JPH0656372B2

JPH0656372B2 - セラミツク湿度センサ

Info

Publication number: JPH0656372B2
Application number: JP62057268A
Authority: JP
Inventors: 進三吉門; 利重山本; 一郎谷口
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-03-12
Filing date: 1987-03-12
Publication date: 1994-07-27
Anticipated expiration: 2009-07-27
Also published as: JPS63222250A

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

（実施例）プリデライトは、一般式、 Ax(B_x/2 Ti_8-x/2)O₁₆、又はAx(Bx Ti_8-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。

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。

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。

ｉ）ターゲットの作成 Kx(Mg_x/2 Ti_8-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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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Ｚ_１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Ｚ_２
から温度と水蒸気の情報が得られる。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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

───────────────────────────────────────────────────── 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)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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、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。
【請求項２】導電層が金属又は導電樹脂で形成されてい
る特許請求の範囲第１項に記載のセンサ。
【請求項３】透湿性導電層が真空蒸着法、スパッタリン
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。
【請求項４】透湿性導電層が多孔性導電膜である特許請
求の範囲第１又は第２項に記載のセンサ。