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JPS637018B2 - - Google Patents
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JPS637018B2 - - Google Patents

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JPS637018B2
JPS637018B2 JP55052050A JP5205080A JPS637018B2 JP S637018 B2 JPS637018 B2 JP S637018B2 JP 55052050 A JP55052050 A JP 55052050A JP 5205080 A JP5205080 A JP 5205080A JP S637018 B2 JPS637018 B2 JP S637018B2
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JP
Japan
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humidity
silver
oxide film
layer
present
Prior art date
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Application number
JP55052050A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPS56148817A (en
Inventor
Akira Sadamura
Atsushi Nishino
Akihiko Yoshida
Toshuki Yasufuku
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.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Inorganic Insulating Materials (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は小型で高精度、高応答性の湿度検出素
子を提供するものである。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention provides a compact, highly accurate, and highly responsive humidity sensing element.

自然界の基礎的な諸変化量、例えば温度、気
圧、湿度などのうちで、未だ精度の高い測定が困
難なものは湿度である。一方、食品工業、農業、
その他の多くの分野で、湿度の正確で容易な測定
およびその調整が必要となつてきている。
Among the various basic variables in nature, such as temperature, atmospheric pressure, and humidity, humidity is still difficult to measure with high precision. On the other hand, food industry, agriculture,
Accurate and easy measurement and adjustment of humidity is becoming necessary in many other fields.

現在、湿度を電気信号の変化として検出する方
式としては、付着水分を電気分解によつて解離す
るのに必要な電気量を利用する方式、水分吸着に
よる抵抗値の変化を利用する方式、本発明者らが
先に開発した水分吸着による静電容量変化を利用
する方式などがある。
Currently, methods for detecting humidity as changes in electrical signals include a method that uses the amount of electricity required to dissociate adhering moisture by electrolysis, a method that uses changes in resistance value due to moisture adsorption, and a method that uses the present invention. There is a method that utilizes the change in capacitance due to water adsorption, which was previously developed by et al.

この中で本発明者らが開発した湿度検出素子
は、他の方式に比べて、精度、感度、応答性、ヒ
ステリシス、経時変化、耐薬品性、取扱いの容易
さ、測定範囲、耐熱性などの全ての点において優
れているが、未だ完全なものではなく、特に湿度
に対する静電容量値が、低湿度から高湿度領域に
わたつて直線性をもつてない、すなわち完全に一
定割合で変化するものではないという欠点を有し
ていた。
Among these, the humidity detection element developed by the present inventors has superior accuracy, sensitivity, responsiveness, hysteresis, aging, chemical resistance, ease of handling, measurement range, heat resistance, etc. compared to other methods. Although it is excellent in all respects, it is still not perfect, and in particular, the capacitance value with respect to humidity does not have linearity from low humidity to high humidity, that is, it changes at a completely constant rate. It had the disadvantage that it was not.

本発明はこのような従来の欠点を解決するもの
であり、小型で組立てが容易で、低湿度領域から
高湿度領域まで広範囲にわたつて、湿度に対して
一定の割合で静電容量が変化するような安定した
湿度検出素子を安価に提供しようとするものであ
る。以下、本発明の湿度検出素子について、第1
図〜第5図の図面を用いて説明する。
The present invention solves these conventional drawbacks, and is small and easy to assemble, and the capacitance changes at a constant rate with humidity over a wide range from low humidity to high humidity. The purpose is to provide such a stable humidity detection element at low cost. Hereinafter, regarding the humidity detection element of the present invention, the first
This will be explained using the drawings shown in FIGS.

