JP2008039508A - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 湿度の検出感度が高く、小型化が可能な湿度センサを実現する。
【解決手段】
湿度センサ１は、基板１１の基板面１１ａ上に設けられた湿度検出部１０と、出力部１９と、ヒータ制御部１８と、から構成されている。湿度検出部１０は、基板１１の基板面１１ａ上に、ヒータ１２、絶縁膜１３、下部電極１４、感湿部材１５及び上部電極１６を順に積層して構成されている。本発明に係る湿度センサ１によれば、湿度検出部１０の上部電極１６と出力部１９とを、基板１１上に形成されたバンプ２０ｓを介して電気的に接続することができるので、出力部１９を半導体プロセスにより同一基板上に形成することができる。従って、出力部１９を別部材として設ける必要がないので、湿度の検出感度が高く、小型化が可能な湿度センサ１を実現することができる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、雰囲気の湿度を検出する湿度センサに関する。

従来から、雰囲気湿度を検出する湿度センサとして、吸湿性を有する高分子材料で形成された感湿部材を備えた容量式湿度センサが知られている。
例えば、いわゆる平行平板型の湿度センサは、基板上に形成された下部電極と、下部電極上に形成され、湿度に応じて静電容量が変化する感湿部材と、感湿部材の上に、雰囲気の水分が透過可能に形成された上部電極とからなる湿度検出部を有している（特許文献１）。感湿部材は、多数の細孔を有しており、細孔内に雰囲気の水分が吸脱着することにより誘電率が変化する。通常、水の誘電率は高分子材料よりも大きいため、感湿部材に水分が吸着すると誘電率が大きくなる。そのため、感湿部材の静電容量を検出することにより、雰囲気の湿度を検出することができる。この構成の湿度センサは、感湿部材の面積を大きくすることができるので、湿度の変化に対して静電容量の変化が大きい、つまり、感度が高いという利点を有している。
特開平２−１４０６５４号公報

しかし、このような平行平板タイプの湿度センサでは、感湿部材を挟んで基板の厚さ方向の異なる面に電極を形成するため、検出部において検出された静電容量に基づいて湿度を演算処理する処理回路を、半導体プロセスにより同一基板上に形成することが困難である。そのため、処理回路を別部材として設けなければならないので、湿度センサを小型化することが困難であるという問題があった。

そこで、この発明は、湿度の検出感度が高く、小型化が可能な湿度センサを実現することを目的とする。

この発明は、上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、基板上に形成された下部電極と、前記下部電極に対向して設けられ、厚さ方向に水分を透過可能に構成された上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に介在し、湿度に応じて静電容量が変化する感湿部材と、からなる湿度検出部と、前記上部電極及び前記下部電極と電気的に接続されており、前記感湿部材の静電容量を検出し、その検出された静電容量に対応するレベルの信号を出力する出力手段と、を備えた湿度センサにおいて、前記基板上には、前記出力手段と、前記上部電極の下方に設けられ、前記出力手段に電気的に接続されたバンプとが形成されており、前記バンプを介して、前記上部電極が前記出力手段に接続された、という技術的手段を用いる。

請求項１に記載の発明によれば、湿度検出部の上部電極と出力手段とを、基板上に形成されたバンプを介して電気的に接続することができるので、出力手段を半導体プロセスにより同一基板上に形成することができる。従って、出力手段を別部材として設ける必要がないので、湿度の検出感度が高く、小型化が可能な湿度センサを実現することができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の湿度センサにおいて、前記上部電極は、パンチングメタルにより形成されている、という技術的手段を用いる。

請求項２に記載の発明によれば、上部電極は、パンチングメタルにより形成されているため、雰囲気の水分を孔部を通じて感湿部材に到達させることができる。

請求項３に記載の発明では、請求項１に記載の湿度センサにおいて、前記上部電極は、多孔質セラミックス基板の表面に導電性材料からなる配線パターンを形成してなる、という技術的手段を用いる。

