JPH0656372B2 - Ceramic humidity sensor - Google Patents
Ceramic humidity sensorInfo
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- JPH0656372B2 JPH0656372B2 JP62057268A JP5726887A JPH0656372B2 JP H0656372 B2 JPH0656372 B2 JP H0656372B2 JP 62057268 A JP62057268 A JP 62057268A JP 5726887 A JP5726887 A JP 5726887A JP H0656372 B2 JPH0656372 B2 JP H0656372B2
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- sensor
- ceramic
- moisture
- humidity
- conductive
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Description
【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、セラミック湿度センサに関するものである。The present invention relates to a ceramic humidity sensor.
(従来技術とその問題点) 従来から、バルク状の金属酸化物セラミックの両面にRu
O2等の多孔質の電極材料を塗布して焼付けた湿度センサ
が盛用されている。(Prior art and its problems) Conventionally, Ru has been applied to both sides of a bulk metal oxide ceramic.
A humidity sensor in which a porous electrode material such as O 2 is applied and baked is widely used.
このセンサは、セラミックが吸着した湿分による導電性
の変化を利用して電気抵抗値によって湿度の変化を検知
するように構成したものである。This sensor is configured to detect a change in humidity based on an electric resistance value by utilizing a change in conductivity due to moisture adsorbed by ceramics.
しかしながら、センサは、2〜4ミリ角のセラミックで
構成されていて肉厚が大きく、湿分の吸脱着が平衡状態
に到達するのに時間が掛かり、急激な湿度変化に対応で
きない不都合がある。However, since the sensor is made of a ceramic of 2 to 4 mm square and has a large wall thickness, it takes a long time for moisture adsorption / desorption to reach an equilibrium state, and there is an inconvenience in that it cannot cope with a rapid humidity change.
また、通電時のプロトンの伝導も遅く応答に約10秒程度
要している。Also, the conduction of protons during energization is slow, and it takes about 10 seconds to respond.
このセンサは、主として電子レンジ内の湿度を測定して
調理制御を行う場合に使用されているが、レンジでの調
理の絶対時間が短いために、応答に要する10秒の時間差
は極めて長いものとなり、調理制御の正確性を期せない
問題もあった。This sensor is mainly used for controlling humidity by measuring the humidity in the microwave oven, but the absolute time of cooking in the microwave oven is short, so the time difference of 10 seconds required for response is extremely long. However, there was also a problem that the accuracy of cooking control could not be expected.
センサの精度及び応答時間を短縮するために電極を多孔
質にして湿分の吸脱着に便ずるように構成されているも
のの、センサ全体を常時露出させておかなければ湿度が
測定できず、センサの設置場所の確保が必要となってセ
ンサの用途が限定される不都合もあった。In order to reduce the accuracy and response time of the sensor, the electrodes are made porous to absorb and desorb moisture, but the humidity cannot be measured unless the entire sensor is exposed at all times. There is also a disadvantage that the use of the sensor is limited because it is necessary to secure the installation place of the sensor.
(技術的課題) 本発明は、セラミック湿度センサにおいて、湿分の吸脱
着の速度とプロトンの伝導度とを高めることを課題とし
たものである。(Technical problem) An object of the present invention is to increase the rate of adsorption / desorption of moisture and the conductivity of protons in a ceramic humidity sensor.
(技術的手段) この技術的課題を解決するための技術的手段は、(イ)
導電層の表面にスパッタリング法によってプリデライト
−K2Oセラミックの薄膜層を形成し、(ロ)その外側に
透湿性導電薄膜層を形成すること、である。(Technical Means) Technical means for solving this technical problem are (a)
Forming a thin film layer of predelite-K 2 O ceramic on the surface of the conductive layer by a sputtering method, and (b) forming a moisture-permeable conductive thin film layer on the outer side thereof.
(技術的手段の作用) プリデライト−K2Oセラミックは吸湿性が高いため、湿
分の吸脱着を迅速に行うことができる。(Operation of Technical Means) Since Priderite-K 2 O ceramic has high hygroscopicity, it is possible to quickly adsorb and desorb moisture.
