JPS6145366B2 - - 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
子の製造法に関するものである。 最近になつて空調、装置農業、食品工業、家電
等において湿度の正確で容易な計測と制御が望ま
れてきている。 現在、電気信号により湿度を検知する方式とし
ては、(1)塩化リチウムのような潮解性塩のイオン
伝導の変化によるもの、(2)マグネタイト、シリコ
ン半導体の水分吸脱着による抵抗変化を利用した
もの、(3)毛髪、ナイロン、ポリスチレンのような
繊維の水分吸脱着に伴う変形を応力素子、マイク
ロスイツチ等と組み合わせたもの、(4)カーボン、
金属粉末等の導電性微粒子を含んだ有機樹脂の樹
潤性を利用したもの、(5)酸化アルミニウムの多孔
質中への水分の吸脱着を容量、インピーダンス変
化として検出するもの、(6)α線吸収透過を利用し
たもの、(7)乾湿型湿度計の読みを直接、電気信号
に変えるもの等がある。ところが、これらのもの
の中でイオン伝導を利用したものは、経時変化が
大きく、樹脂型のものは応答速度が遅く、α線型
のものは高価である等の、その他のものについて
も、いずれも精度、応答性、環境ガスの影響、測
定可能な湿度範囲、感度、耐熱性、ヒステリシ
ス、経時変化、取扱いの容易さ、価格の点で一長
一短がある。 これに対し、本発明で言及する湿度検知素子
は、誘電体性酸化皮膜の吸脱湿による静電容量変
化を検知するものである。 第１図に本発明に関する湿度検知素子の構成を
示しており、タンタル、アルミニウムのような弁
金属からなる陽極基体１の上に陽極酸化により誘
電体性酸化皮膜２を形成し、さらにその酸化皮膜
２上に全面または一部に、例えば硝酸マンガンの
ような熱分解性金属塩の熱分解によつて二酸化マ
ンガンのような半導体性金属酸化物層３を形成
し、そしてその酸化物層３上に、カーボン、銀ペ
イントを用いて対向電極４を形成することにより
構成されている。 このようにして形成された湿度検知素子は、相
対湿度に応じた空気中の水分を吸着し、この水分
が誘電体性酸化皮膜２の対向電極として作用し、
高湿の場合には、この電極面積が増加するため静
電容量が増加し低湿の場合には、逆に静電容量が
減少するので、これらを信号として検出すれば、
空気中の相対湿度変化を静電容量変化として検知
することになるのである。 なお、実際に使用する場合は、第２図に示すよ
うに素子本体５を透孔６ａを有する金属ケース６
内に収納している。７は素子本体５の対向電極４
と金属ケース６を接続する半田、８は外部リード
線である。 この方式の湿度検知素子は、第３図に示すよう
に、０〜100％Ｒ、Ｈに渡つて測定精度、感度も
高く、また第４図に示すように吸脱湿に対する応
答速度も非常に優れている。また、価格も安く、
信号検出のための周辺電気回路も非常にシンプル
なもので良い。 このように本発明の言及する湿度検知素子は、
前述の従来のいかなる湿度検知素子よりも、性能
価格、取扱の容易さの点で優れている。 本発明はこのような静電容量変化型の湿度検知
素子の製造法に関するものであり、さらに詳細に
は、湿度検知素子の誘電体性酸化皮膜２の安定化
を図り、耐電圧特性の向上および電気回路の要求
する任意の湿度検知特性を得ようとするものであ
る。以下、本発明の内容を詳細に説明する。 本発明による湿度検知素子は、第５図に示すよ
うな製造工程によつて製造される。すなわち、タ
ンタル、チタン、タングステン、モリブデン、ニ
オブ、ハフニウムのような弁金属の陽極基体に誘
電体性酸化皮膜を形成し、その酸化皮膜上に半導
体性金属酸化物層を形成し、さらにカーボン層お
よび銀ペイントなどによつて陰極集電体層を順次
形成することにより水蒸気過性の導電性電極を形
成する。 このような製造工程によつて構成された構成物
を高湿エージングし、その後その構成物を組立て
した後完成品としている。 このような製造工程において、本発明の特徴
は、湿度検知素子を精度良く、ばらつきを少なく
して任意の決められた値の湿度一静電容量特性を
取り出すとともに、耐電圧の向上を図るものであ
り、陽極酸化皮膜形成に用いる電解液として、濃
度80重量％以上の極めて高濃度のリン酸水溶液を
使用し、陽極基体の陽極酸化をすることを特徴と
する湿度検知素子の製造法である。 ここで、本発明の湿度検知素子の湿度検知機構
を述べながら、その素子の実用性を考慮した場
