JP2001194332A - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 半導体ＩＣの表面を移動する過度的な電荷を
検出する方式により、高感度で、通常のＣＭＯＳプロセ
スで製造可能な、安価、小型の湿度センサ提供するこ
と。 【解決手段】 一方の極板の電位がフロートである容量
部と、前記容量部のフロート電位側の極板に接続してあ
り前記容量の電荷を基準値に戻すリセットスイッチと、
前記容量部の近傍に配置されて前記容量部とは独立した
電位をもつ電位部からなり、前記電位部を第1の電位か
ら第２の電位に変化させたときに、前記電位部から前記
容量部に過度的に移動する電荷を前記容量部に蓄積して
出力する回路構成とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、湿度センサに関
するもので、エアコン、冷蔵庫などに応用される。

【０００２】

【従来の技術】従来の湿度センサには、２枚の電極間に
吸湿性誘電体をいれて、湿度による誘電率変化を容量で
検出する方式、金属酸化物半導体のガス吸着による抵抗
値変化により検出する方式、ヒータの放熱度合いの変化
を測温抵抗で検出する方式、湿度により変化する定常的
な表面電流を検出する方式などがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
の方式の湿度センサは、いずれも半導体ＣＭＯＳプロセ
スとのコンパチビリティが良くない。このため、半導体
化が困難で、安価で、小型の湿度センサができない。ま
た、ＣＭＯＳプロセスで製造可能な、定常的な表面電流
を検出する方式のセンサの場合、表面電流自体が非常に
小さいため、感度が低い問題がある。

【０００４】本発明は、半導体ＩＣの表面を移動する過
度的な電荷を検出する方式により、高感度で、通常のＣ
ＭＯＳプロセスで製造可能な、安価、小型の湿度センサ
提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の湿度センサは、
一方の極板の電位がフロートである容量部と、前記容量
部のフロート電位側の極板に接続してあり前記容量の電
荷を基準値に戻すリセットスイッチと、前記容量部の近
傍に配置されて前記容量部とは独立した電位をもつ電位
部からなり、前記電位部を第１の電位から第２の電位に
変化させたときに、前記電位部から前記容量部に過度的
に移動する電荷を前記容量部に蓄積して出力することを
特徴とする。本発明の湿度センサの表面雰囲気湿度が変
化すると、湿度センサ表面状態が変わり、前記電位部か
ら前記容量部にセンサ表面を経由して過度的に移動する
電荷の量、時定数が変化する。

【０００６】このため、一定時間内に前記容量部に蓄積
される電荷量が変わる。この電荷をＣＭＯＳ増幅器で増
幅して出力すれば、湿度センサ表面雰囲気の湿度に応じ
た出力が得られる。また、本発明のセンサは、前記容量
部の近傍にある電位部からの過度的な移動電荷を検出す
る方式のため、従来の定常電流を検出する方式に比べ
て、極めて高い検出感度を得ることができる。

【０００７】検出方法としては、前記電位部の電位を変
化させた直後の突入電荷量を検出する方式でもよいが、
過度的な移動電荷量の時定数を検出してもよい。時定数
を検出する場合は、前記電位部を変化させた後、任意の
時間だけ前記容量部に過度的に移動する電荷蓄積して出
力し、その後、前記容量部を基準値にリセットした後、
再び任意の時間だけ前記容量部に過度的に移動する電荷
蓄積して出力する動作を繰返すことで得ることができ
る。

【０００８】また、前記電位部を変化させた直後の一定
時間に蓄積した電荷と、ある時間経過後の一定時間に蓄
積した電荷を比較する方式でもよい。また、周囲温度の
影響、電源電圧変動の影響を抑制するため、前記容量部
を基準電荷にリセットした時の電荷と、前記電位部の電
位変化による過度的な電荷との差を出力する方式にして
もよい。

【０００９】本発明の湿度センサにおいて、前記容量
部、前記電位部は、ＭＯＳ容量、金属配線などで容易に
形成できるため、通常のＣＭＯＳプロセスで製造するこ
とが可能である。また、前記容量部の容量値は小さいほ
ど、検出感度が高くなる。このため、前記容量部は、前
記容量部が前記容量部に蓄積した電荷を増幅するＣＭＯ
Ｓ増幅器の入力容量とリセットスイッチまでの配線容量
からなる寄生容量を使ってもよい。