第1図に本発明の湿度検出素子の基本構造を示
しており、図において1はタンタル、アルミニウ
ム、チタン、ニオブ、ハフニウム、ジルコニウム
のような弁作用金属またはこれらの合金若しくは
シリコン、ゲルコニウムのような材料からなる金
属基体であり、この金属基体1の表面には誘電体
性陽極酸化皮膜2が形成され、そしてこの誘電体
性陽極酸化皮膜2上には二酸化マンガンのような
半導体性金属酸化物膜3が形成されている。この
誘電体性陽極酸化皮膜2と半導体性金属酸化物膜
3との間には、非接触部分4と接触部分5とがあ
る。そして、この半導体性金属酸化物膜3の上に
は、銀鏡反応による銀層により基本的に構成した
金属基体1との対向電極6が形成されている。
FIG. 1 shows the basic structure of the humidity detection element of the present invention, and in the figure, 1 is a valve metal such as tantalum, aluminum, titanium, niobium, hafnium, zirconium, or an alloy thereof, or silicon, gelconium, etc. A dielectric anodic oxide film 2 is formed on the surface of the metal base 1, and a semiconductor metal oxide film such as manganese dioxide is formed on the dielectric anodic oxide film 2. 3 is formed. Between the dielectric anodic oxide film 2 and the semiconductor metal oxide film 3, there are a non-contact portion 4 and a contact portion 5. Then, on this semiconducting metal oxide film 3, an electrode 6 facing the metal substrate 1 is formed which is basically composed of a silver layer formed by a silver mirror reaction.

このような構成において、半導体性金属酸化物
膜3の表面は、非常にマイクロポーラスな状態に
なつており、対向電極6との接触面積を大きくし
ている。この孔部分は、実測によれば、孔径数μ
から十数μ程度の非常に微細なものであり、その
表面全体に、空気中の水分を透過する程度の厚さ
を持つた対向電極6を設けるわけである。
In such a configuration, the surface of the semiconductor metal oxide film 3 is in a very microporous state, increasing the contact area with the counter electrode 6. According to actual measurements, the diameter of this hole is several μ.
The counter electrode 6 is extremely fine, with a diameter of about 10-odd microns, and has a thickness sufficient to allow moisture in the air to pass through its entire surface.

ところで、従来は対向電極6として、カーボン
層、半田層、銀層等を用いていた。そしてマイク
ロポーラスな半導体性金属酸化物膜3の孔部分に
まで対向電極層6を設けるために、先ず粒径が
10μmから数百μmのカーボンブラツクを適当な
溶媒に分散したものに浸漬して、孔部分の表面全
体を覆うようにカーボン層を形成した後、銀ペイ
ントに浸漬して表面に銀ペイント層を形成するこ
とにより、電極リードとの接続に用いる半田層と
の溶着を容易にするとともに、湿度検出素子の電
気抵抗を低く抑えるようにしていた。また、半導
体性金属酸化物膜3の上に、直接銀ペイント層を
設けようと試みたが、比重の大きい銀を分散させ
た銀ペイントは必然的に粘度が大になり、孔部分
を完全に覆うことは不可能であつた。カーボン層
の上に、銀層を設けるため、銀ペイントについて
種々試験を重ねた結果、カーボン層の表面に均一
に銀ペイント層が形成され、かつ取扱いが容易で
あるという点から、バインダーとしてアクリル樹
脂を0.5〜5%含んだ銀ペイントを選択していた。
第2図にその従来の対向電極部分の構造を示して
おり、図において6′は対向電極、6a′はカーボ
ン層、6b′は銀ペイント層、3′は半導体性金属
酸化物膜3の孔部分である。
By the way, conventionally, a carbon layer, a solder layer, a silver layer, etc. have been used as the counter electrode 6. In order to provide the counter electrode layer 6 even in the pores of the microporous semiconducting metal oxide film 3, the particle size must first be adjusted.
Carbon black of 10 μm to several hundred μm is immersed in a dispersion of a suitable solvent to form a carbon layer covering the entire surface of the hole, and then dipped in silver paint to form a silver paint layer on the surface. By doing so, it is possible to facilitate welding with the solder layer used for connection with the electrode lead, and to keep the electrical resistance of the humidity detection element low. In addition, an attempt was made to provide a silver paint layer directly on the semiconducting metal oxide film 3, but silver paint in which silver with a high specific gravity was dispersed inevitably had a high viscosity, and the pores could not be completely covered. It was impossible to cover it. In order to provide a silver layer on the carbon layer, we conducted various tests on silver paint and found that acrylic resin was used as the binder because it formed a uniform silver paint layer on the surface of the carbon layer and was easy to handle. They selected silver paint containing 0.5 to 5% of
FIG. 2 shows the structure of the conventional counter electrode part, where 6' is the counter electrode, 6a' is the carbon layer, 6b' is the silver paint layer, and 3' is the hole in the semiconducting metal oxide film 3. It is a part.

