JPH0650923A - Humidity sensor element - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は湿度センサ素子に関し、
更に詳しくは、高温域においても良好な感度を示す薄型
(小型)の湿度センサ素子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a humidity sensor element,
More specifically, the present invention relates to a thin (small) humidity sensor element that exhibits good sensitivity even in a high temperature range.
【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設け、機器の制御をすることが行
われるようになってきた。そのため、固体素子型の湿度
センサ素子が広く使用されるようになってきた。この固
体素子型の湿度センサ素子は、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、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 and the like. Humidity detection means have been provided to control equipment. Therefore, the solid-state type humidity sensor element has been widely used. Due to its detection principle, this solid-state humidity sensor element uses a resistance change (impedance change), a capacitance change, a frequency change, a heat conduction change, and an ultrasonic wave. And those using infrared rays and the like, but among them, resistance change type and capacitance change type are mainly used.
【0003】これらの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、及び約50℃以上の高温
雰囲気の測定には適さない。というのは、0℃以下の低
温雰囲気では結氷する可能性があり、また約50℃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 sensors (sensors using a polymer film) and metal oxide sensors. The polymer type sensor detects the relative humidity in the atmosphere in both of the resistance change type and the capacitance change type. Also, it is not suitable for measurement in high temperature atmosphere above about 50 ℃. 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. Normally, 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 dirt on the element surface (polymer film surface) due to dust, oil smoke, etc. in the use atmosphere, and long-term Poor stability. Therefore,
The environmental conditions of use of polymer sensors 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主流であ
る。特に、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。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, in the metal oxide type sensor, the resistance change type and the capacitance change type are mainly operated at room temperature. In particular, a metal oxide is widely used, which utilizes a large hygroscopic ability of a metal oxide at a low temperature and measures a resistance change associated with adsorption / desorption of water to detect humidity. This type of sensor also has a limitation in use environment temperature like the above-mentioned polymer type sensor, and has a drawback 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 taking advantage of the heat resistance of the constituent material (metal oxide), the element is temporarily heated to 400 to 500 ° C.
A sensor having a so-called refreshing mechanism that heats up the element (metal oxide) to burn off dirt on the surface of the element (metal oxide) has 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
度センサ素子として機能できず、その間の湿度の検知は
行えない。However, when the refresh mechanism is activated to temporarily heat the element (refreshing), the humidity sensor element is refreshed and for a while after refreshing (until the initial stable level is restored again). It cannot function as, and cannot detect humidity during that time.
【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変化量よりは
小さくなる。この理由は次の通りである。すなわち、低
温域(常温を含む)では主としてファンデルワールス力
による物理吸着によって抵抗が変化するのに対して、高
温域では主としてAとH2 OとからBが生成するという
可逆反応(ただし、Aは吸湿性の高い金属酸化物であ
り、BはAの水和物である)を伴う化学吸着により、抵
抗変化が起こる。このように低温域と高温域とで抵抗変
化の発生メカニズムが違うのが主たる原因である。As an attempt to solve the above-mentioned drawbacks (problems of narrow operating environment temperature and long-term stability) in the room temperature operation type sensor (including the sensor having the refresh mechanism), the high temperature operation type metal oxide is used. Physical sensors have been developed. In general, the amount of change in impedance of the metal oxide with respect to humidity in a high temperature region is smaller than the amount of change in normal temperature. The reason for this is as follows. That is, in the low temperature range (including normal temperature), the resistance changes mainly due to physical adsorption by Van der Waals force, whereas in the high temperature range, B is mainly produced from A and H 2 O (however, A Is a metal oxide having a high hygroscopic property, and B is a hydrate of A). The main reason for this is that the resistance change mechanism differs between the low temperature region and the high temperature region.
【0007】上述したとおり、高温作動型の湿度センサ
素子は、常温作動型に比べ抵抗変化量は小さくなる。そ
のため、感湿体に十分水分が到達しないと、抵抗変化量
はさらに小さくなり正確な湿度検知は難しくなる。As described above, the high temperature operation type humidity sensor element has a smaller resistance change amount than the room temperature operation type humidity sensor element. Therefore, if sufficient moisture does not reach the moisture sensitive body, the amount of change in resistance becomes even smaller and accurate humidity detection becomes difficult.
【0008】高温作動型の湿度センサにおけるセンサ素
子の電極構造は、対向電極型が広く用いられている。こ
の場合、感湿体は雰囲気中に直接さらされるために検知
しやすい。しかしながら、対向電極型の場合、薄膜型の
感湿体では抵抗が大きく、湿度センサ素子の小型化が困
難である。As the electrode structure of the sensor element in the high temperature operation type humidity sensor, a counter electrode type is widely used. In this case, the moisture sensitive body is directly exposed to the atmosphere and is therefore easily detected. However, in the case of the counter electrode type, a thin film moisture sensitive body has a large resistance, and it is difficult to downsize the humidity sensor element.
