JP2019158505A - 湿度検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】湿度検知の応答性を向上および測定値のドリフトを抑制することができる湿度検知装置を提供すること。【解決手段】本発明の一態様は、基材の主面上に設けられた第１電極と、第１電極を覆うように設けられた誘電体部と、誘電体部の上に設けられ、所定間隔で複数の開口部が設けられた第２電極と、第２電極および誘電体部を覆うように設けられた保護膜と、を備えた湿度検知装置である。この湿度検知装置において、基材の主面と直交する第１方向にみて、第１電極は誘電体部に包含され、第２電極の外周位置は第１電極の外周位置と同じ、または内側に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は湿度検知装置に関し、より詳しくは、２つの電極および誘電体部が設けられた湿度検知装置に関するものである。

湿度検知装置として、２つの電極間に誘電体部を設け、誘電体部の電気的特性（静電容量、電気抵抗）の変化に基づき湿度を検知する構成が知られている。例えば、静電容量の変化によって湿度を検知する装置（容量式の湿度検知装置）では、外気の湿度の影響を受けない参照用容量部（参照部）と、外気の湿度によって容量が変化する湿度検知用容量部（検知部）とを備えている。

参照部は外気から湿気が浸入しないような構造になっており、湿度にかかわらず一定の容量を構成している。一方、検知部は外気から湿気が浸入できる構造になっており、湿度に応じて容量が変化する構成となっている。このような容量式の湿度検知装置では、検知部からの出力電圧と、参照部からの出力電圧との差分に基づいて相対湿度が算出される。

特許文献１には、容量値のシフトを修正する容量型湿度センサが開示される。この容量型湿度センサは、基板上に配置された板状の導電体からなる下部電極と、下部電極上に配置された高分子からなる感湿膜と、感湿膜上に配置された板状の導電体からなる上部電極と、下部電極の一部が露出するように下部電極を覆う感湿膜の一部が除去された切欠き部とを備える。

特許文献２には、長時間使用しても感湿材が劣化せず、高湿度で使用しても長期安定性のある湿度センサが開示される。この湿度センサは、電気絶縁基板に固着される下部電極と、下部電極を覆う感湿材と、下部電極と接触せずに感湿材を覆う上部電極とを備える。この湿度センサにおいては、上部電極の感湿材を覆う割合が、下部電極側の裏面側の感湿材の表面積に対して３０〜９０％となっている。

特開２０１７−１８７３２８号公報 特開平１０−２２１２８８号公報

湿度検知装置において、誘電体部にはポリイミド等の高分子膜が用いられる。この誘電体部には、外気の湿度によって湿気（水分）が出入りしており、誘電体部の湿気によって変化する静電容量等の電気的特性の変化から湿度を検知している。したがって、誘電体部へ湿気が出入りしにくいと湿度検知の応答性に影響を与えるとともに、測定値がドリフトを起こす要因となる。特に、誘電体部の周辺の領域は、電極の開口部から離れているとともに、上方および外側が保護膜で覆われ、さらに下方には第１絶縁層が位置しているため、湿気が出入りし難い。このように湿気の出入りし難い領域が検知領域となっていると、湿度検知の応答性の低下とともに、測定値のドリフトの原因にもなる。

本発明は、湿度検知の応答性を向上および測定値のドリフトを抑制することができる湿度検知装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、基材の主面上に設けられた第１電極と、第１電極を覆うように設けられた誘電体部と、誘電体部の上に設けられ、所定間隔で複数の開口部が設けられた第２電極と、第２電極および誘電体部を覆うように設けられた保護膜と、を備えた湿度検知装置である。この湿度検知装置において、基材の主面と直交する第１方向にみて、第１電極は誘電体部に包含され、第２電極の外周位置は第１電極の外周位置と同じ、または内側に設けられる。

このような構成によれば、誘電体部の中央寄りの領域が第１電極および第２電極の電界の影響を受ける感湿領域となり、誘電体部の周辺の領域は第１電極および第２電極の電界の影響を実質的に受けない不感領域となる。これによって、外部の湿気が出入りし易い中央寄りの領域を感湿領域とし、外部の湿気が出入りし難い周辺の領域を不感領域にすることができる。

