CN102549416A - 湿度检测传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供没有灵敏度偏差的平行平板型的湿度检测传感器。本发明的湿度检测传感器的特征在于，具备：基板(51)；传感器部，其设置在所述基板(51)上，由一对电极(53、55)夹持介电常数根据湿度发生变化的高分子感湿膜(54)，并且具有所述高分子感湿膜(54)局部向外界露出的感湿区域A；保护层(56)，其形成在至少所述一对电极中的上侧的电极(55)上，在所述感湿区域A以外的区域(区域B+区域C)中，具有与所述一对电极所夹持的高分子感湿膜(54)的厚度大致相同厚度的高分子感湿膜(54)的区域C存在于所述上侧的电极(55)的附近。

Description

湿度检测传感器

技术领域

本发明涉及将高分子感湿膜作为电介体的湿度检测传感器。

背景技术

在用于湿度变化测定的湿度检测传感器中，存在将介电常数根据吸收或排出的水分量发生变化的高分子感湿膜作为电介体的静电电容型的湿度检测传感器。电容型湿度检测传感器具备静电电容根据湿度变化的传感器部和无论湿度如何都保持固定的静电电容的基准部，并将传感器部与基准部之间的电容差量转换成电压而输出。传感器部及基准部具有以一对电极夹持高分子感湿膜并在其上层叠保护层而成的层叠结构。作为这种湿度检测传感器，例如在专利文献1中有所记载。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平6-138074号公报

在上述湿度检测传感器中，在采用以一对电极夹持高分子感湿膜的平行平板型的电极结构的情况下，为了使传感器部的高分子感湿膜向外界露出，必须将形成在高分子感湿膜上的电极局部去除。在这种情况下，可以想到的是，在高分子感湿膜上形成电极层后，利用研磨加工等干式蚀刻法去除该电极层。

然而，若通过研磨去除高分子感湿膜上的电极层，则此时高分子感湿膜也被研磨，从而导致高分子感湿膜带有因研磨产生的厚度分布。若高分子感湿膜具有如此的厚度分布，则在湿度检测传感器的灵敏度方面产生偏差。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供没有灵敏度偏差的平行平板型的湿度检测传感器。

用于解决课题的手段

本发明的湿度检测传感器的特征在于，具备：基板；传感器部，其设置在所述基板上，由一对电极夹持介电常数根据湿度而发生变化的高分子感湿膜，并且具有所述高分子感湿膜局部向外界露出的感湿区域；保护层，其形成在至少所述一对电极中的上侧的电极上，在所述感湿区域以外的区域中，具有与由所述一对电极夹持的高分子感湿膜的厚度大致相同厚度的高分子感湿膜的区域存在于所述上侧的电极的附近。

根据该结构，在感湿区域以外的区域中，由于设置有具有与由一对电极夹持的高分子感湿膜的厚度大致相同厚度的高分子感湿膜的区域，所以能够确保高分子感湿膜中的、在上部电极与下部电极之间施加有电场时的泄漏电场的漏出(pass)。其结果是，能够减小湿度检测传感器的灵敏度的偏差。

在本发明的湿度检测传感器中，优选所述区域的宽度为至少包括所述一对电极间的磁场的泄漏区域的宽度。

在本发明的湿度检测传感器中，优选所述高分子感湿膜上的电极通过光刻及蚀刻被图案化而成。

在本发明的湿度检测传感器中，优选所述高分子感湿膜上的电极包括：通过光刻及蚀刻被图案化而成的种子层、形成在所述种子层上的镀敷层构成。

发明效果

根据本发明的湿度检测传感器，由于其具备：基板；传感器部，其设置在所述基板上，由一对电极夹持介电常数根据湿度而发生变化的高分子感湿膜，并且带有所述高分子感湿膜局部向外界露出的感湿区域；保护层，其形成在至少所述一对电极中的上侧的电极上，在所述感湿区域以外的区域，具有与由所述一对电极夹持的高分子感湿膜的厚度大致相同厚度的高分子感湿膜的区域存在于所述上侧的电极的附近，所以能够实现没有灵敏度偏差的平行平板型的湿度检测传感器。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式的湿度检测传感器的结构的框图。

图2是表示本发明的实施方式的湿度检测传感器的传感器部及基准部的俯视图。

图3(a)、(b)是表示本发明的实施方式的湿度检测传感器的感湿区域以外的区域的结构的剖视图。

图4(a)～(e)是用于说明本发明的实施方式的湿度检测传感器的制造方法的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

