JPH04235338A - 湿度センサ - Google Patents

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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、構成が容易でかつ測定
精度の高い小型の湿度センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】湿度は空気の乾湿を表す尺度であり、温
度と並び日常生活になじみの深い物理量である。従来か
ら湿度は乾湿球湿度計や毛髪湿度計などによって測定さ
れていたが、近年では、エレクトロニクス技術の進歩に
ともない、各種の製造業では、湿度管理の重要性が認識
されるようになり、湿度計測の高度化や湿度制御への要
望が高まってきた。このために湿度を電気信号に変換で
きる湿度センサが数多く開発されてきた。このように湿
度センサは化学センサの中で、湿度という身近な科学量
の検出を行うセンサとしてニーズが高く、多くの方式の
ものが実用化されている。また、検出原理・材料・構造
などの点において新しい試みが継続的に行われており、
湿度は研究開発が活発なセンシング対象の一つであると
いえる。しかし、現在までのところ、すべての点で満足
できるセンサは市販されていないといって良く、今後の
成果が期待されている。

【０００３】一つの例として以下に湿度センサとして実
用化されているサーミスタ湿度センサの特徴を説明する
。水を含んだ空気の熱伝導率は、絶対温度で表わした湿
度範囲０　〜１５０ｇ／立方ｍでは、水蒸気量の増加に
従って単純に増加する。このことを利用して熱伝導率の
変化から空気中の水分量を決めることができる。なお、
熱伝導率の変化は温度によらず、ほぼ一定の挙動を示す
ため、熱伝導率から求められる湿度は絶対温度になる。

【０００４】サーミスタ温度センサは、サーミスタを自
己加熱させ、雰囲気中の熱伝導率の変化を検出するもの
である。二本の特性のよくそろった計測用ビード形サー
ミスタの一本を湿った空気にさらして、他方を乾燥した
空気中において温度補償用として使用する。自己加熱し
たサーミスタは湿った空気によって冷却されて抵抗が変
化するが、この抵抗変化をブリッジ回路で測定する。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、サーミ
スタ温度センサでは、以下のような問題がある。まず、
雰囲気中の熱伝導率の変化を測定するので、空気以外の
熱伝導率の異なったガスが共存することにより、出力が
シフトしてしまうことがある。次に、センサ部に異物が
付着し、センサからの熱伝達係数が変化すると、特性が
シフトする。また、サーミスタ湿度センサは圧力の影響
を受けるので、常圧以外では使用できない。そして、サ
ーマルクリーニングを定期的に行うことが必要なため、
ヒータを別個に必要としていた。さらにまた、半導体薄
膜技術を用いることができないので、形状が必然的に大
きくなるという問題もあった。このように、サーミスタ
湿度センサは湿度センサの使用環境が厳しい今日におい
ては、その使用できる環境が非常に制約されている。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、幅広い環境に
おいても使用でき、なおかつ測定精度を十分に維持した
小型の湿度センサに関するものである。すなわち、本発
明の湿度センサは、ヒートシンクに熱的に接続されてい
る熱不良導体の特性を有する基板と、その基板上のある
部分に設けられた感湿膜とを有している。加熱または冷
却手段によりその基板の所定の位置を加熱または冷却し
、検出手段によりその加熱または冷却された基板のある
位置の温度を検出する。そして、基板上の感湿膜に含ま
れる水分量に応じて変化する熱抵抗の変化によりもたら
される温度を検出することによって大気中の湿度を測定
する。

【０００７】

【作用】本発明は感湿膜の持つ熱伝導（熱抵抗）特性と
熱電対のメカニズムとを利用して大気中の湿度を測定す
るものである。感湿膜は周囲の温度が高くなると、水分
を吸着もしくは吸収して、熱伝導率を高める（熱抵抗を
下げる）。これによって加熱（または冷却）手段が発生
（または吸収）させる熱はヒートシンクへ（またはヒー
トシンクから）伝導され易くなり、その結果、熱電対で
検出される電圧に変化が観測できるようになる。熱電対
のメカニズムを以下簡単に説明する。２種類の導体の一
端を電気的に接続し、この接続点と他端との間に温度差
を与えた場合、ゼーベック効果によってこの両接点間に
は温度差に対応する熱起電圧が発生する。熱電対はこの
原理を応用して熱起電圧の値を測定することにより温度
差を求める検出要素であり、基準接点を０℃に保つこと
により熱起電圧の値から温接点の温度を直接読み取るこ
とができる。

