(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に形成された電極と、前記電極上に形成されるとともに高分子電解質感湿剤が含浸された多孔質セラミック層と、前記多孔質セラミック層上に形成された導電性を有する多孔質層とを有する湿度センサであって、前記湿度センサの表面に撥水性膜が形成されたことを特徴とする湿度センサ。
【請求項２】
撥水性膜がシロキサン結合を介してフッ化アルキル基を含有する化学吸着膜であることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項３】
撥水性膜が酸化珪素を主成分とするガラス中にパーフルオロアルキル基を含む分子が含有され、さらに、前記分子が前記ガラスとＳｉ−Ｏ−Ｓｉ結合によって共有結合している撥水性ガラス膜であることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項４】
湿度センサの表面の一部およびエッジ部分に保護層を形成したことを特徴とする請求項１〜３何れかに記載の湿度センサ。
【請求項５】
基板上に形成された電極が、平行、櫛形、螺旋型または多角形の形状であることを特徴とする請求項１〜４何れかに記載の湿度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は高湿度用湿度センサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
湿度は温度と同様に日常生活において極めて身近な物理量であるにもかかわらず、実際に湿度センサが機器の制御に使用されている例としては、コピー機のトナー制御、冷暖房器具の湿度制御、またはオーブンや電子レンジなどの自動調理のためのものしか挙げることができない。これらに使用されている湿度センサの検知範囲は概ね相対湿度が３０％から９０％であり、湿度センサ上で結露しないことが湿度センサを使用するには必要である。従って、従来の湿度センサはセンサ上で結露しないことが必要不可欠な条件となり、機器への応用展開が非常に狭いものであった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
一方で、衣類乾燥機や、ユニットバスにおける換気扇や床下換気扇などの運転制御をするためにこの分野において湿度センサへのニーズがあるが、この環境下では湿度センサ上で結露が発生してしまうために、長時間使用していると高分子電解質感湿剤が溶け出して、湿度センサの特性が著しく低下するため、湿度センサを使用できないという課題があった。
【０００４】
そこで、本発明は、耐水性に優れた湿度センサを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため本発明は、基体上に対向する電極、高分子感湿剤を含浸した多孔質セラミック上に、導電性を有する多孔質膜および撥水性のある膜を形成することにより耐水性に優れた湿度センサを提供するものである。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態における湿度センサについて図面を参照しながら詳細に説明する。本発明の概要について説明すると、基板上に形成された電極と、電極上に形成されるとともに高分子電解質感湿剤が含浸された多孔質セラミック層と、多孔質セラミック層上に形成された導電性を有する多孔質層とを有し、湿度センサの表面に撥水性膜が形成されている構成となっている。なお、上記の撥水性膜としては、下記のように、化学吸着膜や撥水性ガラス膜等が挙げられる。
【０００７】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における湿度センサの製造工程断面図を示したものであり、図１において、１はアルミナ基板、２はアルミナ基板１上に形成された櫛形電極、３は櫛形電極を覆うように形成された多孔質セラミック層、４は多孔質セラミック層３上に形成された導電性多孔質層、５は湿度センサを覆うように含浸される高分子電解質感湿剤、６は化学吸着膜を示している。
【０００８】
まず図１（ａ）に示すように、基体として用いるアルミナ基板１上にＡｇＰｄからなる櫛形電極２を印刷法により形成する。次に櫛形電極２上に多孔質セラミックとしてたとえばマグネシウムスピネル（ＭｇＣｒＯ４）とルチル型（ＴｉＯ２）、またはＺｒＯ２とＭｇＯからなる多孔質セラミック層３およびＲｕＯ２からなる導電性多孔質層４を順次印刷法で形成する。この後、導電性多孔質層４上から、例えば、親水性樹脂４級アンモニウム塩からなる高分子電解質感湿剤５を含浸させて乾燥する。
【０００９】
この後、図１（ｂ）に示すように、導電性多孔質層４上に、フッ化アルキル基を有するクロロシラン系界面活性剤から構成される化学吸着膜６を形成する。上記のフッ化アルキル基を有するクロロシラン系界面活性剤としては、例えば、ＣＦ３（ＣＦ２）７（ＣＨ２）２ＳｉＣｌ３やＣＦ３ＣＨ２Ｏ（ＣＨ２）１５ＳｉＣｌ３等のようなトリクロロシラン系界面活性剤が挙げられる。なお、この時化学吸着膜６は導電性多孔質層４の表面だけでなく内部にまで入り込んで形成される。
【００１０】
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態における湿度センサの製造工程断面図を示したものであり、図２において、１はアルミナ基板、２はアルミナ基板１上に形成された櫛形電極、３は櫛形電極を覆うように形成された多孔質セラミック層、４は多孔質セラミック層３上に形成された導電性多孔質層、５は湿度センサを覆うように含浸される高分子電解質感湿剤、７は撥水性ガラスを示している。