請求項３に記載の発明によれば、上部電極は、多孔質セラミックス基板の表面に導電性材料からなる配線パターンを形成してなるため、多孔質セラミックス基板の表面の全面において、細孔を通じて雰囲気の水分を感湿部材に到達させることができる。これにより、感湿部材表面にデッドスペースをなくすことができるので、湿度センサの検出感度を向上させることができる。

請求項４に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の湿度センサにおいて、前記感湿部材は、スクリーン印刷法により形成された、という技術的手段を用いる。

請求項４に記載の発明によれば、感湿部材は、スクリーン印刷法により形成されているため、塗布位置、量などを正確に制御することができる。

請求項５に記載の発明では、請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の湿度センサにおいて、前記感湿部材は、液状の原料を前記上部電極と前記下部電極との間隙に充填させた後に硬化させることにより形成された、という技術的手段を用いる。

請求項５に記載の発明によれば、感湿部材は、液状の原料を上部電極と下部電極との間隙に充填させた後に硬化させることにより形成されているため、感湿部材を間隙に隙間なく充填することができ、各電極との密着力を向上させることができるので、より確実に感湿部材の静電容量を検出することができる。

請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の湿度センサにおいて、前記感湿部材は、予めシート状に形成されている、という技術的手段を用いる。

請求項６に記載の発明によれば、感湿部材は、予めシート状に形成されているため、液状の原料を使用した場合のように、硬化させる工程が不要であるので、湿度センサの製造工程を短縮することができる。また、流動性がないため、所定の位置からはみ出すおそれもなく、形成位置、量などを正確に制御することができる。

請求項７に記載の発明では、請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の湿度センサにおいて、前記下部電極及び前記上部電極の少なくとも一方の電極の、前記感湿部材と接する面に、シランカップリング剤が塗布されている、という技術的手段を用いる。

請求項７に記載の発明によれば、下部電極及び上部電極の少なくとも一方の電極の、感湿部材と接する面に、シランカップリング剤が塗布されているため、各電極との密着力を向上させることができるので、より確実に感湿部材の静電容量を検出することができる。

請求項８に記載の発明では、請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の湿度センサにおいて、前記感湿部材を加熱するヒータが備えられている、という技術的手段を用いる。

請求項８に記載の発明によれば、感湿部材を加熱する加熱部材が備えられているため、感湿部材に結露した場合などに感湿部材の水分を蒸発させて効率よく除去することができる。

請求項９に記載の発明では、請求項８に記載の湿度センサにおいて、前記加熱部材は、前記基板面と前記感湿部材との間に備えられている、という技術的手段を用いる。

請求項９に記載の発明によれば、加熱部材は、基板面と感湿部材との間に備えられており、感湿部材に近接して設けられているので、効率的に感湿部材を加熱して水分を除去することができる。

請求項１０に記載の発明では、請求項８に記載の湿度センサにおいて、前記加熱部材は、前記感湿部材の中に備えられている、という技術的手段を用いる。

請求項１０に記載の発明によれば、前記加熱部材は、前記感湿部材の中に備えられているため、更に効率的に感湿部材を加熱して水分を除去することができる。

請求項１１に記載の発明では、請求項８に記載の湿度センサにおいて、前記上部電極及び前記下部電極の少なくとも一方が、前記加熱部材として作用する、という技術的手段を用いる。

請求項１１に記載の発明によれば、上部電極及び下部電極の少なくとも一方が、加熱部材として作用するため、加熱部材を別途形成する必要がないので、湿度センサの製造工程を短縮することができる。

この発明に係る湿度センサの実施形態について、図を参照して説明する。図１は、湿度センサを基板の基板面上方から見た平面説明図である。図２は、図１をＡ方向から見た透視説明図である。
なお、図１及び図２では、説明のために一部を拡大して誇張して示している。また、以下の説明において、ある層が他の層の上に存在すると記述される場合には、ある層が他の層の真上に存在する場合と、ある層と他の層との間に第３の層が介在される場合とを示す。

