(57)【要約】【課題】消費電力量を低減させることのできる環境センサを提供する。【解決手段】本実施形態の湿度センサ１００は、環境の雰囲気における湿度を検出するセンサ部１０と、センサ部１０に交流電圧を印加する電源部３０と、を備え、センサ部１０は、従来の湿度センサのセンサ部よりインピーダンスが高くなるように構成される。これにより、従来の湿度センサと比較して、センサ部１０における消費電力量を低減させることが可能となる。これにより、従来の湿度センサと比較して、センサ部１０を含む本発明の湿度センサ１００全体の消費電力量を低減させることができる。【選択図】図１
2013057616.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環境における所定の物理量を検出するセンサ部と、
前記センサ部に交流電圧を印加する電源部と、を備え、
前記センサ部は、従来の環境センサのセンサ部よりインピーダンスが高くなるように構成される
ことを特徴とする環境センサ。
【請求項２】
前記センサ部は、第１の電極板と第２の電極板と前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に配置された誘電体とを含み、前記所定の物理量に応じて前記第１の電極板と前記第２の電極板との間の静電容量が変化するように構成され、
前記電源部は、前記第１の電極板と前記第２の電極板との間に前記交流電圧を印加し、
前記センサ部のインピーダンスに基づいて、前記第１の電極板と前記第２の電極板との間の距離と前記第１の電極板および前記第２の電極板の面積とが設定される
ことを特徴とする請求項１に記載の環境センサ。
【請求項３】
前記第１の電極板の前記誘電体側の面に複数の凹凸が形成される
ことを特徴とする請求項２に記載の環境センサ。
【請求項４】
前記第１の電極板の前記誘電体側の面に前記誘電体を付着させるカップリング層をさらに備える
ことを特徴とする請求項２または３に記載の環境センサ。
【請求項５】
前記第１の電極板を支持する基材をさらに備える
ことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか一項に記載の環境センサ。
【請求項６】
前記電源部を間欠駆動する制御部をさらに備える
ことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか一項に記載の環境センサ。
【請求項７】
前記電源部を含み、前記静電容量を検出するインターフェース回路部と、
前記インターフェース回路部により検出された前記静電容量を外部に送信する通信部と、をさらに備える
ことを特徴とする請求項２ないし６のいずれか一項に記載の環境センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明に係るいくつかの態様は、環境における物理量を検出する環境センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のセンサとして、２つの電極の間に感湿膜を介在させた湿度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。この湿度センサでは、測定環境中の湿度に応じて感湿膜の静電容量値が変化する。そのため、あらかじめ湿度と静電容量値との対応関係を調べておけば、検出された静電容量値を湿度に変換（換算）することが可能である。
【０００３】
また、特許文献１に記載された静電容量型の環境センサ以外に、熱式、光学式、化学式、または、電気式などの方法で環境における物理量を検出する環境センサも知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−９４６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、これらの従来の環境センサでは、一般的に、いわゆる固定電源から電力が供給されており、消費電力量の多寡（多い少ない）はあまり問題ではなかった。しかしながら、近年、あらゆる環境で物理量を検出したいという要求（ニーズ）が高まっており、例えば、携帯型または可搬型の機器のように、電源の電力量が制限された機器に搭載される場合に、環境センサの消費電力量の低減が望まれていた。
【０００６】
本実施形態のいくつかの態様は前述の問題に鑑みてなされたものであり、消費電力量を低減させることのできる環境センサを提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る環境センサは、環境における所定の物理量を検出するセンサ部と、センサ部に交流電圧を印加する電源部と、を備え、センサ部は、従来の環境センサのセンサ部よりインピーダンスが高くなるように構成される。
【０００８】
かかる構成によれば、交流電圧が印加されるセンサ部は、従来の環境センサのセンサ部よりインピーダンスが高い。これにより、従来の環境センサと比較して、センサ部における消費電力量を低減させることが可能となる。
【０００９】
好ましくは、センサ部は、第１の電極板と第２の電極板と前述の第１の電極板と前述の第２の電極板との間に配置された誘電体とを含み、環境における所定の物理量に応じて前述の第１の電極板と前述の第２の電極板との間の静電容量が変化するように構成され、電源部は第１の電極板と第２の電極板との間に交流電圧を印加し、センサ部のインピーダンスに基づいて、第１の電極板と第２の電極板との間の距離と第１の電極板および第２の電極板の面積とが設定される。
