湿度センサ装置
【課題】水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置を提供する。
【解決手段】湿度センサ１は、表面電極７と下部電極１２との間に電子通過部６を有し大気圧中へ電子を放出可能な電子源１０と、表面電極７に対向配置されるアノード電極１４と、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として駆動電圧を印加する駆動手段としての駆動電源Ｅｄと、アノード電極１４と表面電極７との間にアノード電極１４を高電位側として加速電圧を印加する加速電圧印加手段としての加速用電源Ｅａとを備える。信号処理部５０は、アノード電極１４と表面電極７との間に流れる電流の電流値に基づいて湿度を求める演算手段を備える。電子源１０の表面電極７は、電子通過部６が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段としての防湿部８を兼ねている。
【解決手段】湿度センサ１は、表面電極７と下部電極１２との間に電子通過部６を有し大気圧中へ電子を放出可能な電子源１０と、表面電極７に対向配置されるアノード電極１４と、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として駆動電圧を印加する駆動手段としての駆動電源Ｅｄと、アノード電極１４と表面電極７との間にアノード電極１４を高電位側として加速電圧を印加する加速電圧印加手段としての加速用電源Ｅａとを備える。信号処理部５０は、アノード電極１４と表面電極７との間に流れる電流の電流値に基づいて湿度を求める演算手段を備える。電子源１０の表面電極７は、電子通過部６が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段としての防湿部８を兼ねている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、湿度センサとして水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を利用しているので、感湿部における水分の吸着、脱離、乾燥などに伴うストレスに起因して感湿素子の寿命が短く、湿度センサ装置の寿命が感湿素子の寿命により制限されてしまうという不具合があった。
【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、水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の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、多結晶シリコン層に陽極酸化処理を施し更に酸化処理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に関する研究過程において、電界放射型電子源の表面電極に対向するアノード電極を設けて大気中で電界放射型電子源から電子を放出させた場合、雰囲気の湿度に応じてアノード電極と表面電極との間に流れるエミッション電流の電流値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、表面電極と下部電極との間に電子通過部を有し下部電極から電子通過部へ注入された電子が電子通過部を通過し表面電極を通して大気圧中へ放出される電子源と、電子源の表面電極に対向配置されるアノード電極と、電子源の表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として駆動電圧を印加する駆動手段と、アノード電極と表面電極との間にアノード電極を高電位側として加速電圧を印加する加速電圧印加手段と、アノード電極と表面電極との間に流れる電流の電流値に基づいて湿度を求める演算手段とを備え、電子源に、電子通過部が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段を設けてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、電子源とアノード電極との間の空間の湿度に応じてアノード電極と表面電極との間に流れる電流の電流値が変化し、しかも、電子源に防湿手段が設けられていることにより電子源の電子通過部に水分が吸着して電子源の抵抗値が変化するとともに電子通過部がストレスを受けるのを防止することができるので、水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができる。
【００１０】
請求項２の発明は、表面電極と下部電極との間に電子通過部を有し下部電極から電子通過部へ注入された電子が電子通過部を通過し表面電極を通して大気圧中へ放出される電子源と、電子源の表面電極に対向配置されるアノード電極と、電子源の表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として単パルスの駆動電圧を印加する駆動手段と、アノード電極と表面電極との間にアノード電極を高電位側として前記駆動電圧に同期する単パルスの加速電圧を印加する加速電圧印加手段と、アノード電極における表面電極との対向面に配設された絶縁体層と、絶縁体層の帯電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段による検出電圧が所定の閾値に低下するまでの時間に基づいて湿度を求める演算手段とを備え、電子源に、電子通過部が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段を設けてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、電子源とアノード電極との間の空間の湿度に応じて電圧検出手段による検出電圧が所定の閾値に低下するまでの時間が変化し、しかも、電子源に防湿手段が設けられていることにより電子源の電子通過部に水分が吸着して電子源の抵抗値が変化するとともに電子通過部がストレスを受けるのを防止することができるので、水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができる。
【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、前記電子源における前記表面電極の膜厚を、前記下部電極から前記電子通過部を通過して前記表面電極へ到達した電子がトンネル可能であって且つ前記表面電極の表面側から前記電子通過部への水分の侵入を防止可能な膜厚に設定してあり、前記表面電極が、前記防湿手段を兼ねていることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記防湿手段として特別な構造を設ける必要がないので、低コスト化を図れる。
【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、前記電子源と前記アノード電極とが収納されたケースを備え、ケースには、前記電子源と前記アノード電極との間の空間へ湿度検出対象のガスを導入するガス導入口が設けられてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、湿度検出対象のガスの湿度を精度良く求めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１，２の発明では、水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（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、周囲湿度に応じて出力値が変化する湿度センサ１と、湿度センサ１の周囲温度に応じて抵抗値が変化する温度センサ２とを備えており、湿度センサ１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２が周囲温度に対応した電流値（アナログ信号）を出力する。