【０００８】この方法を本発明に当てはめる。雰囲気中
の水分が感湿膜２に付着すると、熱不良導体の基板の抵
抗値が変化する。そして、一定温度で発熱しているヒー
タ部の近傍と熱電対の端との電圧差が少なくなる。その
結果、抵抗がなくなり熱電対を流れる電流の電圧に変化
が生じる。この現象を利用して電圧の変化から温度差を
割り出し、湿度の割合を検出する。

【０００９】

【実施例】本発明に係る湿度センサは、ヒートシンク５
（図示しない）に熱的に接続されている熱不良導体の基
板１と、その基板上の少なくとも一部に設けられた感湿
膜２と、その基板１の所定の位置を加熱または冷却する
手段３と、その加熱または冷却する手段３により加熱ま
たは冷却された基板上の所望の位置の温度を検出する手
段４とにより構成される。図１は本発明に係る湿度セン
サの一実施例を示す図で、ヒートシンク５に熱的に接続
されている熱不良導体の基板１上に、加熱用の薄膜ヒー
タ３１と温度検出用の薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　と
が構成されている。図１（Ａ）は基板１を下方から見た
図、図１（Ｂ）は矢視イ−ロの断面図である。

【００１０】熱不良導体の基板１の材料としては、感湿
膜２に含まれる僅かな水分量の変化により、熱抵抗が大
きく変化することが好ましいので、付着した水分量の熱
伝導率に対して小さいものが適当である。そのため、熱
不良導体の基板１の材料としては、ガラス、セラミック
、水晶、石英、アクリル、またはエポキシ、ポリミイド
などの有機膜等を用いることが考えられる。

【００１１】感湿膜２としては、吸収性を備えた材料で
あればよく、ＰＩＱ（商品名ポリミイドフィルム）、多
孔質シリコン、多孔質アルミナ等を用いることができる
。

【００１２】基板１の所定の位置を加熱または冷却する
手段３としては、電気による抵抗加熱、あるいは光によ
る光吸収膜への吸収加熱等がある。図１は薄膜ヒータ３
１を用いて加熱した一実施例である。一方、基板１の所
定の位置を冷却する手段３としては、ビスマス、テルル
の化合物などを用いたペルチェ効果等による冷却がある
。 要するに、本発明に係る湿度センサにおいては、基板１
のある任意の位置を加熱または冷却できればよい。

【００１３】基板１上の所望の位置の温度検出する手段
４としては、熱電対、放射温度計等がある。図１では、
薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　とその電位差を検出する
オーミック電極８（以下、単に電極８ともいう）とを用
いて温度を検出している。

【００１４】図１に示される実施例の場合、熱不良導体
の基板１の一部分がヒートシンク５に熱的に接続されて
いる。ヒートシンク５は熱容量の大きなブロック状の物
体でも、熱を外部へよく導くための細い導線を接続させ
ているものでもよい。ヒートシンク５に接続することに
より、熱不良導体の基板１に一部分が一定の温度に保た
れるようになる（以下、この部分を恒温部６ともいう）
。この恒温部６は、薄膜ヒータ３１を中心として両端、
つまり図１の中で薄膜ヒータ３１の両側に位置する。 この場合、この恒温部６は銅ブロック等に設置されてい
るために、薄膜ヒータ３１のオン・オフに関係なく常に
一定の温度が保たれる。この恒温部６は、薄膜熱電対４
１ａ　、　４１ｂの冷接点のためにのみ必要なのではな
く、基板１上の所定位置に加熱または冷却する手段３を
講じた際に、基板１内に温度勾配をつくるために必要不
可欠なものである。なお、図１では薄膜ヒータ３１から
ヒータの電極を通る熱の逃げを少なくするため、つまり
加熱効率を良くするため、薄膜ヒータ３１用電極は細い
パターンの配線としている。