图1是表示本发明的实施方式的湿度检测传感器的结构的框图。图1所示的湿度检测传感器是使用了介电常数根据吸收或排出的水分量发生变化的高分子感湿材料的高分子膜湿度传感器。该湿度检测传感器在基板10上具有：静电电容C₂₀根据湿度而发生变化的传感器部20、无论湿度如何都保持固定的静电电容C₃₀的基准部30、与该传感器部20和基准部30电连接且将该传感器部20与基准部30之间的电容差量ΔC(＝C₂₀-C₃₀)转换为电压而向外部电路输出的电路部40。

在电路部40上设置有用于与外部电路连接的连接用焊盘40a。在经由焊盘40a与湿度检测传感器连接的外部电路中，根据湿度检测传感器的输出(与电容差量ΔC对应的电压)检测湿度变化(相对湿度)。

图2是表示本发明的实施方式的湿度检测传感器的传感器部及基准部的俯视图。在图2中，右侧为传感器部20，左侧为基准部30。传感器部20及基准部30具有将下部电极、高分子感湿膜54及上部电极层叠而成的结构。即，传感器部20及基准部30具有通过一对电极(下部电极及上部电极)夹持介电常数根据湿度发生变化的高分子感湿膜而构成的平行平板结构。

在静电电容根据湿度发生变化的传感器部20中，如图3(a)、(b)所示，在基板51上隔着热氧化膜52形成有下部电极53。在下部电极53上形成有介电常数根据湿度发生变化的高分子感湿膜54，在高分子感湿膜54上局部形成有上部电极55。进而，如图3(b)所示，形成有用于保护露出的上部电极55的保护层56。在上部电极55的感湿区域A(高分子感湿膜54向外界局部露出的区域)，形成有使高分子感湿膜54向外界露出的多个开口部54a。需要说明的是，在保护层56上也形成有使高分子感湿膜54向外界露出的多个开口部。如图3(b)所示，开口部54a沿左右上下方向空出规定间隔地并列设置，在俯视下为矩形状。该开口部54a的数量、平面形状及形成位置是任意的。

本申请的发明人等发现以下情况，即，当在传感器部局部去除上部电极55时，若采用研磨加工，则无法仅去除上部电极55，还会造成将高分子感湿膜54也被去除的情况。当进行研磨加工时，不存在上部电极55的区域(感湿区域)的高分子感湿膜54的厚度变薄，即，造成由下部电极53和上部电极55夹持的高分子感湿膜54(感湿区域以外的区域)的厚度与不存在上部电极55的区域(感湿区域)的厚度不同。此外，本申请发明人等发现，当如上述那样感湿区域以外的区域的高分子感湿膜的厚度与感湿区域的高分子感湿膜的厚度不同时，即，当高分子感湿膜54的厚度产生偏差时(带有厚度分布时)，在湿度检测传感器的灵敏度方面产生偏差。

在此，对通过研磨加工将上部电极局部去除的情况下的灵敏度的偏差进行说明。即，当通过溅射法使电极材料在高分子感湿膜上成膜后，在其上形成抗蚀层，以在感湿区域以外的区域残留抗蚀层的方式将抗蚀层图案化，将残留的抗蚀层作为掩模而对电极材料进行研磨加工，从而将电极材料去除。例如，在上部电极的膜厚为200nm的情况下，考虑到处理余量而将研磨量设定为300nm。为此，由于该设定，高分子感湿膜被磨削100nm。但是，由于在研磨量方面产生分布(约10％)，因此，实际上高分子感湿膜被在膜片(wafer)内以85nm～115nm的范围被磨削(研磨分布为总研磨量的10％)。

根据本申请发明人等的实验数据可知，若图2所示的元件设计中的高分子感湿膜被磨削200nm，则电容减少41.2fF，所以因85nm～115nm的膜厚变化使电容变化6.18fF。由于元件的灵敏度(电容的变化率)是相对于元件电容而确定的，所以上述6.18fF的偏差直接导致灵敏度偏差。例如，在元件电容为200fF而电容变化率为20％的情况下，灵敏度为0.4fF/％。另外，在高分子感湿膜的磨削量没有偏差的情况下，灵敏度也没有偏差。