（湿度センサの構造）
図１に示すように、湿度センサ１は、基板１１の基板面１１ａ上に設けられた湿度検出部１０と、出力部１９と、ヒータ制御部１８と、から構成されている。
図１及び図２に示すように、湿度検出部１０は、基板１１の基板面１１ａ上に、ヒータ１２、絶縁膜１３、下部電極１４、感湿部材１５及び上部電極１６を順に積層して構成されている。
下部電極１４及び上部電極１６は、感湿部材１５の静電容量を検出し、その検出された静電容量に対応するレベルの電圧信号を出力するＣＶ変換回路を備えた出力部１９と電気的に接続されている。ヒータ１２はヒータ制御部１８と電気的に接続されている。

本実施形態では、基板１１として、シリコン表面に絶縁膜が形成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いる。ここで、基板１１としては、基板面１１ａが絶縁されている各種基板、例えば、ガラス基板、アルミナなどのセラミックス基板、樹脂基板などを用いることができる。

基板面１１ａ上には、ヒータ１２が、例えば、ＰｏｌｙＳｉ薄膜により形成されている。このヒータ１２の上面を覆って、例えば、プラズマＣＶＤ法により酸化けい素からなる絶縁膜１３が形成されている。
また、基板面１１ａ上には、ヒータ１２の外側であって、後述する上部電極１６の下面の４角近傍に、４つのパッド１１ｐ〜１１ｓが形成されている。ここで、４箇所に形成されている各パッド１１ｐ〜１１ｓのうち、パッド１１ｑとパッド１１ｓとは、出力部１９と電気的に接続されており、パッド１１ｐとパッド１１ｒとは、基板１１上の回路と電気的に絶縁されている。

各パッド１１ｐ〜１１ｓには、はんだボールからなるバンプ２０がそれぞれ形成されている。パッド１１ｐに形成されたバンプ２０ｐ及びパッド１１ｑに形成されたバンプ２０ｑは、それぞれ下部電極１４と接続されている。パッド１１ｒに形成されたバンプ２０ｒ及びパッド１１ｓに形成されたバンプ２０ｓは、バンプ２０ｐ及びバンプ２０ｑより高く形成されており、それぞれ上部電極１６と接続されている。

この絶縁膜１３の上面には、下部電極１４が、真空蒸着法などによりアルミニウムを付着させ、所定の形状（本実施形態では蛇腹状）にパターニングして薄膜状に形成されている。ここで、下部電極１４には、アルミニウム以外にも、銅、金、白金等の導電性を有する材料を用いることができる。下部電極１４は、バンプ２０ｑを介して、出力部１９と電気的に接続されている。

この下部電極１４を覆って、湿度に応じて静電容量が変化する感湿部材１５が形成されている。感湿部材１５は、数ナノオーダーの細孔を多数有しており、厚さ数μｍの薄膜状に形成されている。本実施形態では、感湿部材１５は、ポリイミド系樹脂をスクリーン印刷法にて塗布後、所定温度で加熱して硬化することにより形成される。感湿部材１５としては、数ナノオーダーの細孔を多数有しており、細孔内に雰囲気の水分が吸脱着することにより誘電率が変化する材料を用いることができ、例えば、セルロース、アクリル系樹脂や、メソポーラスシリカ、ゼオライトなどの無機膜を用いることもできる。

感湿部材１５の上面には、水分を透過可能に構成された上部電極１６が、感湿部材１５に接触した状態で設けられている。上部電極１６は、バンプ２０ｓを介して、出力部１９と電気的に接続されている。また、バンプ２０ｒ及びバンプ２０ｓにより下部電極１４に対して所定の間隔を保持している。
本実施形態では、上部電極１６は、板状のコバールに多数の孔部１６ａが形成されたパンチングメタルを用いる。雰囲気の水分はこの孔部１６ａを通じて感湿部材１５に到達させることができる。ここで、コバールは、基板１１の構成材料であるシリコンと熱膨張係数が近いため、バンプ２０（２０ｐ〜２０ｓ）に生じる熱応力を小さくすることができるので、バンプによる接合の信頼性を向上させることができる。

