JP2021047015A - 湿度検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度および良好な応答性を達成でき、製造容易な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、基材と、基材の上に設けられた第１電極と、基材の上に設けられ、第１電極と離間して配置された第２電極と、第１電極と第２電極との間に設けられた感湿部と、を備えた湿度検知装置であって、基材には絶縁性柱状体が設けられ、第１電極および第２電極のうち少なくとも一方が絶縁性柱状体の少なくとも側面に設けられる。この湿度検知装置において、絶縁性柱状体は、基材の第１主面上に設けられ、第１電極および第２電極のうちの一方は前記絶縁性柱状体の側面に設けられ、他方は第１主面に沿って絶縁性柱状と並置されていてもよい。【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つの電極および感湿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つの電極間に感湿部を設け、静電容量や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。このうち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、電極と感湿部との対向面積や電極レイアウトが湿度検知における感度や応答性を決める重要な要素となる。

特許文献１には、高温高湿環境下に長時間置かれてもドリフト劣化が起こりづらく、また形状小型化が可能な静電容量センサ（湿度検出センサ）が開示される。この静電容量センサでは、電極の厚みを１〜１１μｍとし、かつ一対の電極間の面間距離を０．５〜５μｍにしている。

特許文献２には、多湿環境でも長期間安定して使用できる高感度の湿度センサが開示される。この湿度センサでは、基板と、基板上に設けられた絶縁層と、絶縁層上に設けられ、所定の間隔を隔てて互いに対向するよう配置された一対の電極と、絶縁層および一対の電極を覆う保護層と、保護層上に設けられた感湿層と、を備え、一対の電極間に位置する絶縁層上の部分に溝を設けている。

特開２００４−０６１３０５号公報 特開２０１５−１４８５１３号公報

容量式の湿度検知装置において、電極の構造として櫛歯型と平行平板型とがある。平行平板型の電極構造を用いた湿度検知装置では、感度は高くなるものの、湿気の流入経路が長くなるため応答性は高くない。また、長期の出力変動が大きくなる傾向にある。一方、櫛歯型の電極構造を用いた湿度検知装置では、湿気の流入経路が短いため応答性は高いが、容量を大きくするためには厚い電極を形成する必要があり、製造工数の増加や電極寸法のばらつきが生じやすい。

本発明は、高感度および良好な応答性を達成でき、製造容易な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、基材と、基材の上に設けられた第１電極と、基材の上に設けられ、第１電極と離間して配置された第２電極と、第１電極と第２電極との間に設けられた感湿部と、を備えた湿度検知装置であって、基材には絶縁性柱状体が設けられ、第１電極および第２電極のうち少なくとも一方が絶縁性柱状体の少なくとも側面に設けられる。

このような構成によれば、基材に設けられた絶縁性柱状体の側面に第１電極および第２電極のうち少なくとも一方が設けられているため、絶縁性柱状体の側面の面積に相当する大きさで電極と感湿部とを対向させることができる。これにより、電極の膜厚を厚く形成しなくても第１電極と第２電極との間における感湿部との対向面積を大きくして感度を向上させることができる。

上記湿度検知装置において、絶縁性柱状体は基材の第１主面上に設けられ、第１電極および第２電極のうちの一方は絶縁性柱状体の側面に設けられ、他方は基材の第１主面に沿って絶縁性柱状体と並置されていてもよい。これにより、絶縁性柱状体の側面に設けられた電極と、基材の第１主面上に設けられた電極との間に感湿部を介在させた略Ｌ字型の容量が構成される。

上記湿度検知装置において、互いに平行な複数の絶縁性柱状体を有し、複数の絶縁性柱状体のうち隣り合う２つの絶縁性柱状体において対向する側面のそれぞれに第１電極および第２電極のうちの一方が設けられ、他方は対向する側面の間となる基材の第１主面上に設けられていてもよい。これにより、絶縁性柱状体の側面に設けられた電極と、基材の第１主面上に設けられた電極とを順番を入れ替えながら配置した電極が構成される。

上記湿度検知装置において、絶縁性柱状体の高さをＨ、絶縁性柱状体の幅をＷとした場合、Ｈ／Ｗは１以上であってもよい。これにより、絶縁性柱状体の側面を高く形成して電極と感湿部との対向面積を増加させるとともに、絶縁性柱状体を多数配置できるようになる。

