JP2012145384A - 容量式湿度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】経時的に検出精度が低下することを抑制することができる容量式湿度センサを提供する。
【解決手段】検出部２０における下部電極２１と対向する上部電極２２の面積と、基準容量部３０における下部電極３１と対向する上部電極３２の面積とを等しくし、検出部２０における下部電極２１と上部電極２２との間隔を基準容量部３０における下部電極３１と上部電極３２との間隔と異ならせることにより、基準容量部３０における静電容量の変化の傾きを検出部２０と異ならせる。このような容量式湿度センサでは、上部電極２２、３２に形成されている穴は同じように目詰まりすることになり、検出部２０と基準容量部３０とは同じように経時変化することになる。したがって、経時的に検出精度が低下することを抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、湿度を検出する容量式湿度センサに関するものであり、特に検出部と、この検出部に対する基準容量部とを有する容量式湿度センサに関するものである。

従来より、周囲の温度変化に応じて静電容量が変化する検出部および基準容量部が基板に形成されてなる容量式湿度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。具体的には、このような容量式湿度センサは、基板上に二つの下部電極が備えられている。そして、各下部電極上に、湿度に応じて静電容量が変化する感湿部材がそれぞれ配置され、当該感湿部材上にそれぞれ上部電極が配置されて積層型の容量素子である検出部および基準容量部が形成されている。これら検出部と基準容量部とは電気的に接続されている。

検出部および基準容量部における上部電極は、それぞれ感湿部材に水分を供給できるように穴が形成されており、この穴を介して周囲の水分が感湿部材に吸着されるようになっている。また、検出部における下部電極と対向する上部電極の面積が、基準容量部における下部電極と対向する上部電極の面積より大きくされ、検出部の湿度に対する静電容量の変化の傾きと基準容量部の湿度に対する変化の傾きとが異なるようにされている。

このような容量式湿度センサでは、感湿部材に水分が吸脱着することで当該感湿部材の誘電率が変化する。具体的には、感湿部材は、例えば、ポリイミド系ポリマー等の高分子材料を用いて構成されており、感湿部材の誘電率より水分（水）の誘電率の方が高いため、水分が吸着すると誘電率が大きくなる。したがって、湿度に応じて検出部における静電容量と基準容量部における静電容量が変化し、検出部と基準容量部とは湿度に対する静電容量の変化の傾きが互いに異なっているため、検出部の静電容量と基準容量部の静電容量の差から周囲の相対湿度が検出される。

特開２００７−２４８０６５号公報

しかしながら、このような容量式湿度センサでは、粉塵等の異物によって上部電極の穴が目詰まりしてしまうことがある。この場合、上記容量式湿度センサでは、検出部および基準容量部における下部電極と対向する上部電極の面積が互いに異なっているため、目詰まりの仕方が検出部と基準容量部とで異なる。つまり、検出部と基準容量部とにおいて、上部電極が周囲の水分を通過させる量が互いに異なることになり、経時変化の仕方が異なる。このため、例えば、初期状態と比較して、感湿部材への水分の供給量の変化の仕方が検出部と基準容量部とで異なり、経時的に検出精度が低下してしまうという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、経時的に検出精度が低下することを抑制することができる容量式湿度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、検出部（２０）および基準容量部（３０）それぞれは、基板（１０）の厚さ方向に離間して対向配置される下部電極（２１、３１）と上部電極（２２、３２）とを有すると共に、下部電極（２１、３１）と上部電極（２２、３２）との間に湿度に応じて誘電率が変化する感湿部材（２３、３３）を備えた積層型の容量素子とされており、検出部（２０）および基準容量部（３０）におけるそれぞれの上部電極（２２、３２）には、水分を感湿部材（２３、３３）に供給する穴が形成されており、検出部（２０）における下部電極（２１）と対向する上部電極（２２）の面積と、基準容量部（３０）における下部電極（３１）と対向する上部電極（３２）の面積とが等しくされており、検出部（２０）における下部電極（２１）と上部電極（２２）との間隔と、基準容量部（３０）における下部電極（３１）と上部電極（３２）との間隔とが異なることにより、基準容量部（３０）における静電容量の変化の傾きが検出部（２０）と異なることを特徴としている。

