Deprecated: The each() function is deprecated. This message will be suppressed on further calls in /home/zhenxiangba/zhenxiangba.com/public_html/phproxy-improved-master/index.php on line 456
JP7533941B2 - Humidity Sensors - Google Patents
[go: Go Back, main page]

JP7533941B2 - Humidity Sensors - Google Patents

Humidity Sensors Download PDF

Info

Publication number
JP7533941B2
JP7533941B2 JP2020207682A JP2020207682A JP7533941B2 JP 7533941 B2 JP7533941 B2 JP 7533941B2 JP 2020207682 A JP2020207682 A JP 2020207682A JP 2020207682 A JP2020207682 A JP 2020207682A JP 7533941 B2 JP7533941 B2 JP 7533941B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
moisture
sensitive layer
humidity
humidity sensor
electrode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2020207682A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2022094669A (en
Inventor
邦晴 竹井
ユーヤオ リュー
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University Public Corporation Osaka
Original Assignee
University Public Corporation Osaka
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University Public Corporation Osaka filed Critical University Public Corporation Osaka
Priority to JP2020207682A priority Critical patent/JP7533941B2/en
Publication of JP2022094669A publication Critical patent/JP2022094669A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7533941B2 publication Critical patent/JP7533941B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Description

本発明は、湿度センサに関する。 The present invention relates to a humidity sensor.

運動することにより体温が上昇すると汗腺から汗が分泌される。このため、湿度センサを用いて皮膚の湿度をモニタリングすることにより運動時の発汗などを計測することができる。また、呼気の湿度を湿度センサで検出することにより、呼吸をモニタリングすることが可能である。皮膚の湿度や呼気の湿度をモニタリングするためには、湿度センサをウェアラブルデバイスとする必要がある。
また、高分子静電容量式の湿度センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。
When body temperature rises due to exercise, sweat is secreted from sweat glands. Therefore, by monitoring the humidity of the skin with a humidity sensor, it is possible to measure sweating during exercise. In addition, by detecting the humidity of exhaled breath with a humidity sensor, it is possible to monitor breathing. In order to monitor the humidity of the skin and the humidity of exhaled breath, it is necessary to make the humidity sensor a wearable device.
Polymer capacitance type humidity sensors are also known (see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-233634).

特開2019-007757号公報JP 2019-007757 A

しかし、高分子静電容量式の湿度センサは静電容量を測定するためノイズに弱い。このため、感湿部分と信号処理部分との配線をシールドする必要があり、湿度センサが大型化する。従って、ウェアラブルデバイスには適していない。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型化可能であり90%RH以上の湿度下でも安定して測定可能な湿度センサを提供する。
However, polymer capacitance humidity sensors are vulnerable to noise because they measure capacitance, and this requires shielding the wiring between the humidity sensing section and the signal processing section, which makes the humidity sensor larger. As a result, they are not suitable for wearable devices.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a humidity sensor which can be miniaturized and can perform stable measurements even under humidity conditions of 90% RH or higher.

本発明は、センシング部を備え、前記センシング部は、感湿層と、前記感湿層に電気的に接続した第1及び第2電極とを含み、前記感湿層は、Pdが担持されたニオブ酸を含むことを特徴とする湿度センサを提供する。 The present invention provides a humidity sensor comprising a sensing unit, the sensing unit including a moisture-sensitive layer and first and second electrodes electrically connected to the moisture-sensitive layer, the moisture-sensitive layer including niobic acid carrying Pd.

前記センシング部は、感湿層と、感湿層に電気的に接続した第1及び第2電極とを含む。第1及び第2電極を利用して感湿層の電気抵抗を測定することができる。
前記感湿層は、Pdが担持されたニオブ酸を含む。このため、高湿度下においても湿度に応じて感湿層の電気抵抗が安定して変化する。このことは本願発明者等が行った実験により明らかになった。また、第1及び第2電極を用いて測定した感湿層の電気抵抗値から湿度を算出することができる。このため、本発明の湿度センサを用いると高湿度下においても精度よく湿度を測定することができる。
また、感湿層の電気抵抗値から湿度を算出するため、本発明の湿度センサはノイズの影響を受けにくい。このため、湿度センサを小型化することができる。
The sensing part includes a moisture sensitive layer and first and second electrodes electrically connected to the moisture sensitive layer, and is capable of measuring an electrical resistance of the moisture sensitive layer using the first and second electrodes.
The moisture-sensitive layer contains niobic acid carrying Pd. Therefore, even under high humidity, the electrical resistance of the moisture-sensitive layer changes stably according to the humidity. This fact was made clear by experiments conducted by the inventors of the present application. In addition, the humidity can be calculated from the electrical resistance value of the moisture-sensitive layer measured using the first and second electrodes. Therefore, when the humidity sensor of the present invention is used, the humidity can be measured with high accuracy even under high humidity.
In addition, since the humidity is calculated from the electrical resistance of the moisture-sensitive layer, the humidity sensor of the present invention is less susceptible to the effects of noise, and therefore the humidity sensor can be made smaller.

本発明の一実施形態の湿度センサの概略平面図である。1 is a schematic plan view of a humidity sensor according to an embodiment of the present invention; 図1の一点鎖線A-Aにおける湿度センサの概略断面図である。2 is a schematic cross-sectional view of the humidity sensor taken along dashed line AA in FIG. 1. (a)~(d)は湿度センサの製造方法の説明図である。5A to 5D are explanatory diagrams of a method for manufacturing a humidity sensor. 相対湿度を30%→90%→30%→90%と交互に変化させたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in electrical resistance of a moisture-sensitive layer when the relative humidity is alternately changed from 30% to 90%, from 30% to 90%, and back again. 相対湿度を30%→90%→30%→90%と交互に変化させたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in electrical resistance of a moisture-sensitive layer when the relative humidity is alternately changed from 30% to 90%, from 30% to 90%, and back again. 相対湿度を30%から90%まで変化させたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in electrical resistance of the moisture-sensitive layer when the relative humidity is changed from 30% to 90%. 相対湿度を30%から90%まで変化させたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in electrical resistance of the moisture-sensitive layer when the relative humidity is changed from 30% to 90%. 作製した湿度センサによる測定結果を市販の湿度センサによる測定結果と比較するグラフである。13 is a graph comparing the measurement results of the fabricated humidity sensor with the measurement results of a commercially available humidity sensor. 無担持HNb3O8の分散水のpH及びPd担持HNb3O8の分散水のpHの測定結果を示すグラフである。1 is a graph showing the measurement results of the pH of a dispersion of unsupported HNb 3 O 8 and the pH of a dispersion of Pd-supported HNb 3 O 8 . 相対湿度の変化に伴う1wt%Pd HNb3O8湿度センサの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in electrical resistance of the humidity-sensitive layer of a 1 wt % Pd HNb 3 O 8 humidity sensor with the change in relative humidity. 温度の変化に伴う感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in electrical resistance of a moisture-sensitive layer with a change in temperature. 1wt%Pd HNb3O8湿度センサを変形させたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in electrical resistance of the moisture-sensitive layer when a 1 wt % Pd HNb 3 O 8 humidity sensor is deformed. 相対湿度の変化に伴うLIG電極の電気抵抗の変化及び銀電極の電気抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in electrical resistance of a LIG electrode and the change in electrical resistance of a silver electrode with change in relative humidity. (a)はマスクに取り付けた湿度センサの写真であり、(b)は感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフであり、(c)(d)は(b)のグラフの拡大図である。(a) is a photograph of a humidity sensor attached to a mask, (b) is a graph showing the change in electrical resistance of the moisture-sensitive layer, and (c) and (d) are enlarged views of the graph (b). 指先を湿度センサに15回近づけたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。13 is a graph showing the change in electrical resistance of the moisture-sensitive layer when a fingertip is brought close to a humidity sensor 15 times. (a)は作製した湿度センサの写真であり、(b)は指先に取り付けた状態の湿度センサの写真である。(a) is a photograph of the fabricated humidity sensor, and (b) is a photograph of the humidity sensor attached to a fingertip. 1wt%Pd HNb3O8湿度センサを指先に取り付けた状態の成人男性がランニングしたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。1 is a graph showing the change in electrical resistance of the moisture-sensitive layer when an adult male runs with a 1 wt % Pd HNb 3 O 8 humidity sensor attached to his fingertip.