【００１８】
また、本実施形態の湿度センサ装置は、各センサ１，２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２１，２２と、各Ｉ／Ｖ変換回路２１，２２それぞれの出力を増幅する増幅回路３１，３２と、各増幅回路３１，３２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４１，４２と、両Ａ／Ｄ変換器４１，４２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５０とを備えている。
【００１９】
要するに、本実施形態の湿度センサ装置は、湿度センサ１の出力を電圧値に変換し増幅回路３１により増幅してＡ／Ｄ変換器４１を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部５０に入力するとともに、温度センサ２の出力を電圧値に変換し増幅回路３２により増幅してＡ／Ｄ変換器４２を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部５０に入力し、温度センサ２の出力を用いて湿度センサ１の出力を補正するのである。信号処理部５０には、湿度センサ１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２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５０の演算回路（図示せず）にて、Ａ／Ｄ変換器４１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４２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。
【００２０】
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１として、図１（ｂ）に示すような電子源１０を利用している点に特徴がある。なお、図１（ｂ）中の一点鎖線の矢印は電子源１０から放出された電子ｅ−の流れを示している。また、温度センサ２としては、従来から提供されている各種温度センサ（例えば、サーミスタなど）を採用可能であるが、出力として電圧値が得られる温度センサを採用する場合には、上述のＩ／Ｖ変換回路２２が不要となる。
【００２１】
電子源１０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）１１の一表面上に導電層（例えば、金属層、高濃度多結晶シリコン層など）からなる下部電極１２が形成され、下部電極１２上に電子通過部６が形成され、電子通過部６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）からなる表面電極７が形成されており、下部電極１２から電子通過部６へ注入された電子が電子通過部６を通過し表面電極７を通して大気圧中へ放出される。また、湿度センサ１は、上述の電子源１０の他に、電子源１０の表面電極７に対向配置されるアノード電極１４と、電子源１０の表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として駆動電圧を印加する駆動手段としての駆動電源Ｅｄと、アノード電極１４と表面電極７との間にアノード電極１４を高電位側として加速電圧を印加する加速電圧印加手段としての加速用電源Ｅａと、アノード電極１４と表面電極７との間に流れる電流を検出する電流検出手段としての電流センサ１５とを備え、電流センサ１５の出力がＩ／Ｖ変換回路２１へ入力される。したがって、上述の演算回路が電子源１０のアノード電極１４と表面電極７との間に流れる電流の電流値に基づいて湿度を求める演算手段を構成している。
【００２２】
電子源１０の電子通過部６は、後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを行うことにより形成されており、図２に示すように、少なくとも、下部電極１２の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）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１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）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３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）６４とから構成されると考えられる。ここに、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている（つまり、絶縁性基板１１の厚み方向に延びている）。
【００２３】
上述の電子源１０では、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に駆動電源Ｅｄから駆動電圧を印加すれば、下部電極１２から電子通過部６へ注入された電子が電子通過部６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図２中の上向きの矢印は表面電極７を通して放出される電子ｅ−の流れを示す）。ここに、電子通過部６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし大気圧中に放出される。なお、本実施形態における電子源１０では、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として印加する駆動電圧を８〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、駆動電圧が大きいほどエミッション電流が大きくなる（つまり、電流センサ１５の出力が大きくなる）とともに放出される電子のエネルギが高くなる。ここにおいて、電子源１０へ与える駆動電圧はパルス状の定電圧（例えば、８Ｖ）であり、駆動電圧を印加していない時にパルス状の逆バイアス電圧（例えば、−６Ｖ）を印加するようにすれば、電子源１０の電子通過部６へ電子がトラップされることによる電子源１０の経時的な劣化を抑制でき、長寿命化を図ることができる。ここで、逆バイアス電圧の絶対値は、例えば、逆方向電流の絶対値が、駆動電圧の印加時に流れる順方向電流の絶対値の１０〜３０％程度の値になるように設定すればよい。また、アノード電極１４と表面電極７との間に与える加速電圧は１ｋＶに設定してあるが、加速電圧は特に限定するものではなく、例えば、１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲で適宜設定すればよい。
【００２４】
