湿度センサ装置
【課題】装置全体の小型化および低コスト化を図れる湿度センサ装置を提供する。
【解決手段】湿度センサ１０と温度センサ２０とを同一の素子形成基板１に集積化した複合センサ素子Ａを備えている。湿度センサ１０は、第１の下部電極１１と、第１の多孔質構造部１２と、第１の表面電極１３とで構成され、温度センサ２０は、第２の下部電極２１と、第２の多孔質構造部２２と、第２の表面電極２３とで構成されている。第１の下部電極１１と第２の下部電極２１とは構成材料および膜厚を同じとしてあり、第１の表面電極１３と第２の表面電極２３とは構成材料および膜厚を同じとしてある。第１の多孔質構造部１２と第２の多孔質構造部２２とは同一構造であって、素子形成基板１の一表面側に成膜したノンドープの多結晶シリコン層に対して陽極酸化処理および酸化処理を行うことにより形成されている。
【解決手段】湿度センサ１０と温度センサ２０とを同一の素子形成基板１に集積化した複合センサ素子Ａを備えている。湿度センサ１０は、第１の下部電極１１と、第１の多孔質構造部１２と、第１の表面電極１３とで構成され、温度センサ２０は、第２の下部電極２１と、第２の多孔質構造部２２と、第２の表面電極２３とで構成されている。第１の下部電極１１と第２の下部電極２１とは構成材料および膜厚を同じとしてあり、第１の表面電極１３と第２の表面電極２３とは構成材料および膜厚を同じとしてある。第１の多孔質構造部１２と第２の多孔質構造部２２とは同一構造であって、素子形成基板１の一表面側に成膜したノンドープの多結晶シリコン層に対して陽極酸化処理および酸化処理を行うことにより形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿度に応じて抵抗値が変化する湿度センサを利用した湿度センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、湿度センサ装置などに使用する湿度センサとして、多孔質シリコンを利用した感湿素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここにおいて、上記特許文献１に開示された感湿素子は、シリコン基板の一表面側に酸化処理を施した多孔質シリコン層からなる感湿部が形成されるとともに、感湿部の中央部上およびシリコン基板の他表面（裏面）それぞれに電極が形成されており、水分の吸着によって抵抗値が変化する。すなわち、上記特許文献１に開示された感湿素子は、周囲湿度に応じて抵抗値が変化する。なお、上述の多孔質シリコン層は、シリコン基板を陽極とした陽極酸化処理により形成されている。
【０００４】
ところで、上記特許文献１に開示された感湿素子のように周囲湿度に応じて抵抗値が変化する感湿素子では出力値に周囲温度の影響による誤差を含むので、この種の感湿素子を利用した湿度センサ装置の出力値の誤差を小さくするには、周囲温度に応じて出力値を補正することが必要である。したがって、この種の湿度センサ装置では、例えば、湿度センサ（上記感湿素子）および温度センサそれぞれの出力を各別の増幅回路により増幅して各別のＡ／Ｄ変換器を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部に入力し、信号処理部の演算手段にて温度センサの出力を用いて湿度センサの出力を補正するように構成することにより、周囲温度に関わりなく正確な出力値を得ることができる。
【特許文献１】特許第２５５９６８２号公報（第２頁左欄第１８行〜第２４行、第２頁左欄第４７行〜右欄第５行、第２頁右欄第８行〜第２０行、第１図、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置では、周囲温度を検出するための温度センサを別途に用意する必要があり、装置全体が大型化するとともにコストが高くなってしまう。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、装置全体の小型化および低コスト化を図れる湿度センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
なお、本願発明者らは、多孔質シリコン層に対して酸化処理（例えば、急速熱酸化処理、電気化学的な酸化処理など）を施すことにより形成した電子通過部を表面電極と下部電極との間に備えた電界放射型電子源の研究過程において、当該電界放射型電子源を大気中で使用した場合、周囲湿度や周囲温度に応じて表面電極と下部電極との間に流れる電流が変化するという知見を得て、この知見に基づいて本願発明を行った。
【０００８】
請求項１の発明は、第１の下部電極と第１の表面電極との間に第１の多孔質構造部が設けられ周囲湿度に応じて抵抗値が変化する湿度センサと、湿度センサの周囲温度に応じて抵抗値が変化する温度センサとを備え、温度センサを利用して温度補正された湿度に応じた出力を発生する湿度センサであって、温度センサを、第２の下部電極と第２の表面電極との間に第２の多孔質構造部が設けられた構成とし、湿度センサと温度センサとを同一の素子形成基板に集積化してなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、湿度センサと温度センサとを別体として備えた湿度センサ装置に比べて装置全体の小型化および低コスト化を図れる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１の下部電極と前記第２の下部電極とが前記素子形成基板の一表面上に同一材料且つ同一膜厚で形成され、前記第１の多孔質構造部と前記第２の多孔質構造部とが同一構造であり、前記第１の表面電極と前記第２の表面電極とが同一材料且つ同一膜厚で形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記湿度センサと前記温度センサとを同じ製造プロセスで同時に形成することができるので、低コスト化を図れる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記温度センサは、前記第２の表面電極が耐湿性を有する保護部により覆われてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記温度センサが周囲湿度の影響を受けるのを防止することができ、温度補正を精度良く行うことができるので、より正確な湿度を求めることが可能となる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記湿度センサは、前記第１の表面電極が前記第１の多孔質構造部の一部の表面を露出可能な形状に形成されてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記第１の表面電極の外周形状によらず前記第１の多孔質構造部の一部の表面が露出することになるので、前記第１の表面電極の厚みによらず前記湿度センサの感度を高めることができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記湿度センサが、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動用の定電圧を入力として与えることにより前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に流れる電流値を出力するものであり、前記温度センサの出力値を用いて前記湿度センサの出力値に温度補正を行う演算手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、広範囲の湿度を精度良く検知することができる。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記湿度センサが、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動用の定電流を入力として与えることにより前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間の電位差を出力するものであり、前記温度センサの出力値を用いて前記湿度センサの出力値に温度補正を行う演算手段を備えることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、前記湿度センサに過電流が流れるのを防止することができ、前記湿度センサの劣化を抑制できるとともに絶縁破壊を防止することができる。