当考虑到上述的偏差而计算元件电容时，成为：

(1)200-6.18/2＝196.91fF

(2)200+6.18/2＝203.09fF

灵敏度成为：

(1)196.91×0.2/100＝0.393fF/％

(2)203.09×0.2/100＝0.406fF/％

的偏差。即，仅在该上部电极形成工序中，产生了3％左右的灵敏度偏差。当然，由于膜片间的中心值也带有偏差，所以灵敏度偏差进一步扩大。

因此，本申请发明人等发现了下述情况，从而完成了本发明，即，在感湿区域以外的区域中，通过使具有与由一对电极夹持的高分子感湿膜的厚度大致相同厚度的高分子感湿膜的区域存在于上部电极的附近，也就是说，在上部电极的附近设置确保了高分子感湿膜的体积的区域，能够抑制湿度检测传感器的灵敏度方面产生偏差。

即，本发明的主旨在于，在感湿区域以外的区域中，通过使具有与由一对电极夹持的高分子感湿膜的厚度大致相同厚度的高分子感湿膜的区域存在于上部电极的附近，能够实现灵敏度方面偏差小且灵敏度稳定的湿度检测传感器。

在图3(b)所示的传感器部20中，在感湿区域A以外的区域B+区域C(参照符号54b)中，存在具有高分子感湿膜54的区域B，该区域B的高分子感湿膜54具有与由一对电极53、55夹持的高分子感湿膜54的厚度D₁大致相同的厚度D₂。该区域B位于区域C的上部电极55的附近。另外，在感湿区域A中，高分子感湿膜54的厚度D₃形成得薄。如此，即使在感湿区域A高分子感湿膜54的厚度D₃形成得薄，通过设置区域B也能够确保高分子感湿膜54中的、在上部电极55与下部电极53之间被施加电场时的泄漏电场的漏出，所以能够减小湿度检测传感器的灵敏度的偏差。因此，区域B的宽度W优选为包括至少一对电极53、55间的电场的泄漏区域(能够确保泄漏电场的漏出的区域)的宽度。

图3(b)所示的结构，即，具备具有与由一对电极53、55夹持的高分子感湿膜54的厚度D₁大致相同厚度D2的高分子感湿膜54的区域B及高分子感湿膜54的厚度D₃较薄的感湿区域A的结构可以通过如下方式实现，即，在进行上部电极55的图案化时，在基于光刻及蚀刻的湿式工序中进行处理，接下来在形成保护层56之后，通过各向异性蚀刻、研磨加工等的干式工序在保护层56上形成开口部，由此实现上述结构。

因此，在通过溅射法等以覆盖电极材料的方式形成上部电极55的情况下，对电极材料进行光刻及蚀刻来进行图案化处理而形成上部电极55。另外，在通过镀敷法以覆盖电极材料的方式形成上部电极55的情况下，覆盖电极材料而形成镀敷种子层(seed layer)，通过对该镀敷种子层实施光刻而进行图案化处理。然后，以抗蚀剂作为框架而实施电镀敷处理，在镀敷种子层上形成镀敷层而形成上部电极。镀敷种子层保护镀敷层，在湿式工序中进行蚀刻而去除镀敷种子层。

在无论湿度如何静电电容都不发生变化的基准部30，在基板上隔着热氧化膜形成下部电极。在下部电极上，以覆盖下部电极整体的方式形成高分子感湿膜。在高分子感湿膜上，以覆盖高分子感湿膜整体的方式形成上部电极。在基准部30整体上形成有用于保护露出的上部电极的保护层。

作为基板51，可以使用表面由绝缘体保护的基板(例如，硅基板)等。作为构成下部电极52及上部电极55的材料，例如可以使用Al、AlCu、Ta、Ti、NiFe、Ni等。作为构成高分子感湿膜54的材料，可以使用容易进行图案化的聚酰亚胺等。另外，作为保护层56，例如可以使用氮化硅(SiNx)膜、SiO₂膜、Al₂O₃/SiO₂层叠膜、SiO₂/SiN层叠膜等。

在本实施方式的湿度检测传感器中，如图2所示，下部电极21在传感器部20和基准部30设置成共用。在下部电极21上，从传感器部20与基准部30之间的大致中间位置引出有下部电极配线，该下部电极配线与电路部40的电极焊盘40a相连接。通过如此将下部电极配线从传感器部20与基准部30之间的大致中间位置引出，传感器部20和基准部30的电对称性变得良好，能够减少传感器电容C₂₀与基准电容C₃₀的偏差。

