atmosphere was rapidly (stepwise) changed from 2.92 g / kg to 6.69 g / kg,
Rapidly (stepwise) from 7.16 g / kg to 14.31 g / kg
The 90% response time (T 90 ) for each of the changes and the rapid (stepwise) change from 14.31 g / kg to 24.64 g / kg was determined. The results are shown in Fig. 4.

【0057】図4からわかるように、作動温度が450 ℃
または500 ℃の場合には良好な応答特性が得られる。以
上、感度と応答特性の観点からみると、本実施例のセン
サにおいては、作動温度は約450 ℃程度が最適であると
思われる。
As can be seen from FIG. 4, the operating temperature is 450 ° C.
Alternatively, good response characteristics are obtained at 500 ° C. As described above, from the viewpoint of sensitivity and response characteristics, it seems that the operating temperature of the sensor of this example is about 450 ° C. optimal.

【0058】実施例2〜6、比較例1 アルミニウム薄膜の厚みを変えた以外は実施例1と同様
にしてアルミナ基板上に微小なアルミナ突起層を形成し
た。ここで、アルミニウム薄膜の厚さにより、形成され
るベーマイト突起のサイズ(最終的に得られるアルミナ
微小突起のサイズ)が大きく変化する。したがって、ア
ルミニウム薄膜の厚さを所望の厚さに選択し、以下に示
す(平均)サイズのアルミナ微小突起層を基板上に形成
した。 実施例2: 75オングストローム 実施例3:200オングストローム 実施例4:330オングストローム 実施例5:405オングストローム 実施例6:500オングストローム
Examples 2 to 6 and Comparative Example 1 A fine alumina projection layer was formed on an alumina substrate in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the aluminum thin film was changed. Here, the size of the boehmite protrusions formed (the size of the finally obtained alumina fine protrusions) greatly changes depending on the thickness of the aluminum thin film. Therefore, the thickness of the aluminum thin film was selected to be a desired thickness, and the alumina microprojection layer having the (average) size shown below was formed on the substrate. Example 2: 75 angstroms Example 3: 200 angstroms Example 4: 330 angstroms Example 5: 405 angstroms Example 6: 500 angstroms

【0059】上記の各基板を用い、実施例1の場合と同
様にして、図2に示す構造の湿度センサを製造した。
A humidity sensor having the structure shown in FIG. 2 was manufactured in the same manner as in Example 1 using each of the above substrates.

【0060】各湿度センサの作動温度をそれぞれ450 ℃
とし、絶対湿度が2.92g/kgから24.64 g/kgまでの雰
囲気で湿度の検知を行った。そして、10℃/40%RH
(2.92g/kg)を基準とし、各測定点での感度を上述し
た式(1)を用いて算出した。結果を図5に示す。
The operating temperature of each humidity sensor is 450 ° C.
The humidity was detected in an atmosphere with an absolute humidity of 2.92 g / kg to 24.64 g / kg. And 10 ℃ / 40% RH
Based on (2.92 g / kg), the sensitivity at each measurement point was calculated using the above-mentioned formula (1). Results are shown in FIG.

【0061】アルミナ基板上にアルミナの微小突起層を
設けず、その他は実施例1と同様にして湿度センサを作
製した(比較例1)。この湿度センサについて、実施例
2と同様にして湿度の検知を行い、感度を算出した。結
果を図5に合わせて示す。
A humidity sensor was manufactured in the same manner as in Example 1 except that the alumina fine protrusion layer was not provided on the alumina substrate (Comparative Example 1). With respect to this humidity sensor, the humidity was detected in the same manner as in Example 2, and the sensitivity was calculated. The results are also shown in FIG.

【0062】図5からわかるように、突起サイズが大き
くなるにつれて感度が増大していく。また、比較例1の
湿度センサよりも、各実施例の湿度センサのほうがより
良好な感度を有する。
As can be seen from FIG. 5, the sensitivity increases as the protrusion size increases. Further, the humidity sensor of each example has better sensitivity than the humidity sensor of Comparative Example 1.

【0063】実施例7 本発明による膜密着性の改善の効果を見るため、実施例
1と同様の方法でアルミナ微細突起を有する基板を作製
し、Pt薄膜状電極を形成した。この上に感湿抵抗体層11
(感湿薄膜)をスパッタリング法により成膜する工程に
おいて、感湿抵抗体層11(感湿薄膜)の剥離に対する基
板温度及びスパッタ電力の影響を調べた。
Example 7 In order to see the effect of improving the film adhesion according to the present invention, a substrate having fine alumina projections was prepared in the same manner as in Example 1 and a Pt thin film electrode was formed. Moisture sensitive resistor layer 11 on this
In the step of forming the (moisture-sensitive thin film) by the sputtering method, the influence of the substrate temperature and the sputtering power on the peeling of the humidity-sensitive resistor layer 11 (moisture-sensitive thin film) was examined.

