JPS6015121B2

JPS6015121B2 - 感湿素子

Info

Publication number: JPS6015121B2
Application number: JP55055144A
Authority: JP
Inventors: 孝男指田; 英夫小林; 賢一山根
Original assignee: Chino Works Ltd
Current assignee: Chino Corp
Priority date: 1980-04-25
Filing date: 1980-04-25
Publication date: 1985-04-17
Also published as: JPS56152204A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、小型で高感度、高応答性、低インピーダンス
、低温度係数の感湿素子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、圧力、光量、
速度、湿度等のうちで、未だ精度の高い測定が困難なも
のは湿度である。

しかしその反面、食品工業、農業、その他多くの分野で
、湿度の正確な測定およびその制御が必要となって釆て
いる。現在、電気信号として湿度を検出する方法として
は、ＬｉＣＩのような潮解性塩のイオン伝導の変化を利
用したものがあるが、高湿側での連続使用では、塩が多
量の水分を吸収して流れてしまい、また低湿側は原理的
に測定が不可能で、かつ、比較的短期間で塩溶液を塗布
し直さなければならないなどの欠点がある。

他に毛髪、ナイロンのような繊維の水分吸脱着に伴う変
形を、ストレィン・ゲージを用いて電気信号に変換する
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、経時変化が大
きい欠点がある。

また、Ｑ線吸収透過を利用した露点計は、非常に精度が
高いが、装置が大がかりであり、また非常に高価でもあ
り、一般用としては用いることが困難である。

他にマイクロ波を利用した湿度計もあるが、これも装置
が大きく、かつ高価で、一般用としては難がある。

さらに最近では、金属酸化物の水分吸脱着現象を利用し
たもの、特にセラミック感緑素子の開発が盛んで、実用
化されているものも幾つかある。

これらは金属酸イ的物であることから空気中で安定であ
り、また、競鯖体であることから熱的に安定で、かつ、
機械的強度も比較的大きいという利点がある。これらの
素子は、主として吸着された水の解※イオンによるイン
ピーダンス変化を検出するため、ごく単純には、第１図
のような等価回路により記述することができる。

第１図においてＲｏは素子のインピーダンス、Ｒ，は水
の解簸イオンによるインピーダンス、Ｒ２は信号を取り
出すための固定抵抗である。第１図の中で、Ｒ，で表わ
される水の解難イオンによるインピーダンスはかなり大
きく、従って、Ｒ．の変化をＲｏとＲ．の合成抵抗のイ
ンピーダンス変化として取り出すためには、Ｒｏも大き
くなければならず、結果として、感湿素子のインピーダ
ンスが大きくなってしまう。

このため素子の抵抗部分を形成する材料としては、高い
比抵抗を有する半導体が選ばれるわけであるが、金属酸
化物半導体は一般にサーミスタと呼ばれ、きわめて大き
い温度係数を有し、これもまた欠点の１つとなってしま
う。さらに、水の吸着表面積を拡大するため焼結体が使
用されるが、焼絹体の紬孔蓬や空孔率等の特性は、これ
に使用する粉末の粒径、粒度分布、粒子形状等により大
きく変化し、制御がかなり困難である。

さらに、水の吸着表面積に寄与する紬孔による比表面積
は、焼結体としては焼きがあまし・、すなわち機械的強
度の小さいものの方が大きく、前述の２つの特性を同時
に満足することはできなくなってしまう。加うるに、材
料が半導体であるため、焼結体を構成する粒子相互のネ
ックの部分での水の吸着による電子伝導的な影響が大き
く、水の解簸イオンによるインピーダンス変化にこれが
重積され、素子の感湿特性の再現性や、素子の互換性が
悪くなる。感湿素子に要求される条件は次のようである
。

【１’信頼性が高いこと。｛２）長寿命であること。

‘３｝実用計測範囲（１び〜１００程度）であること
。

■ 各種のガス雰囲気中で安定であること。

■ 鰹挨の付着によって影響を受けないこと。■ 温度
依存性が小さいこと。‘７１低温から高温環境中（一
３０ｏｏ〜１００００程度）で使用可能なこと。

■ 応答性が良いこと。

ｔ９｝互換性があること。

ＯＱ製作が容易であること。

０１）低コストであること。

しかしながらこれらの条件を１つの材料で満足させ、か
つ、以上述べて来たような欠点を、可能なかぎり排除し
ようとするあまり、ある種の金属酸化物に、いたずらに
多種の徴量元素を添加するということが行なわれている
のが現状である。

本発明の目的は、上記の点に鑑み、小型で高感度、高応
答性、低インピーダンス、低温度係数の感湿素子を提供
することにある。以下、本発明による感湿素子について
、一実施例について説明する。

第２図は本発明による素子構成の一実施例である。

図において１は絶縁性基板で、アルミナセラミックなど
の耐熱性、耐食性材料を使用する。２は多孔質ガラスで
、薄いほど応答性が良くなるが、それだけ機械的強度が
４・さくなる。

このため絶縁性基板１による保持が必要で、方法として
は、多孔質ガラス２とセラミック等の絶縁性基板１とを
低融点ガラスで綾着し、これを所定の厚さまで研磨して
も良く、また、絶縁性基板１上に多孔質ガラスの原ガラ
スをコーティングし、これを所定の厚さまで研磨し、そ
の後で酸処理して、多孔質ガラス２としても良い。多孔
質ガラスとして市販されているもので代表的なものは、
コーニング＃７９３０バイコールガラスで、原ガラスの
組成はおおよそＮａ２０，５・＆０３，２０・Ｓｉ０２
，７５ｗｔ％である。

