JP2012145384A - Capacitive humidity sensor - Google Patents

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Naohisa Niimi
直久 新美
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitive humidity sensor capable of restraining reduction in detection accuracy over time.SOLUTION: In a capacitive humidity sensor, a gradient of change in electrostatic capacity of a reference capacity section 30 is different from the gradient of the change in the electrostatic capacity of a detection section 20 by the following arrangements: an area of an upper electrode 22 opposite to a lower electrode 21 in the detection section 20 is equal to the area of an upper electrode 32 opposite to a lower electrode 31 in a reference capacity section 30; and a distance between the lower electrode 21 and the upper electrode 22 in the detection section 20 is different from the distance between the lower electrode 31 and the upper electrode 32 in the reference capacity section 30. Thus, in the capacitive humidity sensor, because holes formed on the upper electrodes 22 and 32 are clogged in the same way, the detection section 20 and the reference capacity section 30 change over time also in the same way. Therefore, the capacitive humidity sensor can restrain reduction in detection accuracy over time.

Description

本発明は、湿度を検出する容量式湿度センサに関するものであり、特に検出部と、この検出部に対する基準容量部とを有する容量式湿度センサに関するものである。   The present invention relates to a capacitive humidity sensor for detecting humidity, and more particularly to a capacitive humidity sensor having a detection unit and a reference capacitance unit for the detection unit.

従来より、周囲の温度変化に応じて静電容量が変化する検出部および基準容量部が基板に形成されてなる容量式湿度センサが知られている(例えば、特許文献1参照)。具体的には、このような容量式湿度センサは、基板上に二つの下部電極が備えられている。そして、各下部電極上に、湿度に応じて静電容量が変化する感湿部材がそれぞれ配置され、当該感湿部材上にそれぞれ上部電極が配置されて積層型の容量素子である検出部および基準容量部が形成されている。これら検出部と基準容量部とは電気的に接続されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, a capacitive humidity sensor is known in which a detection unit and a reference capacitance unit that change in capacitance according to a change in ambient temperature are formed on a substrate (see, for example, Patent Document 1). Specifically, such a capacitive humidity sensor is provided with two lower electrodes on a substrate. Then, on each lower electrode, a humidity sensing member whose capacitance changes according to humidity is arranged, and on each of the moisture sensing members, an upper electrode is arranged, and a detection unit and a reference that are stacked capacitive elements A capacitor portion is formed. The detection unit and the reference capacitance unit are electrically connected.

検出部および基準容量部における上部電極は、それぞれ感湿部材に水分を供給できるように穴が形成されており、この穴を介して周囲の水分が感湿部材に吸着されるようになっている。また、検出部における下部電極と対向する上部電極の面積が、基準容量部における下部電極と対向する上部電極の面積より大きくされ、検出部の湿度に対する静電容量の変化の傾きと基準容量部の湿度に対する変化の傾きとが異なるようにされている。   The upper electrodes in the detection unit and the reference capacitance unit are each formed with a hole so that moisture can be supplied to the moisture sensitive member, and the surrounding moisture is adsorbed by the moisture sensitive member through the hole. . In addition, the area of the upper electrode facing the lower electrode in the detection unit is larger than the area of the upper electrode facing the lower electrode in the reference capacitance unit, and the inclination of the change in capacitance with respect to the humidity of the detection unit and the reference capacitance unit The slope of the change with respect to humidity is made different.

このような容量式湿度センサでは、感湿部材に水分が吸脱着することで当該感湿部材の誘電率が変化する。具体的には、感湿部材は、例えば、ポリイミド系ポリマー等の高分子材料を用いて構成されており、感湿部材の誘電率より水分(水)の誘電率の方が高いため、水分が吸着すると誘電率が大きくなる。したがって、湿度に応じて検出部における静電容量と基準容量部における静電容量が変化し、検出部と基準容量部とは湿度に対する静電容量の変化の傾きが互いに異なっているため、検出部の静電容量と基準容量部の静電容量の差から周囲の相対湿度が検出される。   In such a capacitive humidity sensor, the moisture constant of the moisture sensitive member changes due to the adsorption and desorption of moisture on the moisture sensitive member. Specifically, the moisture sensitive member is composed of, for example, a polymer material such as a polyimide-based polymer. Since the dielectric constant of moisture (water) is higher than the dielectric constant of the moisture sensitive member, Adsorption increases the dielectric constant. Therefore, the capacitance in the detection unit and the capacitance in the reference capacitance unit change according to the humidity, and the detection unit and the reference capacitance unit have different inclinations of the change in capacitance with respect to humidity. The relative humidity of the surroundings is detected from the difference between the capacitance of the reference capacitance and the capacitance of the reference capacitance portion.

