JPS63127150A

JPS63127150A - 湿度センサ

Info

Publication number: JPS63127150A
Application number: JP61273593A
Authority: JP
Inventors: Masahisa Ikejiri; 昌久池尻; Michio Yanagisawa; 通雄柳澤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1986-11-17
Publication date: 1988-05-31

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】〔産業上の利用分野〕本発明は、相対湿度の変化を、素子の電気的特性の変化
として検出する湿度センサに関する。

〔従来の技術〕

近年、湿度制御を必要とする分野が増加し％湿度センサ
の１安性が認められるようになった。

相対湿度の変化を素子の電気的特性の変化として検出す
る湿度センサには、電解質糸、高分子系金属系、セラミ
ック系があり、それぞれいろいろな系が研究されている
が、現在実用化されているものは、高分子系およびセラ
ミック系の湿度センサである。いずれも、水の吸着によ
り、素子のインピーダンスが、湿度の増加に伴い、指数
関数的に減少する性質を利用したものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかし、前述の従来技術では、高分子系は６０℃以上の
高温では使用できず、高分子系、セラミック系共に、低
湿度域で極めてインピーダンスが高くなシ稲度が悪化す
るという欠点があった。また、セラミック系湿度センサ
の中には、一定時間ごとに数１００℃まで加熱してリフ
レッシュしなければ使用できないものかあシ、この様な
湿度センサは、可燃性蒸気、ガスの存在する所では使用
できない、さらに、いずれの湿度センサも、高温多湿の
環境で長時間使用すると劣化してしまうものが多い。

そこで本発明はこの嵌な間倣点を解決するもので、その
目的とするところは、過酷な環境に耐え、広範囲の湿度
を精度良く測定することができる湿度センサを提供する
ところにある。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の湿度センナは、金属アルコキシドを加水分解し
たゾルに、導電性粒子を分散させ、該ゾルをゲル化、乾
燥、焼結することを特徴とする。

金属アルコキシドは、過酷な環境での使用や。

長期安定性から、焼結後に石英ガラスになるものが望ま
しく、シリコンアルコキシド（昭（ＯＲ）　４９Ｒ：ア
ルキル基）が望ましい、具体的には、テトラメトキシシ
ラン（Ｅｌｉ（ＱＣ：Ｈ３）　４　）ｌテトラエトキシ
シラン（日１（ＱＣ２”　Ｓ　）　４　）　　等が利用
しやすい。

もちろん、これらに添加物を加えても良い。

４電性粒子としては、過酷な環境での使用や、長期安定
性から、炭素粒子が望ましい、もちろん白金、パラジウ
ム、金、銀、銅、ステンレス等の金属粒子でも良い。

金属アルコキシドをカロ水分解したゾルに、導電性粒子
とともに絶縁性粒子を分散させると、焼結体の強度や、
細孔状転を変化させることができる。

したがって、金属アルコキシドと４逝性粒子の種類によ
っては、絶縁性粒子を加えると、焼結体の強度が増した
シ、感湿特性が良くなったシする。

もちろん、絶縁性粒子は加えなくても良い、絶縁性粒子
としては、アルミナ粒子、シリカ粒子、酸化マグネシウ
ム粒子、炭化ケイ素粒子の他に炭化チタン、炭化硼素等
、窒化ケイ素粒子の他に窒化アルミ、窒化硼素、窒化チ
タンさらには、スビネ／１１９のＡ、１１．２０３Ｍｇ
０．　ＭｇＣｒ０４　、　Ｆｅ３Ｏ４など等利用でキ、
金属アルコキシドとしてシリコンアルコキシドを用いる
場合は、シリカ粒子が使い易い、金属アルコキシドとし
てシリコンアルコキシド、絶縁性粒子としてシリカ粒子
（ｓｈｏ、　）　６用いる場合、８ｚ（ＯＲ）　４　と
ｓｉｏ　、ＣＤ　％　／Ｉ／比が、−シ四」−８５（Ｏ
Ｒ）ン５であい。