このような容量式湿度センサでは、検出部（２０）における下部電極（２１）と対向する上部電極（２２）の面積と、基準容量部（３０）における下部電極（３１）と対向する上部電極（３２）の面積とを等しくしている。このため、上部電極（２２、３２）に形成されている穴には、同じように目詰まりが発生することになり、周囲の水分を通過させる量が同じように変化することになる。すなわち、検出部（２０）と基準容量部（３０）は同じように経時変化することになる。したがって、経時的に検出精度が低下することを抑制することができる。

例えば、請求項２に記載の発明のように、検出部（２０）における上部電極（２２）と、基準容量部（３０）における上部電極（３２）とを同じ材料を用いて構成し、検出部（２０）における感湿部材（２３）と、基準容量部（３０）における感湿部材（３３）とを同じ材料を用いて構成することができる。

このような容量式湿度センサでは、例えば、上部電極（２２、３２）と感湿部材（２３、３３）との熱膨張係数差に起因する熱応力にて上部電極（２２、３２）に穴を形成する場合、検出部（２０）および基準容量部（３０）に形成される穴をほぼ同じ形状にすることができる。

また、請求項３に記載の発明のように、基板（１０）に、検出部（２０）および基準容量部（３０）に加えて、検出部（２０）および基準容量部（３０）からの信号を処理する信号処理回路（６０）を備え、検出部（２０）および基準容量部（３０）と信号処理回路（６０）とを基板（１０）に形成された配線を介して電気的に接続することができる。

このような容量式湿度センサでは、例えば、検出部（２０）および基準容量部（３０）と信号処理回路（６０）とをワイヤボンディングにより電気的に接続する場合と比較して、ワイヤボンディング間の寄生容量を無くすことができ、検出精度を向上させることができる。

さらに、請求項４に記載の発明のように、下部電極（２１、３１）と感湿部材（２３、３３）との間に保護膜を形成することができる。このような容量式湿度センサでは、例えば、上部電極（２２、３２）と感湿部材（２３、３３）との熱膨張係数差に起因する熱応力にて上部電極（２２、３２）に穴を形成する場合、保護膜により熱応力が緩和されて下部電極（２１、３１）に割れ等が発生することを抑制することができる。

また、請求項５に記載の発明のように、検出部（２０）における下部電極（２１）と基準容量部（３０）における下部電極（３１）とを共通の電極にて構成することができる。このような容量式湿度センサでは、検出部（２０）における下部電極（２１）と基準容量部（３０）における下部電極（３１）とが別々の電極で構成されている場合と比較して、配線パターンを簡略化することができる。

そして、請求項６に記載の発明のように、検出部（２０）における下部電極（２１）と上部電極（２２）との間隔を基準容量部（３０）における下部電極（３１）と上部電極（３２）との間隔より狭くすることができる。

さらに、請求項７に記載の発明のように、基準容量部（３０）における下部電極（３１）および上部電極（３２）に対して、静電容量が温度変化に対して一定であるコンデンサを備えることができる。

このような容量式湿度センサでは、コンデンサの静電容量値を適宜設定することにより、検出部（２０）と基準容量部（３０）との初期容量差を低減することができ、初期静電容量差によるノイズを抑制することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における容量式湿度センサの平面図である。 図１に示す容量式湿度センサのＡ−Ａ断面図である。 （ａ）は従来の容量式湿度センサにおける検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量との関係を示す図、（ｂ）は第１実施形態の容量式湿度センサにおける検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量との関係を示す図である。 本発明の第２実施形態における容量式湿度センサの平面図である。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。図１は本実施形態における容量式湿度センサの平面図、図２は図１に示すＡ−Ａ断面図である。