【００１５】ここで、本発明による湿度センサの、図１
に示される実施例の作製法の一つの例について、簡単に
説明する。

【００１６】熱不良導体の基板１としては、前述の通り
ガラス、セラミック、水晶、石英、アクリル、またはエ
ポキシ、ポリミイド等の有機膜等が用いられる。この基
板１を有機溶剤等で十分に洗浄した後、清浄な環境で乾
燥させる。

【００１７】次に、温度を検出する手段４として薄膜熱
電対４１ａ　、４１ｂ　を形成する。薄膜熱電対４１ａ
　、４１ｂ　は、ゼーベックが大きいものが望ましく、
アモルファスシリコンあるいはアモルファスゲルマニウ
ムといった非晶質半導体薄膜等が用いられる。これらの
非晶質半導体は、シラン、ゲルマン、水素等のガスを用
い、プラズマＣＶＤ法により堆積する。この時、ｎ型半
導体にはフォスフィン、アルシン、また、ｐ型半導体に
はジボラン等のドーピングガスの供給量を変化させたり
する。

【００１８】この堆積された非晶質半導体を、フォトエ
ッチング技術を用いて不要部を除去し、所定の薄膜熱電
対４１ａ　、４１ｂ　を形成する。なお薄膜熱電対４１
ａ　、４１ｂ　は、ゼーベック係数の大きな非晶質薄膜
等と小さな金属薄膜等とで構成されても、差し支えない
。

【００１９】続いて、薄膜ヒータ３１を形成する。この
薄膜抵抗体としては、ニクロム、タンタル等の金属薄膜
等を用いる。これらの薄膜は、スパッタ法あるいは真空
蒸着法により堆積する。この薄膜も同様に不要部を除去
し、望ましい形の薄膜ヒータ３１を形成する。

【００２０】さらに、金等の電極用金属薄膜を堆積し、
同様に不要部を除去し、薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　
および薄膜ヒータ３１用の電極８を形成する。

【００２１】次に、ポリミイドフィルム、ＰＩＱ、多孔
質シリコン、多孔質アルミナ等の感湿膜２を接着剤や半
導体プロセス技術を用いて装着する。多孔質シリコン膜
や多孔質アルミナの作製にはスパッタや真空蒸着法によ
り堆積した薄膜を腐食法や陽性酸化法を用いることによ
り容易に作製できる。なお、表面保護膜として、二酸化
ケイ素薄膜、チッ化ケイ素薄膜等を設ける場合もある。

【００２２】本発明の測定原理及び恒温部６の役割につ
いて、図２を用いて説明する。図２は、図１で説明した
実施例の、基板１の所定位置を加熱（本実施例では薄膜
ヒータなので加熱のみ）した段階での温度勾配の図であ
る。（ａ）は感湿膜２に水分が含まれていない場合、（
ｂ）は感湿膜２に水分が含まれている場合である。図中
、恒温部６（図２中の両側に斜線で示す）は、銅ブロッ
ク等に直接設置されているために、薄膜ヒータ３１のオ
ン・オフに関係なく常に一定の温度を保っている。　　

【００２３】これに対し、加熱部７の所望の位置（図２
中の中央部に網線で示す）は、薄膜ヒータ３１がオフの
時、恒温部６に等しい温度であるが、薄膜ヒータ３１が
オンの時は恒温部６よりも温度が上昇する。従って薄膜
ヒータ３１がオンの時、加熱部７と恒温部６との間には
温度差△Ｔ１が発生する。

【００２４】この温度差△Ｔ１は、薄膜ヒータ３１の発
熱量Ｑと熱抵抗Ｒｓの積で求められ、以下の数１で表さ
れる。

【００２５】

【数１】

【００２６】この場合、熱抵抗Ｒｓは主として基板１の
熱抵抗のみにほぼ依存する。従って、基板１の熱伝導率
をλｓ、長さをＬｓ、幅をＷｓ、厚さをｔｓとすると、
熱抵抗Ｒｓは、以下の数２で表される。

