JPS602762B2 - 湿度検出素子 - Google Patents

湿度検出素子

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JPS602762B2
JPS602762B2 JP54116916A JP11691679A JPS602762B2 JP S602762 B2 JPS602762 B2 JP S602762B2 JP 54116916 A JP54116916 A JP 54116916A JP 11691679 A JP11691679 A JP 11691679A JP S602762 B2 JPS602762 B2 JP S602762B2
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JP
Japan
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humidity
semiconductor ceramic
ceramic
humidity detection
high resistance
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JP54116916A
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充弘 村田
参省 岡部
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/121Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid for determining moisture content, e.g. humidity, of the fluid
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Description

【発明の詳細な説明】 この発明は湿度検出素子に関し、特に、半導体セラミッ
クを主体とする新規な湿度検出素子に関する。
湿度検出素子は、湿度の増減に応じて電気抵抗が変化す
る性質を利用したものが一般的である。
このような湿度検出素子に要求される特性として、高信
頼性、長寿命、実用計測範囲(たとえだ、抵抗R=10
〜1070)にあること、ガス雰囲気中での安定性、小
さい温度依存性、低温および高温(10ぴ0付近)で使
用可能なこと、などがあげられるが、これら理想条件を
満足する湿度検出素子はほとんどないのが現状である。
たとえば、有機高分子を利用した湿度検出素子は、信頼
性、寿命に問題がある。
また、マグネタィト膜(30〆)に1対の電極を形成し
た湿度検出素子は、寿命に問題がある。さらに、ニッケ
ルフェライト系湿度検出素子も、研究されかつ発表され
ているが、実用化されていなく、製法が難しく、再現性
よく量産できるか疑問である。それゆえに、この発明の
主たる目的は、上述の要求される諸特性を満足しうる湿
度検出素子を提供することである。この発明のその他の
目的と特徴は以下に図面を参照して行なう詳細な説明か
ら一層明らかとなるつoこの発明は、好ましくは多孔性
を与えた BaTi。
3,SてTi。
3,MgTi。
3,Ti。
2−X(〇<X<2)のいずれか1種よりなる半導体セ
ラミックを基体とし、この半導体セラミックの結晶粒に
感湿機能をもつ高抵抗層を形成し、電気信号を取り出す
ための電極を半導体セラミック基体の主表面上に形成し
た湿度検出素子である。
第1図および第2図をそれぞれ参照して、より詳細に述
べる。
第1図はこの発明の湿度検出素子の一例を示す平面図で
あり、第2図は同じく他の例を示す断面図である。第1
図を参照して、半導体セラミックから構成される素子本
体11の一方主表面上に、1対のくし型電極12,13
が形成され、それぞれリード端子14,15によって取
り出される。
第2図を参照して、半導体セラミックから構成される素
子本体21の対向する各主表面上にそれぞれ電極22,
23が対をなしかつ対向して形成され、それぞれリード
端子24,25によって取り出される。
なお、上述の各素子本体11,21を構成する半導体セ
ラミックの結晶粒には、感湿機能をもつ高抵抗層が形成
されている。
このように図示された各湿度検出素子のうち、第1図に
示すものは電極間隔や電極対向長さ等により初期抵抗値
を調整設定することができるが、第2図に示すものは素
子本体21の厚みに初期抵抗値が大きく左右されること
になりこの厚みはセラミックの強度上極端に薄くするこ
とができないので一般的には第1図に示すものに比べて
高い初期抵抗値をもつことになろう。
なお、第2図に示すものに形成される電極22,23は
、全面電極であっても、素子本体21への吸湿能力等を
考慮して素子本体21の主表面の一部を露出する電極で
あってもよい。
前述の感湿機能をもつ高抵抗層は、好ましい実施例では
、結晶粒界を酸化するか、または結晶粒に湿度検出特性
を制御するためイオンを反応させることにより得られる
また、一般に、半導体セラミックは、すでに知られてい
るように、たとえばBaTi03に、Y203,CeQ
,La203などの希±額元素のほか、Bi203,N
Q05,のような不純物を添加し、これを還元雰囲気中
で燐結して得られるものである。
また、BaTiQに変えて、SrTi03,MgTiQ
,Ti02‐x(0<×く2)も用いることができる。
そして、これらの半導体セラミックに、上述のように多
孔性を与えるには、たとえば、競給前の成形のために用
いられるバィンダの量を通常より多くすればよいことが
わかっている。以下に、この発明の実施例について説明
する。
実施例‘1’:第3図および第4図は実施例{1’を説
明するための図であって、第3図は半導体セラミックの
結晶を拡大して示すモデル図であり、第4図は実施例【
1’のインピーダンスの湿度変化を示す図である。
Y203を0.5モル%ドーブしたSrTi03粉末に
セルロース粉末を3重量%加え、よく混合した後、ベレ
ット状に成形する。これを、1400℃の還元雰囲気中
で2時間焼成し、嫌結させて直径8肋、厚さ0.4側の
セラミック円板を得る。このセラミック円板を、100
0qoの空気中で加熱することにより、結晶の表面を再
酸化する。
第3図は、結晶1の表面に酸化物層2が形成されている
状態を示したものである。再酸化のための加熱時間を延
ばすことにより、酸化物層2の厚さは増加する。この実
施例では、酸化物層2の厚さが異なるものを2種類作成