另外，如图2所示，高分子感湿膜54及上部电极55在传感器部20和基准部30分开设置。在上部电极55上分别设置有将上部电极55与电路部40的电极焊盘40a连接的上部电极配线。上部电极配线是从一对上部电极55分别以固定的宽度尺寸延伸的配线图案，其宽度尺寸被调整成在传感器部20和基准部30产生的寄生电容相同。由此，能够减少因寄生电容造成的传感器电容C₂₀与基准电容C₃₀的偏差。

在具有上述结构的湿度检测传感器中，以如下的方式检测湿度。首先，在传感器部20，在感湿区域A中高分子感湿膜54经由开口部54a向外界露出。因此，对于高分子感湿膜54而言，吸收或排出的水分量根据气氛中的湿度(水分量)而发生变化，从而介电常数ε发生变化。因此，下部电极53与上部电极55之间的静电电容C₂₀发生变化。另外，在基准部30，由于高分子感湿膜54不向外界露出，所以即使气氛中的湿度(水分量)发生变化，高分子感湿膜54中的水分量也不会发生变化，介电常数ε也不发生变化。因此，在下部电极53与上部电极55之间保持有固定的静电电容C₃₀。此外，通过求出传感器部20的静电电容C₂₀与基准部30的静电电容C₃₀之间的电容差量，能够测定因湿度而变化的静电电容(差量值)。在本湿度检测传感器中，构成为将该差量值转换成电压并输出。

接下来，说明湿度检测传感器的制造方法。图4(a)～(e)是用于说明本发明的实施方式的湿度检测传感器的制造方法的剖视图。

首先，如图4(a)所示，将硅基板51热氧化而形成热氧化膜(SiO₂膜)52。然后，如图4(b)所示，在热氧化膜52上形成下部电极53。即，下部电极53以如下方式形成，即，在具有热氧化膜52的硅基板51的整面上覆盖电极材料，在其上形成抗蚀层，并进行图案化处理而作为掩模，然后隔着该掩模对电极材料进行蚀刻，由此形成下部电极53。下部电极53在传感器部20及基准部30是共用的。需要说明的是，在形成该下部电极53时，同时形成电路部40的配线导体和焊盘40a。

接下来，如图4(c)所示，在下部电极53上，以覆盖下部电极53的方式，在传感器部20、基准部30分别形成高分子感湿膜54。即，高分子感湿膜54以如下方式形成，即，在硅基板51的整面上涂布高分子材料(例如聚酰亚胺)并使其固化，在其上形成抗蚀层并进行图案化处理而作为掩模，隔着该掩模对高分子材料进行蚀刻，从而形成高分子感湿膜54。或者，高分子感湿膜54以如下方式形成，即，使用感光性的高分子材料通过光刻形成图案，并通过使高分子材料固化而形成高分子感湿膜54。高分子感湿膜54在传感器部20及基准部30是各自独立的。

接下来，如图4(d)所示，在高分子感湿膜54上，以覆盖高分子感湿膜54的方式在传感器部20、基准部30分别形成上部电极55。即，上部电极55以如下方式形成，即，通过在硅基板51的整面上覆盖电极材料，在其上形成抗蚀层并进行图案化处理而形成掩模，隔着该掩模对电极材料进行蚀刻，从而形成上部电极55。由此，在上部电极55上形成开口部55a(相当于感湿区域A+区域B的宽度)。需要说明的是，上部电极55在传感器部20及基准部30是各自独立的。

接下来，如图4(e)所示，在湿度检测传感器整体上覆盖保护层构成材料，由此，在传感器部20及基准部30上形成保护层56。然后，使感湿区域A以外的区域(区域B+区域C)形成掩模，并在此状态下进行干式蚀刻等各向异性蚀刻，从而形成开口部56a、54a。于是，能够制作出具有区域B的本发明的湿度检测传感器，所述区域B具备具有与由一对电极53、55夹持的高分子感湿膜54的厚度D₁大致相同的厚度D₂的高分子感湿膜54。

接下来，对为了明确本发明的效果而进行的实施例进行说明。

作为实施例，制作出图3(b)所示的结构，即，制作出具备具有区域B的结构的湿度检测传感器，所述区域B具备具有与由一对电极53、55夹持的高分子感湿膜54的厚度D₁大致相同的厚度D₂的高分子感湿膜54。此时，上部电极及下部电极分别为厚度0.2μm的Al膜，高分子感湿膜为厚度1.0μm的聚酰亚胺膜，保护层为厚度1.0μm的SiNx膜。另外，区域B的宽度为1.5μm。针对该湿度检测传感器调查了灵敏度的偏差。灵敏度的偏差通过LCR测量仪测定。其结果是，灵敏度偏差为非常小，仅为6％。