本実施形態における電子源１０の基本構成は周知であり、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極１２から電子通過部６へ電子ｅ−が注入される。一方、電子通過部６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ−はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、電子通過部６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図２中の矢印の向き（図２における上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし放出される。しかして、電子通過部６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、電子通過部６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。
【００２５】
図３には湿度センサ１の出力特性の一例として周囲温度が２４℃の場合について、湿度センサ１の周囲湿度と電流センサ１５により検出さ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減少していることが分かる。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い。
【００２６】
以下、電子通過部６の形成方法の一例について説明する。
【００２７】
電子通過部６の形成にあたっては、まず、絶縁性基板１１上に形成した下部電極１２上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、上述のナノ結晶化プロセスを行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン５１（図２参照）と多数のシリコン微結晶６３（図２参照）とが混在する複合ナノ結晶層（以下、第１の複合ナノ結晶層と称す）を形成する。ここにおいて、ナノ結晶化プロセスでは、例えば、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１２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（例えば、電流密度が２ｍＡ／ｃｍ２の電流）を所定時間（例えば、３０秒）だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む第１の複合ナノ結晶層を形成する。
【００２８】
ナノ結晶化プロセスが終了した後に、上述の酸化プロセスを行うことで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、図２のような構成の複合ナノ結晶層（以下、第２の複合ナノ結晶層と称す）からなる電子通過部６を形成する。酸化プロセスでは、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１２を陽極とし、電解液中において第１の複合ナノ結晶層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、下部電極１２を陽極とし、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だけ上昇するまで第１の複合ナノ結晶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５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む第２の複合ナノ結晶層からなる電子通過部６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下部電極１２の厚み方向に直交する面内で電子通過部６の周囲に残った部分は素子分離部３を構成する。なお、本実施形態では、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって形成される第１の複合ナノ結晶層においてグレイン５１、シリコン微結晶６３以外の領域はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域となっており、電子通過部６においてグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化したアモルファスシリコンからなるアモルファス領域６５となっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはアモルファス領域６５が孔となり、このような場合の第１の複合ナノ結晶層は多孔質多結晶シリコン層とみなすことができる。
【００２９】
ところで、上記構成の電子源１０をディスプレイ用の電子源として用いる場合にはエミッション電流および電子放出効率を高める必要があり表面電極７の膜厚を薄くする方が望ましく、表面電極７の膜厚を１０ｎｍ程度に設定することが好ましいが、本実施形態では、電子源１０を湿度センサ１の構成要素として利用しており、電子通過部６が湿度の影響を受けないようにする必要があるので、電子通過部６が湿度の影響を受けないように表面電極７の膜厚を２０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲で設定してある。すなわち、本実施形態では、電子源１０における表面電極７の膜厚を、下部電極１２から電子通過部６へ注入されて電子通過部６を通過して到達した電子がトンネル可能であって且つ表面電極７の表面側から電子通過部６への水分の侵入を防止可能な膜厚に設定してあり、表面電極７が、電子通過部６が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段としての防湿部８を兼ねている。ここにおいて、本実施形態では、表面電極７の材料として、Ａｕを採用しているが、表面電極７の材料はＡｕに限定するものではなく、例えば、Ｃｒ，Ｐｔ，Ｉｒなどの他の金属や、ＴａＮなどの導電性窒化物や、ＨｆＣなどの導電性炭化物、などを採用してもよい。また、表面電極７の成膜方法としては、スパッタ法を採用しているが、スパッタ法に限らず、電子ビーム蒸着法やＣＶＤ法などを採用してもよい。なお、表面電極７は、単層構造に限らず、多層構造としてもよい。
【００３０】
以上説明した本実施形態の湿度センサ装置では、電子源１０とアノード電極１４との間の空間の湿度に応じてアノード電極１４と表面電極７との間に流れる電流の電流値が変化し、しかも、電子源１０に防湿部８が設けられていることにより電子源１０の電子通過部６に水分が吸着して電子源１０の抵抗値が変化するとともに電子通過部６がストレスを受けるのを防止することができるので、従来のように水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができるのである。また、上述のように表面電極７が防湿手段としての防湿部８を兼ねているので、防湿手段として特別な構造を設ける必要がなく、低コスト化を図れる。
【００３１】
（実施形態２）
本実施形態の湿度センサ装置では、図４に示すように湿度センサ１の構成の一部が実施形態１とは相違し、アノード電極１４における表面電極７との対向面に配設される絶縁体層１６と、絶縁体層１６の帯電圧（絶縁体層１６とグランドとの間の電位）を検出する電圧検出手段１７とを備え、電流センサ１５を設けていない点などが相違する。ここにおいて、絶縁体層１６の材料は、電子源１０から放出された電子により帯電しやすい材料であればよく、例えばブラスチックやシリコンなどを採用すればよい。また、本実施形態では、駆動電源Ｅｄが、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として単パルスの駆動電圧を印加する駆動手段を構成し、加速用電源Ｅａが、アノード電極１４と表面電極７との間にアノード電極１４を高電位側として上記駆動電圧に同期する単パルスの加速電圧を印加する加速電圧印加手段を構成している。なお、湿度センサ１における電子源１０の構造は実施形態１と同じである。
