JP3369677B2 - Temperature and humidity sensor - Google Patents
Temperature and humidity sensorInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、温湿度センサに関す
る。
【0002】
【従来の技術】近年、氷温高湿度環境とよばれる−5〜
0°C,80〜100%での食品保存技術が注目されて
いる。
【0003】食品保存環境としては、温度と湿度が大き
な役割を果たすため、温度と湿度とを高精度に検出し、
その検出値に応じた制御を行う必要がある。
【0004】一般に室温下におかれた氷温保存庫におけ
る湿度の検出は、高分子膜あるいはセラミックなどから
なる感湿膜に水分子が吸着することによる電気抵抗ある
いは容量変化を検出する湿度センサが用いられている。
【0005】しかしながら、このようなセンサは氷温環
境で使用した場合、保存庫のドアの開閉時における外気
導入時に結露し、その後数十分は湿度計測が不可能とな
るという問題がありまた、このような結露サイクルの繰
り返しによりセンサの特性が劣化するという問題があっ
た。
【0006】このように従来の湿度センサは、氷温高湿
度環境に用いると結露により正確な湿度検出を行うこと
ができず、また、正確な湿度検出をしようとすると、ド
アの開閉による外気の導入に起因する結露が消失するま
で待たねばならない。
【0007】そこで、本発明者は、結露の影響を受ける
ことなく、氷温高湿度環境で湿度検出を高精度に連続し
て行うことを目的とし、湿度検出手段の周辺のみを局所
的に加熱する加熱手段を配設し、所定温度以上に加熱し
ながら測定すべき環境の湿度を検出すると共に、この湿
度検出手段の周辺温度と、環境温度とを測定しこれらの
値と検出湿度とから湿度を検出するようにした湿度検出
装置を提案している(特開平4−118547号)。
【0008】この湿度検出装置は、例えば図9および図
10に示すように、熱的に絶縁性の高い厚さ1mm縦5mm
横15mmのガラスエポキシからなる基板100の上に湿
度センサとヒータと第1の温度センサとを備えた第1の
センサチップT1 と、環境温度を測定する第2の温度セ
ンサを備えた第2のセンサチップT2 とを搭載してなる
ものである。ここでセンサチップは、基板上に直径25
μm の金線Wで接続されている。第1のセンサチップT
1 は、シリコン基板101上に酸化シリコン膜(図示せ
ず)を介して膜厚0.1μm の窒化チタン(TiN)薄
膜からなるヒータ102を設置し、絶縁膜としての酸化
シリコン(SiO2 )106を介して、この上層に第1
の温度センサ103およびプラチナ薄膜からなる下部電
極141と、ポリイミド膜からなる感湿膜142と、金
からなる上部電極143から構成され、湿度による感湿
膜142の容量変化を下部電極141と上部電極143
から取り出すようにした湿度センサ104を並設してい
る。一方、第2のセンサチップT2 は、この第1のセン
サチップT1 と離間してセンサヘッド基板100上に設
置されるもので、シリコン基板101上に絶縁膜106
を介して第2の温度センサ105が配設されている。
【0009】この構成によれば、湿度検出手段の周辺の
みを局所的に所定温度以上に加熱した状態で湿度検出を
行うようにしているため、外気が入ってきた場合にも、
即時に結露のない状態で湿度を測定することが可能とな
る上、結露のない状態で湿度を測定しているため、セン
サ自体の劣化を防止することができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このセ
ンサ構造では、第1のセンサチップを加熱した状態では
センサ基板を通じた熱の逃げが大きく、第2のセンサチ
ップの温度も上昇してしまい正確な環境温度を測定する
ことができないという問題があった。さらにまた、第1
のセンサチップを加熱するために必要とする熱も、逃げ
の分だけ大きくなりセンサ消費電力が大きいという問題
があった。
【0011】そこで熱の逃げを小さくするためにワイヤ
でセンサチップを浮遊させると、機械的強度が不足し、
逆に機械的強度を保つためにワイヤ径を160μm 程度
まで太くするとワイヤを通して熱の逃げが大きくなると
いう問題があった。
【0012】また、第2のセンサチップは第1のセンサ
チップの熱的影響を避ける必要があるため、所定の間隔
を隔てて設置する必要があり、このため装置が大型とな
るという問題もあった。
【0013】本発明は前記実情に鑑みてなされたもの
で、測定精度および応答性が高く、小型化が可能な温湿
度センサを提供することを目的とする。
【0014】
【0015】
【課題を解決するための手段】そこで本発明では、湿度
を検出する湿度検出手段と、前記湿度検出手段に近接し
て前記チップ基板表面上に配設され、前記湿度検出手段
の周辺温度を検出する第1の温度検出手段と、前記湿度
検出手段の近傍を局所的に所定温度以上に加熱する加熱