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明において、前記湿度センサを間欠駆動する間欠駆動手段と、前記湿度センサが駆動されていない期間に、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動時とは逆極性の入力を与えることで前記湿度センサに吸着した水分を除去させるリセット手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、前記湿度センサに吸着した水分を前記湿度センサが駆動されていない期間に除去することができ、前記湿度センサの応答速度を速めることができる。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記湿度センサと前記温度センサとの直列回路と、第１の定抵抗と第２の定抵抗との直列回路とを並列接続したブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路に定電圧を印加したときの前記湿度センサと前記温度センサとの接続点と定抵抗同士の接続点との間の出力値に基づいて湿度を演算する演算手段を備えることを特徴とする
この発明によれば、周囲温度にかかわりなく湿度を高精度に求めることができる。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１の発明では、湿度センサと温度センサとを別体として備えた湿度センサ装置に比べて装置全体の小型化および低コスト化を図れるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施形態１）
本実施形態の湿度センサ装置は、図１（ａ）に示すように、周囲湿度に応じて抵抗値が変化する湿度センサ１０と、湿度センサ１０の周囲温度に応じて抵抗値が変化する温度センサ２０とを備えており、湿度センサ１０が周囲湿度に対応した電流値（アナログ信号）を出力し、温度センサ２０が周囲温度に対応した電流値（アナログ信号）を出力する。
【００２５】
また、本実施形態の湿度センサ装置は、各センサ１０，２０それぞれの出力を電流−電圧変換する２つのＩ／Ｖ変換回路３１，３２と、各Ｉ／Ｖ変換回路３１，３２それぞれの出力を増幅する増幅回路４１，４２と、各増幅回路４１，４２それぞれの出力をアナログ−ディジタル変換する２つのＡ／Ｄ変換器５１，５２と、両Ａ／Ｄ変換器５１，５２の出力に基づいて温度補償した湿度を求めて出力するマイクロコンピュータからなる信号処理部６０とを備えている。
【００２６】
要するに、本実施形態の湿度センサ装置は、湿度センサ１０の出力を増幅回路４１により増幅してＡ／Ｄ変換器５１を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部６０に入力するとともに、温度センサ２０の出力を増幅回路４２により増幅してＡ／Ｄ変換器５２を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部６０に入力し、温度センサ２０の出力を用いて湿度センサ１０の出力を補正するのである。信号処理部６０には、湿度センサ１０の出力と湿度値との対応関係を第１のテーブルとして格納した第１のメモリと、温度センサ２０の出力に応じた補正値を第２のテーブルとして格納した第２のメモリとが設けられており、信号処理部６０の演算回路（図示せず）にて、Ａ／Ｄ変換器５１の出力値に基づいて第１のメモリから湿度値を読み出すとともに、Ａ／Ｄ変換器５２の出力値に基づいて第２のメモリから補正値を読み出し、湿度値を補正値により補正する。この構成により、周囲温度に関わりなく正確な出力値を得ることができるのである。なお、本実施形態では、上記演算回路が、温度センサ２０の出力値を用いて湿度センサ１０の出力値に温度補正を行う演算手段を構成している。
【００２７】
ところで、本実施形態の湿度センサ装置では、上述の湿度センサ１０と温度センサ２０とを図１（ｂ）に示すように同一の素子形成基板１に集積化した複合センサ素子Ａを備えている点に特徴がある。
【００２８】
複合センサ素子Ａは、矩形板状の絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）からなる素子形成基板１の一表面上で湿度センサ１０と温度センサ２０とが並設されている。湿度センサ１０は、素子形成基板１上に形成された導電層（例えば、金属層、高濃度多結晶シリコン層など）からなる第１の下部電極１１と、第１の下部電極１１上に形成された第１の多孔質構造部１２と、第１の多孔質構造部１２上に形成された金属薄膜（例えば、金薄膜）からなる第１の表面電極１３とで構成されている。一方、温度センサ２０は、素子形成基板１上に形成された導電層（例えば、金属層、高濃度多結晶シリコン層など）からなる第２の下部電極２１と、第２の下部電極２１上に形成された第２の多孔質構造部２２と、第２の多孔質構造部２２上に形成された金属薄膜（例えば、金薄膜）からなる第２の表面電極２３とで構成されている。ここにおいて、第１の下部電極１１と第２の下部電極２１とは構成材料および膜厚を同じとしてあり、第１の表面電極１３と第２の表面電極２３とは構成材料および膜厚を同じとしてある。ただし、温度センサ２０が周囲湿度の影響を受けないように第２の表面電極２３の膜厚は上記電界放射型電子源における表面電極の膜厚（例えば、１０ｎｍ程度）に比べて厚く設定してあるので、湿度センサ１０の第１の表面電極１３については第１の多孔質構造部１２の一部の表面が露出するように第１の表面電極１３の平面サイズを第１の多孔質構造部１２の平面サイズよりも小さくしてある。言い換えれば、第１の表面電極１３は、第１の多孔質構造部１２の一部の表面を露出可能な形状に形成されている。
【００２９】
また、本実施形態の湿度センサ装置は、各センサ１０，２０の表面電極１３，２３と下部電極１１，２１との間に表面電極１３，２３を高電位側として駆動電圧を与える駆動手段（図示せず）を備えている。
【００３０】
上述の第１の多孔質構造部１２と第２の多孔質構造部２２とは同一構造であって、上記電界放射型電子源の電子通過部と同様の構造を有し、後述のように素子形成基板１の上記一表面側に成膜したノンドープの多結晶シリコン層に対して陽極酸化処理および酸化処理を行うことにより形成されており、少なくとも、図２に示すように、素子形成基板１の上記一表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）７１と、グレイン７１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜７２と、グレイン７１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）７３と、各シリコン微結晶７３の表面に形成されシリコン微結晶７３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜である多数のシリコン酸化膜（絶縁膜）７４とから構成されている。ここに、各グレイン７１は、素子形成基板１の厚み方向に延びている。
【００３１】
上述の各センサ１０，２０では、表面電極１３，２３が下部電極１１，２１に対して高電位側となるように表面電極１３，２３と下部電極１１，２１との間に直流電圧（駆動電圧）を上記駆動手段により印加すれば、下部電極１１，１２から多孔質構造部１２，２２へ注入された電子がそれぞれ多孔質構造部１２，２２をドリフトし表面電極１３，２３へ到達するので、表面電極１３，２３から下部電極１１，２１へ電流が流れる。さらに説明すれば、各センサ１０，２０では、表面電極１３，２３と下部電極１１，２１との間に表面電極１３，２３を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極１１，２１からそれぞれ多孔質構造部１２，２２へ電子が注入される。一方、多孔質構造部１２，２２それぞれに印加された電界の大部分はシリコン酸化膜７４にかかるから、注入された電子はシリコン酸化膜７４にかかっている強電界により加速され、多孔質構造部１２，２２それぞれにおけるグレイン７１の間の領域を表面に向かって図２における上向きへドリフトし、表面電極１３，２３へ到達する。しかして、多孔質構造部１２，２２では下部電極１１，２１から注入された電子がシリコン微結晶７３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜７４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極１３，２３へ到達する。以上説明した原理は上記電界放射型電子源の動作原理と同様である。