【００１０】
かかる構成によれば、センサ部のインピーダンスに基づいて、第１の電極板と第２の電極板との間の距離と第１の電極板および第２の電極板の面積が設定される。ここで、所定の物理量に応じて静電容量が変化する静電容量型の従来の環境センサにおいて、２つの電極板の間の距離ｄ1、２つの電極板の面積Ｓ1、感度係数Ｄh、静電容量Ｃ1（＝Ｄh×Ｓ1／ｄ1）のセンサ部を有する場合、本発明の環境センサにおける第１の電極板と第２の電極板との間の距離ｄhを距離ｄ1より大きく設定する（ｄh＞ｄ1）か、本発明の環境センサにおける第１の電極板および第２の電極板の面積Ｓhを面積Ｓ1より小さく設定する（Ｓh＜Ｓ1）か、あるいはその両方に設定することにより、センサ部の静電容量Ｃhが静電容量Ｃ1より小さくなり（Ｃh＜Ｃ1）、本発明のセンサ部のインピーダンスＺkが従来の環境センサのセンサ部のインピーダンスＺ1より高くなる（Ｚh＞Ｚ1）。よって、センサ部のインピーダンスＺhに基づいて、距離ｄhと面積Ｓhとを設定することにより、本発明のセンサ部の静電容量Ｃhを従来の環境センサのセンサ部の静電容量Ｃ1より減少させ、本発明のセンサ部のインピーダンスＺhを従来の環境センサのセンサ部のインピーダンスＺ1より高くすることが可能となる。これにより、本発明の環境センサを容易に実現（構成）することができる。
【００１１】
好ましくは、第１の電極板の誘電体側の面に複数の凹凸が形成される。
【００１２】
かかる構成によれば、第１の電極板の誘電体側の面に複数の凹凸が形成される。ここで、従来の環境センサでは、高湿度の環境に配置した場合や、使用してから所定の月日が経過した場合に、誘電体が膨潤して湿度に対する感度が低下（劣化）するという問題があった。また、誘電体の膨潤（膨張）による応力が発生し、誘電体が電極板から剥離する（剥がれる）おそれもあった。これに対し、本発明の環境センサは、第１の電極板の誘電体側の面に凹凸を形成することにより、第１の電極板の誘電体側の面の表面積が増加する。これにより、第１の電極板の誘電体側の面に凹凸が形成されない場合と比較して、誘電体に加わる単位面積当たりの力を緩和することができ、誘電体が剥離しにくくなるととともに、誘電体の膨潤による感度低下（劣化）を抑制することができ、長期期間にわたって安定して検出することができる。また、特に、センサ部のインピーダンスＺhに基づいて小さく設定された第１の電極板の面積Ｓhにおいて、静電容量Ｃhの検出感度を向上させることができる。
【００１３】
好ましくは、第１の電極板の誘電体側の面に誘電体を付着させるカップリング層をさらに備える。
【００１４】
かかる構成によれば、第１の電極板の誘電体側の面に誘電体を付着させるカップリング層をさらに備える。これにより、第１の電極板と誘電体との接着性が向上し、誘電体が剥離しにくくなるととともに、誘電体の膨潤による感度低下を抑制することができる。これにより、長期期間にわたって安定して検出することができる。
【００１５】
好ましくは、第１の電極板を支持する基材をさらに備える。
【００１６】
かかる構成によれば、第１の電極板を支持する基材をさらに備える。これにより、第１の電極板の機械的強度を補強することができ、特に、センサ部のインピーダンスＺhに基づいて第１の電極板の面積Ｓhが小さく設定された場合に有効である。
【００１７】
好ましくは、電源部を間欠駆動する制御部をさらに備える。
【００１８】
かかる構成によれば、電源部を間欠駆動する制御部をさらに備える。これにより、電源部を連続的に駆動してセンサ部を常時通電する場合と比較して、環境センサの消費電力量をさらに低減させることができる。また、本発明の環境センサは、センサ部のインピーダンスＺhに基づいて、静電容量Ｃhが従来の環境センサの静電容量Ｃ1より小さく設定されるので（Ｃh＜Ｃ1）、内部抵抗Ｒifが同一である場合、本発明の環境センサの時定数τhは従来の環境センサの時定数τ1より小さくなる（τh＜τ1）。よって、制御部が第１の電極板と第２の電極板との間に交流電圧を印加する電源部を間欠駆動することにより、定常状態に達するまでの時間、すなわち、センサ部を起動または停止するまでの待ち時間（安定時間）を短くすることができる。これにより、待ち時間における消費電力量を低減することができ、従来の環境センサと比較して、本発明の環境センサの消費電力量をさらに低減させることができる。
【００１９】
好ましくは、電源部を含み、前述の静電容量を検出するインターフェース回路部と、インターフェース回路部により検出された前述の静電容量を外部に送信する通信部と、をさらに備える。
【００２０】