湿度センサは、皮膜状に成形した方が、応答性。

量産性が優れていることが多い１本発明の湿度センサは
、絶縁基板とに皮膜状にゲル化させることによシ、極め
て容易に皮膜状に成形することができる、また、応答特
性も、絶嶽基板上に皮膜状に成形したものは浸れている
。絶縁基板としては、アルｉす基板、ガラス基板炭化硅
素基板、窒化アルミ基板等が利用でき、金属アルコキシ
ドとしてシリコンアルコキシドを用いる場合は、過酷な
環境での使用や、長期安定性から、絶縁基板として石英
ガラスを用いることが望ましい。

ゾルをゲル化させる際、ゾルに塩基を加えて炉１直を調
整することにより、ゾルがゲル化するまでの時間を制御
することができる。ｐＨｆ直が７付近では、はぼ瞬時に
ゲル化するｍｐＨ直が３以下では、ゲル化するまで１日
収とかかる。したがって７）　Ｈｆｉは３〜７が望まし
い、塩基としては、焼結体中に塩基の成分が残ってほし
くない場合は、アンモニア水のように、焼結中に揮発す
るものが良い、焼結体中に塩基の成分が残っても良い場
合は、水酸化ナトリウム等の、水酸化アルカリ、水酸化
アルカリ土類を用いれば良い。

なお、ゾルを絶縁基板とに皮膜とにゲル化させる場合は
ｐＨ直の調整は行わなくても良い。

乾燥温度は、４０℃以下では、乾燥時間が長くなり、１
００℃以上では、乾燥速度が速すぎゲルが割れてしまう
ので、４０〜１００℃が望ましい。

導電性粒子として炭素粒子を用いた場合、焼結中に炭素
粒子が焼失してしまわないように、焼結雰囲気は、真空
中、窒素ガス中、ヘリウム又はアルゴン等の不活性ガス
中のよりに、非酸化性雰囲気で行うことが望ましい、焼
結温度は、金属アルコキシドとして、シリコンアルコキ
シドを用いた場合には、５００℃以下ではこれらが石英
ガラスにならず、１５００℃以上に加熱しても、何らメ
リットがないので、５００〜１５００℃が望ましい。

この様に、金属アルコキシドとして、シリコンアルコキ
シドを用い、導電性粒子として炭素粒子を用いたものは
、焼結後には、石英ガラス中に炭素粒子を分散させた多
孔質体となり、過酷な環境で長期間使用しても安定であ
υ、また炭素粒子の含有ｔにより、導電率を自由に変え
ることができる。したがって、従来の素子では、低湿度
域は高インピーダンスになるため精度良く測定できなか
ったが１本発明の湿度センサは、低湿度域でも測定しや
すいインピーダンスであるため、精度良く測定すること
ができる。

炭素粒子の含有量は、焼結後のＳ１口２とＣのモルｌＯ
ではインピーダンスが低くなりすぎ測定が困難＝０．１
〜Ｈ１が望ましい。

なお、本発明と似た系に、シリコーンポリマーに、炭素
粉末、シリカ粉末を添加した焼結体を用いた湿度センサ
（特願昭５６−１５５９６２）があるが、本発明の湿度
センナは、金属アルコキシドを加水分解したゾル全原料
としているため、金属アルコキシドとしてシリコンアル
コキシドを用いた場合は、焼結体は、完全に石英ガラス
とすることができる。また、ゾルは任意の形にゲル化さ
せることかでき、成形のなめに添加物を用いる必要がな
い、したがって、本発明の金属アルコキシドとしてシリ
コンアルコキシドを用い、導電性粒子として炭素粒子を
用いた場合、焼結体は石英ガラスと炭素粒子のみからな
る多孔質体とすることができ、過酷な環境で長期間使用
しても極めて安定である。また、炭素粉末の含有量によ
り、導電率を自由に変えることができる。さらに、ゾル
は流動性が良く、添加物も必要ないため、製造工程は単
純であり、量産性は極めて高い、したがって本発明によ
れば、高精度高信頼度の湿度センサを量産性良く製造す
ることができる。

