JPS59229802A

JPS59229802A - 湿度センサ

Info

Publication number: JPS59229802A
Application number: JP58105422A
Authority: JP
Inventors: 増尾　翼; 謙二安藤; 浩司西山
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1983-06-13
Filing date: 1983-06-13
Publication date: 1984-12-24
Also published as: JPH0348643B2

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】この発明は鉛とリチウムを含有した酸化亜鉛薄膜よりな
る湿度センサに関するものである。

従来から存在する電気抵抗式の湿度センサとしては、櫛
型電極上に固体電解質を高分子材料と架橋重合させた有
機物皮膜からなる湿度センサ、あるいは多孔性金属酸化
物磁器を用いた湿度センサが知られている。

しかしながら、前者の有機物皮膜からなる湿度センサは
、高温での使用ができないこと、長時間の結露した環境
下では電解質が溶は出すなどの欠点があった。

また多孔性金属酸化物磁器を用いた湿度センサは、初期
においてはすぐれた湿度応答を有するものであるが、長
時間使用すると水分子が空孔の奥深くに浸入し、化学吸
着するようになり表面抵抗は上昇する。

これを再生するために加熱によるクリーニングが必要と
なり、ヒータ制御回路という複雑な機構が必要である。

一方酸化亜鉛を用いた湿度センサも従来がらよく知られ
ている。これはセラミック、ガラスなどの絶縁基板の上
に酸化亜鉛の薄膜を形成し、さらにこの上に一対の検出
電極を形成したものである。

この湿度センサは雰囲気の湿度が変化したとき抵抗値が
変化するという特性を有するものであり、応答性が速い
という特徴をもっている。

ところがこの抵抗値は、実用測定範囲内にあることが重
要であるが、酸化亜鉛の場合抵抗値をこの実用測定範囲
内にコントロールするに用いる元素もあまり知られてい
ない。

また、この酸化亜鉛薄膜を用いた湿度センサは主として
酸化亜鉛の金属過剰のｎ型半導体である。

そしてこのｎ型半導体をスパッタリング法で形成するた
めには、酸素發をへらしてスパッタリングする方法が考
えられるが、酸素を減らすとある限界値で急激に亜鉛金
属のスパッタ膜が形成されるようになり、この条件をコ
ントロールする・ことが困難であった。

本発明者らは上記の点から酸化亜鉛薄膜を用いた湿度セ
ンサで実用測定範囲内に抵抗値を有するものを得るべく
検討を行い、鉛を含有した酸化亜鉛薄膜よりなる湿度セ
ンサであれば、抵抗値が容易に下り、加熱によるクリー
ニング処理をすることなく湿度の連続測定が可能である
ことを見出し、さきに特許出願を行った。

ところが鉛を含有しただけでは抵抗を下げる効果は有す
るものの湿度に対する応答６性、特に復帰時間が長いと
い、う欠陥のあることがわかった。

そこで、この応答性をさきに改善すべく検討を続けた結
果、鉛とともにリチウムを加えるならば抵抗値を下げる
効果を有して且つ湿度に対する応答性、特に復帰時間の
短縮がはかれるという一層すぐれた湿度センサが得られ
ることを見出したものである。

即ち、この発明の湿度センサは、感湿要素が鉛とリチウ
ムを含有した酸化亜鉛薄膜よりなるものであって、これ
によって（１）自己復帰性があり、クリーニングを必要左しない
こと、（′２Ｊ　　応答性がはやいこと、（３）実用測定が容易な範囲の抵抗値を有すること、（
４）耐久性にすぐれていること、などの効果を奏するのである。

以下この発明の湿度センサについて詳細に説明する。

第１図はこの発明にかかる湿度センサの一例を示す概略
平面図であって、１はセラミック、ガラスなどからなる
絶縁基板であり、この基板１上にはくし歯状の一対の検
出電極２．３が形成され、ざらにくし歯部分を覆うよう
に感湿要素である酸化亜鉛薄膜４が形成されている。