【0009】そのため、感湿体を上下からはさみこむ積
層型の電極が考えられている。この場合、対向電極に比
べて、湿度センサ素子を大型化することなく電極面積を
大きくすることができるため、抵抗を低くすることがで
きる。積層型の電極においては、感湿体は上部電極から
入りこんだ水分を吸着し、抵抗が変化するが、スパッタ
リング法等を用いて電極を形成した場合、電極の多孔度
は小さく、感湿体に雰囲気中の水分が到達しにくいた
め、抵抗の変化が少ない。そのため良好な湿度の検知感
度が得られにくく、応答も遅い。Therefore, a laminated type electrode is considered, which sandwiches the humidity sensitive element from above and below. In this case, as compared with the counter electrode, the electrode area can be increased without increasing the size of the humidity sensor element, and thus the resistance can be reduced. In the laminated type electrode, the humidity sensitive material adsorbs the moisture that has entered from the upper electrode and the resistance changes, but when the electrode is formed using a sputtering method or the like, the porosity of the electrode is small and Since the moisture in the atmosphere does not reach easily, there is little change in resistance. Therefore, it is difficult to obtain good humidity detection sensitivity and the response is slow.
【0010】従って、本発明の目的は、積層型の電極を
用いた湿度センサ素子において、スパッタリング法等の
気相成長法により形成したメッシュ状の薄膜状電極を有
し、もって良好な湿度の検知感度を示す湿度センサ素子
を提供することである。Therefore, an object of the present invention is to provide a humidity sensor element using a laminated electrode, which has a mesh-like thin film electrode formed by a vapor phase growth method such as a sputtering method, so that a good humidity can be detected. It is to provide a humidity sensor element exhibiting sensitivity.
【0011】[0011]
【課題を解決するための手段】上記課題に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者は、湿度センサ素子の上部電極部分
を、フォトレジストを用いてメッシュ状に形成すること
により、感湿体への水分の到達を容易にし、もって水分
吸着量の少ない200℃以上の高温においても十分精度
よく湿度を検知できることを発見した。本発明は上記発
見に基づき完成したものである。As a result of earnest research in view of the above problems, the present inventor has found that the upper electrode portion of the humidity sensor element is formed in a mesh shape using a photoresist, so that the humidity sensor can be formed. It has been discovered that moisture can be easily reached and that humidity can be detected with sufficient accuracy even at a high temperature of 200 ° C. or higher where the amount of adsorbed moisture is small. The present invention has been completed based on the above findings.
【0012】すなわち、本発明の湿度センサ素子は、2
00℃以上の高温において常時作動されるもので、セラ
ミック基板上に、第一の薄膜状電極と、薄膜状感湿体
と、第二の薄膜状電極とが順次積層された構造を有する
湿度センサ素子において、前記第二の薄膜状電極がメッ
シュ状であることを特徴とする。That is, the humidity sensor element of the present invention has two elements.
A humidity sensor that is always operated at a high temperature of 00 ° C. or higher, and has a structure in which a first thin film electrode, a thin film moisture sensitive material, and a second thin film electrode are sequentially laminated on a ceramic substrate. In the element, the second thin film electrode is mesh-shaped.
【0013】[0013]
【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。The present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
【0014】図1は本発明の一実施例による湿度センサ
素子を示す概略断面図である。この湿度センサ素子10
は、電気絶縁性を有するセラミックからなる基板1の一
方の面上に、第一の薄膜状電極2と、湿度の変化に伴っ
て電気抵抗値が変化する薄膜状感湿体3と、第二の薄膜
状電極4とが順に積層されている。また、基板1の他方
の面上には、薄膜状のヒータ5が形成されている。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a humidity sensor element according to an embodiment of the present invention. This humidity sensor element 10
Is a first thin film electrode 2 on one surface of a substrate 1 made of an electrically insulating ceramic, a thin film moisture sensitive element 3 whose electric resistance changes with humidity, and a second thin film Thin film electrodes 4 are sequentially laminated. A thin film heater 5 is formed on the other surface of the substrate 1.
【0015】好ましい一実施例においては、薄膜状感湿
体3は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(アルカリ土類金属以外の金属の酸化物)からな
る薄膜層3aと、アルカリ土類金属の酸化物からなる薄
膜層3bとからなる。In a preferred embodiment, the thin film moisture sensitive body 3 comprises a thin film layer 3a made of a metal oxide (an oxide of a metal other than an alkaline earth metal) which changes its electric resistance value with a change in humidity. , A thin film layer 3b made of an oxide of an alkaline earth metal.
【0016】以下、本発明の湿度センサ素子の層構成を
詳細に説明する。 〔1〕基板 基板1は、電気絶縁性が良好なセラミックにより形成す
る。また、薄膜状ヒータ4により400〜500℃に加
熱されるので、大きな熱衝撃抵抗を有する必要があり、
さらにハンドリング等を考慮して、十分な強度を有する
必要もある。このような要求を満たすセラミックス材料
として、アルミナ(Al2 O3 )、アルミナ・シリカ(3
Al2 O3 ・2SiO2 )等が好ましい。The layer structure of the humidity sensor element of the present invention will be described in detail below. [1] Substrate The substrate 1 is formed of ceramic having good electric insulation. Further, since it is heated to 400 to 500 ° C. by the thin film heater 4, it is necessary to have a large thermal shock resistance,
Further, it is necessary to have sufficient strength in consideration of handling and the like. Alumina (Al 2 O 3 ), alumina-silica (3
Al 2 O 3 .2SiO 2 ) and the like are preferable.
