JPS5948637A - Humidity sensor - Google Patents

Humidity sensor

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JPS5948637A
JPS5948637A JP16048882A JP16048882A JPS5948637A JP S5948637 A JPS5948637 A JP S5948637A JP 16048882 A JP16048882 A JP 16048882A JP 16048882 A JP16048882 A JP 16048882A JP S5948637 A JPS5948637 A JP S5948637A
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JP
Japan
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relative humidity
oscillation
vibrator
humidity
piezoelectric
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JP16048882A
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Japanese (ja)
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JPH025266B2 (en
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Tasuku Masuo
増尾 翼
Koji Nishiyama
浩司 西山
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N5/00Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid
    • G01N5/02Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by absorbing or adsorbing components of a material and determining change of weight of the adsorbent, e.g. determining moisture content
    • G01N5/025Analysing materials by weighing, e.g. weighing small particles separated from a gas or liquid by absorbing or adsorbing components of a material and determining change of weight of the adsorbent, e.g. determining moisture content for determining moisture content

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Abstract

PURPOSE:To enable accurate detection of relative humidity by reading changes in the oscillation frequency depending on a drop or a stop of the oscillation due to a dielectric relaxation based on the decrease in the resistance value due to humidity absorption of a piezo-electric body. CONSTITUTION:A piezo-electric body 2 is formed on the side of a tuning fork type vibrator body 1 and an electrode 3 thereon 2. The electrode 3' is preferably an island or net in the shape considering hygroscopicity and connected to a widely accepted oscillation circuit as surrounded by the broken line 4. As illustrated, the oscillation frequency decreases down to 65% in the relative humidity and the oscillation stops at this relative humidity of 65%. The percentage of the relative humidity can be confirmed by reading the oscillation frequency. The oscillation stops at the relative humidity of 65%, when the resistance value is close to 10<6>OMEGA. No piezo-electric property is indicated below this resistance value. Thus, the relative humidity can be detected exactly by reading changes in the oscillation frequency of the vibrator.

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はある湿度以上に達 したとき振動子の発振が
停止するという機能を備えた湿度センサに関するもので
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a humidity sensor having a function of stopping the oscillation of a vibrator when the humidity reaches a certain level.

湿度センサには湿度の上昇に伴って抵抗が変化するタイ
プのものと、湿度の上昇に伴って容量の変化するタイプ
のものがある。
There are two types of humidity sensors: one whose resistance changes as the humidity rises, and another whose capacitance changes as the humidity rises.

この他、圧電振動子を用い、湿度の上昇に伴って発振が
停止するという特性を備えた湿度センサがある。
In addition, there is a humidity sensor that uses a piezoelectric vibrator and has a characteristic that oscillation stops as the humidity increases.

これは圧電振動子の表面に吸mjrAを付着し、湿度の
上昇によって吸湿材の質量が増加したとぎ、発振を抑圧
覆るという現象を利用したものである。
This utilizes the phenomenon that when absorbent mjrA is attached to the surface of a piezoelectric vibrator and the mass of the absorbent material increases due to rise in humidity, the oscillation is suppressed and covered.

この発明は圧電振動子を用いたタイプの湿度センサに関
し、上述したような吸湿材を用いずに発振状態の変化に
もとづいて湿度状態を検出することができる構造の簡単
な湿度センサを提供するものである。
The present invention relates to a type of humidity sensor using a piezoelectric vibrator, and provides a humidity sensor with a simple structure that can detect the humidity state based on changes in the oscillation state without using a moisture absorbing material as described above. It is.

すなわち、この発明の要旨とするところは、振動子本体
と、この振動子本体の振動を生じる部分の任意の面に形
成された圧電体と、この圧電体の上に形成された電極と
から構成された湿度センサであって、前記圧電体は格子
欠陥のものまたは原子価制御されたものからなる圧電半
導体であることを特徴とする湿度センサである。
That is, the gist of the present invention is to provide a vibrator composed of a vibrator body, a piezoelectric body formed on any surface of the vibrating part of the vibrator body, and an electrode formed on the piezoelectric body. The humidity sensor is characterized in that the piezoelectric material is a piezoelectric semiconductor made of a material with lattice defects or a material whose valence is controlled.