【００２７】

【数２】

【００２８】このように、感湿膜２に水分が含まれてい
ない場合、つまり基板１の所定の位置を加熱した段階で
は、温度差△Ｔ１は一定となる。

【００２９】続いて、基板１の所望の位置を加熱した後
の第一の温度を検出する段階に入る。図２では、この温
度差△Ｔ１の検出方法に薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　
を用いている。この時、薄膜熱電対４１の熱起電圧Ｖ１
は、薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　のゼーベック係数Ｓ
と、温度差△Ｔ１の積で求められる（数３）。

【００３０】

【数３】

【００３１】この時点においても、感湿膜２に水分が含
まれていないので、発生する熱起電圧Ｖ１は一定である
。この段階から、基板１の少なくとも一部分の表面に設
けられた感湿膜２に水分が含まれる段階に入る。図１に
示される実施例においては、薄膜ヒータ３１及び薄膜熱
電対４１ａ　、４１ｂ　が形成されている面に対向する
面にある感湿膜２に水分が含まれる。感湿膜２に水分が
含まれる以前では、熱は基板１内のみを流れて加熱部７
から恒温部６へ伝わっている。これに対し、感湿膜２に
水分が含まれると、基板１内のみを流れていた熱の一部
が、感湿膜２に含まれた水分により感湿膜２を流れて加
熱部７から恒温部６へ伝わる。このため、加熱部７と恒
温部６との間の熱抵抗は減少する。感湿膜２の熱伝導率
をλｆ、長さをＬｆ、幅をＷｆ、感湿膜２に含まれる水
分量をｔｆとすると、感湿膜２のみの熱抵抗をＲｆは以
下の数４で表される。

【００３２】

【数４】

【００３３】また、基板１の熱抵抗ＲｓとＲｆとの合成
熱抵抗Ｒは、以下の数５であらわされる。

【００３４】

【数５】

【００３５】数１と同様にして、感湿膜２に水分が含ま
れる状態になって以降の加熱部７と恒温部６の温度差△
Ｔ２は、以下の数６で表される。

【００３６】

【数６】

【００３７】数６からわかるように、温度差△Ｔ２は、
感湿膜２に水分が含まれるようになる前の温度差△Ｔ１
よりも、減少している。

【００３８】続いて、感湿膜２に水分が含まれるように
なった以降、所定位置の第２の温度を検出する段階に入
る。つまり、この実施例の場合は、温度差△Ｔ２を測定
する。第２の温度の検出方法は、第１の温度の検出方法
と同じで、図１に示される実施例の場合、薄膜熱電対４
１ａ　、４１ｂ　による熱起電圧で検出する。この時、
熱起電圧Ｖ２は、前述の数３と同様にして求められ、以
下の数７で求められる。

【００３９】

【数７】

【００４０】このように、第１の温度の検出信号である
熱起電圧Ｖ１と第２の温度の検出信号である熱起電圧Ｖ
２が求められる。

【００４１】続いて、第１の温度と第２の温度の差によ
って感湿膜２に含まれる水分量を求める段階に入る。数
３、数７から△Ｔ１と△Ｔ２の差は、以下の数８で表さ
れる。

【００４２】

【数８】

【００４３】また、数１、数６から△Ｔ１と△Ｔ２の差
は、以下の数９で表される。

【００４４】

【数９】

【００４５】数８、数９から以下の数１０が得られる。

【００４６】

【数１０】

【００４７】数１０に、数２、数３、数４、数５を代入
し、整理すると、感湿膜２に含まれる量ｔｆを表す数１
１が得られる。

【００４８】

【数１１】

【００４９】数１１において、λｓ、Ｌｓ、Ｗｓ、ｔｓ
、及びλｆ、Ｌｆ、Ｗｆは既知である。従って、感湿膜
２に含まれる水分量ｔｆは温度の検出信号である熱起電
圧Ｖ１、Ｖ２を検出することにより求められる。