特開2007−248065号公報JP 2007-248065 A

しかしながら、このような容量式湿度センサでは、粉塵等の異物によって上部電極の穴が目詰まりしてしまうことがある。この場合、上記容量式湿度センサでは、検出部および基準容量部における下部電極と対向する上部電極の面積が互いに異なっているため、目詰まりの仕方が検出部と基準容量部とで異なる。つまり、検出部と基準容量部とにおいて、上部電極が周囲の水分を通過させる量が互いに異なることになり、経時変化の仕方が異なる。このため、例えば、初期状態と比較して、感湿部材への水分の供給量の変化の仕方が検出部と基準容量部とで異なり、経時的に検出精度が低下してしまうという問題がある。   However, in such a capacitive humidity sensor, the hole of the upper electrode may be clogged with foreign matters such as dust. In this case, in the capacitive humidity sensor, since the areas of the upper electrodes facing the lower electrodes in the detection unit and the reference capacitance unit are different from each other, the clogging method differs between the detection unit and the reference capacitance unit. That is, the amount of passage of the surrounding moisture by the upper electrode differs between the detection unit and the reference capacitance unit, and the manner of change with time is different. For this reason, for example, compared with the initial state, the method of changing the amount of moisture supplied to the moisture sensitive member differs between the detection unit and the reference capacitance unit, and there is a problem that the detection accuracy decreases with time. .

本発明は上記点に鑑みて、経時的に検出精度が低下することを抑制することができる容量式湿度センサを提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the capacity | capacitance type humidity sensor which can suppress that a detection accuracy falls over time in view of the said point.

上記目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、検出部(20)および基準容量部(30)それぞれは、基板(10)の厚さ方向に離間して対向配置される下部電極(21、31)と上部電極(22、32)とを有すると共に、下部電極(21、31)と上部電極(22、32)との間に湿度に応じて誘電率が変化する感湿部材(23、33)を備えた積層型の容量素子とされており、検出部(20)および基準容量部(30)におけるそれぞれの上部電極(22、32)には、水分を感湿部材(23、33)に供給する穴が形成されており、検出部(20)における下部電極(21)と対向する上部電極(22)の面積と、基準容量部(30)における下部電極(31)と対向する上部電極(32)の面積とが等しくされており、検出部(20)における下部電極(21)と上部電極(22)との間隔と、基準容量部(30)における下部電極(31)と上部電極(32)との間隔とが異なることにより、基準容量部(30)における静電容量の変化の傾きが検出部(20)と異なることを特徴としている。   In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, each of the detection section (20) and the reference capacitance section (30) is provided with a lower electrode (see FIG. 1) that is disposed opposite to the substrate (10) in the thickness direction. 21, 31) and upper electrodes (22, 32), and a humidity sensitive member (23) whose dielectric constant changes according to the humidity between the lower electrodes (21, 31) and the upper electrodes (22, 32). , 33), and the upper electrodes (22, 32) of the detection unit (20) and the reference capacitance unit (30) receive moisture from the moisture sensitive members (23, 33). ), The area of the upper electrode (22) facing the lower electrode (21) in the detection part (20), and the upper part facing the lower electrode (31) in the reference capacitor part (30) The area of the electrode (32) is made equal. The distance between the lower electrode (21) and the upper electrode (22) in the portion (20) and the distance between the lower electrode (31) and the upper electrode (32) in the reference capacitance portion (30) are different, so that the reference capacitance It is characterized in that the slope of the change in capacitance in the section (30) is different from that in the detection section (20).

このような容量式湿度センサでは、検出部(20)における下部電極(21)と対向する上部電極(22)の面積と、基準容量部(30)における下部電極(31)と対向する上部電極(32)の面積とを等しくしている。このため、上部電極(22、32)に形成されている穴には、同じように目詰まりが発生することになり、周囲の水分を通過させる量が同じように変化することになる。すなわち、検出部(20)と基準容量部(30)は同じように経時変化することになる。したがって、経時的に検出精度が低下することを抑制することができる。   In such a capacitive humidity sensor, the area of the upper electrode (22) facing the lower electrode (21) in the detection section (20), and the upper electrode facing the lower electrode (31) in the reference capacitance section (30) ( 32). For this reason, the holes formed in the upper electrodes (22, 32) are clogged in the same manner, and the amount of the surrounding moisture passing through is similarly changed. That is, the detection unit (20) and the reference capacitance unit (30) change with time similarly. Therefore, it can suppress that detection accuracy falls over time.

例えば、請求項2に記載の発明のように、検出部(20)における上部電極(22)と、基準容量部(30)における上部電極(32)とを同じ材料を用いて構成し、検出部(20)における感湿部材(23)と、基準容量部(30)における感湿部材(33)とを同じ材料を用いて構成することができる。   For example, as in the invention described in claim 2, the upper electrode (22) in the detection unit (20) and the upper electrode (32) in the reference capacitance unit (30) are configured using the same material, and the detection unit The moisture sensitive member (23) in (20) and the moisture sensitive member (33) in the reference capacity portion (30) can be configured using the same material.

このような容量式湿度センサでは、例えば、上部電極(22、32)と感湿部材(23、33)との熱膨張係数差に起因する熱応力にて上部電極(22、32)に穴を形成する場合、検出部(20)および基準容量部(30)に形成される穴をほぼ同じ形状にすることができる。   In such a capacitive humidity sensor, for example, a hole is formed in the upper electrode (22, 32) due to thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the upper electrode (22, 32) and the moisture sensitive member (23, 33). When forming, the hole formed in the detection part (20) and the reference | standard capacity | capacitance part (30) can be made into the substantially same shape.