上記湿度検知装置において、絶縁性柱状体の側面に設けられた電極の厚さをｔとした場合、ｔ＜Ｗであってもよい。これにより、絶縁性柱状体の側面に設ける電極を薄膜にすることができる。

本発明によれば、高感度および良好な応答性を達成でき、製造容易な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、参考例に係る電極構造を例示する断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、電界シミュレーションの結果を例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る湿度検知装置の製造方法を例示する断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本実施形態に係る湿度検知装置の製造方法を例示する断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、他の実施形態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部を拡大した断面図である。

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の上に設けられた湿度検知部１０と、参照部２０とを備える。湿度検知装置１は、湿度検知部１０と参照部２０との容量差に基づいて湿度を検知する。参照部２０は湿度検知部１０と同等な構造であるが、外気の湿度による容量変化の影響を受けないように外気に晒されない構造となっている。以下においては、湿度検知部１０の構造を中心として説明する。

基材５０としては、例えばシリコンが用いられる。基材５０の第１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の上に湿度検知部１０および参照部２０が形成される。また、第１絶縁層５５の上には湿度検知部１０および参照部２０と導通するパッド電極１５や、接地電位となるパッド電極１６が設けられる。

湿度検知部１０は、第１電極１１、第２電極１２および感湿部１３を有する。第１電極１１は、基材５０上の第１絶縁層５５の上に設けられる。本実施形態では、第１電極１１として例えばルテニウム（Ｒｕ）が用いられる。第１電極１１は、互いに平行かつ所定間隔で設けられた複数本の第１電極片１１１を有する。各第１電極片１１１は、基材５０の第１主面５０ａに沿って延在し、端部で互いに導通するように設けられる。

第２電極１２は、基材５０上の第１絶縁層５５の上に設けられ、第１電極１１と離間して配置される。第２電極１２も第１電極１１と同様に、例えばルテニウム（Ｒｕ）が用いられる。第２電極１２は、互いに平行かつ所定間隔で設けられた複数本の第２電極片１２１を有する。各第２電極片１２１は、基材５０の第１主面５０ａに沿って延在し、端部で互いに導通するように設けられる。

本実施形態では、基材５０上の第１絶縁層５５の上に絶縁性柱状体６０が設けられ、この絶縁性柱状体６０の少なくとも側面６０ｓに第２電極１２の第２電極片１２１が設けられる。また、第１電極１１の第１電極片１１１は、第１主面５０ａに沿って絶縁性柱状体６０と並置される。

絶縁性柱状体６０には例えば窒化シリコンが用いられる。絶縁性柱状体６０は、基材５０の第１主面５０ａに沿って延在する。本実施形態では、複数本の絶縁性柱状体６０が第１絶縁層５５の上に互いに平行かつ所定間隔で設けられる。複数本の絶縁性柱状体６０のそれぞれは、複数本の第１電極片１１１のそれぞれと交互に配置される。すなわち、隣り合う２つの絶縁性柱状体６０の間に１本の第１電極片１１１が配置される。この絶縁性柱状体６０の側面６０ｓに第２電極１２の第２電極片１２１が設けられることで、複数本の第１電極片１１１のそれぞれと、複数本の第２電極片１２１のそれぞれとが順番を入れ替えながら配置され、互いに離間しつつ平行に設けられる。

感湿部１３は、第１電極１１と第２電極１２との間に介在するよう設けられる。すなわち、感湿部１３は、第１電極１１の各第１電極片１１１と、第２電極１２の各第２電極片１２１との間に設けられる。感湿部１３としては、ポリイミド系樹脂が用いられる。

湿度検知装置１では、第１電極１１、第２電極１２および感湿部１３で構成される静電容量が外気の湿度に応じて変化することに基づき湿度を検知する。湿度検知部１０における感湿部１３の誘電率は外気の湿度によって変化し、第１電極１１と第２電極１２との間の静電容量の変化に応じて出力電圧が変化する。この出力電圧と参照部２０での出力電圧との差分に基づき相対湿度が算出される。

