DE112012002228T5

DE112012002228T5 - Kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor

Info

Publication number: DE112012002228T5
Application number: DE112012002228.9T
Authority: DE
Inventors: Minekazu Sakai; Naohisa Niimi
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-05-25
Filing date: 2012-05-22
Publication date: 2014-04-03
Also published as: US20140139241A1; WO2012160806A1; JP5516505B2; JP2012247223A; US9513245B2

Abstract

Ein Luftfeuchtigkeitssensor weist eine Erfassungsvorrichtung (31) mit einer Kapazität, die sich mit einer Luftfeuchtigkeit in einem ersten Verhältnis ändert, und eine Referenzvorrichtung (32) mit einer Kapazität, die sich mit einer Luftfeuchtigkeit in einem zweiten Verhältnis ändert, das kleiner als das erste Verhältnis ist, auf. Die Erfassungsvorrichtung (31) weist Erfassungselektroden (33a, 33b), die sich in einem ersten Abstand (dm) gegenüberliegen, und einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Erfassungsfilm (35a), der die Erfassungselektroden (33a, 33b) bedeckt, auf. Die Referenzvorrichtung (32) weist Referenzelektroden (34a, 34b), die sich in einem zweiten Abstand (dr) gegenüberliegen, und einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilm (35b), der die Referenzelektroden (34a, 34b) bedeckt, auf. Der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm (35a) und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm (35b) sind aus dem gleichen Material aufgebaut und weisen die gleiche Dicke auf. Die Erfassungselektroden (33a, 33b) und die Referenzelektroden (34a, 34b) sind aus dem gleichen Material aufgebaut und weisen die gleiche Breite und Dicke auf. Das zweite Verhältnis erreicht seinen Spitzenwert, wenn der zweite Abstand (dr) gleich einem vorbestimmten Wert ist. Der zweite Abstand (dr) ist kleiner als der erste Abstand (dm) und der vorbestimmte Wert.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung basiert auf der am 25. Mai 2011 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. 2011-117195 , auf deren Offenbarung hiermit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensor, bei dem eine kapazitive Erfassungsvorrichtung und eine kapazitive Referenzvorrichtung auf demselben Substrat gebildet sind. Eine Kapazität der kapazitiven Erfassungsvorrichtung ändert sich mit einer Änderung in der Umgebungsluftfeuchtigkeit. Ein Verhältnis einer Änderung in der Kapazität der kapazitiven Referenzvorrichtung zu einer Änderung in der Luftfeuchtigkeit unterscheidet sich von demjenigen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensor, bei dem eine kapazitive Erfassungsvorrichtung und eine kapazitive Referenzvorrichtung auf derselben Oberfläche eines Substrats gebildet sind und sowohl die kapazitive Erfassungsvorrichtung als auch die kapazitive Referenzvorrichtung einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film aufweist.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Aus dem Patentdokument 1 ist beispielsweise ein kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor bekannt, bei dem eine kapazitive Erfassungsvorrichtung und eine kapazitive Referenzvorrichtung auf demselben Substrat gebildet sind. Eine Kapazität der kapazitiven Erfassungsvorrichtung ändert sich mit einer Änderung der Umgebungsluftfeuchtigkeit.
Ein Verhältnis einer Änderung der Kapazität der kapazitiven Referenzvorrichtung zu einer Änderung in der Luftfeuchtigkeit (nachstehend auch einfach als das Verhältnis bezeichnet) unterscheidet sich von demjenigen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung.
Im Patentdokument 1 weist die kapazitive Erfassungsvorrichtung (erste Sensorvorrichtung) ein Paar von Erfassungselektroden (kammförmige Elektroden) und einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Erfassungsfilm (einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film) auf. Die Erfassungselektroden sind auf derselben Oberfläche des Substrats gegenüberliegend angeordnet, und ein luftfeuchtigkeitsempfindlicher Erfassungsfilm (ein luftfeuchtigkeitsempfindlicher Film) bedeckt die Erfassungselektroden. Eine relative Permittivität des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Erfassungsfilms ändert sich, wenn der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm Wasser aufnimmt. Die kapazitive Referenzvorrichtung (eine zweite Sensorvorrichtung) weist ein Paar von Referenzelektroden (kammförmige Elektroden) und einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilm (einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film) auf. Die Referenzelektroden sind derart angeordnet, dass sie sich auf der Oberfläche (der obigen selben Oberfläche) gegenüberliegen, auf der die Erfassungselektroden angeordnet sind, und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm bedeckt die Referenzelektroden. Eine relative Permittivität des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilms ändert sich, wenn der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm Wasser aufnimmt. Gemäß dem Patentdokument 1 sind der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm einteilig als ein einziger luftfeuchtigkeitsempfindlicher Film ausgebildet und bedeckt dieser luftfeuchtigkeitsempfindliche Film kollektiv die Erfassungselektroden und die Referenzelektroden, die auf derselben Oberfläche des Substrats angeordnet sind.
Folglich werden die Referenzelektroden durch den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film (einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilm) geschützt. Dementsprechend wird, verglichen mit einer Struktur, bei der die kapazitive Referenzvorrichtung keinen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film aufweist, eine Verschlechterung der kapazitiven Referenzvorrichtung derart reduziert, dass eine Änderung in der Kapazität der kapazitiven Referenzvorrichtung auch unter heißen und feuchten Bedingungen reduziert werden kann.
STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENT

Patentdokument 1: JP 2006-133191 A

Bei dem kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensor wird eine Differenz in der Kapazität zwischen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung und der kapazitiven Referenzvorrichtung durch eine CV-Wandlungsschaltung bekannter Bauart in eine Spannung gewandelt und eine relative Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre auf der Grundlage der Spannung erfasst. Wenn eine Differenz in dem Verhältnis zwischen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung und der kapazitiven Referenzvorrichtung gemäß der 2 im Patentdokument 1 größer ist, nimmt eine Änderung in der Differenz in der Kapazität bezüglich einer Änderung in der Luftfeuchtigkeit zu. D. h., die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors wird verbessert.
Im Patentdokument 1 ändert sich, da der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film (ein luftfeuchtigkeitsempfindlicher Referenzfilm) ebenso für die kapazitive Referenzvorrichtung vorgesehen ist, die Kapazität der kapazitiven Referenzvorrichtung ebenso mit der relativen Luftfeuchtigkeit. Folglich ist die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors verglichen mit der Struktur, bei der die kapazitive Referenzvorrichtung keinen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film aufweist, gering (5 im Patentdokument 1). Dementsprechend ist, angesichts der Empfindlichkeit, das Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung, d. h. C2/C1, das ein Verhältnis einer Kapazität C2 bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100% zu einer Kapazität C1 bei einer relativen Luftfeuchtigkeit bei 0% beschreibt, vorzugsweise so klein wie möglich (nahe 1). Die Empfindlichkeit kann verbessert werden, indem das Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1) vergrößert wird. In diesem Fall wird jedoch, da die kapazitive Erfassungsvorrichtung vergrößert wird, demzufolge der kapazitive Luftfeuchtigkeitssensor vergrößert.
Es wird angemerkt, dass der Elektrodenabstand und das Verhältnis (ein Kapazitätsverhältnis C2/C2) ein derartiges Verhältnis aufweisen, dass das Verhältnis seinen Spitzenwert erreicht, wenn der Elektrodenabstand gleich einem vorbestimmten Wert ist. Das Verhältnis nimmt mit zunehmendem Elektrodenabstand zu, bis der Elektrodenabstand den vorbestimmten Wert erreicht. Das Verhältnis nimmt mit zunehmendem Elektrodenabstand ab, wenn der Elektrodenabstand den vorbestimmten Wert überschreitet. Hierauf wird in der Beschreibung der Ausführungsformen näher eingegangen.