【0017】基板1は、100〜800μmの厚みを有
するのが好ましい。基板1が100μm未満であると、
強度が不十分なため製造工程中のハンドリング等が難し
い。また800μmを超えると薄膜状ヒータ4による加
熱効率が低くなりすぎ、消費電力が大きくなってしま
う。より好ましい厚みは200〜500μmである。The substrate 1 preferably has a thickness of 100 to 800 μm. If the substrate 1 is less than 100 μm,
Due to insufficient strength, handling during the manufacturing process is difficult. On the other hand, if the thickness exceeds 800 μm, the heating efficiency of the thin film heater 4 becomes too low and the power consumption increases. A more preferable thickness is 200 to 500 μm.
【0018】基板1は、ドクターブレード法等により成
形した後、公知の焼結法により形成することができる。
例えば、上記アルミナ等のセラミックス材料に30〜7
0%の成形バインダーを添加することにより、スラリー
を生成し、これをドクターブレード法等により所定の厚
さに成形し、乾燥後焼結する。The substrate 1 can be formed by a known sintering method after being formed by a doctor blade method or the like.
For example, the above ceramic material such as alumina has a thickness of 30 to 7
A slurry is generated by adding 0% molding binder, and this is molded into a predetermined thickness by a doctor blade method or the like, dried and then sintered.
【0019】なお、基板1を形成するセラミックは緻密
であってもよいし、多孔質であってもよい。しかしなが
ら、感湿体に水分の吸着量を増加させるためには、電気
絶縁性が良好なセラミック多孔質体により形成するほう
が好ましい。The ceramic forming the substrate 1 may be dense or porous. However, in order to increase the amount of moisture adsorbed on the moisture sensitive body, it is preferable to form the ceramic porous body having good electric insulation.
【0020】基板1がセラミック多孔質体により形成さ
れる場合、その細孔径は0.1〜0.8μmとするのが
好ましい。細孔径が0.1μm未満であると、積層する
感湿体の細孔径がさらに小さくなり、水分の吸着量が少
なくなって、良好な湿度の検知感度が得られにくい。一
方、細孔径が0.8μmを超えると、感湿体の細孔径も
大きくなりすぎ、センサ素子の構造上両薄膜状電極間の
短絡が起こるおそれがある。より好ましい細孔径は0.
2〜0.5μmである。When the substrate 1 is formed of a ceramic porous body, its pore size is preferably 0.1 to 0.8 μm. When the pore diameter is less than 0.1 μm, the pore diameter of the laminated moisture sensitive body is further reduced, the amount of adsorbed water is reduced, and it is difficult to obtain good humidity detection sensitivity. On the other hand, when the pore size exceeds 0.8 μm, the pore size of the moisture sensitive body becomes too large, which may cause a short circuit between both thin film electrodes due to the structure of the sensor element. A more preferable pore size is 0.
It is 2 to 0.5 μm.
【0021】また、基板1の空孔率は10〜30%とす
るのが好ましい。空孔率が10%未満であると、その上
に形成される薄膜状感湿体への水分の吸着量が少ないた
め、良好な湿度の検知感度が得られない。一方、空孔率
が30%を超えると、基板1の強度が不十分になり、1
mm以上の厚みが必要になる。その上、感湿体の空孔率
も大きくなるので、感湿体の両側の薄膜状電極間の短絡
が起こりやすくなる。The porosity of the substrate 1 is preferably 10 to 30%. If the porosity is less than 10%, the amount of moisture adsorbed on the thin film moisture-sensitive material formed thereon is small, and good humidity detection sensitivity cannot be obtained. On the other hand, when the porosity exceeds 30%, the strength of the substrate 1 becomes insufficient, and
A thickness of mm or more is required. In addition, since the porosity of the moisture sensitive body also becomes large, a short circuit easily occurs between the thin film electrodes on both sides of the moisture sensitive body.
【0022】〔2〕第一の薄膜状電極 第一の薄膜状電極2は、Pt、Pt族金属、またはこれらの
合金から形成する。この電極2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好ましい。薄膜状
電極2はスパッタリング法等により形成することができ
る。[2] First Thin Film Electrode The first thin film electrode 2 is formed of Pt, a Pt group metal, or an alloy thereof. The thickness of each electrode 2 is 500 ~
It is preferably about 2000 Å. The thin film electrode 2 can be formed by a sputtering method or the like.
【0023】〔3〕薄膜状感湿体 第一の薄膜状電極2上に形成された薄膜状感湿体3は、
湿度の変化に伴って電気抵抗値が変化する薄膜層3a
(感湿抵抗体層と呼ぶこともできる)と、その上に形成
されたアルカリ土類金属の酸化物からなる薄膜層3bと
からなる。図1には、感湿薄膜3中の薄膜層3aと薄膜
層3bとが1層ずつ示されているが、本発明はこれに限
定されることはなく、それぞれ複数層としてもよい。[3] Thin-Film Moisture Sensitive Body The thin-film moisture sensitive material 3 formed on the first thin-film electrode 2 is
Thin film layer 3a whose electric resistance value changes with changes in humidity
(It can also be called a moisture sensitive resistor layer) and a thin film layer 3b formed thereon of an oxide of an alkaline earth metal. Although one thin film layer 3a and one thin film layer 3b in the moisture sensitive thin film 3 are shown in FIG. 1, the present invention is not limited to this, and each may have a plurality of layers.