本発明の湿度センサは、センシング部を備え、前記センシング部は、感湿層と、前記感湿層に電気的に接続した第1及び第2電極とを含み、前記感湿層は、Pdが担持されたニオブ酸を含むことを特徴とする。 The humidity sensor of the present invention includes a sensing unit, the sensing unit including a moisture-sensitive layer and first and second electrodes electrically connected to the moisture-sensitive layer, and the moisture-sensitive layer includes niobic acid carrying Pd.

前記ニオブ酸は、HNb38で表される化合物であることが好ましい。
前記ニオブ酸は、Nb5+とNb4+とを含むことが好ましい。
前記Pdが担持されたニオブ酸は、0.001wt%以上3wt%以下のPdが担持されたニオブ酸であることが好ましい。
前記ニオブ酸は、剥離したナノシートを含むことが好ましい。
The niobic acid is preferably a compound represented by HNb 3 O 8 .
The niobic acid preferably contains Nb 5+ and Nb 4+ .
The niobic acid carrying Pd is preferably niobic acid carrying 0.001 wt % or more and 3 wt % or less of Pd.
The niobic acid preferably comprises exfoliated nanosheets.

前記センシング部は、基材シート上に配置されていることが好ましい。
前記基材シートは、ポリイミドフィルムであることが好ましい。このことにより、湿度センサをフレキシブルセンサとすることができ、皮膚や衣類に取り付けることが可能になる。
第1及び第2電極は、前記ポリイミドフィルムの表面の炭化層であることが好ましい。このことにより、相対湿度が90%を超えても安定して湿度を測定することが可能になる。
The sensing portion is preferably disposed on a base sheet.
The base sheet is preferably a polyimide film, which allows the humidity sensor to be a flexible sensor that can be attached to the skin or clothing.
The first and second electrodes are preferably carbonized layers on the surface of the polyimide film, which makes it possible to stably measure humidity even when the relative humidity exceeds 90%.

以下、図面を用いて本発明の一実施形態を説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。 One embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The configurations shown in the drawings and the following description are merely examples, and the scope of the present invention is not limited to those shown in the drawings and the following description.

図1は本実施形態の湿度センサの概略平面図であり、図2は図1の一点鎖線A-Aにおける湿度センサの概略断面図である。
本実施形態の湿度センサ10はセンシング部1を備え、センシング部1は、感湿層2と、感湿層2に電気的に接続した第1電極3及び第2電極4とを含み、感湿層2は、Pdが担持されたニオブ酸を含むことを特徴とする。
本実施形態の湿度センサ10は基材シート5、防水通気フィルタ7又は制御部を備えてもよい。
FIG. 1 is a schematic plan view of the humidity sensor of this embodiment, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the humidity sensor taken along the dashed dotted line AA in FIG.
The humidity sensor 10 of this embodiment comprises a sensing unit 1, which includes a moisture-sensitive layer 2, and a first electrode 3 and a second electrode 4 electrically connected to the moisture-sensitive layer 2, and the moisture-sensitive layer 2 is characterized in that it contains niobic acid carrying Pd.
The humidity sensor 10 of this embodiment may include a base sheet 5, a waterproof breathable filter 7, or a control unit.

本実施形態の湿度センサ10は抵抗式湿度センサである。
センシング部1は、湿度を検出するための部分であり、感湿層2と、感湿層2に電気的に接続した第1電極3及び第2電極4とを含む。センシング部1は、基材シート5上に配置されてもよく、基板上に配置されてもよい。また、センシング部1は、第1電極3、感湿層2及び第2電極4がこの順で積層した積層構造を有してもよい。
The humidity sensor 10 of this embodiment is a resistive humidity sensor.
The sensing unit 1 is a portion for detecting humidity, and includes a moisture-sensitive layer 2, and a first electrode 3 and a second electrode 4 electrically connected to the moisture-sensitive layer 2. The sensing unit 1 may be disposed on a base sheet 5, or on a substrate. The sensing unit 1 may also have a layered structure in which the first electrode 3, the moisture-sensitive layer 2, and the second electrode 4 are layered in this order.

湿度センサ10は図1に示した湿度センサ10のように1つのセンシング部1を有してもよく、複数のセンシング部1を有してもよい。湿度センサ10が複数のセンシング部1を有することにより湿度分布を計測することが可能になる。 The humidity sensor 10 may have one sensing unit 1 like the humidity sensor 10 shown in FIG. 1, or may have multiple sensing units 1. When the humidity sensor 10 has multiple sensing units 1, it becomes possible to measure the humidity distribution.

基材シート5は、フレキシブルシートとすることができる。このことにより、皮膚上や衣類、マスクなどに湿度センサ10を設置することができ、皮膚の湿度、呼気の湿度、発汗などを測定することができる。基材シート5は、例えばプラスチックフィルムとすることができる。基材シート5は、例えばポリイミドフィルムである。基材シート5の厚さは例えば1μm以上500μm以下とすることができる。 The base sheet 5 can be a flexible sheet. This allows the humidity sensor 10 to be placed on the skin, clothing, a mask, etc., and allows the humidity of the skin, the humidity of the breath, sweating, etc. to be measured. The base sheet 5 can be, for example, a plastic film. The base sheet 5 is, for example, a polyimide film. The thickness of the base sheet 5 can be, for example, 1 μm or more and 500 μm or less.

第1電極3及び第2電極4は、感湿層2に電気的に接続した電極であり、感湿層2の電気抵抗を測定するための電極である。感湿層2の電気抵抗の測定方法は二端子法であってもよく、四端子法であってもよい。第1電極3及び第2電極4は、例えば、カーボン電極、グラフェン電極、銀電極、金電極、白金電極、銅電極、アルミニウム電極などである。第1電極3又は第2電極4の厚さは、例えば30nm以上300μm以下とすることができる。第1電極3と第2電極4との間の電極間距離は、例えば100nm以上5mm以下とすることができる。 The first electrode 3 and the second electrode 4 are electrodes electrically connected to the moisture-sensitive layer 2 and are electrodes for measuring the electrical resistance of the moisture-sensitive layer 2. The method for measuring the electrical resistance of the moisture-sensitive layer 2 may be a two-terminal method or a four-terminal method. The first electrode 3 and the second electrode 4 are, for example, a carbon electrode, a graphene electrode, a silver electrode, a gold electrode, a platinum electrode, a copper electrode, an aluminum electrode, etc. The thickness of the first electrode 3 or the second electrode 4 can be, for example, 30 nm or more and 300 μm or less. The interelectrode distance between the first electrode 3 and the second electrode 4 can be, for example, 100 nm or more and 5 mm or less.

