(57)【要約】      （修正有）【課題】  温度及び湿度の測定を行うための環境センサーにおいて、その小型化を図るとともに、高速応答を実現できるようにする。【解決手段】  感温材料１が金属酸化物からなる温度検出部１１１と、温度検出部１１１と同一の基板に形成され、電気特性の変化を利用して周囲の湿度を測定する湿度検出部１１２とを含み、温度検出部１１１における一対の電極２，３のうち、少なくとも一方を湿度検出部１１２における電極と一体とする。【選択図】図１Ａ
2005106802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
感温材料が金属酸化物からなる温度検出部と、
電気特性の変化を利用して周囲の湿度を測定する湿度検出部と
を含み、
前記温度検出部における一対の電極のうち、少なくとも一方が前記湿度検出部における電極と一体に構成されていることを特徴とする環境センサー。
【請求項２】
前記金属酸化物が強誘電体であることを特徴とする請求項１に記載の環境センサー。
【請求項３】
前記金属酸化物が焦電体であることを特徴とする請求項１に記載の環境センサー。
【請求項４】
前記金属酸化物がペロブスカイト型構造を有するものであることを特徴とする請求項１〜３に記載の環境センサー。
【請求項５】
前記温度検出部と前記湿度検出部とが同一基板上に形成され、前記温度検出部の形成領域及び前記湿度検出部の形成領域のうち、少なくともどちらか一方の前記基板が除去されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の環境センサー。
【請求項６】
温度を測定する温度検出部と、
湿度を測定する湿度検出部と
を含み、
前記温度検出部及び前記湿度検出部は、下部電極と、前記下部電極上に形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された上部電極との３層構造からなる１対の積層体として同一基板上に形成され、
前記各下部電極同士及び前記各上部電極同士が互いに共通であることを特徴とする環境センサー。
【請求項７】
前記積層体の少なくとも測定雰囲気に面する前記上部電極において、前記温度検出部における前記上部電極は前記金属酸化物層の上面全体を覆い、前記湿度検出部における前記上部電極は前記金属酸化物層を部分的に覆っていることを特徴とする請求項６に記載の環境センサー。
【請求項８】
少なくとも前記温度検出部における前記金属酸化物層が強誘電体又は焦電体を含むことを特徴とする請求項６又は７に記載の環境センサー。
【請求項９】
前記温度検出部の形成領域及び前記湿度検出部の形成領域のうち、少なくともどちらか一方の前記基板が除去されていることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の環境センサー。
【請求項１０】
温度を検出する感温材料が金属酸化物からなる温度検出部と、湿度を測定する乾湿材料が導電体からなる湿度検出部とを有し、前記導電体が前記温度検出部における電極及び信号配線のうち、どちらか一方又は両方の機能を有している環境センサーと、
前記環境センサーからの出力信号を検出処理する信号検出処理手段と、
前記信号検出処理手段で処理された処理結果を外部装置に無線で送信する送信手段と
を含むことを特徴とする環境測定装置。
【請求項１１】
温度を測定する温度検出部と、湿度を測定する湿度検出部とを有し、前記温度検出部及び前記湿度検出部は、下部電極と、前記下部電極上に形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された上部電極との３層構造からなる１対の積層体として同一基板上に形成され、前記１対の積層体が直列に接続されている環境センサーと、
前記環境センサーからの出力信号を検出処理する信号検出処理手段と、
前記信号検出処理手段で処理された処理結果を外部装置に無線で送信する送信手段と
を含むことを特徴とする環境測定装置。
【請求項１２】
前記信号検出処理手段は、前記下部電極及び前記上部電極のうち、少なくともどちらか一方の電極の電気特性を測定する第１の信号検出器と、前記下部電極と前記上部電極との電極間の電気特性を測定する第２の信号検出器とを有し、前記第１の信号検出器及び前記第２の信号検出器からの信号を処理することを特徴とする請求項１１に記載の環境測定装置。
【請求項１３】
請求項１１又は１２に記載の環境測定装置を任意の空間内の任意の位置に１個以上配置し、前記環境測定装置における測定結果を収集して所定の処理を行って、前記空間内における温度及び湿度の分布並びにその径時変化を測定することを特徴とする環境測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度及び湿度を測定する環境センサー、当該環境センサーを備えた環境測定装置及び当該環境測定装置を有する環境測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
温度や湿度を測定する環境センサーは、従来から実用化されており、電子レンジなどの調理器やエアコンなどの家庭電気製品、複写機などの事務機、自動車の冷却水の温度モニターや各種空調機、気象観測などに広く用いられている。一般に、温度及び湿度は個別に測定する。例えば、特許文献１によれば、静電容量型の湿度センサーが提案されている。しかし、相対湿度は、同じ水分量でも温度により変動するため、温度による補正を行うために、例えば特許文献２によれば、熱伝導式の湿度センサーが提案されている。また、同一基板上に２つの感温素子を並列に形成した湿度センサーが提案されている（特許文献３）。
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−９０３２９号公報
【特許文献２】特開平６−２４２０４８号公報