【００３２】
ところで、本実施形態における湿度センサ１では、表面電極７と下部電極１２との間に駆動電源Ｅｄから図５（ａ）に示すような単パルスの駆動電圧（例えば、最大値がＶｄでパルス幅が１００ｍｓｅｃの電圧）を印加するとともに、アノード電極１４と表面電極７との間に加速用電源Ｅａから単パルスの加速電圧を印加した場合、電圧検出手段１７の出力電圧は図５（ｂ）に示すようになり、駆動電圧および加速電圧がオフになった時点からの出力電圧の立下り特性が周囲湿度に応じて異なる。図５（ｂ）には立下り特性として実線「イ」と一点鎖線「ロ」と二点鎖線「ハ」との３種類の立下り特性を示してあるが、これら３つの立下り特性は実線「イ」が最も湿度が低い場合、二点鎖線「ハ」が最も湿度が高い場合を示しいる（つまり、実線「イ」、一点鎖線「ロ」、二点鎖線「ハ」の順に湿度が高くなる）。図５（ｂ）から分かるように、電圧検出手段１７による検出電圧が初期値Ｖ１から所定の閾値Ｖth（例えば、初期値Ｖ１の１０％の値）に低下するまでの時間をそれぞれＴ１，Ｔ２，Ｔ３とすれば、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３となる。なお、本実施形態では、閾値Ｖthを初期値Ｖ１の１０％の値に設定してあるが、閾値Ｖthは特に限定するものではなく、例えば、初期値Ｖ１の５〜５０％の範囲で適宜設定すればよい。
【００３３】
また、本実施形態における湿度センサ装置では、信号処理部５０における演算手段が、電圧検出手段１７による検出電圧の立下り特性において所定の閾値Ｖthに低下するまでの時間に基づいて湿度を求め、温度センサ２の出力に基づいて温度補正を行う点が相違する。
【００３４】
以上説明した本実施形態の湿度センサ装置では、電子源１０とアノード電極１４との間の空間の湿度に応じて電圧検出手段１７による検出電圧が所定の閾値Ｖthに低下するまでの時間が変化し、しかも、電子源１０に防湿部８が設けられていることにより電子源１０の電子通過部６に水分が吸着して電子源１０の抵抗値が変化するとともに電子通過部６がストレスを受けるのを防止することができるので、従来のように水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができるのである。また、上述のように表面電極７が防湿部８を兼ねているので、防湿手段として特別な構造を設ける必要がなく、低コスト化を図れる。
【００３５】
（実施形態３）
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、図６に示すように、電子源１０とアノード電極１４とが収納されたケース７０を備え、ケース７０には、電子源１０とアノード電極１４との間の空間へ湿度検出対象のガスを導入するガス導入口７２が設けられている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については説明を省略する。
【００３６】
ケース７０は、電子源１０とアノード電極１４とが収納される直方体状のケース本体７０ａを備えており、図６を用いて上下方向および左右方向を規定すれば、ケース本体７０ａの下壁における上壁との対向面に電子源１０が配置され、ケース本体７０ａの上壁における電子源１０との対向部位にアノード電極１４が配置されている。また、ケース７０は、ケース本体７０ａの左側壁から左側方に突出した円筒状の導入部７１の先端面にガス導入口７２が設けられ、ケース本体７０ａの右側壁から右側方に突出した円筒状の導出部７３の先端面にガス導出口７４が設けられており、導入部７１および導出部７３それぞれの流路の断面積がケース本体７０ａの流路の断面積よりも小さくなっている。図６において左側の矢印Ｆ１はガス導入口７２へ供給されるガスの流れ方向を示し、右側の矢印Ｆ２はガス導出口７４を通して排出されるガスの流れ方向を示している。なお、導入部７１および導出部７３の流路の断面積は、ケース本体７０ａの流路の断面積と同じであってもよいし、ケース本体７０ａの流路の断面積よりも大きくてもよい。
【００３７】
しかして、本実施形態の湿度センサ装置では、ケース７０内において電子源１０とアノード電極１４との間の空間に湿度検出対象のガスが供給されるので、湿度検出対象のガスの湿度を精度良く求めることができる。
【００３８】
ところで、本実施形態では上述のケース７０を実施形態１の湿度センサ１に適用した例について説明したが、上述のケース７０を実施形態２の湿度センサ１に適用してもよく、この場合には、アノード電極１４と表面電極７との間に入力電圧を印加することで湿度センサ１の絶縁体層１６を帯電させた後に、ガスをケース７０内に導入すれば、上記初期値Ｖ１のばらつきを低減できるので、ガスの湿度を精度良く求めることができる。
【００３９】
また、上記各実施形態の電子源１０は、絶縁性基板１１の上記一表面側に下部電極１２を形成しているが、絶縁性基板１１に代えてシリコン基板などの半導体基板を用い、半導体基板と当該半導体基板の裏面側に積層した導電性層（例えば、オーミック電極）とで下部電極を構成するようにしてもよい。また、上記各実施形態における電子源１０は弾道型電子放出現象により電子を放出する電子源であって弾道電子面放出型電子源（Ballistic electron Surface-emitting Device：ＢＳＤ）と呼ばれているが、電子源１０はＢＳＤに限らず、大気圧中で電子放出が可能な電子源であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【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）は湿度センサの概略構成図である。
【図２】同上における要部説明図である。
【図３】同上における湿度センサの特性説明図である。
【図４】実施形態２における湿度センサの概略構成図である。
【図５】同上における湿度センサの特性説明図である。
【図６】実施形態３を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 湿度センサ
６ 電子通過部
７ 表面電極
８ 防湿部
１０ 電子源
１２ 下部電極
１４ アノード電極
１５ 電流センサ
Ｅｄ 駆動電源
Ｅａ 加速用電源
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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、湿度センサとして水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を利用しているので、感湿部における水分の吸着、脱離、乾燥などに伴うストレスに起因して感湿素子の寿命が短く、湿度センサ装置の寿命が感湿素子の寿命により制限されてしまうという不具合があった。