基材シート5がポリイミドフィルムである場合、第1電極3及び第2電極4は、ポリイミドフィルムの表面の炭化層(グラフェン電極)であってもよい。このことにより、多湿環境下においても感湿層2の電気抵抗を安定して測定することができる。また、湿度により第1電極3及び第2電極4の導電性が変化することを抑制することができる。炭化層は、例えば、ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することにより形成することができる。炭化層はレーザー誘起グラフェン(LIG)層であってもよい。LIG層の形成に用いるレーザーは、例えば、CO2レーザー、ファイバーレーザー、YAGレーザー、YVO4レーザーなどである。また、レーザー出力、走査速度などを調節することにより、LIG層の厚み及びLIG層の下部に残すポリイミドフィルムの厚みを調節することができる。また、ポリイミドフィルム上に形成したLIG層を基材シート5に転写することにより第1電極3及び第2電極4を形成してもよい。
また、第1電極3及び第2電極4が金属層又はカーボン層である場合、第1電極3及び第2電極4は印刷法、蒸着法などで形成することができる。
When the base sheet 5 is a polyimide film, the first electrode 3 and the second electrode 4 may be a carbonized layer (graphene electrode) on the surface of the polyimide film. This allows the electrical resistance of the moisture-sensitive layer 2 to be stably measured even in a humid environment. In addition, the conductivity of the first electrode 3 and the second electrode 4 can be suppressed from changing due to humidity. The carbonized layer can be formed, for example, by irradiating a polyimide film with laser light. The carbonized layer may be a laser-induced graphene (LIG) layer. The laser used to form the LIG layer is, for example, a CO2 laser, a fiber laser, a YAG laser, a YVO4 laser, or the like. In addition, the thickness of the LIG layer and the thickness of the polyimide film left under the LIG layer can be adjusted by adjusting the laser output, scanning speed, etc. In addition, the first electrode 3 and the second electrode 4 may be formed by transferring the LIG layer formed on the polyimide film to the base sheet 5.
In addition, when the first electrode 3 and the second electrode 4 are metal layers or carbon layers, the first electrode 3 and the second electrode 4 can be formed by a printing method, a vapor deposition method, or the like.

感湿層2は、湿度に応じて電気抵抗が変化する層であり、Pd(パラジウム)が担持されたニオブ酸を含む。感湿層2は多孔質構造を有してもよい。また、感湿層2の厚さは、例えば30nm以上100μm以下とすることができ、好ましくは1μm以上20μm以下とすることができる。また、感湿層2は、例えば塗布法、印刷法などで形成することができる。 The moisture-sensitive layer 2 is a layer whose electrical resistance changes depending on the humidity, and contains niobic acid carrying Pd (palladium). The moisture-sensitive layer 2 may have a porous structure. The thickness of the moisture-sensitive layer 2 may be, for example, 30 nm or more and 100 μm or less, and preferably 1 μm or more and 20 μm or less. The moisture-sensitive layer 2 may be formed by, for example, a coating method or a printing method.

感湿層2に含まれるニオブ酸は、例えば、HNb38、HNbO3、H4Nb617、H4Nb27などである。また、感湿層2に含まれるニオブ酸は層状化合物であってもよい。また、感湿層2に含まれるニオブ酸は、層状化合物であるニオブ酸を剥離することにより形成されたニオブ酸ナノシートであってもよい。また、感湿層2に含まれるニオブ酸は、紫外線照射処理を施したものであってもよい。ニオブ酸は、H(水素)と、Nb(ニオブ)とO(酸素)からなる化合物であってもよい。
感湿層2に含まれるニオブ酸は、好ましくは、HNb38ナノシートである。また、感湿層2に含まれるニオブ酸は、紫外線照射処理を施したHNb38ナノシートであることがさらに好ましい。HNb38含まれるNbの原子価は、基本的には+5価であるが、紫外線照射処理を施すことにより、HNb38中にNb4+が生成される。従って、紫外線照射処理を施したHNb38ナノシートは、Nb5+とNb4+を含む。
The niobic acid contained in the moisture-sensitive layer 2 may be, for example, HNb3O8 , HNbO3 , H4Nb6O17 , or H4Nb2O7 . The niobic acid contained in the moisture-sensitive layer 2 may be a layered compound. The niobic acid contained in the moisture-sensitive layer 2 may be a niobic acid nanosheet formed by peeling off niobic acid, which is a layered compound. The niobic acid contained in the moisture-sensitive layer 2 may be one that has been subjected to ultraviolet irradiation treatment. The niobic acid may be a compound consisting of H (hydrogen), Nb (niobium), and O (oxygen).
The niobic acid contained in the moisture-sensitive layer 2 is preferably a HNb3O8 nanosheet. It is more preferable that the niobic acid contained in the moisture-sensitive layer 2 is a HNb3O8 nanosheet that has been subjected to ultraviolet irradiation treatment. The valence of Nb contained in HNb3O8 is basically +5, but Nb4+ is generated in HNb3O8 by performing ultraviolet irradiation treatment. Therefore, the HNb3O8 nanosheet that has been subjected to ultraviolet irradiation treatment contains Nb5+ and Nb4 + .

感湿層2に含まれるニオブ酸の表面にはPdが担持されている。例えば、光析出法、含浸水素還元法などによりPdをニオブ酸の表面に担持することができる。
感湿層2に含まれるニオブ酸は、0.001wt%以上3wt%以下のPdが担持されたニオブ酸であってもよく、0.1wt%以上3wt%以下のPdが担持されたニオブ酸であってもよく、0.5wt%以上3wt%以下のPdが担持されたニオブ酸であってもよい。
Pd is supported on the surface of the niobic acid contained in the moisture-sensitive layer 2. For example, Pd can be supported on the surface of the niobic acid by a photoprecipitation method, an impregnation hydrogen reduction method, or the like.
The niobic acid contained in the moisture-sensitive layer 2 may be niobic acid carrying 0.001 wt % or more and 3 wt % or less of Pd, or niobic acid carrying 0.1 wt % or more and 3 wt % or less of Pd, or niobic acid carrying 0.5 wt % or more and 3 wt % or less of Pd.

感湿層2は、防水通気フィルタで覆われていてもよい。感湿層2を防水通気フィルタで覆うことにより、外部の水(例えば、汗、尿などの体液)が直接感湿層2に接触することを防止することができる。また、防水通気フィルタの通気孔を介して水蒸気などを感湿層2に供給することができる。 The moisture-sensitive layer 2 may be covered with a waterproof breathable filter. By covering the moisture-sensitive layer 2 with a waterproof breathable filter, it is possible to prevent external water (e.g., body fluids such as sweat and urine) from directly contacting the moisture-sensitive layer 2. In addition, water vapor and the like can be supplied to the moisture-sensitive layer 2 through the ventilation holes of the waterproof breathable filter.