上記湿度検知装置において、誘電体部における第１電極と第２電極とが重なる中央領域は、誘電体部の厚さが実質的に一定の領域を含んでいてもよい。これにより、第１電極と第２電極との間の誘電体部の厚さが実質的に一定となり、安定した平行平板型の電極構造を構成することができる。

上記湿度検知装置において、誘電体部における中央領域よりも外側の周辺領域は、誘電体部の厚さが外方に向かうほど薄くなる傾斜領域を含んでいてもよい。これにより、傾斜領域には第１電極および第２電極が設けられないため、湿気の停留しやすい傾斜領域を不感領域にすることができる。

上記湿度検知装置において、第１方向にみて、第２電極の端部は、開口部の端部から複数の開口部の所定間隔の１／２以内に位置するよう設けられていてもよい。これにより、誘電体部のうち開口部に近い領域を感湿領域とし、開口部から離れていて湿気の停留しやすい領域を不感領域にすることができる。

本発明によれば、湿度検知の応答性を向上および測定値のドリフトを抑制することができる湿度検知装置を提供することが可能になる。

（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る湿度検知装置を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、検知部を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、他の検知部を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、参考例に係る検知部を例示する図である。 容量測定値のドリフト特性を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は、湿度検知装置の他の構造を例示する断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、湿度検知装置の他の構造を例示する断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。

（湿度検知装置の構成）
図１（ａ）および（ｂ）は、本実施形態に係る湿度検知装置を例示する図である。
図１（ａ）には湿度検知装置１の断面図が示され、図１（ｂ）には湿度検知装置１の平面図が示される。図１（ａ）に示す断面図は、図１（ｂ）に示すＡ−Ａ線断面図である。
図２（ａ）および（ｂ）は、検知部を例示する図である。
図２（ａ）には検知部１０の断面図が示され、図２（ｂ）には検知部１０の平面図が示される。
図３（ａ）および（ｂ）は、他の検知部を例示する図である。
図３（ａ）には検知部１０の断面図が示され、図３（ｂ）には検知部１０の平面図が示される。

図１に示すように、本実施形態に係る湿度検知装置１は外気の湿度を電気信号として検知する装置であり、基材５０の上に設けられた検知部１０と、参照部２０とを備える。湿度検知装置１は、検知部１０と参照部２０との容量差に基づいて湿度を検知する。

基材５０としては、例えばシリコンが用いられる。基材５０の主面５０ａ上には例えば酸化シリコンの第１絶縁層５５が形成されており、この第１絶縁層５５の上に並置して検知部１０および参照部２０が形成される。また、第１絶縁層５５の上には検知部１０および参照部２０と引き出し配線１２を介して導通するパッド電極１５が設けられる。

検知部１０は、基材５０の主面５０ａ上に設けられた第１電極１１０と、第１電極１１０を覆うように設けられた誘電体部１３０と、誘電体部１３０の上に設けられた第２電極１２０と、第２電極１２０および誘電体部１３０を覆うように設けられた保護膜３０とを有する。すなわち、主面５０ａと直交する第１方向Ｄ１に第１電極１１０、誘電体部１３０および第２電極１２０がこの順で積層される。これにより、第１電極１１０と第２電極１２０との間に誘電体部１３０が配置された構造体が構成される。

第１電極１１０および第２電極１２０には、例えばルテニウム（Ｒｕ）が用いられる。また、誘電体部１３０には、例えばポリイミド系樹脂や酸化シリコンが用いられる。第１方向Ｄ１にみて、第１電極１１０は誘電体部１３０に包含される。すなわち、誘電体部１３０の外周位置１３０ａは、第１電極１１０の外周位置１１０ａよりも外側となっている。