本実施形態に係る湿度検知装置１では、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓに第２電極１２の第２電極片１２１が設けられているため、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓの面積に相当する大きさで第２電極片１２１と感湿部１３とを対向させることができる。これにより、第２電極１２の膜厚を厚く形成しなくても、第１電極１１と第２電極１２との間における感湿部１３との対向面積を大きくして感度を向上させることができる。

また、本実施形態に係る湿度検知装置１において、絶縁性柱状体６０の高さをＨ、絶縁性柱状体６０の幅をＷとした場合、Ｈ／Ｗは１以上であってもよい。すなわち、絶縁性柱状体６０の断面を正方形から縦長の長方形にしてもよい。これにより、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓを高く形成して電極と感湿部１３との対向面積を増加させるとともに、絶縁性柱状体６０を第１主面５０ａに沿って多数配置できるようになる。

また、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓに設けられた電極の厚さをｔとした場合、ｔ＜Ｗであってもよい。これにより、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓに設ける第２電極１２（第２電極片１２１）を薄膜にすることができる。例えば、第２電極１２（第２電極片１２１）をめっきではなくＣＶＤなどの薄膜成形技術を用いて製造することができ、容量を構成する電極間のばらつきを抑制して安定した湿度検知特性を得ることができるようになる。

図２（ａ）および（ｂ）は、参考例に係る電極構造を例示する断面図である。
図２（ａ）に示す電極構造では、基材５０の第１主面５０ａに第１電極１１および第２電極１２が並置されている。すなわち、第１電極１１の複数の第１櫛歯電極部１１５のそれぞれと、第２電極１２の複数の第２櫛歯電極部１２５のそれぞれとが、第１主面５０ａに交互に並置された電極構造である。この電極構造においては、第１主面５０ａの面方向で第１電極１１（第１櫛歯電極部１１５）の側面と第２電極１２（第２櫛歯電極部１２５）の側面とが対向し、その間に設けられた感湿部１３によって容量が構成される。つまり、容量を構成する電極面積は、第１電極１１（第１櫛歯電極部１１５）の膜厚と、第２電極１２（第２櫛歯電極部１２５）の膜厚とに依存することになる。

容量型の湿度センサにおいて図２（ａ）に示すような櫛歯型の電極構造を用いた場合、第１電極１１と第２電極１２との間の感湿部１３へ湿気が流入しやすいため応答性は良好となるが、容量が電極膜厚に依存するため感度を高めにくい。

図２（ｂ）に示す電極構造では、第１電極１１および第２電極１２を図２（ａ）に示す電極構造に比べて厚くした例である。第１電極１１（第１櫛歯電極部１１５）の厚さおよび第２電極１２（第２櫛歯電極部１２５）の厚さを厚くすることで、容量を構成する電極面積が増加することから、感度を高めることができる。しかし、例えば数μｍ厚の電極を形成するには、めっき技術を適用する必要がある。このため、第１電極１１（第１櫛歯電極部１１５）および第２電極１２（第２櫛歯電極部１２５）の高さおよび幅のばらつきが大きくなり、電極面積および電極間隔を精度良く形成することが難しい。電極面積および電極間隔のばらつきは、容量のばらつきの原因となり、安定した検知精度を得ることが困難となる。

そこで、本実施形態のように、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓに第２電極１２（第２電極片１２１）を形成することによって、第２電極１２の膜厚を厚くすることなく、第１電極１１と第２電極１２との間における第２電極１２（第２電極片１２１）と感湿部１３との対向面積を増加させることができ、応答性を低下させずに感度を高めることができる。

図３（ａ）および（ｂ）は、電界シミュレーションの結果を例示する図である。
図３（ａ）には図１（ａ）に示す本実施形態に係る電極構造での電界シミュレーションの結果が示され、図３（ｂ）には図２（ａ）に示す電極構造での電界シミュレーションの結果が示される。
ここでは、電極間に３．５Ｖの電位差を与えて電界シミュレーションを行った。

この電界シミュレーションの結果、図２（ａ）に示す電極構造を基準として図１（ａ）に示す本実施形態に係る電極構造では、感湿部１３による容量および容量変化が約２．７倍増加し、湿度検知の感度が約１．３倍増加し、単位長さ当たりの容量が約２倍増加している。このように、本実施形態に係る電極構造では、電極膜厚を厚くすることなく容量や感度を高めることが可能となる。