ここで、銀ペイント層6b′の働きは金属基体1
に対する対向電極であるが、空気中の水分が銀ペ
イント層6b′を透過する際、その銀ペイント層6
b′自体による吸脱湿が行なわれると、湿度と静電
容量の直線性に影響があり、湿度検出素子として
の精度を低下させてしまい、また水分の透過が妨
げられるようだと、応答性を低下させるのでいず
れも好ましくなく、銀ペイント層6′自体は透過
水分に何等の影響を与えないものでなければなら
ない。
Here, the function of the silver paint layer 6b' is that the metal base 1
However, when moisture in the air passes through the silver paint layer 6b', the silver paint layer 6b'
If b′ itself absorbs and removes moisture, it will affect the linearity of humidity and capacitance, reducing the accuracy of the humidity detection element.If moisture permeation is impeded, the response will be Both of these are undesirable because they lower the water content, and the silver paint layer 6' itself must have no effect on permeated moisture.

ところが、このような銀ペイントを用いた従来
の湿度検出素子では、バインダーとして存在する
樹脂が、ある程度水分を吸脱着するため、前述の
ような不都合を生じていた。
However, in conventional humidity detection elements using such silver paint, the resin present as a binder adsorbs and desorbs moisture to a certain extent, resulting in the above-mentioned problems.

本発明では、半導体性金属酸化物膜3の孔部分
3′を含めた表面全域に、直接銀鏡反応により銀
層を形成するものである。以下、銀鏡反応による
銀層形成について、具体例をあげて説明する。使
用する試薬は次のようにして準備する。
In the present invention, a silver layer is formed over the entire surface of the semiconductor metal oxide film 3, including the hole portions 3', by direct silver mirror reaction. Formation of a silver layer by silver mirror reaction will be described below with specific examples. The reagents used are prepared as follows.

すなわち、5%硝酸銀水溶液20mlをテフロン容
器の中に入れ、その中に10%水酸化ナトリウム水
溶液1mlを加えて、撹拌しながら2%アンモニア
水を添加し、褐色の酸化銀沈殿が溶解するまで加
える。こうしてできた溶液をトレンス試薬とい
う。このトレンス試薬を30〜60℃に加温し、この
中へ半導体性金属酸化物膜3形成までを終了した
湿度検出素子の前記半導体性金属酸化物膜3部分
を浸漬し、ホルマリン溶液1mlを添加して10分間
放置する。こうすると、トレンス試薬中に生成し
た銀アンモニア錯体が、下記の反応に従つて還元
されて銀となり、孔部分3′を含めた半導体性金
属酸化物膜3表面に析出する。
That is, put 20 ml of 5% silver nitrate aqueous solution in a Teflon container, add 1 ml of 10% sodium hydroxide aqueous solution, and add 2% ammonia water while stirring until the brown silver oxide precipitate is dissolved. . The solution created in this way is called Tollen's reagent. This Tollen's reagent is heated to 30 to 60°C, and the 3 parts of the semiconductor metal oxide film of the humidity detection element, which have been formed up to the formation of the semiconductor metal oxide film 3, are immersed in this reagent, and 1 ml of formalin solution is added. and leave it for 10 minutes. In this way, the silver ammonia complex generated in the Tollens reagent is reduced to silver according to the reaction described below, and is deposited on the surface of the semiconductor metal oxide film 3 including the hole portions 3'.

HCHO+2〔Ag(NH32)〕+OH-→2Ag+ HCO2NH4+3NH3+H2O このようにして形成した銀層は、まだ硝酸根、
水酸化ナトリウム、アンモニア、ホルマリン等を
含んでおり、湿度検出素子の特性に悪影響を及ぼ
すので、銀層形成後の素子を十分に水洗した後、
乾燥して使用する。このような銀鏡反応により形
成された銀層は、反応条件によつては、時々非常
に不安定になるため、この上に更にカーボン層を
介して、あるいは直接に低濃度の銀ペイントを用
いて、薄い銀ペイント層を設けたり、あるいは溶
射金属層、蒸着金属層等を設けても良い。
HCHO+2 [Ag(NH 3 ) 2 )] + OH - →2Ag+ HCO 2 NH 4 +3NH 3 +H 2 O The silver layer formed in this way still contains nitrate roots,
Contains sodium hydroxide, ammonia, formalin, etc., which will have a negative effect on the characteristics of the humidity detection element, so after the silver layer has been formed, the element should be thoroughly washed with water.
Use dry. The silver layer formed by such a silver mirror reaction is sometimes very unstable depending on the reaction conditions, so a low-concentration silver paint may be applied on top of it through a carbon layer or directly. , a thin silver paint layer, a sprayed metal layer, a vapor deposited metal layer, etc. may be provided.