第２電極１２０には、所定の間隔で複数の開口部１２０ｈが設けられる。この開口部１２０ｈを通じて外部の湿気が誘電体部１３０まで到達する。誘電体部１３０に含まれる水分量に応じて誘電体部１３０の誘電率が変化する。これにより、第１電極１１０と第２電極１２０との間の静電容量が変化して、変化した静電容量に基づき湿度を検知することができる。

保護膜３０は、開口部１２０ｈ以外の第２電極１２０および誘電体部１３０を覆うように設けられる。保護膜３０には、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられる。

参照部２０は、検知部１０と同様な積層構造を有する。すなわち、参照部２０は、基材５０の主面５０ａ上に設けられた参照用第１電極２１０と、参照用第１電極２１０を覆うように設けられた参照用誘電体部２３０と、参照用誘電体部２３０の上に設けられた参照用第２電極２２０と、参照用第２電極２２０および参照用誘電体部２３０を覆うように設けられた保護膜３０とを有する。

参照部２０の全体は保護膜３０によって覆われている。これにより、参照部２０には外部からの湿気がほとんど入らず、参照用誘電体部２３０の誘電率はほとんど変化しない。したがって、参照用第１電極２１０、参照用第２電極２２０および参照用誘電体部２３０によって構成される参照部２０の静電容量はほぼ一定となる。この参照部２０での静電容量に基づく出力電圧と、検知部１０での静電容量に基づく出力電圧との差分から相対湿度を検知することができる。

検知部１０の周囲には枠部６０が設けられる。枠部６０は、例えばシリコンをエッチングして枠型に形成したものであり、接着剤６５を介して基材５０上に接続される。枠部６０としてシリコンを用いることで、シリコンの加工性および硬さを利用して枠部６０を構成することができる。この枠部６０の開口６０１内に検知部１０が配置されることで、外部の湿気が開口６０１から第２電極１２０の開口部１２０ｈを介して誘電体部１３０に取り込まれる。誘電体部１３０に取り込まれた湿気に応じて誘電体部１３０の誘電率が変化し、この誘電率に基づき湿度を検知することができる。

本実施形態に係る湿度検知装置１において、第１方向Ｄ１にみて、第１電極１１０は誘電体部１３０に包含されるとともに、第２電極１２０の外周位置１２０ａは第１電極１１０の外周位置１１０ａと同じとなっている。ここで、第１電極１１０の外周位置１１０ａとは、第１電極１１０における第２電極１２０との間の電界に実質的に影響を与える主要部の外形における外周の位置である。
ここで、第１方向Ｄ１にみて、誘電体部１３０における第１電極１１０と第２電極１２０とが重なる領域を中央領域Ｒ１、中央領域Ｒ１よりも外側に設けられた領域を周辺領域Ｒ２ということにする。

このような電極構造によって、誘電体部１３０の中央寄りの領域である中央領域Ｒ１が第１電極１１０および第２電極１２０の電界の影響を大きく受ける感湿領域となる。一方、誘電体部１３０の周辺領域Ｒ２には第１電極１１０および第２電極１２０のいずれも設けられていないため、第１電極１１０および第２電極１２０の電界の影響を実質的に受けない不感領域となる。

本実施形態に係る湿度検知装置１では、誘電体部１３０が第１電極１１０の全体を覆うように設けられる。すなわち、第１方向Ｄ１にみて、誘電体部１３０は第１電極１１０の外形よりも大きく設けられる。これは、第１電極１１０と第２電極１２０との絶縁性を確実に確保するためである。このような構造にするため、製造上のばらつきを考慮して、誘電体部１３０を第１電極１１０よりも大きく設けている。また、この構造により、対向する第１電極１１０と第２電極１２０との間の全体に誘電体部１３０が設けられ、湿度検知の感度を向上させることができる。

このような誘電体部１３０において、第１電極１１０の上に位置する誘電体部１３０の厚さはほぼ一定である。中央領域Ｒ１は、この誘電体部１３０の厚さが実質的に一定の領域（第１電極１１０の上の領域）を含む。これにより、第１電極１１０と第２電極１２０との間の誘電体部１３０の厚さが実質的に一定となり、安定した平行平板型の電極構造を構成することができる。