（湿度検知装置の製造方法）
次に、本実施形態に係る湿度検知装置１の製造方法について説明する。
図４（ａ）〜図５（ｃ）は、本実施形態に係る湿度検知装置の製造方法を例示する断面図である。
なお、説明の都合上、図４および図５には電極部分の拡大断面図を示す。

先ず、図４（ａ）に示すように、基材５０の第１主面５０ａ上に第１絶縁層５５を形成し、第１絶縁層５５の上に第２絶縁層６５を形成する。基材５０には例えばシリコンが用いられる。第１絶縁層５５には例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）が用いられる。第１絶縁層５５の厚さは、５０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度である。第２絶縁層６５には例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられる。第２絶縁層６５の厚さは、１μｍ以上１０μｍ以下程度である。

次に、図４（ｂ）に示すように、レジスト７０を塗布してパターニングする。レジスト７０のパターンとしては、幅１μｍ以上３μｍ以下程度、パターン間隔１μｍ以上３μｍ以下程度である。続いて、このレジスト７０をマスクとして第２絶縁層６５をエッチングする。第２絶縁層６５は、レジスト７０の無い部分においてエッチングされる。この際、第１絶縁層５５がエッチングストッパとしての役目を果たす。第２絶縁層６５のエッチングによって、絶縁性柱状体６０が形成される。

次に、図４（ｃ）に示すように、電極材料層８０を形成する。電極材料層８０には例えばルテニウム（Ｒｕ）が用いられる。電極材料層８０の厚さは、約０．１５μｍである。ルテニウム（Ｒｕ）による電極材料層８０は、例えばＣＶＤ（chemical vapor deposition）やスパッタリングによって形成される。なお、電極材料層８０の上に保護膜（例えば、酸化シリコンや窒化シリコン）を形成してもよい。保護膜を形成することで、電極材料層８０から形成される第１電極１１および第２電極１２の信頼性が向上する。

次に、図５（ａ）に示すように電極材料層８０の上にレジスト７１を塗布してパターニングする。このパターニングによって、塗布したレジスト７０のうち、隣り合う絶縁性柱状体６０の間の一部を残す。続いて、このレジスト７１をマスクとして電極材料層８０をエッチングする。これにより、図５（ｂ）に示すように、電極材料層８０はレジスト７１の無い部分においてエッチングされる。この際、第１絶縁層５５がエッチングストッパとしての役目を果たす。

このエッチングによって、絶縁性柱状体６０の上の電極材料層８０、および第１絶縁層５５上の一部の電極材料層８０が除去され、レジスト７１でマスクされた電極材料層８０、および絶縁性柱状体６０の側面６０ｓの電極材料層８０が残される。残された電極材料層８０のうち、隣り合う絶縁性柱状体６０の間の電極材料層８０が第１電極１１（第１電極片１１１）となり、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓに残された電極材料層８０が第２電極１２（第２電極片１２１）となる。

次に、レジスト７１を除去した後、図５（ｃ）に示すように感湿部１３を全面に形成する。感湿部１３には例えばポリイミドが用いられる。これにより、湿度検知装置１が完成する。このような製造方法によれば、第２電極１２を膜厚制御性の高いＣＶＤやスパッタリングによって形成することができる。したがって、めっきに比べて第２電極１２の膜厚のばらつきが抑制され、安定した湿度検知特性を発揮する湿度検知装置１を製造することが可能となる。

（他の実施形態）
図６（ａ）および（ｂ）は、他の実施形態を例示する断面図である。
図６（ａ）に示す例では、絶縁性柱状体６０に形成される第２電極１２が、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓのみならず上面６０ｕにも設けられている。これにより、第２電極１２は絶縁性柱状体６０を囲むように設けられる。

このような第２電極１２を形成するには、図５（ａ）に示すレジスト７１をパターニングする際、絶縁性柱状体６０の上のレジスト７１を残すようにパターニングして、このレジスト７１をマスクとして電極材料層８０をエッチングすればよい。これにより、絶縁性柱状体６０を囲むように電極材料層８０を残した第２電極１２が形成される。