また、請求項3に記載の発明のように、基板(10)に、検出部(20)および基準容量部(30)に加えて、検出部(20)および基準容量部(30)からの信号を処理する信号処理回路(60)を備え、検出部(20)および基準容量部(30)と信号処理回路(60)とを基板(10)に形成された配線を介して電気的に接続することができる。   Further, as in the invention described in claim 3, in addition to the detection unit (20) and the reference capacitance unit (30), signals from the detection unit (20) and the reference capacitance unit (30) are applied to the substrate (10). The signal processing circuit (60) for processing the signal is electrically connected, and the detection unit (20), the reference capacitor unit (30), and the signal processing circuit (60) are electrically connected through the wiring formed on the substrate (10). be able to.

このような容量式湿度センサでは、例えば、検出部(20)および基準容量部(30)と信号処理回路(60)とをワイヤボンディングにより電気的に接続する場合と比較して、ワイヤボンディング間の寄生容量を無くすことができ、検出精度を向上させることができる。   In such a capacitive humidity sensor, for example, compared to the case where the detection unit (20), the reference capacitance unit (30), and the signal processing circuit (60) are electrically connected by wire bonding, the interval between wire bondings is reduced. Parasitic capacitance can be eliminated and detection accuracy can be improved.

さらに、請求項4に記載の発明のように、下部電極(21、31)と感湿部材(23、33)との間に保護膜を形成することができる。このような容量式湿度センサでは、例えば、上部電極(22、32)と感湿部材(23、33)との熱膨張係数差に起因する熱応力にて上部電極(22、32)に穴を形成する場合、保護膜により熱応力が緩和されて下部電極(21、31)に割れ等が発生することを抑制することができる。   Further, as in the invention described in claim 4, a protective film can be formed between the lower electrode (21, 31) and the moisture sensitive member (23, 33). In such a capacitive humidity sensor, for example, a hole is formed in the upper electrode (22, 32) due to thermal stress caused by a difference in thermal expansion coefficient between the upper electrode (22, 32) and the moisture sensitive member (23, 33). When forming, it can suppress that a thermal stress is relieve | moderated by a protective film and a crack etc. generate | occur | produce in a lower electrode (21, 31).

また、請求項5に記載の発明のように、検出部(20)における下部電極(21)と基準容量部(30)における下部電極(31)とを共通の電極にて構成することができる。このような容量式湿度センサでは、検出部(20)における下部電極(21)と基準容量部(30)における下部電極(31)とが別々の電極で構成されている場合と比較して、配線パターンを簡略化することができる。   Further, as in the invention described in claim 5, the lower electrode (21) in the detection section (20) and the lower electrode (31) in the reference capacitance section (30) can be configured by a common electrode. In such a capacitive humidity sensor, the lower electrode (21) in the detection section (20) and the lower electrode (31) in the reference capacitance section (30) are compared with the case where they are configured by separate electrodes. The pattern can be simplified.

そして、請求項6に記載の発明のように、検出部(20)における下部電極(21)と上部電極(22)との間隔を基準容量部(30)における下部電極(31)と上部電極(32)との間隔より狭くすることができる。   Then, as in the invention described in claim 6, the distance between the lower electrode (21) and the upper electrode (22) in the detection unit (20) is set to the lower electrode (31) and the upper electrode ( 32).

さらに、請求項7に記載の発明のように、基準容量部(30)における下部電極(31)および上部電極(32)に対して、静電容量が温度変化に対して一定であるコンデンサを備えることができる。   Furthermore, as in the invention described in claim 7, a capacitor having a constant capacitance with respect to a temperature change is provided for the lower electrode (31) and the upper electrode (32) in the reference capacitor portion (30). be able to.

このような容量式湿度センサでは、コンデンサの静電容量値を適宜設定することにより、検出部(20)と基準容量部(30)との初期容量差を低減することができ、初期静電容量差によるノイズを抑制することができる。   In such a capacitive humidity sensor, the initial capacitance difference between the detection unit (20) and the reference capacitance unit (30) can be reduced by appropriately setting the capacitance value of the capacitor. Noise due to the difference can be suppressed.

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。   In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis of each means described in this column and the claim shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later.

本発明の第1実施形態における容量式湿度センサの平面図である。It is a top view of the capacity type humidity sensor in a 1st embodiment of the present invention. 図1に示す容量式湿度センサのA−A断面図である。It is AA sectional drawing of the capacity type humidity sensor shown in FIG. (a)は従来の容量式湿度センサにおける検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量との関係を示す図、(b)は第1実施形態の容量式湿度センサにおける検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量との関係を示す図である。(A) is a figure which shows the relationship between the relative humidity and electrostatic capacitance of the detection part and reference | standard capacity | capacitance part in the conventional capacitive humidity sensor, (b) is the detection part and reference | standard capacity | capacitance in the capacitive humidity sensor of 1st Embodiment. It is a figure which shows the relationship between the relative humidity of a part and an electrostatic capacitance. 本発明の第2実施形態における容量式湿度センサの平面図である。It is a top view of the capacity type humidity sensor in a 2nd embodiment of the present invention.