【特許文献３】特開平５−１４９９０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
温度や湿度を測定する場合、用途により必要なスペックが異なる。例えば、家庭やオフィスの用途では、エアコンなどの動作条件を細かく制御して生活環境を快適に保つために、生活空間の温度及び湿度の分布を測定しなければならない。また、電子レンジに代表される調理器具においても、より多様な調理を効率的に行うためには、小型で高速応答可能な環境センサーが必要となる。さらには、複写機などの事務機製品において最適な画像形成を行うためには、時々刻々と変化する記録用紙の温度及び湿度を従来よりもさらに高速かつ詳細に測定しなければならない。また、各種ＩＣ回路などの製造工程においても、温度や湿度という環境に対して、従来よりもさらに精度の高い測定が求められている。
【０００５】
従来においては、温度と湿度を測定する際には、温度測定用のセンサーと湿度測定用のセンサーを別々に設置していた。そのため、その環境センサーの規模が大きくなってしまい、センサーの小型化を妨げていた。さらに、湿度測定においては、応答速度が遅いため、複写機などで高速印刷する際の印刷条件の設定には使えないという問題があった。
また、インターネットの普及により、遠隔地の情報をサーバーで処理することも多くなり、環境センサーからの信号を無線で送信する必要性も増加してきている。
【０００６】
本発明は上述の問題点に鑑みてなされたもので、温度及び湿度の測定を行うための環境センサーにおいて、その小型化を図るとともに、高速応答を可能することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の環境センサーは、感温材料が金属酸化物からなる温度検出部と、電気特性の変化を利用して周囲の湿度を測定する湿度検出部とを含み、前記温度検出部における一対の電極のうち、少なくとも一方が前記湿度検出部における電極と一体に構成されている。
【０００８】
本発明の環境センサーの他の態様は、温度を測定する温度検出部と、湿度を測定する湿度検出部とを含み、前記温度検出部及び前記湿度検出部は、下部電極と、前記下部電極上に形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された上部電極との３層構造からなる１対の積層体として同一基板上に形成され、前記各下部電極同士及び前記各上部電極同士が互いに共通である。
【０００９】
また、本発明の環境センサーのその他の態様は、前記温度検出部の形成領域及び前記湿度検出部の形成領域のうち、少なくともどちらか一方の前記基板が除去されている。
【００１０】
本発明の環境測定装置は、温度を検出する感温材料が金属酸化物からなる温度検出部と、湿度を測定する乾湿材料が導電体からなる湿度検出部とを有し、前記導電体が前記温度検出部における電極及び信号配線のうち、どちらか一方又は両方の機能を有している環境センサーと、前記環境センサーからの出力信号を検出処理する信号検出処理手段と、前記信号検出処理手段で処理された処理結果を外部装置に無線で送信する送信手段とを含む。
【００１１】
本発明の環境センサーの他の態様は、温度を測定する温度検出部と、湿度を測定する湿度検出部とを有し、前記温度検出部及び前記湿度検出部は、下部電極と、前記下部電極上に形成された金属酸化物層と、前記金属酸化物層上に形成された上部電極との３層構造からなる１対の積層体として同一基板上に形成され、前記１対の積層体が直列に接続されている環境センサーと、前記環境センサーからの出力信号を検出処理する信号検出処理手段と、前記信号検出処理手段で処理された処理結果を外部装置に無線で送信する送信手段とを含む。
【００１２】
本発明の環境測定システムは、前記記載の環境測定装置を任意の空間内の任意の位置に１個以上配置し、前記環境測定装置における測定結果を収集して所定の処理を行って、前記空間内における温度及び湿度の分布並びにその径時変化を測定する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、温度及び湿度の測定を行うための環境センサーにおいて、その小型化を図るとともに、高速応答を可能することができる。この環境センサーを用いることにより、高速測定を実現する環境測定装置及び環境測定システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
−本発明の基本骨子−
本発明は、小型化を図るとともに、高速応答が可能な温度及び湿度を測定する環境センサーを提供するものである。この小型化及び高速応答を実現するために、本発明では温度検出部と湿度検出部を同一基板上に形成し、かつ温度検出部における電極を利用して湿度も測定することにより小型化を実現する。さらに、環境センサーの構造に宙空構造を採用することにより高速応答も可能にする。
【００１５】
すなわち、高速応答を実現するためには、各検出部を小型にするとともに温度検出部と湿度検出部の構成をより単純にして、それらの検出部の熱容量を小さくすることが必要である。そのために、本発明の環境センサーにおける第１の形態としては、感温材料が金属酸化物からなる温度検出部と、電気特性の変化を利用した湿度検出部とを一体で構成し、温度検出部における一対の電極のうち、少なくとも一方が湿度検出部における電極と一体とする。さらに、本発明の環境センサーにおける第２の形態としては、下部電極／金属酸化物層／上部電極の３層構造からなる１対の積層体が同一基板上に形成され、一方の積層体を温度検出部、他方の積層体を湿度検出部として利用し、１対の積層体における各電極同士を互いに共通とする。
【００１６】
ここで、温度検出部における金属酸化物層の材料としては強誘電体又は焦電体を用いる。これにより、この金属酸化物層の周囲の温度が変化すると、その変化量に応じて金属酸化物層の表面に電荷を発生させ、発生した電荷に対する電圧を測定することにより温度の測定を行う。さらに、環境センサーを宙空構造とする、つまり温度検出部や湿度検出部における基板を除去することにより、各検出部の熱容量を低減した放熱の効率化を行って、高速応答を可能とする。
