JP2011080833A

JP2011080833A - 湿度検出センサ

Info

Publication number: JP2011080833A
Application number: JP2009232414A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Tanaka; 健一田中; Sumuto Morita; 澄人森田; Takashi Sato; 崇佐藤; Hidenori Gocho; 英紀牛膓; Satoshi Waga; 聡和賀
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-10-06
Filing date: 2009-10-06
Publication date: 2011-04-21

Abstract

【課題】保護層を備えていても温度特性に優れた湿度検出センサを提供すること。
【解決手段】本発明の湿度検出センサは、基板１０と、前記基板１０上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜２２を一対の電極２１，２３で挟持し、部分的に前記高分子感湿膜２２が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部２０と、少なくとも前記一対の電極のうちの露出した電極２３上に形成された保護層２４と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記高分子感湿膜２２と前記保護層２４との間の少なくとも一部に前記一方の電極２３が介在していることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、高分子感湿膜を誘電体とした湿度検出センサに関する。

湿度変化測定に用いられる湿度検出センサには、吸収又は放出した水分量に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を誘電体とした静電容量型の湿度検出センサがある。容量型湿度検出センサは、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部と、湿度によらず一定の静電容量を保持する基準部とを備えており、センサ部と基準部との間の容量差分を電圧に変換して出力する。センサ部及び基準部は、高分子感湿膜を一対の電極で挟持した積層構造を有する。このような湿度検出センサとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。

特開平６−１３８０７４号公報

上記構造において、電極が露出することを防止するために通常パッシベーション膜（保護層）が形成されている。このパッシベーション膜としては、窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ）などが用いられている。しかしながら、このような保護層を備えた湿度検出センサは、センサ部のＴＣＣ（Temperature Coefficient of Capacitance）が大きい。このため、高温環境下などを含め、温度変化がある場合での使用を想定した場合において、優れた温度特性を持つ湿度検出センサが望まれている。ここで、ＴＣＣとは、温度変化に対する容量の割合を示す係数（｛ΔＣ／（ΔＴ・Ｃ_０）｝×１０^６ｐｐｍ）である。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、保護層を備えていても温度特性に優れた湿度検出センサを提供することを目的とする。

本発明の湿度検出センサは、基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、部分的に前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの露出した電極上に形成された保護層と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記高分子感湿膜と前記保護層との間の少なくとも一部に前記一方の電極が介在していることを特徴とする。

この構成によれば、感湿領域以外の領域において、高分子感湿膜と保護層との間の少なくとも一部に一方の電極が介在しているので、高分子感湿膜と前記保護層とが直接接触する領域の面積が小さくなり、温度特性に優れる。これにより、保護層を備えていても温度特性に優れた湿度検出センサを実現することができる。

本発明の湿度検出センサにおいては、基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、部分的に前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの露出した電極上に形成された保護層と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記高分子感湿膜と前記保護層とが直接接触する領域の面積が、温度変化による出力変化が起こらない大きさであることを特徴とする。

この構成によれば、感湿領域以外の領域において、高分子感湿膜と前記保護層とが直接接触する領域の面積が、温度変化による出力変化が起こらない大きさであるので、高分子感湿膜と前記保護層とが直接接触する領域の面積が小さくなり、温度特性に優れる。これにより、保護層を備えていても温度特性に優れた湿度検出センサを実現することができる。

本発明の湿度検出センサにおいては、前記基板上に設けられ、前記高分子感湿膜を一対の電極で挟持してなり、湿度にかかわらず静電容量が変化しない基準部を有し、前記センサ部と前記基準部との間の容量差分を電圧に変換して出力することが好ましい。

本発明の湿度検出センサにおいては、前記感湿領域は、他方の電極よりも広い領域にわたって設けられていることが好ましい。

本発明の湿度検出センサにおいては、前記他方の電極は前記センサ部と前記基準部とで共通に設けられており、前記高分子感湿膜及び前記一方の電極は前記センサ部と前記基準部とで個別に設けられていることが好ましい。