かかる構成によれば、電源部を含み、前述の静電容量を検出するインターフェース回路部と、検出された前述の静電容量を外部に送信する通信部と、をさらに備える。これにより、前述の所定の物理量に応じて変化する静電容量が外部に送信される。これにより、センサ部が検出した前述の所定の物理量を外部の機器に通知する（知らせる）ことができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の環境センサによれば、従来の環境センサと比較して、センサ部における消費電力量を低減させることが可能となる。これにより、従来の環境センサと比較して、センサ部を含む本発明の環境センサ全体の消費電力量を低減させることができる。また、本発明の環境センサは、固定電源を備える機器のみならず、移動電源またはバッテリー（二次電池）から電力が供給される機器、例えば、太陽発電、温度差発電、振動発電、バイオ発電、気流または風力発電、水力発電、波力発電、回転発電などの微弱エネルギーを用いて自立発電するエネルギーハーベスト（環境発電）機器、もしくは、携帯型燃料電池を備える機器、特に、携帯型または可搬型の有線または無線通信を行う機器に、好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態における湿度センサを説明するブロック図である。
【図２】間欠駆動における電圧の時間変化の一例を示すグラフである。
【図３】間欠駆動における電流の時間変化の一例を示すグラフである。
【図４】図１に示したセンサ部の一例を説明する斜視図である。
【図５】図４に示したセンサ部の分解斜視図である。
【図６】図４に示したＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図である。
【図７】図４に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視方向断面図である。
【図８】図４に示したセンサ部の変形例を説明する断面図である。
【図９】図４に示したセンサ部の変形例を説明する断面図である。
【図１０】図４に示したセンサ部の他の例を説明する断面図である。
【図１１】図４に示したセンサ部の他の例を説明する断面図である。
【図１２】図１０および図１１に示したセンサ部の変形例を説明する断面図である。
【図１３】図１０および図１１に示したセンサ部の変形例を説明する断面図である。
【図１４】図４に示したセンサ部の要部拡大断面図である。
【図１５】相対湿度と感湿感度係数との関係を示すグラフである。
【図１６】相対湿度と消費電力との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に本実施形態の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号で表している。但し、図面は模式的なものである。したがって、具体的な寸法などは以下の説明を照らし合わせて判断するべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。なお、以下の説明において、図面の上側を「上」、下側を「下」、左側を「左」、右側を「右」という。
【００２４】
図１ないし図１６は、本発明に係る環境センサの一実施形態を示すためのものである。本実施形態では、環境における所定の物理量を検出する環境センサの一例として、測定環境の雰囲気における湿度を検出する湿度センサについて説明する。
【００２５】
図１は、本実施形態における湿度センサを説明するブロック図である。図１に示すように、湿度センサ１００は検出対象となる環境に配置され、雰囲気（大気）における湿度を検出するためのものである。湿度センサ１００は、センサ部１０と、インターフェース回路部５０と、制御部７０と、通信部９０と、を備える。
【００２６】
センサ部１０は、第１電極板１１と、第２電極板１３と、第１電極板１１と第２電極板１２との間に配置された感湿膜１２とを含み、第１電極板１１と第２電極板１３との間に電荷を蓄えることが可能なコンデンサ（キャパシタ）として機能する。なお、本実施形態における感湿膜１２は、本実施形態の環境センサにおける「誘電体」の一例に相当する。
【００２７】
一般に、コンデンサにおいて、２つの電極板の間の距離がｄ［ｍ］、２つの電極板の面積がＳ［ｍ2］、誘電体の誘電率がε［Ｆ／ｍ］である場合、静電容量Ｃは、以下の式（１）で表される。
【００２８】
Ｃ［Ｆ］＝ε×Ｓ／ｄ  …（１）
感湿膜１２は、雰囲気中の湿度に応じて、誘電率εを含む感湿感度係数Ｄhが変化する。そのため、センサ部１０は雰囲気中の湿度に応じて、その静電容量が変化する。よって、第１電極板１１および第２電極板１３の間の距離ｄh、第１電極板１１および第２電極板１３の面積Ｓhである場合、センサ部１０の静電容量Ｃhは、感湿感度係数Ｄhを用いて以下の式（２）で表される。
【００２９】
Ｃh＝Ｄh×Ｓh／ｄh  …（２）
インターフェース回路部５０は、電源部３０を含む。電源部３０は、第１電極板１１および第２電極板１３に電気的に接続しており、第１電極板１１と第２電極板１２との間に交流電圧を印加する。これにより、センサ部１０には静電容量Ｃhに応じた電流が流れるので、インターフェース回路部５０は、この電流信号に基づいてセンサ部１０の静電容量Ｃhを検出する。また、センサ部１０の静電容量Ｃhは雰囲気中の湿度に応じて変化するので、この電流信号に基づいて雰囲気中の湿度を検出することが可能となる。
【００３０】
交流電圧が印加されるセンサ部１０において、インピーダンスＺhは以下の式（３）で表される。
【００３１】
Ｚh＝１／２πｆＣh  …（３）
但し、ｆは交流電圧の周波数を示す。
【００３２】