Die relative Permittivität des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Films selbst ändert sich nicht mit der Luftfeuchtigkeit. In Abhängigkeit der Menge von absorbiertem Wasser ändert sich jedoch die relative Permittivität der Gesamtheit einschließlich des Wassers. Folglich wird, wenn der Einfluss des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Films auf die im Elektrodenabstand gebildete Kapazität größer ist, das Verhältnis (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1) der Änderung in der Kapazität zur Änderung in der Luftfeuchtigkeit größer. Die Kapazität jeder Kapazitätsvorrichtung (die kapazitive Erfassungsvorrichtung und die kapazitive Referenzvorrichtung) hängt von einer Überlappungskapazität und einer Randkapazität in dem Paar von gegenüberliegenden Elektroden (die Erfassungselektroden und die Referenzelektroden) ab. Die Überlappungskapazität wird zwischen sich überlappenden Oberflächen gebildet. Die Randkapazität wird zwischen unteren Oberflächen, die dem Substrat zugewandt sind, und zwischen oberen Oberflächen, die den unteren Oberflächen gegenüberliegen, gebildet. Von diesen Kapazitätskomponenten wird insbesondere die Randkapazität, die zwischen den oberen Oberflächen gebildet wird, allgemein sehr durch den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film beeinflusst, wenn die Elektrodendicke (die Höhe der Überlappungsoberfläche) größer als die Elektrodenbreite (die Länge der oberen Oberfläche) ist, da der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film, der zwischen den oberen Oberflächen angeordnet ist, größer ist. Der Grund dafür, dass das Verhältnis mit zunehmendem Elektrodenabstand zunimmt, bis der Elektrodenabstand den vorbestimmten Wert erreicht, kann derart verstanden werden, dass dann, wenn der Elektrodenabstand kleiner ist, der Einfluss der Überlappungskapazität größer ist (genauer gesagt, der Einfluss des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Films geringer ist), und dass dann, wenn der Elektrodenabstand größer ist, der Einfluss der Randkapazität größer ist (genauer gesagt, der Einfluss des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Films größer ist).
In der 1 des Patentdokuments 1 ist der Elektrodenabstand der kapazitiven Referenzvorrichtung größer als der Elektrodenabstand der kapazitiven Erfassungsvorrichtung. Folglich ist es, angesichts des obigen Verhältnisses zwischen dem Elektrodenabstand und dem Verhältnis (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1), um die Empfindlichkeit zu verbessern, indem die Differenz zwischen dem Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung und dem Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung vergrößert wird, erforderlich, den Elektrodenabstand der kapazitiven Referenzvorrichtung derart zu bestimmen, dass der Elektrodenabstand der kapazitiven Referenzvorrichtung über einem Wert liegt, bei dem das Verhältnis (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1) der kapazitiven Referenzvorrichtung seinen Spitzenwert erreicht, und dass die Differenz zwischen dem Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung und dem Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung groß ist. Aus diesem Grund ist es schwierig, die Größe der kapazitiven Referenzvorrichtung und folglich die Größe des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors zu verringern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist folglich Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor, bei dem eine kapazitive Erfassungsvorrichtung und eine kapazitive Referenzvorrichtung auf derselben Oberfläche eines Substrats gebildet sind und die kapazitive Referenzvorrichtung ebenso einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film aufweist, mit verbesserter Empfindlichkeit und verringerter Größe bereitzustellen.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung weist ein kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor ein Substrat, eine auf dem Substrat gebildete kapazitive Erfassungsvorrichtung und eine auf dem Substrat gebildete kapazitive Referenzvorrichtung auf. Eine Kapazität der kapazitiven Erfassungsvorrichtung ändert sich in einem ersten Verhältnis mit einer Änderung in der Umgebungsluftfeuchtigkeit, und eine Kapazität der kapazitiven Referenzvorrichtung ändert sich in einem zweiten Verhältnis, das kleiner als das erste Verhältnis ist, mit der Änderung in der Umgebungsluftfeuchtigkeit. Die kapazitive Erfassungsvorrichtung weist ein Paar von Erfassungselektroden und einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Erfassungsfilm, der die Erfassungselektroden bedeckt, auf. Die Erfassungselektroden liegen sich auf einer vorbestimmten Befestigungsoberfläche des Substrats gegenüberliegen und sind einen ersten Abstand voneinander beabstandet. Eine relative Permittivität des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Erfassungsfilms ändert sich mit einer Wasseraufnahme. Die kapazitive Referenzvorrichtung weist ein Paar von Referenzelektroden und einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilm, der die Referenzelektroden bedeckt, auf. Die Referenzelektroden liegen sich auf der Befestigungsoberfläche des Substrats gegenüberliegen und sind einen zweiten Abstand voneinander beabstandet. Eine relative Permittivität des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilms ändert sich mit einer Wasseraufnahme. Der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm sind aus dem gleichen Material aufgebaut und weisen die gleiche Dicke auf. Die Erfassungselektroden und die Referenzelektroden sind aus dem gleichen Material aufgebaut und weisen die gleiche Breite und Dicke auf. Das erste Verhältnis ist ein Verhältnis der Kapazität der kapazitiven Erfassungsvorrichtung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100% zur Kapazität der kapazitiven Erfassungsvorrichtung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 0%. Das zweite Verhältnis ist ein Verhältnis der Kapazität der kapazitiven Referenzvorrichtung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100% zur Kapazität der kapazitiven Referenzvorrichtung bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 0%. Das erste Verhältnis erreicht seinen Spitzenwert, wenn der erste Abstand gleich einem vorbestimmten Wert ist. Das zweite Verhältnis erreicht seinen Spitzenwert, wenn der zweite Abstand gleich dem vorbestimmten Wert ist. Der zweite Abstand ist kleiner als der erste Abstand und der vorbestimmte Wert.
Da jeder Elektrodenabstand derart bestimmt wird, dass das Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung größer als das Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung wird, kann die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors verbessert werden. Ferner kann, da der Elektrodenabstand der kapazitiven Referenzvorrichtung kleiner als ein Wert eingestellt wird, bei dem das Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung seinen Spitzenwert erreicht, die Größe der kapazitiven Referenzvorrichtung und folglich auch die Größe des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors verringert werden.
Folglich kann ein kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor, bei dem die kapazitive Erfassungsvorrichtung und die kapazitive Referenzvorrichtung auf derselben Oberfläche des Substrats gebildet sind und die kapazitive Referenzvorrichtung ebenso den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film aufweist, mit verbesserter Empfindlichkeit und verringerter Größe bereitgestellt werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obige und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher ersichtlich. In den Zeichnungen zeigt:
1 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Perspektivansicht einer Luftfeuchtigkeitserfassungsvorrichtung mit einem kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensor gemäß einer Ausführungsform, in der ein Schutzgel der Einfachheit halber weggelassen ist;
2 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Draufsicht des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors gemäß der Ausführungsform, in der, der Einfachheit halber, eine Erfassungselektrode, eine Referenzelektrode, eine Leitung, die mit einer Kontaktstelle verbunden ist, durch eine durchgezogene Linie gezeigt sind und das Schutzgel durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist;
3 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht entlang der Linie III-III in der 2, in der die Anzahl von Elektroden der Einfachheit halber reduziert ist und die einen Zustand zeigt, in dem die mit einem Bonddraht verbundene Kontaktstelle mit dem Schutzgel bedeckt ist;
4 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einer relativen Luftfeuchtigkeit und einer Kapazität;
5 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer vergrößerten Ansicht der 2 um eine kapazitive Erfassungsvorrichtung und eine kapazitive Referenzvorrichtung, in der, der Einfachheit halber, ein Teil der mit der Kontaktstelle verbundenen Leitung weggelassen ist, wobei die Erfassungselektrode und die Referenzelektrode, wie in der 2, durch eine durchgezogene Linie gezeigt sind und ein luftfeuchtigkeitsempfindlicher Film durch eine gestrichelte Linie gezeigt ist;
6 eine Abbildung zur Veranschaulichung eines Beispiels für ein Ersatzschaltbild einer kapazitiven Vorrichtung des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors und einer Verarbeitungsschaltung eines Schaltungschips;
7 ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für einen CV-Wandlungsvorgang;
8 eine Abbildung zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einem Elektrodenabstand und einem Verhältnis einer Änderung in der Kapazität zu einer Änderung in der Luftfeuchtigkeit (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1);
9 eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Überlappungskapazität und einer Randkapazität;
10A eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen dem Elektrodenabstand und einer Form eines Muldenabschnitts eines Schutzfilms, wenn der Elektrodenabstand 1,5 μm beträgt, und 10B eine Abbildung zur Veranschaulichung einer Querschnittsansicht zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen dem Elektrodenabstand und der Form des Muldenabschnitts des Schutzfilms, wenn der Elektrodenabstand 3,0 μm beträgt;
11 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen einer Kapazitätsänderung und einem Grad einer Hysterese, wenn der Elektrodenabstand 1,5 μm beträgt; und
12 ein Diagramm zur Veranschaulichung eines Verhältnisses zwischen dem Elektrodenabstand und dem Grad der Hysterese.
AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Nachstehend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. In einer Draufsicht der 2 sind ein luftfeuchtigkeitsempfindlicher Film und ein Sperrabschnitt schraffiert, um Bereiche anzuzeigen, in denen sie gebildet sind.