本発明の湿度検出センサによれば、基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、部分的に前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの露出した電極上に形成された保護層と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記高分子感湿膜と前記保護層との間の接触部分を少なくするので、保護層を備えていても温度特性に優れた湿度検出センサを実現することができる。

本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出センサのセンサ部及び基準部を示す平面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサのセンサ部を示す断面図であり、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの基準部を示す断面図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサのセンサ部の他の例を示す断面図であり、（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの基準部の他の例を示す断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの製造方法を説明するための断面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの温度特性を示す特性図であり、（ｂ）は、従来の湿度検出センサの温度特性を示す特性図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの構成を示すブロック図である。図１に示す湿度検出センサは、吸収又は放出した水分量に応じて誘電率が変化する高分子感湿材料を用いた高分子膜湿度センサである。この湿度検出センサは、基板１０上に、湿度によって静電容量Ｃ_２０が変化するセンサ部２０と、湿度によらず一定の静電容量Ｃ_３０を保持する基準部３０と、このセンサ部２０と基準部３０とに電気的に接続し、該センサ部２０と基準部３０との間の容量差分ΔＣ（＝Ｃ_２０−Ｃ_３０）を電圧に変換して外部回路に出力する回路部４０とを有している。

回路部４０には、外部回路との接続用パッド４０ａが設けられている。パッド４０ａを介して湿度検出センサに接続された外部回路において、湿度検出センサの出力（容量差分ΔＣに対応する電圧）から湿度変化（相対湿度）を検出する。

図２は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサのセンサ部及び基準部を示す平面図である。また、図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサのセンサ部を示す断面図であり、図３（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの基準部を示す断面図である。

図２において、右側がセンサ部２０であり、左側が基準部３０である。センサ部２０及び基準部３０は、下部電極、高分子感湿膜及び上部電極が積層された構造を有する。すなわち、センサ部２０及び基準部３０は、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極（下部電極及び上部電極）で挟持してなる平行平板構造を有する。

湿度により静電容量が変化するセンサ部２０においては、図３（ａ）に示すように、基板１０上に下部電極２１が形成されている。下部電極２１上には、下部電極２１全体を覆うようにして高分子感湿膜２２が形成されている。高分子感湿膜２２上には、高分子感湿膜２２全体を覆うようにして上部電極２３が形成されている。この上部電極２３の感湿領域Ａ（高分子感湿膜２２が部分的に外界に露出する領域）には、高分子感湿膜２２を外界に露出させる複数の開口部２３ａが形成されている。センサ部２０全体には、露出した上部電極２３を保護するための保護層２４が形成されている。なお、保護層２４にも高分子感湿膜２２を外界に露出させる複数の開口部が形成されている。開口部２３ａは、図２に示すように、左右上下方向に所定間隔をあけて並設されており、平面矩形状をなしている。この開口部２３ａの数、平面形状及び形成位置は任意である。

図３（ａ）に示すセンサ部２０においては、感湿領域Ａ以外の領域Ｂにおいて、高分子感湿膜２２と保護層２４との間の少なくとも一部に一方の電極である上部電極２３が介在している。すなわち、領域Ｂにおいて、高分子感湿膜２２上に上部電極２３を介して保護層２４が形成された構成を持つ。

本発明者らは、センサ部において保護層を設ける場合に温度特性、例えば、ＴＣＣ（Temperature Coefficient of Capacitance）が大きくなることに着目し、このＴＣＣの増加が高分子感湿膜と保護層との間の接触部分に起因することを見出した。そこで、本発明者らは、高分子感湿膜と保護層との間の接触部分を少なくすることにより、ＴＣＣの増加を防止することができることを見出し本発明をするに至った。