図１および図２に示されるように、シリコン等で形成される半導体基板１０上には、図示しない酸化膜を介して検出部２０および基準容量部３０が形成されている。具体的には、検出部２０は、半導体基板１０の厚さ方向に離間して対向配置される下部電極２１と上部電極２２とを有すると共に、下部電極２１と上部電極２２との間に湿度に応じて誘電率が変化する感湿部材２３を備えた積層型の容量素子とされている。同様に、基準容量部３０は、半導体基板１０の厚さ方向に離間して対向配置される下部電極３１と上部電極３２とを有すると共に、下部電極３１と上部電極３２との間に湿度に応じて誘電率が変化する感湿部材３３を備えた積層型の容量素子とされている。そして、検出部２０と基準容量部３０とは電気的に接続されている。

下部電極２１、３１は、半導体基板１０上に酸化膜を介してＡｌやＡｌ−Ｓｉ等で形成されており、半導体基板１０側と反対の表面は、本発明の保護膜に相当する窒化シリコン膜にて覆われている。本実施形態では、これら下部電極２１、３１は、半導体基板１０上に形成された下層電極４０の一部にて構成されている。言い換えると、下部電極２１、３１は、共通の電極にて構成されている。

上部電極２２、３２は、本実施形態では、それぞれ下部電極２１、３１より小さい矩形状とされ、ＡｕやＣｒ等で構成されている。そして、周囲の水分をそれぞれ感湿部材２３、３３に供給する穴、言い換えると感湿部材２３、３３を上部電極２２、３２から露出させる図示しない複数の穴がほぼ同じだけ形成されている。

また、検出部２０における下部電極２１と対向する上部電極２２の面積は、基準容量部３０における下部電極３１と対向する上部電極３２の面積と等しくされている。すなわち、上部電極２２、３２は、矩形状とされており、感湿部材２３、３３に水分を供給する穴がほぼ同じだけ形成されているため、長辺と短辺で囲まれる穴を含めた面積が互いに等しくされている。なお、本明細書において、下部電極２１、３１と対向する上部電極２２、３２の面積が互いに等しいとは、完全に等しい場合に加えてほぼ等しい場合を含むものであり、製造誤差等による５％のズレを含むものである。

さらに、本実施形態では、検出部２０における下部電極２１と上部電極２２との間隔は、基準容量３０における下部電極３１と上部電極３２との間隔より狭くなっている。すなわち、検出部２０および基準容量部３０は、電極間の距離が異なるものとされることにより、静電容量の湿度変化に対する傾きが互いに異なるようにされている。言い換えれば、検出部２０と基準容量部３０に感度差を持たせている。

感湿部材２３、３３は、それぞれ下部電極２１、３１上に窒化シリコン膜を介して形成されており、ポリイミド系ポリマー等からなる吸湿性を備えた高分子材料を有する同一の材料で構成されている。すなわち、本実施形態では、感湿部材２３、３３は、同じ材料で構成されているため、周囲の湿度に応じて同じように誘電率が変化するようになっている。

また、下層電極４０および上部電極２２、３２は、ボンディングワイヤ５１〜５３を介して、半導体基板１０と異なる基板に形成された信号処理回路としてのＣＶ変換回路６０と電気的に接続されている。そして、検出部２０および基準容量部３０における静電容量の変化は、ＣＶ変換回路６０で処理されるようになっている。

このような容量式湿度センサでは、感湿部材２３、３３は上部電極２２、３２や下部電極２１、３１と接触していない部分から水分を吸脱着するため、湿度に応じて検出部２０および基準容量部３０における静電容量が変化する。そして、検出部２０と基準容量部３０とは湿度に対する静電容量の変化の傾きが互いに異なっているため、ＣＶ変換回路６０から検出部２０の静電容量と基準容量部３０の静電容量との差を電圧に変換して外部回路に出力することにより、周囲の相対湿度が検出される。

次に、図１に示す容量式湿度センサの製造方法について簡単に説明する。

まず、半導体基板１０を用意して表面に酸化膜を形成する。その後、蒸着やスパッタリング等により酸化膜上に下層電極層を形成し、パターニングすることにより、下部電極２１、３１を含む下層電極４０を形成する。そして、プラズマＣＶＤ法等により、下層電極４０を覆うように窒化シリコン膜を形成する。その後、下層電極４０のうちの所定領域、つまり下部電極２１上に感湿部材２３を形成すると共に、下部電極３１上に感湿部材３３を形成する。具体的には、インクジェット法等により、感湿部材２３の膜厚が感湿部材３３の膜厚より薄くなるように形成する。