かかる湿度センサを構成するもののうち、振動子本体と
しては板状、音叉型、音片型などがあり、後述する圧電
体、および電極を形成することにより振動させることが
できるものであれば特に形状は限定されるものではない
Among the components of such a humidity sensor, the vibrator body may be of a plate shape, a tuning fork shape, a vibrating piece shape, etc., and the shape may be particularly limited if it can be vibrated by forming a piezoelectric material and electrodes, which will be described later. is not limited.

また、圧電体は上述する振動子本体の振動を生ずる部分
に形成され、振動子本体を屈曲振動させる駆動源となる
Further, the piezoelectric body is formed in the vibrating portion of the vibrator body described above, and serves as a driving source for bending and vibrating the vibrator body.

ここで、圧電体の種類としては、nb −vxb族化合
物、たとえばZnO,ZnS、CdS、CdSe、Cd
Teなど、mb−vb族化合物、たとえばGaP、Ga
As、■n1Sbなど、その他にニオブ酸リチウム、タ
ンタル酸リチウム、チタン酸ジルコン酸鉛系磁、器など
がある。
Here, the types of piezoelectric materials include nb-vxb group compounds, such as ZnO, ZnS, CdS, CdSe, and Cd
mb-vb group compounds such as Te, e.g. GaP, Ga
In addition to As, *n1Sb, etc., there are also lithium niobate, lithium tantalate, lead zirconate titanate ceramics, and ceramics.

これら圧電体の形成方法としては、真空蒸着法、スパッ
タリング法、イオンブレーティング法、気相蒸着法など
がある。そのほか圧電体を振動子本体に接着してもよい
Methods for forming these piezoelectric bodies include vacuum evaporation, sputtering, ion blasting, and vapor deposition. In addition, a piezoelectric material may be bonded to the vibrator body.

特にこの発明において重要な点は相対湿度がある一定値
以上になると、振動子の発振が停止することである。
A particularly important point in this invention is that the oscillation of the vibrator stops when the relative humidity exceeds a certain value.

つまり、圧電体であっても、化学量論的なズレによる格
子欠陥または不純物添加による原子価制御によって、禁
止帯中にドナーの不純物単位が生じることになり、半導
体的性質を帯びる一方、活性化して吸湿しやすくなり、
相対湿度の上昇に伴って抵抗値が減少するという性質が
ある。
In other words, even in piezoelectric materials, donor impurity units are generated in the forbidden band due to lattice defects due to stoichiometric misalignment or valence control through impurity addition, and while they take on semiconducting properties, they do not become activated. It absorbs moisture easily,
It has a property that the resistance value decreases as the relative humidity increases.

たとえば、酸化亜鉛の場合、抵抗値が106Ω以下まで
下がると圧電体としての性質よりもむしろ半導体として
の性質が顕著になる。
For example, in the case of zinc oxide, when the resistance value decreases to 10 6 Ω or less, its properties as a semiconductor become more pronounced than its properties as a piezoelectric material.

一般に圧電性と半導体性のうちどちらの性質を示すかを
知る・には、誘電体緩和角周波数(ωG)を見ればわか
る。この誘電体緩和角周波数(ωC)は次式で表わされ
る。
In general, whether a material exhibits piezoelectric or semiconducting properties can be determined by looking at the dielectric relaxation angular frequency (ωG). This dielectric relaxation angular frequency (ωC) is expressed by the following equation.

ωC= σ/ε0εP ここで、σ:圧電4本の導電率 ε0:真空の誘電率 εP:圧電イ杢の誘電率 いま、対象とする角周波数(ω)がωC)ωになると、
自由電子のために結晶内に発生する分極が短絡されて消
滅し、圧電性を示さなくなることになる。
ωC= σ/ε0εP Here, σ: Electrical conductivity of the four piezoelectrics ε0: Dielectric constant of the vacuum εP: Dielectric constant of the piezoelectric heather Now, when the target angular frequency (ω) becomes ωC)ω,
The polarization generated within the crystal due to the free electrons is short-circuited and disappears, resulting in the crystal no longer exhibiting piezoelectricity.