【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、水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の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、多結晶シリコン層に陽極酸化処理を施し更に酸化処理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に関する研究過程において、電界放射型電子源の表面電極に対向するアノード電極を設けて大気中で電界放射型電子源から電子を放出させた場合、雰囲気の湿度に応じてアノード電極と表面電極との間に流れるエミッション電流の電流値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、表面電極と下部電極との間に電子通過部を有し下部電極から電子通過部へ注入された電子が電子通過部を通過し表面電極を通して大気圧中へ放出される電子源と、電子源の表面電極に対向配置されるアノード電極と、電子源の表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として駆動電圧を印加する駆動手段と、アノード電極と表面電極との間にアノード電極を高電位側として加速電圧を印加する加速電圧印加手段と、アノード電極と表面電極との間に流れる電流の電流値に基づいて湿度を求める演算手段とを備え、電子源に、電子通過部が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段を設けてなることを特徴とする。
【０００９】
この発明によれば、電子源とアノード電極との間の空間の湿度に応じてアノード電極と表面電極との間に流れる電流の電流値が変化し、しかも、電子源に防湿手段が設けられていることにより電子源の電子通過部に水分が吸着して電子源の抵抗値が変化するとともに電子通過部がストレスを受けるのを防止することができるので、水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができる。
【００１０】
請求項２の発明は、表面電極と下部電極との間に電子通過部を有し下部電極から電子通過部へ注入された電子が電子通過部を通過し表面電極を通して大気圧中へ放出される電子源と、電子源の表面電極に対向配置されるアノード電極と、電子源の表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として単パルスの駆動電圧を印加する駆動手段と、アノード電極と表面電極との間にアノード電極を高電位側として前記駆動電圧に同期する単パルスの加速電圧を印加する加速電圧印加手段と、アノード電極における表面電極との対向面に配設された絶縁体層と、絶縁体層の帯電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段による検出電圧が所定の閾値に低下するまでの時間に基づいて湿度を求める演算手段とを備え、電子源に、電子通過部が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段を設けてなることを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、電子源とアノード電極との間の空間の湿度に応じて電圧検出手段による検出電圧が所定の閾値に低下するまでの時間が変化し、しかも、電子源に防湿手段が設けられていることにより電子源の電子通過部に水分が吸着して電子源の抵抗値が変化するとともに電子通過部がストレスを受けるのを防止することができるので、水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができる。
【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、前記電子源における前記表面電極の膜厚を、前記下部電極から前記電子通過部を通過して前記表面電極へ到達した電子がトンネル可能であって且つ前記表面電極の表面側から前記電子通過部への水分の侵入を防止可能な膜厚に設定してあり、前記表面電極が、前記防湿手段を兼ねていることを特徴とする。
【００１３】
この発明によれば、前記防湿手段として特別な構造を設ける必要がないので、低コスト化を図れる。
【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、前記電子源と前記アノード電極とが収納されたケースを備え、ケースには、前記電子源と前記アノード電極との間の空間へ湿度検出対象のガスを導入するガス導入口が設けられてなることを特徴とする。
【００１５】
この発明によれば、湿度検出対象のガスの湿度を精度良く求めることができる。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１，２の発明では、水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができるという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
（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、周囲湿度に応じて出力値が変化する湿度センサ１と、湿度センサ１の周囲温度に応じて抵抗値が変化する温度センサ２とを備えており、湿度センサ１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２が周囲温度に対応した電流値（アナログ信号）を出力する。
【００１８】
また、本実施形態の湿度センサ装置は、各センサ１，２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２１，２２と、各Ｉ／Ｖ変換回路２１，２２それぞれの出力を増幅する増幅回路３１，３２と、各増幅回路３１，３２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４１，４２と、両Ａ／Ｄ変換器４１，４２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５０とを備えている。
【００１９】
要するに、本実施形態の湿度センサ装置は、湿度センサ１の出力を電圧値に変換し増幅回路３１により増幅してＡ／Ｄ変換器４１を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部５０に入力するとともに、温度センサ２の出力を電圧値に変換し増幅回路３２により増幅してＡ／Ｄ変換器４２を用いてディジタル値に変換した後に信号処理部５０に入力し、温度センサ２の出力を用いて湿度センサ１の出力を補正するのである。信号処理部５０には、湿度センサ１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２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５０の演算回路（図示せず）にて、Ａ／Ｄ変換器４１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４２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。
【００２０】
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１として、図１（ｂ）に示すような電子源１０を利用している点に特徴がある。なお、図１（ｂ）中の一点鎖線の矢印は電子源１０から放出された電子ｅ−の流れを示している。また、温度センサ２としては、従来から提供されている各種温度センサ（例えば、サーミスタなど）を採用可能であるが、出力として電圧値が得られる温度センサを採用する場合には、上述のＩ／Ｖ変換回路２２が不要となる。
【００２１】