その後、蒸着やスパッタリング等により感湿部材２３、３３を覆うように上部電極層を形成する。その後、フォトリソグラフィ等により上部電極層をパターニングし、感湿部材２３上に上部電極２２を形成すると共に、感湿部材３３上に上部電極３２を形成する。

続いて、半導体基板１０を加熱し、感湿部材２３、３３と上部電極２２、３２との熱膨張係数差に起因する熱応力を上部電極２２、３２に印加し、上部電極２２、３２に割れや裂け目等を含む穴を形成する。この穴が、感湿部材２３、３３に水分を供給する部分となる。

なお、本実施形態では、上部電極２２、３２を同じ材料を用いて構成し、感湿部材２３、３３を同じ材料を用いて構成しているため、上部電極２２、３２には互いにほぼ同じ穴が形成される。また、下部電極２１、３１を含む下層電極４０上には窒化シリコン膜が形成されており、下層電極４０と感湿部材２３、３３との熱膨張係数差に起因する熱応力は窒化シリコン膜により吸収（緩和）されるため、下層電極４０が割れることは抑制される。

以上説明したように、本実施形態では、検出部２０における下部電極２１と対向する上部電極２２の面積と、基準容量部３０における下部電極３１と対向する上部電極３２の面積とを等しくしている。

このため、上部電極２２、３２に形成されている穴には、同じように目詰まりが発生することになり、周囲の水分を通過させる量が同じように変化することになる。すなわち、検出部２０および基準容量部３０は、ほぼ等しく経時変化することになり、経時的に検出精度が低下することを抑制することができる。

図３（ａ）は従来の容量式湿度センサにおける検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量との関係を示す図、図３（ｂ）は本実施形態の容量式湿度センサにおける検出部２０と基準容量部３０の相対湿度と静電容量との関係を示す図である。なお、図３では、実線にて初期の静電容量を示しており、破線にて経時変化後の静電容量を示している。

従来の容量式湿度センサでは、例えば、検出部における下部電極と対向する上部電極の面積より、基準容量部における下部電極と対向する上部電極の面積の方が小さくされている。このため、図３（ａ）に示されるように、経時変化した後は、初期状態（図３（ａ）中の実線）に対して、相対湿度０％ＲＨのときの静電容量は基準容量部の方が大きく低下すると共に、湿度変化に対する静電容量の傾きも基準容量部の方が大きく低下する。

これに対し、本実施形態では、検出部２０および基準容量部３０が同じように経時変化する。したがって、図３（ｂ）に示されるように、経時変化した後は、初期状態（図３（ｂ）中の実線）に対して、相対湿度０％ＲＨのときの静電容量はそれぞれ同じ容量だけ低下し、湿度変化に対する静電容量の傾きも同じだけ低下する。すなわち、経時変化後の検出精度が低下することを抑制することができる。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態の容量式湿度センサは、半導体基板１０上にＣＶ変換回路６０を備えたものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図４は、本実施形態における容量式湿度センサの平面図である。

図４に示されるように、本実施形態における容量式湿度センサは、半導体基板１０上に、検出部２０と、基準容量部３０と、ＣＶ変換回路６０とが形成されている。そして、下部電極２１、３１および上部電極２２、３２と、ＣＶ変換回路６０とは、半導体基板１０上に形成されたパターン配線等により電気的に接続されている。すなわち、第１実施形態と比較して、ボンディングワイヤを備えない構成とされている。

このような容量式湿度センサでは、上記第１実施形態と比較して、下部電極２１、３１、上部電極２２、３２とＣＶ変換回路６０とを接続するボンディングワイヤを無くしているため、ボンディングワイヤ間で発生する寄生容量を無くすことができ、検出精度を向上させることができる。

（他の実施形態）
上記第１、第２実施形態において、基準容量部３０を構成する下部電極３１および上部電極３２に対して、静電容量が温度変化に対して一定であり、かつ、検出部２０と基準容量部３０との初期静電容量差、例えば、相対湿度０％ＲＨにおける静電容量差を小さくする（好ましくは０とする）容量を有するコンデンサを備えることもできる。このような容量式湿度センサでは、当該コンデンサを備えない場合と比較して、初期静電容量差によるノイズを抑制することができる。