(第1実施形態)
本発明の第1実施形態について説明する。図1は本実施形態における容量式湿度センサの平面図、図2は図1に示すA−A断面図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a plan view of a capacitive humidity sensor according to the present embodiment, and FIG.

図1および図2に示されるように、シリコン等で形成される半導体基板10上には、図示しない酸化膜を介して検出部20および基準容量部30が形成されている。具体的には、検出部20は、半導体基板10の厚さ方向に離間して対向配置される下部電極21と上部電極22とを有すると共に、下部電極21と上部電極22との間に湿度に応じて誘電率が変化する感湿部材23を備えた積層型の容量素子とされている。同様に、基準容量部30は、半導体基板10の厚さ方向に離間して対向配置される下部電極31と上部電極32とを有すると共に、下部電極31と上部電極32との間に湿度に応じて誘電率が変化する感湿部材33を備えた積層型の容量素子とされている。そして、検出部20と基準容量部30とは電気的に接続されている。   As shown in FIGS. 1 and 2, a detection unit 20 and a reference capacitance unit 30 are formed on a semiconductor substrate 10 made of silicon or the like via an oxide film (not shown). Specifically, the detection unit 20 includes a lower electrode 21 and an upper electrode 22 that are disposed to be opposed to each other in the thickness direction of the semiconductor substrate 10, and the humidity is between the lower electrode 21 and the upper electrode 22. Accordingly, the multilayer capacitive element is provided with a moisture sensitive member 23 whose dielectric constant changes accordingly. Similarly, the reference capacitor unit 30 includes a lower electrode 31 and an upper electrode 32 that are disposed to be opposed to each other in the thickness direction of the semiconductor substrate 10, and according to humidity between the lower electrode 31 and the upper electrode 32. Thus, the multilayer capacitive element is provided with a moisture sensitive member 33 whose dielectric constant varies. The detection unit 20 and the reference capacitance unit 30 are electrically connected.

下部電極21、31は、半導体基板10上に酸化膜を介してAlやAl−Si等で形成されており、半導体基板10側と反対の表面は、本発明の保護膜に相当する窒化シリコン膜にて覆われている。本実施形態では、これら下部電極21、31は、半導体基板10上に形成された下層電極40の一部にて構成されている。言い換えると、下部電極21、31は、共通の電極にて構成されている。   The lower electrodes 21 and 31 are formed of Al, Al-Si or the like on the semiconductor substrate 10 via an oxide film, and the surface opposite to the semiconductor substrate 10 side is a silicon nitride film corresponding to the protective film of the present invention. Covered with In the present embodiment, these lower electrodes 21 and 31 are constituted by a part of the lower layer electrode 40 formed on the semiconductor substrate 10. In other words, the lower electrodes 21 and 31 are configured by a common electrode.

上部電極22、32は、本実施形態では、それぞれ下部電極21、31より小さい矩形状とされ、AuやCr等で構成されている。そして、周囲の水分をそれぞれ感湿部材23、33に供給する穴、言い換えると感湿部材23、33を上部電極22、32から露出させる図示しない複数の穴がほぼ同じだけ形成されている。   In the present embodiment, the upper electrodes 22 and 32 have a rectangular shape smaller than the lower electrodes 21 and 31, respectively, and are made of Au, Cr, or the like. The holes for supplying the surrounding moisture to the moisture sensitive members 23 and 33, in other words, the plurality of holes (not shown) for exposing the moisture sensitive members 23 and 33 from the upper electrodes 22 and 32 are formed in substantially the same amount.

また、検出部20における下部電極21と対向する上部電極22の面積は、基準容量部30における下部電極31と対向する上部電極32の面積と等しくされている。すなわち、上部電極22、32は、矩形状とされており、感湿部材23、33に水分を供給する穴がほぼ同じだけ形成されているため、長辺と短辺で囲まれる穴を含めた面積が互いに等しくされている。なお、本明細書において、下部電極21、31と対向する上部電極22、32の面積が互いに等しいとは、完全に等しい場合に加えてほぼ等しい場合を含むものであり、製造誤差等による5%のズレを含むものである。   Further, the area of the upper electrode 22 facing the lower electrode 21 in the detection unit 20 is made equal to the area of the upper electrode 32 facing the lower electrode 31 in the reference capacitance unit 30. That is, the upper electrodes 22 and 32 have a rectangular shape, and the holes for supplying moisture to the moisture-sensitive members 23 and 33 are formed in almost the same amount. Therefore, the holes surrounded by the long side and the short side are included. The areas are equal to each other. In this specification, the areas of the upper electrodes 22 and 32 facing the lower electrodes 21 and 31 are equal to each other, including the case where they are almost equal in addition to the case where they are completely equal, and 5% due to manufacturing errors or the like. This includes the deviation.

さらに、本実施形態では、検出部20における下部電極21と上部電極22との間隔は、基準容量30における下部電極31と上部電極32との間隔より狭くなっている。すなわち、検出部20および基準容量部30は、電極間の距離が異なるものとされることにより、静電容量の湿度変化に対する傾きが互いに異なるようにされている。言い換えれば、検出部20と基準容量部30に感度差を持たせている。   Furthermore, in the present embodiment, the interval between the lower electrode 21 and the upper electrode 22 in the detection unit 20 is narrower than the interval between the lower electrode 31 and the upper electrode 32 in the reference capacitor 30. That is, the detection unit 20 and the reference capacitance unit 30 are configured such that the slopes of the capacitance with respect to the humidity change are different from each other by making the distance between the electrodes different. In other words, the detection unit 20 and the reference capacitor unit 30 have a sensitivity difference.

