專利名稱：環(huán)境傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測定溫度和濕度的環(huán)境傳感器，備有該環(huán)境傳感器的環(huán)境測定裝置和具有該環(huán)境測定裝置的環(huán)境測定系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
測定溫度和濕度的環(huán)境傳感器，至今已經(jīng)被實用化，廣泛地應(yīng)用于電子爐等的烹調(diào)器和空調(diào)機等的家電制品、復(fù)印機等的辦公室設(shè)備、汽車?yán)鋮s水的溫度監(jiān)視器和各種空調(diào)機、氣象觀測等。
一般，環(huán)境傳感器個別地測定溫度和濕度。如果根據(jù)日本特開2002-90329號專利公報，則已經(jīng)提出了靜電電容型的濕度傳感器。但是，相對濕度即便在相同水分量時也隨溫度而變動。如果根據(jù)日本特開平成6年公布的6-242048號專利公報，則提出了為了根據(jù)溫度進行校正的熱傳導(dǎo)式的濕度傳感器。又，如果根據(jù)日本特開平成5年公布的5-149901號專利公報，則提出了在同一基片上并列形成2個感溫元件的濕度傳感器。
當(dāng)測定溫度和濕度時，與用途有關(guān)需要的技術(shù)要求是不同的。例如，在家庭和辦公室的用途中，為了細(xì)致地控制空調(diào)機等的工作條件保持舒適的生活環(huán)境，必須測定生活空間的溫度濕度分布。為了在以電子爐為代表的烹調(diào)器具中，也能夠高效率地進行更多樣的烹調(diào)，需要小型的可以高速應(yīng)答的環(huán)境傳感器。進一步，為了在復(fù)印機等的辦公室設(shè)備制品中形成最佳的圖像，必須測定時刻變化的記錄用紙的溫度·濕度，比已有技術(shù)更高速更詳細(xì)地測定溫度·濕度。又，在各種IC電路等的制造步驟中、對于溫度和濕度那樣的環(huán)境，要求比已有技術(shù)更高精度的測定。
在已有技術(shù)中，當(dāng)測定溫度和濕度時，分別設(shè)置測定溫度用的傳感器和測定濕度用的傳感器。因此，該環(huán)境傳感器的規(guī)模很大，妨礙實現(xiàn)傳感器的小型化。進一步，在測定濕度時，因為應(yīng)答速度慢，所以存在著不能夠用于在復(fù)印機等中設(shè)定高速打印時的打印條件那樣的問題。
又，隨著因特網(wǎng)的普及，用服務(wù)器處理遠(yuǎn)處的信息也增多了，用無線發(fā)送來自環(huán)境傳感器的信號的必要性也增加了。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明提供可以實現(xiàn)小型化和高速應(yīng)答的、用于測定溫度和濕度的環(huán)境傳感器。
根據(jù)本發(fā)明，為了解決上述問題，我們提出了包含感溫材料由金屬氧化物構(gòu)成的溫度傳感器和利用電特性變化測定周圍濕度的濕度傳感器，溫度傳感器的一對電極中的至少一方與濕度傳感器中的電極構(gòu)成一體的環(huán)境傳感器。
本發(fā)明，因為在用于測定溫度和濕度的環(huán)境傳感器中可以實現(xiàn)小型化和高速應(yīng)答，所以是特別有利的。通過使用這種環(huán)境傳感器，能夠提供實現(xiàn)高速測定的環(huán)境測定裝置和環(huán)境測定系統(tǒng)。
本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點將從下面的結(jié)合附圖的描述變得很清楚。在附圖中相同的標(biāo)號表示相同或相似的部件。


與本說明書結(jié)合并構(gòu)成本說明書一部分的附圖闡明了本發(fā)明的實施方式，并且與描述一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖1A是與實施方式有關(guān)的環(huán)境傳感器的概略截面圖。
圖1B是與實施方式有關(guān)的環(huán)境傳感器的濕度檢測區(qū)域中的電極的概略平面放大圖。
圖1C是圖1A所示的環(huán)境傳感器中的電極的概略平面圖。
圖1D是第1實施方式中的其它環(huán)境傳感器的概略截面圖。
圖2A-2J是表示圖1D所示的環(huán)境傳感器的制造步驟的圖。
圖3是用于評價環(huán)境傳感器特性的實驗裝置的概略構(gòu)成圖。
圖4是用第1實施方式中的環(huán)境傳感器和已有的濕度傳感器測定的相對濕度中的特性圖。
圖5A是第2實施方式中的環(huán)境傳感器的概略截面圖。
圖5B是圖5A所示的環(huán)境傳感器的濕度檢測區(qū)域中的電極的平面放大圖。
圖6A-6H是表示圖5所示的環(huán)境傳感器的制造步驟的圖。
圖7是用第2實施方式中的環(huán)境傳感器和已有的濕度傳感器測定的相對濕度中的特性圖。
圖8是本發(fā)明的第3實施方式中的環(huán)境測定裝置的方框構(gòu)成圖。
圖9是圖8所示的環(huán)境測定裝置的概略構(gòu)成圖。
圖10是表示本發(fā)明的第4實施方式中的環(huán)境測定系統(tǒng)的概念圖。