電子源１０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）１１の一表面上に導電層（例えば、金属層、高濃度多結晶シリコン層など）からなる下部電極１２が形成され、下部電極１２上に電子通過部６が形成され、電子通過部６上に金属薄膜（例えば、金薄膜）からなる表面電極７が形成されており、下部電極１２から電子通過部６へ注入された電子が電子通過部６を通過し表面電極７を通して大気圧中へ放出される。また、湿度センサ１は、上述の電子源１０の他に、電子源１０の表面電極７に対向配置されるアノード電極１４と、電子源１０の表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として駆動電圧を印加する駆動手段としての駆動電源Ｅｄと、アノード電極１４と表面電極７との間にアノード電極１４を高電位側として加速電圧を印加する加速電圧印加手段としての加速用電源Ｅａと、アノード電極１４と表面電極７との間に流れる電流を検出する電流検出手段としての電流センサ１５とを備え、電流センサ１５の出力がＩ／Ｖ変換回路２１へ入力される。したがって、上述の演算回路が電子源１０のアノード電極１４と表面電極７との間に流れる電流の電流値に基づいて湿度を求める演算手段を構成している。
【００２２】
電子源１０の電子通過部６は、後述のナノ結晶化プロセスおよび酸化プロセスを行うことにより形成されており、図２に示すように、少なくとも、下部電極１２の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）５１と、グレイン５１の表面に形成された薄いシリコン酸化膜５２と、グレイン５１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）６３と、各シリコン微結晶６３の表面に形成され当該シリコン微結晶６３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）６４とから構成されると考えられる。ここに、各グレイン５１は、下部電極１２の厚み方向に延びている（つまり、絶縁性基板１１の厚み方向に延びている）。
【００２３】
上述の電子源１０では、表面電極７が下部電極１２に対して高電位側となるように表面電極７と下部電極１２との間に駆動電源Ｅｄから駆動電圧を印加すれば、下部電極１２から電子通過部６へ注入された電子が電子通過部６をドリフトし表面電極７を通して放出される（図２中の上向きの矢印は表面電極７を通して放出される電子ｅ−の流れを示す）。ここに、電子通過部６の表面に到達した電子はホットエレクトロンであると考えられ、表面電極７を容易にトンネルし大気圧中に放出される。なお、本実施形態における電子源１０では、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として印加する駆動電圧を８〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出させることができ、駆動電圧が大きいほどエミッション電流が大きくなる（つまり、電流センサ１５の出力が大きくなる）とともに放出される電子のエネルギが高くなる。ここにおいて、電子源１０へ与える駆動電圧はパルス状の定電圧（例えば、８Ｖ）であり、駆動電圧を印加していない時にパルス状の逆バイアス電圧（例えば、−６Ｖ）を印加するようにすれば、電子源１０の電子通過部６へ電子がトラップされることによる電子源１０の経時的な劣化を抑制でき、長寿命化を図ることができる。ここで、逆バイアス電圧の絶対値は、例えば、逆方向電流の絶対値が、駆動電圧の印加時に流れる順方向電流の絶対値の１０〜３０％程度の値になるように設定すればよい。また、アノード電極１４と表面電極７との間に与える加速電圧は１ｋＶに設定してあるが、加速電圧は特に限定するものではなく、例えば、１ｋＶ〜１０ｋＶの範囲で適宜設定すればよい。
【００２４】
本実施形態における電子源１０の基本構成は周知であり、次のようなモデルで電子放出が起こると考えられる。すなわち、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として電圧を印加することにより、下部電極１２から電子通過部６へ電子ｅ−が注入される。一方、電子通過部６に印加された電界の大部分はシリコン酸化膜６４にかかるから、注入された電子ｅ−はシリコン酸化膜６４にかかっている強電界により加速され、電子通過部６におけるグレイン５１の間の領域を表面に向かって図２中の矢印の向き（図２における上向き）へドリフトし、表面電極７をトンネルし放出される。しかして、電子通過部６では下部電極１２から注入された電子がシリコン微結晶６３でほとんど散乱されることなくシリコン酸化膜６４にかかっている電界で加速されてドリフトし、表面電極７を通して放出され（弾道型電子放出現象）、電子通過部６で発生した熱がグレイン５１を通して放熱されるから、電子放出時にポッピング現象が発生せず、安定して電子を放出することができる。
【００２５】
図３には湿度センサ１の出力特性の一例として周囲温度が２４℃の場合について、湿度センサ１の周囲湿度と電流センサ１５により検出さ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減少していることが分かる。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い。
【００２６】
以下、電子通過部６の形成方法の一例について説明する。
【００２７】
電子通過部６の形成にあたっては、まず、絶縁性基板１１上に形成した下部電極１２上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、上述のナノ結晶化プロセスを行うことにより、多結晶シリコンの多数のグレイン５１（図２参照）と多数のシリコン微結晶６３（図２参照）とが混在する複合ナノ結晶層（以下、第１の複合ナノ結晶層と称す）を形成する。ここにおいて、ナノ結晶化プロセスでは、例えば、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１２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（例えば、電流密度が２ｍＡ／ｃｍ２の電流）を所定時間（例えば、３０秒）だけ流すことによって、多結晶シリコンのグレイン５１およびシリコン微結晶６３を含む第１の複合ナノ結晶層を形成する。
【００２８】
ナノ結晶化プロセスが終了した後に、上述の酸化プロセスを行うことで第１の複合ナノ結晶層を電気化学的に酸化することによって、図２のような構成の複合ナノ結晶層（以下、第２の複合ナノ結晶層と称す）からなる電子通過部６を形成する。酸化プロセスでは、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１２を陽極とし、電解液中において第１の複合ナノ結晶層に白金電極よりなる陰極を対向配置して、下部電極１２を陽極とし、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だけ上昇するまで第１の複合ナノ結晶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５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４を含む第２の複合ナノ結晶層からなる電子通過部６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下部電極１２の厚み方向に直交する面内で電子通過部６の周囲に残った部分は素子分離部３を構成する。なお、本実施形態では、上述のナノ結晶化プロセスを行うことによって形成される第１の複合ナノ結晶層においてグレイン５１、シリコン微結晶６３以外の領域はアモルファスシリコンからなるアモルファス領域となっており、電子通過部６においてグレイン５１、シリコン微結晶６３、各シリコン酸化膜５２，６４以外の領域がアモルファスシリコン若しくは一部が酸化したアモルファスシリコンからなるアモルファス領域６５となっているが、ナノ結晶化プロセスの条件によってはアモルファス領域６５が孔となり、このような場合の第１の複合ナノ結晶層は多孔質多結晶シリコン層とみなすことができる。