第3図に本発明による湿度検出素子の対向電極
部分を示している。
FIG. 3 shows the opposing electrode portion of the humidity sensing element according to the present invention.

このような本発明による湿度検出素子によれ
ば、次のような理由により低湿度領域から高湿度
領域にわたつて、湿度の変化に対する湿度検出素
子の静電容量の変化が正比例の関係で対応するた
め、すなわち非常に直線性が良いため、広湿度範
囲にわたつて正確に湿度を測定することができ
る。すなわち、本発明の湿度検出素子を湿気中に
配置すると、空気中の水分は銀層による対向電極
6、半導体性金属酸化物膜3を透過して、誘電体
性陽極酸化皮膜2との界面に達する。この界面に
は、接触部分5と非接触部分4とがあり、界面に
達した水分が非接触部分4において、その中に溶
かしこんでいる空気中の炭酸ガス、半導体金属酸
化物膜3中のマンガンイオン、その他の不純物等
のため、あたかも電解質のような作用をして、見
掛け上の接触面積を増大するので、静電容量が増
加する。このようにして、空気中の水分量の増
減、すなわち湿度により見掛け上の接触面積が増
減するので、空気中の相対湿度変化を静電容量変
化に変換することができる。ここで、本発明にお
いては、銀鏡反応によつて生成した銀層は純粋な
銀であり、しかも非常に薄く形成することができ
るために、空気中の水分透過に対し、何等の影響
を与えるものではなく、従来のように、銀ペイン
トによつて銀ペイント層を設けた場合、バインダ
ーとして含まれている樹脂自体が、ある程度の吸
脱湿作用をもつているために、空気中の水分量に
正しく比例する量の水分が半導体性金属酸化物膜
3と誘電体性陽極酸化皮膜2の界面に到達せず、
湿度に対して静電容量値が正確に対応しないとい
う問題を解決することができる。
According to the humidity detection element according to the present invention, the change in capacitance of the humidity detection element corresponds to a change in humidity in direct proportion from a low humidity region to a high humidity region for the following reasons. In other words, it has very good linearity, so it is possible to accurately measure humidity over a wide humidity range. That is, when the humidity detection element of the present invention is placed in humidity, moisture in the air passes through the silver layer counter electrode 6 and the semiconducting metal oxide film 3 and reaches the interface with the dielectric anodic oxide film 2. reach This interface has a contact part 5 and a non-contact part 4, and the moisture that has reached the interface is absorbed into the non-contact part 4 by the carbon dioxide in the air dissolved therein and the semiconductor metal oxide film 3. Manganese ions and other impurities act like an electrolyte, increasing the apparent contact area and increasing capacitance. In this way, the apparent contact area increases or decreases depending on the amount of moisture in the air, that is, the humidity, so changes in relative humidity in the air can be converted into changes in capacitance. Here, in the present invention, the silver layer produced by the silver mirror reaction is pure silver and can be formed very thin, so it does not have any effect on moisture permeation in the air. Instead, when a silver paint layer is provided using silver paint as in the past, the resin contained as a binder itself has a certain degree of moisture absorption and desorption effect, so it does not change the amount of moisture in the air. A properly proportional amount of moisture does not reach the interface between the semiconducting metal oxide film 3 and the dielectric anodic oxide film 2,
It is possible to solve the problem that the capacitance value does not correspond accurately to humidity.

次に、本発明の具体的な実施例をあげ、従来品
との特性の違いについて説明する。
Next, specific examples of the present invention will be given and differences in characteristics from conventional products will be explained.