また、第１電極板１１と第２電極板１２との間に印加する電圧と、第１電極板１１と第２電極板１２との間を流れる電流とを、それぞれ時間ｔの関数としてｅh（ｔ）、ｉh（ｔ）と表すと、以下の式（４）の関係を満たす。
【００３３】
ｅh（ｔ）＝Ｚh・ｉh（ｔ）  …（４）
前述したように、電源部３０が第１電極板１１と第２電極板１２との間に交流電圧を印加すると、雰囲気中の湿度を検出することができる。一方、第１電極板１１と第２電極板１２との間に電流が流れるので、センサ部１０は電力を消費する。このセンサ部１０の消費電力ｐh（ｔ）は、インピーダンスＺhを用いて以下の式（５）で表すことができる。
【００３４】
ｐh（ｔ）＝ｅh（ｔ）・ｉh（ｔ）＝ｅh（ｔ）2／Ｚh  …（５）
式（５）に示すように、消費電力ｐh（ｔ）はインピーダンスＺhの逆数に比例（逆比例）しているので、インピーダンスＺhの値が増加すれば消費電力ｐh（ｔ）の値、すなわち、消費電力量が低減する。
【００３５】
また、式（３）に示すように、インピーダンスＺhは周波数ｆおよび静電容量Ｃhの逆数に比例（逆比例）しているので、周波数ｆおよび静電容量Ｃhのうちの少なくとも一方の値が減少すれば、インピーダンスＺhの値が増加する。
【００３６】
さらに、式（２）に示すように、静電容量Ｃhは距離ｄhの逆数に比例（逆比例）するとともに、面積Ｓhに比例しているので、距離ｄhが増加するか、面積Ｓhが減少するかあるいはその両方の場合に、静電容量Ｃhの値が減少する。
【００３７】
本実施形態では、交流電圧が印加されるセンサ部１０は、従来の環境センサのセンサ部よりインピーダンスが高くなるように構成されている。これにより、従来の環境センサと比較して、センサ部１０における消費電力量を低減させることが可能となる。
【００３８】
具体的には、第１電極板１１と第２電極板１２との間の距離ｄhと、第１電極板１１および第２電極板１２の面積Ｓhとが、センサ部１０のインピーダンスＺhに基づいて設定されている。
【００３９】
ここで、湿度に応じて静電容量が変化する静電容量型の従来の湿度センサにおいて、２つの電極板の間の距離ｄ1、２つの電極板の面積Ｓ1、感湿感度係数Ｄh、静電容量Ｃ1（＝Ｄh×Ｓ1／ｄ1）のセンサ部を有する場合、本実施形態の湿度センサ１００の距離ｄhを距離ｄ1より大きく設定する（ｄh＞ｄ1）か、本実施形態の湿度センサ１００の面積Ｓhを面積Ｓ1より小さく設定する（Ｓh＜Ｓ1）か、あるいは適切な値で、その両方に設定することにより、センサ部１０の静電容量Ｃhが静電容量Ｃ1より小さくなり（Ｃh＜Ｃ1）、本実施形態のセンサ部１０のインピーダンスＺhが従来の湿度センサのセンサ部のインピーダンスＺ1より高くなる（Ｚh＞Ｚ1）。よって、センサ部１０のインピーダンスＺhに基づいて、距離ｄhと面積Ｓhとを設定することにより、本実施形態のセンサ部１０の静電容量Ｃhを従来の湿度センサのセンサ部の静電容量Ｃ1より減少させ、本実施形態のセンサ部１０のインピーダンスＺhを従来の湿度センサのセンサ部のインピーダンスＺ1より高くすることが可能となる。
【００４０】
制御部７０は、インターフェース回路部５０に電気的に接続しており、所定の時間間隔ごとに駆動信号を出力して電源部３０を含むインターフェース回路部５０を間欠駆動する（起動させまたは停止させる）。これにより、電源部３０を連続的に駆動してセンサ部１０を常時通電する場合と比較して、湿度センサ１００の消費電力量をさらに低減させることができる。
【００４１】
一般に、電気回路では意図しない内部抵抗Ｒifが存在するので、これを抵抗成分として考慮すると、センサ部１０のインピーダンスＺifは以下の式（６）で表される。
【００４２】
Ｚif＝Ｒif＋Ｚh  …（６）
また、センサ部１０の電圧ｅh（ｔ）は以下の式（７）で表される。
【００４３】
【数１】
2013057616.tif 000003
但し、Ｅexは電圧の実効値を示す。
【００４４】
よって、式（７）から、センサ部１０の時定数τhは以下の式（８）で表される。
【００４５】
τh＝Ｃh・Ｒif  …（８）
時定数は、電気回路における応答の速さを表す指標であって、電圧信号または電流信号が定常状態の約６３．２［％］または約３６．８［％］に達するまでの時間である。このため、制御部７０がインターフェース回路部５０を間欠駆動する際に、時定数τhが小さいほど、センサ部１０はより速く定常状態に達する。
【００４６】
図２は間欠駆動における電圧の時間変化の一例を示すグラフであり、図３は間欠駆動における電流の時間変化の一例を示すグラフである。なお、図２および図３において、実線は本実施形態の湿度センサ１００であって、静電容量Ｃhは数十［ｐＦ］の場合を示し、一点鎖線は従来の静電容量型の湿度センサであって、静電容量Ｃ1は数百［ｐＦ］の場合を示す。また、比較を容易にするために、いずれの場合も内部抵抗Ｒifは極力小さくなるように設定した上で同一とした。図２および図３に示すように、静電容量Ｃhが数十［ｐＦ］の場合の方が、静電容量Ｃ1が数百［ｐＦ］の場合と比較して、間欠駆動の起動時における立ち上がり、および停止時の立ち下がりが速いことが分かる。
【００４７】
なお、図２および図３では、間欠動作の時間間隔が数十[μs]の場合を示したが、これに限定されない。間欠動作の時間間隔は、用途により、数秒または数分、あるいはそれ以上の時間であってもよい。
【００４８】