第1電極3及び第2電極4は、配線、無線などを介して制御部と接続することができる。制御部は、例えば、コンピュータ、マイクロコントローラ、電子基板、スマートフォンなどである。また、制御部は演算部、記憶部、表示部などを含むことができる。また、制御部は、感湿層2の電気抵抗を測定するために用いる電源部を含むことができる。制御部は、例えば、感湿層2の電気抵抗値を測定し、測定された電気抵抗値から湿度を算出し、算出した湿度を記憶部に記憶してもよい。また、制御部は算出した湿度を表示部に表示させてもよい。また、制御部は測定した感湿部2の電気抵抗値などを無線送信し、湿度の算出などは無線を受信した装置(例えば、スマートフォン)で行ってもよい。 The first electrode 3 and the second electrode 4 can be connected to the control unit via wiring, wirelessly, etc. The control unit is, for example, a computer, a microcontroller, an electronic board, a smartphone, etc. The control unit can also include a calculation unit, a memory unit, a display unit, etc. The control unit can also include a power supply unit used to measure the electrical resistance of the moisture-sensitive layer 2. The control unit can, for example, measure the electrical resistance value of the moisture-sensitive layer 2, calculate the humidity from the measured electrical resistance value, and store the calculated humidity in the memory unit. The control unit can also display the calculated humidity on the display unit. The control unit can also wirelessly transmit the measured electrical resistance value of the moisture-sensitive part 2, etc., and the humidity can be calculated by a device (for example, a smartphone) that receives the wireless signal.

図3(a)~(d)は、本実施形態の湿度センサ10の製造方法の説明図である。図3(a)のような基材シート5を準備し、図3(b)のように第1電極3及び第2電極4の櫛型電極を形成する。基材シート5がポリイミドフィルムであり、第1電極3及び第2電極4がグラフェン層である場合、ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することにより第1電極3及び第2電極4を形成することができる。また、基材シート5がポリイミドフィルムでない場合、ポリイミドフィルムにレーザー光を照射することにより形成したグラフェン層を基材シート5に転写することにより第1電極3及び第2電極4を形成してもよい。 Figures 3(a) to (d) are explanatory diagrams of a manufacturing method of the humidity sensor 10 of this embodiment. A base sheet 5 as shown in Figure 3(a) is prepared, and comb-shaped electrodes of the first electrode 3 and the second electrode 4 are formed as shown in Figure 3(b). When the base sheet 5 is a polyimide film and the first electrode 3 and the second electrode 4 are graphene layers, the first electrode 3 and the second electrode 4 can be formed by irradiating the polyimide film with laser light. Also, when the base sheet 5 is not a polyimide film, the first electrode 3 and the second electrode 4 may be formed by transferring a graphene layer formed by irradiating the polyimide film with laser light to the base sheet 5.

次に、第1電極3及び第2電極4からなる櫛型電極上に、Pd担持ニオブ酸を含むペーストを塗布し、乾燥させることにより感湿層2を形成する。なお、感湿層2の厚さが薄いため、図3には感湿層2を示していない。その後、図3(c)のように、第1電極3及び第2電極4と制御部とを接続するための配線6を形成する。例えば、基材シート5上に銀配線を形成する。そして、感湿層2の上に防水通気フィルタ7を取り付ける。
このようにして、湿度センサ10を作製することができる。
Next, a paste containing Pd-supported niobic acid is applied onto the comb-shaped electrode consisting of the first electrode 3 and the second electrode 4, and then dried to form the moisture-sensitive layer 2. Note that since the moisture-sensitive layer 2 is thin, it is not shown in FIG. 3. Thereafter, as shown in FIG. 3(c), wiring 6 is formed to connect the first electrode 3 and the second electrode 4 to the control unit. For example, silver wiring is formed on the base sheet 5. Then, a waterproof breathable filter 7 is attached onto the moisture-sensitive layer 2.
In this manner, the humidity sensor 10 can be fabricated.

湿度センサの作製
酸化ニオブ(Nb2O5)と炭酸カリウム(K2CO3)とを化学量論比で混合した混合粉末を900℃で焼成することによりKNb3O8(層状化合物)を合成した。得られたKNb3O8を6mol・L-1の硝酸溶液(HNO3)に加え、6日間攪拌した。このことによりK+(カリウムイオン)とH+(水素イオン)とがイオン交換しKNb3O8はHNb3O8(層状化合物)となる。得られたHNb3O8をテトラブチルアンモニウムカチオン(TBAOH)を用いてインターカレーションを行うことによりHNb3O8の層構造を剥離させナノシート状のHNb3O8を得た。
Fabrication of humidity sensor Niobium oxide (Nb 2 O 5 ) and potassium carbonate (K 2 CO 3 ) were mixed in a stoichiometric ratio and the mixed powder was baked at 900°C to synthesize KNb 3 O 8 (layered compound). The obtained KNb 3 O 8 was added to a 6 mol·L- 1 nitric acid solution (HNO 3 ) and stirred for 6 days. This resulted in ion exchange between K + (potassium ion) and H + (hydrogen ion), and KNb 3 O 8 became HNb 3 O 8 (layered compound). The obtained HNb 3 O 8 was intercalated using tetrabutylammonium cation (TBAOH) to peel off the layer structure of HNb 3 O 8 and obtain nanosheet-like HNb 3 O 8 .

ナノシート状のHNb3O8を蒸留水とエタノールの混合溶液(混合比1:1)に分散させ、この分散液に30分間紫外線(波長:365nm)を照射した。このことによりHNb3O8に含まれるNb5+の一部がNb4+へと変化する。その後、この分散液に10mg・mL-1 Na2PdCl4水溶液を加え、1時間紫外線照射を行うことによりナノシート状のHNb3O8にPdが担持され、Pd担持HNb3O8ナノシートが得られた。Pdの担持量は、1wt%、2wt%又は3wt%とした。また、ナノシート状のHNb3O8にAuを担持したAu担持HNb3O8ナノシート、ナノシート状のHNb3O8にAgを担持したAg担持HNb3O8ナノシートも合成した。 Nanosheet-like HNb 3 O 8 was dispersed in a mixed solution of distilled water and ethanol (mixing ratio 1:1), and this dispersion was irradiated with ultraviolet light (wavelength: 365 nm) for 30 minutes. As a result, part of the Nb 5+ contained in HNb 3 O 8 was converted to Nb 4+ . Then, 10 mg mL -1 Na 2 PdCl 4 aqueous solution was added to this dispersion, and ultraviolet light was irradiated for 1 hour, so that Pd was supported on the nanosheet-like HNb 3 O 8 , and Pd-supported HNb 3 O 8 nanosheets were obtained. The amount of Pd supported was 1 wt%, 2 wt%, or 3 wt%. In addition, Au-supported HNb 3 O 8 nanosheets in which Au was supported on nanosheet-like HNb 3 O 8 and Ag-supported HNb 3 O 8 nanosheets in which Ag was supported on nanosheet-like HNb 3 O 8 were also synthesized.