手段とを具備した第1のセンサチップと、前記センサ基
板上に搭載され前記第1のセンサチップの設置された環
境の温度を検出する第2の温度検出手段を具備した第2
のセンサチップとを具備し、第1のセンサチップは、前
記センサ基板上に、機械的接続を行う熱的および電気的
絶縁性の第1のワイヤと、電気的接続を行う第2のワイ
ヤとによって接続されていることを特徴とする。
【0016】すなわち、本発明は、所定温度以上に加熱
しながら湿度を検出し、環境温度に基づいて換算するこ
とにより、結露の影響を防止しつつ高精度の湿度測定を
行うもので、湿度を検出する湿度検出手段と、前記湿度
検出手段の周辺温度を検出する第1の温度検出手段とを
配設するとともに、さらに前記湿度検出手段の近傍を局
所的に所定温度以上に加熱する加熱手段を配設し、湿度
検出手段および第1の温度検出手段の周辺を局所的に所
定温度以上に加熱するようにし、湿度検出手段の出力
を、第1の温度検出手段の出力および環境温度を検出す
る第2の温度検出手段の出力とに基づいて換算し、湿度
を検出するようにしている。
【0017】
【0018】
【0019】
【作用】上記構成によれば、機械的接続と電気的接続を
独立した部材で達成するようにしているため、機械的接
続には、熱伝導率の小さい材料を熱の逃げが問題となら
ない程度にワイヤ径を太くして用いるとともに、電気的
な接続はワイヤ径を細くして行うことにより、ワイヤの
熱伝導による熱損失を最小に抑えることができる。
【0020】また、第2の温度検出手段を搭載した第2
のセンサチップを近接して設置しても、ワイヤからの熱
伝導によって第2の温度検出手段が第1のセンサチップ
の熱により加熱されて温度上昇を生じることがないた
め、良好に環境温度を検出することができ、高精度の湿
度検出を行うことができる。
【0021】また、図9および図10に示した従来例の
温湿度センサと同様、湿度検出手段の周辺のみを局所的
に所定温度以上に加熱した状態で湿度検出を行うように
しているため、外気が入ってきた場合にも、即時に結露
のない状態で湿度を測定することが可能となる。
【0022】また、結露のない状態で湿度を測定してい
るため、センサ自体の劣化を防止することができる。
【0023】また、常に連続して湿度の測定を行うこと
ができる。
【0024】この加熱手段の加熱温度は、外気などにふ
れた場合にも結露を生じない程度の温度とするのが望ま
しい。例えば、食品貯蔵庫の場合には、一例として、通
常時は7.5℃加熱し、結露時のみ35℃加熱する。
【0025】
【0026】
【実施例】以下本発明の実施例について図面を参照しつ
つ詳細に説明する。
【0027】図1および図2は本発明の第1の実施例の
温湿度センサを示す図である。
【0028】この温湿度センサは、氷温保存庫内の温湿
度検出のために設置されるもので、熱的に絶縁性の高い
ガラスエポキシ基板からなるセンサヘッド基板100上
に、ヒータと第1の温度センサおよび湿度センサとを備
えた第1のセンサチップT1と、環境温度測定のための
第2の温度センサを備えた第2のセンサチップT2 とが
ワイヤによって空間的に浮かせた状態で接続されてい
る。そして第1のセンサチップT1 は、直径25μm の
6本の金線W1 でセンサヘッド基板100上の駆動回路
への電気的接続が達成されると共に、0.8mm×0.2
mmの4本のガラスエポキシ線W2 で機械的接続が達成さ
れるように支持されており、第2のセンサチップT2
は、直径25μm の2本の金線W1 でセンサヘッド基板
100上の駆動回路への電気的接続が達成されると共
に、0.8mm×0.2mmの4本のガラスエポキシ線W2
で機械的接続が達成されるように支持されていることを
特徴とするものである。
【0029】この湿度センサ4は、シリコン基板1上
に、酸化シリコン膜(図示せず)を介して構成された窒
化チタン膜からなるヒータ2上に酸化シリコン膜Sを介
してプラチナ薄膜で構成された下部電極141と、ポリ
イミド膜からなる感湿膜142と、金薄膜で構成された
上部電極143とが順次積層されて構成されており、湿
度による感湿膜142の容量変化を下部電極141と上
部電極143とから取り出すようにしたものである。
【0030】また、第1の温度センサ3は、湿度センサ
と並んで、ヒータ2上に酸化シリコン膜Sを介して配設
されたプラチナ(Pt)パターンからなるミアンダ状の
抵抗パターンからなり、温度変化に基づく抵抗値の変化
から温度を検出するものである。
【0031】さらにまた、第2の温度センサ5は、第1
の温度センサ3と同様、シリコン基板1上に酸化シリコ
ン膜Sを介して形成されたプラチナ(Pt)パターンか
らなるミアンダ状の抵抗パターンからなり、温度変化に
基づく抵抗値の変化から温度を検出するもので、第2の
センサチップを構成している。
【0032】次に、この温湿度センサを用いた温度の測
定について説明する。
【0033】湿度センサ4、第1の温度センサ3および
第2の温度センサ5の出力をそれぞれ測定する。
【0034】これらの各測定値をそれぞれa(%R.