1 zeigt eine Luftfeuchtigkeitserfassungsvorrichtung 100 mit einem kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensor 10 gemäß einer Ausführungsform. Die Luftfeuchtigkeitserfassungsvorrichtung 100 weist ein Gehäuse 110, das aus Kunstharz aufgebaut und gleich einem Rechteckrohr mit einem Boden geformt ist, Leiterrahmeninseln 111 und 112, die an einer Innenoberfläche des Bodens des Gehäuses 110 befestigt sind, einen kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensor 10, der auf der Insel 111 befestigt ist, einen Schaltungschip 113, der auf der Insel 112 befestigt ist, und eine Leitung 114 mit einem ersten Ende innerhalb des Gehäuses 110 und einem zweiten Ende außerhalb des Gehäuses 110 auf.
Der kapazitive Luftfeuchtigkeitssensor 10 und der Schaltungschip 113 sind über einen Bonddraht 115 elektrisch miteinander verbunden. Der Schaltungschip 113 und die Leitung 114 sind über einen Bonddraht 116 elektrisch miteinander verbunden. Obgleich nicht in der 1 gezeigt, sind der Bonddraht 115, der Bonddraht 116 und deren Verbindungsabschnitte (Kontaktstellen) mit Schutzgel (einem in der 3 gezeigten Schutzgel 60) bedeckt.
Folglich ist der kapazitive Luftfeuchtigkeitssensor 10 gemäß der Ausführungsform ein separater Chip vom Schaltungschip 113 mit einer CV-Wandlungsschaltung.
Nachstehend wird eine Struktur des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 beschrieben.
Der kapazitive Luftfeuchtigkeitssensor 10 ist ein sogenannter Sensorchip. Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind ein Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitt 30, eine Kontaktstelle 40 als ein externer Verbindungsanschluss und ein Sperrabschnitt 50 zur Beschränkung einer Bewegung eines Schutzgels 60 auf einem gemeinsamen Substrat 20 (einem Halbleiterchip) gebildet. Das Schutzgel 60 ist derart auf dem Substrat 20 angeordnet, dass die Kontaktstelle 40 und ein Verbindungsabschnitt, an dem der Bonddraht 115 mit der Kontaktstelle 40 verbunden ist, mit dem Schutzgel 60 bedeckt sind, unter einer Bedingung, dass der Bonddraht 115 mit der Kontaktstelle 40 verbunden ist.
Gemäß der Ausführungsform ist das Substrat 20 ein Siliziumsubstrat. Wie in 3 gezeigt, ist eine Störstellendiffusionsschicht 21 in einem Oberflächenabschnitt der Gesamtheit einer ersten Oberfläche des Substrats 20 gebildet. Insbesondere ist die Diffusionsschicht 21 eine p-leitende Diffusionsschicht. Eine Isolierschicht 22 ist auf der Diffusionsschicht 21 gebildet, und ein Kontaktloch 22a ist in einem Teil der Isolierschicht 22 gebildet. Gemäß der Ausführungsform weist die Isolierschicht 22 eine Siliziumoxidschicht und eine BPSG-Schicht auf, die in dieser Reihenfolge von der Seite des Substrats 20 aus übereinander geschichtet angeordnet sind.
Der Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitt 30, die Kontaktstelle 40 und der Sperrabschnitt 50 sind auf der Isolierschicht 22 gebildet. Gemäß der Ausführungsform werden das Substrat 20 und die Isolierschicht 22 kollektiv als ein Substrat bezeichnet und wird eine gegenüberliegende Seite der Isolierschicht 22 vom Substrat 20 als eine erste Oberfläche 20a des Substrats 20 bezeichnet.
Der Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitt 30 weist eine kapazitive Erfassungsvorrichtung 31 und eine kapazitive Referenzvorrichtung 32 auf. Eine Kapazität von sowohl der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 als auch der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 ändert sich mit einer Änderung in der relativen Luftfeuchtigkeit, und ein Verhältnis einer Änderung in der Kapazität zu einer Änderung in der Luftfeuchtigkeit unterscheidet sich zwischen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 und der kapazitiven Referenzvorrichtung 32. Wie in 4 gezeigt, ist eine Kapazität bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 0%, d. h. eine Anfangskapazität der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 (eine Kapazität Cm), größer als diejenige der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 (eine Kapazität Cr). Ferner ist das Verhältnis einer Änderung in der Kapazität zu einer Änderung in der Luftfeuchtigkeit der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 größer als dasjenige der kapazitiven Referenzvorrichtung 32.
Wie in 4 gezeigt, ist eine Differenz der Anfangskapazität zwischen den kapazitiven Vorrichtungen 31 und 32 ein Offset. Eine Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 ist eine Änderung in einem Wert, der erhalten wird, indem der Offset von einer Kapazitätsdifferenz abgezogen wird, bezüglich einer Änderung in der Luftfeuchtigkeit. Folglich kann die Empfindlichkeit verbessert werden, indem eine Differenz im Verhältnis der Änderung in der Kapazität zur Änderung in der Luftfeuchtigkeit zwischen den kapazitiven Vorrichtungen 31 und 32 vergrößert wird.
Die kapazitive Erfassungsvorrichtung 31 weist ein Paar von Erfassungselektroden 33a, 33b auf, die sich auf der ersten Oberfläche 20a des Substrats 20 gegenüberliegen. Die kapazitive Referenzvorrichtung 32 weist ein Paar von Referenzelektroden 34a, 34b auf, die sich auf der ersten Oberfläche 20a des Substrats 20 gegenüberliegen, an einer anderen Position als die Erfassungselektroden 33a, 33b.
Die Formen der Erfassungselektroden 33a, 33b und der Referenzelektroden 34a, 34b sind nicht beschränkt. Gemäß der Ausführungsform weisen die Erfassungselektroden 33a, 33b eine Kammform auf und sind abwechselnd angeordnet. Aufgrund der Kammform wird, während der Layoutbereich der Erfassungselektroden 33a, 33b verringert wird, der Überlappungsbereich der Erfassungselektroden 33a, 33b erhöht. Folglich wird eine Änderung in einer Kapazität zwischen den Erfassungselektroden 33a, 33b bezüglich einer Änderung in der Umgebungsluftfeuchtigkeit erhöht, so dass die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 erhöht werden kann. In gleicher Weise weisen die Referenzelektroden 34a, 34b eine Kammform auf und sind die Referenzelektroden 34a, 34b abwechselnd angeordnet.
Ferner ist, wie in 5 gezeigt, die Länge des Überlappungsabschnitts der Erfassungselektroden 33a, 33b größer als diejenige der Referenzelektroden 34a, 34b. Ferner ist die Anzahl von Zähnen der Kammform der Erfassungselektroden 33a, 33b höher als diejenige der Referenzelektroden 34a, 34b. Folglich ist der Überlappungsbereich der Erfassungselektroden 33a, 33b größer als derjenige der Referenzelektroden 34a, 34b. Die Anfangskapazität der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 ist höher als diejenige der kapazitiven Referenzvorrichtung 32.
Ein Abstand zwischen den Erfassungselektroden 33a, 33b, d. h. ein Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31, und ein Abstand zwischen den Referenzelektroden 34a, 34b, d. h. ein Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32, sind derart eingestellt, dass sie eine vorbestimmte Bedingung erfüllen. Die Einstellbedingung ist ein Hauptmerkmal der Ausführungsform. Hierauf wird nachstehend noch näher eingegangen.
Die Erfassungselektroden 33a, 33b und die Referenzelektroden 34a, 34b sind aus dem gleichen Material aufgebaut und weisen die gleiche Breite und Dicke auf. Insbesondere wird ein Verdrahtungsmaterial, das durch Wasser korrodieren kann, wie beispielsweise Aluminium, mittels Aufdampfung, Sputtern oder dergleichen bis zu annähernd einer gleichförmigen Dicke auf der ersten Oberfläche 20a des Substrats 20 aufgetragen. Anschließend wird, in einem Photolithographieprozess, durch Mustern eine Kammform mit Zähnen mit nahezu gleicher Breite gebildet. Gemäß der Ausführungsform sind die Erfassungselektroden 33a, 33b, die Referenzelektroden 34a, 34b und die Kontaktstelle 40 aus Aluminium aufgebaut.
Wie in 3 gezeigt, ist ein Schutzfilm 36 auf den Erfassungselektroden 33a, 33b und den Referenzelektroden 34a, 34b gebildet. Ein luftfeuchtigkeitsempfindlicher Film 35 ist auf dem Schutzfilm 36 gebildet. Der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 weist einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilm 35b auf, der die Referenzelektroden 34a, 34b bedeckt.
Der Schutzfilm 36 schützt die Erfassungselektroden 33a, 33b und die Referenzelektroden 34a, 34b vor einer Korrosion aufgrund von Wasser. Gemäß der Ausführungsform ist der Schutzfilm 36 eine Siliziumnitridschicht, die mittels eines Plasma-CVD-Verfahrens gebildet wird. Der Schutzfilm 36 ist auf der ersten Oberfläche 20a des Substrats 20 gebildet, um nicht nur die Erfassungselektroden 33a, 33b und die Referenzelektroden 34a, 34b zu schützen, sondern ebenso Abschnitte mit Ausnahme der Kontaktstelle 40.