ここで、本実施形態の湿度センサ１００は、センサ部１０のインピーダンスＺhに基づいて、静電容量Ｃhが従来の湿度センサの静電容量Ｃ1より小さく設定されるので（Ｃh＜Ｃ1）、内部抵抗Ｒifが同一である場合、本実施形態の湿度センサ１００の時定数τhは従来の湿度センサの時定数τ1より小さくなる（τh＜τ1）。よって、制御部７０が電源部３０を含むインターフェース回路部５０を間欠駆動することにより、定常状態に達するまでの時間、すなわち、センサ部１０を起動または停止するまでの待ち時間（安定時間）を短くすることができる。
【００４９】
図１に示す通信部９０は制御部７０に電気的に接続しており、インターフェース回路部５０により検出されたセンサ部１０の静電容量Ｃhが制御部７０を介して入力される。通信部９０は、入力された静電容量Ｃhを無線通信方式または有線通信方式で外部の機器に送信する。これにより、雰囲気中の湿度に応じて変化する静電容量Ｃhが外部に送信される。
【００５０】
次に、図１に示したセンサ部１０の構成を詳細に説明する。
【００５１】
図４は図１に示したセンサ部１０の一例を説明する斜視図であり、図５は図４に示したセンサ部１０の分解斜視図である。図４および図５に示すように、第１電極板１１は、基材１４の上面に設置されており、基材１４によって支持される。これにより、第１電極板１１の機械的強度を補強することができ、特に、センサ部１０のインピーダンスＺhに基づいて第１電極板１１の面積Ｓhが小さく設定された場合に有効である。
【００５２】
基材１４は、例えば、シリコン、ガラス、セラミックス、サファイア、または石英などの絶縁性を有する材料で構成される。基材１４の上面には、第１接続用端子１１ａを含む第１電極板１１と、第１電極板１１から離間して配置された下部電極１５と、が設置される。
【００５３】
第１電極板１１は、例えば、白金／金／ニオブ（Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｂ）、白金／クロム（Ｐｔ／Ｃｒ）、白金／ニオブ（Ｐｔ／Ｎｂ）、白金／チタン（Ｐｔ／Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミ（Ａｌ）、または銅（Ｃｕ）などの少なくとも１層からなる金属層から構成される。第１電極板１１は、例えば、蒸着法またはスパッタリング法などの方法により、前述した金属層を基材１４の上に付着させ、パターニングもしくはリフトオフ、またはメタルマスクを用いて形成される。このように形成された第１電極板１１の厚さは、例えば、数百［ｎｍ］（または数千［Å］）から１［μｍ］以下である。
【００５４】
図６は図４に示したＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図であり、図７は図４に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視方向断面図である。図６および図７に示すように、第１電極板１１の平面状の上面に複数の凸部１１ｂが設けられ、感湿膜１２と接する面に複数の凹凸が形成される。
【００５５】
複数の凸部１１ｂは、例えば、化学エッチング法、反応性イオンエッチング(ＲＩＥ)法を含むドライエッチング法、またはリフトオフ法などの微細加工技術（ＭＥＭＳ技術）を用いて、形成される。
【００５６】
図６および図７では、第１電極板１１の上面に複数の凸部１１ｂを設ける例を示したが、これに限定されない。結果として、第１電極板１１の感湿膜１２側の面に複数の凹凸が形成されていれば、他の構成であってもよい。
【００５７】
図８および図９は、図４に示したセンサ部１０の変形例を説明する断面図である。なお、図８は、図６と同様に、図４に示したＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図であり、図９は、図７と同様に、図４に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視方向断面図である。図８および図９に示すように、第１電極板１１の上面に複数の凸部１１ｂを設けるとともに、基材１４の上面に複数の凸部１４ａを設けるようにしてもよい。
【００５８】
凸部１４ａは、基材１４の材料に応じて、例えば、化学エッチング法、ドライエッチング法、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法、またはレーザー加工法などの微細加工技術（ＭＥＭＳ技術）、サンドブラスト法などの加工技術、エピタキシャル成長などの薄膜成長技術、もしくは、蒸着法またはスパッタリング法などの成膜技術などの方法により、形成される。
【００５９】
図１０および図１１は、図４に示したセンサ部１０の他の例を説明する断面図である。なお、図１０は、図６と同様に、図４に示したＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図であり、図１１は、図７と同様に、図４に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視方向断面図である。図１０および図１１に示すように、第１電極板１１の上面に、凸部１１ｂに代えて複数の凹部１１ｃを設けるようにしてもよい。この場合も同様に、第１電極板１１の感湿膜１２側の面に凹凸が形成される。
【００６０】