【００１７】
また、この環境センサーを備えて温度及び湿度を測定する環境測定装置は、各検出部における電極の電気的性質及び電極間の電気的性質を測定する信号検出手段と、この信号検出器からの信号を処理して所望の形式に加工した測定結果を算出する信号処理手段と、この信号処理器の信号を外部装置に伝送する送受信手段とを有して構成される。信号検出手段で測定する電気的性質としては、電極の電気抵抗、環境センサーを所定の温度に保つために投入された電力、電流量などである。これらの測定により、湿度測定が可能となる。また、電極間の電圧を測定することにより、温度の測定を行うことができる。これらの測定は、前記信号検出手段からの出力を信号処理手段で処理することで、例えば相対湿度、絶対水分量、温度などの算出を行う。この結果は、送受信手段によりディスプレイやパソコンなど外部装置に信号伝送される。この際の信号伝送は、環境測定を行う場所の制約を大きく軽減するために各種の無線で行う。
【００１８】
−本発明の具体的な実施形態−
次に、上述した本発明の基本骨子を踏まえ、添付図面を参照しながら本発明に係わる環境センサー、環境測定装置及び環境測定システムの諸実施形態について説明する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１Ａ〜図１Ｄは、本発明の第１の実施形態における環境センサーの概略的な構成を示した図である。
図１Ａは、本発明の第１の実施形態における環境センサーの概略的な断面図である。図１Ｂは、図１Ａに示した環境センサーの湿度検出領域Ｙにおける電極の概略的な平面拡大図である。なお、図１Ｂは、図１Ａの円Ｙで示した断面をそのまま拡大したのではなく、円Ｙの部分の平面図を拡大した図である。図１Ｃは、図１Ａに示した環境センサーにおける電極の概略的な平面図である。また、図１Ｄは、本発明の第１の実施形態における他の環境センサーの概略的な断面図である。ここでは、環境センサーの一部だけを示しているが、環境センサーの全体形状は、概ね直方体のような形状をしているものとする。もちろん、これは例示に過ぎず、本発明はこの形状に限定されるわけではない。
【００２０】
本実施形態における環境センサー１１は、温度検出部１１１と、湿度検出部１１２とを含むように構成されている。図１Ａ及び図２Ｄにおいて、１は金属酸化物層、２は上部電極、３は下部電極、４ａ及び４ｂは絶縁体層、５は基板、６は赤外線透過材である。
【００２１】
温度検出部１１１は、上部電極２、金属酸化物層１及び下部電極３の３層積層体を有して構成されている。ここで、金属酸化物層１の材料としては、例えば、強誘電体又は焦電体を用いる。温度検出部１１１における温度測定の原理は、次のとおりである。赤外線透過材６を透過してきた赤外線が金属酸化物層１に入射すると、金属酸化物層１の焦電特性により電荷が発生し、この発生した電荷を電極間の電圧として測定し、測定した電圧に基づいて温度が求められる。もちろん、キュリー点の近傍では誘電率が温度により大きく変化するからことから、この誘電率変化を利用しても良い。また、誘電率変化に基づいて温度を測定する場合は、電極間の電気容量や電気抵抗を測定することで、誘電率の変化を求め、さらに誘電率の変化から温度を求めるようにすればよい。
【００２２】
湿度検出部１１２は、図１Ａに示すように、下部電極３と、絶縁体層４ｂを介して上部電極２とを有して構成される。さらに、上部電極２，下部電極３は、図１Ｂ及び図１Ｃの平面図に示すような形状に加工されている。このように加工された湿度検出部１１２を測定雰囲気に直接又はフィルターなどを介して間接的に暴露させ、電極間の電気特性を利用して湿度の測定を行う。
【００２３】
ここで、電極の電気特性とは、例えば電気抵抗や電極を流れる電流量のことである。また、フィルターは、例えば、雰囲気中のほこりなど、水分以外のものを除去するためのものである。フィルターは必須の構成ではない。ほこり以外にも、例えば、酸性の強い蒸気が雰囲気中に存在する場合は、これらを吸着あるいは吸収しやすい多孔質材料で各検出部を保護することで、環境センサーの寿命を延ばすことができる。なお、フィルターを適用する場合には、大気の流れが多少制限されるので、フィルターを適用しない場合と比較して測定速度が若干低下する。どの程度低下するかは、フィルターの材質によって異なる。一般には、多孔質材料の孔が大きければ低下の度合いは少なく、孔が小さければ大きな影響を受ける。フィルターを適用するか否かや、フィルターの材料をどのように選択するかは、センサーの用途に応じて適宜詮索すればよい。
【００２４】
なお、湿度検出部１１２における上部電極２、下部電極３の形状は、図１Ｂ及び図１Ｃに示すような形状に限定されるのもではなく、渦巻形状等でも良い。湿度検出部１１２は、電極に水分が吸着することによる電気抵抗の変化で水分量を検出する。よって、湿度検出部１１２の表面面積が大きい方がたくさんの水分を吸着できるため有利である。すなわち、湿度検出部１１２の表面面積に応じて、感度、検出信号のＳ／Ｎなどが決定される。このため、直線状の電極では、抵抗変化が小さいため不利である。一方、電極の形状を直線からジグザク構造（図１Ｂ）にしたり、渦巻形状にしたりすると、電極の長さを長くできるため有利である。また、図１Ｄに示すように、温度検出部１１１の電極の厚さに対して湿度検出部１１２の水分が吸着する部分の厚さを薄くしたり、あるいはその線幅を狭くしたりして対応することも可能である。
【００２５】
すなわち、湿度検出部１１２における電極は、周辺における電極よりも電気抵抗が大きくなる構造を有するものであればどんなものでもかまわない。通常は、水分が吸着する部分とそれ以外の部分（水分が吸着しない部分）の長さを同じとした場合、吸着する部分の電気抵抗をそれ以外の部分の電気抵抗に対して２〜１００倍とする。なお、図１Ｃに示した電極の平面図において温度検出部１１１が角型であるものを示したが、本発明は、これに限定されることはない。