感湿部材23、33は、それぞれ下部電極21、31上に窒化シリコン膜を介して形成されており、ポリイミド系ポリマー等からなる吸湿性を備えた高分子材料を有する同一の材料で構成されている。すなわち、本実施形態では、感湿部材23、33は、同じ材料で構成されているため、周囲の湿度に応じて同じように誘電率が変化するようになっている。   The moisture sensitive members 23 and 33 are respectively formed on the lower electrodes 21 and 31 via a silicon nitride film, and are made of the same material having a hygroscopic polymer material made of polyimide polymer or the like. Yes. That is, in this embodiment, since the moisture sensitive members 23 and 33 are made of the same material, the dielectric constant is changed in the same manner according to the ambient humidity.

また、下層電極40および上部電極22、32は、ボンディングワイヤ51〜53を介して、半導体基板10と異なる基板に形成された信号処理回路としてのCV変換回路60と電気的に接続されている。そして、検出部20および基準容量部30における静電容量の変化は、CV変換回路60で処理されるようになっている。   The lower layer electrode 40 and the upper electrodes 22 and 32 are electrically connected to a CV conversion circuit 60 as a signal processing circuit formed on a substrate different from the semiconductor substrate 10 through bonding wires 51 to 53. The change in capacitance in the detection unit 20 and the reference capacitance unit 30 is processed by the CV conversion circuit 60.

このような容量式湿度センサでは、感湿部材23、33は上部電極22、32や下部電極21、31と接触していない部分から水分を吸脱着するため、湿度に応じて検出部20および基準容量部30における静電容量が変化する。そして、検出部20と基準容量部30とは湿度に対する静電容量の変化の傾きが互いに異なっているため、CV変換回路60から検出部20の静電容量と基準容量部30の静電容量との差を電圧に変換して外部回路に出力することにより、周囲の相対湿度が検出される。   In such a capacitive humidity sensor, the moisture-sensitive members 23 and 33 absorb and desorb moisture from the portions not in contact with the upper electrodes 22 and 32 and the lower electrodes 21 and 31, so The electrostatic capacitance in the capacitor unit 30 changes. And since the inclination of the change of the electrostatic capacitance with respect to humidity differs mutually from the detection part 20 and the reference | standard capacity | capacitance part 30, from the CV conversion circuit 60, the electrostatic capacitance of the detection part 20 and the electrostatic capacitance of the reference | standard capacity | capacitance part 30 The ambient relative humidity is detected by converting the difference between the two into a voltage and outputting it to an external circuit.

次に、図1に示す容量式湿度センサの製造方法について簡単に説明する。   Next, a method for manufacturing the capacitive humidity sensor shown in FIG. 1 will be briefly described.

まず、半導体基板10を用意して表面に酸化膜を形成する。その後、蒸着やスパッタリング等により酸化膜上に下層電極層を形成し、パターニングすることにより、下部電極21、31を含む下層電極40を形成する。そして、プラズマCVD法等により、下層電極40を覆うように窒化シリコン膜を形成する。その後、下層電極40のうちの所定領域、つまり下部電極21上に感湿部材23を形成すると共に、下部電極31上に感湿部材33を形成する。具体的には、インクジェット法等により、感湿部材23の膜厚が感湿部材33の膜厚より薄くなるように形成する。   First, the semiconductor substrate 10 is prepared and an oxide film is formed on the surface. Thereafter, a lower electrode layer including the lower electrodes 21 and 31 is formed by forming and patterning a lower electrode layer on the oxide film by vapor deposition or sputtering. Then, a silicon nitride film is formed so as to cover the lower layer electrode 40 by plasma CVD or the like. Thereafter, the moisture sensitive member 23 is formed on a predetermined region of the lower layer electrode 40, that is, the lower electrode 21, and the moisture sensitive member 33 is formed on the lower electrode 31. Specifically, the moisture sensitive member 23 is formed so that the film thickness of the moisture sensitive member 23 is smaller than the film thickness of the moisture sensitive member 33 by an inkjet method or the like.

その後、蒸着やスパッタリング等により感湿部材23、33を覆うように上部電極層を形成する。その後、フォトリソグラフィ等により上部電極層をパターニングし、感湿部材23上に上部電極22を形成すると共に、感湿部材33上に上部電極32を形成する。   Thereafter, an upper electrode layer is formed so as to cover the moisture sensitive members 23 and 33 by vapor deposition, sputtering, or the like. Thereafter, the upper electrode layer is patterned by photolithography or the like to form the upper electrode 22 on the moisture sensitive member 23 and to form the upper electrode 32 on the moisture sensitive member 33.

