小型湿度センサーの主な用途は何ですか?

制作：中国科学普及協会

著者: 徐勇 (中国科学院大学)

プロデューサー: 中国科学博覧会

湿度は、空気中の水分含有量を表すために使用される物理量です。社会の継続的な発展と進歩に伴い、湿度の検出と制御がますます重要になっています。湿度センサーについて、よくご存知ないでしょうか?実際、湿度センサーは私たちの生活の中で広く使用されています。湿度センサーは小さいですが、非常に便利です。次に、湿度センサーとは何か、その分類、動作原理、用途について詳しく見ていきましょう。

湿度センサーの分類と動作原理

湿度センサーは、信号変換方法によって、音響湿度センサー、電気湿度センサー、光学湿度センサーなどに分類されます。音響湿度センサーは、湿度の変化に応じて音響信号が変化するという原理に基づいて作られています。電気式湿度センサーには、抵抗式湿度センサーと静電容量式湿度センサーがあります。湿度によって静電容量や抵抗が変化するという原理に基づいて作られています。光学式湿度センサーは、湿度の変化によって媒体層の特性が変化し、それによって光の伝播の特性が変化するという原理に基づいて作られています。以下では、電気センサーを例に、その動作原理を詳しく紹介します。

湿度センサーの動作原理は、セラミックやポリマーなど、湿度の変化に非常に敏感な材料（吸湿性材料）を使用することです。吸湿性材料は水分を吸収したり放出したりすると、その導電性が変化します。この変化はプロセッサによって読み取られ、特定の規則に従ってアナログ信号またはデジタル信号に変換され、最終的に対応する湿度値が表示されます。

現在、私たちが日常生活で使用している湿度計のほとんどは電気センサーを使用しており、その多くは温度センサーを内蔵しています。写真は温度センサーと湿度センサーの統合を示しています。画像出典: wikipedia

湿度センサーの用途

湿度センサーは、航空宇宙、工業製造、気象、日常生活、ヘルスケアなど、多くの分野で広く使用されています。

航空宇宙における湿度センサーの応用。

空気の湿度が高いと、航空機の翼表面の空力性能が大幅に低下し、結露が発生し、パイロットの視界がぼやける可能性があります。そのため、航空機の安全性と安定性を確保するために、湿度センサーを使用して航空機の内部と外部の湿度を検出し、制御することがよくあります。航空機内では、客室内や乗務員が使用するエリアに湿度センサーが設置されることが多いです。湿度データがあれば、パイロットは合理的な飛行計画を立て、予期せぬ気象条件などに対処することができます。

湿度が高すぎると、客室の外側に氷が形成され、航空機の性能やパイロットの視界に影響が出ることがあります。画像出典: Wikipedia

航空機の外側にある温湿度計は、通常、一体化されています。左の写真は温湿度計の構造を示し、右の写真は温湿度計の設置場所を示しています。画像出典: Berkes F、Neis P、Schultz MG、他IAGOS長期定期観測による上部対流圏と最下部成層圏の20年間にわたるその場温度測定[J]。大気化学と物理学/ディスカッション、2017年、494(FZJ-2017-06050)。

湿度センサーは工業製造において重要な役割を果たします。

工業生産において、空気中の湿度は機械や設備の耐用年数に影響を与えるだけでなく、製品の品質にも大きな影響を及ぼします。空気中の湿度が高すぎると、機器の劣化が早まります。したがって、生産設備の適切な空気湿度保護は非常に重要です。電子製品が長時間高湿度にさらされると、ショートが発生する可能性があります。したがって、工業製造においては、湿度の検出と制御に湿度センサーの応用が特に重要です。

（写真提供：Veer Gallery）

日常生活でも湿度センサーが使われています。

空気中の湿度が高すぎると、カビが急激に生えたり、食品が腐ったりするなどの問題が発生する可能性があります。空気の湿度が高いと、人の健康に有害なカビが急速に増殖します。有害なカビを含む食品を食べると、人の健康に影響を与え、命を脅かすこともあります。食品の生産および輸送の際には、湿度センサーを使用して空気の湿度を検出し、湿度を制御するための適切な対策を講じます。

（写真提供：Veer Gallery）

湿度センサーは気象学でも広く使用されています。

湿度は空気中の水蒸気の量を示します。温度と体積が一定の場合、空気中の水蒸気が多いほど、空気の湿気が多くなり、湿度が高くなります。逆に、空気中の水蒸気が少ないほど、空気は乾燥し、湿度は低くなります。

天気予報は、農業生産、科学実験、軍事、日常生活において重要な役割を果たします。そのため、気象観測所では湿度センサーを使用して空気中の相対湿度を検出し、そのデータを分析して気象条件と空気の質を評価します。

（写真提供：Veer Gallery）

湿度センサーは医療用途でも重要な役割を果たします。

最近、湘潭大学の王秀峰氏の研究グループは、カメラのメモリカードほどの大きさでありながら、優れた感度、良好な通気性、高速応答を備えた隠し汗湿度センサーを発明しました。体の発汗量を継続的に検出し、体温状態や皮膚バリア機能を継続的に監視し、ユーザーの心理活動や環境の快適性を評価することができます。

目に見えない汗センサーの上面図と側面図。画像出典：Liu Y、Li X、Yang H 他体温調節と皮膚バリア機能を評価する皮膚インターフェース型超疎水性非感知発汗センサー[J]。 ACSナノ、2023年。

いわゆる隠れ汗も、人体の発汗の一種です。人体における発汗の主な機能の一つは熱を発散させることであるため、激しい運動の後には大量の汗をかくことがよくあります。しかし実際には、この目に見える汗に加えて、人体は「隠れた汗」を蒸気の形で排出することもできます。

この目に見えない汗センサーは小型で軽量で、超疎水性生地を使用しています。この生地は、外部の水滴や内部の感覚的な発汗を遮断しながら、隠れた汗の蒸気を透過させます。このセンサーは、神経系の活動、病気、心理的活動を評価する実行可能な方法を提供し、次世代の汗検出装置の基礎を築きます。

センサーは小型で軽量なので、人体のさまざまな部位に簡単に設置できます。画像出典：Liu Y、Li X、Yang H 他体温調節と皮膚バリア機能を評価する皮膚インターフェース型超疎水性非感知発汗センサー[J]。 ACSナノ、2023年。