CO2レーザーシステム(VLS2.30, UNIVERSAL Laser System)を用いて、準備したポリイミドフィルム(厚さ:50μm)にCO2レーザーを照射し(波長:10.6μm、パワー:2W)、ポリイミドフィルムの切断及びレーザー誘起グラフェン層(LIG層)の形成を行った。LIG層は、図1~図3のように第1電極と第2電極とが対向する櫛型電極となるように形成した。
次に、Pd担持HNb3O8ナノシート水溶液(5mg・mL-1)をLIG層の櫛型電極上に塗布し、100℃で乾燥させることにより感湿層を形成した。そして、感湿層の電気抵抗を測定できるようにLIG層の端子部分に接続する銀配線を形成した。
このようにして湿度センサを形成した。また、感湿層がAu担持HNb3O8ナノシート層である湿度センサ及び感湿層がAg担持HNb3O8ナノシート層である湿度センサも作製した。
Using a CO2 laser system (VLS2.30, UNIVERSAL Laser System), the prepared polyimide film (thickness: 50 μm) was irradiated with a CO2 laser (wavelength: 10.6 μm, power: 2 W) to cut the polyimide film and form a laser-induced graphene layer (LIG layer). The LIG layer was formed so that the first electrode and the second electrode were opposed to each other to form a comb-shaped electrode, as shown in Figures 1 to 3.
Next, a Pd-loaded HNb3O8 nanosheet aqueous solution (5 mg mL -1 ) was applied onto the interdigitated electrode of the LIG layer and dried at 100°C to form a moisture-sensitive layer. Then, silver wiring was formed to connect to the terminal part of the LIG layer so that the electrical resistance of the moisture-sensitive layer could be measured.
In this way, a humidity sensor was formed. In addition, a humidity sensor in which the moisture-sensitive layer was an Au-supported HNb 3 O 8 nanosheet layer and a humidity sensor in which the moisture-sensitive layer was an Ag-supported HNb 3 O 8 nanosheet layer were also fabricated.

感湿層の電気抵抗の測定
温度及び湿度が制御可能な環境試験機(Espec, SH-222)中に、無担持HNb3O8湿度センサ(感湿層がHNb3O8ナノシート層(無担持))、1wt%Pd HNb3O8湿度センサ(感湿層が1wt%Pd担持HNb3O8ナノシート層)、2wt%Pd HNb3O8湿度センサ(感湿層が2wt%Pd担持HNb3O8ナノシート層)、3wt%Pd HNb3O8湿度センサ(感湿層が3wt%Pd担持HNb3O8ナノシート層)、1wt%Au HNb3O8湿度センサ(感湿層が1wt%Au担持HNb3O8ナノシート層)、1wt%Ag HNb3O8湿度センサ(感湿層が1wt%Ag担持HNb3O8ナノシート層)を設置し、感湿層の電気抵抗を測定した。
図4、5は、環境試験機の相対湿度を30%→90%→30%→90%と交互に繰り返し変化させたとき(温度は25℃一定)の測定結果である(サイクルテスト)。また、図6、7は、環境試験機の相対湿度を30%から90%まで変化させたときの測定結果である。また、図8は、感湿層の電気抵抗から相対湿度を算出し、市販の湿度センサの測定値と比較したグラフである。
図4~図7のグラフの縦軸は、抵抗変化率ΔR/R0×100(R0:測定開始時(湿度約30%)における感湿層の電気抵抗値、ΔR=R-R0、R:横軸に対応する感湿層の電気抵抗値)で示している。他のグラフでも同様である。
Measurement of the electrical resistance of the moisture-sensitive layer In an environmental tester (Espec, SH-222) capable of controlling temperature and humidity, the following humidity sensors were placed: unsupported HNb 3 O 8 humidity sensor (moisture-sensitive layer is HNb 3 O 8 nanosheet layer (unsupported)), 1wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor (moisture-sensitive layer is HNb 3 O 8 nanosheet layer with 1wt% Pd supported), 2wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor (moisture-sensitive layer is HNb 3 O 8 nanosheet layer with 2wt% Pd supported), 3wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor (moisture-sensitive layer is HNb 3 O 8 nanosheet layer with 3wt% Pd supported), 1wt% Au HNb 3 O 8 humidity sensor (moisture-sensitive layer is HNb 3 O 8 nanosheet layer with 1wt% Au supported), 1wt% Ag HNb 3 O 8 humidity sensor (moisture-sensitive layer is HNb 3 O 8 nanosheet layer with 1wt% Au supported), A humidity sensor (having a humidity-sensitive layer of 1 wt % Ag-loaded HNb 3 O 8 nanosheet layer) was installed, and the electrical resistance of the humidity-sensitive layer was measured.
Figures 4 and 5 show the measurement results when the relative humidity of the environmental tester was repeatedly changed from 30% to 90% to 30% to 90% (temperature was constant at 25°C) (cycle test). Figures 6 and 7 show the measurement results when the relative humidity of the environmental tester was changed from 30% to 90%. Figure 8 is a graph comparing the relative humidity calculated from the electrical resistance of the moisture-sensitive layer with the measurement value of a commercially available humidity sensor.
4 to 7, the vertical axis indicates the resistance change rate ΔR/R 0 × 100 (R 0 : the electrical resistance value of the moisture-sensitive layer at the start of the measurement (humidity about 30%), ΔR=R−R 0 , R: the electrical resistance value of the moisture-sensitive layer corresponding to the horizontal axis). The same is true for the other graphs.

無担持HNb3O8湿度センサの感湿層は、相対湿度が30%から90%に変化すると、図4、図6のグラフのように、約40%という大きな抵抗変化を示した。これは、弱酸性のHNb3O8ナノシートは水分子に高い親和性を有するためと考えられ、さらに、湿度が高い環境における感湿層において、物理吸着した水分子におけるプロトンホッピングが生じるためと考えられる。
しかし、無担持HNb3O8湿度センサでは、湿度サイクルを繰り返すと、感湿層の抵抗変化率が減少し抵抗変化が不安定となった。従って、無担持HNb3O8湿度センサは、再現性及び安定性に乏しいことがわかった。
When the relative humidity changed from 30% to 90%, the humidity - sensitive layer of the unsupported HNb3O8 humidity sensor showed a large resistance change of about 40%, as shown in the graphs in Figures 4 and 6. This is thought to be because the weakly acidic HNb3O8 nanosheets have a high affinity for water molecules, and further because proton hopping occurs in the physically adsorbed water molecules in the humidity-sensitive layer in a high-humidity environment.
However, in the unsupported HNb 3 O 8 humidity sensor, the resistance change rate of the humidity-sensitive layer decreased and the resistance change became unstable when the humidity cycle was repeated. Therefore, it was found that the unsupported HNb 3 O 8 humidity sensor has poor reproducibility and stability.