【００１０】本方式のセンサは、センサ表面を移動する
電荷を捕らえるが、移動する電荷はセンサ表面の絶対湿
度に依存して変化する。このため、本センサに温度検出
手段を搭載することで、相対湿度を出力することができ
る。温度検出手段としては、ＰＮ接合を使う方式、測温
抵抗を使う方式、サーモパイルを使う方式などがある
が、どれでもよい。このとき、センサに演算機能を搭載
すれば、絶対湿度と温度から容易に相対湿度を得ること
ができる。温度検出手段を搭載した場合は、雰囲気情報
として、湿度だけでなく温度も出力してよい。

【００１１】また、メモリ機能を搭載して、湿度、温度
出力を一定時間ごとに記録していけば、湿度、温度履歴
を出力できるセンサにできる。また、メモリの一部をセ
ンサのトリミングに使い、高精度なセンサとしてもよ
い。これまでは、過度的な電荷の変化を、容量部近傍の
電位部の電位変化によるセンサとして説明してきたが、
電位部の電位は一定にしておき、容量部の電位を第１の
電位から第２の電位に変化させ、その後、容量部の電荷
を一度リセットした後に、過度的な電荷を蓄積する方式
でも、同様の効果が得られる。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の実施例を以下に示す。図
１に本発明のセンサのブロック図を示す。また、図３に
配線３、４部の断面図を示す。電荷を蓄積する容量部１
は、蓄積した電荷を増幅する増幅器１３の入力容量と、
増幅器１とリセットスイッチ ２の間の配線３の寄生容
量からなる。配線３は、リセットスイッチ ２を介して
基準電圧１につながっている。配線３の近傍には、配線
４が設置してある。配線４はスイッチ ５、６を介し
て、基準電圧１、２につながっている。配線３、４はア
ルミで形成して、間隔は３μmで、長さ１００umとし
た。アルミの上層には、保護膜として窒化シリコン膜を
形成した。増幅器１３の出力は、出力スイッチ７を介し
て増幅器１４（出力アンプ）につながっている。

【００１３】センサの動作は図４のタイミングチャート
にそって説明する。通常スタンバイ時は、リセットスイ
ッチ ２、スイッチ ５を閉じておき、配線３、配線４の
電位を基準電位１としておく。センサを動作させるとき
は、スイッチ ５を開き、スイッチ ６を閉じて配線４の
電位を基準電位２とする。このとき、配線３と配線４の
電位差が零から瞬時に基準電位１と基準電位２の差に変
化して、配線４から配線３に過度的な電荷の移動がはじ
まる。同時にリセットスイッチ ２を開き、容量部１を
フロート状態にして、配線４から移動した電荷を蓄積す
る。この間に、配線４から配線３に移動した電荷量Qと
容量部１の容量Cに応じて増幅器１３の出力はQ/Cだけ増
加する。また、蓄積をしている間は出力スイッチ７は開
いておく。

【００１４】一定の蓄積時間（数msec〜数十msec）で電
荷蓄積した後、スイッチ７を閉じて増幅器１４で増幅し
た出力を得る。 この後、リセットスイッチ ２を閉じ
て、容量部１を基準電位にリセットする。時定数を検出
するときには、再度、 スイッチ２、７を開き、容量部
１の蓄積動作に入り、前述同様の動作で信号を出力を繰
り返す。

【００１５】図５に本発明のセンサの出力を示す。この
場合は、基準電位１を５００mV、基準電位２を３Vとし
て、蓄積時間２０msecとして、時定数を検出した場合の
出力である。図２には、図１の系においてのリセット時
の増幅器１３の出力電圧との差を出力することで、ノイ
ズ等の影響をキャンセルできる回路構成の一例を示す。
動作は、おおむね図１の場合と同じである。以下に説明
を示す。

【００１６】電荷を蓄積する容量部１は、蓄積した電荷
を増幅する増幅器１３の入力容量と、増幅器１とリセッ
トスイッチ ２の間の配線３の寄生容量からなる。配線
３は、リセットスイッチ ２を介して基準電圧１につな
がっている。配線３の近傍には、配線４が設置してあ
る。配線４はスイッチ ５、６を介して、基準電圧１、
２につながっている。配線３、４はアルミで形成して、
間隔は３μmで、長さ１００umとした。アルミの上層に
は、保護膜として窒化シリコン膜を形成した。増幅器１
３の出力は、スイッチ ７、８を介して容量９、１０に
つながり、さらにスイッチ １１、１２を介して差動増
幅器１４の入力につながっている。

