JP2021089139A - 湿度検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】湿度検知の測定値のドリフトを抑制して、安定した測定を行う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絶縁層と、絶縁層の上に設けられた参照部と、絶縁層の上に設けられ、参照部と並置された検知部と、参照部と検知部との間に設けられた共通配線と、を備えた湿度検知装置である。参照部は、基材の主面上に設けられた参照用第１電極と、参照用第１電極を包囲するように設けられた参照用誘電体部と、参照用誘電体部を包囲するように設けられた参照用第２電極と、を有する。検知部は、基材の主面上に設けられた検知用第１電極と、検知用第１電極を包囲するように設けられた検知用誘電体部と、検知用誘電体部を包囲するように設けられ、貫通孔が設けられた検知用第２電極と、を有する。共通配線は、絶縁層内を経由して参照用第１電極および検知用第１電極と導通するよう設けられる。【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、参照部を基準として検知部で湿度の検知を行う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、上部電極と上部電極の接続端子との接続性の向上を図り、品質および信頼性を向上させる感湿素子が開示される。この感湿素子は、基板上に上部電極の接続端子を設けるとともに、この上部電極接続端子から感湿膜の段差部を被覆する形で一層の金属膜が感湿膜上まで形成されている。

特許文献２には、上側電極と上側電極用電極端子との間および上側電極用電極端子、下側電極用電極端子とリード線との間の電気的接続性の向上を図り、品質および信頼性を向上させる湿度検出素子が開示される。この湿度検出素子では、電極用パッド上に、上側電極の一端部からなる延在部を積層形成して上側電極用電極端子を構成している。

特許文献３、４には、参照部（基準部）の下部電極と検知部（センサ部）の下部電極とを基板上で導通させた湿度センサが開示される。

特開平０６−１２３７２５号公報 特開平０６−０９４６６３号公報 国際公開第２０１１／０６５５０７号 国際公開第２０１１／１１３７１１号

参照部および検知部を備えた湿度検知装置において、参照部の下部電極と検知部の下部電極を導通させる共通配線を基板上に設ける場合、上部電極と共通配線との接触を避けるため上部電極に凹部（開口）を設けておく必要がある。上部電極に凹部が設けられていると、凹部の端部と下部電極との間で漏れ電界が生じ、測定値のドリフトの要因となる。

本発明は、湿度検知の測定値のドリフトを抑制して、安定した測定を行う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絶縁層と、絶縁層の上に設けられた検知部と、絶縁層の上に設けられ、検知部と並置された参照部と、検知部と参照部との間に設けられた共通配線と、を備えた湿度検知装置である。
検知部は、絶縁層の上に設けられた検知用第１電極と、検知用第１電極を包囲するように設けられた検知用誘電体部と、検知用誘電体部を包囲するように設けられ、貫通孔が設けられた検知用第２電極と、を有する。
参照部は、絶縁層の上に設けられた参照用第１電極と、参照用第１電極を包囲するように設けられた参照用誘電体部と、参照用誘電体部を包囲するように設けられた参照用第２電極と、を有する。
共通配線は、絶縁層内を経由して検知用第１電極および参照用第１電極と導通するように設けられる。

このような構成によれば、共通配線が絶縁層内を経由しているため、検知用第２電極および参照用第２電極に凹部（開口）を設けることなく共通配線を設けることができる。これにより、検知用第２電極は検知用誘電体部の全体を包囲することができ、参照用第２電極は参照用誘電体部の全体を包囲することができ、それぞれの第２電極の端部での不要な漏れ電界の発生を抑制することができる。

上記湿度検知装置において、参照用第２電極には貫通孔が設けられていないことが好ましい。これにより、貫通孔による参照用第１電極と参照用第２電極との間での不要な漏れ電界は発生しない。

上記湿度検知装置において、参照用第２電極と導通しする参照用引き出し配線と、検知用第２電極と導通する検知用引き出し配線と、をさらに備えており、検知用引き出し配線および参照用引き出し配線が、絶縁層内に設けられていてもよい。

上記湿度検知装置において、参照用引き出し配線および検知用引き出し配線は、共通配線と同層に設けられていることが好ましい。これにより、検知用引き出し配線、参照用引き出し配線および共通配線を同一工程で形成することができる。

上記湿度検知装置において、絶縁層上における検知部および参照部の周囲には、絶縁層よりも耐湿性の高い保護層が設けられていてもよい。これにより、参照用第２電極の側面および検知用第２電極の側面から誘電体部へ浸入する湿気を抑制することができる。