Ein luftfeuchtigkeitsempfindlicher Erfassungsfilm 35a ist auf dem Schutzfilm 36 gebildet, um die Erfassungselektroden 33a, 33b und einen Abschnitt zwischen den Erfassungselektroden 33a, 33b zu bedecken. Ferner ist der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm 35b gebildet, um die Referenzelektroden 34a, 34b und einen Abschnitt zwischen den Referenzelektroden 34a, 34b zu bedecken. Die luftfeuchtigkeitsempfindlichen Filme 35a und 35b sind aus dem gleichen Material aufgebaut und weisen nahezu die gleiche Dicke auf.
Gemäß der Ausführungsform sind der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm 35a zum Bedecken der Erfassungselektroden 33a und 33b und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm 35b zum Bedecken der Referenzelektroden 34a, 34b einteilig als ein einziger luftfeuchtigkeitsempfindlicher Film 35 gebildet. Gemäß der Ausführungsform ist der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 aus polyimidartigem Material aufgebaut. Nachdem die erste Oberfläche 20a des Substrats 20 durch ein Spin-Coating-Verfahren oder ein Druckverfahren mit einem Vorprodukt (Polyamid) beschichtet wurde, wird eine Heiz- und Härtebehandlung (Imidisierungsbehandlung) derart angewandt, dass der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 mit annähernd gleichförmiger Dicke gebildet werden kann.
Die Elektroden 33a, 33b, 34a und 34b der kapazitiven Vorrichtungen 31 und 32 des Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitts 30 sind über eine Leitung 37 elektrisch mit der Kontaktstelle 40 verbunden. Gemäß der Ausführungsform ist ein Endabschnitt der Leitung 37 auf der fernen Seite vom Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitt 30 über eine Öffnung des Schutzfilms 36 freiliegend und dient als die Kontaktstelle 40.
Die Erfassungselektrode 33a der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 ist, wie in 2 gezeigt, über eine Leitung 37a elektrisch mit einer Kontaktstelle 40a verbunden. Die Erfassungselektrode 33b der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 und die Referenzelektrode 34b der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 sind über eine gemeinsame Leitung 37b elektrisch mit einer Kontaktstelle 40b verbunden. Die Referenzelektrode 34a der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 ist über eine Leitung 37c elektrisch mit einer Kontaktstelle 40c verbunden.
Diese Leitungen 37a bis 37c sind auf der ersten Oberfläche 20a des Substrats 20, d. h. auf der gleichen Ebene wie die Erfassungselektroden 33a, 33b und die Referenzelektroden 34a, 34b, gebildet. Ferner sind die Leitungen 37a bis 37c, gleich den Erfassungselektroden 33a, 33b und den Referenzelektroden 34a, 34b, aus Aluminium aufgebaut und mit dem Schutzfilm 36 bedeckt.
Gemäß der Ausführungsform weist die Kontaktstelle 40 ferner eine Kontaktstelle 40d auf, die elektrisch mit der Diffusionsschicht 21 verbunden ist. Eine Leitung 37d, die sich entlang eines Randes des Substrats 20 mit einer rechteckigen ebenen Form erstreckt, ist mit der Kontaktstelle 40d verbunden. Ein Abschnitt der Leitung 37d ist, wie in 3 gezeigt, über die Öffnung des Schutzfilms 36 freiliegend und dient als die Kontaktstelle 40d. Die Leitung 37d ist auf der ersten Oberfläche 20a des Substrats 20, d. h. auf der gleichen Ebene wie die Erfassungselektroden 33a, 33b und die Referenzelektroden 34a, 34b, gebildet. Ferner ist die Leitung 37d, gleich den Erfassungselektroden 33a, 33b und den Referenzelektroden 34a, 34b, aus Aluminium aufgebaut und mit dem Schutzfilm 36 bedeckt. Ein Kontaktloch 22a der Isolierschicht 22 ist, wie in 3 gezeigt, derart mit der Leitung 37d gefüllt, dass die Leitung 37d elektrisch mit der Diffusionsschicht 21 verbunden werden kann. Folglich kann dann, wenn ein konstantes Potential (wie beispielsweise ein Massepotential) über die Kontaktstelle 40d an die Leitung 37d gelegt wird, die Diffusionsschicht 21 als eine Abschirmschicht gegenüber elektromagnetischen Wellen dienen.
Die Kontaktstelle 40 (40a bis 40d) ist unter der Bedingung, dass der Bonddraht 115 mit der Kontaktstelle 40 verbunden ist, mit dem Schutzgel 60 bedeckt. Das Schutzgel 60 schützt die Kontaktstelle 40 aus Aluminium vor einer Korrosion aufgrund von Wasser und ist aus einem wasserresistenten Material, wie beispielsweise fluoriertes Gel, aufgebaut. Das Schutzgel 60 wird unter Verwendung eines Dispensers oder dergleichen um die Kontaktstelle 40 aufgetragen und anschließend gehärtet.
Folglich weist das Schutzgel 60 noch eine Fließbarkeit auf, wenn das Schutzgel 60 aufgetragen wird. Wenn das Schutzgel 60, das nahe der Kontaktstelle 40 aufgetragen wird, in Richtung des Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitts 30 fließt und den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 (35a, 35b) erreicht, kann eine Neigung/Tendenz des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Films 35 derart geändert werden, dass die Erfassungsgenauigkeit bei der Umgebungsluftfeuchtigkeit gegebenenfalls verringert wird. Aus diesem Grund wird der Sperrabschnitt 50 auf der ersten Oberfläche 20a des Substrats 20 zwischen dem Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitt 30 und der Kontaktstelle 40 gebildet. Der Sperrabschnitt 50 verhindert, dass das Schutzgel 60, das nahe der Kontaktstelle 40 aufgetragen wird, in Richtung des Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitts 30 fließt und den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 erreicht.
Der Sperrabschnitt 50 ist aus dem gleichen Material wie der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 (35a, 35b) aufgebaut und kann folglich in dem gleichen Prozess wie der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 (35a, 35b) gebildet werden. Gemäß der Ausführungsform ist der Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitt 30, wie in 2 gezeigt, entlang einer Seite der rechteckigen planaren Form der ersten Oberfläche 20a des Substrats 20 gebildet und ist die Kontaktstelle 40 entlang der anderen Seite der rechteckigen planaren Form gebildet. Der Sperrabschnitt 50 ist auf der ersten Oberfläche 20a des Substrats 20 gebildet und erstreckt sich von einer zur anderen Seite zwei gegenüberliegender Seiten des Substrats 20, um einen Bereich, in dem der Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitt 30 gebildet wird, von einem Bereich zu trennen, in dem die Kontaktstelle 40 gebildet wird. Der Sperrabschnitt 50 weist nahezu die gleiche Dicke wie der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 auf.
Nachstehend ist ein Beispiel für ein Verfahren zur Fertigung des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 beschrieben.
Zunächst wird ein Siliziumwafer als das Substrat 20 vorbereitet und eine Siliziumoxidschicht durch thermische Oxidation auf einer Oberfläche gebildet. Anschließend wird die Diffusionsschicht 21 durch eine Ionenimplantation von Fremdatomen durch die Siliziumoxidschicht in die Oberfläche des Substrats 20 gebildet. Hierauf folgend wird die BPSG-Schicht derart auf der Siliziumoxidschicht gebildet, dass die BPSG-Schicht und die Siliziumoxidschicht zu der Isolierschicht 22 werden können. Anschließend wird, nachdem das Kontaktloch 22a an einer vorbestimmten Position der Isolierschicht 22 gebildet wurde, Aluminium auf der gesamten ersten Oberfläche 20a des Substrats 20 abgeschieden. Anschließend werden die Elektroden 33a, 33b, 34a, 34b und die Leitung 37 (37a bis 37d) einschließlich der Kontaktstelle 40 (40a bis 40d) durch Mustern gebildet. Auf diese Weise werden die Elektroden 33a, 33b, 34a und 34b des Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitts 30 im gleichen Prozess unter Verwendung des gleichen Materials auf der gleichen Oberfläche gebildet.