しがって、結晶の抵抗値が下がり、導電率が大きくなる
と、圧電体を駆動源とする振動子は発振が停止すること
になるのである。
Therefore, when the resistance value of the crystal decreases and the conductivity increases, the vibrator using the piezoelectric material as a driving source stops oscillating.

このような圧電体の性質に着目すれば、湿度が上昇する
ことによって抵抗が減少し、振動子の発振周波数の低下
または停止につながることになり、湿度の変化を確認す
ることができるのである。
If we focus on the properties of piezoelectric materials, as humidity increases, resistance decreases, which leads to a decrease or stop of the oscillation frequency of the vibrator, making it possible to confirm changes in humidity.

圧電体を格子欠陥状態の圧電半導体とするには、たとえ
ばスパッタリング法で圧電体を形成する場合、02とA
rの混合比を変えるがスパッタリング時のガス圧を調整
する方法がある。また原子価制御して圧電半導体とする
には、たとえばZnOについてはAIなど3価以上の元
素を添加する方法がある。
In order to make the piezoelectric body a piezoelectric semiconductor in a lattice defect state, for example, when forming the piezoelectric body by sputtering method, 02 and A
There is a method of adjusting the gas pressure during sputtering by changing the mixing ratio of r. Furthermore, in order to control the valence and make a piezoelectric semiconductor, for example, for ZnO, there is a method of adding a trivalent or higher valence element such as AI.

第1図はこの発明の一実施例にかかる概略図であり、音
叉型の振動子を発振回路に組み込んだ状態を示す。図に
おいて、1は音叉型の振動子本体であり、振動片の側面
には圧電体2が形成されており、さらに圧電体2の上に
電極3が形成されている。電極3としてはALI、AI
などが用いられ、たとえば真空蒸着法、スパッタリング
法などの方法により形成される。電極3について吸湿性
を考慮した場合、島状あるいは網状にすることが好まし
い。
FIG. 1 is a schematic diagram according to an embodiment of the present invention, showing a state in which a tuning fork type vibrator is incorporated into an oscillation circuit. In the figure, reference numeral 1 denotes a tuning fork-shaped vibrator main body, a piezoelectric body 2 is formed on the side surface of the vibrating piece, and an electrode 3 is further formed on the piezoelectric body 2. As electrode 3, ALI, AI
For example, it is formed by a method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method. Considering the hygroscopicity of the electrode 3, it is preferable to form it into an island shape or a net shape.

このような構成からなる音叉型の撮動子は、破線4で囲
むように公知の発振回路に接続される。
The tuning fork type camera having such a configuration is connected to a known oscillation circuit as surrounded by a broken line 4.

そして圧電体2の水分の吸脱着は電極3の周囲から、あ
るいは吸湿性を電極3に持たせた場合には電極3を介し
て行われる。
The piezoelectric body 2 adsorbs and desorbs moisture from around the electrode 3, or via the electrode 3 if the electrode 3 has hygroscopic properties.

第2図は振動子として音片型のものを用いた例を示した
ものであり、枠体11に支持部12を介して支持されて
いる音片型の振動子13の表面に、圧電体14を形成し
、さらに電極15を形成したものである。16は電極1
5から枠体12に導出した引き出し電極である。
FIG. 2 shows an example in which a vibrating piece type vibrator is used as the vibrator, and a piezoelectric material is attached to the surface of the vibrating piece type vibrator 13 supported by the frame 11 via the support part 12. 14 and further an electrode 15 is formed. 16 is electrode 1
5 to the frame 12.

この構成からなる音片型の振動子は図示しないが、第1
図に示したように、使用に際して発振回路に組み込まれ
る。
Although the vibrating piece type vibrator having this configuration is not shown, the first
As shown in the figure, it is incorporated into an oscillator circuit during use.