【００２９】
ところで、上記構成の電子源１０をディスプレイ用の電子源として用いる場合にはエミッション電流および電子放出効率を高める必要があり表面電極７の膜厚を薄くする方が望ましく、表面電極７の膜厚を１０ｎｍ程度に設定することが好ましいが、本実施形態では、電子源１０を湿度センサ１の構成要素として利用しており、電子通過部６が湿度の影響を受けないようにする必要があるので、電子通過部６が湿度の影響を受けないように表面電極７の膜厚を２０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲で設定してある。すなわち、本実施形態では、電子源１０における表面電極７の膜厚を、下部電極１２から電子通過部６へ注入されて電子通過部６を通過して到達した電子がトンネル可能であって且つ表面電極７の表面側から電子通過部６への水分の侵入を防止可能な膜厚に設定してあり、表面電極７が、電子通過部６が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段としての防湿部８を兼ねている。ここにおいて、本実施形態では、表面電極７の材料として、Ａｕを採用しているが、表面電極７の材料はＡｕに限定するものではなく、例えば、Ｃｒ，Ｐｔ，Ｉｒなどの他の金属や、ＴａＮなどの導電性窒化物や、ＨｆＣなどの導電性炭化物、などを採用してもよい。また、表面電極７の成膜方法としては、スパッタ法を採用しているが、スパッタ法に限らず、電子ビーム蒸着法やＣＶＤ法などを採用してもよい。なお、表面電極７は、単層構造に限らず、多層構造としてもよい。
【００３０】
以上説明した本実施形態の湿度センサ装置では、電子源１０とアノード電極１４との間の空間の湿度に応じてアノード電極１４と表面電極７との間に流れる電流の電流値が変化し、しかも、電子源１０に防湿部８が設けられていることにより電子源１０の電子通過部６に水分が吸着して電子源１０の抵抗値が変化するとともに電子通過部６がストレスを受けるのを防止することができるので、従来のように水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができるのである。また、上述のように表面電極７が防湿手段としての防湿部８を兼ねているので、防湿手段として特別な構造を設ける必要がなく、低コスト化を図れる。
【００３１】
（実施形態２）
本実施形態の湿度センサ装置では、図４に示すように湿度センサ１の構成の一部が実施形態１とは相違し、アノード電極１４における表面電極７との対向面に配設される絶縁体層１６と、絶縁体層１６の帯電圧（絶縁体層１６とグランドとの間の電位）を検出する電圧検出手段１７とを備え、電流センサ１５を設けていない点などが相違する。ここにおいて、絶縁体層１６の材料は、電子源１０から放出された電子により帯電しやすい材料であればよく、例えばブラスチックやシリコンなどを採用すればよい。また、本実施形態では、駆動電源Ｅｄが、表面電極７と下部電極１２との間に表面電極７を高電位側として単パルスの駆動電圧を印加する駆動手段を構成し、加速用電源Ｅａが、アノード電極１４と表面電極７との間にアノード電極１４を高電位側として上記駆動電圧に同期する単パルスの加速電圧を印加する加速電圧印加手段を構成している。なお、湿度センサ１における電子源１０の構造は実施形態１と同じである。
【００３２】
ところで、本実施形態における湿度センサ１では、表面電極７と下部電極１２との間に駆動電源Ｅｄから図５（ａ）に示すような単パルスの駆動電圧（例えば、最大値がＶｄでパルス幅が１００ｍｓｅｃの電圧）を印加するとともに、アノード電極１４と表面電極７との間に加速用電源Ｅａから単パルスの加速電圧を印加した場合、電圧検出手段１７の出力電圧は図５（ｂ）に示すようになり、駆動電圧および加速電圧がオフになった時点からの出力電圧の立下り特性が周囲湿度に応じて異なる。図５（ｂ）には立下り特性として実線「イ」と一点鎖線「ロ」と二点鎖線「ハ」との３種類の立下り特性を示してあるが、これら３つの立下り特性は実線「イ」が最も湿度が低い場合、二点鎖線「ハ」が最も湿度が高い場合を示しいる（つまり、実線「イ」、一点鎖線「ロ」、二点鎖線「ハ」の順に湿度が高くなる）。図５（ｂ）から分かるように、電圧検出手段１７による検出電圧が初期値Ｖ１から所定の閾値Ｖth（例えば、初期値Ｖ１の１０％の値）に低下するまでの時間をそれぞれＴ１，Ｔ２，Ｔ３とすれば、Ｔ１＞Ｔ２＞Ｔ３となる。なお、本実施形態では、閾値Ｖthを初期値Ｖ１の１０％の値に設定してあるが、閾値Ｖthは特に限定するものではなく、例えば、初期値Ｖ１の５〜５０％の範囲で適宜設定すればよい。
【００３３】
また、本実施形態における湿度センサ装置では、信号処理部５０における演算手段が、電圧検出手段１７による検出電圧の立下り特性において所定の閾値Ｖthに低下するまでの時間に基づいて湿度を求め、温度センサ２の出力に基づいて温度補正を行う点が相違する。
【００３４】
以上説明した本実施形態の湿度センサ装置では、電子源１０とアノード電極１４との間の空間の湿度に応じて電圧検出手段１７による検出電圧が所定の閾値Ｖthに低下するまでの時間が変化し、しかも、電子源１０に防湿部８が設けられていることにより電子源１０の電子通過部６に水分が吸着して電子源１０の抵抗値が変化するとともに電子通過部６がストレスを受けるのを防止することができるので、従来のように水分の吸着により抵抗値が変化する感湿素子を湿度センサとして利用した湿度センサ装置に比べて長寿命化が可能な新規の湿度センサ装置として用いることができるのである。また、上述のように表面電極７が防湿部８を兼ねているので、防湿手段として特別な構造を設ける必要がなく、低コスト化を図れる。
【００３５】
（実施形態３）
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、図６に示すように、電子源１０とアノード電極１４とが収納されたケース７０を備え、ケース７０には、電子源１０とアノード電極１４との間の空間へ湿度検出対象のガスを導入するガス導入口７２が設けられている点などが相違する。なお、実施形態１と同様の構成要素については説明を省略する。
【００３６】
ケース７０は、電子源１０とアノード電極１４とが収納される直方体状のケース本体７０ａを備えており、図６を用いて上下方向および左右方向を規定すれば、ケース本体７０ａの下壁における上壁との対向面に電子源１０が配置され、ケース本体７０ａの上壁における電子源１０との対向部位にアノード電極１４が配置されている。また、ケース７０は、ケース本体７０ａの左側壁から左側方に突出した円筒状の導入部７１の先端面にガス導入口７２が設けられ、ケース本体７０ａの右側壁から右側方に突出した円筒状の導出部７３の先端面にガス導出口７４が設けられており、導入部７１および導出部７３それぞれの流路の断面積がケース本体７０ａの流路の断面積よりも小さくなっている。図６において左側の矢印Ｆ１はガス導入口７２へ供給されるガスの流れ方向を示し、右側の矢印Ｆ２はガス導出口７４を通して排出されるガスの流れ方向を示している。なお、導入部７１および導出部７３の流路の断面積は、ケース本体７０ａの流路の断面積と同じであってもよいし、ケース本体７０ａの流路の断面積よりも大きくてもよい。
【００３７】
しかして、本実施形態の湿度センサ装置では、ケース７０内において電子源１０とアノード電極１４との間の空間に湿度検出対象のガスが供給されるので、湿度検出対象のガスの湿度を精度良く求めることができる。