すなわち、本発明の骨子は、高分子感湿膜と保護層との間の接触部分を少なくして、すなわち、感湿領域Ａ以外の領域Ｂにおいて、高分子感湿膜と保護層との間の少なくとも一部に上部電極を介在させる、あるいは、感湿領域Ａ以外の領域Ｂにおいて、高分子感湿膜と保護層とが直接接触する領域の面積を、温度変化による出力変化が起こらない大きさにして、保護層を備えていても温度特性に優れた湿度検出センサを実現することである。

図３（ａ）においては、感湿領域Ａ以外の領域Ｂにおいて、高分子感湿膜２２と保護層２４との間の少なくとも一部に上部電極２３を介在させることにより、高分子感湿膜２２と保護層２４との間の接触部分を少なくしている。このような構成においては、上部電極２３が領域Ｂまで延在している。すなわち、断面視において、上部電極２３が下部電極２１よりも広い領域にわたって設けられている。このため、領域Ｂに延在する上部電極２３及び保護層２４にも開口部２３ａを形成することにより、領域Ｂに延在する高分子感湿膜２２も外界に露出することになり、実質的な感湿領域Ａを広くすることができ、センサ部の精度を高めることができる。

湿度にかかわらず静電容量が変化しない基準部３０においては、図３（ｂ）に示すように、基板１０上に下部電極２１が形成されている。下部電極２１上には、下部電極２１全体を覆うようにして高分子感湿膜３１が形成されている。高分子感湿膜３１上には、高分子感湿膜３１全体を覆うようにして上部電極３２が形成されている。基準部３０全体には、露出した上部電極３２を保護するための保護層２４が形成されている。

基板１０としては、表面が絶縁体で保護された基板（例えば、シリコン基板）などを用いることができる。下部電極２１及び上部電極２３，３２を構成する材料としては、例えばＡｌ、ＡｌＣｕ、Ｔａ、Ｔｉ、ＮｉＦｅ、Ｎｉなどを用いることができる。高分子感湿膜２２，３１を構成する材料としては、パターニングが容易なポリイミドなどを用いることができる。また、保護層２４としては、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜、ＳｉＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２積層膜、ＳｉＯ_２／ＳｉＮ積層膜などを用いることができる。

本実施の形態に係る湿度検出センサにおいては、図２に示すように、下部電極２１はセンサ部２０と基準部３０とで共通に設けられている。下部電極２１には、センサ部２０と基準部３０との間のほぼ中間の位置から下部電極配線が引き出され、この下部電極配線が回路部４０の電極パッド４０ａに接続されている。このように下部電極配線をセンサ部２０と基準部３０との間のほぼ中間の位置から引き出すことにより、センサ部２０と基準部３０の電気的な対称性が良くなり、センサ容量Ｃ_２０と基準容量Ｃ_３０のばらつきを低減させることができる。

また、高分子感湿膜２２，３１及び上部電極２３，３２は、図２に示すように、センサ部２０と基準部３０とで個別に設けられている。上部電極２３，３１には、上部電極２３，３１と回路部４０の電極パッド４０ａとを接続する上部電極配線がそれぞれ設けられている。上部電極配線は、一対の上部電極２３，３１からそれぞれ一定の幅寸法で延在する配線パターンであって、その幅寸法は、センサ部２０と基準部３０で生じる寄生容量が同一になるように調整されている。これにより、寄生容量によるセンサ容量Ｃ_２０と基準容量Ｃ_３０のばらつきを低減させることができる。

上記構成を有する湿度検出センサにおいては、次のようにして湿度を検出する。まず、センサ部２０では、感湿領域Ａにおいて開口部２３ａを介して高分子感湿膜２２が外界に露出している。このため、高分子感湿膜２２は、雰囲気中の湿度（水分量）に応じて吸収又は放出する水分量が変化し、誘電率εが変化する。このため、下部電極２１と上部電極２３との間の静電容量Ｃ_２０が変化する。一方、基準部３０では、高分子感湿膜３１が外界に露出しないので、雰囲気中の湿度（水分量）が変化しても高分子感湿膜３１中の水分量は変化せず、誘電率εも変化しない。このため、下部電極２１と上部電極３２との間には一定の静電容量Ｃ_３０が保持される。そして、センサ部２０の静電容量Ｃ_２０と基準部３０の静電容量Ｃ_３０との間の容量差分を求めることにより、湿度により変化した静電容量（差分値）を測定することができる。本湿度検出センサにおいては、この差分値を電圧に変換して出力するように構成されている。