【００５０】図３は、図１に示される実施例において熱
不良導体の基板１にＬｓ＝　１０（ｍｍ）、Ｗｓ＝２（
ｍｍ）、ｔｓ＝１５０（μｍ）のセラミック基板を用い
、薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　のゼーベック係数が０
．２５（ｍＶ／Ｋ）で、薄膜ヒータ３１の発熱量が　４
００（ｍＷ）の場合の感湿膜２に含まれている水分量ｔ
ｆと検出熱起電圧Ｖｏの関係を示した図である。図は寸
法を度外視し、誇張して作図してある。縦軸には温度差
△Ｔ１から温度差△Ｔ２までの電圧の変化を絶対値であ
らわし、横軸には、水分量ｔｆをとっている。この場合
Ａｕ付着層は、薄膜ヒータ３１及び薄膜熱電対４１ａ　
、４１ｂ　が形成されている面の、対向する面全体に付
着する。含まれている水分量ｔｆに対し、直線性のよい
検出熱起電圧Ｖｏが得られている。

【００５１】図４は、本発明における他の実施例を示し
た図である。図４に示される実施例においては、恒温部
６には、周辺に円形に広がる電極８を、加熱手段には、
図中の中央部の薄膜ヒータ３１を、温度検出手段には、
扇形に広がる２対の薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　をそ
れぞれ用いている。この実施例では感湿膜２は基板１の
裏側に設けられている。この場合の熱抵抗は、中央部の
薄膜ヒータ３１から周辺に円形に広がる電極８までであ
る。また、薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　による熱起電
圧は、２対が直列に配線されており、温度を検出する熱
起電圧は２倍である。

【００５２】図５は、図４に示した実施例を組み合わせ
たもので、薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　の熱起電圧の
出力の向きが、お互いに逆特性になっている。それぞれ
の中央部の薄膜ヒータ３１に等しい発熱量Ｑがあり、感
湿膜２に水分が含まれる前は、お互いの薄膜熱電対４１
ａ　、４１ｂ　からの熱起電圧はバランスしあい、湿度
センサ全体としての熱起電圧は出力されない。これに対
し、どちらか一方の円形の熱抵抗部（例えば向って左側
のＩ部、向かって右側をＩＩ部とする）の感湿膜２（図
示しない）にのみ水分が含まれるようになると、向かっ
て左側の円形部分の熱抵抗のみが減少する。したがって
、Ｉ部のみの熱起電圧が減少し、両者の熱起電圧のバラ
ンスは崩れ、湿度センサ全体として感湿膜２の水分量に
応じた熱起電圧が出力される。

【００５３】図６は、温度検出にサーミスタの薄膜抵抗
体４２を用いて、湿度センサ上にブリッジ回路を集積化
したものである。なお加熱には、薄膜ヒータ３１を用い
、恒温部６は薄膜ヒータ３１の対極辺に位置する。図６
中、薄膜ヒータ３１に最も近接している薄膜抵抗体４２
がサーミスタであるとすると、このブリッジ回路にバイ
アス電圧がかかっている場合、ブリッジ回路からは温度
に応じた電圧が出力される。

【００５４】図７は、加熱に光を用いたものである。光
は湿度センサ外部から導入され、中央部の光吸収膜９に
より吸収され熱に変換される。そして、温度の検出には
複数対の薄膜熱電対４１ａ　、４１ｂ　を用い、恒温部
６は円形周辺部の電極８である。図７に示される実施例
では、加熱に外部から導入する光を用いているため、真
空装置内等での湿度の測定の際、配線数を減少させるこ
とができるという長所がある。

【００５５】図８は、中央部に円形に形成された黒体等
の輻射膜４３を用い、輻射膜４３からの輻射熱を温度検
出に利用したものである。加熱には薄膜ヒータ３１を用
い、恒温部６は円形周辺部の電極８である。図８に示さ
れる実施例においても、温度検出のための配線は不用な
ので、真空装置内等での感湿膜２に含まれる水分量の測
定の際、配線数を減少させることができるという長所が
ある。

【００５６】図９は、図８に示される実施例同様、温度
検出に輻射熱を利用したものである。また、恒温部６の
位置も同様に、円形周辺部の電極８である。しかし、図
８に示される実施例では、薄膜ヒータ３１が中央部にあ
る輻射膜４３の周辺を囲むように形成されているため、
図８に示される実施例よりも、輻射膜４３の温度が均一
になり、より正確な温度測定が可能であるという長所が
ある。