【0024】(a)薄膜層(第一の薄膜層)3a 薄膜層3aは、アルカリ土類金属以外の金属の酸化物に
より形成する。具体的には、ZrO2 、TiO2 、CeO2 、
La2 O3 、Nb2 O5 、Y2 O3 、Ta2 O5 、Cr2 O3 、
Ni2 O3 、Fe2 O3 、ZnO、V2 O5 等や、これらの混
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 、TiO2 、Ta2 O5 、Nb2 O5 、ZnOが好ま
しい。このような金属酸化物からなる薄膜層とすれば、
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。(A) Thin film layer (first thin film layer) 3a The thin film layer 3a is formed of an oxide of a metal other than an alkaline earth metal. Specifically, 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 and the like, and mixtures thereof can be used. However, from the viewpoint of sensitivity, ZrO 2 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , Nb 2 O 5 , and ZnO are preferable. With a thin film layer made of such a metal oxide,
Humidity can be satisfactorily detected even at an ambient temperature exceeding 200 ° C.
【0025】薄膜層3a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。薄膜層3aが0.2 μm未満では短絡のおそれがあ
る。一方、5μmを超すと、湿度センサ素子の薄膜化の
目的が達成できない。The thickness of the thin film layer 3a is preferably about 0.2 to 5 μm, more preferably about 1 to 2 μm. If the thickness of the thin film layer 3a is less than 0.2 μm, a short circuit may occur. On the other hand, if the thickness exceeds 5 μm, the purpose of thinning the humidity sensor element cannot be achieved.
【0026】このように薄膜層3aは薄いので、気相成
長法により形成するのが好ましい。具体的には、スパッ
タリング法、CVD法等の蒸着法等により形成する。ま
た気相成長法以外の形成方法として、ゾルゲル法、溶液
法等を用いることもできる。Since the thin film layer 3a is thin as described above, it is preferably formed by the vapor phase growth method. Specifically, it is formed by a vapor deposition method such as a sputtering method or a CVD method. Further, as a forming method other than the vapor phase growth method, a sol-gel method, a solution method or the like can be used.
【0027】気相成長法としては、特に高周波スパッタ
リング法等のスパッタリング法が好ましい。この方法に
よると、1μm程度の厚さの薄膜層3a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程度の厚さとすることができる。なお、
高周波スパッタリング法により薄膜層3aを形成した場
合は、層中に生じた金属酸化物の酸素欠損を補完した
り、層中に生じた歪みを除去する等の目的で、大気中で
の加熱処理を行うのが好ましい。As the vapor phase growth method, a sputtering method such as a high frequency sputtering method is particularly preferable. According to this method, the thin film layer 3a having a thickness of about 1 μm can be easily formed. When a metal oxide film is formed by a high frequency sputtering method, the film formation rate is usually about 40 to 100 angstrom / min. Therefore, if the sputtering is performed for 2 to 4 hours, the thickness can be about 1 μm. In addition,
When the thin film layer 3a is formed by the high frequency sputtering method, heat treatment in the atmosphere is performed for the purpose of complementing the oxygen deficiency of the metal oxide generated in the layer and removing the strain generated in the layer. It is preferable to carry out.
【0028】なお、上述においては、薄膜層3aを緻密
なセラミックからなる基板の上に形成する場合について
説明したが、薄膜層3aに水分の吸着量を増加させるた
めには、電気絶縁性が良好なセラミック多孔質体からな
る基板の上に形成するほうが好ましい。そのとき、薄膜
層3aの多孔度は基板1の微細構造(細孔径、空孔率)
により制御できる。具体的には、薄膜層3aは0.05
〜0.7μmの細孔径及び5〜25%の空孔率を有する
のが好ましい。これにより、薄膜層3aは良好な水分の
吸着性を示し、もって湿度センサ素子の湿度感度が非常
に良好となる。In the above description, the case where the thin film layer 3a is formed on the substrate made of dense ceramic has been described. However, in order to increase the amount of moisture adsorbed on the thin film layer 3a, good electrical insulation is obtained. It is preferable to form it on a substrate composed of a porous ceramic body. At that time, the porosity of the thin film layer 3a is determined by the fine structure of the substrate 1 (pore diameter, porosity).
Can be controlled by. Specifically, the thin film layer 3a is 0.05
It is preferable to have a pore size of ˜0.7 μm and a porosity of 5 to 25%. As a result, the thin film layer 3a exhibits a good water adsorption property, so that the humidity sensitivity of the humidity sensor element becomes very good.
【0029】(b)薄膜層(第二の薄膜層)3b アルカリ土類金属の酸化物としては、MgO、BaO、Ca
O、SrO又はこれらの混合物が好ましい。(B) Thin film layer (second thin film layer) 3b Examples of alkaline earth metal oxides include MgO, BaO, and Ca.
O, SrO or mixtures thereof are preferred.
