JP2004504598A - 絶対湿度センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】センサの感度を向上させ、応答時間の早い絶対湿度センサを提供すると共に、小型化が可能であり、工程が簡単であって大量生産が容易な絶対湿度センサを提供する。
【解決手段】ホールを有する基板と、その基板上に形成される薄膜と、薄膜上に形成される抵抗体薄膜と、薄膜上に形成され、抵抗体薄膜と電気的に連結される電極パッドと、抵抗体薄膜を覆うように抵抗体薄膜の全面に形成される保護膜とから構成する。
【選択図】図２
【解決手段】ホールを有する基板と、その基板上に形成される薄膜と、薄膜上に形成される抵抗体薄膜と、薄膜上に形成され、抵抗体薄膜と電気的に連結される電極パッドと、抵抗体薄膜を覆うように抵抗体薄膜の全面に形成される保護膜とから構成する。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は絶対湿度センサ、詳細には電子レンジ用絶対湿度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
湿度センサは温度計から電子レンジの調理用湿度センサに至るまでその使用用途が非常に多様である。
現在まで使用されている湿度センサの種類は、ポリイミドのような有機物の吸収による誘電率の変化を用いた容量型の湿度センサと、ＭｇＣｒ２Ｏ４のような半導体セラミックの抵抗変化を用いた相対湿度センサと、そして、セラミックサーミスタを用いた絶対湿度センサなどがある。
【０００３】
電子レンジの調理用湿度センサとしては、二つのサーミスタを用いた絶対湿度センサが通常用いられている。
絶対湿度センサは周囲の温度変化に影響を受けないので、安定して湿度を検出することができるという長所がある。
電子レンジにおいて絶対湿度センサの感湿原理は、飲食物の処理時、飲食物から発生した水蒸気がサーミスタの熱を奪うことによるサーミスタの温度が変化することによる抵抗変化を用いている。
【０００４】
図１は従来の絶対湿度センサの構造を示す図面である。このセンサは、ガラス膜のような保護膜で覆われた二つのセラミックサーミスタ１，２が、白金のような貴金属導線３によって支持ピン４に連結され、空中に浮かんでいるような構造とされている。外側は二つのサーミスタを隔離させる金属シールドケース５によりパッケージされている。
【０００５】
サーミスタ１を収納している金属シールドケース５に微細なホールがあり、外部の水蒸気がサーミスタ１の表面に接触できるようになっている一方、他のサーミスタ２は金属シールドケース５によってドライＮ２ で密閉され、水蒸気が接触できないようになっている。すなわちサーミスタ１がセンシングエレメントで、サーミスタ２が参照エレメントである。
【０００６】
従って、二つのサーミスタ１，２と外部抵抗でブリッジ回路を構成すると、飲食物の調理による水蒸気の発生時、その発生した水蒸気が露出されたサーミスタ１の熱を奪うことにより、露出した一つのサーミスタ１でのみ抵抗変化が発生し、バイアス電圧による出力変化が発生して、湿度を感知する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の絶対湿度センサは素子としてセラミックサーミスタを使用するため、熱容量が大きくて感度が低く、応答時間が遅く、センサのサイズが大きくなるという短所がある。
【０００８】
また、サーミスタ素子を図１のように導線３と支持ピン４を用いて空中に浮かべ、前記貴金属導線３とピン４をスポット溶接し、組み立て時にも参照エレメント２をドライＮ２ で密閉しなければならないので、その製造工程が複雑で工程数が増加し、コストが高くなるとともに大量生産に不利という短所がある。
【０００９】
本発明の目的は、センサの感度を向上させ、応答時間の早い絶対湿度センサを提供することである。
本発明の他の目的は、小型化が可能であり、工程が簡単であって大量生産が容易な絶対湿度センサを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による絶対湿度センサは、キャビティを有する基板と、その基板上に形成される薄膜と、薄膜上に形成される抵抗体薄膜と、薄膜上に形成され、抵抗体薄膜と電気的に連結される電極パッドと、抵抗体薄膜を覆うように抵抗体薄膜の全面に形成される保護膜とから構成されている。
【００１１】
薄膜はＳｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の中何れか一つからなり、抵抗体薄膜はＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２の中何れか一つからなり、保護膜はＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｅｒ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ），ポリイミドの中何れか一つから形成される。
【００１２】
そして、抵抗体薄膜が形成された領域の保護膜上には熱伝導膜を形成することもできる。この際、熱伝導膜はＡｌ，Ａｕの中何れか一つからなる。
【００１３】
更に好ましい実施態様として、本発明による絶対湿度センサは、所定領域に第１，第２ホールが形成された基板と、基板上に形成される薄膜と、第１キャビティが形成された薄膜上に形成され、大気中に露出された水分を感知し、その感知した水分量によって抵抗値が変わる感湿素子と、第２キャビティが形成された薄膜上に形成され、感湿素子の抵抗値を補償する補償素子とから構成される。
【００１４】
ここで、感湿素子及び補償素子は、薄膜上に形成される抵抗体薄膜と、薄膜上に形成され、抵抗体薄膜と電気的に連結される電極パッドと、抵抗体薄膜を覆うように抵抗体薄膜の全面に形成される保護膜とから構成されている。
【００１５】
そして、抵抗体薄膜が形成された領域の保護膜上に、Ａｌ，Ａｕの中何れか一つからなる熱伝導膜が更に形成されることもできる。
【００１６】
また、感湿素子及び補償素子の全面を覆うように感湿素子及び補償素子の上側に形成され、感湿素子と補償素子とを分離及び密封させるキャップを更に形成する。