【００５７】これまで挙げた図１から図９までの実施例
では、いずれも基板の所定の位置を加熱する例を述べた
が、加熱ではなく、冷却した場合でも実施することがで
きる。この冷却した場合の実施例では、ヒータに代わっ
て、Ｎ型半導体と金属とＰ型半導体とで構成されたペル
チエ素子により、Ｎ型半導体からＰ型半導体へ向って電
流を流す。その際、Ｎ型半導体と金属、金属とＰ型半導
体の接合面でペルチェ効果により冷却（電流が逆向きの
場合は加熱）が起こる。この他、ペルチェ効果以外の方
法、例えば真空度に影響のない範囲で冷却されたガス等
を吹き付けることにより、所定位置を冷却しても全く差
し支えない。冷却を用いる湿度の測定方法では、冷却雰
囲気等における発熱を伴う測定が好ましくない場合や、
高温限界温度付近等で測定する場合などにおいて、その
長所が発揮される。

【００５８】

【発明の効果】まず、本発明の湿度センサは、基板を加
熱または冷却し、その基板に設けられた感湿膜２に含ま
れる水分量に応じて変化する温度を検出することにより
大気中の湿度を検出している。

【００５９】この結果、サーミスタ湿度センサのように
、空気中に含まれるガス等の影響を受け、出力がシフト
するようなことはなく、またセンサ部に異物が付着して
特性がシフトすることもなく正確な測定を行うことがで
きる。また、サーミスタ湿度センサは圧力の影響を受け
るので、常圧以外では使用できないが、本発明のセンサ
では、そのような制限はない。次に、本発明は加熱また
は冷却手段と温度検出手段とからなるので、半導体薄膜
技術等を用いることにより容易に小型化が達成でき、セ
ンサの設定場所の選択が広く、どのような環境において
も湿度の測定が可能である。また、半導体薄膜技術等を
用いることにより、その性能に比して非常に安価で作製
できる。そして、サーマルクリーニングを行うためにヒ
ータはその固有のヒータを使用すればよい。さらにまた
、簡明な測定原理を用いたので、機器構成が簡単となり
、従って、諸々のトラブルが生じにくく、安価に構成で
きる。

【００６０】

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明による湿度センサの一実施例を示
した図。

【図２】図２は図１に示した湿度センサの基板内の温度
勾配を示した図。

【図３】図３は図１に示した湿度センサの感湿膜２に含
まれる水分量と検出熱起電圧の関係を示した図。

【図４】図４は本発明による湿度センサの他の実施例を
示した図。

【図５】図５は本発明による湿度センサの他の実施例を
示した図。

【図６】図６は本発明による湿度センサの他の実施例を
示した図。

【図７】図７は本発明による湿度センサの他の実施例を
示した図。

【図８】図８は本発明による湿度センサの他の実施例を
示した図。

【図９】図９は本発明による湿度センサの他の実施例を
示した図である。

【符号の説明】

１　　　　　　基板。 ２　　　　　　感湿膜。 ３　　　　　　加熱または冷却する手段。 ４　　　　　　温度を検出する手段。 ５　　　　　　ヒートシンク。 ６　　　　　　恒温部。 ７　　　　　　加熱部。 ８　　　　　　電極。 ９　　　　　　光吸収膜。 ３１　　　　　　薄膜ヒータ。 ４１ａ　、４１ｂ　　　　　　　薄膜熱電対。 ４２　　　　　　薄膜抵抗体。 ４３　　　　　　輻射膜。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】ヒートシンクに熱的に接続されている熱不
   良導体の基板（１）と、該基板上の少なくとも一部に設
   けられた感湿膜（２）と、前記基板の所定の位置を加熱
   または冷却する手段（３）と、前記加熱または冷却する
   手段により加熱または冷却された前記基板の所望の温度
   を検出する手段（４）とを備え、前記感湿膜に含まれる
   吸着水分量に応じて変化する熱抵抗の変化によりもたら
   される温度を検出することにより大気中の湿度を測定す
   るセンサ。