上述のように、湿度センサ１は、下部電極１４と上部電極１６とにより感湿部材１５を挟み込んで構成された湿度検出部１０が、出力部１９及びヒータ制御部１８とともに同一の基板１１に搭載された構成となっている。
これにより、出力部１９などを別部材として設ける必要がないので、湿度センサ１を小型化することができる。また、バンプ２０による配線を行うため、配線を簡略化できるとともに、上部電極１６を所定の間隔で保持することができる。更に、感湿部材１５により、バンプ２０を外部環境から遮断して保護することができるとともに、上部電極１６と基板１１との熱膨張差によりバンプ２０に生じる熱応力を緩和することができる。
また、基板１１上にヒータ１２を設けることができるので、湿度検出部１０に結露などによりセンサ特性の変動が生じた場合でも、ヒータ１２を発熱させて水分を除去することにより、迅速に元のセンサ特性に戻すことができる。

なお、下部電極１４と出力部１９とを電気的に接続する配線が形成できる場合には、パッド１１ｐ、１１ｑ及びバンプ２０ｐ、２０ｑを形成する必要はない。

（湿度の測定原理）
感湿部材１５は、数ナノオーダーの細孔を多数有しており、細孔内に雰囲気の水分が吸脱着することにより誘電率が変化する。水の誘電率はポリイミド系樹脂の誘電率よりも大きいため、感湿部材１５の細孔内に、雰囲気の湿度に応じて水分が吸着すると、吸着した水分量に応じて誘電率が大きくなる。そのため、下部電極１４、上部電極１６及びこれら電極間に介在する感湿部材１５とにより構成されるコンデンサとして作用する湿度検出部１０の静電容量が変化する。

この静電容量は、出力部１９において検出され、その検出された静電容量に対応する出力値Ｖを出力する。出力値Ｖは、下部電極１４及び上部電極１６間に生じる静電容量に比例して蓄積された電荷を、出力部１９に備えられた図示しないスイッチトキャパシタ構成のＣ−Ｖ変換部において電圧に変換して、増幅して容量変化に応じた電圧として出力される。この出力値Ｖから、センサ特性に基づいて、雰囲気の湿度が検出される。ここで、センサ特性は、湿度センサ１の製造時に、湿度を変化させながら出力電圧を測定し、両者の関係より出力部１９において設定されている。

（湿度センサの製造工程）
次に、湿度センサ１の製造工程について説明する。
まず、工程１では、基板１１を用意し、基板面１１ａ上に、例えば、ＰｏｌｙＳｉ薄膜により、ヒータ１２を形成し、パッド１１ｐ〜１１ｓ、出力部１９、ヒータ制御部１８及び所定の配線を形成する。
次に、工程２では、パッド１１ｐ〜１１ｓに、はんだボールからなるバンプ２０ｐ〜２０ｓをそれぞれ形成する。ここで、バンプ２０として、ワイヤボンダを用いて形成された金製のバンプを用いることもできる。

続く工程３では、例えば、プラズマＣＶＤ法により酸化けい素からなる絶縁膜１３を、基板面１１ａにヒータ１２を覆うように形成する。このとき、バンプ２０ｐ〜２０ｓは、絶縁膜１３の表面から露出している。
続く工程４では、絶縁膜１３の表面に、真空蒸着法などにより所定パターンにてアルミニウムを付着させ、薄膜状の下部電極１４を形成する。これにより、下部電極１４は、バンプ２０ｐ、２０ｑと接続される。ここで、下部電極１４は、バンプ２０ｒ、２０ｓが露出している位置には形成しない。つまり、下部電極１４は、バンプ２０ｒ、２０ｓと絶縁されている。