【００１７】
そのキャップの中央領域には感湿素子と補償素子とが分離及び密封されるように遮断膜が形成され、感湿素子が形成された領域のキャップには外部の水分が出入りするホールが形成され、キャップはシリコンからなる。
【００１８】
また、本発明による絶対湿度センサのパッケージは、センサの基板下部と接合して、外部との電気的な連結のためのピンが形成されたステムと、感湿素子及び補償素子の電極パッドとステムのピンとを電気的に連結させるワイヤと、感湿素子及び補償素子を含む前記ステムの全面を覆うようにステムの上部に形成される金属シールドケースとを更に含むことを特徴とする。
【００１９】
ここで、感湿素子が形成された領域のステム又はシールドケースには、外部の水分が出入りするホールが形成される。
【００２０】
このように構成される本発明は、抵抗体薄膜を使用して湿度に対する感度が向上した絶対湿度センサを製作すると共に、シリコンマイクロマシニング技術を用いて一つのチップにセンサを集積化することにより、センサの大量生産を容易にする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
図２は本発明の第１実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
図２に示すように、シリコン基板１１上に低応力Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２ などからなる薄膜１２を形成し、その薄膜１２上に温度抵抗係数（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＴＣＲ）を有する抵抗体を堆積させ、パターニングして抵抗体薄膜１３を形成する。
ここで、抵抗体薄膜１３はＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２などからなる。
【００２３】
次いで、温度抵抗係数を有する抵抗体薄膜１３上に金属膜を堆積させ、パターニングして抵抗体薄膜１３に接触するように電極パッド１４を形成する。
【００２４】
そして、抵抗体薄膜１３の全面を覆うように、抵抗体薄膜１３上に絶縁膜１５を形成する。
絶縁膜１５は絶縁特性に優れたＳｉＯ２ ，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ，ポリイミドなどからなる。
【００２５】
次に、絶縁膜１５上にＡｌ，Ａｕのような金属膜を堆積し、パターニングして抵抗体薄膜１３と整列するように熱伝導膜１６を形成する。
ここで、熱伝導膜１６は抵抗体薄膜１３の熱を迅速に外部に放出するためのもので、場合に応じて形成しないこともある。
【００２６】
最後に、基板１１の背面をエッチングしてキャビティを形成させ、抵抗体薄膜１３が形成された領域の薄膜１２を露出させる。
【００２７】
このように製作した薄膜型絶対湿度センサは、周囲の湿度変化に影響を受けない補償素子と、周囲の湿度変化を感知する感湿素子とが必要である。
【００２８】
図３は本発明の第１実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の断面図である。
図３に示すように、感湿素子としての絶対湿度センサ２１と補償素子としての絶対湿度センサ２２をステム２３に取り付け、ステム２３に形成されたピン２４と、本絶対湿度センサ２１，２２に形成された電極パッドとを外部との電気的な連結のためにそれぞれワイヤで連結する。
【００２９】
次いで、絶対湿度センサ２１，２２を含むステム２３の全面を覆うようにステム２３に金属シールドケース２５を密封して接合する。
ここで、金属シールドケース２５の中央領域には遮断膜２５ａが形成されており、感湿素子用絶対湿度センサ２１と補償素子用絶対湿度センサ２２とを互いに隔離して封じ込んでいる。
【００３０】
そして、感湿素子用絶対湿度センサ２１が設けられた金属シールドケース２５の領域にはホールを形成して、外部の水分が出入りできるようにし、補償素子用絶対湿度センサ２２が配置された領域にはドライＮ２ ガスを満たして外部の水分に影響を受けないようにする。
【００３１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は感湿素子用絶対湿度センサと補償素子用絶対湿度センサとを一つのチップ上に集積化させ、大量生産が可能であるようにした。
【００３２】
図４は本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
図４に示すように、シリコン基板３１上に低応力Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２ などからなる薄膜３２を形成し、薄膜３２上に温度抵抗係数（ＴＣＲ）を有する抵抗体を堆積させ、パターニングして感湿素子用抵抗体薄膜３３ａと補償素子用抵抗体薄膜３３ｂとを形成する。
ここで、抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂはＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２などからなる。
【００３３】
次いで、温度抵抗係数を有する抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂ上に金属膜を堆積させ、パターニングして抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂに接触するように電極パッド３４を形成する。
【００３４】
そして、抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂの全面を覆うように、抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂ上にそれぞれ絶縁膜３５を形成する。
この絶縁膜３５は絶縁特性に優れたＳｉＯ２ ，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ，ポリイミドなどからなる。
【００３５】