【００１１】
まず図２（ａ）に示す工程は、上記した本発明実施の形態１における湿度センサの製造工程と同様であるため、その説明は省略する。
【００１２】
図２（ａ）に示すように、導電性多孔質４上から例えば親水性樹脂４級アンモニウム塩からなる高分子電解質５を含浸させて乾燥した後、図２（ｂ）に示すように、Ｆ（フッ素）を含む撥水膜７を形成する。湿度センサをＣＦ３（ＣＦ２）７Ｃ２Ｈ４（ＯＣＨ３）３、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）、エチルアルコール、水、塩酸からなる溶液に浸漬させて、直ちに取り出して、室内で乾燥した後、１７０℃で３０分さらに乾燥して撥水性ガラス膜８を形成する。この場合も上記と同様に、撥水性ガラス膜７は、導電性多孔質層４の表面だけでなく内部にまで形成されている。
【００１３】
（実施の形態３）
図３に示すように、基体として用いたアルミナ基板１上にＡｇＰｄからなる櫛形電極２を印刷法により形成する。櫛形電極２上に多孔質セラミックとしてたとえばマグネシウムスピネル（ＭｇＣｒＯ４）とルチル型（ＴｉＯ２）、またはＺｒＯ２とＭｇＯからなる多孔質セラミック層３およびＲｕＯ２からなる導電性多孔質層４を順次印刷法で形成する。この後、ＳｉＯ２を主成分とする低融点ガラスを湿度センサのエッジに近い表面およびエッジに塗布して（以下、シリカガード８と呼ぶ）、８５０℃の温度で乾燥した後、導電性多孔質層４上から、例えば、親水性樹脂４級アンモニウム塩からなる高分子電解質感湿剤５を含浸させて再び今度は１７０℃で乾燥する。すなわち、シリカガード８により湿度センサの表面の一部および側面を保護している。その後、上記の実施の形態１で示した化学吸着膜６あるいは実施の形態２で示した撥水性ガラス膜７を形成する。
【００１４】
次に、以下では上記した本発明の湿度センサの特性について図面を参照しながら説明する。
【００１５】
９０％ＲＨ以下の環境下で使用する場合には、上記の導電性多孔質層４や撥水性を示す化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７を形成する必要はない。これに対して、１００％ＲＨまで測定したり、センサ上で結露したりする場合には、多孔質セラッミク層３上に直接撥水性を有する化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７を形成するのではなく、導電性のある導電性多孔質層４を多孔質セラミック層３上に形成して、導電性多孔質層４上に撥水性を有する化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７を形成した方が耐水性が飛躍的に向上する。
【００１６】
そこで上記のように耐水性が飛躍的に向上する理由について、図４に示す等価回路を用いて説明する。図４（ａ）は、本発明のように導電性多孔質層４が形成されている場合の等価回路であり、図４（ｂ）は導電性多孔質層４が形成されていない場合の等価回路である。
【００１７】
櫛形電極２間に電圧を印加したときに流れる電流の向きは、図４（ａ）の場合、櫛形電極２から多孔質セラミック層３を介して導電性多孔質層４に向かって流れる電流（このときの抵抗ｒ１）と櫛形電極２間で流れる電流（このときの抵抗Ｒ１）の和となる。一方、図４（ｂ）の場合は導電性多孔質層４が存在しなため、櫛形電極２間で流れる電流（このときの抵抗Ｒ２）のみである。ここで、多孔質セラミック層３は図４（ａ）の場合も図４（ｂ）も同じであるため、Ｒ１＝Ｒ２である。例えば、多孔質セラミック層３の厚みを２０μｍ、櫛形電極２間距離を２００μｍとすると、最も単純化して抵抗の関係はＲ２＝１０ｒ１と考えられ、図４（ａ）の抵抗Ｒは
【００１８】
【数１】
0003596166.tif 000002
【００１９】
と表される。従って、Ｒ２／Ｒ＝１０／（５／３）＝６となる。ここで、多孔質セラミック層３が均一に劣化して抵抗が上昇した場合を想定すると、図４（ｂ）に示す導電性多孔質層４がない場合には、図４（ａ）に示す導電性多孔質層４がある場合に比べて、６倍の速度で抵抗が上昇し急激な劣化を示すことになる。従って、導電性多孔質層４を形成することで、劣化速度を著しく抑えることができる。
【００２０】
さらに図５を用いて、本発明のように導電性多孔質層４上に撥水性を示す化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７を形成する場合（図５（ａ））と多孔質セラミック３上に直接撥水性を示す化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７を形成する場合（図５（ｂ））の違いについて更に説明する。
【００２１】
湿度センサが１００％ＲＨ雰囲気で蒸発源から離れていて壁等に接していない場合には、ほとんどセンサ上で結露することがないため、図５（ａ）のような湿度センサを用いた場合も図５（ｂ）のような湿度センサを用いた場合もほとんど違いがないが、蒸発源がきわめて近くに存在したり、水中に浸漬したりまた壁に接して結露したりする場合には、大きな違いが生じる。
【００２２】
そこで例えば、水中に浸漬した場合ついて述べる。化学吸着膜６の厚さは高々２ｎｍ程度であり、また、撥水性ガラス膜７も化学吸着膜６よりもかなり厚いとはいえ剥がれることなく形成するには、多孔質セラミック層３あるいは導電性多孔質層４との膨張係数の違いから厚さに制限が生じ、数１００ｎｍが限界でありそれ以上形成すると剥がれてしまう。