H.),b(℃),c(℃)とする。
【0035】そしてまず、図3に示すように各温度にお
ける飽和水蒸気量曲線を求めておく。ここで縦軸は飽和
水蒸気量(g/ m3 )、横軸は温度(℃)とした。温度
b,cのときの飽和水蒸気量をそれぞれB,Cとする
と、第1の温度センサおよび湿度センサの置かれている
ヒータ2上の水蒸気量x(g/ m3 )は、次式(1)で
求められる。
【0036】
x(g/ m3 )=a×B/100……(1)
この後、庫内温度すなわち第2の温度センサの出力cに
おける飽和水蒸気量Cとの比を求めることにより湿度y
(%R.H.)を求めることができる。
【0037】y(%R.H.)=x/C×100
=a×B/C……(2)
このようにして、極めて容易かつ高精度に氷温下での湿
度を求めることができる。
【0038】かかる構成によれば、従来例の場合、熱放
散係数が13.34mW/ ℃であったものが、本発明の構
成によれば熱放散係数は3.57mW/ ℃となり、同一温
度に加熱するためには電力は約27%に削減することが
でき第2のセンサチップへの熱的影響を大幅に低減する
ことができる。
【0039】また、第1のセンサチップの熱的影響が小
さいため、第1のセンサチップと第2のセンサチップと
をより近接して設置することができ、装置の小型化を達
成することができる。
【0040】なお、前記実施例では第1のセンサチップ
のみならず第2のセンサチップも電気的接続と機械的接
続とを別のワイヤで達成するようにしたが、第1のセン
サチップのみ、かかる構成にしてもよい。
【0041】また、前記実施例では温度変化による気体
の体積の変化を無視して湿度yを算出したが、より正確
な湿度値を得るためには飽和水蒸気圧の概念を用いて演
算するようにしても良い。
【0042】この例について以下に説明する。図4(a)
および(b) は説明図である。まず環境中の水蒸気量xは
x(g/m3 ) =(y/100)×C (3)
で表され、ヒータ上の水蒸気量x´は空気自体が絶対温
度に比例して膨脹しているので次式のように表される。
【0043】
x´(g/m3 ) =x×(c+273)/(b+273)
=(y・C/100) ・(c+273)/(b+273) (4)
また、x´はヒータ上相対湿度a(%RH)を用いると
次式のように表すことができる。
【0044】
x´(g/m3 ) =(a/100)×B (5)
(4),(5) 式より環境湿度は(6) 式のように表すことがで
きる。
【0045】
y(%RH)=a・(B/C)・(b+273)/(c+273) (6)
絶対湿度の定義より水分の重量、モル数、分子量、体積
をmw ,nw ,Mw ,Vとすると、
D=mw /V=nw ・Mw /V (7)
気体の状態方程式は(6) 式となる。(e:水蒸気圧,
R:気体定数,T:絶対温度)
eV=nw RT (8)
(7),(8) 式より(9) 式を導くことができる。
D=Mw e/(RT) (9)
(9) 式より飽和水蒸気量B(g/m3 ) ,C(g/m3 ) は(10)
式のように表すことができる。
【0046】
B=Mw es (b) /{R・(b+273)}(g/m3 )
C=Mw es (c) /{R・(c+273)}(g/m3 ) (10)
但し、es (b) ,es (c) はそれぞれb(℃),c
(℃)での飽和水蒸気圧である。結局(10)式を(6) 式に
代入すると(11)式を導出することができる。
【0047】
y(%RH)=a・es (b) /es (c) (11)
このようにして極めて高精度の湿度を算出することがで
きる。
【0048】次に本発明の第2の実施例について説明す
る。
【0049】この例では第2の温度検出手段すなわち第
2のセンサチップを省略し、第1のセンサチップの温度
と印加電力との関係を少なくとも2点にわたり測定し、
この関係曲線から、環境温度を算出するようにしたこと
を特徴とする。
【0050】この装置は図5に示すように、実施例1で
用いた第1のセンサチップと同様に形成されたヒータと
温度検出手段と湿度検出手段とを備えたセンサチップ1
1と、ヒータへ印加電力を測定するための電流計および
電圧計を備えた電力測定手段12と、給電手段13と、
駆動制御手段14とを備えたことを特徴とする。
【0051】駆動制御手段14は、フローチャートを図
6に示すように、ヒータへの給電を制御し、例えば60
mW,105mW,500mWの電力をヒータに供給し、60
mWと105mWの印加電力とヒータ温度の関係から,環境
温度を算出し、湿度を検出するように構成されている。
【0052】すなわち、まずヒータパワーに105mWの
電力を供給し(ステップ600)、バイアス温度が7.