この湿度検出センサにおいては、感湿領域Ａ以外の領域Ｂにおいて、高分子感湿膜２２と保護層２４との間の少なくとも一部に上部電極２３を介在させている。これにより、高分子感湿膜２２と保護層２４との間の接触部分を少なくなるので、保護層２４を設けても温度特性を向上させることができる。

また、本発明においては、センサ部２０の高分子感湿膜２２と保護層２４との間の接触部分を少なくする構成として、図４（ａ）に示すように、高分子感湿膜２２と保護層２４との間に間隙２５を設けて、高分子感湿膜２２と保護層２４とが直接接触しないようにしても良い。また、図４（ｂ）に示すように、高分子感湿膜２２と保護層２４とが直接接触する領域（オーバーラップ部２６）をできるだけ小さくする、すなわち高分子感湿膜２２と保護層２４との間の接触面積をできるだけ小さくするように構成しても良い。なお、ここで、高分子感湿膜２２と保護層２４との間の接触面積をできるだけ小さくするとは、高分子感湿膜２２と保護層２４との間の接触面積を、温度変化、例えば、２５℃〜８５℃における温度変化による出力変化が起こらない大きさにすることである。

また、本発明においては、図４（ｃ）に示すように、基準部３０の上部電極３２に、センサ部２０の感湿領域Ａの上部電極２３と同様に開口部を形成しても良い。このような構成にすることにより、センサ部２０の静電容量Ｃ_２０と基準部３０の静電容量Ｃ_３０との差分を正確に求めることが可能となる。

次に、湿度検出センサの製造方法について説明する。図５（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの製造方法を説明するための断面図である。

まず、図５（ａ）に示すように、基板１０を覆う絶縁層（図示せず）上に、下部電極２１を形成する。すなわち、下部電極２１は、基板１０の全面に電極材料を被着し、その上にレジスト層を形成し、パターニングしてマスクとし、そのマスクを介して電極材料をエッチングすることにより形成する。下部電極２１は、センサ部２０及び基準部３０で共通である。なお、この下部電極２１を形成する際に、回路部４０の配線導体とパッド４０ａを同時に形成する。

次いで、図５（ｂ）に示すように、下部電極２１上に、下部電極２１を覆うように、センサ部２０、基準部３０それぞれで高分子感湿膜２２，３１を形成する。すなわち、高分子感湿膜２２，３１は、基板１０の全面に高分子材料（例えばポリイミド）を塗布し、硬化させ、その上にレジスト層を形成し、パターニングしてマスクとし、そのマスクを介して高分子材料をエッチングすることにより形成する。高分子感湿膜２２，３１は、センサ部２０及び基準部３０でそれぞれ個別である。

次いで、図５（ｃ）に示すように、高分子感湿膜２２，３１上に、高分子感湿膜２２，３１を覆うように、センサ部２０、基準部３０それぞれで上部電極２３，３２を形成する。すなわち、上部電極２３，３２は、基板１０の全面に電極材料を被着し、その上にレジスト層を形成し、パターニングしてマスクとし、そのマスクを介して電極材料をエッチングすることにより形成する。ここで、感湿領域Ａ以外の領域Ｂにおいて、高分子感湿膜２２と後述する保護層２４との間の少なくとも一部に上部電極２３が介在するようにパターニングする。なお、上部電極２３，３２は、センサ部２０及び基準部３０でそれぞれ個別である。