５．６は検出電極２，３にそれぞれ接続された端子であ
る。なお図示省略したが、酸化亜鉛薄膜４上に多孔性の
検出電極を網目状またはくし歯状に形成したもの、ある
いは上下平行電極によるバルク型のものであってもよく
、電極はＡｕ、Ｎｉ、Ｃｒ１Ｔｉ１Ｃｕ、Ｆｅなどの導
電性物質をマスク蒸着法などにより形成すればよい。

酸化亜鉛薄膜４を形成する手段としては、例えばスパッ
タリング法、真空蒸着法、イオンブレーティング法など
があるが、特に形成手段の容易さから反応性スパッタリ
ング法が適している。

この発明において、感湿要素である酸化亜鉛薄膜に含有
させる鉛およびリチウムの使用範囲としては、鉛は０．
１〜２０原子％、好ましくは０．５〜５原子％であり、
リチウムは０．１〜２０原子％、好ましくは０．５〜２
原子％が望ましい。

この理由は、鉛が０．１原子％以下では抵抗値は１０１
０以上となり、実用測定可能範囲を越え、２０原子％以
上を用いると、湿度に対する抵抗変化が小さくなって好
ましくなく、またリチウムが０．１原子％以下では添加
の効果がなく、２０原子％以上では抵抗値が上昇して鉛
との併用効果が得られず、何れも湿度センサとしては不
適当である。

ここでこの発明で特徴とする鉛とリチウムの併用につい
て説明すると、鉛を加えることにより抵抗値は下がるが
応答性、再現性が好ましくない。

またリチウムを添加すると、抵抗値は上昇する。

しかしてこの鉛とリチウムの両者を添加すると応答性、
再現性が改善されるのである。

しかし、リチウムの添加で抵抗値は上昇するの。

で、鉛とリチウムの添加比はまず実用抵抗値が湿度４０
％で１ＭΩ以下になるように調整することが必要である
。従って両者の使用量としては、酸化亜鉛薄膜中に鉛３
〜４原子％、リチウム０．５〜１原子％程度が最も好ま
しい。

以下この発明を一実施例により詳細に説明する。

実施例アルミナ基板上にくし歯の間隔が０．５ｍ＋ｎ、対向長
さが６５　ｉｎの金からなるくし歯状の検出電極を形成
した。

さらにこの上にくし歯部分を覆うように、鉛とリチウム
を含有する酸化亜鉛薄膜をスパッタリング法により形成
した。

この酸化亜鉛１１９１の形成は、ターゲットとして金属
亜鉛を用いて次のようにして行なった。

くし歯状の検出電極を形成したアルミナ基板をスパッタ
リング装置の陽極側に設置した。一方陰極側にはあらか
じめ金属亜鉛に鉛を３県子％を混入し、溶融して得た合
金上にリチウムに換算して１県子％となる炭酸リチウム
（Ｌ１２ＣＯｓ　）のプレス成形物とならべてものをタ
ーゲットとして配置した。

そしてスパッタリング室内の真空圧を５ｘｌＯ’Ｔ　ｏ
ｒｒとし、酸素（０２）とアルゴン（Ａ、）の比率１：
１からなる混合ガスをスパッタリング室内に導入し、該
室内を３ｘ　１６”ｒ　ｏｒｒの圧力に保った。

その後排気弁、を調整し、スパッタリング室圧力ｌが１，５ｘ　ＩＯＴ　ｏｒｒになるよう調整し、３００
Ｗの高周波電ｌ　（１３，５６ＭＨ２）を供給してくし
歯状の検出電極を有するアルミナ基板上に鉛とリチウム
（を含有する薄１１１１μｍの酸化亜鉛薄膜を形成した。