5℃となるようにして所定時間経過後温度および湿度を
測定する(ステップ601)。ここで環境温度が−3.
9℃ならば、このときの温度は約3.6℃となってい
る。
【0053】そしてこのとき結露があるか否かを判断し
(ステップ602)、湿度センサの出力が80%RHを
越えた場合、結露ありと判定している。結露がある場合
はフラッシングを行い(ステップ603)、所定時間後
ステップ600に戻る。ここでフラッシングとは、ヒー
タへの印加電力を増加させて(500mWを印加)バイ
アス温度を35℃として、結露状態を解消させることを
意味している。
【0054】一方結露がないと判断された場合は、ヒー
タへの電力供給を60mWに下げ(ステップ604)、バ
イアス温度を4.2℃となるようにし、所定時間後、温
度(環境温度が−3.9℃ならば温度は約0.3℃とな
る)と湿度を測定する(ステップ605)。このときも
結露があるか否かを判断し、結露がある場合はフラッシ
ングを行い、ステップ600に戻る。
【0055】結露がないと判断された場合、これら印加
電力60mW,105mWのときのヒータ温度から環境温度
を算出し、さらに印加電力60mWのときの湿度センサの
出力値に基づき湿度センサの出力を換算して環境湿度を
求める(ステップ606)。この結果を図7に示す。こ
の図から得られた環境温度は−3.9℃であった。実際
の温度を測定した結果、同じであった。
【0056】このことからも第1のセンサチップのみで
環境温度を高精度に検出することができることがわか
る。
【0057】前記実施例では氷温における環境温度検出
について説明したが、環境温度が室温近傍であった場合
も同様に高精度の検出が可能である、この時の測定結果
を図8に示す。この結果実際の環境温度が24.3℃で
あったのに対し、測定結果から求めたものは24.5℃
であった。この結果からも高精度の検出が可能であるこ
とがわかる。
【0058】さらにまた、上記構成によれば、全て薄膜
技術で形成することができるため、大幅な小形化をはか
ることができる。
【0059】なお、温湿度センサとしては容量変化型セ
ンサを用いたが、抵抗変化型センサを用いても良く、ま
た高温領域で使用する場合にはAl2 O3 のセラミック
スを用いるようにしてもよい。そしてまたこれらの感湿
抵抗膜の材質あるいは絶縁性薄膜の材質等については適
宜変更可能である。
【0060】さらにヒータの形状としては実施例に限定
されることなく、適宜変形可能である。
【0061】
【発明の効果】以上説明してきたように、本発明によれ
ば、装置の小形化および低価格化をはかることができ、
かつ高精度の湿度検出を行うことができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a temperature and humidity sensor. 2. Description of the Related Art In recent years, an environment called ice temperature and high humidity is used.
Attention has been focused on food preservation technology at 0 ° C. and 80 to 100%. [0003] As a food preservation environment, since temperature and humidity play a large role, temperature and humidity are detected with high accuracy.