凹部１１ｃは、凸部１１ｂを形成する場合と同様に、例えば、化学エッチング法、ドライエッチング法、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法、またはリフトオフ法などの微細加工技術（ＭＥＭＳ技術）を用いて、形成される。
【００６１】
図１２および図１３は、図１０および図１１に示したセンサ部１０の変形例を説明する断面図である。なお、図１２は、図６と同様に、図４に示したＩＩ−ＩＩ線矢視方向断面図であり、図１３は、図７と同様に、図４に示したＩＩＩ−ＩＩＩ線矢視方向断面図である。図１２および図１３に示すように、第１電極板１１の上面に複数の凹部１１ｃを設けるとともに、基材１４の上面に複数の凹部１４ｂを設けるようにしてもよい。
【００６２】
凹部１４ｂは、凸部１４ａを形成する場合と同様に、例えば、化学エッチング法、ドライエッチング法、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）法、またはレーザー加工法などの微細加工技術（ＭＥＭＳ技術）、サンドブラスト法などの加工技術、エピタキシャル成長などの薄膜成長技術、もしくは、蒸着法またはスパッタリング法などの成膜技術などの方法により、形成される。
【００６３】
図６および図７に示すように、感湿膜１２は、第１電極板１１の上面に設けられる。ここで、従来の湿度センサでは、高湿度の環境に配置した場合や、使用してから所定の月日が経過した場合に、感湿膜が膨潤して湿度に対する感度が低下（劣化）するという問題があった。また、感湿膜の膨潤（膨張）による応力が発生し、感湿膜が電極板から剥離する（剥がれる）おそれもあった。これに対し、本実施形態の湿度センサ１００は、第１電極板１１の上面に凹凸を形成することにより、第１電極板１１の感湿膜１２側の面の表面積が増加する。
【００６４】
感湿膜１２は、例えば、メタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ）、架橋したメタクリル酸メチル樹脂、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、またはフッ素含有ポリイミドなどの有機高分子樹脂で構成される。感湿膜１２の厚さは、例えば、１［μｍ］以上から１０［μｍ］以下である。
【００６５】
また、感湿膜１２の形成方法として、例えば、最初に、スピンコート法、ディップ法、またはスプレーコーティング法などの方法により、前述した有機高分子樹脂を、基材１４、第１電極板１１、および下部電極１５の上に塗布し、加熱処理を施して乾燥させる。次に、気相中の反応性イオンエッチング法、スパッタリング法、大気圧プラズマエッチング法、または、電極板に損傷を与えずに物理的に除去する方法などの方法により、第１接続端子１１ａおよび下部電極１５の上の有機高分子樹脂を選択的に除去する。これにより、感湿膜１２が形成されるとともに、第１接続端子１１ａおよび下部電極１５が露出する。
【００６６】
第２電極板１３は、第２接続用端子１３ａを含み、感湿膜１２の上に設置される。第２接続用端子１３ａは、基材１４の上の下部電極１５に接触するように形成される。
【００６７】
第２電極板１３は、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、またはパラジウム（Ｐｄ）などの金属膜で構成される。第２電極板１３の厚さは、例えば、数百［ｎｍ］（または数千［Å］）から１［μｍ］以下である。
【００６８】
また、第２電極板１３の形成方法として、例えば、最初に、蒸着法またはスパッタリング法などの成膜方法によりパターニング法、リフトオフ法、またはメタルマスク法などを用い、前述した金属膜を感湿膜１２および基材１４の上に付着させる。付着した金属の膜は、多孔質構造または微細なクラックを有する構造となる。また、第１接続端子１１ａの上などは、第２電極板１３の金属膜が選択的に付着しないように、あらかじめパターンで保護される。これにより、第２電極板１３が形成されるとともに、第１接続端子１１ａが露出する。
【００６９】
露出した第１接続端子１１ａには第１電極パッド１７が設けられ、露出した第２接続端子１３ａには第２電極パッド１８が設けられる。第１電極パッド１７および第２電極パッド１８は、例えば、リフトオフ法、蒸着法、またはスパッタリング法などの方法により、パターニングまたはメタルマスクを用いて形成される。電極パットの材料は、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、アルミ（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、金／ニオブ（Ａｕ／Ｎｂ）、金／クロム（Ａｕ／Ｃｒ）、金／チタン（Ａｕ／Ｔｉ）、白金／ニオブ（Ｐｔ／Ｎｂ）、白金／クロム（Ｐｔ／Ｃｒ）、白金／チタン（Ｐｔ／Ｔｉ）、白金／金／ニオブ（Ｐｔ／Ａｕ／Ｎｂ）、白金／金／クロム（Ｐｔ／Ａｕ／Ｃｒ）、または、白金／金／チタン（Ｐｔ／Ａｕ／Ｔｉ）などの少なくとも一層からなる金属膜である。また、第１電極パッド１７および第２電極パッド１８には、それぞれリード線（図示省略）が接続される。これにより、第１電極板１１と第２電極板１２との間を流れる電流を検出信号として取り出す（出力する）ことが可能となる。
