JPS5843895B2 - 湿度検知素子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は小型で高精度、高応答性の湿度検知素子の製造
方法に関するものである。

自然界の基礎的な諸変化量、例えば温度、気圧、湿度な
どのうちで、末だ精度の高い測定が困難なものは湿度で
ある半面、食品工業、農業、その他多くの分野で湿度の
正確で容易な測定およびその調整が必要となってきてい
る。

現在、電気信号として湿度を検出する方式としては、塩
化リチウムのような潮解性塩のイオン伝導の変化を利用
するもの、マグネタイト、シリコン半導体の水分吸脱者
による抵抗変化を利用したものが広く用いられている。

しかしながら、これらの方式のものは、いずれもイオン
伝導を利用したものであり、分極による経時変化が大き
く、湿度以外の吸着ガスによっても指示値か変ってしま
う。

また、応答性が悪く、ヒステリシスも大きく、測定湿度
範囲が非常に限られたものとなっていた。

他に毛髪、ナイロン、スチレンのような合成繊維の水分
吸脱着に伴なう変形を応力素子などと組合せたものもあ
るが、応答速度、ヒステリシス、精度に難点がある。

また、カーボン、金属粉末などの導電性微粒子を含んだ
合成樹脂の膨潤性を利用した素子は、感度の点で問題が
あり、湿度劣化も大きい。

さらに、酸化アルミニウムの細孔での水分吸脱着を容量
変化として検出する方式のものもあるが経度変化が大き
い欠点がある。

また、α線吸収透過を利用した湿度計は非常に精度が高
いが、装置が犬がかりであり、また非常に高価であるた
め一般用としては用いることができないものである。

このように現在、開発され、あるいは市販されている湿
度検知素子および装置は、精度、応答性、環境ガスの影
響、測定湿度範囲、感度、耐熱性、ヒステリシス、経時
変化、取扱いの容易さ、価格の点なとでいずれも一長一
短があり、全ての点で満足のできるものが存在しなかっ
た。

本発明は以上のような従来の欠点を除去するものであり
、小型で取扱いが容易で特性的に安定した安価な湿度検
知素子の特に製造方法を提供しようとするものである。

まず、最初に本発明に係る湿度検知素子の基本構成およ
び動作原理について説明する。

第１図は本発明に係る湿度検知素子の構成拡大図であり
、クンクル、アルミニウム、チタン、ニオブ、ハフニウ
ムのような弁作用金属またはこれらの合金、またはシリ
コン、ゲルマニウムの金属基体１の表面に誘電体性陽極
酸化皮膜２が形成され、この誘電体性陽極酸化皮膜２の
土には二酸化マンガンのような半導体性金属酸化物膜３
か形成されている。

ただし、誘電体性陽極酸化皮膜２には、半導体性金属酸
化物膜３との接触部分４と非接触部分５とがある。

そしてこの半導体性金属酸化物膜３の上には、カーボン
層６、および陰極集電層７が設けられる。

第２図は第１図の誘電体性陽極酸化皮膜２と、半導体性
金属酸化物膜３との接触部分４を模型的に拡大したもの
である。

第２図に示すように、誘電体性陽極酸化皮膜２と半導体
性金属酸化物膜３はｂで示す範囲で接触部分４となって
おり、ａで示す範囲で非接触部分５となっている。

今、相対湿度Ｏ％の雰囲気中に本発明の湿度検知素子を
配置した場合、半導体性金属酸化物膜３による水分吸収
がＯであるため、第２図の接触部分４のみの誘電体性陽
極酸化皮膜２による静電容量が検出できる。

この時、半導体性金属酸化物膜３は半導電性を有するた
め、容量取出用電極としての働きをする。

次に、本発明の湿度検知素子を湿気中に配置すると、半
導体性金属酸化物膜３が吸湿性を有するため、吸湿され
た水分が誘電体性陽極酸化皮膜２の表面にまで達して誘
電体性陽極酸化皮膜２と半導体性金属酸化物膜３との非
接触部分５の表面に到達する。