【００１７】通常スタンバイ時は、リセットスイッチ
２、スイッチ ５を閉じておき、配線３、配線４の電位
を基準電位１としておく。また、スイッチ７、８、１
１、１２も閉じておき、容量９、１０もリセットしてお
く。このとき、容量１０には基準電位１に応じた基準出
力が入る。センサを動作させるときは、スイッチ ５を
開き、スイッチ ６を閉じて配線４の電位を基準電位２
とする。このとき、配線３と配線４の電位差が零から瞬
時に基準電位１と基準電位２の差に変化して、配線４か
ら配線３に過度的な電荷の移動がはじまる。同時に、ス
イッチ ７、８、１１、１２およびリセットスイッチ ２
を開き、容量部１をフロート状態にして、配線４から移
動した電荷を蓄積する。

【００１８】一定の蓄積時間（数msec〜数十msec）で電
荷蓄積した後、スイッチ７を閉じて、容量部１に蓄積し
た電荷を増幅器１３で増幅した信号出力を容量９に入
れ、再びスイッチ７を開く。次に、スイッチ１１、１２
を閉じて、容量９、１０に入っていた信号出力と基準出
力を差動増幅器１４で１０倍に増幅して出力として取出
す。この後、リセットスイッチ ２、スイッチ ７、８、
１１、１２を閉じて、容量部１及び 容量９、１０を基
準電位にリセットする。時定数を検出するときには、再
度、 スイッチ ７、８、１１、１２およびリセットスイ
ッチ ２を開き、容量部１の蓄積動作にはいり、前述同
様の動作で信号を出力を繰り返すことでできる。

【００１９】また、上記２つの実施例では、配線４をア
ルミで形成したが、シリコンの拡散で形成してもよい。
センサＩＣのパッケージは、図６のような通気穴をもつ
ものであれば良い。ＩＣ保護は、通気性のある樹脂を塗
布しても良いが、図６のように感湿度部に穴加工したガ
ラスでカバーしても良い。

【００２０】

【発明の効果】本発明の構成とすることで、高感度で、
通常のＣＭＯＳプロセスで製造可能な、安価、小型の湿
度センサ提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は本発明の実施例の湿度センサブロック図
である。

【図２】図２は本発明の他の実施例の湿度センサブロッ
ク図である。

【図３】図３は本発明の湿度センサの断面図である。

【図４】図４は本発明の湿度センサのタイミングチャー
トである。

【図５】図５は本発明の湿度センサの出力図である。

【図６】図６は本発明の湿度センサのパッケージの断面
図である。

【符号の説明】

１ 容量部 ２ リセットスイッチ ３、４ 配線 ５、６、７、８、１１、１２ スイッチ ９、１０ 容量 １３、１４ 増幅器

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一方の極板の電位がフロートである容量
   部と、 前記容量部のフロート電位側の極板に接続してあり前記
   容量の電荷を基準値に戻すリセットスイッチと、 前記容量部の近傍に配置されて前記容量部とは独立した
   電位をもつ電位部からなり、 前記電位部を第１の電位から第２の電位に変化させたと
   きに、前記電位部から前記容量部に過度的に移動する電
   荷を前記容量部に蓄積して出力することを特徴とする湿
   度センサ。
2. 【請求項２】 前記第１の電位が前記容量の電荷を基準
   値に戻すための基準電位と同じ電位であることを特徴と
   する請求項１記載の湿度センサ。
3. 【請求項３】 前記電位部から前記容量部に過度的に移
   動する電荷を前記容量部に蓄積したときの電荷と、前記
   容量部を基準値にリセットしたときの電荷の差を出力す
   ることを特徴とする請求項１もしくは請求項２記載の湿
   度センサ。
4. 【請求項４】 前記電位部を第１の電位から第２の電位
   に変化させた後、任意の時間だけ前記容量部に過度的に
   移動する電荷蓄積して出力し、その後、前記容量部を基
   準値にリセットした後、再び任意の時間だけ前記容量部
   に過度的に移動する電荷蓄積して出力する動作を繰返す
   ことを特徴とする請求項１〜３の湿度センサ。
5. 【請求項５】 前記容量部が前記容量部に蓄積した電荷
   を増幅するＣＭＯＳ増幅器の入力容量とリセットスイッ
   チまでの配線容量からなることを特徴とする請求項１〜
   ４記載の湿度センサ。
6. 【請求項６】 温度を検出する手段を有することを特徴
   とする請求項１〜５記載の湿度センサ。
7. 【請求項７】 温度を検出する手段と演算機能を搭載し
   て、相対湿度を演算して出力することを特徴とする請求
   項１〜６記載の湿度センサ。
8. 【請求項８】 温度を検出する手段と演算機能とメモリ
   機能を搭載して、湿度と温度を演算して出力することに
   加えて、メモリに記録して、任意に記録を読み出すこと
   のできる機能を有することを特徴とする請求項１〜７記
   載の湿度センサ。