【００３８】
ところで、本実施形態では上述のケース７０を実施形態１の湿度センサ１に適用した例について説明したが、上述のケース７０を実施形態２の湿度センサ１に適用してもよく、この場合には、アノード電極１４と表面電極７との間に入力電圧を印加することで湿度センサ１の絶縁体層１６を帯電させた後に、ガスをケース７０内に導入すれば、上記初期値Ｖ１のばらつきを低減できるので、ガスの湿度を精度良く求めることができる。
【００３９】
また、上記各実施形態の電子源１０は、絶縁性基板１１の上記一表面側に下部電極１２を形成しているが、絶縁性基板１１に代えてシリコン基板などの半導体基板を用い、半導体基板と当該半導体基板の裏面側に積層した導電性層（例えば、オーミック電極）とで下部電極を構成するようにしてもよい。また、上記各実施形態における電子源１０は弾道型電子放出現象により電子を放出する電子源であって弾道電子面放出型電子源（Ballistic electron Surface-emitting Device：ＢＳＤ）と呼ばれているが、電子源１０はＢＳＤに限らず、大気圧中で電子放出が可能な電子源であればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【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）は湿度センサの概略構成図である。
【図２】同上における要部説明図である。
【図３】同上における湿度センサの特性説明図である。
【図４】実施形態２における湿度センサの概略構成図である。
【図５】同上における湿度センサの特性説明図である。
【図６】実施形態３を示す要部断面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１ 湿度センサ
６ 電子通過部
７ 表面電極
８ 防湿部
１０ 電子源
１２ 下部電極
１４ アノード電極
１５ 電流センサ
Ｅｄ 駆動電源
Ｅａ 加速用電源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面電極と下部電極との間に電子通過部を有し下部電極から電子通過部へ注入された電子が電子通過部を通過し表面電極を通して大気圧中へ放出される電子源と、電子源の表面電極に対向配置されるアノード電極と、電子源の表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として駆動電圧を印加する駆動手段と、アノード電極と表面電極との間にアノード電極を高電位側として加速電圧を印加する加速電圧印加手段と、アノード電極と表面電極との間に流れる電流の電流値に基づいて湿度を求める演算手段とを備え、電子源に、電子通過部が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段を設けてなることを特徴とする湿度センサ装置。
【請求項２】
表面電極と下部電極との間に電子通過部を有し下部電極から電子通過部へ注入された電子が電子通過部を通過し表面電極を通して大気圧中へ放出される電子源と、電子源の表面電極に対向配置されるアノード電極と、電子源の表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として単パルスの駆動電圧を印加する駆動手段と、アノード電極と表面電極との間にアノード電極を高電位側として前記駆動電圧に同期する単パルスの加速電圧を印加する加速電圧印加手段と、アノード電極における表面電極との対向面に配設された絶縁体層と、絶縁体層の帯電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段による検出電圧が所定の閾値に低下するまでの時間に基づいて湿度を求める演算手段とを備え、電子源に、電子通過部が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段を設けてなることを特徴とする湿度センサ装置。
【請求項３】
前記電子源における前記表面電極の膜厚を、前記下部電極から前記電子通過部を通過して前記表面電極へ到達した電子がトンネル可能であって且つ前記表面電極の表面側から前記電子通過部への水分の侵入を防止可能な膜厚に設定してあり、前記表面電極が、前記防湿手段を兼ねてい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】
前記電子源と前記アノード電極とが収納されたケースを備え、ケースには、前記電子源と前記アノード電極との間の空間へ湿度検出対象のガスを導入するガス導入口が設けら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１】
表面電極と下部電極との間に電子通過部を有し下部電極から電子通過部へ注入された電子が電子通過部を通過し表面電極を通して大気圧中へ放出される電子源と、電子源の表面電極に対向配置されるアノード電極と、電子源の表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として駆動電圧を印加する駆動手段と、アノード電極と表面電極との間にアノード電極を高電位側として加速電圧を印加する加速電圧印加手段と、アノード電極と表面電極との間に流れる電流の電流値に基づいて湿度を求める演算手段とを備え、電子源に、電子通過部が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段を設けてなることを特徴とする湿度センサ装置。
【請求項２】
表面電極と下部電極との間に電子通過部を有し下部電極から電子通過部へ注入された電子が電子通過部を通過し表面電極を通して大気圧中へ放出される電子源と、電子源の表面電極に対向配置されるアノード電極と、電子源の表面電極と下部電極との間に表面電極を高電位側として単パルスの駆動電圧を印加する駆動手段と、アノード電極と表面電極との間にアノード電極を高電位側として前記駆動電圧に同期する単パルスの加速電圧を印加する加速電圧印加手段と、アノード電極における表面電極との対向面に配設された絶縁体層と、絶縁体層の帯電圧を検出する電圧検出手段と、電圧検出手段による検出電圧が所定の閾値に低下するまでの時間に基づいて湿度を求める演算手段とを備え、電子源に、電子通過部が湿度の影響を受けるのを防止する防湿手段を設けてなることを特徴とする湿度センサ装置。
【請求項３】
前記電子源における前記表面電極の膜厚を、前記下部電極から前記電子通過部を通過して前記表面電極へ到達した電子がトンネル可能であって且つ前記表面電極の表面側から前記電子通過部への水分の侵入を防止可能な膜厚に設定してあり、前記表面電極が、前記防湿手段を兼ねてい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】
前記電子源と前記アノード電極とが収納されたケースを備え、ケースには、前記電子源と前記アノード電極との間の空間へ湿度検出対象のガスを導入するガス導入口が設けら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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−３８５９２（Ｐ２００６−３８５９２Ａ）
【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２００４−２１７７９３（Ｐ２００４−２１７７９３）
【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 ]