Anschließend wird eine Siliziumnitridschicht als der Schutzfilm 36 auf der gesamten ersten Oberfläche 20a des Substrats 20 gebildet und die Kontaktstelle 40 (40a bis 40d) durch Mustern freigelegt. Hierauf folgend wird, nachdem die erste Oberfläche 20a des Substrats 20 mit einem Vorprodukt beschichtet wurde, beispielsweise durch ein Spin-Coating-Verfahren eine Härtebehandlung ausgeführt. Anschließend werden der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 (35a, 35b) und der Sperrabschnitt 50 durch Mustern gebildet. Auf diese Weise werden der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 des Luftfeuchtigkeitserfassungsabschnitts 30 und der Sperrabschnitt 50 im gleichen Prozess unter Verwendung des gleichen Materials gebildet.
Anschließend wird das Substrat 20 in Chips vereinzelt. Auf diese Weise kann der kapazitive Luftfeuchtigkeitssensor 10 gefertigt werden. Der gefertigte kapazitive Luftfeuchtigkeitssensor 10 wird auf der Insel 111 befestigt, die einteilig mit dem Gehäuse 110 ausgebildet ist, und über den Bonddraht 115 mit dem Schaltungschip 113 verbunden, der auf der Insel 112 befestigt ist. Hierauf folgend wird das Schutzgel 60 unter Verwendung eines Dispensers oder dergleichen derart um die Kontaktstelle 40 aufgetragen, dass der Bonddraht 115 mit dem Schutzgel 60 bedeckt werden kann. Hierauf folgend wird das Schutzgel 60 gehärtet. Auf diese Weise kann die Luftfeuchtigkeitserfassungsvorrichtung 100 gefertigt werden.
Nachstehend sind die kapazitiven Vorrichtungen 31, 32 und eine Verarbeitungsschaltung des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 beschrieben.
Die kapazitive Erfassungsvorrichtung 31 mit der sich mit der relativen Umgebungsluftfeuchtigkeit ändernden Kapazität (eine Kapazität Cm) ist, wie in 6 gezeigt, in Reihe mit der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 geschaltet, die die sich mit der relativen Umgebungsluftfeuchtigkeit ändernde Kapazität (eine Kapazität Cr) aufweist. Der Schaltungschip 113 weist eine SC-(Schaltkondensator oder Switched-Capacitor)-Schaltung 120 auf, um eine Differenz in der Kapazität zwischen den kapazitiven Vorrichtungen 31, 32 in eine Spannung zu wandeln.
Die SC-Schaltung 120 weist beispielsweise, wie in 6 gezeigt, einen Oszillator 121, eine Referenzspannungsquelle 122, einen Differenzverstärker 123, einen Kondensator 124, einen Analogschalter 125 und eine Abtast- und Halteschaltung (nicht gezeigt) auf. Der Oszillator 121 gibt einen Träger 1 und einen Träger 2 an die Kapazität Cm bzw. die Kapazität Cr. Die Träger 1 und 2 sind beispielsweise Rechteckwellen mit der gleichen Amplitude von 5 V und einer Phasendifferenz von 180 Grad. Die Referenzspannungsquelle 122 gibt beispielsweise eine Vorspannung von 2,5 V aus. Der Differenzverstärker 123 verstärkt eine Differenz zwischen der Vorspannung und einer Mittelpunktsspannung zwischen den Kapazitäten Cm und Cr. Der Kondensator 124 weist eine vorbestimmte Kapazität auf.
7 zeigt ein Zeitdiagramm zur Veranschaulichung eines Beispiels für eine von der SC-Schaltung 120 ausgeführte CV-Wandlung. Bei der von der SC-Schaltung 120 ausgeführten CV-Wandlung wird, wie in 7 gezeigt, „Reset -> Abtasten-und-Halten -> Trägerwechsel -> Abtasten-und-Halten” in einem Zyklus wiederholt.
Wenn der Analogschalter 125 beispielsweise zum Zeitpunkt t1 EIN geschaltet wird, wird der Kondensator 124 entladen (zurückgesetzt). Ferner steigt, gleichzeitig mit dem Entladen des Kondensators 124, der Träger T1 an und fällt der Träger T2 ab. Zu dieser Zeit werden die Kapazitäten Cm und Cr in Übereinstimmung mit einem Verhältnis Cm > Cr und in Übereinstimmung mit Spannungen geladen, die jeweils an die Erfassungselektrode 33a (siehe 2) der Kapazität Cm auf der Seite des Oszillators 121 und die Referenzelektrode 34b (siehe 2) der Kapazität Cr auf der Seite des Oszillators 121 gelegt werden. Es wird angemerkt, dass die Erfassungselektrode 33b der Kapazität Cm und die Referenzelektrode 34a der Kapazität Cr auf der Seite des Differenzverstärkers 123 geändert werden, um eine Menge an negativen Ladungsträgern aufzuweisen.
Anschließend wird beispielsweise, wenn die Analogschalter 125 zum Zeitpunkt t2 AUS geschaltet wird, ein geschlossener Regelkreis mit der Erfassungselektrode 33b, der Elektrode 34a und einem Anschluss des Kondensators 124 auf einer Seite des invertierenden Eingangsanschlusses des Differenzverstärkers 123 gebildet, so dass die Menge an Ladungsträgern, die vom Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 gespeichert wird, aufrechterhalten werden kann. Zu einem Zeitpunkt t3 unter dieser Bedingung wird beispielsweise eine Ausgangsspannung Vo der SC-Schaltung 120 abgetastet und temporär in einer geeigneten Speichereinrichtung gespeichert.
Anschließend steigt beispielsweise zum Zeitpunkt t4 der Träger 2 an, während gleichzeitig der Träger 1 abfällt. Wenn die Träger auf diese Weise invertiert werden, werden die Elektroden 33b und 34a geändert, um eine Menge an positiven Ladungsträgern aufzuweisen. Da jedoch, wie vorstehend beschrieben, der geschlossene Regelkreis mit der Elektrode 33b, der Elektrode 34a und dem Anschluss des Kondensators 124 auf der Seite des invertierenden Eingangsanschlusses des Differenzverstärkers 123 gebildet wird, wird die Menge an Ladungsträgern im geschlossenen Regelkreis aufrechterhalten. Folglich bewegen sich die aus dem Ladungsgleichgewicht zwischen den Elektroden 33b und 34a überfließenden negativen Ladungsträger zum Anschluss des Kondensators 124 auf der Seite des invertierenden Eingangsanschlusses des Differenzverstärkers 123. Infolge dieser Ladungsträgerbewegung werden positive Ladungsträger in einem Anschluss des Kondensators 124 auf einer Ausgangsanschlussseite des Differenzverstärkers 123 gespeichert. Folglich ändert sich, aus einem Verhältnis „die Menge an gespeicherten Ladungsträgern = Kapazität × Spannung”, die Ausgangsspannung Vo der SC-Schaltung 120 proportional zur Menge an bewegten Ladungsträgern und invers proportional zur Kapazität des Kondensators 124.
Die Ausgangsspannung Vo, die sich gemäß obiger Beschreibung ändert, wird an einem Ausgangsanschluss der SC-Schaltung 120 ausgegeben. Anschließend wird beispielsweise zum Zeitpunkt t6, wenn die Bewegung der Ladungsträger gestoppt wird und sich ein stationärer Zustand einstellt, die Ausgangsspannung Vo abgetastet und temporär in einer geeigneten Speichereinrichtung gespeichert. Anschließend startet zum Zeitpunkt t7 ein nächster Zyklus auf die gleiche Weise.
Letztendlich wird die relative Umgebungsluftfeuchtigkeit auf der Grundlage eines Wertes erfasst, der errechnet wird, indem die zum Zeitpunkt t3 abgetastete Spannung von der zum Zeitpunkt t6 abgetasteten Spannung abgezogen wird.
Die Differenz in der Kapazität zwischen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 und der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 wird, wie vorstehend beschrieben, durch die CV-Wandlungsschaltung (die SC-Schaltung 120) in eine Spannung gewandelt, und die relative Umgebungsluftfeuchtigkeit wird auf der Grundlage der Spannung erfasst. Wenn die Differenz zwischen dem Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 (eine Kapazität Cm) und dem Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 (eine Kapazität Cr) gemäß der 4 größer ist, wird die Änderung in der Kapazitätsdifferenz bezüglich der Änderung in der Umgebungsluftfeuchtigkeit größer. D. h., die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 kann erhöht werden.
Nachstehend sind die Elektrodenabstände dm und dr beschrieben, die geeignet sind, die Größe des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 zu verringern und die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 zu verbessern.