した。この酸化物層2の厚さは、その誘電率より推定し
て、第1のものが34ムであり、第2のものは15舷で
あった。上述の各誌料の主表面上に、2肋の間隔で金電
極を形成し、この電極間にACIV,6批セの電圧を印
加し、そのインピーダンスの湿度に対する変化を測定す
ると、第4図のような結果が得られた。
第4図から明らかなように、酸化物層2の厚さを変える
ことによって、インピーダンス値の調節が可能である。
また、第2のもの(酸化物層2の厚さが15山)が、第
1のもの(酸化物層2の厚さが34r)に比べてより直
線性のよい比例関係を有しているので、酸化物層2の厚
さが薄いほど、より直線性のよい比例関係が表われるこ
とがわかる。実施例 ■:第5図ないし第7図は実施例
2}を説明するための図であって、第5図は半導体セラ
ミックの結晶を拡大して示すモデル図であり、第6図は
実施例‘2’のインピーダンスの湿度変化を示す図であ
り、第7図は湿度変化によるインピーダンスの応答速度
を示す図である。
Y203を0.5モル%ドープしたSrTI03粉末に
セルロース粉末を2蝿瞳%加えよく混合した後、ベレッ
ト状に成形する。
これを1400℃の還元雰囲気中で2時間焼成し、筋結
させ、直径16.5肋、厚さ0.4肋のセラミック円板
を得る。このセラミック円板に、炭酸アルカリの水溶液
を塗布しも炭酸アルカリとして0.9雌含浸させる。
この炭酸アルカ川ま、Li,Na,K,Rb,Csのよ
うなアルカリ金属の炭酸塩である。この炭酸アルカリが
含浸されたセラミック円板を、1000qoの空気中で
1時間加熱することにより、アルカリ金属イオンがドー
パントとして、半導体セラミックの結晶粒界に拡散する
。第5図は、半導体セラミックの結晶3にドーパントが
拡散し、高抵抗層としての不純物層4が結晶3の表面に
形成されている状態を示す。上述のようにして得られた
試料の主表面上に、電極間隔0.6側、電極対向長さ1
.8伽のくし型金電極を形成する。
この電極間にACIV,6■セの電圧を印放し、そのイ
ンピーダンスを測定し、インピーダンスの湿度に対する
変化は、第6図に示すような結果となった。第6図は、
上述の炭酸アルカリ金属として、Li,Na,Kをそれ
ぞれ用いたものが併記して図示される。また、第6図に
は、インピーダンス値の変動幅が縦軸方向に延びる線分
によって示されるが、これは3ケ月間の変動幅を示すも
ので、これから明らかなように、安定した再現性を示す
ことが理解されよう。第7図は、上述の試料において、
相対湿度15%から95%に変えたときのインピーダン
スの隆時変化を示したものである。
この図面から明らかなように、18〜2現砂程度でイン
ピーダンス値は平衡状態となり、応答速度が遠いことが
わかる。以上のように、この発明によれば、半導体セラ
ミックを基体とするので、経時変化による劣化が少ない
また、動作特性が安定している。さらに半導体セラミッ
クの結晶粒に形成される高抵抗層の厚さや、ここに反応
させるイオンの種類を変えることにより、容易に感度ま
たは素子抵抗等を変えることができるので、用途に合わ
せて適宜に条件を設定することができる。また、このこ
とは、半導体セラミック自身も固有の抵抗値を有してい
るので、この半導体セラミックの材質を変えることによ
っても達成されるであろう。また、小型化が容易で、製
造方法も簡単であり、コストも安い。そして、セラミッ
クで数10山の高抵抗層薄膜を製造することが困難であ
ったが、結晶粒子の表面を酸化またはイオンの拡散反応
によって、感湿機能をもつ高抵抗層を有するこの発明に
かかる感湿素子が容易に得られるという特徴を有してい
る。また、温度検出の応答速度が遠い。さらに、比較的
低抵抗(数百KO〜数MQ)のものが得られるので、回
路設計上有利である。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の湿度検出素子の一例を示す平面図、
第2図は同じく他の例を示す断面図である。 第3図および第4図は実施例{1’を説明するための図
であって、第3図は半導体セラミックの結晶を拡大して
示すモデル図であり、第4図は実施例‘1}のインピー
ダンスの湿度変化を示す図である。第5図ないし第7図
は実施例■を説明するための図であって、第5図は半導
体セラミックの結晶を拡大して示すモデル図であり、第
6図は実施例■のインピーダンスの湿度変化を示す図で
あり、第7図は実施側2’の湿度変化によるインピーダ
ンスの応答速度を示す図である。図において、1,3は
結晶、2は酸化物層、4は不純物層、11,21は素子
本体、12,13,22,23は電極である。 第1図 第2図 第3図 第4図 第5図 第6図 第7図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 BaTiO_3,SrTiO_3,MgTiO_3
    ,TiO_2_−_x(O<x<2)のいずれか1種よ
    りなる半導体セラミツクから構成される素子本体と、
    前記半導体セラミツクの結晶粒に形成される感湿機能を
    持つ高抵抗層と、前記素子本体の主表面上に形成される
    電極とを備える湿度検出素子。 2 前記高抵抗層は前記半導体セラミツクの結晶粒を酸
    化して得られた酸化物層である特許請求の範囲第1項記
    載の湿度検出素子。 3 前記高抵抗層は前記半導体セラミツクの結晶粒に湿
    度検出特性を制御するためイオンを反応させて得られた
    不純物層である特許請求の範囲第1項記載の湿度検出素
    子。
JP54116916A 1979-09-11 1979-09-11 湿度検出素子 Expired JPS602762B2 (ja)

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US06/184,802 US4328478A (en) 1979-09-11 1980-09-08 Humidity sensitive device
DE3034070A DE3034070C2 (de) 1979-09-11 1980-09-10 Feuchtigkeitsmeßfühler

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JPS5640201A (en) 1981-04-16
DE3034070C2 (de) 1985-05-15
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