具體實施方法現(xiàn)在我們按照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實施方式
。
又，下面使用的數(shù)值，除了特別的情形外，只不過是例示而已。因此，本發(fā)明不一定限定于該數(shù)值。
本發(fā)明提供可以實現(xiàn)小型化，并且可以高速應(yīng)答的測定溫度和濕度的環(huán)境傳感器。為了實現(xiàn)這種小型化和高速應(yīng)答，在本發(fā)明中在同一基片上形成溫度檢測單元(溫度傳感器)和濕度檢測單元(濕度傳感器)，并且通過利用溫度傳感器中的電極也測定濕度來實現(xiàn)小型化。進一步通過在環(huán)境傳感器中采用宇宙空間構(gòu)造也可以實現(xiàn)高速應(yīng)答。
即，為了實現(xiàn)高速應(yīng)答，需要使檢測單元小型化并且使溫度檢測單元和濕度檢測單元的構(gòu)成更加單純，必需減少這些檢測單元的熱容量。因此，作為本發(fā)明的環(huán)境傳感器中的第1實施方式，一體地構(gòu)成感溫材料由金屬氧化物形成的溫度傳感器和利用電特性變化的濕度傳感器，在溫度傳感器的一對電極中，至少一方與濕度傳感器中的電極形成一體。進一步，作為本發(fā)明的環(huán)境傳感器中的第2實施方式，在同一基片上形成由下部電極/金屬氧化物層/上部電極的多層構(gòu)造構(gòu)成的1對層積體，將一方的層積體用作溫度傳感器，將另一方的層積體用作濕度傳感器，并使1對層積體中的各電極相互共通。
這里，用強電介質(zhì)或熱電體作為濕度傳感器中的金屬氧化物層的材料。因此，當(dāng)該金屬氧化物層的周圍溫度變化時，與該變化量相應(yīng)地在金屬氧化物層的表面產(chǎn)生電荷，通過測定與產(chǎn)生的電荷相對應(yīng)的電壓測定溫度。進一步，通過環(huán)境傳感器的宇宙空間構(gòu)造，即除去溫度檢測單元和濕度檢測單元中的基片，能夠高效率地實現(xiàn)減少各檢測單元熱容量的散熱，可以實現(xiàn)高速應(yīng)答。
又，備有該環(huán)境傳感器測定溫度和濕度的環(huán)境測定裝置形成具有測定各傳感器中的電極的電性質(zhì)和電極間的電性質(zhì)的信號檢測部件；算出處理來自該信號檢測器的信號并加工成所要形式測定結(jié)果的信號處理器；和將該信號處理器的信號傳送到外部裝置的發(fā)送接收單元的構(gòu)成。作為由信號檢測部件測定的電性質(zhì)，是電極的電阻、用于將環(huán)境傳感器保持在預(yù)定溫度而投入的功率、電流量等。通過這些測定，可以測定濕度。又，通過測定電極間的電壓，能夠測定溫度。這些測定，通過在信號處理部件中處理來自上述信號檢測部件的輸出，算出例如相對濕度、絕對水分量、溫度等。由發(fā)送接收部件將其結(jié)果信號傳送給顯示器和個人計算機等的外部裝置。為了很大地減輕進行環(huán)境測定的場所的制約用各種無線方法進行這時的信號傳送。
(第1實施方式)圖1是表示本發(fā)明的第1實施方式中的環(huán)境傳感器的概略構(gòu)成的圖。特別，圖1A是環(huán)境傳感器的概略截面圖。圖1B是環(huán)境傳感器的濕度檢測區(qū)域X中的電極的概略平面放大圖。此外，我們需要注意圖1B不是原封不動地放大圖1A中的圓X所示的截面的圖，而是放大圓X的一部分的平面圖的圖。圖1C是圖1A的環(huán)境傳感器中的電極的概略平面圖。又，圖1D是第1實施方式中的其它環(huán)境傳感器的概略截面圖。這里，只表示傳感器的一部分，但是傳感器的整體形狀具有大致長方體那樣的形狀。當(dāng)然，這只不過是例示而已，本發(fā)明不一定限定于這種形狀。
本實施方式中的環(huán)境傳感器11是為了包含溫度檢測單元111和濕度檢測單元112而構(gòu)成的。1是金屬氧化物層，2是上部電極，3是下部電極，4a和4b絕緣層，5是基片，6是紅外線透過材料。
溫度檢測單元111形成具有上部電極2、金屬氧化物層1和下部電極3的三層層疊體的構(gòu)成。這里，例如用強電介質(zhì)或熱電體作為金屬氧化物層1的材料。
溫度測定原理如下所示。當(dāng)能夠透過紅外線透過材料6的紅外線入射到金屬氧化物時，由于該金屬氧化物的熱電特性產(chǎn)生電荷，將該產(chǎn)生的電荷作為電極間的電壓進行測定，根據(jù)測定的電壓求得溫度。當(dāng)然因為在居里點近旁，介電常數(shù)由于溫度而發(fā)生大的變化，所以也可以利用這種介電常數(shù)的變化。在根據(jù)介電常數(shù)變化測定溫度的情形中，最好通過測定電極間的電容和電阻，求得介電常數(shù)的變化，進一步從介電常數(shù)的變化求得溫度。
濕度檢測單元112，如圖1A所示，具有下部電極3和經(jīng)過絕緣層4b到達上部電極2的構(gòu)成。進一步，將上部電極2、下部電極3加工成圖1B和圖1C的平面圖所示的那種形狀。直接或經(jīng)過過濾器等間接地將該加工后的濕度檢測單元曝露在測定氣氛中，利用電極間的電特性測定濕度。此外作為電極的電特性，例如是電阻和流過電極的電流量。