図６（ｂ）に示す例では、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓに第１電極１１および第２電極１２のそれぞれが交互に設けられている。すなわち、第１電極１１を第１絶縁層５５上に設けず、絶縁性柱状体６０の一方の側面６０ｓに形成している。したがって、この電極構造では、第１電極１１の複数の第１電極片１１１のそれぞれと、第２電極１２の複数の第２電極片１２１のそれぞれとが、絶縁性柱状体６０の側面６０ｓに交互に配置される。

図６（ｂ）に示す電極構造では、第１電極１１（第１電極片１１１）と第２電極１２（第２電極片１２１）とが平行に対向するため、電極膜厚を厚くすることなく電極間における感湿部１３との対向面積を広くすることができる。また、第１電極１１および第２電極１２ともに膜厚制御性の高いＣＶＤやスパッタリングで形成できることから、容量を構成する対向電極間の間隔をばらつき少なく形成することができる。したがって、櫛歯電極型による応答性と、平行平板型による感度との両立を図ることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、高感度および良好な応答性を達成でき、製造容易な湿度検知装置１を提供することが可能になる。

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、絶縁性柱状体６０として窒化シリコンを用いる例を示したが、絶縁性柱状体６０として感湿材料（例えば、感湿部１３と同じ材料（例えば、ポリイミド））を用いるようにしてもよい。これにより、感湿部１３とともに絶縁性柱状体６０の少なくとも一部によって湿度検知のための有効な容量が構成される。また、電極材料層８０としてルテニウム（Ｒｕ）を用いる例を示したが、電極材料層８０はこれに限定されず、例えばアルミニウムや銅といった他の材料を用いてもよい。

また、図１（ａ）に示す電極構造および図６（ａ）に示す電極構造において、第１電極１１を第１主面５０ａに沿って形成し、第２電極１２を絶縁性柱状体６０の少なくとも側面６０ｓに形成する例を示したが、第２電極１２を第１主面５０ａに沿って形成し、第１電極１１を絶縁性柱状体６０の少なくとも側面６０ｓに形成してもよい。

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…湿度検知装置
１０…湿度検知部
１１…第１電極
１２…第２電極
１３…感湿部
１５…パッド電極
１６…パッド電極
２０…参照部
５０…基材
５０ａ…第１主面
５５…第１絶縁層
６０…絶縁性柱状体
６０ｓ…側面
６０ｕ…上面
６５…第２絶縁層
７０…レジスト
７１…レジスト
８０…電極材料層
１１１…第１電極片
１１５…第１櫛歯電極部
１２１…第２電極片
１２５…第２櫛歯電極部
Ｈ…高さ
ｔ…厚さ
Ｗ…幅

Claims (5)

1. 基材と、
   前記基材の上に設けられた第１電極と、
   前記基材の上に設けられ、前記第１電極と離間して配置された第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた感湿部と、
   を備えた湿度検知装置であって、
   前記基材には絶縁性柱状体が設けられ、前記第１電極および前記第２電極のうち少なくとも一方が前記絶縁性柱状体の少なくとも側面に設けられた、湿度検知装置。
2. 前記絶縁性柱状体は、前記基材の第１主面上に設けられ、
   前記第１電極および前記第２電極のうちの一方は前記絶縁性柱状体の前記側面に設けられ、他方は前記第１主面に沿って前記絶縁性柱状体と並置された、請求項１記載の湿度検知装置。
3. 互いに平行な複数の前記絶縁性柱状体を有し、
   前記複数の絶縁性柱状体のうち隣り合う２つの前記絶縁性柱状体において対向する前記側面のそれぞれに前記第１電極および前記第２電極のうちの一方が設けられ、他方は前記対向する側面の間となる前記基材の前記第１主面上に設けられた、請求項２記載の湿度検知装置。
4. 前記絶縁性柱状体の高さをＨ、前記絶縁性柱状体の幅をＷとした場合、Ｈ／Ｗは１以上である、請求項１から３のいずれか１項に記載の湿度検知装置。
5. 前記絶縁性柱状体の前記側面に設けられた電極の厚さをｔとした場合、ｔ＜Ｗである、請求項４記載の湿度検知装置。
   
   

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