上記湿度検知装置において、検知用第２電極の上に保護層は設けられていないことが好ましい。これにより、検知用第２電極の貫通孔の近傍での漏れ電界の影響が保護層に及ばず、測定値の精度が向上する。

本発明によれば、湿度検知の測定値のドリフトを抑制して、安定した測定を行う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、参考例に係る湿度検知装置を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は電界分布のシミュレーション結果を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は電界分布のシミュレーション結果を例示する図である。 ドリフト特性の比較結果を例示する図である。 湿度検知装置の適用例を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、湿度検知装置の適用例を示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は、湿度検知装置の適用例を示す断面図である。

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の上に設けられた絶縁層３０と、検知部１０と、参照部２０と、共通配線７０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絶縁層３０が形成されており、この絶縁層３０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、絶縁層３０の上には検知部１０および参照部２０と導通するパッド電極１５が設けられる。

検知部１０は、絶縁層３０の上に設けられた検知用第１電極１１０と、検知用第１電極１１０を包囲するように設けられた検知用誘電体部１３０と、検知用誘電体部１３０を包囲するように設けられた検知用第２電極１２０と、を有する。これにより、主面５０ａと直交する第１方向Ｄ１に、検知用第１電極１１０、検知用誘電体部１３０および検知用第２電極１２０がこの順で積層された容量が構成される。

検知用第１電極１１０および検知用第２電極１２０には、酸化しにくい導電材料として、例えばルテニウム（Ｒｕ）、タンタル（Ｔａ）などの高融点金属系材料が好適に用いられる。また、検知用誘電体部１３０には、例えばポリイミド系樹脂が用いられる。

検知用第２電極１２０には、所定の間隔で複数の貫通孔１２０ｈが設けられる。この貫通孔１２０ｈを通じて外部の湿気が検知用誘電体部１３０まで到達する。検知用誘電体部１３０に含まれる水分量に応じて検知用誘電体部１３０の誘電率が変化する。これにより、検知用第１電極１１０と検知用第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。

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、絶縁層３０の上に設けられた参照用第１電極２１０と、参照用第１電極２１０を包囲する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を包囲するように設けられた参照用第２電極２２０と、を有する。

これにより、第１方向Ｄ１に、参照用第１電極２１０、参照用誘電体部２３０および参照用第２電極２２０がこの順で積層された容量が構成される。参照用第２電極２２０には貫通孔は設けられておらず、参照用第２電極２２０で参照用誘電体部２３０を包囲していることから、参照部２０には外部からの湿気がほとんど入らない。このため、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。

絶縁層３０の上における検知部１０および参照部２０の周囲には、保護層４０が設けられていてもよい。保護層４０を設ける場合、絶縁層３０よりも耐湿性の高い材料を用いることが好ましい。保護層４０には、例えば窒化シリコン（ＳｉＮ）が用いられる。これにより、検知用第２電極１２０の側面および参照用第２電極２２０の側面から検知用誘電体部１３０および参照用誘電体部２３０へ浸入する湿気を抑制することができる。

共通配線７０は、検知部１０と参照部２０との間に設けられる。本実施形態では、共通配線７０は、絶縁層３０内を経由して検知用第１電極１１０および参照用第１電極２１０と導通するように設けられる。すなわち、共通配線７０は、基材５０の主面５０ａと、絶縁層３０の主面５０ａとは反対側の面３０ａとの間に設けられる。

共通配線７０と、検知用第１電極１１０および参照用第１電極２１０とは、互いに異なるレイヤ（層）に位置する。したがって、共通配線７０の端部に設けられたスルーホールを介して絶縁層３０の上に設けられた検知用第１電極１１０と参照用第１電極２１０とが共通配線７０によって導通する状態となる。

また、検知用第２電極１２０とパッド電極１５との間には検知用引き出し配線１２が設けられ、参照用第２電極２２０とパッド電極１５との間には参照用引き出し配線１３が設けられる。この検知用引き出し配線１２および参照用引き出し配線１３は、絶縁層３０内に設けられている。検知用引き出し配線１２および参照用引き出し配線１３は、共通配線７０と同層に設けられていることが好ましい。これにより、検知用引き出し配線１２、参照用引き出し配線１３および共通配線７０を同一工程で形成することができる。