過濾器，例如，是為了除去大氣中塵埃等水分以外的東西。過濾器不是必需的構(gòu)成。在大氣中存在強酸性的蒸汽時，通過用容易吸附或吸收它們的多孔質(zhì)材料保護傳感器單元，能夠延長傳感器的壽命。此外，因為在應(yīng)用過濾器的情形中，多少限制了大氣的流動，所以與不應(yīng)用過濾器的情形比較，使測定速度有若干降低。降低何種程度與過濾器的材質(zhì)有關(guān)而不同。一般地說，如果多孔質(zhì)材料的孔大，則降低的程度小，如果孔小則受到大的影響。最好與傳感器的用途相應(yīng)地適當(dāng)?shù)靥接懯欠駪?yīng)用過濾器和如何選擇過濾器的材料等。
此外，上部電極2、下部電極3中的濕度檢測單元112不限定于圖1B和圖1C所示的形狀，也可以是螺旋狀等。濕度檢測單元112通過吸附在電極單元上的水分引起電阻變化來檢測水分量。因此，為了能夠吸附大量水分，濕度檢測單元112的表面面積大是有利的。即，與濕度檢測單元112的表面面積相應(yīng)地決定靈敏度、檢測信號的S/N等。因此，直線狀的電極因為電阻變化小是不利的。另一方面，當(dāng)使形狀從直線變到鋸齒構(gòu)造(圖1B)或螺旋狀時，因為能夠加長電極的長度所以是有利的?；蛘撸鐖D1D所示，也可以與溫度檢測單元111的電極單元的膜厚比較，使?jié)穸葯z測單元112的吸附水分的部分的膜厚變薄，或者使它的線寬變窄。
即，如果濕度檢測單元112中的電極單元具有比周邊的電極單元大的電阻的構(gòu)造則也可以是任何構(gòu)造。通常，當(dāng)吸附水分的部分和除此以外的部分(不吸附水分的部分)的長度相同時，使吸附部分的電阻為除此以外部分的電阻的2-100倍。
此外，在圖1C所示的電極單元的平面圖中表示溫度檢測單元111是角型的，但是本發(fā)明不限定于此。
其次，下面我們說明如1D所示的環(huán)境傳感器11中的制造方法的一個例子。圖2表示圖1D所示的環(huán)境傳感器的制造步驟。
首先，如圖2A所示，在由硅構(gòu)成的基片5上形成絕緣體層4a。這里，絕緣體層4a例如是由二氧化硅構(gòu)成，用RF濺射法形成的膜，膜厚約為2μm。
接著，如圖2B所示，在用RF濺射法在絕緣體層4a上形成由鉑/鈦構(gòu)成的下部電極3。具體地說，在堆積約50nm的鈦后，堆積約600nm的鉑，形成下部電極3。此外，也可以使鈦約為50nm-100nm，鉑約為500nm-1000nm，但是當(dāng)然也可以是除此以外的值。
接著，如圖2C所示，用光刻法形成為了使?jié)穸葌鞲衅餍纬蓞^(qū)域開口的圖中未化出的抗蝕劑圖案。此后，進行干刻蝕在該濕度傳感器形成區(qū)域中形成比周圍薄的下部電極3。這時，該濕度傳感器形成區(qū)域形成在從溫度傳感器形成區(qū)域離開約200μm的位置上。200μm，如圖1C所示，是溫度檢測單元和濕度檢測單元的端邊之間的距離，與連接它們的電極(圖1C的中央部分)的長度相等。該濕度傳感器形成區(qū)域中的下部電極3的膜厚約為150nm，寬度約為30μm。
此后，通過灰化處理等除去該圖中未畫出的抗蝕劑圖案。這里，關(guān)于由刻蝕形成的濕度傳感器形成區(qū)域中的下部電極3的平面形狀，沒有限制，也可以是角型，圓形、橢圓形等中的任何一種。
接著，如圖2D所示，用RF濺射法堆積二氧化硅，膜厚約為3μm，形成絕緣體層4b。
接著，如圖2E所示，進行干刻蝕和研磨等的處理，使絕緣體層4b的表面平滑化。這里，在本實施形態(tài)中，也可以不進行該平滑化處理而在對于周圍處于凹的狀態(tài)中對絕緣體層4b的表面進行下一個步驟以后的處理。
接著，如圖2F所示，用光刻法形成使溫度傳感器形成區(qū)域開口的圖中未畫出的抗蝕劑圖案后，進行用氟酸和硝酸混合液的干刻蝕，除去該溫度傳感器形成區(qū)域中的絕緣體層4b。
接著，如圖2G所示，用MOCVD法堆積(Pb、La09Zr、Ti)O3(原子比為Pb/La＝95/5，Zr/Ti＝35/65，以下記述為PLZT)，膜厚約為3μm，進一步，用剝離法除去圖中未畫出的抗蝕劑圖案，只在溫度傳感器形成區(qū)域中形成由PLZT構(gòu)成的金屬氧化物層1。這時，該金屬氧化物層1形成縱橫約500μm的正方形。
接著，如圖2H所示，用RF濺射法形成由鉑/鈦構(gòu)成的上部電極2膜厚約為1μm。接著，如圖2I所示，在用光刻法形成使溫度傳感器形成區(qū)域開口的圖中未畫出的抗蝕劑圖案后，進行干刻蝕，形成該濕度傳感器形成區(qū)域中的上部電極2，使它比周圍薄。此后，通過灰化處理等除去該圖中未畫出的抗蝕劑圖案。
接著，如圖2J所示，用刻蝕除去溫度傳感器形成區(qū)域和濕度傳感器形成區(qū)域的基片1。然后，將該環(huán)境傳感器11放入內(nèi)徑3mm、外徑3.5mm的不銹鋼管內(nèi)用環(huán)氧樹脂固定，完成本實施方式中的環(huán)境傳感器。
這里，也可以在溫度傳感器形成區(qū)域中的上部電極2上，設(shè)置用于高效率地匯集紅外線并控制測定的視野角的圖1A或圖1D所示的紅外線透過材料6等的光學(xué)系統(tǒng)。又，也可以在濕度傳感器形成區(qū)域中的上部電極2上，設(shè)置由金等的材料構(gòu)成的紅外線反射膜，除去溫度影響。這里，可以根據(jù)目的任意選擇這些傳感器的大小及其構(gòu)成材料的種類、膜厚、它們的成膜方法、形成圖案方法等。
本實施方式中的金屬氧化物層1，如果是強電介質(zhì)或熱電體則可以是任何材料，最好具有鈣鈦礦型構(gòu)造。具體地說，是Pb-La-Zr-Ti-O系、Bi-Ti-O系、Ba-Sr-Ti-O系、Li-Ta-O、Li-Nb-O和它們的混合系等。存在種種表示熱電效果的材料，但是鈣鈦礦型構(gòu)造具有比較大的熱電效果。與熱電效果小的材料比較使用具有大熱電效果的材料，因為能夠制作可靠性高的傳感器，所以是有利的。