1wt%Pd HNb3O8湿度センサの感湿層は、相対湿度が30%から90%に変化すると、図4、図6のグラフのように、約15%の抵抗変化を示し、湿度サイクルの繰り返しでも安定性のよい抵抗変化を示した。また、相対湿度が90%付近においても感湿層は、湿度変化に対して抵抗変化を示し、湿度測定が可能であることがわかった。
1wt%Pd HNb3O8湿度センサの感湿層の抵抗変化から算出した湿度変化は、図8のグラフのように、市販の湿度センサにより測定される湿度変化とほぼ同じになった。
2wt%Pd HNb3O8湿度センサの感湿層、3wt%Pd HNb3O8湿度センサの感湿層も、湿度サイクルの繰り返しにおいて安定性のよい抵抗変化を示したが、抵抗変化率は1wt%Pd HNb3O8湿度センサに比べ減少した。
1wt%Au HNb3O8湿度センサの感湿層及び1wt%Ag HNb3O8湿度センサの感湿層は、図5、図7のグラフのように、相対湿度を変化させても、安定した抵抗変化を示さなかった。
The humidity-sensitive layer of the 1wt%Pd HNb 3 O 8 humidity sensor showed a resistance change of about 15% when the relative humidity changed from 30% to 90%, as shown in the graphs of Figures 4 and 6, and showed a stable resistance change even with repeated humidity cycles. Furthermore, even at a relative humidity of around 90%, the humidity-sensitive layer showed a resistance change in response to humidity changes, demonstrating the possibility of humidity measurement.
The humidity change calculated from the resistance change of the humidity-sensitive layer of the 1 wt % Pd HNb 3 O 8 humidity sensor was almost the same as the humidity change measured by a commercially available humidity sensor, as shown in the graph of FIG.
The humidity sensitive layers of the 2wt% PdHNb3O8 humidity sensor and the 3wt% PdHNb3O8 humidity sensor also showed stable resistance changes during repeated humidity cycles, but the resistance change rate was lower than that of the 1wt % PdHNb3O8 humidity sensor.
As shown in the graphs of FIG. 5 and FIG. 7, the moisture sensitive layer of the 1 wt % Au HNb 3 O 8 humidity sensor and the moisture sensitive layer of the 1 wt % Ag HNb 3 O 8 humidity sensor did not show a stable change in resistance even when the relative humidity was changed.

Pd担持HNb3O8を感湿層として有する湿度センサが、安定した感湿特性を有する理由は明らかではないが、物理吸着した水分子におけるプロトンホッピングがPdにより調整されるためと考えられる。
図9は、無担持HNb3O8の分散水のpH又はPd担持HNb3O8の分散水のpHを測定した結果を示すグラフである。無担持HNb3O8分散水のpHは約3.3であった。これは、無担持HNb3O8ナノシートを水中に分散させると多くのプロトンが電離するためと考えられる。一方、Pd担持HNb3O8分散水のpHはPd担持量が増えるとpHも大きくなった。これは、Pd担持HNb3O8ナノシートを水中に分散させると、無担持HNb3O8分散水に比べ、電離するプロトンの量が減少するためと考えられる。このような電離するプロトンの量の減少が湿度センサの感湿特性の安定化に寄与していることが考えられる。
Although it is not clear why a humidity sensor having a Pd-loaded HNb 3 O 8 moisture-sensing layer has stable moisture-sensing characteristics, it is believed that this is because proton hopping in physically adsorbed water molecules is adjusted by Pd.
FIG. 9 is a graph showing the results of measuring the pH of the dispersion of unsupported HNb 3 O 8 or the dispersion of Pd-supported HNb 3 O 8. The pH of the unsupported HNb 3 O 8 dispersion was about 3.3. This is thought to be because many protons are ionized when unsupported HNb 3 O 8 nanosheets are dispersed in water. On the other hand, the pH of the Pd-supported HNb 3 O 8 dispersion increased as the amount of Pd supported increased. This is thought to be because the amount of ionized protons decreases when Pd-supported HNb 3 O 8 nanosheets are dispersed in water compared to unsupported HNb 3 O 8 dispersion. It is thought that such a decrease in the amount of ionized protons contributes to the stabilization of the humidity sensitivity characteristics of the humidity sensor.

図10は、環境試験機中に1wt%Pd HNb3O8湿度センサを設置し、相対湿度を30%→43.1%→30%→53.9%→30%→64.1%→30%→73.7%→30%→83.8%→30%→92.2%→30%→99.9%→30%と変化させたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。図10のグラフのように、感湿層の電気抵抗は、相対湿度に応じて変化した。従って、1wt%Pd HNb3O8湿度センサにより相対湿度を安定して検出でき、相対湿度が90%以上であっても、感度よく湿度を測定することができることがわかった。 FIG. 10 is a graph showing the change in the electrical resistance of the moisture-sensitive layer when a 1wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor is installed in an environmental test machine and the relative humidity is changed from 30% to 43.1% to 30% to 53.9% to 30% to 64.1% to 30% to 73.7% to 30% to 83.8% to 30% to 92.2% to 30% to 99.9% to 30%. As shown in the graph of FIG. 10, the electrical resistance of the moisture-sensitive layer changes according to the relative humidity. Therefore, it was found that the 1wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor can stably detect the relative humidity and can measure the humidity with good sensitivity even when the relative humidity is 90% or more.

図11は、環境試験機中に1wt%Pd HNb3O8湿度センサを設置し、温度を10℃→20℃→30℃→40℃→50℃→40℃→30℃→20℃→10℃と変化させたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。この測定では、湿度をブロックするフィルムを湿度センサ上に貼付することにより温度変化に伴う湿度変化を抑制している。図11のグラフのように、感湿層の電気抵抗は、温度が変化してもほとんど変化しなかった。従って、1wt%Pd HNb3O8湿度センサでは、湿度測定において温度変化を無視できることがわかった。 FIG. 11 is a graph showing the change in the electrical resistance of the moisture-sensitive layer when a 1wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor is placed in an environmental tester and the temperature is changed from 10°C to 20°C to 30°C to 40°C to 50°C to 40°C to 30°C to 20°C to 10°C. In this measurement, a humidity-blocking film is attached to the humidity sensor to suppress the humidity change caused by the temperature change. As shown in the graph of FIG. 11, the electrical resistance of the moisture-sensitive layer hardly changes even when the temperature changes. Therefore, it was found that the temperature change can be ignored in the humidity measurement with the 1wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor.

図12は、曲げ半径が0.8cm→1.7cm→3cm→4.3cm→7cm→フラットとなるように1wt%Pd HNb3O8湿度センサを変形させたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。図12のグラフのように、感湿層の電気抵抗は、曲げ半径が変化してもほとんど変化しなかった。従って、1wt%Pd HNb3O8湿度センサでは、湿度測定において変形を無視できることがわかった。 Figure 12 is a graph showing the change in the electrical resistance of the moisture-sensitive layer when the 1wt%Pd HNb3O8 humidity sensor is deformed so that the bending radius is 0.8 cm → 1.7 cm → 3 cm → 4.3 cm → 7 cm → flat. As shown in the graph of Figure 12, the electrical resistance of the moisture-sensitive layer hardly changes even when the bending radius is changed. Therefore, it was found that the deformation of the 1wt%Pd HNb3O8 humidity sensor can be ignored in humidity measurement.