【００７０】
図１４は、図４に示したセンサ部１０の要部拡大断面図である。図１４に示すように、カップリング層１９は、第１電極板１１と感湿膜１２との間に配置され、第１電極板１１の上面に感湿膜１２を付着させる。
【００７１】
カップリング層１９は、例えば、シラノール基（−ＳｉＯＨ）とアミノ基（−ＮＨ3）とを有するシランカップリング剤で構成される。
【００７２】
また、カップリング層１９の形成方法として、例えば、第１電極板１１の上面に複数の凸部１１ｂを形成した後、シランカップリング剤を、スピンコート法、ディップ法、またはスプレーコーティング法などの方法により、基材１４、第１電極板１１、および下部電極１５の上に滴下する。これにより、カップリング層１９が形成される。シランカップリング剤のシラノール基（−ＳｉＯＨ）は、第１電極板１１の表面のシラノール基（−ＳｉＯＨ）と脱水縮合反応し、共有結合（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）を形成する。また、シランカップリング剤のアミノ基（−ＮＨ3）は、感湿膜３と反応する。このように、第１電極板１１の上面に感湿膜１２を付着させるカップリング層１９を備えることにより、第１電極板１１と感湿膜１２との接着性が向上し、感湿膜１２が剥離しにくくなるととともに、感湿膜１２の膨潤による感度低下を抑制することができる。
【００７３】
図１５は相対湿度と感湿感度係数との関係を示すグラフであり、図１６は相対湿度と消費電力との関係を示すグラフである。なお、図１５および図１６において、実線は本実施形態の湿度センサ１００であって、一点鎖線は従来の湿度センサの場合を示す。また、比較を容易にするために、実験では、湿度制御可能な高温槽の中に本実施形態の湿度センサ１００および従来の湿度センサを設置し、一定温度で相対湿度を変化させ、インピーダンス計測器を用いて交流電圧および周波数を所定の値に設定（固定）した。また、図１５は、本実施形態の湿度センサ１００および従来の湿度センサの静電容量の値の変化を測定し、前述の式（２）に基づいて感湿感度係数Ｄhに換算したものである。図１５に示すように、本実施形態の湿度センサ１００および従来の湿度センサは、３０［％ＲＨ］から８０［％ＲＨ］までの湿度変化に対し、同様の感湿感度係数Ｄhであり、感湿特性として同一または同一とみなせる（略同一である）ことが分かる。一方、図１６に示すように、従来の湿度センサは、３０［％ＲＨ］から８０［％ＲＨ］までの湿度変化に対し、消費電力が約３５［μＷ］から約３８［μＷ］まで増加する傾向を有することが分かる。これは、湿度増加とともに図１５で示す誘電膜の感湿度係数が増加することで静電容量Ｃ1が増加し、前述の式（３）で示したセンサ部のインピーダンスが減少して２つの電極板の間に流れる電流が増加するためと考えられる。これに対し、本実施形態の湿度センサ１００は、相対湿度が３０［％ＲＨ］から８０［％ＲＨ］までの湿度変化に対し、消費電力が約２［μＷ］を中心に数十百[ｎＷ]程度の増減を示す。この結果から、本実施形態の湿度センサ１００は、相対湿度が３０［％ＲＨ］から８０［％ＲＨ］の範囲において、従来の湿度センサと比較して、消費電力量を１／１５以下に低減することができるといえる。
【００７４】
本実施形態では、環境における所定の物理量を検出する環境センサとして、測定環境の雰囲気における湿度を検出する湿度センサについて説明したが、これに限定されない。所定の物理量として、例えば、温度、圧力、輻射温度、照度、気流、振動、傾斜、位置、環境ガス、粉塵などの他の物理量を検出する環境センサであってもよい。
【００７５】
このように、本実施形態における湿度センサ１００によれば、交流電圧が印加されるセンサ部１０は、従来の湿度センサのセンサ部よりインピーダンスが高くなるように構成されている。これにより、従来の湿度センサと比較して、センサ部１０における消費電力量を低減させることが可能となる。これにより、従来の湿度センサと比較して、センサ部１０を含む本発明の湿度センサ１００全体の消費電力量を低減させることができる。また、本実施形態の湿度センサ１００は、固定電源を備える機器のみならず、移動電源またはバッテリー（二次電池）から電力が供給される機器、例えば、太陽発電、温度差発電、振動発電、バイオ発電、気流または風力発電、水力発電、波力発電、回転発電などの微弱エネルギーを用いて自立発電するエネルギーハーベスト（環境発電）機器、もしくは、携帯型燃料電池を備える機器、特に、携帯型または可搬型の有線または無線通信を行う機器に、好適に用いることができる。
【００７６】
また、本実施形態における湿度センサ１００によれば、センサ部１０のインピーダンスＺhに基づいて、第１電極板１１と第２電極板１３との間の距離ｄhと第１電極板１１および第２電極板１３の面積Ｓhとが設定される。ここで、湿度に応じて静電容量が変化する静電容量型の従来の湿度センサにおいて、２つの電極板の間の距離ｄ1、２つの電極板の面積Ｓ1、感湿感度係数Ｄh、静電容量Ｃ1（＝Ｄh×Ｓ1／ｄ1）のセンサ部を有する場合、本実施形態の湿度センサ１００の距離ｄhを距離ｄ1より大きく設定する（ｄh＞ｄ1）か、本実施形態の湿度センサ１００の面積Ｓhを面積Ｓ1より小さく設定する（Ｓh＜Ｓ1）か、あるいはその両方に設定することにより、センサ部１０の静電容量Ｃhが静電容量Ｃ1より小さくなり（Ｃh＜Ｃ1）、本実施形態のセンサ部１０のインピーダンスＺhが従来の湿度センサのセンサ部のインピーダンスＺ1より高くなる（Ｚh＞Ｚ1）。よって、センサ部１０のインピーダンスＺhに基づいて、距離ｄhと面積Ｓhとを設定することにより、本実施形態のセンサ部１０の静電容量Ｃhを従来の湿度センサのセンサ部の静電容量Ｃ1より減少させ、本実施形態のセンサ部１０のインピーダンスＺhを従来の湿度センサのセンサ部のインピーダンスＺ1より高くすることが可能となる。これにより、本実施形態の湿度センサ１００を容易に実現（構成）することができる。