続いて、半導体基板10を加熱し、感湿部材23、33と上部電極22、32との熱膨張係数差に起因する熱応力を上部電極22、32に印加し、上部電極22、32に割れや裂け目等を含む穴を形成する。この穴が、感湿部材23、33に水分を供給する部分となる。   Subsequently, the semiconductor substrate 10 is heated, and thermal stress resulting from the difference in thermal expansion coefficient between the moisture sensitive members 23 and 33 and the upper electrodes 22 and 32 is applied to the upper electrodes 22 and 32, and the upper electrodes 22 and 32 are cracked. A hole including a tear and a tear is formed. This hole becomes a portion for supplying moisture to the moisture-sensitive members 23 and 33.

なお、本実施形態では、上部電極22、32を同じ材料を用いて構成し、感湿部材23、33を同じ材料を用いて構成しているため、上部電極22、32には互いにほぼ同じ穴が形成される。また、下部電極21、31を含む下層電極40上には窒化シリコン膜が形成されており、下層電極40と感湿部材23、33との熱膨張係数差に起因する熱応力は窒化シリコン膜により吸収(緩和)されるため、下層電極40が割れることは抑制される。   In the present embodiment, the upper electrodes 22 and 32 are made of the same material, and the moisture sensitive members 23 and 33 are made of the same material. Is formed. Further, a silicon nitride film is formed on the lower electrode 40 including the lower electrodes 21 and 31, and the thermal stress caused by the difference in thermal expansion coefficient between the lower electrode 40 and the moisture sensitive members 23 and 33 is caused by the silicon nitride film. Since it is absorbed (relaxed), cracking of the lower layer electrode 40 is suppressed.

以上説明したように、本実施形態では、検出部20における下部電極21と対向する上部電極22の面積と、基準容量部30における下部電極31と対向する上部電極32の面積とを等しくしている。   As described above, in the present embodiment, the area of the upper electrode 22 facing the lower electrode 21 in the detection unit 20 is equal to the area of the upper electrode 32 facing the lower electrode 31 in the reference capacitance unit 30. .

このため、上部電極22、32に形成されている穴には、同じように目詰まりが発生することになり、周囲の水分を通過させる量が同じように変化することになる。すなわち、検出部20および基準容量部30は、ほぼ等しく経時変化することになり、経時的に検出精度が低下することを抑制することができる。   For this reason, clogging occurs in the holes formed in the upper electrodes 22 and 32 in the same manner, and the amount of the surrounding moisture passing through changes similarly. That is, the detection unit 20 and the reference capacitance unit 30 change with time almost equally, and it is possible to suppress a decrease in detection accuracy over time.

図3(a)は従来の容量式湿度センサにおける検出部と基準容量部の相対湿度と静電容量との関係を示す図、図3(b)は本実施形態の容量式湿度センサにおける検出部20と基準容量部30の相対湿度と静電容量との関係を示す図である。なお、図3では、実線にて初期の静電容量を示しており、破線にて経時変化後の静電容量を示している。   FIG. 3A is a diagram showing the relationship between the relative humidity and capacitance of the detection unit and the reference capacitance unit in the conventional capacitive humidity sensor, and FIG. 3B is the detection unit in the capacitive humidity sensor of the present embodiment. It is a figure which shows the relationship between the relative humidity of 20 and the reference | standard capacity | capacitance part 30, and an electrostatic capacitance. In FIG. 3, the initial capacitance is indicated by a solid line, and the capacitance after change with time is indicated by a broken line.

従来の容量式湿度センサでは、例えば、検出部における下部電極と対向する上部電極の面積より、基準容量部における下部電極と対向する上部電極の面積の方が小さくされている。このため、図3(a)に示されるように、経時変化した後は、初期状態(図3(a)中の実線)に対して、相対湿度0%RHのときの静電容量は基準容量部の方が大きく低下すると共に、湿度変化に対する静電容量の傾きも基準容量部の方が大きく低下する。   In the conventional capacitive humidity sensor, for example, the area of the upper electrode facing the lower electrode in the reference capacity portion is smaller than the area of the upper electrode facing the lower electrode in the detection portion. For this reason, as shown in FIG. 3A, after the change with time, the electrostatic capacity at the relative humidity of 0% RH is the reference capacity with respect to the initial state (solid line in FIG. 3A). The portion of the reference capacitance portion is greatly reduced, and the inclination of the capacitance with respect to the humidity change is also greatly reduced.

これに対し、本実施形態では、検出部20および基準容量部30が同じように経時変化する。したがって、図3(b)に示されるように、経時変化した後は、初期状態(図3(b)中の実線)に対して、相対湿度0%RHのときの静電容量はそれぞれ同じ容量だけ低下し、湿度変化に対する静電容量の傾きも同じだけ低下する。すなわち、経時変化後の検出精度が低下することを抑制することができる。   On the other hand, in the present embodiment, the detection unit 20 and the reference capacitance unit 30 change with time similarly. Therefore, as shown in FIG. 3 (b), after the change over time, the electrostatic capacity at the relative humidity of 0% RH is the same as that in the initial state (solid line in FIG. 3 (b)). And the slope of the capacitance with respect to the humidity change is also reduced by the same amount. That is, it can suppress that the detection accuracy after a time-dependent change falls.