また、このセラミックの結晶構造はアモルファスであ
り、しかも他のアモルファスセラミックに比べて粗であ
るため、プロトンの伝導の自由度が高く、これを迅速に
移動させることができる。In addition, since the crystal structure of this ceramic is amorphous and is coarser than other amorphous ceramics, it has a high degree of freedom in the conduction of protons and can be rapidly moved.
スパッタリング法によって導電層の表面に製膜されたセ
ラミックの膜層は極めて薄肉であり、湿分の吸脱着が短
時間で行われて平衡状態が形成されると共に、プロトン
の移動距離を極めて小さくすることができる。The ceramic film layer formed on the surface of the conductive layer by the sputtering method is extremely thin, and adsorption and desorption of moisture are performed in a short time to form an equilibrium state, and the migration distance of protons is made extremely small. be able to.
従って、セラミック層両面の導電層に極性の異なる電圧
を印加してやると、プロトンは狭い範囲を迅速に移動す
ることができることになる。Therefore, when voltages having different polarities are applied to the conductive layers on both sides of the ceramic layer, the protons can move quickly in a narrow range.
(本発明の効果) セラミックの湿分の吸脱着の速度とプロトンの伝導度と
が高められる結果、センサの応答時間を飛躍的に短くで
きると共に、セラミックと大気との湿分がほぼリアルタ
イムで平衡を保てるため、急激な湿度変化にも対応させ
られる利点がある。(Effects of the Present Invention) As a result of increasing the rate of adsorption and desorption of moisture in ceramics and the conductivity of protons, the response time of the sensor can be dramatically shortened, and moisture between ceramics and the atmosphere is equilibrated in almost real time. Therefore, there is an advantage that it can cope with a sudden change in humidity.
また、センサ自体の形状や膜厚を自由に設計できるた
め、所望の抵抗値及び応答速度を選択できる利点もあ
る。Further, since the shape and thickness of the sensor itself can be freely designed, there is an advantage that a desired resistance value and response speed can be selected.
従来のセンサは、全体を露出させると共に交流電源を使
用しなければ湿度を測定できなかったが、本発明のセン
サでは、湿分の吸脱着が速いために、透湿性導電膜側だ
けを大気に露出させることによって湿度を測定できるこ
とになり、場所を選ばずに、例えば、密に集積化された
分析機器等の内側に設置して湿度補償を行う場合にも使
用することができる。In the conventional sensor, the humidity cannot be measured without exposing the whole and using an AC power supply, but in the sensor of the present invention, since moisture is absorbed and desorbed quickly, only the moisture-permeable conductive film side is exposed to the atmosphere. By exposing it, the humidity can be measured, and it can be used in any place, for example, when it is installed inside a densely integrated analytical instrument or the like to perform humidity compensation.
しかも、本発明のセンサは直流電源を使用できるため、
湿度測定器自体をコンパクトに構成できる利点もある。Moreover, since the sensor of the present invention can use a DC power source,
There is also an advantage that the humidity measuring device itself can be made compact.
(実施態様) セラミック膜層を設ける導電層は、良導金属材又は導電
樹脂成形体を用いると作業性が良いが、ガラス等の非導
電体からなる基材の表面に導電樹脂を塗布したり、金や
アルミニウム等の金属を真空蒸着法、スパッタリング
法、イオンプレーディング法等の方法によって膜状に形
成させたものであっても良い。(Embodiment) The conductive layer provided with the ceramic film layer has good workability when a good conductive metal material or a conductive resin molded body is used, but a conductive resin is applied to the surface of a base material made of a non-conductive material such as glass. Alternatively, a metal such as gold or aluminum may be formed into a film by a method such as a vacuum deposition method, a sputtering method, or an ion plating method.
セラミック層の外側に形成する透湿性導電薄膜層は、真
空蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーディング法
によって形成された金属膜が使用される。As the moisture-permeable conductive thin film layer formed on the outer side of the ceramic layer, a metal film formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, or an ion plating method is used.