Gemäß der Ausführungsform weist die kapazitive Referenzvorrichtung 32 ebenso den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 (den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilm 35b) auf und ändert sich die Kapazität der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 mit der relativen Luftfeuchtigkeit. Folglich ist die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 verglichen mit dem Fall, dass die kapazitive Referenzvorrichtung 32 keinen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 aufweist, niedriger. Dementsprechend ist, angesichts der Empfindlichkeit, das Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung 32, d. h. ein Verhältnis C2/C1 einer Kapazität C1 bei der relativen Luftfeuchtigkeit von 0% (nachstehend als die „0% RH” bezeichnet) zu einer Kapazität C2 bei der relativen Luftfeuchtigkeit von 100% (nachstehend als die „100% RH” bezeichnet), vorzugsweise so klein wie möglich (nahe 1). Die Empfindlichkeit kann gegebenenfalls verbessert werden, indem das Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1) vergrößert wird. In diesem Fall wird jedoch, da die Größe der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 erhöht wird, folglich auch die Größe des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 erhöht.
Das Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31, d. h. das Verhältnis C2/C1 kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden. C2/C1 = (ε2·ε0·Sm/dm)/(ε1·ε0·Sm/dm) = ε2/ε1 (Gleichung 1) ε0 beschreibt eine Vakuumpermittivität, ε1 beschreibt eine relative Permittivität bei 0% RH eines Dielektrikums der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31, ε2 beschreibt eine relative Permittivität bei 100% RH des Dielektrikums, und Sm beschreibt den Überlappungsbereich der Erfassungselektroden 33a, 33b.
Das Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung 32, d. h. das Verhältnis C2/C1 kann durch die folgende Gleichung beschrieben werden. C2/C1 = (ε4·ε0·Sr/dr)/(ε3·ε0·Sr/dr) = ε4/ε3 (Gleichung 2) ε3 beschreibt eine relative Permittivität bei 0% RH eines Dielektrikums der kapazitiven Referenzvorrichtung 32, ε4 beschreibt eine relative Permittivität bei 100% RH des Dielektrikums, und Sr beschreibt den Überlappungsbereich der Referenzelektroden 34a, 34b.
Auf diese Weise wird das Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 durch ε2/ε1 bestimmt und das Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 durch ε4/ε3 bestimmt. Gemäß der Ausführungsform sind der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm 35a und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm 35b, wie vorstehend beschrieben, aus dem gleichen Material aufgebaut und weisen beide die gleiche Dicke auf. Ferner sind die Erfassungselektroden 33a, 33b und die Referenzelektroden 34a, 34b aus dem gleichen Material aufgebaut und weisen die Erfassungselektroden 33a, 33b und die Referenzelektroden 34a, 34b die gleiche Breite und Dicke auf. Folglich ist in den Gleichungen 1 und 2 ε1 = ε3 und ε2 = ε4. Dementsprechend weisen die kapazitive Erfassungsvorrichtung 31 und die kapazitive Referenzvorrichtung 32 ein gemeinsames (das gleiche) Verhältnis zwischen dem Verhältnis (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1) und dem Elektrodenabstand auf. Welches Verhältnis größer oder kleiner ist, hängt folglich von den Elektrodenabständen dm und dr ab.
8 zeigt ein Ergebnis einer Simulation, die von den Erfindern der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, um das Verhältnis zwischen dem Elektrodenabstand und dem Verhältnis (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1) zu bewerten. Diese Simulation ist unter den Bedingungen erfolgt, dass das Substrat 20 aus Silizium aufgebaut ist und eine Dicke von 400 μm aufweist, die Isolierschicht 22 aus Siliziumdioxid aufgebaut ist und eine Dicke von 0,525 μm ± 0,0525 μm aufweist, die Paare von Elektroden aus Aluminium aufgebaut sind und eine Dicke von 0,7 μm ± 0,07 μm und eine Breite von 4 μm ± 0,4 μm aufweisen, der Schutzfilm 36 aus Siliziumnitrid aufgebaut ist und eine Dicke von 1,6 μm ± 0,16 μm aufweist, und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 aus Polyimid aufgebaut ist, eine Dicke von 2 μm ± 0,2 μm aufweist und eine relative Permittivität von 2,8 bei 0% RH und 3,2 bei 100% RH aufweist.
Das Verhältnis (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1) erreicht, wie in 8 gezeigt, seinen Spitzenwert, wenn der Elektrodenabstand gleich 8 μm ist, nimmt mit zunehmendem Elektrodenabstand zu, wenn der Elektrodenabstand nicht größer als 8 μm ist, und nimmt mit zunehmendem Elektrodenabstand ab, wenn der Elektrodenabstand größer als 8 μm ist. Ein Grund dafür, warum das Verhältnis zwischen dem Elektrodenabstand und dem Verhältnis solch eine Tendenz zeigt, kann wie folgt angenommen werden. 9 zeigt eine Querschnittsansicht zur Veranschaulichung einer Kapazität, die durch eine Überlappungskapazität und eine Randkapazität gebildet wird, und zeigt die kapazitive Erfassungsvorrichtung 31 (eine Kapazität Cm) von den kapazitiven Vorrichtungen 31 und 32 gemäß einem Beispiel. Der Einfachheit halber ist nur die Randkapazität von einer Seite der oberen Oberfläche 39 gezeigt.
Die relative Permittivität des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Films 35 (ein luftfeuchtigkeitsempfindlicher Erfassungsfilm 35a) selbst ändert sich nicht mit der relativen Luftfeuchtigkeit. Die relative Luftfeuchtigkeit der Gesamtheit, einschließlich des Wassers 130, ändert sich jedoch, wie in 9 gezeigt, in Abhängigkeit der Menge des absorbierten Wassers 130. Folglich wird dann, wenn der Einfluss des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Films 35 (35a) auf die zwischen den Erfassungselektroden 33a, 33b gebildete Kapazität Cm zunimmt, das Verhältnis der Änderung in der Kapazität zur Änderung in der Luftfeuchtigkeit größer. Die Kapazität der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 hängt, wie in 9 gezeigt, von einer Überlappungskapazität und einer Randkapazität in den Paaren von gegenüberliegenden Elektroden 33a und 33b ab. Die Überlappungskapazität wird zwischen Überlappungsoberflächen 38 gebildet. Die Randkapazität wird zwischen unteren Oberflächen, welche dem Substrat 20 zugewandt sind, und zwischen oberen Oberflächen 39, die den unteren Oberflächen gegenüberliegen, gebildet.
Von diesen Kapazitätskomponenten wird, wie in 9 gezeigt, insbesondere die Randkapazität, die zwischen den oberen Oberflächen 39 gebildet wird, für gewöhnlich sehr durch den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 (35a) beeinflusst, wenn die Dicke der Erfassungselektroden 33a und 33b (die Höhe der Überlappungsoberfläche 38) größer als die Breite der Erfassungselektroden 33a, 33b (die Länge der oberen Oberfläche 39) ist, da der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 (35a), der zwischen den oberen Oberflächen 39 angeordnet ist, größer ist. Folglich ist, als eine Kapazität, der Effekt der Randkapazität größer und wird das Verhältnis (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1) groß. Der Grund dafür, dass das Verhältnis mit zunehmendem Elektrodenabstand dm zunimmt, bis der Elektrodenabstand dm den vorbestimmten Wert von 8 μm erreicht, kann derart angenommen werden, dass dann, wenn der Elektrodenabstand dm kleiner ist, der Einfluss der Überlappungskapazität größer ist (genauer gesagt, der Einfluss des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Films 35 geringer ist), und dass dann, wenn der Elektrodenabstand dm größer ist, der Einfluss der Randkapazität größer ist (genauer gesagt, der Einfluss des luftfeuchtigkeitsempfindlichen Films 35 größer ist). Ferner kann der Grund dafür, dass das Verhältnis abnimmt, wenn der Elektrodenabstand dm den vorbestimmten Wert von 8 μm überschreitet, derart angenommen werden, dass die Randkapazität aufgrund des größeren Elektrodenabstands dm weniger wahrscheinlich gebildet wird. Selbiges gilt für die kapazitive Referenzvorrichtung 32 (eine Kapazität Cr).
Gemäß der Ausführungsform wird der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 kleiner als der Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 eingestellt und werden der vorbestimmte Wert von 8 μm, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht, und die Elektrodenabstände dm und dr derart eingestellt, dass das Kapazitätsverhältnis C2/C1 der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 größer als dasjenige der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 ist. Insbesondere ist jeder der Elektrodenabstände dm und dr kleiner als der vorbestimmte Wert von 8 μm, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht. Ferner wird der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 kleiner als der Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 eingestellt. Insbesondere wird der Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 derart eingestellt, dass der Einfluss der Randkapazität größer ist, genauer gesagt, auf 7,5 μm gesetzt. Folglich liegt das Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 bei ungefähr 1,065. Demgegenüber wird der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 derart eingestellt, dass der Einfluss der Randkapazität gering ist. Folglich liegt das Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 bei ungefähr 1,035.
Die Elektrodenabstände dm und dr werden, wie vorstehend beschrieben, derart eingestellt, dass das Kapazitätsverhältnis C2/C1 der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 größer sein kann als dasjenige der kapazitiven Referenzvorrichtung 32. Folglich wird die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 verbessert.