合、特に誘電体性酸化皮膜形成における重要点に
ついて述べる。 第６図は第１図の誘電体性酸化皮膜２と、半導
体性金属酸化物層３との接触部分を拡大したもの
である。 この第６図に示すように、誘電体性酸化皮膜２
と半導体性金属酸化物層３は、ａで示す範囲で非
接触部分１１となつており、ｂで示す範囲で接触
部分１２となつている。 今、相対湿度０％R.H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
層３による水分吸収が０であるため、第５図の接
触部分１２のみの誘電体性酸化皮膜２による静電
容量（この静電容量のことを「固体化容量」と称
し、Csと略す）が検出できる。この時、半導体
性金属酸化物層３は、半導電性を有するために、
容量取出用電極として作用する。 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層３が吸湿性を有する
ため、吸湿された水分が誘電体性酸化皮膜２の表
面にまで達し、誘電体性酸化皮膜２と半導体性金
属酸化物層３との非接触部分１１の表面に到達す
る。この半導体性金属酸化物層３の吸湿分量は、
空気中の相対湿度に比例するので誘電体性酸化皮
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、誘電体性酸化皮膜
２まで到達した水分は、空気中の炭酸ガス、半導
体性金属酸化物層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、したがつて誘電体性酸化皮膜２の接触部
分１２と非接触部分１１中の水分による被覆部と
による合成静電容量を取出すことができる。 この非接触部分１１における水分被覆により生
じる静電容量を「非固体化容量」と呼びＣ_w（Ｗ
＝０〜100％RH）とすると、上述した合成静電容
量Ｃ_Tは、固体化容量Ｃ_sと非固体化容量のうち、
その湿度によりもたらされる非固体化容量Cwの
和で表わされることになる。これらの関係を第７
図に示す。 上述したように誘電体性酸化皮膜の形成におい
ては、合成静電容量Ｃ_Tは、誘電体性酸化皮膜の
全面積に起因し、かつ基準となつている。 今ここで、リン酸水溶液のリン酸濃度を変えて
誘電体性酸化皮膜を形成すると、第８図に示され
るように水濃度が高い程、容量ばらつきが大きく
なる。これは、誘電体性酸化皮膜形成時には、リ
ン酸水溶液の温度を上げ、液伝導度を上昇させた
上でその形成を実施しなければ、目標とする皮膜
の厚さ（目標容量）が得られにくいことがあり、
リン酸水溶液温度を上げて誘電体性酸化皮膜を形
成することにより、水濃度が高い程、温度のため
に水分が蒸発して行き誘電体性酸化皮膜の全面積
に起因するその酸化皮膜の寸法（浸漬精度）がば
らつくために、第８図に示す一例としての相対湿
度50％Ｒ、Ｈの静電容量がばらつく。また、化成
液としてリン酸水溶液の水分濃度が高い水溶液を
用いた場合、リン酸水溶液を100℃前後の高温に
保つことは、困難である。しかし、本発明の80重
量％以上の濃厚リン酸を使用すれば、上述した温
度以上のリン酸水溶液のコントロールが可能であ
り、水分の蒸発も少なく誘電体性酸化皮膜の寸法
の精度コントロールも著しく改善される。 また、本発明の湿度検知素子を用いた電子機器
では、5V〜25VD.Cの電圧がかかる。そのため、
本発明の湿度検知素子においては、 耐電圧が高い。 短絡故障が無い。 ことが特に必要とされる。この２点については、
誘電体性酸化皮膜の良否に帰着するものである。
すなわち、誘電体性酸化皮膜は、極めて薄く、機
械的ストレスや電気的シヨツク（充放電の際、流
れる瞬時電流）に弱く、損傷しやすいものであ
る。従つて、耐電圧が高く、しかも短絡故障のな
い湿度検知素子を得るためには、誘電体性酸化皮
膜自身を、機械的ストレスや電気的シヨツクに対
して強化することが必要である。 この誘電体性酸化皮膜の形成に関しては、従来
より種々の工夫が施されており、例えば可能な限
り良質の誘電体性酸化皮膜を得るために、誘電体
性酸化皮膜の膜厚により、電解液の抵抗を変化さ
せたり、電解液の液温、陽極酸化の際の電流密度
を変化させる等多くの試みがなされた。 しかしながら、本発明の湿度検知素子の実用性
を考慮した場合、高温高湿中の条件下で放置され
た場合、時間経過とともに漏れ電流値の分布が広
がりながら増大し、耐電圧が低下する結果として