また、場合によっては絶縁膜３５上に抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂと整列するようにＡｌ，Ａｕなどからなる熱伝導膜を形成することもできる。
【００３６】
最後に、基板３１の背面をエッチングしてキャビティを形成させ、抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂが形成された領域に薄膜３２を露出させる。
【００３７】
このように製作した薄膜型絶対湿度センサは、周囲の湿度変化に影響を受けない補償素子と、周囲の湿度変化を感知する感湿素子とが一つの基板上に同時に形成されるので、大量生産に有利である。
【００３８】
図５は本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の断面図であり、図６ａ及び図６ｂは本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の斜視図である。
【００３９】
図５，図６ａ，図６ｂに示すように、感湿素子４１と補償素子４２が形成された絶対湿度センサをステム４３上に取り付け、外部との電気的連結のために、ステム４３に形成されたピン４４と、感湿及び補償素子４１，４２に形成された電極パッドをそれぞれワイヤで連結する。
【００４０】
次いで、感湿及び補償素子４１，４２を含むステム４３全面を覆うように、ステム４３の上部に金属シールドケース４５を密封して接合する。
【００４１】
ここで、金属シールドケース４５は第１実施形態の遮断膜２５ａが形成されておらず、感湿素子４１と補償素子４２の上部にはドライＮ２ ガスで満たして外部の水分に影響を受けないようにする。
【００４２】
そして、感湿素子４１が形成された領域のステム４５にのみホールを形成して、外部の水分が薄膜側に出入りできるようにし、補償素子４２が形成された領域では基板３１がステムに密封されるので、水分の影響を受けない。
【００４３】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態の素子は構造的には本発明の第２実施形態と同様である。
しかしながら、本発明の第３実施形態は、第２実施形態のように、外部の水分が下側のステムを介して薄膜の側に入るのではなく、上側に設けたシールドケースとシリコンキャップを介して絶縁膜の側に入ることが特徴である。
【００４４】
図７は本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図であり、図８ａ及び図８ｂは本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の斜視図である。
【００４５】
図７，図８ａ，図８ｂに示すように、シリコン基板５１上に薄膜５２を形成し、薄膜５２上にＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２ などからなる感湿素子用抵抗体薄膜５３ａと補償素子用抵抗体薄膜５３ｂを形成する。
【００４６】
次いで、抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂに接触するように電極パッド５４を形成し、抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂの全面を覆うように、抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂ上に絶縁膜５５を形成する。
【００４７】
このとき、場合によっては、抵抗体薄膜の熱を迅速に外部に放出するために、絶縁膜５５上に抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂと整列するようにＡｌ，Ａｕなどからなる熱伝導膜を形成することもできる。
そして、基板５１の背面をエッチングしてキャビティを形成させ、抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂが形成された領域の薄膜５２を露出させる。
【００４８】
最後に、感湿素子６１及び補償素子６２の全面を覆うように、絶縁膜５５の上部にシリコンキャップ５６を密封して接合する。
ここで、シリコンキャップ５６の中央領域には遮断膜が形成され、感湿素子６１と補償素子６２とを互いに隔離するように密封する。
【００４９】
感湿素子６１が形成された領域のキャップ５６の部分にホールを形成して、外部の水分が出入りできるようにし、補償素子６２が形成された領域にはドライＮ２ ガスで満たして外部の水分に影響を受けないようにする。
【００５０】
このように、本発明の第３実施形態では、感湿素子と補償素子の上をシリコンキャップで覆い、外部の水分が上部から流入するようにすることが特徴である。
本発明の第３実施形態のシリコンキャップは簡単な工程により製作することができる。
【００５１】
図９ａ〜ｃは本発明の第３実施形態による絶対湿度センサのシリコンキャップの製造工程を示す工程断面図である。
まず、図９ａに示すように、シリコン基板７０の両面に第１，第２エッチングマスク膜７１，７２を形成する。
第１，第２エッチングマスク膜７１，７２はＳｉ３Ｎ４，ＣｒＮなどからなる。
【００５２】
次いで、図９ｂに示すように、第１エッチングマスク膜７１の所定の領域を除去してシリコン基板７０を露出させた後、ウェット又はドライエッチング方法で露出されたシリコン基板７０を所定の深さにエッチングする。
【００５３】
そして、図９ｃに示すように、第２エッチングマスク膜７２の所定の領域を除去して、シリコン基板７０を露出させた後、ウェット又はドライエッチング方法で露出されたシリコン基板７０をエッチングして、第１，第２リセス領域を形成する。
その際、シリコン基板７０のエッチングの程度は、図９ｂ段階においてシリコン基板７０のエッチングした下部面に接する地点までである。
【００５４】
このように製作された本発明によるシリコンキャップは、シリコンエッチングによって二つの分離した第１，第２リセスが形成されており、第１リセスの底面には外部の水分が出入りできるようにホールが形成されており、第２リセスの底面には外部の水分が出入りできないようホールが形成されていない。