Ferner wird, innerhalb eines Bereichs, in dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 größer als dasjenige der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 ist, der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 kleiner als sowohl der Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 als auch der vorbestimmte Wert, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht, eingestellt. D. h., der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 wird derart eingestellt, dass der Einfluss der Randkapazität gering ist. Folglich kann die Größe der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 und folglich auch die Größe des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 verringert werden.
Gemäß der Ausführungsform kann, wie vorstehend beschrieben, der kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensor 10, bei dem die kapazitive Erfassungsvorrichtung 31 und die kapazitive Referenzvorrichtung 32 mit dem luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 (dem luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilm 35b) auf der gleichen Oberfläche 20a des Substrats 20 gebildet sind, mit verbesserter Empfindlichkeit und verringerter Größe bereitgestellt werden.
Insbesondere ist, gemäß der Ausführungsform, der Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 nicht größer als der vorbestimmte Wert, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht. Folglich können, wie vorstehend beschrieben, die kapazitive Erfassungsvorrichtung 31 mit verbesserter Empfindlichkeit und verringerter Größe und folglich der kapazitive Luftfeuchtigkeitssensor 10 mit verringerter Größe bereitgestellt werden.
Wenn der Elektrodenabstand, wie vorstehend beschrieben, den vorbestimmten Wert (8 μm in der 8), bei dem das Verhältnis seinen Spitzenwert erreicht, überschreitet, nimmt das Verhältnis mit zunehmendem Elektrodenabstand ab. Folglich wird, wenn der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 größer als der Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 eingestellt wird, und zwar innerhalb eines Bereichs, in dem der Elektrodenabstand den vorbestimmten Wert überschreitet, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht, die Differenz in dem Verhältnis zwischen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 und der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 derart erhöht, dass die Empfindlichkeit verbessert werden kann. In diesem Fall muss jedoch der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 dementsprechend vergrößert werden. Folglich ist es schwierig, die Größe der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 und folglich die Größe des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 zu verringern.
Ferner bedeckt, gemäß der Ausführungsform, der Schutzfilm 36 die Elektroden 33a, 33b, 34a und 34b, um die Elektroden 33a, 33b, 34a und 34b vor Korrosion aufgrund von Wasser zu schützen. Folglich können die Referenzelektroden 34a und 34b durch den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilm 35 und den Schutzfilm 36 effektiv vor einer Korrosion geschützt werden. In gleicher Weise können die Erfassungselektroden 33a, 33b effektiv vor einer Korrosion geschützt werden. Ferner sind der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm 35a und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm 35b auf dem Schutzfilm 36 gebildet. Folglich wird ein Dielektrikum der Überlappungskapazität hauptsächlich durch den Schutzfilm 36 vorgesehen und ein Dielektrikum der Randkapazität zwischen den oberen Oberflächen 39 hauptsächlich durch den luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 vorgesehen. Dementsprechend kann die Änderung im Verhältnis (ein Kapazitätsverhältnis C2/C1) durch den Elektrodenabstand verglichen mit dem Fall, dass sich der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 (35a, 35b) in Kontakt mit den Erfassungselektroden 33a, 33b, 34a und 34b befindet, und zwar ohne den Schutzfilm 36, groß sein. Folglich kann die Differenz im Verhältnis zwischen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 und der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 erhöht werden.
Es wird angemerkt, dass dann, wenn der Elektrodenabstand dm klein ist, wie in 10A gezeigt, eine Öffnungsbreite eines Muldenabschnitts 36a des Schutzfilms 36, der in Abhängigkeit des Abstands zwischen den Erfassungselektroden 33a und 33b erzeugt wird, klein wird. 10A zeigt eine Querschnittsstruktur, die durch ein SEM erhalten wird, wenn der Elektrodenabstand dm 1,5 μm beträgt. Wenn die Öffnungsbreite des Muldenabschnitts 36a klein ist, wird das von dem luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 (vom luftfeuchtigkeitsempfindlichen Erfassungsfilm 35a), der sich im Muldenabschnitt 36a befindet, absorbierte Wasser weniger wahrscheinlich verdunsten. Folglich entsteht, wie in 11 gezeigt, eine Differenz in der Kapazitätsänderung bezüglich der relativen Luftfeuchtigkeit zwischen dem Fall, dass die relative Luftfeuchtigkeit zunimmt, und dem Fall, dass die relative Luftfeuchtigkeit abnimmt, d. h. es wird eine Hysterese erzeugt. Es wird angemerkt, dass die 11 einen Fall zeigt, in dem der Elektrodenabstand dm 1,5 μm beträgt. Der Betrag der Hysterese, der durch einen gestrichelten Pfeil in der 11 gezeigt ist, ist, wie in 12 gezeigt, äquivalent zu einer Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit von 20%.
Wenn der Elektrodenabstand dm, wie in 12 gezeigt, kleiner oder gleich 1,0 μm ist, ist der Betrag der Hysterese äquivalent zu einer Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit von 43%.
Demgegenüber wird, wie in 10B gezeigt, wenn der Elektrodenabstand dm groß ist, die Öffnungsbreite des Muldenabschnitts 36a des Schutzfilms 36, der in Abhängigkeit des Abstands zwischen den Erfassungselektroden 33a und 33b erzeugt wird, groß. 10B zeigt eine Querschnittsstruktur, die durch das SEM erhalten wird, wenn der Elektrodenabstand dm 3,0 μm beträgt. Wenn die Öffnungsbreite des Muldenabschnitts 36a groß ist, wird das Wasser, das vom luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 (vom luftfeuchtigkeitsempfindlichen Erfassungsfilm 35a) absorbiert wird, der sich in dem Muldenabschnitt 36a befindet, wahrscheinlich derart verdunsten, so dass die Hysterese reduziert werden kann. Wenn der Elektrodenabstand dm 3,0 μm beträgt, ist der Betrag der Hysterese, wie in 12 gezeigt, äquivalent zu einer Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit von 9%. Obgleich die obige Beschreibung den Elektrodenabstand dm betrifft, gilt das Gleiche für den Elektrodenabstand dr.
Gemäß der Ausführungsform ist sowohl der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 als auch der Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 nicht kleiner als die Summe der Dicke des Schutzfilms 36 und der Dicke der Elektroden 33a, 33b, 34a und 34b. Gemäß der Ausführungsform weisen, wie in den Parametern der Simulation gezeigt, die Paare von Elektroden die Dicke von 0,7 μm ± 0,07 μm auf und weist der Schutzfilm 36 die Dicke von 1,6 μm ± 0,16 μm auf. Die Elektrodenabstände dm und dr werden derart bestimmt, dass die Elektrodenabstände dm und dr nicht kleiner als 3 μm sein können (Strichpunktlinie in der 8), wobei die Berechnung derart erfolgt, dass ein Spielraum von 2,57 μm entsprechend dem Höchstwert der Summe der Dicken hinzugefügt wird. Bei solch einem Ansatz kann, wie in 10B gezeigt, die Öffnungsbreite des Muldenabschnitts 36a des Schutzfilms 36, der in Abhängigkeit des Abstands zwischen den Elektroden erzeugt wird, groß genug sein, um es dem Wasser, das vom luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 (35a, 35b) absorbiert wird, der sich im Muldenabschnitt 36a befindet, zu ermöglichen, zu verdunsten. Folglich kann die Hysterese reduziert werden.
Ferner weisen, gemäß der Ausführungsform, die Erfassungselektroden 33a und 33b eine Kammform auf und weisen die Referenzelektroden 34a und 34b eine Kammform auf. Bei solch einem Ansatz wird sowohl der Überlappungsbereich des Paares der Erfassungselektroden 33a und 33b als auch der Überlappungsbereich des Paares der Referenzelektroden 34a und 34b vergrößert. Folglich kann die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 erhöht werden, während die Zunahme in der Größe reduziert werden kann.
Ferner sind, gemäß der Ausführungsform, der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm 35a und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm 35b einteilig als ein einziger luftfeuchtigkeitsempfindlicher Film 35 gebildet. Folglich kann die Struktur vereinfacht werden. Darüber hinaus wird der Kontaktbereich zwischen dem luftfeuchtigkeitsempfindlichen Film 35 und dem Substrat 20 vergrößert. Folglich wird der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film weniger wahrscheinlich abgelöst, verglichen mit dem Fall, dass der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm 35a und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm 35b einzelne Teile sind. Insbesondere kann das Ablösen während eines Vereinzelungsprozesses reduziert werden.