It is necessary to perform control according to the detected value. In general, humidity in an ice temperature storage at room temperature is detected by a humidity sensor which detects a change in electric resistance or capacitance caused by water molecules adsorbed on a moisture-sensitive film made of a polymer film or ceramic. Used. [0005] However, when such a sensor is used in an ice temperature environment, there is a problem in that dew condensation occurs when outside air is introduced at the time of opening and closing the door of the storage, and thereafter, it becomes impossible to measure humidity for tens of minutes. There has been a problem that the characteristics of the sensor are deteriorated due to the repetition of such a condensation cycle. As described above, the conventional humidity sensor cannot perform accurate humidity detection due to dew condensation when used in an ice temperature and high humidity environment, and when trying to perform accurate humidity detection, the outside air is opened and closed by opening and closing a door. You must wait until the condensation from the introduction has disappeared. Therefore, the present inventor aims to continuously perform humidity detection with high accuracy in an ice temperature and high humidity environment without being affected by dew condensation, and to locally heat only the periphery of the humidity detection means. A heating means for detecting the humidity of the environment to be measured while heating to a predetermined temperature or higher, and measuring the ambient temperature and the environmental temperature of the humidity detecting means and measuring the humidity from these values and the detected humidity. (Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 4-118547) has proposed a humidity detecting device for detecting the humidity. As shown in FIGS. 9 and 10, for example, this humidity detecting device has a thickness of 1 mm, a height of 5 mm, and a high thermal insulating property.
A first sensor chip T1 having a humidity sensor, a heater and a first temperature sensor on a substrate 100 made of glass epoxy having a width of 15 mm, and a second sensor having a second temperature sensor for measuring an environmental temperature. The sensor chip T2 is mounted. Here, the sensor chip has a diameter of 25 on the substrate.
It is connected by a gold wire W of μm. First sensor chip T
1, a heater 102 made of a titanium nitride (TiN) thin film having a thickness of 0.1 μm is provided on a silicon substrate 101 via a silicon oxide film (not shown), and a silicon oxide (SiO 2 ) 106 as an insulating film is provided. Through the first layer
Temperature sensor 103, a lower electrode 141 made of a platinum thin film, a moisture-sensitive film 142 made of a polyimide film, and an upper electrode 143 made of gold. 143
The humidity sensor 104 which is taken out from the apparatus is provided side by side. On the other hand, the second sensor chip T2 is provided on the sensor head substrate 100 at a distance from the first sensor chip T1.
The second temperature sensor 105 is provided via the. According to this configuration, since the humidity is detected in a state where only the periphery of the humidity detecting means is locally heated to a predetermined temperature or higher, even when outside air enters,
The humidity can be measured immediately without dew condensation, and since the humidity is measured without dew condensation, deterioration of the sensor itself can be prevented. [0010] However, in this sensor structure, when the first sensor chip is heated, a large amount of heat escapes through the sensor substrate, and the temperature of the second sensor chip also increases. As a result, there has been a problem that it is impossible to accurately measure the environmental temperature. Furthermore, the first
The heat required to heat the sensor chip also increases by the amount of the escape, and there is a problem that the sensor power consumption is large. Therefore, if the sensor chip is floated with a wire in order to reduce the escape of heat, the mechanical strength becomes insufficient,
Conversely, if the wire diameter is increased to about 160 μm in order to maintain the mechanical strength, there is a problem that heat escape through the wire increases. In addition, since the second sensor chip needs to avoid the thermal influence of the first sensor chip, it needs to be installed at a predetermined interval, which causes a problem that the device becomes large. Was. The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a temperature and humidity sensor having high measurement accuracy and responsiveness and capable of being miniaturized. According to the present invention, there is provided, in the present invention, a humidity detecting means for detecting humidity; and a humidity detecting means disposed on the chip substrate surface in close proximity to the humidity detecting means. A first sensor chip including a first temperature detecting means for detecting a temperature around the means, a heating means for locally heating the vicinity of the humidity detecting means to a predetermined temperature or higher, and mounted on the sensor substrate And a second temperature detecting means for detecting the temperature of the environment in which the first sensor chip is installed.
Wherein the first sensor chip comprises a first thermally and electrically insulating wire for mechanical connection and a second wire for electrical connection on the sensor substrate. Are connected by That is, the present invention detects the humidity while heating it to a predetermined temperature or higher, and performs conversion based on the environmental temperature, thereby performing highly accurate humidity measurement while preventing the influence of dew condensation. A humidity detecting means for detecting, and a first temperature detecting means for detecting a peripheral temperature of the humidity detecting means are provided, and a heating means for locally heating the vicinity of the humidity detecting means to a predetermined temperature or more is provided. The apparatus is arranged to locally heat the periphery of the humidity detecting means and the first temperature detecting means to a predetermined temperature or higher, and detects the output of the humidity detecting means, the output of the first temperature detecting means and the environmental temperature. The conversion is performed based on the output of the second temperature detecting means, and the humidity is detected. According to the above construction, since the mechanical connection and the electrical connection are achieved by independent members, a material having a low thermal conductivity is used for the mechanical connection. By increasing the diameter of the wire to such an extent that the escape of heat does not pose a problem, and by making the electrical connection thin, the heat loss due to the heat conduction of the wire can be minimized. Further, a second temperature detecting device equipped with a second temperature detecting means is provided.