〔実施列１〕テトラエトキシシラン（５７（ＯＣ２Ｈ５）　４　）　
２００ｍ＃に０．０２Ｎ塩酸６５ｍ！を加え、１時間攪
拌し、テトラエトキシシランを加水分解したところ、透
明で均一なゾルが得られた。このゾルに活性炭２１．６
２（む（。ｆＨｓ）＜＝　２）を加え亀加分間攪拌し１
活性炭を分散させたところ、黒色で均一なゾルが得られ
た。このゾルに０．Ｉ　Ｎアンモニア水を滴下してｐＨ
直を５に調整したところ１時間後にゲル化した。このゲ
ルをω℃で３日間乾燥したところ。

乾燥ゲルが得られた。この乾燥ゲルを焼結炉に入れ、ヘ
リウムガスを流しながら１０００℃に加熱し、１０００
℃で５時間保持したところ１石英ガラス中に炭素粒子が
分散した多孔質焼結体が得られた。

この焼結体から１辺が５ｕ′の立方体を切り出し、電極
を付け、第１図に示す湿度センサを製作した。

第１図において、１は焼結体、２は電極、３はリード線
である１水湿度センサについて、感湿特性を測定した結
果を第２図に示す、測定周波数は１００Ｈ２である。第
２図より、相対湿度に対するインピーダンスの対数の直
線性が良く、また、低湿度域でも測定しやすいインピー
ダンスであるため、高精度な湿度センサとして使用でき
ることがわかる。

〔実施列２〕テトラエトキシシラン（’Ｂ（ＯＣｉＨｓ）＋　３３ｍ
Ａに０．０２Ｎ塩酸２３２ｆｎ７’ｉｚ加え、１時間攪
拌し、テトラエトキシシランを加水分解したところ、透
明で均一なゾルが得られた。このゾルに、シリカ粒し、
シリカ粒子：活性炭を分散させたところ、黒色で均一な
ゾルが得られた。このゾルに０．ＩＮアンモニア水を滴
下して％ｐＨ直’ｆｒ：３に調整したところ、１日後に
ゲル化した。このゲルを閏℃で１日乾燥したところ、乾
燥ゲルが得られた。この乾燥ゲルを焼結炉に入れ、　　
Ｉ　Ｔｏｒｒ　以下の真空度で１５００℃に加熱し、１
５００℃で１時間保持した・ｉ得られた焼結体から、１
辺が３藷の立方体を切シ出し、電極を付け、第１図に示
す湿度セ／すを製作した１水湿度センサの感湿特性を第
３因に示す。

〔実施列３〕実施例２において、テトラエトキシシラン、塩酸、シリ
カ粒子、活性炭を同時に混合し、１時間攪拌しても、全
く同様な黒色で均一なゾルが得られ、以後実施列２と同
様に製作し之湿度センサは、実施例２と同様の感湿特性
が得られた。

〔比較列〕

テトラエトキシシラン２５　ｍ　Ａ、　０．０２Ｎ塩酸
２４した以外はすべて実施列２と同様に湿度センサを製
作したが、焼結体は脆く、実用にならなかった。

とするのは好ましくないことがわかる。

〔実施列４〕テトラエトキシシラン（５ｉ（ＯＣｚＨｓ）ａ　）　２
００１ｎｉ。

０．０２Ｎ塩酸６５　ｍノ、カーボンブラック２．２２
（ｓｉＣＯＣＩｌｓ　）４　＝　”２）”混合し、１時
間攪拌したところ、黒色で均一なゾルが得られた。この
ゾルに０．ＩＮアンモニア水を滴下してｐＨ呟ｆ、約７
にしたところ瞬時にゲル化した。このゲルヲ４０℃でｌ
Ｏ日間乾燥した。得られた乾燥ゲルを焼結炉に入れ、窒
素ガスを流しながら５００℃に加熱し。