【0030】アルカリ土類金属の酸化物からなる薄膜層
3b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。薄膜層3bの厚さが50オングストローム
未満であると、薄膜層3bを設けた効果が十分に得られ
ず、湿度センサ素子の感度は良好にならない。一方、薄
膜層3bを5000オングストロームを超す厚さとすると、
この層に吸着した水は薄膜層3aまで到達するのに長い
距離を移動しなければならず、結果として薄膜層3aに
十分な量の水分が到達できないので、湿度センサ素子の
感度はかえって低下する。The thin film layer 3b made of an oxide of an alkaline earth metal is preferably formed to a thickness of about 50 to 5000 angstroms. If the thickness of the thin film layer 3b is less than 50 Å, the effect of providing the thin film layer 3b cannot be sufficiently obtained, and the sensitivity of the humidity sensor element will not be good. On the other hand, if the thin film layer 3b has a thickness exceeding 5000 angstroms,
The water adsorbed to this layer has to travel a long distance to reach the thin film layer 3a, and as a result, a sufficient amount of water cannot reach the thin film layer 3a, so that the sensitivity of the humidity sensor element is rather lowered. .
【0031】なお、複数の薄膜層3bと複数の薄膜層3
aとを積層して薄膜状感湿体3とする場合には、複数の
薄膜層3bの合計の厚さの上限を5000オングストローム
程度とするのが好ましい。The plurality of thin film layers 3b and the plurality of thin film layers 3
When a and a are laminated to form the thin film moisture sensitive body 3, the upper limit of the total thickness of the plurality of thin film layers 3b is preferably set to about 5000 angstroms.
【0032】この薄膜層3bも、薄膜層3aの場合と同
様にスパッタリング法等の気相成長法により形成するこ
とができる。The thin film layer 3b can also be formed by a vapor phase growth method such as a sputtering method as in the case of the thin film layer 3a.
【0033】〔4〕第二の薄膜状電極 第二の薄膜状電極4は、薄膜状感湿体3の上にメッシュ
状に形成する。材質は、Pt、Au、あるいはRuO2
薄膜等が好ましい。[4] Second thin film electrode The second thin film electrode 4 is formed on the thin film moisture sensitive body 3 in a mesh shape. The material is Pt, Au, or RuO 2
A thin film or the like is preferable.
【0034】第二の薄膜状電極4の孔径は、1〜10μ
mとする。1μmより小さい孔径は、本発明における方
法では作製困難である。10μmを超えると、メッシュ
状の電極は欠陥を生じ、熱歪みによりクラックが入って
しまうため、電極の機能を果たさなくなる。好ましい孔
径は2〜5μmである。The hole diameter of the second thin film electrode 4 is 1 to 10 μm.
m. Pore sizes smaller than 1 μm are difficult to make by the method of the present invention. When it exceeds 10 μm, the mesh-shaped electrode has defects and cracks due to thermal strain, so that the function of the electrode cannot be fulfilled. The preferable pore size is 2 to 5 μm.
【0035】また、開孔率は5〜50%とする。5%よ
り低い場合では、水分の吸着量が少なくなるため、感湿
体の応答が遅く、湿度の検知感度も悪い。50%を超え
る場合では、孔同士が接触してしまうため、メッシュ状
の電極は欠陥を生じ、熱歪みによりクラックが入る。そ
のため、第二の薄膜状電極4は電極の機能を果たさなく
なる。好ましい開孔率は10〜30%である。The porosity is 5 to 50%. When it is lower than 5%, the amount of adsorbed water becomes small, so that the response of the moisture sensitive body is slow and the detection sensitivity of humidity is poor. If it exceeds 50%, the holes are brought into contact with each other, so that the mesh-like electrode is defective and cracked due to thermal strain. Therefore, the second thin film electrode 4 does not function as an electrode. A preferable porosity is 10 to 30%.
【0036】第二の薄膜状電極4は、スパッタリング
法、CVD法、あるいはイオンプレーティング法等によ
り蒸着し、その後フォトレジスト法によりメッシュ状に
形成することができる。具体的には、蒸着した薄膜の上
に、所望の孔径及び開孔率をもったレジスト材をパター
ニングし、プラズマエッチングを施す。その後レジスト
材を剥離する。The second thin film electrode 4 can be formed into a mesh by vapor deposition by a sputtering method, a CVD method, an ion plating method or the like, and then by a photoresist method. Specifically, a resist material having a desired hole diameter and a desired opening ratio is patterned on the deposited thin film, and plasma etching is performed. After that, the resist material is peeled off.
【0037】〔5〕薄膜状ヒータ 基板1の反対側の面に形成された薄膜状ヒータ4はP
t、Pt族金属からなる。このような薄膜状ヒータ5
は、白金ペーストを用いたスクリーン印刷法やフォトリ
ソグラフィー法等により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5をパターニングでき、生産効率が非常に高い。ま
た、パターニング精度が高いので、ヒータ5の抵抗値の
バラツキも非常に小さい。[5] Thin-Film Heater The thin-film heater 4 formed on the opposite surface of the substrate 1 is P
It is composed of t and Pt group metals. Such a thin film heater 5
Can be formed by a screen printing method using a platinum paste, a photolithography method, or the like. Particularly, according to the photolithography method, the heater 5 can be patterned easily and accurately, and the production efficiency is very high. Further, since the patterning accuracy is high, the variation in the resistance value of the heater 5 is very small.