【００２６】
次に、図１Ｄに示した環境センサー１１における製造方法の一例を以下に説明する。
図２は、図１Ｄに示した環境センサーの製造工程を示した図である。
【００２７】
まず、図２（ａ）に示すように、シリコンからなる基板５上に絶縁体層４ａを形成する。ここで、絶縁体層４ａは、例えば二酸化ケイ素からなり、ＲＦスパッタ法により膜厚２μｍ程度で形成される。
【００２８】
続いて、図２（ｂ）に示すように、ＲＦスパッタ法により絶縁体層４ａ上に白金／チタンからなる下部電極３を形成する。具体的には、チタンを５０ｎｍ程度堆積した後、白金を６００ｎｍ程度堆積して下部電極３を形成する。ここで、堆積するチタンの膜厚を５０ｎｍ〜１００ｎｍ程度、堆積する白金の膜厚を５００ｎｍ〜１０００ｎｍ程度としてもよいが、もちろん、これ以外の値としてもよい。
【００２９】
続いて、図２（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィーにより湿度検出部形成領域を開口するための不図示のレジストパターンを形成する。その後、ドライエッチングを行って当該湿度検出部形成領域における下部電極３の厚さを周囲よりも薄くして形成する。このとき、この湿度検出部形成領域は、温度検出部形成領域から２００μｍ程度離れた位置に形成される。この２００μｍは、図１Ｃでいえば、温度検出部と湿度検出部との端辺間の距離であり、これらを結ぶ電極（図１Ｃの中央部）の長さに等しい。また、湿度検出部形成領域における下部電極３の膜厚は１５０ｎｍ程度、幅３０μｍ程度である。その後、灰化処理等によりこの不図示のレジストパターンを除去する。ここで、エッチングにより形成された湿度検出部形成領域における下部電極３の形状については、制限がなく角型，円形，楕円形など何でも良い。
【００３０】
続いて、図２（ｄ）に示すように、ＲＦスパッタ法により二酸化ケイ素を膜厚３μｍ程度堆積して、絶縁体層４ｂ形成する。
【００３１】
続いて、図２（ｅ）に示すように、ドライエッチングや研磨などの処理を行って、絶縁体層４ｂの表面の平滑化を行う。ここで、本実施形態においては、この平滑化処理を行わずに絶縁体層４ｂの表面を周囲に対して凹の状態で次工程以降の処理を行ってもかまわない。
【００３２】
続いて、図２（ｆ）に示すように、フォトリソグラフィーにより温度検出部形成領域を開口する不図示のレジストパターンを形成した後、フッ酸と硝酸との混合液を用いたドライエッチングを行って当該温度検出部形成領域における絶縁体層４ｂを除去する。
【００３３】
続いて、図２（ｇ）に示すように、ＭＯＣＶＤ法により（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ3（Ｐｂ／Ｌａ＝９５／５，Ｚｒ／Ｔｉ＝３５／６５原子比、以下、ＰＬＺＴと記述する）を膜厚３μｍ程度で堆積し、さらに、リフトオフ法により、不図示のレジストパターンを除去して、温度検出部形成領域にのみＰＬＺＴからなる金属酸化物層１を形成する。このとき、この金属酸化物層１は、縦横５００μｍ程度の正方形で形成されている。
【００３４】
続いて、図２（ｈ）に示すように、ＲＦスパッタ法により白金／チタンからなる上部電極２を膜厚１μｍ程度で形成する。続いて、図２（ｉ）に示すように、フォトリソグラフィーにより温度検出部形成領域を開口する不図示のレジストパターンを形成した後、ドライエッチングを行って当該湿度検出部形成領域における上部電極２を周囲よりも薄くして形成する。その後、灰化処理等によりこの不図示のレジストパターンを除去する。
【００３５】
続いて、図２（ｊ）に示すように、エッチングにより温度検出部形成領域及び湿度検出部形成領域の基板１を除去する。しかる後に、内径３ｍｍ、外径３．５ｍｍのステンレスパイプ内にこの環境センサー１１を入れてエポキシ樹脂で固定し、本実施形態における環境センサーを完成させる。ここで、温度検出部形成領域における上部電極２上に、赤外線を効率よく集めたり、測定する視野角を制御したりするための図１Ａまたは図１Ｄに示した赤外線透過材６等の光学系を設けても良い。また、湿度検出部形成領域における上部電極２上に、金等の材料からなる赤外線反射膜を設けて、温度の影響を除去するようにしても良い。ここで、これらの環境センサーの大きさやその構成材料の種類，膜厚，それらの成膜方法，パターニング方法などは、目的により任意に選択すればよい。
【００３６】
本実施形態における金属酸化物層１は、強誘電体又は焦電体であれば何でも良く、好ましくはペロブスカイト型構造を有するものである。具体的には、Ｐｂ−Ｌａ−Ｚｒ−Ｔｉ−Ｏ系、Ｂｉ−Ｔｉ−Ｏ系、Ｂａ−Ｓｒ−Ｔｉ−Ｏ系、Ｌｉ−Ｔa−Ｏ、Ｌｉ−Ｎｂ−Ｏやこれらの混合系などがある。焦電効果を示す材料は、種々存在するが、ペロブスカイト型構造は、比較的大きな焦電効果を有している。小さな焦電効果の材料よりも大きな焦電効果を有する材料を使用する方が、信頼性の高い環境センサーを作成することができるため有利である。
【００３７】
また、温度及び湿度の測定を極めて高精度に行うためには、環境センサー１１の基板１側を温度、湿度の制御された空間内に設置すればよい。これにより、下部電極３が常に一定の環境条件に保たれることになり、上部電極２だけでなく下部電極３との電気特性の差を検出することも可能となる。
【００３８】
次に、図３に示した構成の実験装置を用いて、図１Ｄの環境センサー１１の特性評価を行った。
【００３９】
図３は、環境センサーの特性評価を行うための実験装置の概略構成図である。