【００５５】
図１０ａ及び図１０ｂは本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の斜視図である。
図１０ａ及び図１０ｂに示すように、感湿素子６１と補償素子６２が形成された絶対湿度センサをステム６３の上に取り付け、外部との電気的な連結のために、ステム６３に形成されたピン６４と感湿及び補償素子６１，６２に形成された電極パッドとをそれぞれワイヤで連結する。
【００５６】
次いで、シリコンキャップ５６を含むステム６３全面を覆うように、ステム６３の上部に金属シールドケース６５を密封して接合する。
【００５７】
ここで、金属シールドケース６５は第１実施形態の遮断膜６５ａが形成されておらず、外部の水分が出入するホールが形成されている。
【００５８】
即ち、外部の水分は金属シールドケース６５のホール及びシリコンキャップ５６のホールを介して、感湿素子６１が形成された領域に入り込む。
【００５９】
図１１は本発明による薄膜型絶対湿度センサを用いて周囲湿度変化を検出するための応用回路例で、感湿素子６１、補償素子６２、固定抵抗Ｒ１、可変抵抗ＶＲからなるブリッジ回路と、ブリッジ回路に印加される電源Ｖとで簡単に構成することができる。
【００６０】
一例として、本絶対湿度センサと前記回路を用いて、電子レンジにおいて調理時に飲食物から発生した水蒸気による湿度変化を検出する方法を説明する。電子レンジで飲食物を加熱すると水蒸気が発生し、発生した水蒸気はセンサに形成されているホールを介してセンサの内部に入り、感湿素子６１に接触する。
このとき、感湿素子６１の抵抗体はバイアス電源によって自体加熱されているので、感湿素子６１に接触した水蒸気は抵抗体の熱を奪う。
従って、感湿素子６１の抵抗体は熱損失によって温度低下が発生して、抵抗が変化する。
【００６１】
一方、補償素子６２は水蒸気が接触しないので、抵抗変化が発生しない。かかる感湿素子６１の抵抗変化によってブリッジ回路の出力変化が発生するので、湿度の変化を検出することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、センサ周辺の湿度変化を絶対湿度センサと回路から感知しやすくなり、これを用いて、電子レンジのような調理機器で調理時、加熱によって飲食物から発生する水蒸気を検出して、飲食物の自動料理などに応用することができる。
【００６３】
本発明による薄膜型絶対湿度センサは、温度抵抗係数（ＴＣＲ）を有する抵抗体薄膜を形成して、センサの感度を向上させ、応答時間を早くできるというメリットがある
また、本発明はシリコンマイクロマシニング技術を用いて一つのチップにセンサを集積化することにより、製作工程が簡単で、センサの小型化が可能であり、大量生産が容易であって工程コストを節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の断面図である。
【図６ａ】本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す示す構造の斜視図である。
【図６ｂ】本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す示す構造の斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の斜視図である。
【図９】本発明の第３実施形態による絶対湿度センサのシリコンキャップの製造工程を示す工程断面図である。
【図１０ａ】本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の斜視図である。
【図１０ｂ】本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の斜視図である。
【図１１】本発明による薄膜型絶対湿度センサを用いた湿度検出回路図である。
【符号の説明】
１１，３１，５１：シリコン基板
１２，３２，５２：薄膜
１３，３３ａ，３３ｂ，５３ａ，５３ｂ：抵抗体薄膜
１４，３４，５４：電極パッド
１５，３５，５５：絶縁膜
１６：熱伝導膜
２１，４１，６１：感湿素子
２２，４２，６２：補償素子
２３，４３：ステム
２４，４４：ピン
２５，４５：金属シールドケース
２５ａ：遮断膜
５６：シリコンキャップ
７０：シリコン基板
７１：第１エッチングマスク膜
７２：第２エッチングマスク膜
【発明の属する技術分野】
本発明は絶対湿度センサ、詳細には電子レンジ用絶対湿度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
湿度センサは温度計から電子レンジの調理用湿度センサに至るまでその使用用途が非常に多様である。
現在まで使用されている湿度センサの種類は、ポリイミドのような有機物の吸収による誘電率の変化を用いた容量型の湿度センサと、ＭｇＣｒ２Ｏ４のような半導体セラミックの抵抗変化を用いた相対湿度センサと、そして、セラミックサーミスタを用いた絶対湿度センサなどがある。
【０００３】
電子レンジの調理用湿度センサとしては、二つのサーミスタを用いた絶対湿度センサが通常用いられている。
絶対湿度センサは周囲の温度変化に影響を受けないので、安定して湿度を検出することができるという長所がある。
電子レンジにおいて絶対湿度センサの感湿原理は、飲食物の処理時、飲食物から発生した水蒸気がサーミスタの熱を奪うことによるサーミスタの温度が変化することによる抵抗変化を用いている。
【０００４】
図１は従来の絶対湿度センサの構造を示す図面である。このセンサは、ガラス膜のような保護膜で覆われた二つのセラミックサーミスタ１，２が、白金のような貴金属導線３によって支持ピン４に連結され、空中に浮かんでいるような構造とされている。外側は二つのサーミスタを隔離させる金属シールドケース５によりパッケージされている。
【０００５】
サーミスタ１を収納している金属シールドケース５に微細なホールがあり、外部の水蒸気がサーミスタ１の表面に接触できるようになっている一方、他のサーミスタ２は金属シールドケース５によってドライＮ２ で密閉され、水蒸気が接触できないようになっている。すなわちサーミスタ１がセンシングエレメントで、サーミスタ２が参照エレメントである。