５００℃で１１時間保持した。

得られた焼結体から、１辺が２ｕの立方体を切シ出し、
電極を付け、第１図に示す湿度センサを製作した１水湿
度センサの感湿特性を第４図に示す。

〔実施列５〕テトラエトキシシランＣ８ｉ（ＯＣｉＨｓ）４）　２０
０ｍＡ　。

０．０２Ｎ塩酸６５７Ｘ、＃、活性炭５４　ｆ　（８ｉ
（。。ａ”’−５）４÷５）を混合し、１時間攪拌した
ところ、黒色で均一なゾルが得られた。このゾルに０．
ＩＮアンモニア水を滴下してｐａｌ直を４に調整した後
、ｌＯ×１１０Ｘ１の石英ガラス板上に皮膜とにゲル化
させた。これを１００℃で１日乾燥した後焼結炉に入れ
、アルゴンガスを流しながら８００℃に加熱し、８００
℃で３時間保持した。得られた石英ガラス板上の皮膜に
電極を付け、第５図に示す湿度センサを！Ｒ作した。第
５図において、１は焼結皮膜、２は電極％３はリード線
、４は石英ガラス板である１水湿度センサの感湿特性を
第６図、応答特性を第７図に示す。

通常湿度センサは交流で測定される。これは、直流で測
定すると分極が起こり、素子が劣化してしまうからであ
る。しかし、もし直流で測定できれば、測定回路は極め
て簡単になう、メリットは大きい１水湿度センサは、直
流でも極めて安定に測定でき、直流での感湿特性は第６
図と同様であった。また、第７図から１水湿度センサの
応答は、十分に速いことがわかる。

〔実施列６〕実施例５において、謂：＝ｌＯ，１５となるように、活
性炭を１Ｏｆ、１６２９とした以外はす゛べて実施例５
と同様に湿度センサを製作した。

第　　　１　　　表Ｒｏ：相対湿度Ｏ１ｓの時のインピーダンスＲ１ｏｏ：
相対湿度１００％の時のインピーダンス第１表より明ら
かなように、Ｂ　ｉ　（。。ＩＨｌ１）４≦ＩＯのもの
は湿度センサとして十分に実用になり、町（。ＣａＨ２
）ｔ”　１０のものは湿度センサとして実用にならない
ことがわかる。

〔実施列７〕テトラエトキシシラン（”ｊ（ＯＣｓＨｓ）＊　）　２
００ｍＪ、　０．０２Ｎ塩酸１３０　ｍ　Ａ　、シリカ
粒子５４？拌したところ、黒色で均一なゾルが得られた
。このゾル’（（、ＩＵＸＩＯＸｌａｍの石英ガラス板
とに皮膜状にゲル化させた。これ’ｉ１００℃で１日乾
燥した後焼結炉に入れ、１　’Ｘｏｒｒ　　以下の真望
度で１２００℃まで７１１１熱し、１２００℃で１時間
保持した。

得られた石英ガラス板上の皮膜に電極を付け、第５図に
示す湿度センサを製作した１水湿度センサの感湿特性を
第８図、応答特性を第９図に示す。

水湿度センサ’Ｉ関℃、相対湿度８０チの恒温恒湿槽中
に（イ）日間放置した後感湿特性を測定したところ、第
８図と同様であった。さらに１本湿度センサ１ｆ：６０
℃、水とエタノールの蒸気で飽和した雰囲気中に閉口間
放置した後感湿特性を測定したところ、第８図と同様で
あった。このように、本湿度センサは過酷な環境でも極
めて安定であり、経時変化も極めて小さいことがわかる
。したがりて、本湿度センサは、従来の湿度センサでは
測定できなかった過酷な環境での測定ができ、従来のセ
ラミック系湿度センサに必要であった加熱リフレッシュ
が不要になるため、電気回路は簡単になシ。

可燃性蒸気又はガスの存在する所でも測定することがで
きる。

〔実施列８〕実施列７において、８．（。Ｃ，ヨ、）４ヤｉτ、＝０
．１゜０．０５　　となるように、カーボンブラックｅ
　２．２　Ｆ、　１．１　ｆとした以外はすべて実施列
７と同様に湿度センサを製作した。