一方、第１電極１１０よりも外側に位置する誘電体部１３０の厚さは、外方に向かうほど薄くなる。誘電体部１３０の厚さが徐々に薄くなる部分が傾斜領域ＳＬとなる。周辺領域Ｒ２は、傾斜領域ＳＬを含む。誘電体部１３０の周辺領域Ｒ２や傾斜領域ＳＬは、開口部１２０ｈから離れているとともに、上方および外側が保護膜３０で覆われ、さらに下方には第１絶縁層５５が位置しているため、これらからは湿気が出入りできない。したがって、湿気は中央領域Ｒ１からしか出入りしないことになる。このため、開口部１２０ｈから誘電体部１３０に浸入し、周辺領域Ｒ２まで入り込んだ湿気は貯留しやすく、入った湿気は出るまでに時間を要する。一方、誘電体部１３０の開口部１２０ｈに近い中央領域Ｒ１では、外部からの湿気が入りやすく、また、入り込んだ湿気は開口部１２０ｈから外部に逃げやすい。

本実施形態では、誘電体部１３０の中央領域Ｒ１が第１電極１１０および第２電極１２０の電界の影響を受ける感湿領域となる。一方、誘電体部１３０の周辺領域Ｒ２には第１電極１１０および第２電極１２０が設けられていないため、周辺領域Ｒ２は第１電極お１１０および第２電極１２０の電界の影響を実質的に受けない不感領域となる。これによって、外部の湿気が出入りし易い中央領域を感湿領域とし、外部の湿気が出入りし難い周辺領域Ｒ２を不感領域にすることができる。

誘電体部１３０の周辺領域Ｒ２が不感領域となることで、応答性や測定値のドリフトが抑制される。すなわち、周辺領域Ｒ２に湿気が貯留しても、ここが不感領域になっていることで、貯留した湿気が測定値に与える影響を抑制することができる。一方、湿気の出入りが容易な中央領域Ｒ１が感湿領域となるため、応答性よく湿度を検知することができる。

ここで、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、第１方向Ｄ１にみて、第２電極１２０の外周位置１２０ａは第１電極１１０の外周位置１１０ａと一致していることが好ましい。これにより、第１電極１１０と第２電極１２０との間で安定した平行平板型の電極構造が構成され、周辺に漏れる電界の影響を抑制することができる。なお、図３（ａ）および（ｂ）に示すように、第１方向Ｄ１にみて、第２電極１２０の外周位置１２０ａは、第１電極１１０の外周位置１１０ａよりも若干小さくてもよい。この場合、周辺領域Ｒ２に第１電極１１０の端部は含まれるものの、第２電極１２０は含まれない。これにより、第２電極１２０の製造上の位置ずれが生じても、第２電極１２０の外周位置１２０ａを第１電極１１０の外周位置１１０ａ以内に収めやすくなる。

具体的には、第１方向Ｄ１にみて、第２電極１２０の端部は、開口部１２０ｈの端部から複数の開口部１２０ｈの所定間隔の１／２以内に位置するよう設けられていることが好ましい。すなわち、図２（ｂ）に示すように、開口部１２０ｈの端部から第２電極１２０の端部との距離をＬ１、隣り合う開口部１２０ｈの間隔をＬ２とした場合、Ｌ１をＬ２の１／２以下にする。これにより、誘電体部１３０のうち開口部１２０ｈから離れていて湿気の停留しやすい領域を不感領域にすることができる。

（参考例）
図４（ａ）および（ｂ）は、参考例に係る検知部を例示する図である。
図４（ａ）には参考例に係る検知部１０Ｂの断面図が示され、図４（ｂ）には検知部１０Ｂの平面図が示される。
参考例に係る検知部１０Ｂにおいては、誘電体部１３０の周辺領域Ｒ２の上にも第２電極１２０が設けられる。すなわち、第２電極１２０は、開口部１２０ｈを除いて誘電体部１３０の中央領域Ｒ１および周辺領域Ｒ２を覆うように形成されている。