上記のように、本実施形態に係る湿度検知装置１では、共通配線７０が絶縁層３０内を経由して設けられているため、検知用第２電極１２０および参照用第２電極２２０に凹部（開口）を設けることなく共通配線７０を設けることができる。検知用第２電極１２０および参照用第２電極２２０に、共通配線７０を通すための凹部（開口）を設ける必要がないため、検知用第２電極１２０の外周位置は、外周の全周にわたり検知用誘電体部１３０の外周位置よりも外側となる。また、参照用第２電極２２０の外周位置は、外周の全周にわたり参照用誘電体部２３０の外周位置よりも外側となる。

これにより、検知用第２電極１２０は貫通孔１２０ｈを除き、検知用誘電体部１３０の全体を包囲することができ、参照用第２電極２２０は参照用誘電体部２３０の全体を包囲することができる。したがって、検知用第２電極１２０および参照用第２電極２２０のそれぞれの端部での不要な漏れ電界の発生を抑制することができる。

図２（ａ）および（ｂ）は、参考例に係る湿度検知装置を例示する図である。
図２（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２の平面図が示される。図２（ａ）に示す断面図は、図２（ｂ）に示すＢ−Ｂ線断面図である。

参考例に係る湿度検知装置２では、共通配線７５が、検知用第１電極１１０および参照用第１電極２１０と同層に設けられる。すなわち、共通配線７５は、絶縁層３０の上において検知用第１電極１１０と参照用第１電極２１０との間を接続するように設けられる。

このような配線構造の場合、共通配線７５と検知用第２電極１２０および参照用第２電極２２０とが短絡しないように、検知用第２電極１２０の端部および参照用第２電極２２０の端部には凹部９０が設けられる。凹部９０は、第１方向Ｄ１に共通配線７５と重なる位置に設けられている。この凹部９０の位置に合わせて共通配線７５が設けられることで、共通配線７５と検知用第２電極１２０および参照用第２電極２２０との距離が保たれ、両者の短絡を防止することができる。

また、参考例に係る湿度検知装置２では、凹部９０の位置において検知用誘電体部１３０および参照用誘電体部２３０が露出することから、貫通孔１２０ｈ以外の部分を保護層４０で覆うようにしている。また、貫通孔１２０ｈの縁に保護層４０が被ることから、この部分での誘電率変化分を参照部２０に反映するため、参照用第２電極２２０に容量調整孔２２０ｈを設ける場合がある。

本実施形態に係る湿度検知装置１と、参考例に係る湿度検知装置２とでは、このような構造の相違から電界分布に差が生じる。
図３（ａ）〜図４（ｂ）は電界分布のシミュレーション結果を例示する図である。
図３（ａ）および（ｂ）には参照部２０の中央部分での電界分布のシミュレーション結果が示され、図４（ａ）および（ｂ）には参照部２０の端部での電界分布のシミュレーション結果が示される。それぞれ（ａ）が本実施形態に係る湿度検知装置１のシミュレーション結果であり、（ｂ）が参考例に係る湿度検知装置２のシミュレーション結果である。

図３（ｂ）に示すように、参考例に係る湿度検知装置２では、参照用第２電極２２０の中央部分に容量調整孔２２０ｈが設けられている。このため、参考例に係る湿度検知装置２の参照用第２電極２２０の中央部分の電界分布は、容量調整孔２２０ｈの端部において電界の漏れが生じ、保護層４０にも電界の影響が及ぶ（図３（ｂ）参照）。一方、図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る湿度検知装置１では、参照用第２電極２２０の中央部分に容量調整孔２２０ｈは設けられておらず、フラットである。このため、本実施形態に係る湿度検知装置１の参照用第２電極２２０の中央部分での電界分布は一様となる。

また、図４（ｂ）に示すように、参考例に係る湿度検知装置２では、参照用第２電極２２０の端部に共通配線７０との短絡を防止するための凹部９０が設けられている。このため、参考例に係る湿度検知装置２の参照用第２電極２２０の端部の電界分布は、凹部９０近傍において電界の漏れが生じ、保護層４０にも電界の影響が及ぶ。一方、図４（ａ）に示すように、本実施形態に係る湿度検知装置１では、参照用第２電極２２０の端部に凹部が設けられておらず、参照用誘電体部２３０の端部まで覆うように設けられている。このため、参照用第１電極２１０の端部や参照用第２電極２２０の端部での電界の漏れが少ない。特に、本実施形態に係る湿度検知装置１では、参照用第２電極２２０の上に保護層４０が設けられていないため、保護層４０への電界の影響を考慮せずに済む。