【００３２】
図３には湿度センサ１０の一例として周囲温度が２４℃の場合について、湿度センサ１０の周囲湿度と湿度センサ１０に流れる電流の電流密度との関係データを示す。図３から、周囲湿度が高くなるにつれて電流密度が徐々に増加していることが分かる。また、図４には、温度センサ２０の第２の表面電極２３の膜厚を上記電界放射型電子源と同様に１０ｎｍとした場合について、周囲温度と温度センサ２０に流れる電流の電流密度との関係データを示す。ここに、図４中の「イ」は周囲湿度を３０％として測定した結果を示し、同図中の「ロ」は周囲湿度を５０％として測定した結果を示し、同図中の「ハ」は周囲湿度を７０％として測定した結果を示し、同図中の「ニ」は周囲湿度を９０％として測定した結果を示し、同図中の「ホ」は周囲湿度を略０％として測定した結果を示している。図４から、周囲湿度が一定であれば、周囲温度が高くなるにつれて電流密度が徐々に増加していることが分かる。そこで、本実施形態では、温度センサ２０の出力が周囲湿度の影響を受けないように第２の表面電極２３の膜厚を上記電界放射型電子源の表面電極の膜厚に比べて大きく設定してある（例えば、２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度に設定すればよい）。なお、上述の第１のテーブルは例えば図３の結果に基づいて作成すればよく、上述の第２のテーブルは例えば図４の結果に基づいて作成すればよい。
【００３３】
以下、上述の多孔質構造部１２，２２の形成方法の一例について説明する。
【００３４】
多孔質構造部１２，２２の形成にあたっては、まず、素子形成基板１の上記一表面上に２つの下部電極１１，２１を形成し、素子形成基板１の上記一表面側の全面にノンドープの多結晶シリコン層を例えばＬＰＣＶＤ法などにより形成した後、上述の陽極酸化処理を行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン７１（図２参照）と多数のシリコン微結晶７３（図２参照）とが混在する多孔質多結晶シリコン層を形成する。ここにおいて、陽極酸化処理では、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液を用い、下部電極１１，２１を陽極とし、電解液中において多結晶シリコン層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により多結晶シリコン層の主表面に光照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流を所定時間だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン７１およびシリコン微結晶７３を含む多孔質多結晶シリコン層を形成する。
【００３５】
陽極酸化処理が終了した後に、上述の酸化処理として多孔質多結晶シリコン層を電気化学的に酸化することによって、図２のような構成の多孔質構造部１２および電子通過部２２をを形成する。酸化処理では、例えば、エチレングリコールからなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解液を用い、下部電極１１，２１を陽極とし、電解液中において多孔質多結晶シリコン層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ２の電流）を流し陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで多孔質多結晶シリコン層を電気化学的に酸化することによって、上述のグレイン７１、シリコン微結晶７３、各シリコン酸化膜７２，７４を含む多孔質構造部１２，２２を形成するようになっている。ここにおいて、上述のノンドープの多結晶シリコン層のうち多孔質構造部１２，２２となる部位以外の部分は、湿度センサ１０と温度センサ２０とを電気的に分離する分離部２を構成する。なお、本実施形態では、上述の陽極酸化処理を行うことによって形成される多孔質多結晶シリコン層においてグレイン７１、シリコン微結晶７３以外の領域は孔となっており、多孔質構造部１２，２２においてグレイン７１、シリコン微結晶７３、各シリコン酸化膜７２，７４以外の領域が孔となっている。
【００３６】
以上説明した本実施形態の湿度センサ装置では、湿度センサ１０と温度センサ２０とを別体として備えた湿度センサ装置に比べて装置全体の小型化および低コスト化を図れる。また、第１の下部電極１１と第２の下部電極２１とが素子形成基板１の上記一表面上に同一材料且つ同一膜厚で形成され、第１の多孔質構造部１２と第２の多孔質構造部２２とが同一構造であり、第１の表面電極１３と第２の表面電極２３とが同一材料且つ同一膜厚で形成されているので、湿度センサ１０と温度センサ２０とを同じ製造プロセスで同時に形成することができるので、低コスト化を図れる。
【００３７】
ところで、上記駆動手段は、第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に第１の表面電極１３を高電位側としてパルス状の定電圧からなる駆動電圧（電圧値をＶ１とすれば、例えばＶ１＝８〔Ｖ〕）を間欠的に印加可能な駆動電源８１（図５参照）を備えているが、本実施形態の湿度センサ装置では、駆動電源８１により湿度センサ１０へ上記駆動電圧が印加される期間の合間ごとに、第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に上記駆動電圧とは逆極性のパルス状の逆バイアス電圧（電圧値を−Ｖ２とすれば、例えば−Ｖ２＝−６〔Ｖ〕）を間欠的に印加可能なリセット用電源８２（図５参照）を備えている。ここに、本実施形態では、駆動電源８１を直流電圧源Ｅａとスイッチング素子Ｓａとの直列回路により構成するとともに、リセット用電源８２を直流電圧源Ｅｂとスイッチング素子Ｓｂとの直列回路により構成し、これらの直列回路を並列接続してあり、上述の信号処理部６０によってスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂが同時にオン状態とならず交互にオン状態となるようにスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂをオンオフ制御するように構成してある。したがって、湿度センサ１０の第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間には、第１の下部電極１１を基準として図６に示すようなパターンで電圧が印加されることとなる。なお、本実施形態では、駆動電源８１と信号処理部６０とで湿度センサ１０を間欠駆動する間欠駆動手段を構成し、リセット用電源８２と信号処理部６０とで湿度センサ１０が駆動されていない期間に、第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に駆動時とは逆極性の入力を与えることで湿度センサ１０に吸着した水分を除去させるリセット手段を構成している。
【００３８】
しかして、本実施形態の湿度センサ装置では、湿度センサ１０を間欠駆動する間欠駆動手段と、湿度センサ１０が駆動されていない期間に、第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に駆動時とは逆極性の入力を与えることで湿度センサ１０に吸着した水分を除去させるリセット手段とを備えているので、湿度センサ１０の第１の多孔質構造部１２に吸着した水分を湿度センサ１０が駆動されていない期間に除去することができ、湿度センサ１０の応答速度を速めることができる。なお、上述の駆動電源８１とリセット用電源８２とを個別に設ける代わりに、図７に示すように湿度センサ１０の第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に交流電圧を印加する交流電源Ｅｓを設けてもよい。