Even if the sensor chip is placed in close proximity, the second temperature detecting means is not heated by the heat of the first sensor chip due to the heat conduction from the wire and does not cause a temperature rise. The humidity can be detected with high accuracy. As in the conventional temperature and humidity sensors shown in FIGS. 9 and 10, the humidity is detected while only the periphery of the humidity detecting means is locally heated to a predetermined temperature or higher. Even when outside air enters, the humidity can be measured immediately without dew condensation. Further, since humidity is measured without dew condensation, deterioration of the sensor itself can be prevented. Further, the measurement of humidity can always be performed continuously. The heating temperature of the heating means is desirably set to a temperature at which dew condensation does not occur even when the heating means is exposed to outside air or the like. For example, in the case of a food storage, as an example, heating is performed at 7.5 ° C. during normal operation, and at 35 ° C. only during dew condensation. Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIGS. 1 and 2 show a temperature and humidity sensor according to a first embodiment of the present invention. This temperature / humidity sensor is installed for detecting temperature / humidity in an ice temperature storage, and a heater and a first heater are provided on a sensor head substrate 100 made of a glass epoxy substrate having high thermal insulation. A first sensor chip T1 having a temperature sensor and a humidity sensor of the type described above and a second sensor chip T2 having a second temperature sensor for measuring environmental temperature are connected in a state of being spatially floated by wires. Have been. The first sensor chip T1 is electrically connected to the drive circuit on the sensor head substrate 100 by six gold wires W1 having a diameter of 25 .mu.m.
The second sensor chip T2 is supported by four glass epoxy wires W2 so as to achieve a mechanical connection.
In this example, electrical connection to the drive circuit on the sensor head substrate 100 is achieved by two gold wires W1 having a diameter of 25 .mu.m and four glass epoxy wires W2 of 0.8 mm.times.0.2 mm.
, So that a mechanical connection is achieved. The humidity sensor 4 is formed of a platinum thin film via a silicon oxide film S on a heater 2 made of a titanium nitride film formed on a silicon substrate 1 via a silicon oxide film (not shown). The lower electrode 141, a moisture-sensitive film 142 made of a polyimide film, and an upper electrode 143 made of a gold thin film are sequentially laminated, and the capacitance change of the moisture-sensitive film 142 due to humidity is measured by the lower electrode 141. It is taken out from the upper electrode 143. The first temperature sensor 3 is composed of a meander-like resistance pattern made of a platinum (Pt) pattern disposed on the heater 2 via the silicon oxide film S, in addition to the humidity sensor. The temperature is detected from the change in the resistance value based on the change. Further, the second temperature sensor 5 is provided with a first
Like the temperature sensor 3, a meander-like resistance pattern composed of a platinum (Pt) pattern formed on the silicon substrate 1 with the silicon oxide film S interposed therebetween is used to detect the temperature from a change in resistance based on a change in temperature. And constitute a second sensor chip. Next, measurement of temperature using the temperature and humidity sensor will be described. The outputs of the humidity sensor 4, the first temperature sensor 3 and the second temperature sensor 5 are measured respectively. Each of these measured values is represented by a (% R.
H. ), B (° C.) and c (° C.). First, as shown in FIG. 3, a saturated water vapor curve at each temperature is determined. Here, the vertical axis is the amount of saturated steam (g / m 3 ), and the horizontal axis is the temperature (° C.). Assuming that the amounts of saturated steam at the temperatures b and c are B and C, respectively, the amount of steam x (g / m 3 ) on the heater 2 where the first temperature sensor and the humidity sensor are placed is expressed by the following equation (1). ). X (g / m 3 ) = a × B / 100 (1) Thereafter, the humidity y is obtained by calculating the ratio of the internal temperature, that is, the saturated water vapor amount C at the output c of the second temperature sensor.