(Modifikation)
In der Ausführungsform unterscheidet sich der Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 von dem vorbestimmten Wert, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht. Vorzugsweise kann der Elektrodenabstand dm jedoch gleich dem vorbestimmten Wert (8 μm in der 8) sein, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht. Bei solch einem Ansatz wird das Verhältnis der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 derart maximiert, dass die Differenz im Verhältnis zwischen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 und der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 weiter erhöht werden kann. Folglich kann die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 weiter erhöht werden.
In gleicher Weise ist der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 nicht auf 4,5 μm beschränkt. Der Elektrodenabstand dr kann beispielsweise nicht größer als die Hälfte des vorbestimmten Wertes sein, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht. Bei solch einem Ansatz wird das Verhältnis der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 weiter verringert (nimmt einen Wert sehr viel näher zu 1 an), so dass die Empfindlichkeit erhöht werden kann. Im Beispiel der 8 kann der Elektrodenabstand dr nicht größer als 4 μm sein. Die Differenz im Verhältnis zwischen der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 und der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 kann weiter erhöht werden, indem der Elektrodenabstand dr so gering wie möglich ausgelegt wird, und zwar innerhalb eines Bereichs, in dem die Hysterese reduziert wird. Folglich kann die Empfindlichkeit des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 weiter erhöht werden. Die Empfindlichkeit kann beispielsweise weiter erhöht werden, indem der Elektrodenabstand dr von 4,5 μm auf 3 μm reduziert wird.
Obgleich die vorliegende Erfindung in Verbindung mit ihren Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte wahrgenommen werden, dass sie nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist. Die vorliegende Erfindung soll verschiedene Modifikationen und äquivalente Anordnungen innerhalb ihres Schutzumfangs mit umfassen.
Die Anzahl der Erfassungselektroden 33a und 33b ist nicht auf die Ausführungsform beschränkt. Es ist einzig erforderlich, dass wenigstens eine Erfassungselektrode 33a und wenigstens eine Erfassungselektrode 33b paarweise angeordnet sind. In gleicher Weise ist es einzig erforderlich, dass wenigstens eine Referenzelektrode 34a und wenigstens eine Referenzelektrode 34b paarweise angeordnet sind.
Es ist einzig erforderlich, dass der Elektrodenabstand dr der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 kleiner als der Elektrodenabstand dm der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 und der vorbestimmte Wert, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht, eingestellt wird, und dass die Elektrodenabstände dm und dr derart eingestellt werden, dass das Kapazitätsverhältnis C2/C1 der kapazitiven Erfassungsvorrichtung 31 größer als dasjenige der kapazitiven Referenzvorrichtung 32 ist. Folglich kann der Elektrodenabstand dm, nicht wie in der Ausführungsform, größer als der vorbestimmte Wert eingestellt werden, bei dem das Kapazitätsverhältnis C2/C1 seinen Spitzenwert erreicht. Ferner können die Elektrodenabstände dm und dr unter 3 μm liegen. Darüber hinaus ist jeder der Elektrodenabstände dm und dr nicht kleiner als die Summe der Dicke des Schutzfilms 36 und der Dicke der Elektroden 33a, 33b, 34a und 34b.
Gemäß der Ausführungsform weist das Substrat 20 des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 die Diffusionsschicht 21, die Leitung 37d und die Kontaktstelle 40d, die elektrisch mit der Diffusionsschicht 21 verbunden ist, auf. Es ist jedoch nicht stets erforderlich, dass das Substrat 20 diese Strukturen aufweist.
Gemäß der Ausführungsform ist der Schaltungschip 113 als ein vom kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensor 10 getrennter Chip konfiguriert. Alternativ kann eine Verarbeitungsschaltung des Schaltungschips 113 in das Substrat 20 des kapazitiven Luftfeuchtigkeitssensors 10 als ein Ein-Chip integriert sein.
Gemäß der Ausführungsform sind der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm 35a und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm 35b einteilig als ein einziger luftfeuchtigkeitsempfindlicher Film 35 gebildet. Alternativ können der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm 35a und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm 35b separate Filme sein.
Gemäß der Ausführungsform ist der Schutzfilm 36 auf den Elektroden 33a, 33b, 34a und 34b angeordnet und ist der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 (35a, 35b) auf dem Schutzfilm 36 angeordnet. Alternativ kann der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 (35a, 35b) ohne den Schutzfilm 36 direkt auf den Elektroden 33a, 33b, 34a und 34b angeordnet sein.
Gemäß der Ausführungsform ist der Sperrabschnitt 50 aus dem gleichen Material wie der luftfeuchtigkeitsempfindliche Film 35 aufgebaut. Die Struktur des Sperrabschnitts 50 ist jedoch nicht auf die Ausführungsform beschränkt. Der Sperrabschnitt 50 ist ferner nicht immer erforderlich.

Claims

Kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor mit: – einem Substrat (20); – einer kapazitiven Erfassungsvorrichtung (31), die im Substrat (20) gebildet ist und eine Kapazität aufweist, die sich in einem ersten Verhältnis bezüglich einer Änderung in der Umgebungsluftfeuchtigkeit ändert; und – einer kapazitiven Referenzvorrichtung (32), die im Substrat (20) gebildet ist und eine Kapazität aufweist, die sich in einem zweiten Verhältnis, das kleiner als das erste Verhältnis ist, bezüglich der Änderung in der Umgebungsluftfeuchtigkeit ändert, wobei – die kapazitive Erfassungsvorrichtung (31) ein Paar von Erfassungselektroden (33a, 33b) und einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Erfassungsfilm (35a) aufweist, – sich die Erfassungselektroden (33a, 33b) auf einer vorbestimmten Befestigungsoberfläche (20a) des Substrats (20) gegenüberliegen und einen ersten Abstand (dm) voneinander beabstandet sind, – der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm (35a) die Erfassungselektroden (33a, 33b) bedeckt und eine relative Permittivität aufweist, die sich mit einer Wasseraufnahme ändert, – die kapazitive Referenzvorrichtung (32) ein Paar von Referenzelektroden (34a, 34b) und einen luftfeuchtigkeitsempfindlichen Referenzfilm (35b) aufweist, – sich die Referenzelektroden (34a, 34b) auf der Befestigungsoberfläche (20a) des Substrats (20) gegenüberliegen und einen zweiten Abstand (dr) voneinander beabstandet sind, – der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm (35b) die Referenzelektroden (34a, 34b) bedeckt und eine relative Permittivität aufweist, die sich mit einer Wasseraufnahme ändert, – der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm (35a) und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm (35b) aus dem gleichen Material aufgebaut sind und die gleiche Dicke aufweisen, – die Erfassungselektroden (33a, 33b) und die Referenzelektroden (34a, 34b) aus dem gleichen Material aufgebaut sind und die gleiche Breite und Dicke aufweisen, – das erste Verhältnis ein Verhältnis der Kapazität (C2) der kapazitiven Erfassungsvorrichtung (31) bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100% zur Kapazität (C2) der kapazitiven Erfassungsvorrichtung (31) bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 0% beschreibt, – das zweite Verhältnis ein Verhältnis der Kapazität (C2) der kapazitiven Referenzvorrichtung (32) bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 100% zur Kapazität (C2) der kapazitiven Referenzvorrichtung (32) bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 0% beschreibt, – das erste Verhältnis seinen Spitzenwert erreicht, wenn der erste Abstand (dm) gleich einem vorbestimmten Wert ist, – das zweite Verhältnis seinen Spitzenwert erreicht, wenn der zweite Abstand (dr) gleich dem vorbestimmten Wert ist, und – der zweite Abstand (dr) kleiner als der erste Abstand (dm) und der vorbestimmte Wert ist.
Kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (dm) nicht größer als der vorbestimmte Wert ist.
Kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (dm) gleich dem vorbestimmten Wert ist.
Kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner einen Schutzfilm (36) aufweist, der jede Elektrode (33a, 33b, 34a, 34b) bedeckt, um jede Elektrode vor einer Korrosion aufgrund von Wasser zu schützen, wobei der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm (35a) und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm (35b) auf dem Schutzfilm (36) gebildet sind.
Kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste Abstand (dm) nicht kleiner als die Summe der Dicke des Schutzfilms (36) und der Dicke der Erfassungselektroden (33a, 33b) ist; und – der zweite Abstand (dr) nicht kleiner als die Summe der Dicke des Schutzfilms (36) und der Dicke der Referenzelektroden (34a, 34b) ist.
Kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede der Erfassungselektroden (33a, 33b) und der Referenzelektroden (34a, 34b) eine Kammform aufweist.
Kapazitiver Luftfeuchtigkeitssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der luftfeuchtigkeitsempfindliche Erfassungsfilm (35a) und der luftfeuchtigkeitsempfindliche Referenzfilm (35b) einteilig als ein einziger luftfeuchtigkeitsempfindlicher Film (35) ausgebildet sind.