また、上記第１、第２実施形態では、感湿部材２３、３３を同じ材料で構成した例について説明したが、感湿部材２３、３３を異なる材料で構成することもできる。同様に、上部電極２２、３２を互いに異なる材料で構成することもできる。

さらに、上記第１、第２実施形態では、検出部２０における下部電極２１と上部電極２２との間隔が、基準容量部３０における下部電極３１と上部電極３２との間隔より狭くなっている例について説明したが、例えば、検出部２０における下部電極２１と上部電極２２との間隔が、基準容量部３０における下部電極３１と上部電極３２との間隔より広くされていてもよい。

１０ 半導体基板
２０ 検出部
２１ 下部電極
２２ 上部電極
２３ 感湿部材
３０ 基準容量部
３１ 下部電極
３２ 上部電極
３３ 感湿部材

Claims (7)

1. 周囲の湿度変化に応じて静電容量が変化する検出部（２０）、および周囲の湿度変化に応じて静電容量が変化すると共に湿度変化に対する静電容量の変化の傾きが前記検出部（２０）と異なる基準容量部（３０）が基板（１０）に形成され、前記検出部（２０）と前記基準容量部（２０）との出力差から相対湿度を検出する容量式湿度センサにおいて、
   前記検出部（２０）および前記基準容量部（３０）それぞれは、前記基板（１０）の厚さ方向に離間して対向配置される下部電極（２１、３１）と上部電極（２２、３２）とを有すると共に、前記下部電極（２１、３１）と前記上部電極（２２、３２）との間に湿度に応じて誘電率が変化する感湿部材（２３、３３）を備えた積層型の容量素子とされており、
   前記検出部（２０）および前記基準容量部（３０）におけるそれぞれの前記上部電極（２２、３２）には、水分を前記感湿部材（２３、３３）に供給する穴が形成されており、
   前記検出部（２０）における前記下部電極（２１）と対向する前記上部電極（２２）の面積と、前記基準容量部（３０）における前記下部電極（３１）と対向する前記上部電極（３２）の面積とが等しくされており、
   前記検出部（２０）における前記下部電極（２１）と前記上部電極（２２）との間隔と、前記基準容量部（３０）における前記下部電極（３１）と前記上部電極（３２）との間隔とが異なることにより、前記基準容量部（３０）における前記静電容量の変化の傾きが前記検出部（２０）と異なることを特徴とする容量式湿度センサ。
2. 前記検出部（２０）における前記上部電極（２２）と、前記基準容量部（３０）における前記上部電極（３２）とは同じ材料を用いて構成され、
   前記検出部（２０）における前記感湿部材（２３）と、前記基準容量部（３０）における前記感湿部材（３３）とは同じ材料を用いて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の容量式湿度センサ。
3. 前記基板（１０）には、前記検出部（２０）および前記基準容量部（３０）に加えて、前記検出部（２０）および前記基準容量部（３０）からの信号を処理する信号処理回路（６０）が備えられ、
   前記検出部（２０）および前記基準容量部（３０）と前記信号処理回路（６０）とは、前記基板（１０）に形成された配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２に記載の容量式湿度センサ。
4. 前記下部電極（２１、３１）と前記感湿部材（２３、３３）との間には、保護膜が形成されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の容量式湿度センサ。
5. 前記検出部（２０）における前記下部電極（２１）と前記基準容量部（３０）における前記下部電極（３１）とは、共通の電極にて構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の容量式湿度センサ。
6. 前記検出部（２０）における前記下部電極（２１）と前記上部電極（２２）との間隔は、前記基準容量部（３０）における前記下部電極（３１）と前記上部電極（３２）との間隔より狭くなっていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１つに記載の容量式湿度センサ。
7. 前記基準容量部（３０）における前記下部電極（３１）および前記上部電極（３２）に対して、静電容量が温度変化に対して一定であるコンデンサが備えられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１つに記載の容量式湿度センサ。

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