【0064】表1に本発明品と比較品(アルミナ微細突
起層18を有さない以外、同じ積層構造を有する)との比
較結果を示す。
Table 1 shows the results of comparison between the product of the present invention and the comparative product (having the same laminated structure except that the alumina fine protrusion layer 18 is not provided).

【0065】 表1 スパッタ 感湿薄膜の剥離 基板温度 出力(W) 従来品 本発明品 50℃(水冷) 100 × ○ 50℃(水冷) 300 × ○ 150℃ 100 △ ○ 150℃ 300 × ○ 300℃ 100 ○ ○ 300℃ 300 △ ○ (注) ○:剥離なし △:剥離僅か ×:剥離著しいTable 1 Detachment substrate temperature output (W) of sputter moisture sensitive thin film Conventional product 50 ° C. (water cooling) 100 × ○ 50 ° C. (water cooling) 300 × ○ 150 ° C. 100 Δ ○ 150 ° C. 300 × ○ 300 ° C. 100 ○ ○ 300 ℃ 300 △ ○ (Note) ○: No peeling △: Slight peeling ×: Peeling marked

【0066】表1から明らかなように、比較品は限られ
た条件でしか正常な膜は得られないが、本発明品では、
実験したすべての条件で密着性の良い膜が得られてい
る。
As is clear from Table 1, the comparative product can obtain a normal film only under limited conditions.
A film with good adhesion was obtained under all the conditions tested.

【0067】[0067]

【発明の効果】以上の構成を有する本発明の湿度センサ
は以下の効果を有する。
The humidity sensor of the present invention having the above construction has the following effects.

【0068】良好な感度を有し、400 〜500 ℃程度の
高温においても良好な湿度測定を行うことができる。ま
た、その応答性も良好である。
It has a good sensitivity and can perform a good humidity measurement even at a high temperature of about 400 to 500 ° C. Moreover, its responsiveness is also good.

【0069】ヒータ、電極、感湿体をすべて一体化、
かつ薄膜化しており、湿度センサ(素子)の小型化が達
成される。
The heater, the electrodes and the moisture sensitive body are all integrated,
In addition, the thinness of the humidity sensor (element) is achieved.

【0070】ヒータの加熱による熱効率が良好で、ま
たヒータを薄膜化しているので、ヒータ電流値を低減す
ることができる。
Since the heating efficiency of the heater is good and the heater is made thin, the heater current value can be reduced.

【0071】上述の通り、基板上に設けるヒータ、電
極、感湿体が全て薄膜状になるので、スパッタリング、
フォトリソグラフ等の方法を用いて歩留りの良い大量生
産を行うことができる。
As described above, since the heater, the electrode, and the moisture sensitive material provided on the substrate are all formed into a thin film, sputtering,
Mass production with good yield can be performed by using a method such as photolithography.

【0072】基板の表面にアルミナ微小突起を設けて
いるために、基板と電極との密着性(さらには電極と感
湿薄膜との密着性)が良好となり、センサ特性が向上す
るとともに、製造におけるバラツキも少なくなる。
Since the alumina micro-projections are provided on the surface of the substrate, the adhesion between the substrate and the electrode (further, the adhesion between the electrode and the moisture sensitive thin film) is improved, the sensor characteristics are improved, and the manufacturing process is improved. Variations are reduced.

【0073】薄膜状電極の多孔度を制御することがで
き、よって感湿抵抗体層の多孔度も容易に調節すること
ができる。そのため、湿度の検知感度を容易に調節する
ことができるようになる。
The porosity of the thin-film electrode can be controlled, and thus the porosity of the humidity sensitive resistor layer can be easily adjusted. Therefore, the humidity detection sensitivity can be easily adjusted.

【0074】本発明による湿度センサ素子は小型化で
き、また、大きな電力を必要としないので、各種民生用
機器、たとえば室内空調用センサ、電子レンジの調理用
センサ等として利用できる。
Since the humidity sensor element according to the present invention can be miniaturized and does not require a large amount of electric power, it can be used as various consumer appliances such as an indoor air conditioning sensor and a microwave oven cooking sensor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例による湿度センサを示す概略
断面図である。
FIG. 1 is a schematic sectional view showing a humidity sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】実施例で用いた湿度検知回路を示す回路図であ
る。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a humidity detection circuit used in an example.

【図3】雰囲気中の絶対湿度と、400 〜500 ℃における
実施例1の湿度センサのインピーダンスとの関係を示す
グラフである。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the absolute humidity in the atmosphere and the impedance of the humidity sensor of Example 1 at 400 to 500 ° C.