実用的な多孔質ガラスを製作するための原ガラスとして
は、種々の条件の制限により、Ｎａ２０Ｂ２０３−Ｓｉ
０２系が一般に使用される。

第３図はＮａ２０−＆０３−Ｓｉ０２系ガラスの不漁和
温度曲面であるが、原ガラスが熱処理により分相性を示
し、かつ、それが酸処理後、連続開放孔を形成するから
み合い構造となるための成分比は、図中の７５０ｑｏの
曲線が囲むスピノダル領域で示される。多孔質ガラスの
紐孔径分布は、原ガラスの熱処理によって決まり、これ
により感度曲線の形状をある程度変えることができる。
第４図にＮａ２０，５・Ｂ０３，２５・Ｓｉ０２，７位
ｈｏｌ％ガラスの熱処理による紬孔蓬分布の変化を示す
。多孔質ガラスとするためのＮａ２０一＆０３分相の酸
湊出は、一般に１規定の硫酸を使用し、６０〜１００午
○で行なう。このようにして製作された多孔質ガラスは
、比表面積がきわめて大きく、例えば、コーニング＃７
９３０バイコールガラスでは２００め／外こも及ぶ。

このため素子のインピーダンスは、かなり低く抑えられ
る。次に、第２図の３は電極で、例えば５００△程度の
Ｃｒ層をスパッタリングにて形成し、その上に５０００
〜７０００Ａ程度のＰｔを、同じくスパッタリングにて
形成すれば良い。

ここでＣｒ層は電極の接着性を高めるためのもので、Ｃ
ｒに代えてＮｉ，Ｔｊあるいはこれらの合金を使用して
も良い。第２図の４は抵抗薄膜で、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，
Ｒｈ，ｌｒ，０ｓ，Ｒｕのうち少なくとも１種類の貴金
属粒子を分散したＴｉ０２薄膜である。

この抵抗薄膜４の膜厚は、多孔質ガラス２の細孔径によ
って決まる。すなわち、多孔質ガラス２の細孔を埋めな
い程度の厚さにこれを形成することにより、細孔内に水
分が毛管凝集を生じた際の、水の解難イオンによるイン
ピーダンス変化を検出するわけである。この抵抗薄膜４
は貴金属のみの薄膜でも良いわけであるが、貴金属のよ
うな酸化しにくい金属は、一般にガラスへの付着強度が
小さく、使用に当って容易に剥離が生じてしまう。

また、貴金属のみでは、第１図の抵抗値Ｒｏが小さくな
りすぎ、Ｒ，との合成抵抗でのＲ，の変化によるインピ
ーダンス変化が、十分に取り出せなくなってしまう。こ
のため貴金属粒子をＴｉ０２絶縁薄膜中に分散せしめ、
抵抗値を上げるとともに、ガラスへの付着強度を大きく
する。この場合、抵抗薄膜のインピーダンスと温度係数
は、貴金属粒子による金属伝導と、貴金属粒子を分散せ
しめたことによる、Ｔｉ０２の不純物準位伝導との重積
の比率によるが、温度係数を小さく抑えるため、貴金属
の比率大きくすれば良い。多孔質ガラスと抵抗薄膜との
拡大模擬図を第５図に示す。

図の６は多孔質ガラス内の連続開放孔である。貴金属粒
子分散Ｔｉ０２薄膜の形成にはスパッタリングが適当で
、貴金属−Ｔｉ０２粉末ターゲットを使用しても良いが
、貴金属−Ｔｊ合金ターゲットを用い、活性化スパッタ
リングにより形成する方法が、純度の高い膜が得られ、
特に有効である。

なお、第２図の５はリード線である。

このようにして製作された感湿素子は、水分吸着が主と
して毛管凝集によって行なわれ、その可変パラメータと
しての細孔径は、製作段階で十分制御される。

次に毛管凝集のケルヴィン式を示す。・ｎｐ苦＝Ｖ午毒
≦８‐‐‐‐‐‐ｍここでＰｏは飽和水蒸気圧、Ｐは水蒸気圧、Ｖは水の分
子客、０は表面張力、８‘ま紬孔壁と水との接触角、１
は紬孔径で、（Ｐ／Ｐｏ）×１００が相対湿度である。

また、半導体を使用していないため、電子伝導的な寄与
による感湿特性の再現性の悪さも解消され、かつ、温度
係数も小さい。以上述べたように、本発明にかかる感湿
素子は、絶縁性基板によって保持された多孔質ガラス上
に、貴金属粒子分散Ｔｉ０２薄膜を形成することによっ
てなる感湿素子で、応答性が良好で、インピーダンスが
低く、かつ、温度係数が小さく、小型、安価に再現性良
く生産することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、湿度−信号変換の原理説明図、第２図は本発
明の一実施例を示す構成説明図、第３図、第４図は、本
発明に係るガラスの特性説明図、第５図は、本発明に係
る拡大説明図である。１・・・絶縁性基板、２・・・多孔質ガラス、３・・・
電極、４・・・薄膜。第１図第２図第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１絶縁性基板上に形成された多孔質ガラスを吸湿坦体
とし、この表面に多孔質ガラスの細孔を埋めない程度の
厚さに、Ａｕ，Ｐｔ，Ｐｄ，Ｒｈ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ，
のうち少なくとも１種類の貴金属粒子を分散しＴｉＯ＿
２薄膜を形成したことを特徴とする感湿素子。２前記貴金属粒子を分散したＴｉＯ＿２薄膜を、貴金
属−Ｔｉ合金ターゲツトを使用し、活性化スパツタリン
グにより形成することを特徴とする特許請求の範囲第１
項記載の感湿素子。