【0038】なお、基板1の面上に形成されたヒータ5
は蛇行しているので、図1の断面図ではヒータ5の断面
部分は離隔しているように示されている。The heater 5 formed on the surface of the substrate 1
Since it is meandering, the cross-sectional view of FIG. 1 shows the heater 5 as being spaced apart in cross-section.
【0039】〔6〕リード線 薄膜状電極2、4及び薄膜状ヒータ5に接続されるリー
ド線6としては、Pt又はPt系合金からなる導線を用いる
ことができる。[6] Lead Wire As the lead wire 6 connected to the thin film electrodes 2 and 4 and the thin film heater 5, a lead wire made of Pt or a Pt alloy can be used.
【0040】アルカリ土類金属の酸化物の役割を考える
と、図1に示すように、薄膜層3bは雰囲気側(湿度感
知膜の表層部)に配置するのが好ましいが、必要に応じ
薄膜層3aと薄膜層3bとの積層順を逆としてもよい。
また、薄膜状感湿体3と薄膜状電極2a、2bとの密着
性を向上する等の目的で、薄膜層3bの上にさらに薄膜
層3aを設けた積層構造としてもよいし、さらに薄膜層
3aと薄膜層3bとを交互に複数回積層してもよい。こ
の場合でも、少なくとも薄膜状感湿体3の表層部にはア
ルカリ土類金属の酸化物からなる薄膜層3bが位置する
ようにするのが好ましい。Considering the role of the oxide of the alkaline earth metal, it is preferable to arrange the thin film layer 3b on the atmosphere side (surface layer of the humidity sensing film) as shown in FIG. The order of stacking 3a and the thin film layer 3b may be reversed.
Further, for the purpose of improving the adhesion between the thin film moisture sensitive body 3 and the thin film electrodes 2a, 2b, a laminated structure in which a thin film layer 3a is further provided on the thin film layer 3b may be adopted. 3a and thin film layer 3b may be alternately laminated a plurality of times. Even in this case, it is preferable that the thin film layer 3b made of an oxide of an alkaline earth metal is located at least on the surface layer portion of the thin film moisture sensitive body 3.
【0041】本発明を以下の具体的実施例によりさらに
詳細に説明する。実施例1 ドクターブレード法により成形し、1500℃で焼結し
た4mm×4mm×0.2mmのアルミナ基板に、高周
波マグネトロンスパッタリング法により厚さ2000オ
ングストロームの薄膜状Pt電極を形成し、もう一方の
面に同様に高周波マグネトロンスパッタリング法により
厚さ4000オングストロームの薄膜状Ptヒータを形
成した。The present invention will be described in more detail with reference to the following specific examples. Example 1 A thin film Pt electrode having a thickness of 2000 angstroms was formed on a 4 mm × 4 mm × 0.2 mm alumina substrate formed by a doctor blade method and sintered at 1500 ° C. by a high frequency magnetron sputtering method, and the other surface Similarly, a thin film Pt heater having a thickness of 4000 angstrom was formed by the high frequency magnetron sputtering method.
【0042】次に、薄膜Pt電極上に高周波マグネトロ
ンスパッタリング法によりZrO2 層及びMgO層をそれぞ
れ2μm及び500オングストロームの厚さに製膜し
た。Next, a ZrO 2 layer and an MgO layer were formed on the thin film Pt electrode by a high frequency magnetron sputtering method to a thickness of 2 μm and a thickness of 500 angstrom, respectively.
【0043】続いて、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。Subsequently, 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.
【0044】さらに、上記の積層体のMgO層上に、スパ
ッタリング法により薄膜状Pt皮膜を形成した後、レジス
ト材をメッシュ状にパターニングし、プラズマエッチン
グを施した。その後レジスト材を剥離し、メッシュ状の
薄膜状Pt電極(厚さ:3000オングストローム、開孔
率:20%、孔径:1〜10μm)を形成した。両Pt電
極及び薄膜状ヒータにそれぞれPtのリード線を接続し
た。Further, a thin film Pt film was formed on the MgO layer of the above laminated body by a sputtering method, and then a resist material was patterned in a mesh shape and plasma etching was performed. Then, the resist material was peeled off to form a mesh-like thin film Pt electrode (thickness: 3000 angstrom, open area ratio: 20%, pore diameter: 1 to 10 μm). Lead wires of Pt were respectively connected to both Pt electrodes and the thin film heater.
【0045】得られた湿度センサ素子を用いて図2に示
す回路を形成した。ここで、湿度センサ素子10中のヒ
ータ5の電源としては直流電源Eを用いた。また、信号
電源11は交流70Hz、7Vとし、信号検出負荷抵抗Rは
500 kΩとした。なお、信号電源11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 the obtained humidity sensor element. Here, the DC power source E was used as the power source of the heater 5 in the humidity sensor element 10. The signal power supply 11 is AC 70Hz, 7V, and the signal detection load resistance R is
It was set to 500 kΩ. An AC power source is used as the signal power source 11 in order to prevent polarization of adsorbed water.
【0046】図2の回路を用い、湿度センサ素子10の
作動温度を450℃として、湿度センサ素子10の周囲
の雰囲気中の湿度を変化させた場合の上部電極の孔径
(1〜10μm)と湿度検出感度Sとの関係を調べた。
結果を表1に示す。Using the circuit of FIG. 2, the operating temperature of the humidity sensor element 10 is set to 450 ° C. and the humidity in the atmosphere around the humidity sensor element 10 is changed, and the hole diameter (1 to 10 μm) of the upper electrode and the humidity are changed. The relationship with the detection sensitivity S was investigated.