又，為了進行極高精度的溫度·濕度的測定，最好將環(huán)境傳感器的基片1一側(cè)設(shè)置在可以控制溫度·濕度的空間內(nèi)。因此，總是將下部電極3保持在恒定的環(huán)境條件中，不僅可以檢測上部電極2的電特性也可以檢測與下部電極3的電特性之差。
其次，用圖3所示構(gòu)成的實驗裝置，進行圖1D的環(huán)境傳感器11的特性評價。
圖3是用于評價環(huán)境傳感器特性的實驗裝置的概略構(gòu)成圖。在圖3所示的實驗裝置30中，32是圓筒形的試料容器，將本實施方式中的環(huán)境傳感器11、已有溫度傳感器17和已有濕度傳感器18配置在相互成120°角度的間隔中。又，該試料容器32的整體容量為100ml。又，在本實驗中，作為已有溫度傳感器17用水銀溫度計(外徑7mm)，作為已有濕度傳感器18用北陸電技術(shù)公司制的HS-05型傳感器(傳感器單元，寬度7mm、長度10.5mm、高度4mm)。
又，34是高濕容器，35是低濕容器，在它們的內(nèi)部充填使溫度和相對濕度保持恒定的空氣。此外，用上述已有溫度傳感器17和已有濕度傳感器18測定這些容器中的溫度和濕度。又，31是吸引機，通過流路切換裝置33將具有高濕容器34或低濕容器35內(nèi)的飽和蒸汽壓的空氣導(dǎo)入試料容器32。
在評價特性的實驗中，在大氣壓、溫度25℃中，預(yù)先在低濕容器35內(nèi)充填相對濕度為15％RH的空氣，在高濕容器34內(nèi)充填相對濕度為90％RH的空氣。在這種狀態(tài)中首先，將來自低濕容器35的空氣吸引到試料容器32內(nèi)，由環(huán)境傳感器11、已有溫度傳感器17和已有濕度傳感器18測定這時的溫度和濕度。
接著，流路切換裝置33，將試料容器32內(nèi)的空氣置換成高濕容器34內(nèi)的空氣。將切換該流路的時間作為原點，分別由環(huán)境傳感器11、已有溫度傳感器17和已有濕度傳感器18測定試料容器32內(nèi)的溫度和濕度。這時的測定間隔，當(dāng)用環(huán)境傳感器11時為30ms，當(dāng)用已有溫度傳感器17和已有濕度傳感器18時為1～20s。
圖4是用本實施方式中的環(huán)境傳感器和已有濕度傳感器測定的相對濕度中的特性圖。
用本實施方式中的環(huán)境傳感器11觀測到相對濕度變化量在30ms后約為80％，在50ms后約為90％的變化。另一方面，用已有的濕度傳感器18，為了觀測到相對濕度變化量約為90％，得到需要約3.5分鐘的時間的結(jié)果。
此后，經(jīng)過6分鐘后，再次將試料容器32內(nèi)的空氣置換成低濕容器35內(nèi)的空氣。這時，用本實施方式中的環(huán)境傳感器11，在30ms后觀測到約80％的變化，在60ms后觀測到與低濕容器35內(nèi)相同的濕度。另一方面，用已有濕度傳感器18，即便1分鐘后也只能夠觀測到約20％的變化。
又，在測定該相對濕度變化之間的試料容器32內(nèi)的溫度，用已有溫度傳感器17不能夠看到變化，另一方面，用本實施方式中的環(huán)境傳感器11，在切換流路后立即從25℃降低0.2～0.4℃，但是此后，溫度處于25+0.1℃的范圍內(nèi)。因為吸引器12的切換比流路切換器33快工作約0.3s，所以可以認(rèn)為該流路切換后的溫度變化和試料容器32內(nèi)的氣壓變化有關(guān)。
如上所述，我們看到用本實施方式中的環(huán)境傳感器11，與用已有溫度傳感器17和已有濕度傳感器18比較，能夠使它的檢測單元小型化，并且可以進行在1s以下觀測到90％RH的變化的高速測定。
(第2實施方式)圖5是本發(fā)明第2實施方式中的環(huán)境傳感器的概略構(gòu)成圖。圖5A是第2實施方式中的環(huán)境傳感器的概略截面圖。圖5B是圖5A所示的環(huán)境傳感器的濕度檢測區(qū)域中的電極的平面放大圖。即，圖5A是從橫向看傳感器的圖，圖5B是從上看傳感器的圖。
本實施方式中的環(huán)境傳感器21，如圖5A所示，具有包含溫度傳感器211和濕度傳感器212的構(gòu)成。又，1a和1b是金屬氧化物層，2是上部電極，3是下部電極，4a和4b絕緣體層，5是基片，6是紅外線透過材料。金屬氧化物層1a、1b是強電介質(zhì)或熱電體，紅外線透過材料6為了具有圖5中所示的曲面而形成，但是對形狀沒有限制。可以與需要相應(yīng)地設(shè)置紅外線透過材料6。
溫度傳感器211和濕度傳感器212，如圖5A所示，形成具有下部電極3、在下部電極3上形成的金屬氧化物層1a和1b、在各金屬氧化物層1a和1b上形成的上部電極2的3層構(gòu)造組成的1對層積體的構(gòu)成。又，溫度傳感器211的下部電極和濕度傳感器212的下部電極相互連接。同樣上部電極之間也相互連接。
在圖5B中，為了放大表示濕度傳感器212中的上部電極2的平面，進行加工使露出金屬氧化物層1b的一部分。這里，該露出部分的電極形狀，不限定于角型，也可以是螺旋狀、鋸齒狀，沒有限制。又，金屬氧化物1b的露出面積可以根據(jù)用途任意地決定。例如，當(dāng)高速測定濕度變化時，將約50％以上作為目標(biāo)。