LIG層の電気抵抗測定
抵抗式湿度センサでは、感湿層に接続する第1及び第2電極が湿度に関わらず安定した導電特性を有する必要がある。そこで、LIG電極(LIG層)が形成されたポリイミドフィルム及び銀電極が形成されたポリイミドフィルムを環境試験器中に設置し、相対湿度を30%→90%→30%と変化させたときのLIG電極の電気抵抗及び銀電極の電気抵抗を測定した。測定結果を図13に示す。LIG電極の電気抵抗は相対湿度が変化してもほとんど変化しなかった。一方、銀電極の電気抵抗は不安定な変化を示した。従って、抵抗式湿度センサの電極にLIG電極を用いることにより、湿度測定において電極の電気抵抗の変化を無視できることがわかった。
In a resistance-type humidity sensor , the first and second electrodes connected to the humidity-sensitive layer must have stable conductive properties regardless of humidity. Therefore, a polyimide film on which a LIG electrode (LIG layer) is formed and a polyimide film on which a silver electrode is formed were placed in an environmental test chamber, and the electrical resistance of the LIG electrode and the electrical resistance of the silver electrode were measured when the relative humidity was changed from 30% to 90% to 30%. The measurement results are shown in FIG. 13. The electrical resistance of the LIG electrode hardly changed even when the relative humidity changed. On the other hand, the electrical resistance of the silver electrode showed an unstable change. Therefore, it was found that by using a LIG electrode as the electrode of a resistance-type humidity sensor, the change in the electrical resistance of the electrode can be ignored in humidity measurement.

湿度センサを用いた生体計測
1wt%Pd HNb3O8湿度センサをフィルタリングフェイスマスクに取り付け、呼吸に伴う湿度変化を測定し呼吸をモニタリングした。測定中においてマスクの装着・取り外しを3回行った。なお、マスクに取り付けることができる大きさの1wt%Pd HNb3O8湿度センサを作製し用いた。
図14(a)は、マスクに取り付けた湿度センサの写真であり、図14(b)は感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフであり、図14(c)(d)は図14(b)のグラフの拡大図である。
マスクを装着していない状態での感湿層の電気抵抗値は7MΩ~7.5MΩであり、マスクを装着した状態での感湿層の電気抵抗値は、2.6MΩ~4.8MΩとなり、呼吸に伴い上下動した。従って、1wt%Pd HNb3O8湿度センサを用いて呼吸をモニタリングすることができることが確認された。
Biometric measurements using humidity sensors
A 1wt%Pd HNb 3 O 8 humidity sensor was attached to a filtering face mask to measure the humidity change associated with breathing and monitor breathing. The mask was put on and taken off three times during the measurement. A 1wt%Pd HNb 3 O 8 humidity sensor was fabricated and used that was large enough to be attached to the mask.
FIG. 14(a) is a photograph of the humidity sensor attached to the mask, FIG. 14(b) is a graph showing the change in electrical resistance of the moisture-sensitive layer, and FIGS. 14(c) and (d) are enlarged views of the graph of FIG. 14(b).
The electrical resistance of the moisture-sensitive layer was 7 MΩ to 7.5 MΩ when the mask was not worn, and 2.6 MΩ to 4.8 MΩ when the mask was worn, and fluctuated with breathing. Therefore, it was confirmed that breathing can be monitored using the 1wt% PdHNb3O8 humidity sensor.

1wt%Pd HNb3O8湿度センサを用いて指先から蒸散する水分を測定した。
図15は、指先を湿度センサに15回近づけたときの感湿層の電気抵抗の変化を示すグラフである。最初の5回は湿度センサと指先との間隔を5mmとし、次の5回は湿度センサと指先との間隔を2.5mmとし、最後の5回は湿度センサと指先との間隔を1mmとした。図15のように、指先を湿度センサに近づけると感湿層の電気抵抗の低下が測定された。また、間隔を小さくするほど電気抵抗は大きく低下した。従って、1wt%Pd HNb3O8湿度センサを用いて皮膚との距離をモニタリングすることができることが確認できた。
The moisture evaporating from the fingertip was measured using a 1wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor.
FIG. 15 is a graph showing the change in electrical resistance of the humidity-sensitive layer when the fingertip is brought close to the humidity sensor 15 times. The distance between the humidity sensor and the fingertip was 5 mm for the first 5 times, 2.5 mm for the next 5 times, and 1 mm for the last 5 times. As shown in FIG. 15, a decrease in the electrical resistance of the humidity-sensitive layer was measured when the fingertip was brought close to the humidity sensor. In addition, the electrical resistance decreased more significantly as the distance was reduced. Therefore, it was confirmed that the distance to the skin can be monitored using a 1wt%Pd HNb 3 O 8 humidity sensor.

次に、指先に取り付けることができる大きさの1wt%Pd HNb3O8湿度センサを作製した。このセンサでは、感湿層上に防水通気フィルタ(日東電工株式会社製TEMISH(登録商標))を取り付け、指先の汗が直接感湿層に接触することを防止し、湿気だけが感湿層に供給されるようにした。図16(a)は作製した湿度センサ(防水通気フィルタ取り付け前)の写真であり、図16(b)は指先に取り付けた状態の湿度センサの写真である。また、感湿層の電気抵抗の測定結果を無線通信を介してスマートフォンに出力できるようにした。 Next, a 1wt% PdHNb3O8 humidity sensor was fabricated that was large enough to be attached to a fingertip. In this sensor, a waterproof and breathable filter (TEMISH (registered trademark) manufactured by Nitto Denko Corporation) was attached to the moisture-sensitive layer to prevent sweat from the fingertip from directly contacting the moisture-sensitive layer, and only moisture was supplied to the moisture-sensitive layer. Figure 16(a) is a photograph of the fabricated humidity sensor (before the waterproof and breathable filter was attached), and Figure 16(b) is a photograph of the humidity sensor attached to a fingertip. In addition, the measurement results of the electrical resistance of the moisture-sensitive layer were made so that they could be output to a smartphone via wireless communication.

この1wt%Pd HNb3O8湿度センサを指先に取り付けた状態の成人男性が8km/hの速度でランニングしたときの感湿層の電気抵抗を測定した。測定結果を図17に示す。
測定では、測定開始から約2分後に1wt%Pd HNb3O8湿度センサと指先との間に配置していたプラスチックシートを取り外し防水通気フィルタを指先に接触させ、約4分20秒後にランニングを開始した。そして測定開始から約9分20秒後にランニングを終了し、その後休息した。なお、測定開始前に成人男性は十分な水分を摂取している。
プラスチックシートを取り外すと、感湿層の電気抵抗は約7.5MΩから約3MΩに低下した。そしてランニングを始めると、感湿層の電気抵抗は約2.5MΩに低下した。これは、運動により指先からの水分の蒸散量が増加したためと考えられる。成人男性が発汗すると、感湿層の電気抵抗は徐々に低下し、約2.1MΩとなった。これは指先からの汗の影響により感湿層の湿度が極度に高くなったためと考えられる。
従って、1wt%Pd HNb3O8湿度センサを用いて運動や発汗をモニタリングすることができることが確認できた。
The electrical resistance of the moisture-sensitive layer was measured when an adult male ran at a speed of 8 km/h with this 1 wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor attached to his fingertip. The measurement results are shown in FIG.
In the measurement, about 2 minutes after the start of the measurement, the plastic sheet placed between the 1wt%Pd HNb 3 O 8 humidity sensor and the fingertip was removed, the waterproof breathable filter was placed in contact with the fingertip, and running began about 4 minutes and 20 seconds after the start of the measurement. Then, about 9 minutes and 20 seconds after the start of the measurement, the running was stopped and the subject rested. The adult male had consumed sufficient water before the start of the measurement.
When the plastic sheet was removed, the electrical resistance of the moisture-sensitive layer dropped from about 7.5 MΩ to about 3 MΩ. Then, when he started running, the electrical resistance of the moisture-sensitive layer dropped to about 2.5 MΩ. This is thought to be because the amount of moisture evaporated from the fingertips increased due to exercise. When the adult male started to sweat, the electrical resistance of the moisture-sensitive layer gradually dropped to about 2.1 MΩ. This is thought to be because the humidity of the moisture-sensitive layer became extremely high due to the influence of sweat from the fingertips.
Therefore, it was confirmed that exercise and sweating can be monitored using the 1 wt% Pd HNb 3 O 8 humidity sensor.