図３に示す実験装置３０において、３２は円筒形の試料容器であり、本実施形態における環境センサー１１、従来の温度センサー１７及び従来の湿度センサー１８が互いに角度１２０°の間隔で配置されている。また、この試料容器３２の全体容量は１００ｍｌである。また、本実験においては、従来の温度センサー１７として水銀温度計（外径７ｍｍ）を用い、湿度センサー１８として北陸電気製ＨＳ−０５型センサー（センサー部は幅７ｍｍ、長さ１０．５ｍｍ、高さ４ｍｍ）を用いた。
【００４０】
また、３４は高湿容器，３５は低湿容器であり、それらの内部には温度及び相対湿度を一定に保った空気が充填されている。なお、これらの容器における温度及び湿度は、前述した従来の温度センサー１７及び従来の湿度センサー１８で測定した。また、３１は吸引機であり、流路切り替え装置３３により高湿容器３４又は低湿容器３５内の飽和蒸気圧を有する空気を試料容器３２に導入する。
【００４１】
特性評価の実験では、大気圧、温度２５℃において、低湿容器３５には相対湿度１５％ＲＨ、高湿容器３４には相対湿度が９０％ＲＨの空気を予め充填しておく。この状態でまず、低湿容器３５からの空気を試料容器３２内に吸引し、このときの温度及び湿度を環境センサー１１及び従来の温度センサー１７，従来の湿度センサー１８で測定する。
【００４２】
続いて、流路切り替え装置３３を切り替えて、試料容器３２内の空気を高湿容器３４内の空気に入れ換える。この流路を切り替えた時間を原点にして、試料容器３２内の温度及び湿度をそれぞれ環境センサー１１及び従来の温度センサー１７，従来の湿度センサー１８で測定する。このときの測定間隔は、環境センサー１１では３０ｍｓ間隔で行い、従来の温度センサー１７，従来の湿度センサー１８では１〜２０ｓ間隔で測定した。
【００４３】
図４は、本実施形態における環境センサーと従来の湿度センサーとを用いて測定した相対湿度における特性図である。
本実施形態における環境センサー１１では、相対湿度変化量が３０ｍｓ後には約８０％であり、５０ｍｓ後には約９０％の変化が観測された。一方、従来の湿度センサー１８では、相対湿度変化量が約９０％となるには、約３．５分の時間を要するという結果となった。
【００４４】
その後、６分経過後に再度、試料容器３２内の空気を低湿容器３５内の空気に切り替えた。この場合にも、本実施形態における環境センサー１１では、３０ｍｓ後には約８０％の変化が観測され、６０ｍｓ後には、低湿容器３５内と同じ湿度を観測した。一方、従来の湿度センサー１８では、１分後でも約２０％の変化しか観測できなかった。
【００４５】
また、この相対湿度変化の測定の間における試料容器３２内の温度は、従来の温度センサー１７では変化は認められず、一方、本実施形態における環境センサー１１では、流路を切り替えた直後は２５℃から０．２〜０．４℃低下したが、その後は温度２５±０．１℃の範囲内であった。この流路切り替え直後の温度変化は、吸引器１２のスイッチが流路切り替え器３３よりも０．３ｓほど早く動作するため、試料容器３２内の気圧変化によるものと考えられえる。
【００４６】
以上のように、本実施形態における環境センサー１１では、従来の温度センサー１７及び湿度センサー１８と比べて、その検出部を小型にでき、かつ、１ｓ以下で９０％ＲＨの変化を観測する高速測定が可能であることがわかった。
【００４７】
（第２の実施形態）
図５Ａ〜図５Ｂは、本発明の第２の実施形態における環境センサーの概略的な構成を示した図である。
図５Ａは、本発明の第２の実施形態における環境センサーの概略的な断面図である。図５Ｂは、図５Ａに示した環境センサーの湿度検出領域Ｚにおける電極の概略的な平面拡大図である。なお、図５Ｂは、図５Ａの円Ｚで示した断面をそのまま拡大したのではなく、円Ｚの部分の平面図を拡大した図である。すなわち、図５Ａは、環境センサーを横から見た図であり、図５Ｂは環境センサーを上から見た図である。
【００４８】
本実施形態における環境センサー２１は、図５Ａに示すように、温度検出部２１１と、湿度検出部２１２とを含み構成されている。また、図５Ａにおいて、１ａ及び１ｂは金属酸化物層、２は上部電極、３は下部電極、４ａ及び４ｂは絶縁体層、５は基板、６は赤外線透過材である。金属酸化物層１ａ，１ｂは強誘電体又は焦電体であり、赤外線透過材６は、図５Ａでは曲面を有するように形成されているが、形状に制限はない。赤外線透過材６は、必要に応じて設ければよい。
【００４９】
温度検出部２１１及び湿度検出部２１２は、図５Ａに示すように、下部電極３と、下部電極３上に形成された金属酸化物層１ａ及び１ｂと、各金属酸化物層１ａ及び１ｂ上に形成された上部電極２との３層構造からなる１対の積層体を有して構成されている。また、温度検出部２１１の下部電極と湿度検出部２１２の下部電極とは相互に接続されている。同様に上部電極同士も相互に接続されている。
【００５０】
湿度検出部２１２における上部電極２は、図５Ｂの平面拡大図に示したように、金属酸化物層１ｂの一部が露出するように加工されている。ここで、この露出部分の電極形状は、角型に限定されるものではなく、円形、渦巻状、ジグザグ状であってもよく制限はない。また、金属酸化物層１ｂの露出面積は用途により任意に決定すればよい。例えば、湿度の変化を高速に測定する場合には、５０％程度以上が目安になる。
【００５１】
本実施形態の金属酸化物層１ｂは、単結晶よりも多結晶状態の方が好ましい。すなわち、本実施形態における湿度の測定は、金属酸化物層１ｂに吸着した水分による電極間の容量あるいは電気抵抗の変化を利用するものであるため、単結晶の場合には表面のみの吸着水を利用することになる。しかしながら、多結晶の場合には表面積も大きくなり、かつ結晶粒界に拡散し吸着した水分も利用できる。よって、多結晶の場合は単結晶の場合と比較して電極間の電気容量もより広い範囲で測定ができ、また、電気抵抗もより早く変化することになるため有利である。
【００５２】