本實施方式的金屬氧化物層1b，多晶狀態(tài)要比單晶好。即，本實施方式中的濕度測定，因為利用吸附在金屬氧化物層1b上的水分引電極間的電容或電阻變化，所以在單晶的情形中只能利用表面吸附的水分。但是，在多晶的情形中表面積變得又大，并且又能夠利用在晶粒界面上擴散和吸附的水分。因此，多晶的情形與單晶的情形比較，因為能夠在更廣大的范圍中測定電極間的電容，又，電阻也能夠更快地發(fā)生變化，所以是有利的。
溫度的測定，是利用由于將熱傳到金屬氧化物層1a，在它的表面上產(chǎn)生電荷的熱電效應(yīng)，或者在居里溫度近旁，介電常數(shù)的溫度依賴性很大這一特性進行的。關(guān)于金屬氧化物層1a，對它的結(jié)晶性沒有限制，既可以是單晶也可以是多晶。又，金屬氧化物層1a和金屬氧化物層1b，從使制造步驟簡略化的觀點出發(fā)，希望是相同的材料、相同的結(jié)晶狀態(tài)，但是既可以根據(jù)用途使用別的材料，也可以改變結(jié)晶狀態(tài)。
其次，下面我們說明圖5所示的環(huán)境傳感器21中的制造方法的1個例子。
圖6是以步驟的順序表示圖5所示的環(huán)境傳感器的制造方法的概略截面圖。
首先，如圖6A所示，在由硅構(gòu)成的基片5上形成絕緣體層4a。這里，絕緣體層4a例如是由二氧化硅構(gòu)成，用RF濺射法形成的膜，膜厚約為1μm。
接著，如圖6B所示，通過網(wǎng)印法涂敷膜厚約為15μm的金膏后，分別對溫度傳感器形成區(qū)域和濕度傳感器形成區(qū)域的金層進行預(yù)定的加工形成下部電極3。
具體地說，使溫度傳感器形成區(qū)域形成縱橫約為350μm的正方形，使?jié)穸葌鞲衅餍纬蓞^(qū)域形成縱橫約為300μm的正方形，并且在其內(nèi)部開出縱橫約為160μm的孔。這里，使溫度傳感器形成區(qū)域和濕度傳感器形成區(qū)域形成約為200μm的間隔，又連接它們的部分的下部電極3的寬度約為100μm。圖中所示的A、B是各個傳感器形成區(qū)域A、溫度傳感器形成區(qū)域。
接著，如圖6C所示，用網(wǎng)印法形成由Bi4Ti3O12(以下記為BIT)構(gòu)成的金屬氧化物層1膜厚約為30nm。接著，如圖6D所示，用RF濺射法形成膜厚約為100nm的鈦層20。
接著，如圖6E所示，通過光刻，形成覆蓋溫度傳感器形成區(qū)域和濕度傳感器形成區(qū)域的抗蝕劑圖案，進行干刻蝕只在溫度傳感器形成區(qū)域和濕度傳感器形成區(qū)域中余下鈦層20。進一步，進行用氟酸和硝酸混合液的濕刻蝕，在溫度傳感器形成區(qū)域中形成金屬氧化物層1a，在濕度傳感器形成區(qū)域中形成金屬氧化物層1b。
接著，如圖6F所示，用離子束濺射法，形成由二氧化硅構(gòu)成的絕緣體層4b。接著，如圖6G所示，對絕緣體層4b進行刻蝕，直到露出鈦層20的界面地進行平坦化。
接著，如圖6H所示，用RF濺射法，連續(xù)形成鈦和鉑的膜。進一步，通過光刻，使溫度傳感器形成區(qū)域和濕度傳感器形成區(qū)域中的電極與各個下部電極3相同大小或大致約小到10μm那樣地，使該鉑/鈦層形成圖案，形成上部電極2。然后，將該環(huán)境傳感器21放入內(nèi)徑4mm、外徑5mm的不銹鋼管內(nèi)用環(huán)氧樹脂固定，完成本實施方式中的環(huán)境傳感器。這里，也可以在溫度傳感器形成區(qū)域中的上部電極2上，設(shè)置用于高效率地匯集紅外線并控制測定的視野角的圖5A所示的紅外線透過材料6等的光學(xué)系統(tǒng)。又，也可以在濕度傳感器形成區(qū)域中的上部電極2上，設(shè)置由金等的材料構(gòu)成的紅外線反射膜，除去溫度影響。
其次，與第1實施方式相同用圖3所示構(gòu)成的實驗裝置，進行圖5所示的環(huán)境傳感器21的特性評價。評價方法也與第1實施方式相同，與已有傳感器進行比較。
首先，在圖3中，置換第1實施方式中的環(huán)境傳感器11配置環(huán)境傳感器21。作為特性測定方法，首先，使試料容器32內(nèi)具有與低濕容器35相同的環(huán)境，接著，通過流路切換器33將試料容器32內(nèi)的氣氛切換到高濕容器34的環(huán)境。而且，使流路切換器33進行工作經(jīng)過20ms后開始用環(huán)境傳感器21和已有的溫度傳感器17、已有的濕度傳感器18進行測定。此外，將低濕容器35內(nèi)控制在溫度20℃、濕度5％RH，將高濕容器34內(nèi)控制在溫度20℃、濕度85％RH。又，在本實施方式中，作為已有溫度傳感器17也用水銀溫度計，作為已有濕度傳感器18也用北陸電技術(shù)公司制的HS-05型傳感器。
關(guān)于溫度的測定，由環(huán)境傳感器21得到的測定結(jié)果和由已有溫度傳感器17得到的測定結(jié)果都是大致相同的觀測結(jié)果。
又，濕度的測定結(jié)果如圖7所示。圖7是用本實施方式中的環(huán)境傳感器和已有的濕度傳感器測定的相對濕度中的特性圖。
如從圖7可以看到的那樣，用本實施方式中的環(huán)境傳感器21，相對濕度變化量在50ms后約為70％，在100ms后約為80％，在4s后約為90％。另一方面，用已有的濕度傳感器18，得到相對濕度變化量達到約90％，需要約3.5分鐘的時間的結(jié)果。這樣，與第1實施方式中的環(huán)境傳感器11相同，能夠確認(rèn)本實施方式中的環(huán)境傳感器21與已有傳感器比較具有高速應(yīng)答性。