(第2実施形態)
本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態の容量式湿度センサは、半導体基板10上にCV変換回路60を備えたものであり、その他に関しては第1実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。図4は、本実施形態における容量式湿度センサの平面図である。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described. The capacitive humidity sensor according to the present embodiment includes the CV conversion circuit 60 on the semiconductor substrate 10, and the other aspects are the same as those of the first embodiment, and thus the description thereof is omitted here. FIG. 4 is a plan view of the capacitive humidity sensor in the present embodiment.

図4に示されるように、本実施形態における容量式湿度センサは、半導体基板10上に、検出部20と、基準容量部30と、CV変換回路60とが形成されている。そして、下部電極21、31および上部電極22、32と、CV変換回路60とは、半導体基板10上に形成されたパターン配線等により電気的に接続されている。すなわち、第1実施形態と比較して、ボンディングワイヤを備えない構成とされている。   As shown in FIG. 4, the capacitive humidity sensor in the present embodiment has a detection unit 20, a reference capacitance unit 30, and a CV conversion circuit 60 formed on a semiconductor substrate 10. The lower electrodes 21 and 31 and the upper electrodes 22 and 32 and the CV conversion circuit 60 are electrically connected by a pattern wiring or the like formed on the semiconductor substrate 10. That is, compared with 1st Embodiment, it is set as the structure which is not provided with a bonding wire.

このような容量式湿度センサでは、上記第1実施形態と比較して、下部電極21、31、上部電極22、32とCV変換回路60とを接続するボンディングワイヤを無くしているため、ボンディングワイヤ間で発生する寄生容量を無くすことができ、検出精度を向上させることができる。   In such a capacitive humidity sensor, the bonding wires connecting the lower electrodes 21 and 31 and the upper electrodes 22 and 32 and the CV conversion circuit 60 are eliminated as compared with the first embodiment. Can eliminate the parasitic capacitance generated in the above, and improve the detection accuracy.

(他の実施形態)
上記第1、第2実施形態において、基準容量部30を構成する下部電極31および上部電極32に対して、静電容量が温度変化に対して一定であり、かつ、検出部20と基準容量部30との初期静電容量差、例えば、相対湿度0%RHにおける静電容量差を小さくする(好ましくは0とする)容量を有するコンデンサを備えることもできる。このような容量式湿度センサでは、当該コンデンサを備えない場合と比較して、初期静電容量差によるノイズを抑制することができる。
(Other embodiments)
In the first and second embodiments, the capacitance of the lower electrode 31 and the upper electrode 32 constituting the reference capacitance unit 30 is constant with respect to temperature change, and the detection unit 20 and the reference capacitance unit It is also possible to provide a capacitor having a capacity that reduces the initial capacitance difference from 30, for example, the capacitance difference at 0% RH relative humidity (preferably 0). In such a capacitive humidity sensor, noise due to an initial capacitance difference can be suppressed as compared with a case where the capacitor is not provided.

また、上記第1、第2実施形態では、感湿部材23、33を同じ材料で構成した例について説明したが、感湿部材23、33を異なる材料で構成することもできる。同様に、上部電極22、32を互いに異なる材料で構成することもできる。   Moreover, although the said 1st, 2nd embodiment demonstrated the example which comprised the moisture sensitive members 23 and 33 with the same material, the moisture sensitive members 23 and 33 can also be comprised with a different material. Similarly, the upper electrodes 22 and 32 can be made of different materials.

さらに、上記第1、第2実施形態では、検出部20における下部電極21と上部電極22との間隔が、基準容量部30における下部電極31と上部電極32との間隔より狭くなっている例について説明したが、例えば、検出部20における下部電極21と上部電極22との間隔が、基準容量部30における下部電極31と上部電極32との間隔より広くされていてもよい。   Furthermore, in the first and second embodiments, an example in which the interval between the lower electrode 21 and the upper electrode 22 in the detection unit 20 is narrower than the interval between the lower electrode 31 and the upper electrode 32 in the reference capacitor unit 30. As described above, for example, the interval between the lower electrode 21 and the upper electrode 22 in the detection unit 20 may be wider than the interval between the lower electrode 31 and the upper electrode 32 in the reference capacitor unit 30.

10 半導体基板
20 検出部
21 下部電極
22 上部電極
23 感湿部材
30 基準容量部
31 下部電極
32 上部電極
33 感湿部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Semiconductor substrate 20 Detection part 21 Lower electrode 22 Upper electrode 23 Moisture sensitive member 30 Reference capacity part 31 Lower electrode 32 Upper electrode 33 Moisture sensitive member

Claims (7)