このような第２電極１２０によって、誘電体部１３０の中央領域Ｒ１から周辺領域Ｒ２にかけて湿気による誘電率変化を検知する感湿領域が構成される。すなわち、検知部１０Ｂでは、傾斜領域ＳＬを含む周辺領域Ｒ２にも第２電極１２０が拡がっているため、湿気の出入りし難い周辺領域Ｒ２にも電界の影響が及ぶ感湿領域として機能することになる。このように、湿気の出入りし難い周辺領域Ｒ２も感湿領域になっていると、検出対象となる外部の湿気と周辺領域Ｒ２に溜まった湿気とを検出してしまい、湿度検知の応答性の低下および測定値のドリフトを起こす原因となる。

図５は、容量測定値のドリフト特性を例示する図である。
図５に示す横軸は、高温高湿環境への保持時間を示し、縦軸は測定初期からの容量変化量を示す。
図５には、湿度検知装置の４つのサンプルＳＰ１〜ＳＰ４について、高温高湿環境下での湿度測定値の変化量（ドリフト量）を計測した結果が示される。
ここで、サンプルＳＰ１およびＳＰ２は、本実施形態に係る湿度検知装置１である。サンプルＳＰ３およびＳＰ４は、参考例に係る検知部１０Ｂを有する湿度検知装置である。

図５に示すように、サンプルＳＰ３およびＳＰ４では、サンプルＳＰ１およびＳＰ２に比べて湿度測定値のドリフトが大きいことが分かる。本実施形態に係る湿度検知装置１では、誘電体部１３０における湿気の貯留しやすい周辺領域Ｒ２を不感領域としているため、湿度検知の応答性に優れるとともに、測定初期から長時間にわたり安定した測定結果を得ることができる。また、形状の不安定な傾斜領域ＳＬの上に第２電極１２０が設けられていないため、サンプルＳＰ１およびＳＰ２の間での特性ばらつきも抑制されていることが分かる。

このように、本実施形態に係る湿度検知装置１によれば、誘電体部１３０における湿気の出入りし易い中央領域Ｒ１を感湿領域とし、湿気の出入りし難い周辺領域Ｒ２を不感領域にしているため、外部の湿度変動に対する優れた応答性および高い測定安定性を得ることが可能となる。

（湿度検知装置の他の構造）
図６（ａ）〜図７（ｂ）は、湿度検知装置の他の構造を例示する断面図である。
図６（ａ）に示す湿度検知装置１Ｂでは、参照部２０の上に枠部６０を取り付けるための接着剤６５が設けられていない構造を有する。参照部２０の上に接着剤６５が設けられていないことで、参照部２０の容量変動を抑制することができる。すなわち、参照用第１電極２１０および参照用第２電極２２０への電圧印加によって形成される電界は、参照用誘電体部２３０側のほか、参照用第２電極２２０の上方にも拡がる。接着剤６５にはポリイミド等の樹脂が用いられるため、吸湿性を有している。接着剤６５の吸湿によって接着剤６５の誘電率は変化する。接着剤６５が参照部２０の上方に設けられていると、接着剤６５の誘電率変化の影響を参照部２０で受けやすくなる。湿度検知装置１Ｂのように、参照用第２電極２２０の上方に接着剤６５が設けられていないことで、この電界の拡がりによる接着剤６５での誘電率変化の影響を受けずに済むため、参照部２０の容量変動を抑制することができる。

図６（ｂ）に示す湿度検知装置１Ｃでは、検知部１０および参照部２０の上方に枠部６０の開口６０１が設けられている。すなわち、検知部１０の上方のみならず、参照部２０の上方にも枠部６０が設けられていない。これにより、参照部２０の上方の環境（構造）が、検知部１０の上方の環境（構造）と合致して、相対的な湿度を精度良く演算することが可能となる。