作为比较，制作出在上部电极附近不具有上述区域B的结构，即，制作出除了具有通过研磨加工将上部电极局部去除这种结构以外与实施例相同的湿度检测传感器。针对该湿度检测传感器，与实施例同样也对灵敏度的偏差进行了调查。其结果是，灵敏度偏差非常大，为11％。

于是，在本发明的湿度检测传感器中，在感湿区域以外的区域内，由于具有与由一对电极夹持的高分子感湿膜的厚度大致相同厚度的高分子感湿膜的区域存在于上部电极的附近，因此，能够确保高分子感湿膜中的、在上部电极与下部电极之间施加电场时的泄漏电场的漏出。其结果是，能够减小湿度检测传感器的灵敏度的偏差。如此，根据本发明，能够实现没有灵敏度偏差的平行平板型的湿度检测传感器。

本发明不局限于上述实施方式，可以对其实施适当的变更。在上述实施方式中，说明了具备传感器部和基准部的湿度检测传感器，但是本发明不局限于此，其同样也可以适用仅由传感器部构成的湿度检测传感器。另外，可以将上述实施方式中的材料、各层的配置位置、厚度、大小、制法等进行适当变更而实施。此外，本发明在不脱离本发明的范围的情况下可以适当变更并实施。

本申请基于2009年11月30日申请的日本特愿2009-272427。其内容全部包含在本申请中。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.[修改后]一种湿度检测传感器，其特征在于，

具备：基板；传感器部，其设置在所述基板上，由一对电极夹持介电常数根据湿度而发生变化的高分子感湿膜，并且具有所述高分子感湿膜通过开口向外界露出的感湿区域；保护层，其形成在至少所述一对电极中的上侧的电极上，所述感湿区域以外的区域由所述保护层覆盖，具有与由所述一对电极夹持的高分子感湿膜的厚度大致相同厚度的高分子感湿膜的区域存在于所述上侧的电极的附近。

2.根据权利要求1所述的湿度检测传感器，其特征在于，

所述区域的宽度为至少包括所述一对电极间的电场的泄漏区域的宽度。

3.根据权利要求1或2所述的湿度检测传感器，其特征在于，

所述高分子感湿膜上的电极通过光刻及蚀刻被图案化而成。

4.根据权利要求1或2所述的湿度检测传感器，其特征在于，

所述高分子感湿膜上的电极包括：通过光刻及蚀刻被图案化而成的种子层、在所述种子层上形成的镀敷层。

5.[追加]一种湿度检测传感器的制造方法，其特征在于，具有：

在基板上依次形成下部电极、介电常数根据湿度而发生变化的高分子感湿膜、以及上部电极的工序；在所述上部电极上形成感湿区域及具有与由所述上部电极及下部电极夹持的所述高分子感湿膜的厚度大致相同厚度的区域这两个区域的宽度的开口；在包括所述开口的上部电极上形成保护层的工序；在所述保护层上形成所述感湿区域的宽度的开口的工序。

Claims (4)

1.一种湿度检测传感器，其特征在于，

具备：基板；传感器部，其设置在所述基板上，由一对电极夹持介电常数根据湿度而发生变化的高分子感湿膜，并且具有所述高分子感湿膜局部向外界露出的感湿区域；保护层，其形成在至少所述一对电极中的上侧的电极上，在所述感湿区域以外的区域中，具有与由所述一对电极夹持的高分子感湿膜的厚度大致相同厚度的高分子感湿膜的区域存在于所述上侧的电极附近。

2.根据权利要求1所述的湿度检测传感器，其特征在于，

所述区域的宽度为至少包括所述一对电极间的电场的泄漏区域的宽度。

3.根据权利要求1或2所述的湿度检测传感器，其特征在于，

所述高分子感湿膜上的电极通过光刻及蚀刻被图案化而成。

4.根据权利要求1或2所述的湿度检测传感器，其特征在于，

所述高分子感湿膜上的电极包括：通过光刻及蚀刻被图案化而成的种子层、在所述种子层上形成的镀敷层。

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