(% RH) can be determined. Y (% RH) = x / C × 100 = a × B / C (2) In this manner, the humidity under the ice temperature can be obtained extremely easily and with high accuracy. . According to such a configuration, in the case of the conventional example, the heat dissipation coefficient was 13.34 mW / ° C., but according to the structure of the present invention, the heat dissipation coefficient was 3.57 mW / ° C. For heating, the power can be reduced to about 27% and the thermal effect on the second sensor chip can be greatly reduced. Further, since the first sensor chip has a small thermal effect, the first sensor chip and the second sensor chip can be disposed closer to each other, and the device can be downsized. it can. In the above embodiment, not only the first sensor chip but also the second sensor chip achieve the electrical connection and the mechanical connection with different wires. Such a configuration may be adopted. In the above-described embodiment, the humidity y is calculated ignoring the change in the gas volume due to the temperature change. However, in order to obtain a more accurate humidity value, the calculation is performed using the concept of the saturated steam pressure. May be. This example will be described below. Fig. 4 (a)
And (b) are explanatory diagrams. First, the amount of water vapor x in the environment is represented by x (g / m 3 ) = (y / 100) × C (3), and the amount of water vapor x ′ on the heater is such that the air itself expands in proportion to the absolute temperature. Therefore, it is expressed by the following equation. X ′ (g / m 3 ) = x × (c + 273) / (b + 273) = (y · C / 100) · (c + 273) / (b + 273) (4) Further, x ′ is a relative humidity a on the heater. When (% RH) is used, it can be expressed as the following equation. X ′ (g / m 3 ) = (a / 100) × B (5) From equations (4) and (5), the environmental humidity can be expressed as equation (6). Y (% RH) = a · (B / C) · (b + 273) / (c + 273) (6) From the definition of absolute humidity, the weight, mole number, molecular weight, and volume of water are defined as m w , n w , and M, respectively. w, when the V, D = m w / V = n w · M w / V (7) the state equation of gas is (6). (E: water vapor pressure,
(R: gas constant, T: absolute temperature) eV = n w RT (8) Equation (9) can be derived from equations (7) and (8). D = M w e / (RT ) (9) (9) from equation saturated vapor amount B (g / m 3), C (g / m 3) is (10)
It can be expressed as an equation. [0046] B = M w e s (b ) / {R · (b + 273)} (g / m 3) C = M w e s (c) / {R · (c + 273)} (g / m 3) ( 10) where e s (b) and e s (c) are b (° C.) and c
It is the saturated steam pressure at (° C). Eventually, substituting equation (10) into equation (6) yields equation (11). Y (% RH) = a · es (b) / es (c) (11) In this manner, extremely accurate humidity can be calculated. Next, a second embodiment of the present invention will be described. In this example, the second temperature detecting means, that is, the second sensor chip is omitted, and the relationship between the temperature of the first sensor chip and the applied power is measured at least at two points.
It is characterized in that the environmental temperature is calculated from this relationship curve. As shown in FIG. 5, this device has a sensor chip 1 having a heater, a temperature detecting means and a humidity detecting means formed in the same manner as the first sensor chip used in the first embodiment.
1, power measuring means 12 having an ammeter and a voltmeter for measuring the power applied to the heater, power feeding means 13,
And a drive control means 14. The drive control means 14 controls the power supply to the heater as shown in the flowchart of FIG.
mW, 105mW, 500mW of electric power to the heater,
An environment temperature is calculated from the relationship between the applied power of mW and 105 mW and the heater temperature, and the humidity is detected. That is, first, 105 mW of electric power is supplied to the heater power (step 600), and the bias temperature is set to 7.
The temperature and the humidity are measured after a lapse of a predetermined time so that the temperature becomes 5 ° C. (step 601). Here, the environmental temperature is -3.
If it is 9 ° C., the temperature at this time is about 3.6 ° C. At this time, it is determined whether or not there is condensation (step 602). If the output of the humidity sensor exceeds 80% RH, it is determined that there is condensation. If there is dew condensation, flushing is performed (step 603), and the process returns to step 600 after a predetermined time. Here, the flushing means that the power applied to the heater is increased (500 mW is applied), the bias temperature is set to 35 ° C., and the dew condensation state is eliminated. On the other hand, when it is determined that there is no dew condensation, the power supply to the heater is reduced to 60 mW (step 604), the bias temperature is set to 4.2 ° C., and after a predetermined time, the temperature (the environmental temperature is set to − If it is 3.9 ° C., the temperature is about 0.3 ° C.), and the humidity is measured (step 605). At this time as well, it is determined whether or not there is dew condensation. When it is determined that there is no dew condensation, the environmental temperature is calculated from the heater temperature at the applied power of 60 mW and 105 mW, and the output of the humidity sensor is converted based on the output value of the humidity sensor at the applied power of 60 mW. To obtain the environmental humidity (step 606). The result is shown in FIG. The environmental temperature obtained from this figure was -3.9 ° C. As a result of measuring the actual temperature, it was the same. This also indicates that the environmental temperature can be detected with high accuracy only by the first sensor chip. In the above embodiment, the detection of the environmental temperature at the ice temperature has been described. However, even when the environmental temperature is near room temperature, the detection can be performed with high accuracy. FIG. 8 shows the measurement result at this time. As a result, while the actual environmental temperature was 24.3 ° C., the value obtained from the measurement result was 24.5 ° C.