【０００６】
従って、二つのサーミスタ１，２と外部抵抗でブリッジ回路を構成すると、飲食物の調理による水蒸気の発生時、その発生した水蒸気が露出されたサーミスタ１の熱を奪うことにより、露出した一つのサーミスタ１でのみ抵抗変化が発生し、バイアス電圧による出力変化が発生して、湿度を感知する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の絶対湿度センサは素子としてセラミックサーミスタを使用するため、熱容量が大きくて感度が低く、応答時間が遅く、センサのサイズが大きくなるという短所がある。
【０００８】
また、サーミスタ素子を図１のように導線３と支持ピン４を用いて空中に浮かべ、前記貴金属導線３とピン４をスポット溶接し、組み立て時にも参照エレメント２をドライＮ２ で密閉しなければならないので、その製造工程が複雑で工程数が増加し、コストが高くなるとともに大量生産に不利という短所がある。
【０００９】
本発明の目的は、センサの感度を向上させ、応答時間の早い絶対湿度センサを提供することである。
本発明の他の目的は、小型化が可能であり、工程が簡単であって大量生産が容易な絶対湿度センサを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明による絶対湿度センサは、キャビティを有する基板と、その基板上に形成される薄膜と、薄膜上に形成される抵抗体薄膜と、薄膜上に形成され、抵抗体薄膜と電気的に連結される電極パッドと、抵抗体薄膜を覆うように抵抗体薄膜の全面に形成される保護膜とから構成されている。
【００１１】
薄膜はＳｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の中何れか一つからなり、抵抗体薄膜はＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２の中何れか一つからなり、保護膜はＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ（ｐｈｏｓｐｈｅｒ ｓｉｌｉｃａｔｅ ｇｌａｓｓ），ポリイミドの中何れか一つから形成される。
【００１２】
そして、抵抗体薄膜が形成された領域の保護膜上には熱伝導膜を形成することもできる。この際、熱伝導膜はＡｌ，Ａｕの中何れか一つからなる。
【００１３】
更に好ましい実施態様として、本発明による絶対湿度センサは、所定領域に第１，第２ホールが形成された基板と、基板上に形成される薄膜と、第１キャビティが形成された薄膜上に形成され、大気中に露出された水分を感知し、その感知した水分量によって抵抗値が変わる感湿素子と、第２キャビティが形成された薄膜上に形成され、感湿素子の抵抗値を補償する補償素子とから構成される。
【００１４】
ここで、感湿素子及び補償素子は、薄膜上に形成される抵抗体薄膜と、薄膜上に形成され、抵抗体薄膜と電気的に連結される電極パッドと、抵抗体薄膜を覆うように抵抗体薄膜の全面に形成される保護膜とから構成されている。
【００１５】
そして、抵抗体薄膜が形成された領域の保護膜上に、Ａｌ，Ａｕの中何れか一つからなる熱伝導膜が更に形成されることもできる。
【００１６】
また、感湿素子及び補償素子の全面を覆うように感湿素子及び補償素子の上側に形成され、感湿素子と補償素子とを分離及び密封させるキャップを更に形成する。
【００１７】
そのキャップの中央領域には感湿素子と補償素子とが分離及び密封されるように遮断膜が形成され、感湿素子が形成された領域のキャップには外部の水分が出入りするホールが形成され、キャップはシリコンからなる。
【００１８】
また、本発明による絶対湿度センサのパッケージは、センサの基板下部と接合して、外部との電気的な連結のためのピンが形成されたステムと、感湿素子及び補償素子の電極パッドとステムのピンとを電気的に連結させるワイヤと、感湿素子及び補償素子を含む前記ステムの全面を覆うようにステムの上部に形成される金属シールドケースとを更に含むことを特徴とする。
【００１９】
ここで、感湿素子が形成された領域のステム又はシールドケースには、外部の水分が出入りするホールが形成される。
【００２０】
このように構成される本発明は、抵抗体薄膜を使用して湿度に対する感度が向上した絶対湿度センサを製作すると共に、シリコンマイクロマシニング技術を用いて一つのチップにセンサを集積化することにより、センサの大量生産を容易にする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００２２】
（第１実施形態）
図２は本発明の第１実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
図２に示すように、シリコン基板１１上に低応力Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２ などからなる薄膜１２を形成し、その薄膜１２上に温度抵抗係数（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｏｆ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ＴＣＲ）を有する抵抗体を堆積させ、パターニングして抵抗体薄膜１３を形成する。
ここで、抵抗体薄膜１３はＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２などからなる。
【００２３】
次いで、温度抵抗係数を有する抵抗体薄膜１３上に金属膜を堆積させ、パターニングして抵抗体薄膜１３に接触するように電極パッド１４を形成する。
【００２４】
そして、抵抗体薄膜１３の全面を覆うように、抵抗体薄膜１３上に絶縁膜１５を形成する。
絶縁膜１５は絶縁特性に優れたＳｉＯ２ ，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ，ポリイミドなどからなる。
【００２５】
次に、絶縁膜１５上にＡｌ，Ａｕのような金属膜を堆積し、パターニングして抵抗体薄膜１３と整列するように熱伝導膜１６を形成する。
ここで、熱伝導膜１６は抵抗体薄膜１３の熱を迅速に外部に放出するためのもので、場合に応じて形成しないこともある。