The results are shown in Table 1.
【0047】ここで、湿度検出感度Sは、10℃における
40%相対湿度(絶対湿度2.92g/kg)での湿度センサ素
子10のインピーダンスR1 と、35℃における80%相対
湿度(絶対湿度24.64 g/kg)での湿度センサ素子10
のインピーダンスR2 とから、下記式により計算した。 S=log (R1 /R2 )Here, the humidity detection sensitivity S is 10 ° C.
Impedance R 1 of the humidity sensor element 10 at 40% relative humidity (absolute humidity 2.92 g / kg) and humidity sensor element 10 at 80% relative humidity (absolute humidity 24.64 g / kg) at 35 ° C.
The impedance was calculated from the impedance R 2 of S = log (R 1 / R 2 )
【0048】また、同様にして上部電極の孔径(1〜1
0μm)と湿度センサ素子10の応答時間との関係、及
び上部電極の孔径(1〜10μm)と湿度センサ素子1
0の素子短絡率との関係を調べた。結果を表1に示す。Similarly, the hole diameter of the upper electrode (1 to 1)
0 μm) and the response time of the humidity sensor element 10, and the hole diameter (1 to 10 μm) of the upper electrode and the humidity sensor element 1
The relationship with the element short circuit rate of 0 was investigated. The results are shown in Table 1.
【0049】ここで、素子短絡率は、電極に欠陥を生じ
てクラックが入り、電極の機能を果たさなった湿度セン
サ素子10が、それぞれの孔径について100個測定し
た中に現れた率を示す。Here, the element short-circuit rate indicates the rate of occurrence of 100 humidity sensor elements 10 which have cracks caused by defects in the electrodes and which have not fulfilled the function of the electrodes, when 100 holes are measured for each hole diameter.
【0050】 表 1 孔径(μm) 湿度感度S 応答時間(sec ) 素子短絡率(%) 0.3 0.301 170 0 1 0.325 130 0 2 0.330 110 0 3 0.328 100 0 5 0.332 100 0 10 0.330 100 0 15 0.332 100 0.2 20 0.331 100 0.2 Table 1 Pore size (μm) Humidity sensitivity S Response time (sec) Element short circuit rate (%) 0.3 0.301 170 0 1 0.325 130 0 2 0.330 110 0 3 0.328 100 0 5 0.332 100 0 10 0.330 100 0 15 0.332 100 0.2 20 0.331 100 0.2
【0051】表1から、本実施例の湿度センサ素子は、
上部電極の孔径が1μm以上の場合に良好な湿度検出感
度Sが得られた。また、上部電極の孔径が1μm以上の
場合、湿度センサ素子の応答が速くなり、特に2μm以
上において顕著であった。さらに、上部電極の孔径が1
0μmまでは短絡が生じないが、それを超えると短絡が
生じることが分かる。From Table 1, the humidity sensor element of this embodiment is
Good humidity detection sensitivity S was obtained when the hole diameter of the upper electrode was 1 μm or more. Further, when the hole diameter of the upper electrode is 1 μm or more, the response of the humidity sensor element becomes fast, and it is particularly remarkable when it is 2 μm or more. Furthermore, the hole diameter of the upper electrode is 1
It can be seen that a short circuit does not occur up to 0 μm, but a short circuit occurs when it exceeds that.
【0052】以上の結果から、上部電極の孔径が1〜1
0μmの範囲にあれば、湿度センサ素子は短絡なく良好
な湿度感度を示し、応答特性も良好であることがわか
る。なお、この範囲の孔径の場合には製造歩留りも良好
であった。From the above results, the hole diameter of the upper electrode is 1 to 1
It can be seen that in the range of 0 μm, the humidity sensor element shows good humidity sensitivity without short-circuiting and has good response characteristics. In addition, in the case of the pore diameter in this range, the manufacturing yield was also good.
【0053】実施例2 上部電極の開孔率を5〜50%と変化させた以外実施例
1において用いたのと同じ構造を有する湿度センサ素子
を作製した。なお、上部電極の孔径は5μmとした。 Example 2 A humidity sensor element having the same structure as that used in Example 1 except that the porosity of the upper electrode was changed to 5 to 50% was produced. The hole diameter of the upper electrode was 5 μm.
【0054】得られた湿度センサ素子を用いて、450
℃の素子温度において開孔率と湿度検出感度S、応答時
間、及び素子短絡率との関係を調べた。結果を表2に示
す。Using the obtained humidity sensor element, 450
The relationship between the aperture ratio and the humidity detection sensitivity S, the response time, and the element short-circuit rate at the element temperature of ° C was investigated. The results are shown in Table 2.