この半導体性金属酸化物膜３の吸湿水分量は、空気中の
相対湿度に比例するので誘電体性陽極酸化皮膜２におけ
る水分被覆率は相対湿度に比例することになる。

このようにして、誘電体性陽極酸化皮膜２まで到達した
水分は空気中の炭酸ｐ゛ス、半導体性金属酸化物膜３中
の金属イオン、その他の不純物を含んでおり、それ自体
電解質としての機能を持ち、したがって誘電体性陽極酸
化皮膜２の接触部分４と非接触部分５中の水分による被
覆部とによる静電容量を取出すことができる。

このように、空気中の相対湿度変化が静電容量変化に変
換される。

本発明による湿度検知素子は第３図に示すような製造工
程によって製造される。

すなわち、弁作用金属の金属基体に誘電体性陽極酸化皮
膜を形成し、そして半導体性金属酸化物膜を形成し、さ
らにカーボン層、および陰極集電層を順次形成し、その
後有極性溶媒処理を経て完成品となる。

ところで、陰極集電層の形成については、種々の方法が
考えられる。

例えば蒸着や溶射等により金、銀、銅、アルミニウム等
の電気良導体を直接形成する方法、あるいは、金、銀、
白金、銅、アルジニウム等の電気良導体の微粉末を合成
樹脂中に分散させた、いわゆる導電性ペイントにて形成
する方法等が考えられるが、一般には取扱い操作が簡便
で、安価な後者の方法つまり導電性ペイントによる陰極
集電層の形成が使用されている。

導電性ペイントは前述のように、金、銀、白金、銅、ア
ルミニウム等の電気良導体をアクリル樹脂、エポキシ樹
脂、弗化ビニリデン樹脂、弗素樹脂等の合成樹脂中に分
散させたもので、熱あるいは光等により合成樹脂を硬化
させて導電層を形成するものである。

例えば市販の銀ペイントは、銀粉をアクリル樹脂中に分
散させたもので、１００〜１５０℃において加熱硬化さ
せるものである。

本発明の製造方法による湿度検知素子の製造にあたって
は、有極性溶媒処理工程を省略しても湿度検出素子とし
ての機能を十分に満足するものか得られるが、第４図の
特性Ａに示すように、応答性が悪いという欠点があった
。

本発明はこの応答性の改善を目的としたものであり、導
電性ペイントにより陰極集電層を形成した後、有極性溶
媒中に素子を２０秒〜２０分間浸漬するもので、第４図
の特性Ｂに示すように、有極性溶媒処理をすることによ
り、応答性を著しく改善するものである。

なお、ここで述べる応答性とは、飽和硝酸鉛溶液を用い
て調湿された湿度９８％ＲＨ中での飽和電気容量をｃｏ
とし、飽和塩化カルシウム溶液を用いて調湿された湿度
３１％ＲＨに移し変えて１分後および１０分後の電気容
量をそれぞれＣＩ おｏ−Ｃ よびｃｔｏとし、応答性Ｒ＝ ｏ３ヨビ Ｘｌ ００％
で示したものであり、すなわち、高湿から低湿へ移行し
て１０分間に変動する容量値に対する１分間に変動する
容量値の割合で示したものである。