【００２６】
最後に、基板１１の背面をエッチングしてキャビティを形成させ、抵抗体薄膜１３が形成された領域の薄膜１２を露出させる。
【００２７】
このように製作した薄膜型絶対湿度センサは、周囲の湿度変化に影響を受けない補償素子と、周囲の湿度変化を感知する感湿素子とが必要である。
【００２８】
図３は本発明の第１実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の断面図である。
図３に示すように、感湿素子としての絶対湿度センサ２１と補償素子としての絶対湿度センサ２２をステム２３に取り付け、ステム２３に形成されたピン２４と、本絶対湿度センサ２１，２２に形成された電極パッドとを外部との電気的な連結のためにそれぞれワイヤで連結する。
【００２９】
次いで、絶対湿度センサ２１，２２を含むステム２３の全面を覆うようにステム２３に金属シールドケース２５を密封して接合する。
ここで、金属シールドケース２５の中央領域には遮断膜２５ａが形成されており、感湿素子用絶対湿度センサ２１と補償素子用絶対湿度センサ２２とを互いに隔離して封じ込んでいる。
【００３０】
そして、感湿素子用絶対湿度センサ２１が設けられた金属シールドケース２５の領域にはホールを形成して、外部の水分が出入りできるようにし、補償素子用絶対湿度センサ２２が配置された領域にはドライＮ２ ガスを満たして外部の水分に影響を受けないようにする。
【００３１】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態は感湿素子用絶対湿度センサと補償素子用絶対湿度センサとを一つのチップ上に集積化させ、大量生産が可能であるようにした。
【００３２】
図４は本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
図４に示すように、シリコン基板３１上に低応力Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２ などからなる薄膜３２を形成し、薄膜３２上に温度抵抗係数（ＴＣＲ）を有する抵抗体を堆積させ、パターニングして感湿素子用抵抗体薄膜３３ａと補償素子用抵抗体薄膜３３ｂとを形成する。
ここで、抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂはＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２などからなる。
【００３３】
次いで、温度抵抗係数を有する抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂ上に金属膜を堆積させ、パターニングして抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂに接触するように電極パッド３４を形成する。
【００３４】
そして、抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂの全面を覆うように、抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂ上にそれぞれ絶縁膜３５を形成する。
この絶縁膜３５は絶縁特性に優れたＳｉＯ２ ，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ，ポリイミドなどからなる。
【００３５】
また、場合によっては絶縁膜３５上に抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂと整列するようにＡｌ，Ａｕなどからなる熱伝導膜を形成することもできる。
【００３６】
最後に、基板３１の背面をエッチングしてキャビティを形成させ、抵抗体薄膜３３ａ，３３ｂが形成された領域に薄膜３２を露出させる。
【００３７】
このように製作した薄膜型絶対湿度センサは、周囲の湿度変化に影響を受けない補償素子と、周囲の湿度変化を感知する感湿素子とが一つの基板上に同時に形成されるので、大量生産に有利である。
【００３８】
図５は本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の断面図であり、図６ａ及び図６ｂは本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の斜視図である。
【００３９】
図５，図６ａ，図６ｂに示すように、感湿素子４１と補償素子４２が形成された絶対湿度センサをステム４３上に取り付け、外部との電気的連結のために、ステム４３に形成されたピン４４と、感湿及び補償素子４１，４２に形成された電極パッドをそれぞれワイヤで連結する。
【００４０】
次いで、感湿及び補償素子４１，４２を含むステム４３全面を覆うように、ステム４３の上部に金属シールドケース４５を密封して接合する。
【００４１】
ここで、金属シールドケース４５は第１実施形態の遮断膜２５ａが形成されておらず、感湿素子４１と補償素子４２の上部にはドライＮ２ ガスで満たして外部の水分に影響を受けないようにする。
【００４２】
そして、感湿素子４１が形成された領域のステム４５にのみホールを形成して、外部の水分が薄膜側に出入りできるようにし、補償素子４２が形成された領域では基板３１がステムに密封されるので、水分の影響を受けない。
【００４３】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態の素子は構造的には本発明の第２実施形態と同様である。
しかしながら、本発明の第３実施形態は、第２実施形態のように、外部の水分が下側のステムを介して薄膜の側に入るのではなく、上側に設けたシールドケースとシリコンキャップを介して絶縁膜の側に入ることが特徴である。
【００４４】
図７は本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図であり、図８ａ及び図８ｂは本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の斜視図である。
【００４５】