特に、金やアルミニューム等の金属を真空蒸着法によっ
て膜状に形成したものは水分の透過率も良く好適である
が、従来のセンサのように、多孔質に形成した金属や導
電樹脂の膜層で電極を形成したものであっても良い。In particular, a film formed of a metal such as gold or aluminum by a vacuum vapor deposition method is preferable because it has a high moisture permeability, but like a conventional sensor, a film of a metal or a conductive resin formed in a porous form. The electrodes may be formed of layers.
(実施例) プリデライトは、一般式、 Ax(Bx/2 Ti8-x/2)O16、又はAx(Bx Ti8-x)O16 (Aはアルカリ金属又はアルカリ土類金属、Bは二価又
は三価の金属、であり、Xは1.5<X<2.0である。)で
示される人工鉱石である。(Example) Priderite is represented by the general formula: Ax (B x / 2 Ti 8-x / 2 ) O 16 or Ax (B x Ti 8-x ) O 16 (A is an alkali metal or alkaline earth metal, and B is It is a divalent or trivalent metal, and X is an artificial ore represented by 1.5 <X <2.0.
プリデライトとカリウム酸化物又はカリウム水酸化物と
を適宜の重量比で混合して800゜〜1400℃に加熱溶融し
てプリデライトと酸化カリウム(K2O)を反応させ、自
然冷却後純水に溶解させた沈澱物によってアモルファス
のプリデライト−K2Oセラミックが得られる。この場
合、余分なK、H2O、CO2等は純水に溶解するか又は空気
中へ逃げるため、プリデライトとカリウム酸化物又はカ
リウム水酸化物との混合比は厳密でなくても良い。Priderite and potassium oxide or potassium hydroxide are mixed at an appropriate weight ratio, and heated and melted at 800 ° to 1400 ° C to react prederite and potassium oxide (K 2 O), and naturally cooled and dissolved in pure water. The resulting precipitate gives an amorphous Priderite-K 2 O ceramic. In this case, since excess K, H 2 O, CO 2 and the like dissolve in pure water or escape into the air, the mixing ratio of predelite and potassium oxide or potassium hydroxide need not be strict.
次に、このセラミックを使用したセンサの具体例につい
て説明する。Next, a specific example of a sensor using this ceramic will be described.
i)ターゲットの作成 Kx(Mgx/2 Ti8-x/2)O16(X=1.6)で示されるK−Mgプ
リデライトを重量比4:3でK2CO3と混合し、900℃で溶
融させるとプリデライトの結晶構造が壊れ、アモルファ
ス化してダングリングボンドが増加する。これを自然冷
却させて純水に溶解させると白色の沈澱物が得られる。
この沈澱物は、マグネシウム1に対してカリウム14、チ
タン36、酸素84を含有するアモルファスセラミックとな
っていた。i) Preparation of target K-Mg predelite represented by Kx (Mg x / 2 Ti 8-x / 2 ) O 16 (X = 1.6) was mixed with K 2 CO 3 in a weight ratio of 4: 3, and then at 900 ° C. When melted, the crystal structure of predelite is broken, becoming amorphous, and dangling bonds increase. When this is naturally cooled and dissolved in pure water, a white precipitate is obtained.
This precipitate was an amorphous ceramic containing 14 potassium, 36 titanium, and 84 oxygen with respect to 1 magnesium.
カリウムの吸湿性によってセラミック自体も吸湿性を備
えているが、溶融時に含まれる余分なカリウムは純水に
溶解時に水分に溶け出しているので、セラミックが吸湿
した際にセラミック自体が潮解することがなく、アモル
ファス構造のセラミックは極めて安定した物質となって
いた。The ceramic itself has hygroscopicity due to the hygroscopicity of potassium, but the excess potassium contained during melting dissolves in water when dissolved in pure water, so the ceramic itself may deliquesce when it absorbs moisture. Nonetheless, the amorphous ceramic was an extremely stable substance.