【００３９】
（実施形態２）
本実施形態の湿度センサ装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、複合センサ素子Ａにおける温度センサ２０の第２の表面電極２３の周囲を、耐湿性を有する材料（例えば、エポキシ樹脂など）からなる保護部２４により覆っている点に特徴がある。なお、保護部２４の材料は、エポキシ樹脂に限らず、金属などを採用可能であるが、熱伝導率の高い材料を採用することが望ましい。他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。
【００４０】
しかして、本実施形態の湿度センサ装置では、温度センサ２０が周囲湿度の影響を受けるのを確実に防止することができ、温度補正を精度良く行うことができるので、より正確な湿度を求めることが可能となる。特に、本実施形態の湿度センサ装置では、第２の表面電極１３の平面サイズと第２の多孔質構造部２２の平面サイズとを同じサイズに設定しているような場合、製造時に第２の表面電極１３の位置ずれが生じて第２の多孔質構造部２２の一部の表面が露出しても保護部２４により覆われるので、温度センサ２０が周囲湿度の影響を受けるのを確実に防止することができるという利点がある。したがって、各表面電極１３，２３の膜厚を上記電界放射型電子源の表面電極と同様に電子がトンネリング可能な膜厚（例えば、１０ｎｍ）程度に薄くして、第１の表面電極１３の平面サイズと第１の多孔質構造部１２の平面サイズとを揃えるようにしてもよい。
【００４１】
ところで、上記各実施形態の湿度センサ装置において、第１の表面電極１３の平面形状をメッシュ状の形状とすれば、第１の多孔質構造部１２の表面の周部だけでなく中央部も露出することになるので、第１の表面電極１３の平面サイズおよび第１の表面電極１３の厚みによらず湿度センサ１０の感度を高めることができる。
【００４２】
なお、上記各実施形態では、温度センサ２０を湿度センサ１０と同様の構造としているので、図９に示すように、ノンドープの多結晶シリコン層からなる分離部２上で一対の電極９２，９２間に感温部９１が介在するサーミスタ９０を温度センサとして用いる場合に比べて製造プロセスが簡単になる。
【００４３】
また、上記各実施形態では、湿度センサ１０の第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に駆動用の定電圧を入力として与えることにより第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に流れる電流値を湿度センサ１０の出力としており、広範囲の湿度を精度良く検知することができるが、湿度センサ１０の第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に駆動用の定電流を入力として与えることにより第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間の電位差（電圧値）を湿度センサ１０の出力とするようにすれば、湿度センサ１０に過電流が流れるのを防止することができ、湿度センサ１０の第１の多孔質構造部１２の劣化を抑制できるとともに絶縁破壊を防止することができる。このように、湿度センサ１０の出力値を電圧値（アナログ値）とした場合には上述のＩ／Ｖ変換回路３１が不要となるという利点もある。
【００４４】
（実施形態３）
本実施形態の湿度センサ装置では、実施形態１にて説明した複合センサ素子Ａにおける湿度センサ１０を抵抗Ｒｓ、温度センサ２０を抵抗Ｒｅとして、図１０に示すように、抵抗Ｒｓと抵抗Ｒｅとの直列回路と、第１の定抵抗Ｒ１と第２の定抵抗Ｒ２との直列回路とを並列接続したブリッジ回路を備えており、ブリッジ回路に直流電源Ｅｄから定電圧を印加したときの抵抗Ｒｓと抵抗Ｒｅとの接続点と定抵抗Ｒ１，Ｒ２同士の接続点との間の出力値（電位差）Ｖoutを増幅回路（図示せず）により増幅してＡ／Ｄ変換器（図示せず）を用いてディジタル値に変換した後にマイクロコンピュータからなる信号処理部（図示せず）に入力するように構成してあり、信号処理部に、Ａ／Ｄ変換器からの入力（つまり、ブリッジ回路の出力）に基づいて湿度を演算する演算手段を設けてある。
【００４５】
しかして、本実施形態の湿度センサ装置においては、実施形態１，２に比べてＩ／Ｖ変換回路、増幅回路、Ａ／Ｄ変換器それぞれの数を少なくすることができ、しかも、周囲温度にかかわりなく湿度を高精度に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は全体構成を示す概略構成図、（ｂ）は複合センサ素子の概略断面図である。
【図２】同上における要部説明図である。
【図３】同上の説明図である。
【図４】同上の説明図である。
【図５】同上の要部説明図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】同上の要部説明図である。
【図８】実施形態２における複合センサ素子の概略断面図である。
【図９】複合センサ素子の比較例を示す概略断面図である。
【図１０】実施形態３を示す要部説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
Ａ 複合センサ素子
１ 素子形成基板
２ 分離部
１０ 湿度センサ
１１ 第１の下部電極
１２ 第１の多孔質構造部
１３ 第１の表面電極
２０ 温度センサ
２１ 第２の下部電極
２２ 第２の多孔質構造部
２３ 第２の表面電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿度に応じて抵抗値が変化する湿度センサを利用した湿度センサ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、湿度センサ装置などに使用する湿度センサとして、多孔質シリコンを利用した感湿素子が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ここにおいて、上記特許文献１に開示された感湿素子は、シリコン基板の一表面側に酸化処理を施した多孔質シリコン層からなる感湿部が形成されるとともに、感湿部の中央部上およびシリコン基板の他表面（裏面）それぞれに電極が形成されており、水分の吸着によって抵抗値が変化する。すなわち、上記特許文献１に開示された感湿素子は、周囲湿度に応じて抵抗値が変化する。なお、上述の多孔質シリコン層は、シリコン基板を陽極とした陽極酸化処理により形成されている。
【０００４】
ところで、上記特許文献１に開示された感湿素子のように周囲湿度に応じて抵抗値が変化する感湿素子では出力値に周囲温度の影響による誤差を含むので、この種の感湿素子を利用した湿度センサ装置の出力値の誤差を小さくするには、周囲温度に応じて出力値を補正することが必要である。したがって、この種の湿度センサ装置では、例えば、湿度センサ（上記感湿素子）および温度センサそれぞれの出力を各別の増幅回路により増幅して各別のＡ／Ｄ変換器を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部に入力し、信号処理部の演算手段にて温度センサの出力を用いて湿度センサの出力を補正するように構成することにより、周囲温度に関わりなく正確な出力値を得ることができる。
【特許文献１】特許第２５５９６８２号公報（第２頁左欄第１８行〜第２４行、第２頁左欄第４７行〜右欄第５行、第２頁右欄第８行〜第２０行、第１図、第２図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１に開示された感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置では、周囲温度を検出するための温度センサを別途に用意する必要があり、装置全体が大型化するとともにコストが高くなってしまう。
【０００６】
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、装置全体の小型化および低コスト化を図れる湿度センサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