【００２３】
多孔質セラミック層３上に導電性多孔質層４を形成する場合には、かなり厚くできるが厚くすると感度が悪くなるので、例えば５０μｍ程度形成される。従って、図５（ａ）の場合には表面から５０μｍ入った位置に高分子電解質感湿剤５を含む多孔質セラミック層３が存在するが、図５（ｂ）の場合、表面からわずか数ｎｍ（化学吸着膜の場合）あるいは数１００ｎｍ（撥水性ガラス膜の場合）の位置に多孔質セラミック層３が形成されている。感度や応答速度について考えてみると図５（ｂ）の場合のほうが優れているが、高湿度雰囲気では図５（ａ）の方が優れている。
【００２４】
図６に水中に浸漬した場合のそれぞれの特性を示す。図６には比較のために導電性多孔質層４上に撥水性を示す化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７を形成していない湿度センサの特性も示してある。
【００２５】
導電性多孔質層４を形成しないで多孔質セラミック層３上に直接撥水性を示す化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７を形成した場合の特性は、撥水性を示す化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７を形成しない場合とほとんど変わらないほど急速に出力電圧が低下して劣化する。この理由は、多孔質セラミック層３上に直接撥水性を示す化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７を形成した場合にも、センサ中に空気があるためには水はセンサ中には進入しないものの、水蒸気が通過し、センサの内部は飽和蒸気圧に達し、表面に近い位置で一部の水蒸気が結露するといった現象が生じていることに基づくものと考えられる。つまり、図５（ｂ）の場合には、多孔質セラミック層３内で結露して感湿剤が溶出しやすく、結局、撥水性を示す化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７が形成されていない場合と同じような特性を示し急激に劣化するが、図５（ａ）の場合には、多孔質セラミック層３が表面からかなり深い位置に存在するために、たとえ導電性多孔質層４の表面近傍で結露しても多孔質セラミック３に達するまでに時間がかかり劣化しない。
【００２６】
従って、多孔質セラミック３上に形成された導電性多孔質層４および撥水性を示す化学吸着膜６や撥水性ガラス膜７によって、耐水性が飛躍的に向上すると言えるわけである。
【００２７】
図７に水に浸漬した場合の出力電圧の変化を示す。温度４０℃で１０時間連続浸漬した場合（ａ）、４０℃で浸漬１時間・乾燥２０分を１０回繰り返した場合（ｂ）および４０℃、１００％ＲＨの雰囲気で２５０時間放置した場合（ｃ）を示す。図７から明かなように、本発明の湿度センサは耐水試験後でも初期値とほとんど変化がなかった。
【００２８】
以上、シリカガード８のない場合について述べたが、シリカガード８のある場合との違いは、高分子電解質感湿剤５を含浸させた時、センサ内部に残る高分子電解質感湿剤５の量にある。シリカガード８がない場合は、高分子電解質感湿剤を含浸させたとき、一部が外に出てしまうが、シリカガード８がある場合には、含浸させた高分子電解質感湿剤がそのままセンサ内部に残る。従って、シリカガード８がある場合には、かなり低い抵抗を示す。センサ内部には高分子電解質感湿剤の量が多いために劣化は遅くなるが、浸漬したり、多湿雰囲気に長時間放置したりすると、シリカガード８近傍に水滴が溜まり、応答性が悪くなる。従って、あまり応答性を気にしない機器には十分使用できる。
【００２９】
なお、これまでの実施の形態で示したセンサの電極の構造は、櫛形であったが、平行あるいは螺旋あるいは多角形をしていても同様な結果が得られることはいうまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上のように本発明の湿度センサは、高分子電解質感湿剤を含む多孔質セラミック上に導電性多孔質層を形成し、さらに導電性多孔質層上に撥水性を示す化学吸着膜や撥水性ガラス膜を形成しているため、従来の湿度センサに比べて、耐水性が飛躍的に向上した。その結果、結露や水に濡れる環境下で連続使用しても湿度センサとしての機能は失われない。このように本発明は工業的価値は非常に大なるものがある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における湿度センサの製造工程断面図
【図２】本発明の実施の形態２における湿度センサの製造工程断面図
【図３】本発明の実施の形態３における湿度センサの製造工程断面図
【図４】本発明の実施の形態における湿度センサの等価回路を示す図
【図５】本発明の実施の形態における湿度センサの構造断面図
【図６】本発明の実施の形態における湿度センサの耐水性特性を示す図
【図７】本発明の実施の形態における湿度センサの耐水性特性を示す図
【符号の説明】
１  アルミナ基板
２  櫛形電極
３  多孔質セラミック層
４  導電性多孔質層
５  高分子電解質
６  化学吸着膜
７  撥水性ガラス
８  シリカガード
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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