以下に具体的な実施例にもとづいて説明する。A description will be given below based on specific examples.

まず、音叉型の振動子本体を用意した。次いで振動子本
体の振動を生ずる部分、つまり音叉脚の側面に酸化亜鉛
からなる圧電体を形成した。この酸化亜鉛の圧電体を形
成するに当っては反応性スバッタリング法を用い、真空
槽内の雰囲気をAr:02=50:50とし、スパッタ
圧を5X102 Torrとして、金属亜鉛のターゲッ
トで酸化亜鉛の膜状圧電体を形成した。その抵抗を相対
湿度30%のときにおいて1x108Ωとした。またこ
のときの厚みは30μmであった。
First, a tuning fork-shaped vibrator body was prepared. Next, a piezoelectric material made of zinc oxide was formed on the part of the vibrator body that generates vibration, that is, on the side surface of the tuning fork leg. To form this zinc oxide piezoelectric body, a reactive sputtering method was used, the atmosphere in the vacuum chamber was set to Ar:02=50:50, the sputtering pressure was set to 5X102 Torr, and oxidation was performed using a metallic zinc target. A film-like piezoelectric material made of zinc was formed. Its resistance was 1×10 8 Ω at a relative humidity of 30%. Further, the thickness at this time was 30 μm.

この湿度センサは相対湿度30%にお【プる基準発振周
波数が約76KH2ものである。そしてこの湿が得られ
た。また各相対湿度における圧電体の抵抗値を測定し、
その結果も第3図に合わせて示した。
This humidity sensor has a reference oscillation frequency of approximately 76 KH2 at a relative humidity of 30%. And we got this humidity. We also measured the resistance value of the piezoelectric material at each relative humidity,
The results are also shown in Figure 3.

第、3図から明らかなように、相対湿度65%まで発振
周波数が減少し、相対湿度65%で発振が停止している
。したがって、発振周波数を読み取ることによって、相
対湿度が何%かを確認することができる。
As is clear from FIGS. 3 and 3, the oscillation frequency decreases until the relative humidity reaches 65%, and the oscillation stops at the relative humidity of 65%. Therefore, by reading the oscillation frequency, it is possible to check what percentage the relative humidity is.

また発Fim414が相対湿度65%で停止しているが
、そのときの抵抗値は106Ω付近である。これは抵抗
値が低下して誘電緩和を起こし、圧電性を示さなくなる
ことに対応している。
Furthermore, although the emission Fim 414 stops at a relative humidity of 65%, the resistance value at that time is around 106Ω. This corresponds to the fact that the resistance value decreases, dielectric relaxation occurs, and piezoelectricity is no longer exhibited.

また第4図は酸化亜鉛の圧電体の厚みを変えたとき、各
相対湿度における発振周波数の変化を示したものである
。この第4図から明らかなにうに厚みを変えることによ
って、発振が停止する相対湿度の値を設定することがで
きる。このほかスパッタリング条件、たとえば02対A
r比−スパッタリング時のガス圧を調整することに−一
って特性を変えることかできる。また不純物の添加針を
調節することによって特性を変えることができる。
Moreover, FIG. 4 shows the change in oscillation frequency at each relative humidity when the thickness of the zinc oxide piezoelectric material is changed. By changing the thickness as is clear from FIG. 4, it is possible to set the value of relative humidity at which oscillation stops. In addition, sputtering conditions such as 02 vs. A
The properties can be changed by adjusting the r ratio - the gas pressure during sputtering. Further, the characteristics can be changed by adjusting the impurity addition needle.

したがってこの湿度センサは結露センサとしても利用可
能なものである。
Therefore, this humidity sensor can also be used as a dew condensation sensor.