なお、本願発明者らは、多孔質シリコン層に対して酸化処理（例えば、急速熱酸化処理、電気化学的な酸化処理など）を施すことにより形成した電子通過部を表面電極と下部電極との間に備えた電界放射型電子源の研究過程において、当該電界放射型電子源を大気中で使用した場合、周囲湿度や周囲温度に応じて表面電極と下部電極との間に流れる電流が変化するという知見を得て、この知見に基づいて本願発明を行った。
【０００８】
請求項１の発明は、第１の下部電極と第１の表面電極との間に第１の多孔質構造部が設けられ周囲湿度に応じて抵抗値が変化する湿度センサと、湿度センサの周囲温度に応じて抵抗値が変化する温度センサとを備え、温度センサを利用して温度補正された湿度に応じた出力を発生する湿度センサであって、温度センサを、第２の下部電極と第２の表面電極との間に第２の多孔質構造部が設けられた構成とし、湿度センサと温度センサとを同一の素子形成基板に集積化してなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、湿度センサと温度センサとを別体として備えた湿度センサ装置に比べて装置全体の小型化および低コスト化を図れる。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記第１の下部電極と前記第２の下部電極とが前記素子形成基板の一表面上に同一材料且つ同一膜厚で形成され、前記第１の多孔質構造部と前記第２の多孔質構造部とが同一構造であり、前記第１の表面電極と前記第２の表面電極とが同一材料且つ同一膜厚で形成されてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、前記湿度センサと前記温度センサとを同じ製造プロセスで同時に形成することができるので、低コスト化を図れる。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記温度センサは、前記第２の表面電極が耐湿性を有する保護部により覆われてなることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記温度センサが周囲湿度の影響を受けるのを防止することができ、温度補正を精度良く行うことができるので、より正確な湿度を求めることが可能となる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記湿度センサは、前記第１の表面電極が前記第１の多孔質構造部の一部の表面を露出可能な形状に形成されてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、前記第１の表面電極の外周形状によらず前記第１の多孔質構造部の一部の表面が露出することになるので、前記第１の表面電極の厚みによらず前記湿度センサの感度を高めることができる。
【００１６】
請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記湿度センサが、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動用の定電圧を入力として与えることにより前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に流れる電流値を出力するものであり、前記温度センサの出力値を用いて前記湿度センサの出力値に温度補正を行う演算手段を備えることを特徴とする。
【００１７】
この発明によれば、広範囲の湿度を精度良く検知することができる。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記湿度センサが、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動用の定電流を入力として与えることにより前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間の電位差を出力するものであり、前記温度センサの出力値を用いて前記湿度センサの出力値に温度補正を行う演算手段を備えることを特徴とする。
【００１９】
この発明によれば、前記湿度センサに過電流が流れるのを防止することができ、前記湿度センサの劣化を抑制できるとともに絶縁破壊を防止することができる。
【００２０】
請求項７の発明は、請求項５または請求項６の発明において、前記湿度センサを間欠駆動する間欠駆動手段と、前記湿度センサが駆動されていない期間に、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動時とは逆極性の入力を与えることで前記湿度センサに吸着した水分を除去させるリセット手段とを備えることを特徴とする。
【００２１】
この発明によれば、前記湿度センサに吸着した水分を前記湿度センサが駆動されていない期間に除去することができ、前記湿度センサの応答速度を速めることができる。
【００２２】
請求項８の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記湿度センサと前記温度センサとの直列回路と、第１の定抵抗と第２の定抵抗との直列回路とを並列接続したブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路に定電圧を印加したときの前記湿度センサと前記温度センサとの接続点と定抵抗同士の接続点との間の出力値に基づいて湿度を演算する演算手段を備えることを特徴とする
この発明によれば、周囲温度にかかわりなく湿度を高精度に求めることができる。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１の発明では、湿度センサと温度センサとを別体として備えた湿度センサ装置に比べて装置全体の小型化および低コスト化を図れるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（実施形態１）
本実施形態の湿度センサ装置は、図１（ａ）に示すように、周囲湿度に応じて抵抗値が変化する湿度センサ１０と、湿度センサ１０の周囲温度に応じて抵抗値が変化する温度センサ２０とを備えており、湿度センサ１０が周囲湿度に対応した電流値（アナログ信号）を出力し、温度センサ２０が周囲温度に対応した電流値（アナログ信号）を出力する。
【００２５】
また、本実施形態の湿度センサ装置は、各センサ１０，２０それぞれの出力を電流−電圧変換する２つのＩ／Ｖ変換回路３１，３２と、各Ｉ／Ｖ変換回路３１，３２それぞれの出力を増幅する増幅回路４１，４２と、各増幅回路４１，４２それぞれの出力をアナログ−ディジタル変換する２つのＡ／Ｄ変換器５１，５２と、両Ａ／Ｄ変換器５１，５２の出力に基づいて温度補償した湿度を求めて出力するマイクロコンピュータからなる信号処理部６０とを備えている。
【００２６】
要するに、本実施形態の湿度センサ装置は、湿度センサ１０の出力を増幅回路４１により増幅してＡ／Ｄ変換器５１を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部６０に入力するとともに、温度センサ２０の出力を増幅回路４２により増幅してＡ／Ｄ変換器５２を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部６０に入力し、温度センサ２０の出力を用いて湿度センサ１０の出力を補正するのである。信号処理部６０には、湿度センサ１０の出力と湿度値との対応関係を第１のテーブルとして格納した第１のメモリと、温度センサ２０の出力に応じた補正値を第２のテーブルとして格納した第２のメモリとが設けられており、信号処理部６０の演算回路（図示せず）にて、Ａ／Ｄ変換器５１の出力値に基づいて第１のメモリから湿度値を読み出すとともに、Ａ／Ｄ変換器５２の出力値に基づいて第２のメモリから補正値を読み出し、湿度値を補正値により補正する。この構成により、周囲温度に関わりなく正確な出力値を得ることができるのである。なお、本実施形態では、上記演算回路が、温度センサ２０の出力値を用いて湿度センサ１０の出力値に温度補正を行う演算手段を構成している。
【００２７】
ところで、本実施形態の湿度センサ装置では、上述の湿度センサ１０と温度センサ２０とを図１（ｂ）に示すように同一の素子形成基板１に集積化した複合センサ素子Ａを備えている点に特徴がある。
【００２８】