1:センシング部 2:感湿層 3:第1電極 4:第2電極 5:基材シート 6:配線 7:防水通気フィルタ 10:湿度センサ 1: Sensing section 2: Moisture-sensitive layer 3: First electrode 4: Second electrode 5: Base sheet 6: Wiring 7: Waterproof breathable filter 10: Humidity sensor

Claims (7)

センシング部を備え、
前記センシング部は、感湿層と、前記感湿層に電気的に接続した第1及び第2電極とを含み、
前記感湿層は、Pdが担持されたニオブ酸を含むことを特徴とする湿度センサ。
A sensing unit is provided.
The sensing unit includes a moisture-sensitive layer and first and second electrodes electrically connected to the moisture-sensitive layer.
The humidity sensor is characterized in that the moisture-sensitive layer contains niobic acid carrying Pd.
前記ニオブ酸は、HNb38で表される化合物である請求項1に記載の湿度センサ。 2. The humidity sensor according to claim 1, wherein the niobic acid is a compound represented by HNb3O8 . 前記ニオブ酸は、Nb5+とNb4+とを含む請求項1又は2に記載の湿度センサ。 3. The humidity sensor according to claim 1, wherein the niobic acid contains Nb5+ and Nb4 + . 前記Pdが担持されたニオブ酸は、0.001wt%以上3wt%以下のPdが担持されたニオブ酸である請求項1~3のいずれか1つに記載の湿度センサ。 The humidity sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the niobic acid carrying Pd is niobic acid carrying 0.001 wt% to 3 wt% Pd. 前記ニオブ酸は、剥離したナノシートを含む請求項1~4のいずれか1つに記載の湿度センサ。 The humidity sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the niobic acid includes exfoliated nanosheets. 基材シートをさらに備え、
前記センシング部は、前記基材シート上に配置された請求項1~5のいずれか1つに記載の湿度センサ。
Further comprising a base sheet,
6. The humidity sensor according to claim 1, wherein the sensing portion is disposed on the base sheet.
前記基材シートは、ポリイミドフィルムであり、
第1及び第2電極は、前記ポリイミドフィルムの表面の炭化層である請求項6に記載の湿度センサ。
The base sheet is a polyimide film,
7. The humidity sensor according to claim 6, wherein the first and second electrodes are carbonized layers on the surface of the polyimide film.
JP2020207682A 2020-12-15 2020-12-15 Humidity Sensors Active JP7533941B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020207682A JP7533941B2 (en) 2020-12-15 2020-12-15 Humidity Sensors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2020207682A JP7533941B2 (en) 2020-12-15 2020-12-15 Humidity Sensors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2022094669A JP2022094669A (en) 2022-06-27
JP7533941B2 true JP7533941B2 (en) 2024-08-14

Family

ID=82162624

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2020207682A Active JP7533941B2 (en) 2020-12-15 2020-12-15 Humidity Sensors

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP7533941B2 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007248409A (en) 2006-03-20 2007-09-27 Junichiro Yoshida Flexible humidity sensor
JP2010507073A (en) 2006-10-12 2010-03-04 ネクステック、マテリアルズ、リミテッド Hydrogen sensitive composite material, hydrogen gas sensor, and sensor for detecting hydrogen and other gases with improved reference resistance
JP2018048912A (en) 2016-09-21 2018-03-29 大阪瓦斯株式会社 Gas sensor and gas detector

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5655847A (en) * 1979-10-12 1981-05-16 Sumitomo Electric Ind Ltd Humidity-sensitive element
JPS5736812A (en) * 1980-08-15 1982-02-27 Tokyo Shibaura Electric Co KANSHITSUSOSHI
JPS62211551A (en) * 1986-03-12 1987-09-17 Tokuyama Soda Co Ltd gas sensor

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007248409A (en) 2006-03-20 2007-09-27 Junichiro Yoshida Flexible humidity sensor
JP2010507073A (en) 2006-10-12 2010-03-04 ネクステック、マテリアルズ、リミテッド Hydrogen sensitive composite material, hydrogen gas sensor, and sensor for detecting hydrogen and other gases with improved reference resistance
JP2018048912A (en) 2016-09-21 2018-03-29 大阪瓦斯株式会社 Gas sensor and gas detector

Also Published As

Publication number Publication date
JP2022094669A (en) 2022-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kim et al. Wearable CNTs-based humidity sensors with high sensitivity and flexibility for real-time multiple respiratory monitoring
US7918977B2 (en) Solid state electrochemical gas sensor and method for fabricating same
JP6159261B2 (en) Dry skin conductive electrode
Liang et al. A non-contact porous composite fiber paper-based humidity sensor for wearable breathing and skin humidity monitoring
CN113804732B (en) Wearable humidity sensing device for detecting human body sweat rate and manufacturing method thereof
TW201805622A (en) Miniature gas sensor and manufacturing method thereof finishing a suspended gas sensing structure on a silicon substrate
Wang et al. Temperature-compensated pH microelectrode array sensors based on copper-oxide/polyaniline modification
JP7533941B2 (en) Humidity Sensors
Noushin et al. Kirigami-patterned highly stable and strain insensitive sweat pH and temperature sensors for long-term wearable applications
CN114858874A (en) Humidity sensing structure, humidity sensor and manufacturing method of humidity sensing structure
JPS6069544A (en) Gas sensor
TWI706571B (en) Miniature gas sensor structure
JPH0249466B2 (en)
Janrungroatsakul et al. Development of coated-wire silver ion selective electrodes on paper using conductive films of silver nanoparticles
KR100480504B1 (en) Process for selectively sensing carbon monoxide gas
US20250194961A1 (en) Waterproof electronic decals for wireless monitoring of biofluids
JP2019164049A (en) Detecting device, manufacturing method thereof, and measuring device
JP7253791B2 (en) humidity sensor
US20090134026A1 (en) Gas sensor and method for the production thereof
Kumar et al. Metal oxide-based nanocomposites designed for humidity sensor applications
Tomov et al. Multifunctional Inkjet-Printed Silver Structures for Wearable Biosensors
Goh et al. Flexible LIG-Based Breathing Rate Sensor With Skin-Contact Recovery for Smart Masks Using Capacitive Readout
CN110887873B (en) Structure of gas sensor
Rahimi et al. A low-cost, flexible electrochemical sensor for monitoring silver ion concentration in alginate wound dressings
Mahaliya Ankita et al. Application of V2O5 screen printed sensor for acetone

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20231206

RD02 Notification of acceptance of power of attorney

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422

Effective date: 20231206

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20240716

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20240717

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20240725

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7533941

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

S531 Written request for registration of change of domicile

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531

R350 Written notification of registration of transfer

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350