4図のように、直径0.1〜1.0mm、長さ10mmのタ
ンタルからなる金属基体7の一部に、酸化タンタ
ル皮膜8を100〜1000Åの厚さで設け、その上に
二酸化マンガン膜9を数十〜数百μの厚さで形成
し、さらに対向電極として、その上に銀鏡反応に
よつて銀層10を形成し、この銀層10の一部に
電極リード11を半田層12によつて接続して湿
度検出素子を構成した。
As shown in Fig. 4, a tantalum oxide film 8 with a thickness of 100 to 1000 Å is provided on a part of a metal base 7 made of tantalum with a diameter of 0.1 to 1.0 mm and a length of 10 mm, and several manganese dioxide films 9 are applied thereon. A silver layer 10 is formed on it as a counter electrode by silver mirror reaction, and an electrode lead 11 is attached to a part of this silver layer 10 by a solder layer 12. They were connected to form a humidity detection element.

この本発明の湿度検出素子Aと、対向電極とし
て、カーボン層とアクリル樹脂2%をバインダー
にした銀ペイント層とを用いた同じ大きさの従来
の湿度検出素子Bとについて、相対湿度と静電容
量の関係を調べた。この結果を第5図に示してお
り、この第5図から明らかなように本発明の湿度
検出素子は、広い湿度範囲で直線性に優れている
ことが明らかである。
Regarding the humidity sensing element A of the present invention and a conventional humidity sensing element B of the same size using a carbon layer and a silver paint layer with 2% acrylic resin as a binder as a counter electrode, relative humidity and electrostatic We investigated the relationship between capacity. The results are shown in FIG. 5, and as is clear from FIG. 5, it is clear that the humidity detection element of the present invention has excellent linearity over a wide humidity range.

以上のように本発明によれば、広い湿度範囲に
わたつて、相対湿度と静電容量との関係の直線性
の優れた湿度検出素子を得ることができるのであ
る。
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a humidity detection element with excellent linearity in the relationship between relative humidity and capacitance over a wide humidity range.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明による湿度検出素子の基本構造
を示す断面図、第2図は従来の湿度検出素子にお
ける対向電極部分を示す拡大図、第3図は本発明
による湿度検出素子における対向電極部分を示す
拡大図、第4図は本発明の一実施例による湿度検
出素子を示す断面図、第5図は本発明の湿度検出
素子の特性を従来の湿度検出素子の特性と比較し
て示す図である。 1,7……金属基体、2……誘電体性陽極酸化
皮膜、3……半導体性金属酸化物膜、6……対向
電極、8……酸化タンタル皮膜、9……二酸化マ
ンガン膜、10……銀層。
FIG. 1 is a sectional view showing the basic structure of the humidity sensing element according to the present invention, FIG. 2 is an enlarged view showing the opposing electrode portion of a conventional humidity sensing element, and FIG. 3 is an opposing electrode portion of the humidity sensing element according to the present invention. FIG. 4 is a sectional view showing a humidity sensing element according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 is a diagram showing the characteristics of the humidity sensing element of the present invention in comparison with the characteristics of a conventional humidity sensing element. It is. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 7... Metal base, 2... Dielectric anodic oxide film, 3... Semiconductor metal oxide film, 6... Counter electrode, 8... Tantalum oxide film, 9... Manganese dioxide film, 10... ...Silver layer.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 タンタル、アルミニウム、チタン、ニオブ、
ハフニウム、ジルコニウムのような弁作用金属単
独またはこれらの合金、若しくはシリコン、ゲル
マニウムのような金属基体上に誘電体性陽極酸化
皮膜を形成し、その酸化皮膜上に半導体性金属酸
化物膜を形成し、さらにその上に銀鏡反応により
形成した銀層単独若しくはこの銀層と他の導電材
料との組合せからなる対向電極を形成したことを
特徴とする湿度検出素子。
1 Tantalum, aluminum, titanium, niobium,
A dielectric anodic oxide film is formed on a valve metal such as hafnium or zirconium alone or an alloy thereof, or a metal substrate such as silicon or germanium, and a semiconducting metal oxide film is formed on the oxide film. , further comprising a counter electrode formed thereon by a single silver layer formed by silver mirror reaction or a combination of this silver layer and another conductive material.
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