複合センサ素子Ａは、矩形板状の絶縁性基板（例えば、絶縁性を有するガラス基板、絶縁性を有するセラミック基板など）からなる素子形成基板１の一表面上で湿度センサ１０と温度センサ２０とが並設されている。湿度センサ１０は、素子形成基板１上に形成された導電層（例えば、金属層、高濃度多結晶シリコン層など）からなる第１の下部電極１１と、第１の下部電極１１上に形成された第１の多孔質構造部１２と、第１の多孔質構造部１２上に形成された金属薄膜（例えば、金薄膜）からなる第１の表面電極１３とで構成されている。一方、温度センサ２０は、素子形成基板１上に形成された導電層（例えば、金属層、高濃度多結晶シリコン層など）からなる第２の下部電極２１と、第２の下部電極２１上に形成された第２の多孔質構造部２２と、第２の多孔質構造部２２上に形成された金属薄膜（例えば、金薄膜）からなる第２の表面電極２３とで構成されている。ここにおいて、第１の下部電極１１と第２の下部電極２１とは構成材料および膜厚を同じとしてあり、第１の表面電極１３と第２の表面電極２３とは構成材料および膜厚を同じとしてある。ただし、温度センサ２０が周囲湿度の影響を受けないように第２の表面電極２３の膜厚は上記電界放射型電子源における表面電極の膜厚（例えば、１０ｎｍ程度）に比べて厚く設定してあるので、湿度センサ１０の第１の表面電極１３については第１の多孔質構造部１２の一部の表面が露出するように第１の表面電極１３の平面サイズを第１の多孔質構造部１２の平面サイズよりも小さくしてある。言い換えれば、第１の表面電極１３は、第１の多孔質構造部１２の一部の表面を露出可能な形状に形成されている。
【００２９】
また、本実施形態の湿度センサ装置は、各センサ１０，２０の表面電極１３，２３と下部電極１１，２１との間に表面電極１３，２３を高電位側として駆動電圧を与える駆動手段（図示せず）を備えている。
【００３０】
上述の第１の多孔質構造部１２と第２の多孔質構造部２２とは同一構造であって、上記電界放射型電子源の電子通過部と同様の構造を有し、後述のように素子形成基板１の上記一表面側に成膜したノンドープの多結晶シリコン層に対して陽極酸化処理および酸化処理を行うことにより形成されており、少なくとも、図２に示すように、素子形成基板１の上記一表面側に列設された柱状の多結晶シリコンのグレイン（半導体結晶）７１と、グレイン７１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜７２と、グレイン７１間に介在する多数のナノメータオーダのシリコン微結晶（半導体微結晶）７３と、各シリコン微結晶７３の表面に形成されシリコン微結晶７３の結晶粒径よりも小さな膜厚の酸化膜である多数のシリコン酸化膜（絶縁膜）７４とから構成されている。ここに、各グレイン７１は、素子形成基板１の厚み方向に延びている。
【００３１】
上述の各センサ１０，２０では、表面電極１３，２３が下部電極１１，２１に対して高電位側となるように表面電極１３，２３と下部電極１１，２１との間に直流電圧（駆動電圧）を上記駆動手段により印加すれば、下部電極１１，１２から多孔質構造部１２，２２へ注入された電子がそれぞれ多孔質構造部１２，２２をドリフトし表面電極１３，２３へ到達するので、表面電極１３，２３から下部電極１１，２１へ電流が流れる。さらに説明すれば、各センサ１０，２０では、表面電極１３，２３と下部電極１１，２１との間に表面電極１３，２３を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極１１，２１からそれぞれ多孔質構造部１２，２２へ電子が注入される。一方、多孔質構造部１２，２２それぞれに印加された電界の大部分はシリコン酸化膜７４にかかるから、注入された電子はシリコン酸化膜７４にかかっている強電界により加速され、多孔質構造部１２，２２それぞれにおけるグレイン７１の間の領域を表面に向かって図２における上向きへドリフトし、表面電極１３，２３へ到達する。しかして、多孔質構造部１２，２２では下部電極１１，２１から注入された電子がシリコン微結晶７３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜７４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極１３，２３へ到達する。以上説明した原理は上記電界放射型電子源の動作原理と同様である。
【００３２】
図３には湿度センサ１０の一例として周囲温度が２４℃の場合について、湿度センサ１０の周囲湿度と湿度センサ１０に流れる電流の電流密度との関係データを示す。図３から、周囲湿度が高くなるにつれて電流密度が徐々に増加していることが分かる。また、図４には、温度センサ２０の第２の表面電極２３の膜厚を上記電界放射型電子源と同様に１０ｎｍとした場合について、周囲温度と温度センサ２０に流れる電流の電流密度との関係データを示す。ここに、図４中の「イ」は周囲湿度を３０％として測定した結果を示し、同図中の「ロ」は周囲湿度を５０％として測定した結果を示し、同図中の「ハ」は周囲湿度を７０％として測定した結果を示し、同図中の「ニ」は周囲湿度を９０％として測定した結果を示し、同図中の「ホ」は周囲湿度を略０％として測定した結果を示している。図４から、周囲湿度が一定であれば、周囲温度が高くなるにつれて電流密度が徐々に増加していることが分かる。そこで、本実施形態では、温度センサ２０の出力が周囲湿度の影響を受けないように第２の表面電極２３の膜厚を上記電界放射型電子源の表面電極の膜厚に比べて大きく設定してある（例えば、２０ｎｍ〜５０ｎｍ程度に設定すればよい）。なお、上述の第１のテーブルは例えば図３の結果に基づいて作成すればよく、上述の第２のテーブルは例えば図４の結果に基づいて作成すればよい。
【００３３】
以下、上述の多孔質構造部１２，２２の形成方法の一例について説明する。
【００３４】
多孔質構造部１２，２２の形成にあたっては、まず、素子形成基板１の上記一表面上に２つの下部電極１１，２１を形成し、素子形成基板１の上記一表面側の全面にノンドープの多結晶シリコン層を例えばＬＰＣＶＤ法などにより形成した後、上述の陽極酸化処理を行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン７１（図２参照）と多数のシリコン微結晶７３（図２参照）とが混在する多孔質多結晶シリコン層を形成する。ここにおいて、陽極酸化処理では、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液を用い、下部電極１１，２１を陽極とし、電解液中において多結晶シリコン層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、５００Ｗのタングステンランプからなる光源により多結晶シリコン層の主表面に光照射を行いながら、電源から陽極と陰極との間に定電流を所定時間だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン７１およびシリコン微結晶７３を含む多孔質多結晶シリコン層を形成する。
【００３５】
陽極酸化処理が終了した後に、上述の酸化処理として多孔質多結晶シリコン層を電気化学的に酸化することによって、図２のような構成の多孔質構造部１２および電子通過部２２をを形成する。酸化処理では、例えば、エチレングリコールからなる有機溶媒中に０．０４ｍｏｌ／ｌの硝酸カリウムからなる溶質を溶かした溶液よりなる電解液を用い、下部電極１１，２１を陽極とし、電解液中において多孔質多結晶シリコン層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、電源から陽極と陰極との間に定電流（例えば、電流密度が０．１ｍＡ／ｃｍ２の電流）を流し陽極と陰極との間の電圧が２０Ｖだけ上昇するまで多孔質多結晶シリコン層を電気化学的に酸化することによって、上述のグレイン７１、シリコン微結晶７３、各シリコン酸化膜７２，７４を含む多孔質構造部１２，２２を形成するようになっている。ここにおいて、上述のノンドープの多結晶シリコン層のうち多孔質構造部１２，２２となる部位以外の部分は、湿度センサ１０と温度センサ２０とを電気的に分離する分離部２を構成する。なお、本実施形態では、上述の陽極酸化処理を行うことによって形成される多孔質多結晶シリコン層においてグレイン７１、シリコン微結晶７３以外の領域は孔となっており、多孔質構造部１２，２２においてグレイン７１、シリコン微結晶７３、各シリコン酸化膜７２，７４以外の領域が孔となっている。