温度の測定は、金属酸化物層１ａに熱が伝わることによりその表面に電荷が発生するという焦電効果、あるいはキュリー温度の近傍では誘電率の温度依存性が大きいということを利用して行う。金属酸化物層１ａについては、その結晶性に制限はなく、単結晶でも多結晶でもかまわない。また、金属酸化物層１ａと金属酸化物層１ｂとは、製造工程を簡略化するという観点では、同じ材料、同じ結晶状態であることが望ましいが、用途により別の材料を用いても良いし、結晶状態を変化させても良い。
【００５３】
次に、図５に示した環境センサー２１における製造方法の一例を以下に説明する。
図６は、図５Ａに示した環境センサーの製造工程を示した図である。
【００５４】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコンからなる基板５上に絶縁体層４ａを形成する。ここで、絶縁体層４ａは、例えば二酸化ケイ素からなり、ＲＦスパッタ法により膜厚１μｍ程度で形成される。
【００５５】
続いて、図６（ｂ）に示すように、スクリーン印刷により金ペーストを膜厚１５μｍ程度で塗布した後、温度検出部形成領域及び湿度検出部形成領域の金層に対してそれぞれ所定の加工を行って下部電極３を形成する。
具体的には、温度検出部形成領域を縦横３５０μｍ程度の正方形で形成し、湿度検出部形成領域を縦横３００μｍ程度の正方形で、かつその内部に縦横１６０μｍ程度の孔を開けて形成する。ここで、温度検出部形成領域と湿度検出部形成領域とは２００μｍ程度の間隔をあけて形成されており、またそれらを接続する部分の下部電極３の幅は１００μｍ程度である。図中に示したＳ，Ｏは、それぞれ湿度検出部形成領域，温度検出部形成領域である。
【００５６】
続いて、図６（ｃ）に示すように、スクリーン印刷によりＢｉ4Ｔｉ3Ｏ12（以下、ＢＩＴと記す）からなる金属酸化物層１を膜厚３０μｍ程度で形成する。続いて、図６（ｄ）に示すように、ＲＦスパッタ法により膜厚１００ｎｍ程度のチタン層２０を形成する。
【００５７】
続いて、図６（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィーにより、温度検出部形成領域及び湿度検出部形成領域を覆う不図示のレジストパターンを形成し、ドライエッチングを行って温度検出部形成領域及び湿度検出部形成領域にのみチタン層２０を残す。さらに、フッ酸と硝酸との混合液を用いたウエットエチングを行って、温度検出部形成領域に金属酸化物層１ａ、湿度検出部形成領域に金属酸化物層１ｂを形成する。
【００５８】
続いて、図６（ｆ）に示すように、イオンビームスパッタ法により、二酸化ケイ素からなる絶縁体層４ｂを形成する。続いて、図６（ｇ）に示すように、絶縁体層４ｂに対してエッチングを行って、チタン層２０が露出する界面まで平坦化する。
【００５９】
続いて、図６（ｈ）に示すように、ＲＦスパッタ法により、チタンと白金を連続して成膜する。さらに、フォトリソグラフィーにより、温度検出部形成領域及び湿度検出部形成領域における電極がそれぞれ下部電極３と同じサイズ又は概略１０μｍ程度小さくなるように当該白金／チタン層をパターニングして上部電極２を形成する。しかる後に、内径４ｍｍ，外形５ｍｍのステンレスパイプ内にこの環境センサー２１を入れてエポキシ樹脂で固定し、本実施形態における環境センサーを完成させる。ここで、温度検出部形成領域における上部電極２上に、赤外線を効率よく集めたり、測定する視野角を制御したりするための図５Ａに示した赤外線透過材６等の光学系を設けても良い。また、湿度検出部形成領域における上部電極２上に、金等の材料からなる赤外線反射膜を設けて、温度の影響を除去するようにしても良い。
【００６０】
次に、第１の実施形態と同様に図３に示した構成の実験装置を用いて、図５に示した環境センサー２１の特性評価を行った。評価方法も第１の実施形態と同様に、従来のセンサーと比較して行った。
【００６１】
まず、図３において、第１の実施形態における環境センサー１１に換えて環境センサー２１を配置する。特性の測定方法としては、まず、試料容器３２内を低湿容器３５と同じ環境にしておき、続いて、流路切り替え器３３により試料容器３２内の雰囲気を高湿容器３４の環境に切り替える。そして、流路切り替え器３３を動作させて２０ｍｓ経過後から環境センサー２１及び従来の温度センサー１７，従来の湿度センサー１８での測定を開始した。なお、低湿容器３５内は温度２０℃，湿度５％ＲＨ、高湿容器３４内は温度２０℃，湿度８５％ＲＨに制御してある。また、本実験においても、従来の温度センサー１７として水銀温度計を用い、湿度センサー１８として北陸電気製ＨＳ−０５型センサーを用いた。
【００６２】
温度の測定に関しては、環境センサー２１による測定結果も従来の温度センサー１７により測定結果もほぼ同じ観測結果であった。
また、湿度の測定結果を図７に示す。図７は、本実施形態における環境センサーと従来の湿度センサーとを用いて測定した相対湿度における特性図である。
この図から明らかなように、本実施形態における環境センサー２１では、相対湿度変化量が５０ｍｓ後には約７０％であり、１００ｍｓ後には約８０％、４ｓ後には約９０％であった。一方、従来の湿度センサー１８では、相対湿度変化量が約９０％となるには、約３．５分の時間を要するという結果となった。
【００６３】
このように、第１の実施形態における環境センサー１１と同様に、本実施形態における環境センサー２１も、従来のセンサーに対しての高速応答性を確認することができた。
【００６４】
（第３の実施形態）
本発明の第３に実施形態は、本発明に係わる環境センサーを有して構成された環境測定装置に関するものである。
図８は、本発明の第３の実施形態における環境測定装置のブロック構成図である。
この環境測定装置７は、温度及び湿度を測定する本発明に係わる環境センサー１１と、環境センサー１１から出力された電気信号を検出し処理する信号検出処理回路１２と、信号検出処理回路１２からの信号を外部制御装置８に送信したり、逆に外部制御装置８からの指示を信号検出処理回路１２に伝達したりする機能を有する送受信回路１３とを有して構成されている。
【００６５】