図３および図４では、参照部２０での電界分布のシミュレーション結果を示しているが、検知用第２電極１２０の端部での電界分布は参照部２０と同様である。また、貫通孔１２０ｈの近傍での電界分布は、図３（ｂ）に示す容量調整孔２２０ｈの近傍での電界分布と同様であるが、本実施形態では検知用第２電極１２０の上に保護層４０が設けられていないため、貫通孔１２０ｈの近傍での保護層４０への電界の影響を考慮せずに済む。

図５は、ドリフト特性の比較結果を例示する図である。
図５の横軸は時間（ｈｒ）、縦軸は測定初期からの容量変化量（％ＲＨ）である。
図５には、本実施形態に係る湿度検知装置１のドリフト特性Ｇ１と、参考例に係る湿度検知装置２のドリフト特性Ｇ２とが示される。ドリフト特性Ｇ１およびＧ２は、湿度検知装置１および２について測定開始から１０００時間を経過するまでの測定値の変化を示している。上記のような構造の相違によって、本実施形態に係る湿度検知装置１での湿度検知のドリフト量は、参考例に係る湿度検知装置２での湿度検知のドリフト量に対して約１％程度抑制される。

（適用例）
図６〜図８（ｂ）は、湿度検知装置の適用例を示す断面図である。
図６に示す適用例では、検知部１０の周囲に枠部６０が設けられている。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から検知用第２電極１２０の貫通孔１２０ｈを介して検知用誘電体部１３０に取り込まれる。検知用誘電体部１３０に取り込まれた湿気に応じて検知用誘電体部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。

図７（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。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７（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８（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８（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、湿度検知の測定値のドリフトを抑制して、安定した測定を行う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）など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。パーティクル対策として検知部１０および参照部２０を覆うようにシリコーン系のゲル材料などの保護材が設けられていてもよい。

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
２…湿度検知装置
１０…検知部
１２…検知用引き出し配線
１３…参照用引き出し配線
１５…パッド電極
２０…参照部
３０…絶縁層
３０ａ…面
４０…保護層
５０…基材
５０ａ…主面
６０…枠部
６５…接着剤
７０，７５…共通配線
９０…凹部
１１０…検知用第１電極
１２０…検知用第２電極
１２０ｈ…貫通孔
１３０…検知用誘電体部
２１０…参照用第１電極
２２０…参照用第２電極
２２０ｈ…容量調整孔
２３０…参照用誘電体部
６０１…開口
６０３…ピラー
Ｄ１…第１方向
Ｇ１…ドリフト特性
Ｇ２…ドリフト特性

Claims (6)

1. 基材の主面上に設けられた絶縁層と、
   前記絶縁層の上に設けられた検知部と、
   前記絶縁層の上に設けられ、前記検知部と並置された参照部と、
   前記検知部と前記参照部との間に設けられた共通配線と、を備えた湿度検知装置であって、
   前記検知部は、
   前記絶縁層の上に設けられた検知用第１電極と、
   前記検知用第１電極を包囲するように設けられた検知用誘電体部と、
   前記検知用誘電体部を包囲するように設けられ、貫通孔が設けられた検知用第２電極と、を有し、
   前記参照部は、
   前記絶縁層の上に設けられた参照用第１電極と、
   前記参照用第１電極を包囲するように設けられた参照用誘電体部と、
   前記参照用誘電体部を包囲するように設けられた参照用第２電極と、を有し、
   前記共通配線は、
   前記絶縁層内を経由して前記検知用第１電極および前記参照用第１電極と導通するように設けられたことを特徴とする湿度検知装置。
2. 前記参照用第２電極には貫通孔が設けられていない、請求項１記載の湿度検知装置。
3. 前記検知用第２電極と導通する検知用引き出し配線と、
   前記参照用第２電極と導通する参照用引き出し配線と、をさらに備え、
   前記検知用引き出し配線および前記参照用引き出し配線は、前記絶縁層内に設けられた、請求項１または２に記載の湿度検知装置。
4. 前記検知用引き出し配線および前記参照用引き出し配線は、前記共通配線と同層に設けられた、請求項３記載の湿度検知装置。
5. 前記絶縁層上における前記検知部および前記参照部の周囲には、前記絶縁層よりも耐湿性の高い保護層が設けられた、請求項１から４のいずれか一項に記載の湿度検知装置。
6. 前記検知用第２電極の上に前記保護層は設けられていない、請求項５記載の湿度検知装置。

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