有極性溶媒中に湿度検知素子を２０秒〜２０分間浸漬す
ることにより応答性か改善される技術的内容について詳
細に説明する。

上述のように、導電性ペイントは媒体か合成樹脂であり
、この合成樹脂の中には、電気良導体金属粉以外に硬化
剤やその他各種の充填剤が種々混合されている。

一方、半導体性金属酸化物、例えば二酸化マンガンは非
常に活性であり、かつまた吸着性能が良いため、過剰の
硬化剤や充填剤等を吸着する。

つまり、第５図ａに示すように、導電性ペイントを塗布
硬化させた直後は、半導体性金属酸化物膜３の周囲には
多くの不要物８が吸着されたままの状態である。

この様な状態の素子を有極性溶媒中に浸漬すると、半導
体性金属酸化物膜３に吸着されていた多くの不要物８が
溶媒中に溶出され、第５図すに示す状態になる。

このため湿気中の水分の出入が容易になり、応答性が著
しく改善されるのである。

次に、溶媒について説明する。

前述のように過剰の硬化剤や充填剤を溶出する効果のあ
る溶媒としては数多くのものが考えられる。

そこで芳香族化合物と脂肪族化合物に大別して考察する
。

（１）芳香族化合物 ベンゼン、トルエン、＋シレンについては効果か認めら
れた。

しかしながら、これらよりも炭素数の多い化合物にあっ
ては、浸漬後の溶媒の乾燥に長時間を要するため実用的
でない。

（２）脂肪族化合物 脂肪族化合物のうちでいわゆる炭化水素化合物（炭素お
よび水素のみからなる化合物）については効果が認めら
れた。

しかしながら、これらの化合物よりも分子内にヘテロ原
子を有する有極性化合物の力かより大きな効果があった
。

有極性化合物の例としては、ケトン類、有機酸類、エス
テル類、アルコール類、アミド類、ハロゲン化合物等が
有効である。

また、上記の応答性改善のために有効であった有極性化
合物の具体例を列記する。

ケトン類としては、アセトン、メチルエチルケトン、有
機酸としては、ギ酸、酢酸、エステル類としては、ギ酸
メチル、ギ酸エチル、ギ酸ブチル、酢酸メチル、酢酸エ
チル、酢酸ブチル、アルコール類としては、メタノール
、エタノール、ｎ−プロパツール、Ｉｓｏ プロパツー
ル、アミド類としては、Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ−
Ｎジメチルホルムアミド、ハロゲン化合物としては、ク
ロロホルム、トリクロールエチレンか有効であった。

次に、溶媒浸漬時間について述べるが、ここではアセト
ン処理についてのみ記述する。

第６図に示すように、アセモノ処理Ｏ分（つまりアセト
ン中に浸漬せず）における応答性は約５０ψ程度である
が、１分間アセトン処理をすると、９５％程度に改善さ
れる。

さらに５分間、２０分間処理を行ってもその後の応答性
の改善は認められない。

すなわち、溶媒浸漬時間としては２０秒間程度から効果
かあり、２０分間以上となると素子が破壊されることか
ら２０秒〜２０分間である。

以上記載のように、本発明の製造方法は導電性ペイント
塗布硬化後、有極性溶媒中に浸漬するものであり、応答
性の著しく改善された湿度検知素子が得られ、従来の湿
度検知素子では得られなかった擾れた効果を得ることか
できる工業的価値の犬なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る湿度検知素子の原理構成を示す断
面図、第２図は同動作原理を示すための要部の拡大断面
図、第３図は本発明の湿度検知素子の製造方法における
製造工程を示す王程図、第４図は本発明の詳細な説明す
るための応答性を示す図、第５図ａ、ｂは有極性溶媒処
理前と処理後において不用物か溶出されたことを示すた
めの要部の拡大断面図、第６図はアセトン浸漬時間と、
応答性の改常の状態を扇す図である。 １・・・・・・金属基体、２・・・・・・誘電体性陽極
酸化皮膜、３・・・・・・半導体性金属酸化物膜、６・
・・・・・カーボン層、７・・・・・・陰極集電層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ タンタル、アルミニウム、チタン、ニオブ、ハフニ
   ウムのような弁作用金属またはこれらの合金またはシリ
   コン、ゲルマニウムの金属基体の表面に誘電体性陽極酸
   化皮膜を形成する工程と、前記誘電体性陽極酸化皮膜上
   に半導体性金属酸化物膜を形成する工程と、前記半導体
   性金属酸化物膜上にカーボン層を形成する工程と、前記
   カーボン層上に陰極導電層を形成する工程と、その陰極
   導電層を形成した後、有極性溶媒中に２０秒〜２０分間
   浸漬する工程とからなることを特徴とする湿度検知素子
   の製造方法。 ２ 有極性溶媒がケトン化合物、有機酸化物、エステル
   化合物、アルコール化合物、アミド化合物、ハロゲン化
   合物の少なくとも１つからなる溶媒であることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の湿度検知素子の製造
   方法。