ここで、信号検出処理回路１２は、環境センサー１１における電極の電気抵抗や電流、電極間の容量，抵抗や電圧を測定する。また、その回路構成は、前記電気特性を検出し処理できるものであれば何でもかまわない。また、送受信回路１３における送受信方法としては、任意の周波数での無線通信、例えば光通信，マイクロ波通信，ミリ波通信などである。選択する周波数や通信手段は用途に応じた最適なものを採用すればよい。
【００６６】
また、信号検出処理回路１２、送受信回路１３以外にも必要であれば、別途マイクロプロセッサなどの制御装置やメモリーを設けても良いことは言うまでもない。また、図８には記載していないが二次電池や燃料電池，太陽電池などの電源、あるいは外部からマイクロ波照射により電力を供給する手段を内蔵していても良い。さらに、環境測定装置７自身の場所を特定するための手段、例えばＧＰＳなどの機能を有していても良い。
【００６７】
以下に、本実施形態における環境測定装置７を用いて、温度及び湿度の測定を行った結果を示す。
図９は、図８で示した環境測定装置７の概略構成図である。
この環境測定装置７は、環境センサー１１と、信号検出処理回路１２と、送受信回路１３と、外部制御装置と通信するためのアンテナ１４と、電源１５と、これらを収納する容器１６とを有し構成されている。電源１５としては、リチウムイオン二次電池を使用して、外部からの電力供給が難しい場所でも使用できるようにした。
【００６８】
環境センサー１１の詳細な構造としては、図１Ａや図１Ｄに示した代表的なものであれば良いが、ここでは図１Ａに示す環境センサーを用いた。また、環境センサー１１を構成する金属酸化物層１は、（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ3を材料として構成されている。温度検出部１１１の表面積は直径が５ｍｍの円形とし、湿度検出部１１２における電極は全長が１ｍｍ、幅が２００μｍ、膜厚が１０μｍとした。また、その他の部分の電極幅を５００μｍとした。また、温度検出部１１１と湿度検出部１１２との間隔を２ｍｍとした。
【００６９】
信号検出処理回路１２は、環境センサーにおける上部電極２及び下部電極３を流れる電流値、それら電極間の電圧及び抵抗値を検出できるものであれば何でも良い。また、送受信回路１３は、外部制御装置と無線で接続できるものであれば制限はない。本例では３４８〜３４９ＭＨｚ領域の電波を送受信するようにした。このためのアンテナ１４はポールアンテナを用いて、最大で約１０ｍ程度の距離の信号授受ができるようにした。１１〜１５に示す各構成要素をアルミニウム製の容器１６に収納した。この容器１６は、外形が１０ｃｍ，高さ１５ｃｍの円筒形であり、その内部に絶対水分量を２０ｇ／ｍ3とした空気を充填した。
【００７０】
この環境測定装置７を用いて、戸外の地上１ｍの場所にある気象観測用の百葉箱における東側５０ｃｍの場所で８時間に渡り連続して温度及び湿度の測定を行った。測定方法としては、屋内のパソコンからの指示で測定開始時間、測定終了時間、測定間隔などを環境測定装置７の送受信回路１３に信号を送り、３０分毎に測定結果をパソコンに取り込んだ。この結果、百葉箱での測定と本実施形態における環境測定装置７とでは、わずか温度で±１℃、湿度で±３％ＲＨの誤差であった。
【００７１】
（第４の実施形態）
本発明の第４に実施形態は、本発明に係わる環境測定装置を用いて温度及び湿度の測定を行う環境測定システムに関するものである。
図１０は、本発明の第４に実施形態における環境測定システムを示した概念図である。  ここでは、例えばエアコンのような送風機９から、温度及び湿度を制御した空気を任意の体積を有する空間１０に送風したときに、当該空間内の温度及び湿度の分布を測定する場合について説明する。
【００７２】
図１０において、送風機９は、温度、湿度を任意に変化させるように、ヒーター、冷却器、水容器、送風ファン、流量制御器などを具備している。送風機９から送り出された気流は、図中のＸで示した矢印の間に送風され、その方向や発散角度は任意に制御できる。空間１０は、縦５ｍ、横９ｍ、高さ５ｍの直方体である。
【００７３】
環境測定装置７は、この空間１０の床にランダムに配置してある。ただし、図１０で示したＡ〜Ｇまでの環境測定装置は、送風機９から垂直方向に１ｍの距離でＡが配置され、さらにＢ〜Ｇを１ｍ間隔で配置した。これら以外の環境測定装置は無作為に配置した。もちろん、すべての環境測定装置をランダムに配置しても良い。また、外部制御装置８は、送風機９とは通常の電気配線で接続され、環境測定装置７とは無線通信で接続されている。
【００７４】
環境測定装置７は、例えば図８に示した構成で形成されており、温度及び湿度を測定する環境センサー１１と、環境センサー１１からの信号を検出処理する信号検出処理回路１２と、外部制御装置８との信号伝送を行う送受信回路１３と、アンテナ１４と、電源１５と、これらを収納する容器１６とを有している。アンテナ１４は、マイクロ波などの通常の電磁波通信を行う際に使用するものであり、光通信を使用する際には必要ないこともある。環境センサー１１は、図１Ａや図１Ｄに示した構造のものが代表的に使われる。電源１５は、リチウムイオン電池などに代表される各種二次電池、燃料電池、太陽電池あるいは外部からマイクロ波などの電磁波を照射するものでも良い。
【００７５】
図１０では、環境測定装置７と外部制御装置８とは、直接無線で信号伝送を行っているが、途中に中継装置を設けても良いことは言うまでもない。また、信号検出処理回路１２や送受信回路１３、アンテナ１４は、用途によりその仕様を決定すればよい。
【００７６】
図１０に示した環境測定システムにおいて、送風機９から送られた気流がどのように空間１０内に流れていくかを各環境測定装置７で観測する。このとき、送風条件や観測条件は、外部制御装置８で制御する。各環境測定装置７はＡ〜Ｇのもの除いてランダムに配置されるが、それらの相対位置や絶対位置は外部制御装置８で決定しておく。この位置決定の方法は何でも良いが、例えば各環境測定装置７や空間１０内に光学カメラ、超音波カメラなどを設けても良いし、空間１０の壁に位置測定用のカメラを設けても良い。戸外であれば人工衛星を利用したＧＰＳ機能を利用しても良い。