(第3實施方式)本發(fā)明的第3實施方式涉及具有與本發(fā)明有關(guān)的環(huán)境傳感器而構(gòu)成的環(huán)境測定裝置。
圖8是本發(fā)明第3實施方式中的環(huán)境測定裝置的方框構(gòu)成圖。
該環(huán)境測定裝置7形成具有測定溫度和濕度的與本發(fā)明有關(guān)的環(huán)境傳感器11、檢測從環(huán)境傳感器11輸出的電信號并進行處理的信號檢測處理電路12、具有將來自信號檢測處理電路12的信號發(fā)送到外部控制裝置8，和相反地具有將來自外部控制裝置8的指示傳達給信號檢測處理電路12的功能的發(fā)送接收電路13的構(gòu)成。
這里，信號檢測處理電路12測定環(huán)境傳感器11中的電極的電阻和電流、電極間的電容、電阻和電壓。又，該電路構(gòu)成，如果是能夠檢測上述電特性并進行處理的構(gòu)成，則也可以是任何構(gòu)成。又，作為發(fā)送接收電路13中的發(fā)送接收方法，可以是任意頻率上的無線通信，例如光通信、微波通信、毫米波通信等。選擇的頻率和通信部件最好采用與用途相應(yīng)的最佳的頻率和部件。
又，除了信號檢測處理電路12和發(fā)送接收電路13以外，如果需要的話，也可以設(shè)置不同用途的微處理器等的控制裝置和存儲器，這是不言而喻的。雖然圖8中沒有記載但是也可以內(nèi)藏再充電電池和燃料電池、太陽能電池等的電源或者通過從外部進行微波照射供給電力的部件。進一步，也可以具有用于特定環(huán)境測定裝置8自身的場所的部件，例如GPS等的功能的部件。
下面，我們表示用本實施方式中的環(huán)境測定裝置8，測定溫度和濕度的結(jié)果。
圖9是圖8所示的環(huán)境測定裝置8的概略構(gòu)成圖。
該環(huán)境測定裝置8形成具有環(huán)境傳感器11、信號檢測處理電路12、發(fā)送接收電路13、用于與外部控制裝置通信的天線14、電源15和收藏它們的容器16的構(gòu)成。作為電源15使用鋰離子再充電電池，在從外部供給電力困難的地方也能夠使用該電池。
作為環(huán)境傳感器11的詳細(xì)構(gòu)造，最好是圖1和圖2所示的代表性的構(gòu)造。這里，用圖1所示的環(huán)境傳感器。又，構(gòu)成環(huán)境傳感器的金屬氧化物層1是將(Ba、Sr)TiO3作為材料構(gòu)成的。溫度檢測單元111的表面積是直徑為5mm的圓形，濕度檢測單元112中的電極全長為1mm，寬度為200μm，膜厚為10μm。又，令其它部分的電極寬度為500μm。又，令溫度檢測單元111和濕度檢測單元112的間隔為2mm。
如果能夠檢測流過環(huán)境傳感器中的上部電極2和下部電極3的電流值，這些電極間的電壓和電阻值，則信號檢測處理電路12可以是任何電路。又，如果能夠與外部控制裝置無線連接，則對發(fā)送接收電路13沒有限制。在本例中發(fā)送接收348～349MHz區(qū)域的電波。為此天線14用球形天線，能夠發(fā)送接收信號的最大距離約為10m。將11～15所示的各構(gòu)成要素收藏在鋁制的容器16中。該容器16是外形為10cm、高度為15cm的圓筒形，在其內(nèi)部充填絕對水分量為20g/m3的空氣。
用該環(huán)境測定裝置7，在位于戶外地上1m處的氣象觀測用的百葉箱中東側(cè)50cm的地方，連續(xù)地經(jīng)過8小時測定溫度和濕度。作為測定方法，按照來自屋內(nèi)的個人計算機的指示，將測定開始時間、測定結(jié)束時間、測定間隔等作為信號發(fā)送給環(huán)境測定裝置7的發(fā)送接收電路13，每經(jīng)過30分鐘將測定結(jié)果取入到個人計算機。結(jié)果，用百葉箱的測定和用本實施方式中的環(huán)境測定裝置7的測定，溫度只有±1℃，濕度只有±3％RH的誤差。
(第4實施方式)本發(fā)明的第4實施方式涉及用與本發(fā)明有關(guān)的環(huán)境測定裝置測定溫度和濕度的環(huán)境測定系統(tǒng)。
圖10是表示本發(fā)明的第4實施方式中的環(huán)境測定系統(tǒng)的概念圖。
這里，我們說明例如當(dāng)從空調(diào)機那樣的送風(fēng)機9，將控制溫度和濕度的空氣送風(fēng)到具有任意體積的空間10時，測定該空間內(nèi)的溫度和濕度分布的情形。
在圖5中，送風(fēng)機9，為了任意變化溫度、濕度，具備加熱器、冷卻器、水容器、送風(fēng)扇、流量控制器等。將從送風(fēng)機9送出的氣流送到圖中X所示的箭頭之間，能夠任意地控制它的方向和發(fā)散角度。空間10是縱5m、橫9m、高5m的長方體。
將環(huán)境測定裝置7隨機地配置在該空間10的地板上。但是，在圖10所示的A～G的環(huán)境測定裝置中，將A配置在離送風(fēng)機9垂直方向中1m的距離上，進一步以1m的間隔配置B～G。無作為地配置除此以外的環(huán)境測定裝置。當(dāng)然，也可以隨機地配置全部環(huán)境測定裝置。又，外部控制裝置8通過通常的電配線與送風(fēng)機9連接，通過無線通信與環(huán)境測定裝置7連接。