なお上記実施例ではターゲットとして金属亜鉛を用い、
反応性スパッタリング法により酸化亜鉛薄膜を形成する
例を示したが、ターゲットとして酸化亜鉛の焼結体を用
いることも可能である。そしてこの場合の酸化亜鉛焼結
体は、例えば酸化亜鉛粉末を主とし、これに鉛に換算し
て３県子％のＰｂ　３０４ｔとリチウムに換算して１県
子％の炭酸リチウム（ｌ；２ｃＯａ）を添加し、十分粉
砕混合したものを５００〜６００℃で仮焼し、次いでプ
レス成形により７００〜１３００℃で焼成することによ
って得ることができる。

またこの酸化亜鉛焼結体をターゲラ１〜とする場合の反
応性スパッタリングにおけるスパッタリング室内にはＡ
ｒ：０２＝９：１の混合ガスを用いることが好ましい。

上記実施例においては、アルミナ等の絶縁基板上に一対
のくし歯状の検出電極を形成し、その上にスパッタリン
グ法で酸化亜鉛薄膜を形成したものを示したが、この発
明の湿度センサはこのような構造に限定されるものでは
なく、このほかにアルミナ等の絶縁基板上にスパッタリ
ン、グ法で酸化′亜鉛薄膜を形成し、その上に一対のく
し歯状の検出電極を形成した構造、あるいはＳ電性基板
例えばステンレス、アルミニウム板等の上にスパッタリ
ング法で酸化亜鉛薄膜を形成し、その上にくし歯状検出
電極もしくは金の島状蒸着膜あるいは多孔性銀ペースト
による電極を形成し、上下電極間の抵抗値を測定する構
造のもの、などであってもよい。

かくして得たスパッタリング法に基づく酸化亜鉛Ｈ膜は
、その形成時には表面に欠陥構造を多く含み、ガマなど
が吸着しやすいため、１５０℃、２４時間のアニールを
行った。この７二−ルにより該酸化亜鉛薄膜の抵ｒ′Ｌ
値は膜形成時より幾分高くなるが、抵抗値の経時変化が
小さくなるのである。

なお、この発明の湿度センサは低温では湿度センサとし
て作用するが、３００〜５００’Ｃの高温にするとガス
センサとして働き、従ってガス濃度を測定するときは感
応素子を加熱し、相対湿度を測定するときは空温にする
使い方も可能である。

上記実施例で得られたこの発明の湿度センサについてそ
の応答特性を第２図に示すように相対湿度０％真空中か
ら相対湿度５５％の・大気中へ取り出したとき、および
相対湿度９３％のＫＮＯ３飽和塩溶液から相対湿度５５
％の大気中へ取り出した時の相対湿度−電気抵抗曲線か
ら換算した相対湿度指示値（％）の変化について表わし
たところ、この発明の湿度センサＡは鉛のみを添加した
酸化亜鉛薄膜を感湿要素とする湿度センサＢに比べて応
答性のはやいことが認められた。

またこの発明の湿度センサの自己復帰性を相対湿度に対
する電気抵抗変化にて測定したところ第３図の結果が得
られ、再現性の良いことが認められた。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明にかかる湿度センサの一例を示す概略
平面図、第２図は応答特性を示すグラフ、第３図は相対
湿度−電気抵抗特性図である。１・・・絶縁基板　　２，３・・・検出電極４・・・酸
化亜鉛薄膜特許出願人　　株式会社　村田製作所代　　理　　人　　　弁理士　　和　　１）　　昭第１
図応答特性（料量Ｓｅｅ　）第３図 □相対湿度（％）

Claims

【特許請求の範囲】（１）感湿要素が鉛とリチウムを含有した酸化亜鉛簿膜
よりなることを特徴とする湿度センサ。（２］　　酸化亜鉛薄膜に含有する鉛の量が０．１〜２
０原子％であることを特徴とする特許請求の範囲第１項
記載の湿度センサ。（３）　　酸化亜鉛簿膜に含有するリチウムの但が０．
１〜２０原子％であることを特徴とする特許請求の範囲
第１項記載の湿度センサ。