【００７７】
外部制御器８からの指示により、任意の条件で温度及び湿度が制御された気流を送風機９から送り出し、所望の時間後における空間内の温度、湿度を環境測定装置７で測定する。そして測定した結果を外部制御装置８で収集して、集計等の処理を行う。これにより、例えば、送風機９からの送風により、どのように空間１０内の温度湿度が変化するかを調べることができる。すなわち、図１０に示した例では、温度及び湿度が制御された空間１０は楕円形状であり、かつ送風時間が長くなるとこの楕円の長軸が徐々に長くなるように温度及び湿度が制御された空間が大きくなっていく状態を観測できる。
【００７８】
−本実施形態における環境測定システムの実施例−
以下に、本実施形態の環境測定システムにおいて、温度及び湿度の測定を行った結果を示す。
図１０に示した環境測定システムでは、環境測定装置７と外部制御装置８とが必須の構成要素である。本例では、測定対象となる空間１０を面積１５００ｍ2、高さ１０ｍの空間とした。環境測定装置７は任意の数を任意の場所に設置すればよく、本例の測定では３６個の測定装置を用いて、図中のＡ〜Ｇに該当する環境測定装置を送風機９の正面から等間隔（６ｍ間隔）に設置した。送風機９から送風される温度及び湿度が制御された空気は、最大５ｍ3／分の風量で送風される。また、送風機９から送風される空気は、床から高さ３ｍの位置の縦５０ｃｍ、横２ｍの送風口から発散角２０°で図中の矢印Ｘの方向に送風される。外部制御装置８として、ここではパソコンを用いた。
【００７９】
このような環境測定システムにおいて、まず、送風機９を停止した状態で各環境測定装置７からの情報をパソコン８で収集する。その後、送風機９から風量３ｍ3／分で温度２５℃、湿度９０％ＲＨの空気を送風した。そして、各環境測定装置７で温度及び湿度を測定して、空間１０内における温度及び湿度の変化を観測した。
【００８０】
例えば、環境測定装置Ａでは、送風前には温度１９．７℃、湿度４０％ＲＨであったが、送風開始後、１分経過した後では温度が２１℃、湿度６０％ＲＨであった。また、環境測定装置Ｄでは、温度２０．３℃、湿度４８％ＲＨであった。また、送風開始後、１０分経過した後では、環境測定装置Ａでは温度が２３℃、７湿度が０％ＲＨであり、環境測定装置Ｆでは温度２１．３℃、湿度５５％ＲＨであった。さらに、パソコンにより、任意の時間での各環境測定装置の情報を読み出すことにより、図１０の楕円で示したような空間内の温度、湿度の分布や特定の場所の径時変化を調べることができた。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態における環境センサーの概略的な断面図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示した環境センサーの湿度検出領域における電極の概略的な平面拡大図である。
【図１Ｃ】図１Ａに示した環境センサーにおける電極の概略的な平面図である。
【図１Ｄ】本発明の第１の実施形態における他の環境センサーの概略的な断面図である。
【図２】図１Ｄに示した環境センサーの製造工程を示した図である。
【図３】環境センサーを特性評価するための実験装置の概略構成図である。
【図４】第１の実施形態における環境センサーと従来の湿度センサーとを用いて測定した相対湿度における特性図である。
【図５Ａ】本発明の第２の実施形態における環境センサーの概略的な断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示した環境センサーの湿度検出領域における電極の概略的な平面拡大図である。
【図６】図５Ａに示した環境センサーの製造工程を示した図である。
【図７】第２の実施形態における環境センサーと従来の湿度センサーとを用いて測定した相対湿度における特性図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における環境測定装置のブロック構成図である。
【図９】図８で示した環境測定装置の概略構成図である。
【図１０】本発明の第４に実施形態における環境測定システムを示した概念図である。
【符号の説明】
【００８２】
１、１ａ、１ｂ  金属酸化物層
２  上部電極
３  下部電極
４ａ、４ｂ  絶縁体層
５  基板
６  赤外線透過材
７  環境測定装置
８  外部制御装置
９  送風機
１０  空間
１１、２１  環境センサー
１２  信号検出処理回路
１３  送受信回路
１４  アンテナ
１５  電源
１６  容器
１７  従来の温度センサー
１８  従来の湿度センサー
３１  吸引機
３２  試料容器
３３  流路切り替え装置
３４  高湿容器
３５  低湿容器
１１１、２１１  温度検出部
１１２、２１２  湿度検出部
【図１Ａ】
2005106802.tif 000003
【図１Ｂ】
2005106802.tif 000004
【図１Ｃ】
2005106802.tif 000005
【図１Ｄ】
2005106802.tif 000006
【図２】
2005106802.tif 000007
【図３】
2005106802.tif 000008
【図４】
2005106802.tif 000009
【図５Ａ】
2005106802.tif 000010
【図５Ｂ】
2005106802.tif 000011
【図６】
2005106802.tif 000012
【図７】
2005106802.tif 000013
【図８】
2005106802.tif 000014
【図９】
2005106802.tif 000015
【図１０】
2005106802.tif 000016