図７（ａ）に示す湿度検知装置１Ｄでは、湿度検知装置１Ｂと同様に、参照部２０の上に枠部６０を取り付けるための接着剤６５が設けられていない構造を有する。湿度検知装置１Ｂとの相違は、参照部２０と検知部１０との間に接着剤６５が設けられている点である。このような構造により、湿度検知装置１Ｂと同様に、参照部２０の上方への電界の拡がりによる接着剤６５での誘電率変化の影響を受けずに済む。さらに、参照部２０の周辺が接着剤６５によって囲まれているため、参照部２０へのパーティクルの付着を防止することができる。これにより、接着剤６５やパーティクル付着による参照部２０の容量変動を抑制することができる。

図７（ｂ）に示す湿度検知装置１Ｅでは、検知部１０および参照部２０のそれぞれについて、枠部６０を取り付けるための接着剤６５と分離した構造を有する。例えば、枠部６０にピラー６０３を設け、枠部６０を取り付ける際、ピラー６０３によって検知部１０および参照部２０を囲むようにする。接着剤６５は、検知部１０および参照部２０の上を除くピラー６０３のない部分に付けられている。このような構造により、検知部１０および参照部２０と接着剤６５とが隣接しないことになる。

接着剤６５にはポリイミド等の樹脂が用いられるため、吸湿性を有している。接着剤６５の吸湿によって接着剤６５の誘電率は変化する。接着剤６５と検知部１０および参照部２０が隣接していると、接着剤６５の誘電率変化の影響を検知部１０および参照部２０で受けやすくなる。湿度検知装置１Ｅのように、検知部１０および参照部２０がピラー６０３によって接着剤６５と分離していることで、接着剤６５の誘電率片化の影響を受けにくくなり、精度の高い湿度検知を行うことが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、湿度検知の応答性を向上および測定値のドリフトを抑制することができる湿度検知装置１、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄおよび１Ｅを提供することが可能となる。

なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、検知部１０および参照部２０における湿度の検出方式は、上記のように容量を測定して検知する方式であってもよいし、抵抗値を測定して湿度を検知する方式であってもよい。また、電極材料としてルテニウム（Ｒｕ）を用いる例を示したが、例えばアルミニウムや銅といった他の導電材料を用いてもよい。

また、前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の構成例の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。

１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…湿度検知装置
１０，１０Ｂ…検知部
１２…引き出し配線
１５…パッド電極
２０…参照部
３０…保護膜
５０…基材
５０ａ…主面
５５…第１絶縁層
６０…枠部
６５…接着剤
１１０…第１電極
１１０ａ…外周位置
１２０…第２電極
１２０ａ…外周位置
１２０ｈ…開口部
１３０…誘電体部
１３０ａ…外周位置
２１０…参照用第１電極
２２０…参照用第２電極
２３０…参照用誘電体部
６０１…開口
６０３…ピラー
Ｄ１…第１方向
Ｒ１…中央領域
Ｒ２…周辺領域
ＳＬ…傾斜領域

Claims (4)

1. 基材の主面上に設けられた第１電極と、
   前記第１電極を覆うように設けられた誘電体部と、
   前記誘電体部の上に設けられ、所定間隔で複数の開口部が設けられた第２電極と、
   前記第２電極および前記誘電体部を覆うように設けられた保護膜と、
   を備え、
   前記基材の前記主面と直交する第１方向にみて、前記第１電極は前記誘電体部に包含され、前記第２電極の外周位置は前記第１電極の外周位置と同じ、または内側に設けられた、湿度検知装置。
2. 前記誘電体部における前記第１電極と前記第２電極とが重なる中央領域は、前記誘電体部の厚さが実質的に一定の領域を含む、請求項１記載の湿度検知装置。
3. 前記誘電体部における前記中央領域よりも外側の周辺領域は、前記誘電体部の厚さが外方に向かうほど薄くなる傾斜領域を含む、請求項２に記載の湿度検知装置。
4. 前記第１方向にみて、前記第２電極の端部は、前記開口部の端部から前記所定間隔の１／２以内に位置する、請求項１から３のいずれか１項に記載の湿度検知装置。