【0055】 表 2 開孔率(%) 湿度感度S 応答時間(sec ) 素子短絡率(%) 3 0.271 220 0 5 0.288 160 0 10 0.320 120 0 20 0.332 100 0 30 0.330 100 0 50 0.329 100 0 60 0.332 100 0.15 70 0.326 100 0.6 Table 2 Porosity (%) Humidity sensitivity S Response time (sec) Element short circuit rate (%) 3 0.271 220 0 5 0.288 160 0 10 0.320 120 0 20 0.332 100 0 30 0.330 100 0 50 0.329 100 0 60 0.332 100 0.15 70 0.326 100 0.6
【0056】表2から、本実施例の湿度センサ素子は、
上部電極の開孔率が5%以上の場合に良好な湿度検出感
度Sが得られ、特に10%以上のときにより良好であっ
た。また、上部電極の開孔率が5%以上の場合に湿度セ
ンサ素子の応答が速くなり、特に10%以上において顕
著であった。さらに、上部電極の開孔率が50%までは
短絡が生じないが、それを超えると短絡が生じることが
分かる。From Table 2, the humidity sensor element of this embodiment is
When the open area ratio of the upper electrode was 5% or more, good humidity detection sensitivity S was obtained, and particularly when it was 10% or more, it was better. Further, when the open area ratio of the upper electrode was 5% or more, the response of the humidity sensor element became fast, and it was particularly remarkable at 10% or more. Further, it is understood that short circuit does not occur until the open area ratio of the upper electrode is 50%, but short circuit occurs when the open area rate exceeds 50%.
【0057】以上の結果から、上部電極の開孔率が5〜
50%の範囲にあれば、湿度センサ素子は短絡なく良好
な湿度感度を示し、応答特性も良好であることが分か
る。なお、この範囲の孔径の場合には製造歩留りも良好
であった。From the above results, the open area ratio of the upper electrode is 5 to 5.
It can be seen that in the range of 50%, the humidity sensor element shows good humidity sensitivity without short-circuiting and has good response characteristics. In addition, in the case of the pore diameter in this range, the manufacturing yield was also good.
【0058】[0058]
【発明の効果】以上詳述したように、本発明の湿度セン
サ素子は、薄膜状感湿体の上にメッシュ状の電極を形成
した構造を有するので、水分が感湿体へ到達しやすく、
水分吸着量の少ない200℃以上の高温状態においても
良好な湿度検出感度が得られる。As described in detail above, the humidity sensor element of the present invention has a structure in which a mesh-shaped electrode is formed on a thin film moisture sensitive body, so that moisture easily reaches the moisture sensitive body,
Good humidity detection sensitivity can be obtained even in a high temperature state of 200 ° C. or higher where the amount of adsorbed water is small.
【図1】本発明の一実施例による湿度センサ素子を示す
概略断面図である。FIG. 1 is a schematic sectional view showing a humidity sensor element 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概略図であ
る。FIG. 2 is a schematic diagram showing a humidity detection circuit used in an example.
1 基板 2 薄膜状電極 3 薄膜状感湿体 3a 第一の薄膜層 3b 第二の薄膜層 4 メッシュ状の薄膜状電極 5 薄膜状ヒータ 6 リード線 10 湿度センサ素子 11 信号電源 1 Substrate 2 Thin Film Electrode 3 Thin Film Moisture Sensitive Body 3a First Thin Film Layer 3b Second Thin Film Layer 4 Mesh Thin Film Electrode 5 Thin Film Heater 6 Lead Wire 10 Humidity Sensor Element 11 Signal Power Supply
Claims (2)
れ、セラミック基板上に、第一の薄膜状電極と、薄膜状
感湿体と、第二の薄膜状電極とが順次積層された構造を
有する湿度センサ素子において、前記第二の薄膜状電極
がメッシュ状であることを特徴とする湿度センサ素子。1. A structure which is always operated at a high temperature of 200 ° C. or higher and has a structure in which a first thin film electrode, a thin film moisture sensitive material and a second thin film electrode are sequentially laminated on a ceramic substrate. In the humidity sensor element, the second thin film electrode is mesh-shaped.
て、前記第二の薄膜状電極が1〜10μmの孔径及び5
〜50%の開孔率を有することを特徴とする湿度センサ
素子。2. The humidity sensor element according to claim 1, wherein the second thin film electrode has a hole diameter of 1 to 10 μm and a diameter of 5 μm.
A humidity sensor element having a porosity of ˜50%.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22348092A JPH0650923A (en) | 1992-07-30 | 1992-07-30 | Humidity sensor element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP22348092A JPH0650923A (en) | 1992-07-30 | 1992-07-30 | Humidity sensor element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0650923A true JPH0650923A (en) | 1994-02-25 |
Family
ID=16798797
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP22348092A Pending JPH0650923A (en) | 1992-07-30 | 1992-07-30 | Humidity sensor element |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0650923A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002357581A (en) * | 2001-05-31 | 2002-12-13 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Humidity sensor |
JP2008512661A (en) * | 2004-09-07 | 2008-04-24 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | Sensor element for particle sensor and method of operating the sensor element |
-
1992
- 1992-07-30 JP JP22348092A patent/JPH0650923A/en active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002357581A (en) * | 2001-05-31 | 2002-12-13 | Ngk Spark Plug Co Ltd | Humidity sensor |
JP2008512661A (en) * | 2004-09-07 | 2008-04-24 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | Sensor element for particle sensor and method of operating the sensor element |
JP4922169B2 (en) * | 2004-09-07 | 2012-04-25 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | Sensor element for particle sensor and method of operating the sensor element |
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