第　　　２　　　表Ｒｏ　：相対湿度Ｏチの時のインピーダンスＲＩＱＯ：
相対湿度１００％の時のインピーダンス第２表よシ明らかなように、５Ｚ（Ｏｃ２Ｈｓ）　４　
＋　８ｉ。２≧０．１のものは湿度センサとして十分に
実用になり％　ｌ：Ｉｚ（０゜５Ｈｓ）４＋ｓｊＪ　（
””のものは湿度センナとして実用にならないことがわ
かる。

〔発明の効果〕

以と述べたように本発明の湿度センサは、全組アルコキ
シドを加水分解したゾルに、導電性粒子を分散させ、該
ゾルをゲル化、乾燥、焼結するので、過酷な環境で長期
間使用しても安定であり、導電性粒子の含有量によシ導
電率を自由に変えることができ、低湿度域でも測定しや
すいインピーダンスであるため、低湿度域も精肛良く側
足することができる。さらに、加熱りフレッシュが不要
なため、可燃性蒸気やガスの存在下でも使用でき、加熱
リフレッシュ回路が不要であり、直流でも測定できるこ
とから、電気回路を簡略化することができる。したがっ
て、高精度、高信頼性湿度センサとして利用することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第５図は、本発明の湿度センサの（１；成ｕ１
を示す側視図である。１−・・焼結体又は焼結嘆２・ｏｏ電極３　　・　　―　　・　　リ　−　ド線４−会・石英ガ
ラス仮第２図、第３図、第４図、第６図、第８図に、本発明の
湿度センサの感湿％上図である。第７図、第９図は、本発明の湿度センサの応答特性図で
ある。以上出願人　セイコーエプソン株式会社第１図第２図０　　　　　５０　　　　　１（Ｘ１１８対２１ｉＬ（φ）第３図第４１！１第５図第６図層内（切第７図相対湿ｊ！Ｌｒ外）第８図第９図

Claims

【特許請求の範囲】１）金属アルコキシドを加水分解したゾルに、導電性粒
子を分散させ、該ゾルをゲル化、乾燥、焼結することを
特徴とする湿度センサ。２）金属アルコキシドとして、シリコンアルコキシド（
Ｓｉ（ＯＲ）＿４、Ｒ：アルキル基）を用いることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の湿度センサ。３）導電性粒子として炭素粒子を用いることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の湿度センサ。４）金属アルコキシドを加水分解したゾルに、導電性粒
子とともに絶縁性粒子を分散させ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。５）絶縁性粒子としてシリカ粒子を用いることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の湿度センサ。６）金属アルコキシドとしてシリコンアルコキシド（Ｓ
ｉ（ＯＲ）＿４）、絶縁性粒子としてシリカ粒子（Ｓｉ
Ｏ＿２）を用い、Ｓｉ（ＯＲ）＿４とＳｉＯ＿２のモル
比が、ＳｉＯ＿２／Ｓｉ（ＯＲ）＿４≦５であることｔ
特徴とする特許請求の範囲第１項記載の湿度センサ。７）金属アルコキシドとしてシリコンアルコキシド（Ｓ
ｉ（ＯＲ）＿４）、導電性粒子として炭素粒子（Ｃ）を
用い、Ｓｉ（ＯＲ）＿４とＣのモル比がＣ／Ｓｉ（ＯＲ
）＿４＝０．１〜１０（シリカ粒子（ＳｉＯ＿２）を加
える場合は、Ｃ／（Ｓｉ（ＯＲ）＿４＋ＳｉＯ＿２）＝
０．１〜１０）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。８）ゾルを絶縁基板上に皮膜状にゲル化させることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の湿度センサ。９）絶縁基板として石英ガラスを用いることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の湿度センサ。１０）ゾルをゲル化させる際、ゾルに塩基を加えてｐＨ
値を３〜７に調整す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。１１）塩基としてアンモニア水を用いることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の湿度センサ。１２）４０〜１００℃で乾燥を行う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。１３）真空中又は窒素ガス中又は不活性ガス中で、５０
０〜１５００℃で焼結を行う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。