図７，図８ａ，図８ｂに示すように、シリコン基板５１上に薄膜５２を形成し、薄膜５２上にＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２ などからなる感湿素子用抵抗体薄膜５３ａと補償素子用抵抗体薄膜５３ｂを形成する。
【００４６】
次いで、抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂに接触するように電極パッド５４を形成し、抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂの全面を覆うように、抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂ上に絶縁膜５５を形成する。
【００４７】
このとき、場合によっては、抵抗体薄膜の熱を迅速に外部に放出するために、絶縁膜５５上に抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂと整列するようにＡｌ，Ａｕなどからなる熱伝導膜を形成することもできる。
そして、基板５１の背面をエッチングしてキャビティを形成させ、抵抗体薄膜５３ａ，５３ｂが形成された領域の薄膜５２を露出させる。
【００４８】
最後に、感湿素子６１及び補償素子６２の全面を覆うように、絶縁膜５５の上部にシリコンキャップ５６を密封して接合する。
ここで、シリコンキャップ５６の中央領域には遮断膜が形成され、感湿素子６１と補償素子６２とを互いに隔離するように密封する。
【００４９】
感湿素子６１が形成された領域のキャップ５６の部分にホールを形成して、外部の水分が出入りできるようにし、補償素子６２が形成された領域にはドライＮ２ ガスで満たして外部の水分に影響を受けないようにする。
【００５０】
このように、本発明の第３実施形態では、感湿素子と補償素子の上をシリコンキャップで覆い、外部の水分が上部から流入するようにすることが特徴である。
本発明の第３実施形態のシリコンキャップは簡単な工程により製作することができる。
【００５１】
図９ａ〜ｃは本発明の第３実施形態による絶対湿度センサのシリコンキャップの製造工程を示す工程断面図である。
まず、図９ａに示すように、シリコン基板７０の両面に第１，第２エッチングマスク膜７１，７２を形成する。
第１，第２エッチングマスク膜７１，７２はＳｉ３Ｎ４，ＣｒＮなどからなる。
【００５２】
次いで、図９ｂに示すように、第１エッチングマスク膜７１の所定の領域を除去してシリコン基板７０を露出させた後、ウェット又はドライエッチング方法で露出されたシリコン基板７０を所定の深さにエッチングする。
【００５３】
そして、図９ｃに示すように、第２エッチングマスク膜７２の所定の領域を除去して、シリコン基板７０を露出させた後、ウェット又はドライエッチング方法で露出されたシリコン基板７０をエッチングして、第１，第２リセス領域を形成する。
その際、シリコン基板７０のエッチングの程度は、図９ｂ段階においてシリコン基板７０のエッチングした下部面に接する地点までである。
【００５４】
このように製作された本発明によるシリコンキャップは、シリコンエッチングによって二つの分離した第１，第２リセスが形成されており、第１リセスの底面には外部の水分が出入りできるようにホールが形成されており、第２リセスの底面には外部の水分が出入りできないようホールが形成されていない。
【００５５】
図１０ａ及び図１０ｂは本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の斜視図である。
図１０ａ及び図１０ｂに示すように、感湿素子６１と補償素子６２が形成された絶対湿度センサをステム６３の上に取り付け、外部との電気的な連結のために、ステム６３に形成されたピン６４と感湿及び補償素子６１，６２に形成された電極パッドとをそれぞれワイヤで連結する。
【００５６】
次いで、シリコンキャップ５６を含むステム６３全面を覆うように、ステム６３の上部に金属シールドケース６５を密封して接合する。
【００５７】
ここで、金属シールドケース６５は第１実施形態の遮断膜６５ａが形成されておらず、外部の水分が出入するホールが形成されている。
【００５８】
即ち、外部の水分は金属シールドケース６５のホール及びシリコンキャップ５６のホールを介して、感湿素子６１が形成された領域に入り込む。
【００５９】
図１１は本発明による薄膜型絶対湿度センサを用いて周囲湿度変化を検出するための応用回路例で、感湿素子６１、補償素子６２、固定抵抗Ｒ１、可変抵抗ＶＲからなるブリッジ回路と、ブリッジ回路に印加される電源Ｖとで簡単に構成することができる。
【００６０】
一例として、本絶対湿度センサと前記回路を用いて、電子レンジにおいて調理時に飲食物から発生した水蒸気による湿度変化を検出する方法を説明する。電子レンジで飲食物を加熱すると水蒸気が発生し、発生した水蒸気はセンサに形成されているホールを介してセンサの内部に入り、感湿素子６１に接触する。
このとき、感湿素子６１の抵抗体はバイアス電源によって自体加熱されているので、感湿素子６１に接触した水蒸気は抵抗体の熱を奪う。
従って、感湿素子６１の抵抗体は熱損失によって温度低下が発生して、抵抗が変化する。
【００６１】
一方、補償素子６２は水蒸気が接触しないので、抵抗変化が発生しない。かかる感湿素子６１の抵抗変化によってブリッジ回路の出力変化が発生するので、湿度の変化を検出することができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、センサ周辺の湿度変化を絶対湿度センサと回路から感知しやすくなり、これを用いて、電子レンジのような調理機器で調理時、加熱によって飲食物から発生する水蒸気を検出して、飲食物の自動料理などに応用することができる。
【００６３】
本発明による薄膜型絶対湿度センサは、温度抵抗係数（ＴＣＲ）を有する抵抗体薄膜を形成して、センサの感度を向上させ、応答時間を早くできるというメリットがある
また、本発明はシリコンマイクロマシニング技術を用いて一つのチップにセンサを集積化することにより、製作工程が簡単で、センサの小型化が可能であり、大量生産が容易であって工程コストを節減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