【００３６】
以上説明した本実施形態の湿度センサ装置では、湿度センサ１０と温度センサ２０とを別体として備えた湿度センサ装置に比べて装置全体の小型化および低コスト化を図れる。また、第１の下部電極１１と第２の下部電極２１とが素子形成基板１の上記一表面上に同一材料且つ同一膜厚で形成され、第１の多孔質構造部１２と第２の多孔質構造部２２とが同一構造であり、第１の表面電極１３と第２の表面電極２３とが同一材料且つ同一膜厚で形成されているので、湿度センサ１０と温度センサ２０とを同じ製造プロセスで同時に形成することができるので、低コスト化を図れる。
【００３７】
ところで、上記駆動手段は、第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に第１の表面電極１３を高電位側としてパルス状の定電圧からなる駆動電圧（電圧値をＶ１とすれば、例えばＶ１＝８〔Ｖ〕）を間欠的に印加可能な駆動電源８１（図５参照）を備えているが、本実施形態の湿度センサ装置では、駆動電源８１により湿度センサ１０へ上記駆動電圧が印加される期間の合間ごとに、第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に上記駆動電圧とは逆極性のパルス状の逆バイアス電圧（電圧値を−Ｖ２とすれば、例えば−Ｖ２＝−６〔Ｖ〕）を間欠的に印加可能なリセット用電源８２（図５参照）を備えている。ここに、本実施形態では、駆動電源８１を直流電圧源Ｅａとスイッチング素子Ｓａとの直列回路により構成するとともに、リセット用電源８２を直流電圧源Ｅｂとスイッチング素子Ｓｂとの直列回路により構成し、これらの直列回路を並列接続してあり、上述の信号処理部６０によってスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂが同時にオン状態とならず交互にオン状態となるようにスイッチング素子Ｓａ，Ｓｂをオンオフ制御するように構成してある。したがって、湿度センサ１０の第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間には、第１の下部電極１１を基準として図６に示すようなパターンで電圧が印加されることとなる。なお、本実施形態では、駆動電源８１と信号処理部６０とで湿度センサ１０を間欠駆動する間欠駆動手段を構成し、リセット用電源８２と信号処理部６０とで湿度センサ１０が駆動されていない期間に、第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に駆動時とは逆極性の入力を与えることで湿度センサ１０に吸着した水分を除去させるリセット手段を構成している。
【００３８】
しかして、本実施形態の湿度センサ装置では、湿度センサ１０を間欠駆動する間欠駆動手段と、湿度センサ１０が駆動されていない期間に、第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に駆動時とは逆極性の入力を与えることで湿度センサ１０に吸着した水分を除去させるリセット手段とを備えているので、湿度センサ１０の第１の多孔質構造部１２に吸着した水分を湿度センサ１０が駆動されていない期間に除去することができ、湿度センサ１０の応答速度を速めることができる。なお、上述の駆動電源８１とリセット用電源８２とを個別に設ける代わりに、図７に示すように湿度センサ１０の第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に交流電圧を印加する交流電源Ｅｓを設けてもよい。
【００３９】
（実施形態２）
本実施形態の湿度センサ装置の基本構成は実施形態１と略同じであって、複合センサ素子Ａにおける温度センサ２０の第２の表面電極２３の周囲を、耐湿性を有する材料（例えば、エポキシ樹脂など）からなる保護部２４により覆っている点に特徴がある。なお、保護部２４の材料は、エポキシ樹脂に限らず、金属などを採用可能であるが、熱伝導率の高い材料を採用することが望ましい。他の構成は実施形態１と同じなので図示および説明を省略する。
【００４０】
しかして、本実施形態の湿度センサ装置では、温度センサ２０が周囲湿度の影響を受けるのを確実に防止することができ、温度補正を精度良く行うことができるので、より正確な湿度を求めることが可能となる。特に、本実施形態の湿度センサ装置では、第２の表面電極１３の平面サイズと第２の多孔質構造部２２の平面サイズとを同じサイズに設定しているような場合、製造時に第２の表面電極１３の位置ずれが生じて第２の多孔質構造部２２の一部の表面が露出しても保護部２４により覆われるので、温度センサ２０が周囲湿度の影響を受けるのを確実に防止することができるという利点がある。したがって、各表面電極１３，２３の膜厚を上記電界放射型電子源の表面電極と同様に電子がトンネリング可能な膜厚（例えば、１０ｎｍ）程度に薄くして、第１の表面電極１３の平面サイズと第１の多孔質構造部１２の平面サイズとを揃えるようにしてもよい。
【００４１】
ところで、上記各実施形態の湿度センサ装置において、第１の表面電極１３の平面形状をメッシュ状の形状とすれば、第１の多孔質構造部１２の表面の周部だけでなく中央部も露出することになるので、第１の表面電極１３の平面サイズおよび第１の表面電極１３の厚みによらず湿度センサ１０の感度を高めることができる。
【００４２】
なお、上記各実施形態では、温度センサ２０を湿度センサ１０と同様の構造としているので、図９に示すように、ノンドープの多結晶シリコン層からなる分離部２上で一対の電極９２，９２間に感温部９１が介在するサーミスタ９０を温度センサとして用いる場合に比べて製造プロセスが簡単になる。
【００４３】
また、上記各実施形態では、湿度センサ１０の第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に駆動用の定電圧を入力として与えることにより第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に流れる電流値を湿度センサ１０の出力としており、広範囲の湿度を精度良く検知することができるが、湿度センサ１０の第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間に駆動用の定電流を入力として与えることにより第１の表面電極１３と第１の下部電極１１との間の電位差（電圧値）を湿度センサ１０の出力とするようにすれば、湿度センサ１０に過電流が流れるのを防止することができ、湿度センサ１０の第１の多孔質構造部１２の劣化を抑制できるとともに絶縁破壊を防止することができる。このように、湿度センサ１０の出力値を電圧値（アナログ値）とした場合には上述のＩ／Ｖ変換回路３１が不要となるという利点もある。
【００４４】
（実施形態３）
本実施形態の湿度センサ装置では、実施形態１にて説明した複合センサ素子Ａにおける湿度センサ１０を抵抗Ｒｓ、温度センサ２０を抵抗Ｒｅとして、図１０に示すように、抵抗Ｒｓと抵抗Ｒｅとの直列回路と、第１の定抵抗Ｒ１と第２の定抵抗Ｒ２との直列回路とを並列接続したブリッジ回路を備えており、ブリッジ回路に直流電源Ｅｄから定電圧を印加したときの抵抗Ｒｓと抵抗Ｒｅとの接続点と定抵抗Ｒ１，Ｒ２同士の接続点との間の出力値（電位差）Ｖoutを増幅回路（図示せず）により増幅してＡ／Ｄ変換器（図示せず）を用いてディジタル値に変換した後にマイクロコンピュータからなる信号処理部（図示せず）に入力するように構成してあり、信号処理部に、Ａ／Ｄ変換器からの入力（つまり、ブリッジ回路の出力）に基づいて湿度を演算する演算手段を設けてある。
【００４５】
しかして、本実施形態の湿度センサ装置においては、実施形態１，２に比べてＩ／Ｖ変換回路、増幅回路、Ａ／Ｄ変換器それぞれの数を少なくすることができ、しかも、周囲温度にかかわりなく湿度を高精度に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は全体構成を示す概略構成図、（ｂ）は複合センサ素子の概略断面図である。
【図２】同上における要部説明図である。
【図３】同上の説明図である。
【図４】同上の説明図である。
【図５】同上の要部説明図である。
【図６】同上の動作説明図である。
【図７】同上の要部説明図である。