上記沈澱物を加圧成形したものをスパッタリング用ター
ゲットとして使用する。A pressure-molded product of the precipitate is used as a sputtering target.
ii)センサの作成 予めガラス製基板(1)上にアルミウムの真空蒸着膜(2)を
形成しておき、この蒸着膜上に、放電電力100W、Ar流
量300〜400sccm、圧力2X10-3Torrで5時間スパッタリン
グして、膜厚600nmのアモルファスセラミック層(3)を製
膜し、更にその上に金を真空蒸着して電極(4)を形成し
た(第1図、第2図参照)。ii) Preparation of sensor A vacuum deposition film (2) of aluminum is formed on the glass substrate (1) in advance, and the discharge power is 100 W, Ar flow rate is 300 to 400 sccm, and pressure is 2X10 -3 Torr. Sputtering was performed for 5 hours to form an amorphous ceramic layer (3) having a film thickness of 600 nm, and gold was vacuum-deposited on the amorphous ceramic layer (3) to form an electrode (4) (see FIGS. 1 and 2).
iii)センサの特性 抵抗−湿度特性 第3図に示したように、抵抗−絶対湿度特性における対
数抵抗値は広範囲で直線的に変化し、しかも、抵抗値の
変化が1000倍にも及んでいることが明らかであり、この
ことは、センサの感度が良く実用上取り扱い易い範囲に
あることを示している。iii) Sensor characteristics Resistance-humidity characteristics As shown in Fig. 3, the logarithmic resistance value in resistance-absolute humidity characteristics changes linearly over a wide range, and the resistance value changes 1000 times. It is clear that the sensitivity of the sensor is good and it is in a range that is practically easy to handle.
応答特性 95%RH〜55%RH間の急激な湿度変化に対する直流動作時
の90%応答時間は、10秒以下であり、60%RH〜10%RH間
の応答時間は、20秒以下であった。Response characteristics 90% response time during direct current operation against sudden humidity changes between 95% RH and 55% RH is 10 seconds or less, and response time between 60% RH and 10% RH is 20 seconds or less. It was
iv)絶対湿度センサとしての利用 本発明のセンサの抵抗値は、水蒸気と温度との関数であ
るため、そのままでは絶対湿度を検出することはできな
いが、センサを二個用い、一個を温度補償用に使用すれ
ば絶対湿度を検出することが可能となる。iv) Use as absolute humidity sensor Since the resistance value of the sensor of the present invention is a function of water vapor and temperature, it is not possible to detect absolute humidity as it is, but two sensors are used, one for temperature compensation. When used for, it is possible to detect absolute humidity.
即ち、第4図に示したブリッジ回路によって、温度補償
素子Z1を密閉してやることによって、素子の抵抗値か
ら温度の情報だけが得られ、他方の密閉しない素子Z2
から温度と水蒸気の情報が得られる。That is, by sealing the temperature compensating element Z 1 by the bridge circuit shown in FIG. 4, only temperature information can be obtained from the resistance value of the element, and the other non-sealing element Z 2 can be obtained.
Provides temperature and water vapor information.
従って、ブリリッジの出力電圧Vにはこれらの差が現
れ、絶対温度での水蒸気量が測定できる訳である。Therefore, these differences appear in the bridging output voltage V, and the amount of water vapor at the absolute temperature can be measured.
各温度における電流−絶対湿度性において、測定値はど
の温度でも直線に乗っている(第3図参照)。In the current-absolute humidity property at each temperature, the measured value is linear at any temperature (see FIG. 3).
温度をパラメータとした実験式は、R=exp(C(T))・(AH)
B(T)で表される。The empirical formula with temperature as a parameter is R = exp (C (T)) ・ (AH)
It is represented by B (T) .
但し、AH:絶対湿度(mg/m3)、R:素子の抵抗値
(Ω)、 B(T):グラフの傾き、C(T):グラフの縦軸切片、であ
る。However, AH: absolute humidity (mg / m 3 ), R: resistance value (Ω) of element, B (T): inclination of graph, C (T): vertical axis intercept of graph.
また、B(T)=a1・T+b1、C(T)=a2・T+b2であり、 a1〜-0.03、b1〜−2、a2〜0.2、b2〜20、である。Further, B (T) = a 1 · T + b 1 and C (T) = a 2 · T + b 2 and a 1 to −0.03, b 1 to −2, a 2 to 0.2, b 2 to Twenty.