【図4】雰囲気中の絶対湿度と、400 〜500 ℃における
実施例1の湿度センサの応答時間との関係を示すグラフ
である。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the absolute humidity in the atmosphere and the response time of the humidity sensor of Example 1 at 400 to 500 ° C.

【図5】湿度センサの基板上に設けたアルミナ微小突起
のサイズと、センサの感度との関係を示すグラフであ
る。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the size of alumina micro-projections provided on the substrate of the humidity sensor and the sensitivity of the sensor.

【図6】従来の高温作動型の湿度センサ素子の一例を示
す斜視図である。
FIG. 6 is a perspective view showing an example of a conventional high temperature operation type humidity sensor element.

【図7】従来の高温作動型の湿度センサ素子の別な例を
示す一部破断斜視図である。
FIG. 7 is a partially cutaway perspective view showing another example of a conventional high temperature operation type humidity sensor element.

【図8】薄型タイプの湿度センサ素子の一例を示す概略
断面図である。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing an example of a thin type humidity sensor element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 湿度センサ 8、9 バルクタイプの湿度センサ 11 感湿抵抗体層 12 アルカリ土類元素の酸化物層 13 感湿薄膜 14a 、14b 薄膜状電極 16 薄膜状ヒータ 17 リード線 18 アルミナの微小突起層 81、91 感湿体 1 Humidity Sensor 8, 9 Bulk Type Humidity Sensor 11 Moisture Sensitive Resistor Layer 12 Alkaline Earth Element Oxide Layer 13 Moisture Sensitive Thin Films 14a, 14b Thin Film Electrode 16 Thin Film Heater 17 Lead Wire 18 Alumina Microprojection Layer 81 , 91 Moisture Sensitive

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 緻密で電気的絶縁性の高い基板の一方の
面上に微細なアルミナ突起が形成されており、その上
に、(a) 第一の薄膜状電極と、(b) アルカリ土類金属元
素の酸化物の少なくとも一種を主成分とする第一の薄膜
層と、アルカリ土類金属元素、アルカリ金属元素系、及
び貴金属元素以外の金属の酸化物を主成分とする第二の
薄膜層とが積層してなる感湿薄膜と、(c) 第二の薄膜状
電極とがその順に積層されているとともに、前記基板の
他方の面上に、(d) 薄膜状ヒータが形成されてなる湿度
センサであって、前記ヒータの作動により、常時200
℃以上の高温状態に保持され、雰囲気中の湿度の変化に
応じて前記感湿薄膜の抵抗値が変化することを特徴とす
る湿度センサ。
1. A fine alumina projection is formed on one surface of a dense and highly electrically insulating substrate, on which (a) a first thin film electrode and (b) an alkaline earth material are formed. A first thin film layer containing at least one oxide of a group metal element as a main component, and a second thin film containing an oxide of a metal other than an alkaline earth metal element, an alkali metal element system, and a noble metal element as a main component. A moisture-sensitive thin film formed by stacking layers, and (c) a second thin-film electrode are stacked in that order, and (d) a thin-film heater is formed on the other surface of the substrate. The humidity sensor is a
A humidity sensor characterized in that the resistance value of the moisture-sensitive thin film is maintained at a high temperature of ℃ or higher and the resistance value of the moisture-sensitive thin film changes according to the change of humidity in the atmosphere.
【請求項2】 請求項1に記載の湿度センサにおいて、
前記基板がアルミナからなることを特徴とする湿度セン
サ。
2. The humidity sensor according to claim 1, wherein
A humidity sensor, wherein the substrate is made of alumina.
【請求項3】 請求項1に記載の湿度センサを製造する
方法において、緻密な絶縁性基板の一方の面上にアルミ
ニウムの薄膜を形成し、それを温水処理、又は高温水蒸
気で処理することにより微細突起を有するベーマイト薄
膜を形成し、次に、これを酸化性雰囲気中で焼成して前
記基板の表面にアルミナの微細突起を形成することを特
徴とする湿度センサの製造方法。
3. The method for manufacturing a humidity sensor according to claim 1, wherein a thin film of aluminum is formed on one surface of a dense insulating substrate, and the thin film is treated with hot water or high temperature steam. A method for manufacturing a humidity sensor, comprising forming a boehmite thin film having fine protrusions and then firing the thin film in an oxidizing atmosphere to form fine alumina protrusions on the surface of the substrate.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2011181669A (en) * 2010-03-01 2011-09-15 Mitsubishi Electric Corp Method of manufacturing solar cell
WO2019031260A1 (en) * 2017-08-09 2019-02-14 Semitec株式会社 Gas sensor, gas detection device, gas detection method, and device provided with gas sensor or gas detection device

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