環(huán)境測定裝置7例如形成圖8所示的構(gòu)成，但是具有測定溫度和濕度的環(huán)境傳感器11、檢測處理來自環(huán)境傳感器11的信號的信號檢測處理電路12、與外部控制裝置8進行信號傳送的發(fā)送接收電路13、天線14、電源15和收藏它們的容器16。天線14是當(dāng)進行微波等的通常電磁波通信時使用的天線，當(dāng)使用光通信時是不需要的。環(huán)境傳感器11代表性地使用圖1和圖2所示的構(gòu)造。電源15也可以是以鋰離子電池等為代表的各種充電電池、燃料電池、太陽能電池或者從外部照射微波等的電磁波的部件。
在圖10中，環(huán)境測定裝置7和外部控制裝置8直接通過無線進行信號傳送，但是也可以在途中設(shè)置中繼裝置，這是不言而喻的。又，關(guān)于信號檢測處理電路12、發(fā)送接收電路13和天線14，最好根據(jù)用途決定它們的工作方式。
在圖10所示的環(huán)境測定系統(tǒng)中，用各環(huán)境測定裝置7中觀測從送風(fēng)機9送來的氣流如何流過空間10內(nèi)。這時，用外部控制裝置8控制送風(fēng)條件和觀測條件。除了A～G外隨機地配置各環(huán)境測定裝置7，但是用外部控制裝置8決定它們的相對位置和絕對位置。該位置決定方法也可以是任何方法，但是既可以將光學(xué)照相機、超聲波照相機等設(shè)置在各環(huán)境測定裝置7和空間10內(nèi)，也可以將測定位置用的照相機設(shè)置在空間10的壁上。如果是在戶外則也可以利用人造衛(wèi)星的GPS功能。
根據(jù)來自外部控制裝置8的指示，從送風(fēng)機9在任意條件下送出控制溫度和濕度的氣流，用環(huán)境測定裝置7測定在預(yù)定時間后的空間內(nèi)的溫度、濕度。而且，用外部控制裝置8收集測定的結(jié)果，進行合計等處理。因此，例如，能夠通過來自送風(fēng)機9的送風(fēng)，調(diào)查空間10內(nèi)的溫度濕度如何變化。即，在圖10所示的例子中，控制溫度和濕度的空間10是橢圓形狀，并且能夠觀測為了當(dāng)送風(fēng)時間變長時該橢圓的長軸徐徐變長，而控制溫度和濕度的空間變大的狀態(tài)。
下面，表示在本實施形態(tài)的環(huán)境測定系統(tǒng)中，進行溫度和濕度測定的結(jié)果。
在圖10所示的環(huán)境測定系統(tǒng)中，環(huán)境測定裝置7和外部控制裝置8是必需的構(gòu)成要素。在本例中，令成為測定對象的空間10為面積1500m2、高度10m的空間。最好在任意地方設(shè)置任意數(shù)目的環(huán)境測定裝置7，但是在測定中用36個測定裝置，從送風(fēng)機9的正面等間隔(6m間隔)地設(shè)置與圖中A～G相當(dāng)?shù)沫h(huán)境測定裝置。從送風(fēng)機9送風(fēng)的控制了溫度和濕度的空氣以最大5m3/分的風(fēng)量進行送風(fēng)。又，從送風(fēng)機9送風(fēng)的空氣從在離地板高度3m處的縱50cm、橫2m的送風(fēng)口以發(fā)散角20°沿圖中的箭頭X的方向被送出。又，作為外部控制裝置8，這里用個人計算機。
在這種環(huán)境測定系統(tǒng)中，首先，在停止送風(fēng)機9的狀態(tài)中用個人計算機8收集來自各環(huán)境測定裝置7的信息。此后，從送風(fēng)機9以3m3/分的風(fēng)量送入溫度25℃、濕度90％RH的空氣。而且，用各環(huán)境測定裝置7測定溫度和濕度，觀測在空間10內(nèi)的溫度和濕度的變化。
例如，在環(huán)境測定裝置A中，送風(fēng)前溫度為19.7℃、濕度為40％RH，但是送風(fēng)開始后，經(jīng)過1分鐘后溫度為21℃、濕度為60％RH。又，在環(huán)境測定裝置D中，溫度為20.9℃、濕度為48％RH。但是送風(fēng)開始后，經(jīng)過10分鐘后，在環(huán)境測定裝置A中，溫度為23℃、濕度為70％RH，在環(huán)境測定裝置F中，溫度為21.3℃、濕度為55％RH。進一步，通過由個人計算機在任意時間讀出各環(huán)境測定裝置的信息，能夠調(diào)查圖10的橢圓所示的那種空間內(nèi)的溫度、濕度的分布和特定場所的隨時間的變化。
本發(fā)明能夠應(yīng)用于由多個器件構(gòu)成的系統(tǒng)，或包含單個器件的設(shè)備。進一步，本發(fā)明也可以應(yīng)用于通過在系統(tǒng)或設(shè)備中加入程序而達到本發(fā)明目的的情形。
因為能夠形成本發(fā)明的許多明顯地廣泛不同的實施方式而沒有偏離本發(fā)明的精神和范圍，所以我們應(yīng)該懂得本發(fā)明不限定于上述具體的實施方式，除了所附的權(quán)利要求書中定義的以外。
權(quán)利要求
1.一種環(huán)境傳感器(11)，包含感溫材料由金屬氧化物構(gòu)成的溫度傳感器(111)和利用電特性變化而測定周圍濕度的濕度傳感器(112)，其特征在于上述溫度傳感器(111)中的一對電極(2、3)中的至少一方與上述濕度傳感器(112)中的電極(2、3)構(gòu)成一體。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)境傳感器，其特征在于上述金屬氧化物是強電介質(zhì)或熱電體。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的環(huán)境傳感器，其特征在于上述金屬氧化物具有鈣鈦礦型構(gòu)造。