絶対湿度は、この式を用いて簡単に求めることができ
る。このことは、本発明のセンサが温度と絶対湿度の変
化に敏感であることを意味し、センサが絶対湿度センサ
にもなり得ることを示している。The absolute humidity can be easily calculated using this formula. This means that the sensor of the present invention is sensitive to changes in temperature and absolute humidity, indicating that the sensor can also be an absolute humidity sensor.
従って、センサを密閉型のものと併用することによって
絶対湿度の検出を容易に行うことができ、また、密閉型
だけを使用して温度センサとしても利用することができ
る。Therefore, the absolute humidity can be easily detected by using the sensor in combination with the closed type, and the closed type alone can be used as a temperature sensor.
図面は、本考案の実施例を説明するためのもので、第1
図はセンサの平面図、第2図は第1図II−II箇所の断面
図、第3図はセンサの抵抗−絶対湿度特性を示すグラ
フ、第4図は絶対湿度検出用のブリッジ回路図である。 (1)基材、(2)アルミニューム真空蒸着膜、(3)アモルフ
ァスセラミック層、(4)金蒸着膜The drawings are for explaining an embodiment of the present invention.
Fig. 2 is a plan view of the sensor, Fig. 2 is a sectional view of II-II in Fig. 1, Fig. 3 is a graph showing resistance-absolute humidity characteristics of the sensor, and Fig. 4 is a bridge circuit diagram for detecting absolute humidity. is there. (1) Substrate, (2) Aluminum vacuum deposition film, (3) Amorphous ceramic layer, (4) Gold deposition film
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山本 利重 大阪府枚方市茄子作北町6−17 (72)発明者 谷口 一郎 京都府京都市中京区黒門通四条上ル藤岡町 497 (56)参考文献 特開 昭61−292545(JP,A) 特開 昭60−141623(JP,A) ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Toshige Yamamoto 6-17, Eggashisaku Kitamachi, Hirakata-shi, Osaka (72) Inventor Ichiro Taniguchi, Kuromon-dori Shijo-Kami Fujioka-cho, Nakagyo-ku, Kyoto, Kyoto 497 (56) References JP-A 61-292545 (JP, A) JP-A 60-141623 (JP, A)
Claims (4)
プリデライト−K2Oセラミックの薄膜層を形成し、その
外側に透湿性導電薄膜層を形成したセラミック湿度セン
サ。1. A ceramic humidity sensor in which a thin film layer of predelite-K 2 O ceramic is formed on the surface of a conductive layer by a sputtering method, and a moisture-permeable conductive thin film layer is formed on the outside thereof.
る特許請求の範囲第1項に記載のセンサ。2. The sensor according to claim 1, wherein the conductive layer is made of metal or conductive resin.
グ法、イオンプレーティング法によって形成された金属
膜である特許請求の範囲第1又は第2項に記載のセン
サ。3. The sensor according to claim 1 or 2, wherein the moisture-permeable conductive layer is a metal film formed by a vacuum deposition method, a sputtering method, or an ion plating method.
求の範囲第1又は第2項に記載のセンサ。4. The sensor according to claim 1, wherein the moisture-permeable conductive layer is a porous conductive film.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62057268A JPH0656372B2 (en) | 1987-03-12 | 1987-03-12 | Ceramic humidity sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP62057268A JPH0656372B2 (en) | 1987-03-12 | 1987-03-12 | Ceramic humidity sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS63222250A JPS63222250A (en) | 1988-09-16 |
| JPH0656372B2 true JPH0656372B2 (en) | 1994-07-27 |
Family
ID=13050783
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP62057268A Expired - Lifetime JPH0656372B2 (en) | 1987-03-12 | 1987-03-12 | Ceramic humidity sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0656372B2 (en) |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60141623A (en) * | 1983-12-28 | 1985-07-26 | Res Dev Corp Of Japan | Amorphous moisture sensitive material |
| JPH0679000B2 (en) * | 1985-06-20 | 1994-10-05 | 株式会社村田製作所 | Humidity detection element |
-
1987
- 1987-03-12 JP JP62057268A patent/JPH0656372B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS63222250A (en) | 1988-09-16 |
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