【図２】本発明の第１実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の断面図である。
【図６ａ】本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す示す構造の斜視図である。
【図６ｂ】本発明の第２実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す示す構造の斜視図である。
【図７】本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の断面図である。
【図８】本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサを示す構造の斜視図である。
【図９】本発明の第３実施形態による絶対湿度センサのシリコンキャップの製造工程を示す工程断面図である。
【図１０ａ】本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の斜視図である。
【図１０ｂ】本発明の第３実施形態による薄膜型絶対湿度センサのパッケージを示す構造の斜視図である。
【図１１】本発明による薄膜型絶対湿度センサを用いた湿度検出回路図である。
【符号の説明】
１１，３１，５１：シリコン基板
１２，３２，５２：薄膜
１３，３３ａ，３３ｂ，５３ａ，５３ｂ：抵抗体薄膜
１４，３４，５４：電極パッド
１５，３５，５５：絶縁膜
１６：熱伝導膜
２１，４１，６１：感湿素子
２２，４２，６２：補償素子
２３，４３：ステム
２４，４４：ピン
２５，４５：金属シールドケース
２５ａ：遮断膜
５６：シリコンキャップ
７０：シリコン基板
７１：第１エッチングマスク膜
７２：第２エッチングマスク膜
Claims (20)
- キャビティを有する基板と、
前記基板上に形成される薄膜と、
前記薄膜上に形成される抵抗体薄膜と、
前記薄膜上に形成され、前記抵抗体薄膜と電気的に連結される電極パッドと、
前記抵抗体薄膜を覆うように前記抵抗体薄膜の全面に形成される保護膜と
から構成されることを特徴とする絶対湿度センサ。 - 前記薄膜はＳｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の中何れか一つからなることを特徴とする請求項１記載の絶対湿度センサ。
- 前記抵抗体薄膜はＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２の中何れか一つからなることを特徴とする請求項１記載の絶対湿度センサ。
- 前記保護膜はＳｉＯ２ ，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ，ポリイミドの中何れか一つから形成されることを特徴とする請求項１記載の絶対湿度センサ。
- 前記抵抗体薄膜が形成された領域の保護膜上に形成される熱伝導膜を更に含むことを特徴とする請求項１記載の絶対湿度センサ。
- 前記熱伝導膜はＡｌ，Ａｕの中何れか一つからなることを特徴とする請求項５記載の絶対湿度センサ。
- 所定領域に第１，第２キャビティが形成された基板と、
前記基板上に形成される薄膜と、
前記第１キャビティが形成された薄膜上に形成され、大気中に露出された水分を感知し、その感知した水分量によって抵抗値が変わる感湿素子と、
前記第２キャビティが形成された薄膜上に形成され、前記感湿素子の抵抗値を補償する補償素子と
から構成されることを特徴とする絶対湿度センサ。 - 前記感湿素子及び補償素子は、
前記薄膜上に形成される抵抗体薄膜と、
前記薄膜上に形成され、前記抵抗体薄膜と電気的に連結される電極パッドと、
前記抵抗体薄膜を覆うように前記抵抗体薄膜の全面に形成される保護膜と
から構成されることを特徴とする請求項７記載の絶対湿度センサ。 - 前記薄膜はＳｉ３Ｎ４，ＳｉＯ２，ＳｉＯｘＮｙ，ＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４／ＳｉＯ２の中何れか一つからなることを特徴とする請求項８記載の絶対湿度センサ。
- 前記抵抗体薄膜はＴｉ，Ｐｔ，Ｎｉ，ＶＯ２の中何れか一つからなることを特徴とする請求項８記載の絶対湿度センサ。
- 前記保護膜はＳｉＯ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＯｘＮｙ，ＰＳＧ、ポリイミドの中何れか一つから形成されることを特徴とする請求項８記載の絶対湿度センサ。
- 前記抵抗体薄膜が形成された領域の保護膜上に形成される熱伝導膜を更に含むことを特徴とする請求項７記載の絶対湿度センサ。
- 前記熱伝導膜はＡｌ，Ａｕの中何れか一つからなることを特徴とする請求項１２記載の絶対湿度センサ。
- 前記感湿素子及び補償素子の全面を覆うように前記感湿素子及び補償素子の上部に形成され、前記感湿素子と補償素子とを分離及び密封させるキャップを更に含むことを特徴とする請求項７記載の絶対湿度センサ。
- 前記キャップの中央領域には前記感湿素子と補償素子とが分離及び密封されるように遮断膜が形成されることを特徴とする請求項１４記載の絶対湿度センサ。
- 前記感湿素子が形成された領域のキャップには外部の水分が出入りするホールが形成されることを特徴とする請求項１４記載の絶対湿度センサ。
- 前記キャップはシリコンであることを特徴とする請求項１４記載の絶対湿度センサ。
- 前記基板の下部に接合して、外部との電気的な連結のためのピンが形成されたステムと、
前記感湿素子及び補償素子の電極パッドと前記ステムのピンとを電気的に連結させるワイヤと、
前記感湿素子及び補償素子を含む前記ステムの全面を覆うように前記ステムの上部に形成されるシールドケースと
を更に含むことを特徴とする請求項７記載の絶対湿度センサ。 - 前記感湿素子が形成された領域のステムには外部の水分が出入りするホールが形成されることを特徴とする請求項１８記載の絶対湿度センサ。
- 前記シールドケースには外部の水分が出入りするホールが形成されることを特徴とする請求項１８記載の絶対湿度センサ。
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