周囲の湿度変化に応じて静電容量が変化する検出部(20)、および周囲の湿度変化に応じて静電容量が変化すると共に湿度変化に対する静電容量の変化の傾きが前記検出部(20)と異なる基準容量部(30)が基板(10)に形成され、前記検出部(20)と前記基準容量部(20)との出力差から相対湿度を検出する容量式湿度センサにおいて、
前記検出部(20)および前記基準容量部(30)それぞれは、前記基板(10)の厚さ方向に離間して対向配置される下部電極(21、31)と上部電極(22、32)とを有すると共に、前記下部電極(21、31)と前記上部電極(22、32)との間に湿度に応じて誘電率が変化する感湿部材(23、33)を備えた積層型の容量素子とされており、
前記検出部(20)および前記基準容量部(30)におけるそれぞれの前記上部電極(22、32)には、水分を前記感湿部材(23、33)に供給する穴が形成されており、
前記検出部(20)における前記下部電極(21)と対向する前記上部電極(22)の面積と、前記基準容量部(30)における前記下部電極(31)と対向する前記上部電極(32)の面積とが等しくされており、
前記検出部(20)における前記下部電極(21)と前記上部電極(22)との間隔と、前記基準容量部(30)における前記下部電極(31)と前記上部電極(32)との間隔とが異なることにより、前記基準容量部(30)における前記静電容量の変化の傾きが前記検出部(20)と異なることを特徴とする容量式湿度センサ。
A detection unit (20) in which the capacitance changes in accordance with a change in ambient humidity, and a change in capacitance in accordance with a change in ambient humidity and the inclination of the change in capacitance with respect to a change in humidity is the detection unit (20 In the capacitive humidity sensor, a reference capacitance unit (30) different from) is formed on the substrate (10), and relative humidity is detected from an output difference between the detection unit (20) and the reference capacitance unit (20).
Each of the detection unit (20) and the reference capacitance unit (30) includes a lower electrode (21, 31) and an upper electrode (22, 32) that are arranged to be opposed to each other in the thickness direction of the substrate (10). And having a moisture sensitive member (23, 33) whose dielectric constant changes according to humidity between the lower electrode (21, 31) and the upper electrode (22, 32). And
Holes for supplying moisture to the moisture sensitive members (23, 33) are formed in the upper electrodes (22, 32) of the detection unit (20) and the reference capacitor unit (30), respectively.
The area of the upper electrode (22) facing the lower electrode (21) in the detection unit (20) and the upper electrode (32) facing the lower electrode (31) in the reference capacitance unit (30). The area is equal,
The interval between the lower electrode (21) and the upper electrode (22) in the detection unit (20), and the interval between the lower electrode (31) and the upper electrode (32) in the reference capacitance unit (30) The capacitance humidity sensor is characterized in that the difference in the capacitance of the reference capacitance unit (30) is different from that of the detection unit (20).
前記検出部(20)における前記上部電極(22)と、前記基準容量部(30)における前記上部電極(32)とは同じ材料を用いて構成され、
前記検出部(20)における前記感湿部材(23)と、前記基準容量部(30)における前記感湿部材(33)とは同じ材料を用いて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の容量式湿度センサ。
The upper electrode (22) in the detection unit (20) and the upper electrode (32) in the reference capacitance unit (30) are configured using the same material,
The said moisture sensitive member (23) in the said detection part (20) and the said moisture sensitive member (33) in the said reference | standard capacity | capacitance part (30) are comprised using the same material. The capacitive humidity sensor described in 1.
前記基板(10)には、前記検出部(20)および前記基準容量部(30)に加えて、前記検出部(20)および前記基準容量部(30)からの信号を処理する信号処理回路(60)が備えられ、
前記検出部(20)および前記基準容量部(30)と前記信号処理回路(60)とは、前記基板(10)に形成された配線を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項1または2に記載の容量式湿度センサ。
In the substrate (10), in addition to the detection unit (20) and the reference capacitance unit (30), a signal processing circuit for processing signals from the detection unit (20) and the reference capacitance unit (30) ( 60)
The detection unit (20), the reference capacitor unit (30), and the signal processing circuit (60) are electrically connected via a wiring formed on the substrate (10). The capacitive humidity sensor according to claim 1 or 2.
前記下部電極(21、31)と前記感湿部材(23、33)との間には、保護膜が形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1つに記載の容量式湿度センサ。   The capacitance according to any one of claims 1 to 3, wherein a protective film is formed between the lower electrode (21, 31) and the moisture sensitive member (23, 33). Humidity sensor. 前記検出部(20)における前記下部電極(21)と前記基準容量部(30)における前記下部電極(31)とは、共通の電極にて構成されていることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1つに記載の容量式湿度センサ。   The said lower electrode (21) in the said detection part (20) and the said lower electrode (31) in the said reference capacity | capacitance part (30) are comprised by the common electrode, The 1 thru | or 4 characterized by the above-mentioned. The capacitive humidity sensor according to any one of the above. 前記検出部(20)における前記下部電極(21)と前記上部電極(22)との間隔は、前記基準容量部(30)における前記下部電極(31)と前記上部電極(32)との間隔より狭くなっていることを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1つに記載の容量式湿度センサ。   The interval between the lower electrode (21) and the upper electrode (22) in the detection unit (20) is greater than the interval between the lower electrode (31) and the upper electrode (32) in the reference capacitance unit (30). 6. The capacitive humidity sensor according to claim 1, wherein the humidity sensor is narrow. 前記基準容量部(30)における前記下部電極(31)および前記上部電極(32)に対して、静電容量が温度変化に対して一定であるコンデンサが備えられていることを特徴とする請求項1ないし6のいずれか1つに記載の容量式湿度センサ。   The capacitor having a constant capacitance with respect to a temperature change is provided for the lower electrode (31) and the upper electrode (32) in the reference capacitance section (30). The capacitive humidity sensor according to any one of 1 to 6.
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