続く工程５では、スクリーン印刷法によりポリイミド系樹脂を下部電極１４を覆うように塗布後、所定温度で加熱して硬化することにより感湿部材１５を形成する。このとき、バンプ２０ｒ、２０ｓとは、感湿部材１５の表面から露出している。
ここで、感湿部材１５と下部電極１４との密着力を増大させるために、下部電極１４の表面にシランカップリング剤を塗布してもよい。これにより、感湿部材１５と下部電極１４との接触状態が良好となるため、より確実に感湿部材１５の静電容量を検出することができる。
感湿部材１５は、スピンコート法、インクジェット法などの方法で形成してもよい。また、感湿部材１５を予めシート状に形成し、下部電極１４を覆うように配置し、接合してもよい。これにより、液状の原料を使用した場合のように、硬化させる工程が不要であるので、湿度センサ１の製造工程を短縮することができる。また、流動性がないため、所定の位置からはみ出すおそれもなく、形成位置、量などを正確に制御することができる。
続く工程６では、感湿部材１５上の所定の位置に上部電極１６を配置した後、上部電極１６とバンプ２０ｒ、２０ｓとを熱圧着し、上部電極１６が感湿部材１５と接触した状態で、上部電極１６とバンプ２０ｒ、２０ｓとを接続する。
上述の工程により、本実施形態に係る湿度センサ１が製造される。

ここで、感湿部材１５は、工程５において形成せずに、工程６において、バンプ２０により、下部電極１４と上部電極１６との間に、所定の間隔の間隙を形成した後に、この間隙内にディスペンサにより液状の原料を充填し、硬化させて形成してもよい。
この構成を用いると、感湿部材１５が、下部電極１４と上部電極１６との間隙に液状で充填されるため、感湿部材１５を間隙に隙間なく充填することができ、感湿部材１５と上部電極１６との密着力を向上させることができるので、より確実に感湿部材１５の静電容量を検出することができる。

また、バンプ２０ｒ及びバンプ２０ｓは、基板１１に形成するのではなく、上部電極１６の所定の位置に予め形成しておいてもよい。
また、バンプ２０ｒ及びバンプ２０ｓは、超音波を印加して上部電極１６と圧接することもでき、リフロー処理によりはんだボールの表層を溶融させて上部電極１６と接合することもできる。

［最良の形態による効果］
（１）本実施形態の湿度センサ１によれば、湿度検出部１０の上部電極１６と出力部１９とを、基板１１上に形成されたバンプ２０ｓを介して電気的に接続することができるので、出力部１９を半導体プロセスにより同一基板上に形成することができる。従って、出力部１９を別部材として設ける必要がないので、湿度の検出感度が高く、小型化が可能な湿度センサ１を実現することができる。

（２）上部電極１６は、パンチングメタルにより形成されているため、雰囲気の水分を孔部を通じて感湿部材１５に到達させることができる。

（３）感湿部材１５は、スクリーン印刷法により形成されているため、塗布位置、量などを正確に制御することができる。

（４）湿度センサ１には、感湿部材１５を加熱するヒータ１２が基板面１１ａと感湿部材１５との間に備えられており、感湿部材１５に近接して設けられているので、効率的に感湿部材１５を加熱して水分を除去することができる。

（５）下部電極１４及び上部電極１６の少なくとも一方の電極の、感湿部材１５と接する面に、シランカップリング剤が塗布されている場合には、各電極との密着力を向上させることができるので、より確実に感湿部材１５の静電容量を検出することができる。

〈その他の実施形態〉
（１）上部電極１６、または、下部電極１４を更に、ヒータ制御部１８と接続して、ヒータとして用いる回路構成をしてもよい。この構成を用いると、上部電極１６、または下部電極１４をヒータとして兼用できるため、ヒータ１２を形成する必要がなく、湿度センサ１の製造工程を短縮することができる。

（２）ヒータ１２を形成する場所は基板面１１ａ上に限定されるものではない。例えば、基板１１の下面側に絶縁膜を形成し、この絶縁膜を介して配置してもよい。
また、ヒータ１２は、感湿部材１５の上面、内部、下面のいずれに形成することもできる。特に、ヒータ１２が感湿部材１５の中に備えられている構成を用いると、感湿部材１５を内部から加熱することができるので、効率的に加熱して水分を除去することができる。
この構成を用いる場合には、感湿部材１５に水分を到達可能に構成された、例えば、メッシュ状のヒータを用いることができる。
図３に、ヒータ形状の変更例を示す。図中には、ヒータの形状、形成位置を理解するために、感湿部材１５、パッド１１ｐ〜１１ｓ及びバンプ２０ｐ〜２０ｓを並記してある。図３（Ａ）に示すように中央部が開口しており、この開口部を介して感湿部材１５に水分を到達可能に構成されているヒータ１２を用いることができる。また、図３（Ｂ）に示すように、感湿部材１５の中央部に感湿部材１５より充分小さい、例えば、面積が半分程度に形成されたヒータ１２を用いることができる。これらの場合、バンプ２０ｐ及びバンプ２０ｒは、ヒータ１２の形成位置の高さとなるように形成されており、ヒータ１２は、バンプ２０ｐ及びバンプ２０ｒに電気的に接続されるとともに、所定の位置に保持される。ヒータ制御部１８は、パッド１１ｐ及びパッド１１ｒに電気的に接続される。
なお、低湿度領域の測定のみ行うような場合には、結露のおそれがないため、必ずしもヒータを設けなくてもよい。