【図８】実施形態２における複合センサ素子の概略断面図である。
【図９】複合センサ素子の比較例を示す概略断面図である。
【図１０】実施形態３を示す要部説明図である。
【符号の説明】
【００４７】
Ａ 複合センサ素子
１ 素子形成基板
２ 分離部
１０ 湿度センサ
１１ 第１の下部電極
１２ 第１の多孔質構造部
１３ 第１の表面電極
２０ 温度センサ
２１ 第２の下部電極
２２ 第２の多孔質構造部
２３ 第２の表面電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の下部電極と第１の表面電極との間に第１の多孔質構造部が設けられ周囲湿度に応じて抵抗値が変化する湿度センサと、湿度センサの周囲温度に応じて抵抗値が変化する温度センサとを備え、温度センサを利用して温度補正された湿度に応じた出力を発生する湿度センサであって、温度センサを、第２の下部電極と第２の表面電極との間に第２の多孔質構造部が設けられた構成とし、湿度センサと温度センサとを同一の素子形成基板に集積化してなることを特徴とする湿度センサ装置。
【請求項２】
前記第１の下部電極と前記第２の下部電極とが前記素子形成基板の一表面上に同一材料且つ同一膜厚で形成され、前記第１の多孔質構造部と前記第２の多孔質構造部とが同一構造であり、前記第１の表面電極と前記第２の表面電極とが同一材料且つ同一膜厚で形成されてなることを特徴とする請求項１記載の湿度センサ装置。
【請求項３】
前記温度センサは、前記第２の表面電極が耐湿性を有する保護部により覆われてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の湿度センサ装置。
【請求項４】
前記湿度センサは、前記第１の表面電極が前記第１の多孔質構造部の一部の表面を露出可能な形状に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の湿度センサ装置。
【請求項５】
前記湿度センサが、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動用の定電圧を入力として与えることにより前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に流れる電流値を出力するものであり、前記温度センサの出力値を用いて前記湿度センサの出力値に温度補正を行う演算手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の湿度センサ装置。
【請求項６】
前記湿度センサが、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動用の定電流を入力として与えることにより前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間の電位差を出力するものであり、前記温度センサの出力値を用いて前記湿度センサの出力値に温度補正を行う演算手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の湿度センサ装置。
【請求項７】
前記湿度センサを間欠駆動する間欠駆動手段と、前記湿度センサが駆動されていない期間に、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動時とは逆極性の入力を与えることで前記湿度センサに吸着した水分を除去させるリセット手段とを備えることを特徴とする請求項５または請求項６記載の湿度センサ装置。
【請求項８】
前記湿度センサと前記温度センサとの直列回路と、第１の定抵抗と第２の定抵抗との直列回路とを並列接続したブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路に定電圧を印加したときの前記湿度センサと前記温度センサとの接続点と定抵抗同士の接続点との間の出力値に基づいて湿度を演算する演算手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の湿度センサ装置。
【請求項１】
第１の下部電極と第１の表面電極との間に第１の多孔質構造部が設けられ周囲湿度に応じて抵抗値が変化する湿度センサと、湿度センサの周囲温度に応じて抵抗値が変化する温度センサとを備え、温度センサを利用して温度補正された湿度に応じた出力を発生する湿度センサであって、温度センサを、第２の下部電極と第２の表面電極との間に第２の多孔質構造部が設けられた構成とし、湿度センサと温度センサとを同一の素子形成基板に集積化してなることを特徴とする湿度センサ装置。
【請求項２】
前記第１の下部電極と前記第２の下部電極とが前記素子形成基板の一表面上に同一材料且つ同一膜厚で形成され、前記第１の多孔質構造部と前記第２の多孔質構造部とが同一構造であり、前記第１の表面電極と前記第２の表面電極とが同一材料且つ同一膜厚で形成されてなることを特徴とする請求項１記載の湿度センサ装置。
【請求項３】
前記温度センサは、前記第２の表面電極が耐湿性を有する保護部により覆われてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の湿度センサ装置。
【請求項４】
前記湿度センサは、前記第１の表面電極が前記第１の多孔質構造部の一部の表面を露出可能な形状に形成されてなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の湿度センサ装置。
【請求項５】
前記湿度センサが、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動用の定電圧を入力として与えることにより前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に流れる電流値を出力するものであり、前記温度センサの出力値を用いて前記湿度センサの出力値に温度補正を行う演算手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の湿度センサ装置。
【請求項６】
前記湿度センサが、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動用の定電流を入力として与えることにより前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間の電位差を出力するものであり、前記温度センサの出力値を用いて前記湿度センサの出力値に温度補正を行う演算手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の湿度センサ装置。
【請求項７】
前記湿度センサを間欠駆動する間欠駆動手段と、前記湿度センサが駆動されていない期間に、前記第１の表面電極と前記第１の下部電極との間に駆動時とは逆極性の入力を与えることで前記湿度センサに吸着した水分を除去させるリセット手段とを備えることを特徴とする請求項５または請求項６記載の湿度センサ装置。
【請求項８】
前記湿度センサと前記温度センサとの直列回路と、第１の定抵抗と第２の定抵抗との直列回路とを並列接続したブリッジ回路を備え、前記ブリッジ回路に定電圧を印加したときの前記湿度センサと前記温度センサとの接続点と定抵抗同士の接続点との間の出力値に基づいて湿度を演算する演算手段を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の湿度センサ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００６−３８５９１（Ｐ２００６−３８５９１Ａ）
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２１７７９２（Ｐ２００４−２１７７９２）
【出願日】平成１６年７月２６日（２００４．７．２６）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年２月９日（２００６．２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月２６日（２００４．７．２６）
【出願人】（０００００５８３２）松下電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]