Met. From this result, it can be seen that highly accurate detection is possible. Further, according to the above configuration, since all can be formed by the thin film technology, it is possible to greatly reduce the size. Although the capacitance change type sensor is used as the temperature / humidity sensor, a resistance change type sensor may be used, and when it is used in a high temperature region, Al 2 O 3 ceramics may be used. Good. Further, the material of the moisture-sensitive resistance film or the material of the insulating thin film can be appropriately changed. Further, the shape of the heater is not limited to the embodiment but can be appropriately modified. As described above, according to the present invention, the size and cost of the apparatus can be reduced.
Moreover, highly accurate humidity detection can be performed.
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の温湿度センサを示す図
【図2】同温湿度センサを示す図
【図3】同温湿度センサでの測定のために用いられる飽
和水蒸気量曲線を示す図
【図4】湿度算出のための説明図
【図5】本発明の第2の実施例の温湿度センサを示す図
【図6】本発明の第2の実施例の温湿度センサの駆動方
法を示すフローチャート図
【図7】同温湿度センサの測定結果を示す図
【図8】同温湿度センサの測定結果を示す図
【図9】従来例の温湿度センサを示す図
【図10】従来例の温湿度センサを示す図
【符号の説明】
1 基板
2 ヒータ
3 第1の温度センサ
4 湿度センサ
5 第2の温度センサ
141 下部電極
142 感湿膜
143 上部電極
101 基板
102 ヒータ
103 第1の温度センサ
104 湿度センサ
105 第2の温度センサ
106 絶縁膜
T1 第1のセンサチップ
T2 第2のセンサチップBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram showing a temperature and humidity sensor according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a diagram showing the same temperature and humidity sensor; FIG. FIG. 4 is a diagram showing a saturated water vapor amount curve used in the measurement. FIG. 4 is an explanatory diagram for calculating humidity. FIG. 5 is a diagram showing a temperature / humidity sensor according to a second embodiment of the present invention. FIG. FIG. 7 is a flowchart illustrating a method of driving the temperature and humidity sensor according to the embodiment. FIG. 7 is a diagram illustrating measurement results of the temperature and humidity sensor. FIG. 8 is a diagram illustrating measurement results of the temperature and humidity sensor. FIG. 10 shows a sensor. FIG. 10 shows a conventional temperature and humidity sensor. [Description of References] 1 Substrate 2 Heater 3 First temperature sensor 4 Humidity sensor 5 Second temperature sensor 141 Lower electrode 142 Upper part of moisture sensitive film 143 Electrode 101 substrate 102 heater 103 first temperature sensor 104 humidity sensor 05 second temperature sensor 106 insulating film T1 first sensor chip T2 second sensor chip
Claims (1)
段と、前記湿度検出手段に近接して前記チップ基板表面
上に配設され、前記湿度検出手段の周辺温度を検出する
第1の温度検出手段と、前記湿度検出手段の近傍を局所
的に所定温度以上に加熱する加熱手段とを具備した第1
のセンサチップと、 前記センサ基板上に搭載され前記第1のセンサチップの
設置された環境の温度を検出する第2の温度検出手段を
具備した第2のセンサチップとを具備し、 前記第1のセンサチップは、前記センサ基板上に、機械
的接続を行う熱的および電気的絶縁性の第1のワイヤ
と、前記配線パターンに対し電気的接続を行う第2のワ
イヤとによって接続されており、 前記湿度検出手段の出力を、前記第1の温度検出手段の
出力と、前記第2の温度検出手段の出力とに基づいて換
算し、測定すべき環境の湿度を測定するようにしたこと
を特徴とする温湿度センサ。(57) [Claim 1] A sensor substrate provided with a wiring pattern, humidity detecting means formed on the surface of the chip substrate and detecting humidity, and the chip substrate in proximity to the humidity detecting means A first temperature detecting means disposed on a surface for detecting a peripheral temperature of the humidity detecting means; and a heating means for locally heating the vicinity of the humidity detecting means to a predetermined temperature or higher.
A first sensor chip mounted on the sensor substrate, and a second sensor chip including second temperature detection means for detecting a temperature of an environment in which the first sensor chip is installed; The sensor chip is connected on the sensor substrate by a first wire that is thermally and electrically insulated for performing a mechanical connection and a second wire that is electrically connected to the wiring pattern. The output of the humidity detecting means is converted based on the output of the first temperature detecting means and the output of the second temperature detecting means, and the humidity of the environment to be measured is measured. Characteristic temperature and humidity sensor.
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