（３）図４に示すように、上部電極１６は、アルミナなどの多孔質セラミックス基板３０の表面３０ａに、導電性材料からなる電極パターン３１を、例えば金メッキなどを施して、形成してもよい。更に、感湿部材１５と接する面の裏面にヒータ１２を形成してもよい。この構成を使用すると、多孔質セラミックス基板３０の表面３０ａ全面において、細孔を通じて雰囲気の水分を感湿部材１５に到達させることができる。これにより、感湿部材１５表面にデッドスペースをなくすことができるので、湿度センサ１の検出感度を向上させることができる。

［各請求項と実施形態との対応関係］
ヒータ１２が請求項１に記載の加熱手段に、出力部１９が出力手段にそれぞれ対応する。

湿度センサを基板の基板面上方から見た平面説明図である。 図１をＡ方向から見た透視説明図である。 ヒータの変更例を示す平面説明図である。 上部電極の変更例を示す縦断面説明図である。

符号の説明

１ 湿度センサ
１０ 湿度検出素子
１１ 基板
１３ ヒータ（加熱手段）
１４ 下部電極
１５ 感湿部材
１６ 上部電極
１９ 出力部（出力手段）
２０（２０ｐ〜２０ｓ） バンプ
３０ 多孔質セラミックス基板

Claims (11)

1. 基板上に形成された下部電極と、
   前記下部電極に対向して設けられ、厚さ方向に水分を透過可能に構成された上部電極と、
   前記下部電極と前記上部電極との間に介在し、湿度に応じて静電容量が変化する感湿部材と、からなる湿度検出部と、
   前記上部電極及び前記下部電極と電気的に接続されており、前記感湿部材の静電容量を検出し、その検出された静電容量に対応するレベルの信号を出力する出力手段と、を備えた湿度センサにおいて、
   前記基板上には、前記出力手段と、前記上部電極の下方に設けられ、前記出力手段に電気的に接続されたバンプとが形成されており、
   前記バンプを介して、前記上部電極が前記出力手段に接続されたことを特徴とする湿度センサ。
2. 前記上部電極は、パンチングメタルにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
3. 前記上部電極は、多孔質セラミックス基板の表面に導電性材料からなる配線パターンを形成してなることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
4. 前記感湿部材は、スクリーン印刷法により形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の湿度センサ。
5. 前記感湿部材は、液状の原料を前記上部電極と前記下部電極との間隙に充填させた後に硬化させることにより形成されたことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の湿度センサ。
6. 前記感湿部材は、予めシート状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載の湿度センサ。
7. 前記下部電極及び前記上部電極の少なくとも一方の電極の、前記感湿部材と接する面に、シランカップリング剤が塗布されていることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１つに記載の湿度センサ。
8. 前記感湿部材を加熱するヒータが備えられていることを特徴とする請求項１ないし請求項７のいずれか１つに記載の湿度センサ。
9. 前記ヒータは、前記基板面と前記感湿部材との間に備えられていることを特徴とする請求項８に記載の湿度センサ。
10. 前記ヒータは、前記感湿部材の中に備えられていることを特徴とする請求項８に記載の湿度センサ。
11. 前記上部電極及び前記下部電極の少なくとも一方が、前記ヒータとして作用することを特徴とする請求項８に記載の湿度センサ。

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