短絡するものが多くあつた。 本発明はこのような従来の欠点を解消すると同
時に、本発明の湿度検知素子の湿度検知特性の安
定化を図ることができるとともに、静電容量一相
対湿度特性も電気回路の要求する任意の値も得ら
れる。 本発明において、耐電圧特性が良好なものにす
ることができる理由は、陽極基体中に含まれてい
る不純物が濃厚リン酸により溶出することによる
ものであると考えられる。 次に、本発明の具体的な実施例について、説明
する。 第９図に示すように、１mmφ、20mmのタンタ
ル線１３をステンレス導電帯１４に溶接した後、
80重量％以上の温度が125℃の濃厚リン酸水溶液
１５中で導電帯１４と陰極化成板１６との間に直
流電圧を印加して50Vの酸化皮膜を形成しその後
比重が1.5の硝酸マンガン水溶液を塗布し、熱分
解により酸化皮膜上に二酸化マンガンの金属酸化
物を形成する。その後、さらにコロイダルカーボ
ンを含浸し乾燥することにより、二酸化マンガン
上にカーボン層を形成し、そのカーボン層上に銀
ペイント層を形成する。このようにして構成した
構成物を40℃、90％R.H条件下で50時間保持す
る。 このようにして構成した構成物を従来法による
もの、すなわち同じ（１mmφ、20mmのタンクル
線をステンレス導電帯に押圧した後、リン酸濃度
５重量％のリン酸水溶液において、同液温度で
50Vの酸化皮膜を形成し、金属酸化物層、カーボ
ン層、銀ペイント層を順次形成した後、40℃90％
R.H条件下で同じように50時間保持した構成物と
比較すると、表１のようになる。

【表】 また、第１０図〜第１３図に本発明による湿度
検知素子と従来の湿度検知素子とについて、耐電
圧特性、漏れ電流特性、静電容量のばらつき、温
湿度サイクル前後の漏れ電流特性それぞれを比較
して示している。 このように本発明の方法によつて得られる湿度
検知素子は、特に高感度でしかも耐電圧が高く、
かつ短絡故障のない長期に亘つて安定な高信頼性
の湿度検知素子であり、従来の湿度検知素子では
得られなかつた優れた効果を有するものであり、
その工業的価値は大なるものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の湿度検知素子の基本構成を示
す断面図、第２図は本発明の湿度検知素子の具体
的構成の一例を示す断面図、第３図は本発明の湿
度検知素子の静電容量一相対湿度特性を示す図、
第４図は本発明の湿度検知素の吸脱湿応答特性を
示す図、第５図は本発明の湿度検知素子の製造工
程図、第６図は本発明の湿度検知素子の誘電体性
酸化皮膜と半導体性金属酸化物層の界面拡大図、
第７図は本発明の湿度検知素子の合成静電容量Ｃ
_Tと非固体化容量Ｃ_w、固体化容量Ｃ_sの関係を説
明するための図、第８図は本発明の製造法におけ
るリン酸水溶液濃度と静電容量のばらつきの一例
を示す図、第９図は本発明の製造法による化成状
態の一例を示す模式図、第１０図はリン酸濃度20
重量％と85重量％のリン酸水溶液を用いた場合の
耐電圧を比較して示す図、第１１図は温度65℃の
時の各相対湿度における漏れ電流を比較して示す
図、第１２図はリン酸濃度20重量％と85重量％の
リン酸水溶液での静電容量のばらつきを比較して
示す図、第１３図は温湿度サイクル前後の漏れ電
流を比較して示す図である。 １……陽極基体、２……誘電体性酸化皮膜、３
……半導体性金属酸化物層、４……対向電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 弁作用金属からなる陽極基体の表面を濃度80
   重量％以上の濃厚リン酸水溶液中で陽極酸化して
   その表面に誘電体性酸化皮膜を形成し、その後酸
   化皮膜上に少なくとも一部に接触皮覆させて半導
   体性金属酸化物層を形成し、その半導体性金属酸
   化物層上に水蒸気透過性の導電性の対向電極を積
   層形成することを特徴とする湿度検知素子の製造
   法。 ２ 陽極基体をタンタル、チタン、タングステ
   ン、モリブデン、ニオブ、ハフニウムのうちの少
   なくとも１つで構成したことを特徴とする特許請
   求の範囲第１項記載の湿度検知素子の製造法。 ３ 陽極基体の表面に誘電体性酸化皮膜を形成す
   る時、リン酸水溶液温度を150℃以下としたこと
   を特徴とする特許請求の範囲第１項記載の湿度検
   知素子の製造法。