上述した実施例では酸化亜鉛からなる圧電体について説
明したが、このほかの圧電体、たとえばZn S、Cd
55Cd Se 、Cd Teなどの■b−■b族化合
物、あるいはGa P、Ga As 、In5bなどの
Ib−Vb族化合物などを用いても、同様にして湿it
ンザを構成することができる。
In the above embodiments, a piezoelectric material made of zinc oxide was explained, but other piezoelectric materials such as ZnS, Cd
55 Even if a ■b-■b group compound such as 55CdSe, CdTe, etc. or an Ib-Vb group compound such as GaP, GaAs, In5b, etc. are used, wet it.
can be configured.

以上のようにこの発明によれば、圧電体の吸湿による抵
抗値の減少にもとづいて、誘電緩和坦象による発振の低
下または停止を利用した湿度センサであり、出力電圧変
化もしくは振動子の発振周波数の変化を読み取ることに
よって正確に相対湿度を検知することができるものであ
る。
As described above, according to the present invention, it is a humidity sensor that utilizes the decrease or stop of oscillation due to dielectric relaxation phenomena, based on the decrease in resistance value due to moisture absorption of the piezoelectric material, and the change in output voltage or the oscillation frequency of the vibrator. It is possible to accurately detect relative humidity by reading changes in the relative humidity.

このような機能を有する湿度センサは室内、室外の湿度
状態のみならず、電子写真複写装置、温度制御機器の湿
度状態の検知に有用なものである。
A humidity sensor having such a function is useful for detecting not only the indoor and outdoor humidity conditions but also the humidity conditions of electrophotographic copying machines and temperature control equipment.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図はこの発明の一実施例を示す概略図、第2図は音
片型の振動子を示す平面図、第3図はこの発明の実施例
により得られた湿度センサの発振周波数−相対湿度特性
および圧電体の抵抗値−相対湿度特性を示す図、第4図
は圧電体の厚みを変えたときの発振周波数−相対湿度特
性図である。 1−音叉型振動子、 2−圧電体、 3−電極。 特  許  出  願  人 株式会社村田製作所 第1図 L−、−−J 第2図 215
Fig. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention, Fig. 2 is a plan view showing a vibrating element type vibrator, and Fig. 3 is a relative oscillation frequency of a humidity sensor obtained by an embodiment of the invention. FIG. 4 is a diagram showing humidity characteristics and resistance value-relative humidity characteristics of a piezoelectric material, and FIG. 4 is a diagram showing oscillation frequency-relative humidity characteristics when the thickness of the piezoelectric material is changed. 1-tuning fork type vibrator, 2-piezoelectric body, 3-electrode. Patent applicant Murata Manufacturing Co., Ltd. Figure 1 L-, --J Figure 2 215

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 振動子本体と、この颯動子本体の振動を生じる部分の任
意の面に形成された圧電体と、この圧電体の上に形成さ
れた電極とから構成された湿度センサであって、前記圧
電体は格子欠陥のものまたは原子価制御されたものから
なる圧電半導体であることを特徴とする湿度センサ。
A humidity sensor comprising a vibrator body, a piezoelectric body formed on an arbitrary surface of a vibration-generating part of the vibrator body, and an electrode formed on the piezoelectric body, the humidity sensor comprising: A humidity sensor characterized in that the body is a piezoelectric semiconductor made of a lattice defect material or a valence-controlled material.
JP16048882A 1982-09-13 1982-09-13 Humidity sensor Granted JPS5948637A (en)

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JP16048882A JPS5948637A (en) 1982-09-13 1982-09-13 Humidity sensor

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JPH025266B2 JPH025266B2 (en) 1990-02-01

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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6280545A (en) * 1985-10-04 1987-04-14 Nittan Co Ltd Environmental abnormality detecting circuit
JP2009528543A (en) * 2006-02-28 2009-08-06 エクソンモービル リサーチ アンド エンジニアリング カンパニー Metal loss rate sensor and measurement using mechanical oscillators
JP2010530072A (en) * 2007-06-15 2010-09-02 エクソンモービル リサーチ アンド エンジニアリング カンパニー Mechanical vibrator that operates or stops according to a predetermined condition

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