次いで、図５（ｄ）に示すように、センサ部２０の上部電極２３の感湿領域Ａに開口部２３ａを形成する。この開口部２３ａは、基準部３０をマスクした状態でドライエッチングなどの異方性エッチングにより形成することができる。

次いで、図５（ｅ）に示すように、湿度検出センサ全体に保護層構成材料を被着することにより、センサ部２０及び基準部３０上に保護層２４を形成する。このとき、センサ部２０の感湿領域Ａにおいては、上部電極２３上に保護層２４が形成され、開口部２３ａから高分子感湿膜２２が外界に露出した状態となる。なお、保護層２４を形成した後に、開口部２３ａ内に被着された保護層構成材料をエッチングにより部分的に除去しても良い。このようにして、本発明の湿度検出センサを作製することができる。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
センサ部２０が図３（ａ）に示す構成であり、基準部３０が図３（ｂ）に示す構成である湿度検出センサを作製した。この湿度検出センサは、感湿領域Ａ以外の領域Ｂにおいて、高分子感湿膜２２と保護層２４との間の少なくとも一部に上部電極２３が介在しており、高分子感湿膜２２と保護層２４との間の接触部分が少なくなっている。このとき、上部電極及び下部電極は、それぞれ厚さ０．２μｍのＡｌ膜とし、高分子感湿膜は、厚さ１．０μｍのポリイミド膜とし、保護層は、厚さ１．０μｍのＳｉＮｘ膜とした。この湿度検出センサについて、温度２５℃、５０℃、８５℃における出力（測定湿度）を調べた。その結果を図６（ａ）に示す。

比較として、センサ部２０が、感湿領域Ａ以外の領域Ｂにおいて高分子感湿膜２２と保護層２４とが直接接触していること以外図３（ａ）に示す構成と同じ構成であり、基準部３０が図４（ｃ）に示す構成である湿度検出センサを作製した。この湿度検出センサについて、温度２５℃、５０℃、８５℃における出力（測定湿度）を調べた。その結果を図６（ｂ）に示す。

図６（ａ）に示すように、本発明に係る湿度検出センサにおいては、いずれの温度でも出力が同じであり、温度特性に優れていた。一方、本発明の構成を採用しない湿度検出センサにおいては、図６（ｂ）に示すように、同じ湿度でも温度が高くなるほど出力値が大きくなっており、温度特性が悪かった。このように、本発明によれば、保護層を備えていても温度特性に優れた湿度検出センサを実現することができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、適宜変更して実施することができる。上記実施の形態においては、センサ部と基準部とを備えた湿度検出センサについて説明しているが、本発明はこれに限定されず、センサ部のみで構成された湿度検出センサにも同様に適用することができる。また、上記実施の形態における材料、各層の配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

１０基板
２０センサ部
２１下部電極
２２，３１高分子感湿膜
２３，３２上部電極
２３ａ開口部
２４保護層
２５間隙
２６オーバーラップ部
３０基準部
４０回路部
４０ａパッド
Ａ感湿領域

Claims

基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、部分的に前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの露出した電極上に形成された保護層と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記高分子感湿膜と前記保護層との間の少なくとも一部に前記一方の電極が介在していることを特徴とする湿度検出センサ。
基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、部分的に前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの露出した電極上に形成された保護層と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記高分子感湿膜と前記保護層とが直接接触する領域の面積が、温度変化による出力変化が起こらない大きさであることを特徴とする湿度検出センサ。
前記基板上に設けられ、前記高分子感湿膜を一対の電極で挟持してなり、湿度にかかわらず静電容量が変化しない基準部を有し、前記センサ部と前記基準部との間の容量差分を電圧に変換して出力することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の湿度検出センサ。
前記感湿領域は、他方の電極よりも広い領域にわたって設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の湿度検出センサ。
前記他方の電極は前記センサ部と前記基準部とで共通に設けられており、前記高分子感湿膜及び前記一方の電極は前記センサ部と前記基準部とで個別に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の湿度検出センサ。