4.根據(jù)權(quán)利要求1到3中任何一項所述的環(huán)境傳感器，其特征在于上述溫度傳感器(111)和上述濕度傳感器(112)形成在同一塊基片(5)上，除去上述基片(5)中的上述溫度傳感器(111)的一部分形成區(qū)域和上述濕度傳感器(112)的一部分形成區(qū)域中的至少一方。
5.一種環(huán)境傳感器(11)，包含測定溫度的溫度傳感器(111)和測定濕度的濕度傳感器(112)，其特征在于上述溫度傳感器(111)和上述濕度傳感器(112)是作為由包含下部電極(3)、在上述下部電極(3)上形成的金屬氧化物層(1)和在上述金屬氧化物層(1)上形成的上部電極(2)的多層構(gòu)造組成的1對層積體而形成在同一塊基片(5)上；上述溫度傳感器(111)的上述下部電極(3)和上述濕度傳感器(112)的上述下部電極(3)是共同的，并且，上述溫度傳感器(111)的上述上部電極(2)和上述濕度傳感器(112)的上述上部電極(2)也是共同的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的環(huán)境傳感器，其特征在于在上述層積體的至少面對測定氣氛的上述上部電極(2)中，上述溫度傳感器(111)中的該上部電極(2)覆蓋上述金屬氧化物層(1)的整個上面，上述濕度傳感器(112)中的該上部電極(2)部分地覆蓋上述金屬氧化物層(1)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的環(huán)境傳感器，其特征在于至少上述溫度傳感器(111)中的上述金屬氧化物層(1)包含強電介質(zhì)或熱電體。
8.根據(jù)權(quán)利要求5到7中任何一項所述的環(huán)境傳感器，其特征在于上述金屬氧化物具有鈣鈦礦型構(gòu)造。
9.根據(jù)權(quán)利要求5到8中任何一項所述的環(huán)境傳感器，其特征在于除去上述基片(5)中的上述溫度傳感器(111)的一部分形成區(qū)域和上述濕度傳感器(112)的一部分形成區(qū)域中的至少一方。
10.一種測定環(huán)境的裝置(7)，其特征在于包含具有檢測溫度的感溫材料由金屬氧化物構(gòu)成的溫度傳感器(111)、以及測定濕度的干濕材料由導(dǎo)電體構(gòu)成的濕度傳感器(112)，且上述導(dǎo)電體具有上述溫度傳感器(111)中的電極和信號配線中的至少一方的功能的環(huán)境傳感器；檢測并處理來自上述環(huán)境傳感器的輸出信號的信號檢測處理單元(12)；和將從上述信號檢測處理單元(12)輸出的處理結(jié)果以無線方式發(fā)送到外部裝置(8)的發(fā)送單元(13)。
11.一種測定環(huán)境的裝置(7)，其特征在于包含具有測定溫度的溫度傳感器(111)、以及測定濕度的濕度傳感器(112)，且上述溫度傳感器(111)和上述濕度傳感器(112)是作為由包含下部電極(3)、在上述下部電極(3)上形成的金屬氧化物層(1)和在上述金屬氧化物層(1)上形成的上部電極(2)的多層構(gòu)造組成的1對層積體而形成在同一塊基片(5)上，且串聯(lián)地連接上述1對層積體的環(huán)境傳感器；檢測并處理來自上述環(huán)境傳感器的輸出信號的信號檢測處理單元(12)；和將從上述信號檢測處理單元(12)輸出的處理結(jié)果以無線的方式發(fā)送到外部裝置(8)的發(fā)送單元(13)。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其特征在于上述信號檢測處理單元(12)具有測定上述下部電極和上述上部電極中的至少一方的電極的電特性的第1信號檢測器、測定上述下部電極和上述上部電極的電極間的電特性的第2信號檢測器，并處理來自上述第1信號檢測器和上述第2信號檢測器的信號。
13.一種環(huán)境測定系統(tǒng)，其特征在于包含分別配置在任意空間內(nèi)的任意位置上的一個或一個以上的根據(jù)權(quán)利要求10到12中任何一項所述的環(huán)境測定裝置；和收集來自上述環(huán)境測定裝置的測定結(jié)果并進行預(yù)定處理，測定上述空間內(nèi)的溫度和濕度的分布以及它們隨時間的變化的單元(8)。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于測定溫度和濕度的環(huán)境傳感器(11)，其能夠?qū)崿F(xiàn)其小型化和高速應(yīng)答的技術(shù)。包含感溫材料(1)由金屬氧化物構(gòu)成的溫度檢測單元(111)和在與溫度檢測單元(111)同一塊基片上形成的、利用電特性變化測定周圍濕度的濕度檢測單元(112)，在溫度傳感器(111)中的一對電極(2、3)中的至少一方與濕度傳感器(112)中的電極成為一體。
文檔編號G01J5/34GK1576801SQ20041006355
公開日2005年2月9日 申請日期2004年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月10日
發(fā)明者金子典夫 申請人:佳能株式會社