【００７７】
また、本実施形態における湿度センサ１００によれば、第１電極板１１の感湿膜１２側の面、すなわち、上面に複数の凹凸が形成される。ここで、従来の湿度センサでは、高湿度の環境に配置した場合や、使用してから所定の月日が経過した場合に、感湿膜が膨潤して湿度に対する感度が低下（劣化）するという問題があった。また、感湿膜の膨潤（膨張）による応力が発生し、感湿膜が電極板から剥離する（剥がれる）おそれもあった。これに対し、本実施形態の湿度センサ１００は、第１電極板１１の上面に凹凸を形成することにより、第１電極板１１の感湿膜１２側の面の表面積が増加する。これにより、第１電極板１１の上面に凹凸が形成されない場合と比較して、感湿膜１２に加わる単位面積当たりの力を緩和することができ、感湿膜１２が剥離しにくくなるととともに、感湿膜１２の膨潤による感度低下（劣化）を抑制することができ、長期期間にわたって安定して検出することができる。また、特に、センサ部１０のインピーダンスＺhに基づいて小さく設定された第１電極板１１の面積Ｓhにおいて、静電容量Ｃhの検出感度を向上させることができる。
【００７８】
また、本実施形態における湿度センサ１００によれば、第１電極板１１の感湿膜１２側の面、すなわち、上面に感湿膜１２を付着させるカップリング層１９をさらに備える。これにより、第１電極板１１と感湿膜１２との接着性が向上し、感湿膜１２が剥離しにくくなるととともに、感湿膜１２の膨潤による感度低下を抑制することができる。これにより、長期期間にわたって安定して検出することができる。
【００７９】
また、本実施形態における湿度センサ１００によれば、第１電極板１１を支持する基材１４をさらに備える。これにより、第１電極板１１の機械的強度を補強することができ、特に、センサ部１０のインピーダンスＺhに基づいて第１電極板１１の面積Ｓhが小さく設定された場合に有効である。
【００８０】
また、本実施形態における湿度センサ１００によれば、電源部３０を間欠駆動する制御部７０をさら備える。これにより、電源部３０を連続的に駆動してセンサ部１０を常時通電する場合と比較して、湿度センサ１００の消費電力量をさらに低減させることができる。また、本実施形態の湿度センサ１００は、センサ部１０のインピーダンスＺhに基づいて、静電容量Ｃhが従来の湿度センサの静電容量Ｃ1より小さく設定されるので（Ｃh＜Ｃ1）、内部抵抗Ｒifが同一である場合、本実施形態の湿度センサ１００の時定数τhは従来の湿度センサの時定数τ1より小さくなる（τh＜τ1）。よって、制御部７０が電源部３０を間欠駆動することにより、定常状態に達するまでの時間、すなわち、センサ部１０を起動または停止するまでの待ち時間（安定時間）を短くすることができる。これにより、待ち時間における消費電力量を低減することができ、従来の湿度センサと比較して、本実施形態の湿度センサ１００の消費電力量をさらに低減させることができる。
【００８１】
また、本実施形態における湿度センサ１００によれば、電源部３０を含み、センサ部１０の静電容量Ｃhを検出するインターフェース回路部５０と、インターフェース回路部５０により検出された静電容量Ｃhを送信する通信部９０と、を備える。これにより、雰囲気中の湿度に応じて変化する静電容量Ｃhが外部に送信される。これにより、センサ部１０が検出した雰囲気中の湿度を外部の機器に通知する（知らせる）ことができる。
【００８２】
なお、前述した実施形態の構成は、組み合わせたり、あるいは一部の構成部分を入れ替えたりしたりしてもよい。また、本実施形態の構成は前述した実施形態のみに限定されるものではなく、本実施形態の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもよい。
【符号の説明】
【００８３】
１０…センサ部
１１…第１電極板
１１ｂ…凸部
１１ｃ…凹部
１２…感湿膜
１３…第２電極板
１４…基材
１４ａ…凸部
１４ｂ…凹部
１５…下部電極
１７…電極パッド
１８…電極パッド
１９…カップリング層
３０…電源部
５０…インターフェース回路部
７０…制御部
９０…通信部
１００…湿度センサ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2013057616.tif 000013
【図１１】
2013057616.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2013057616.tif 000017
【図１５】
2013057616.tif 000018
【図１６】
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