JP2645884B2 - 半導体湿度センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （イ） 産業上の利用分野 本発明は感湿材の伸縮を利用した半導体湿度湿度セン
サに関する。

（ロ） 従来の技術 一般に、湿度センサとしては、感湿セラミック等の如
く雰囲気湿度による電気特性の変わるものが知られてい
る。しかし、この湿度センサは気体一固体界面の電気特
性を利用するものであり、従って、その界面飯が大気に
さらされ汚染等の影響を受けやすく長期安定性に欠け
る。これに対し、特開昭56−42126号公報に開示された
毛髪やナイロンの様な感湿体は比較的に長期安定性であ
る反面、その伸縮を電気信号に変換し難い。これに対し
本発明者等は、すでに感湿材の雰囲気湿度による伸縮を
半導体のピエゾ抵抗効果や対向電極間の容量変化により
検出する半導体湿度センサを提案している。

（ハ） 発明が解決しようとする課題 上記湿度センサにおいて、感湿伸縮材はシリコンカン
チレバーやダイアフラム上に膜付けされているが、常に
これからの応力を受けている。感湿材は膜付けの容易さ
などから有機高分子が用いられるが、高分子には一定応
力下でひずみが時間とともに増加するクリープ（Cree
p）という現象がある。このクリープには不可逆な変形
を伴うものがあり、この永久変形を生じてしまうと湿度
センサの出力に誤差が生じる。

（ニ） 課題を解決するための手段 本発明の半導体湿度センサは感湿伸縮材として架橋処
理を施した高分子材料を用いることを特徴としている。

（ホ） 作用 架橋による高分子は、二次元的構造が三次元的な結合
をもつ構造となり分子間のすべりが無くなりクリープに
よる永久変形が無くなる。これにより湿度センサの出力
も安定する。

（ヘ） 実施例 第１はダイアフラム方式の湿度センサの断面図で、Si
ペレット（１）にエッチング加工されたダイアフラム
（２）があり、このダイアフラム（２）の表面にはピエ
ゾ抵抗（３）（３）…が形成され、さらにダイアフラム
（２）の裏面に感湿材（４）が膜付けされている。第２
図ではカンチレバー方式の湿度センサの断面図で、第１
図の場合の同様Siペレット（１）をエッチング加工して
設けられたカンチレバー（５）に感湿材（４）を膜付け
し、この感湿材の雰囲気湿度による伸縮でカンチレバー
（５）がひずむ量をピエゾ抵抗（３）で検出している。
第３図は、第２図同様感湿材（４）の伸縮によるカンチ
レバー（５）のたわみで第１電極（６）と第２電極
（７）との距離が変化するのをこれら電極間の容量変化
として検出している、而して第１図〜第３図に示された
半導体湿度センサはいずれも雰囲気湿度による感湿材
（４）の伸縮現象を利用したもので、この伸縮量を電気
信号化するためにSiのダイアフラム（２）やカンチレバ
ー（５）上に膜付けされている。湿度センサはこの感湿
材（４）とSiのダイアフラム（２）、カンチレバー
（５）の力の平衡状態のSiのひずみ量を検出しているの
であり、感湿材（４）には常にSiのダイアフラム
（２）、カンチレバー（５）からの力が作用している。
高分子材料はこのような応力がかかった状態では、クリ
ープという現象が現れる。

本発明においては前記感湿材（４）はいずれも架橋高
分子材料で構成されている。このクリープを架橋高分子
と架橋されていない高分子とで以下に比較説明する。

高分子などの粘弾性体にある一定応力σが七時間加え
られたとする。このときの高分子のひずみをγ（ｔ）と
すると、Ｊ（ｔ）≡γ（ｔ）／σはクリープコンプライ
アンスと呼ばれて次式で表される。

Ｊ（ｔ）＝Jo＋（Je−Jo）φ（ｔ）＋t/η 第４図に示したが、Joはｔ＝０において（応力がかけ
られた瞬間）生ずるひずみで瞬間コンプライアンスと呼
ばれる。式の第２項のψ（ｔ）はクリープ関数とよば
れｔ＝０でψ＝０であり以後単調に増大し、ｔ→∞でψ
→１になる。この第２項に対する変形を一次クリープと
いい、応力除去後逆方向の変形が生じて（クリープ回
復）ひずみが回復する弾性的な部分である。Jeはｔ→∞
のときの弾性ひずみの値を示し、定常コンプライアンス
と呼ばれる。式の第３項でηへ粘度であり、t/ηは粘
性流動を表す。この粘性流動による変形は二次クリープ
と呼ばれ、クリープ回復しない永久変形を与える。さら
にこの第３項進行中にクリープ破壊と呼ばれる破壊が生
じることがあり、薄膜においてはクラック等が発生しセ
ンサとしては致命的な故障となる。架橋高分子では式
の第３項は存在せず第５図のように応力除去後ひずみは
元に戻るが架橋されていない高分子では前記第３項が存
在するために第６図に示す様にひずみが一定値に収束せ
ず前期第２項が収束した後も直線的に増加する。応力除
去後は前記第３項の影響分だけひずみが元に戻らない永
久変形が生じることになる。このことは架橋構造を持た
ない高分子を第１図〜第３図の様な湿度センサに用いた
場合一定湿度の雰囲気中で、センサの検出値が一定値に
収束しないとともに、センサ出力にオフセットが生じる
こととなり大きな誤差となる。

実際の架橋構造を持つ高分子のSiペレット上への膜付
けは、架橋剤を混ぜた高分子溶液をSi上に、スピンナに
よる方法、塗布による方法、エアガン等を用いた不織布
状の膜を形成する方法などで被着する。例えば、スピン
ナによる方法を用いた膜付けの場合は、Si上に架橋剤を
混ぜた高分子溶液（ポリイミドにメタフェニレンジアミ
ン等のジアミン類の架橋剤を（架橋剤がポリイミドに対
して５〜10wt％となる様に）加え、この架橋剤が加えら
れたポリイミドをビドラジンで（架橋剤が加えられたポ
リイミドがビドラジンに対して３〜5wt％となる様に）
溶かした高分子溶液）を1mm³程度滴下し、ペレットを30
00rpm程度で回転させることにより被着させる。その後
一般的に知られている様に熱硬化的な架橋、紫外線など
を用いた光架橋、過酸化物架橋、電気線架橋などで架橋
処理をして膜付けを完了する。膜付けされた高分子材料
の膜厚は、第１図に示すダイアフラム型の場合は約20μ
ｍの膜厚となり、第２図及び第３図に示すカンチレバー
型の場合は約３μｍの膜厚となる。

湿度センサの出力特性として飯は、第１図に示すダイ
アフラム型の半導体湿度センサの場合は第７図の様な特
性を出力する。第７図（ｂ）では、第１図に示すダイヤ
フラム型の半導体湿度センサを、湿度を20％から80℃
へ、80％から20％へと急激に変化させ、出力変化が90％
以上になるまでの時間（応答時間）を求め、第７図
（ａ）では、その応答時間をサンプリングの時間とし
て、湿度20％、35％、50％、65％、80％にした場合の出
力特性をサンプリングした。本実施例では、湿度20％か
ら80％への変化の応答時間は6.08分、湿度80％から20％
への変化の応答時間は9.76分である。つまり、湿度を増
加させる測定の場合には、湿度変化させた6.08分後に出
力特性をサンプリングし、例えば、湿度を20％から35％
に変化させた場合は湿度変化させた6.08分後に出力特性
をサンプリングし、35％から50％に変化させた場合も湿
度変化の6.08分後に出力特性をサンプリングする。ま
た、湿度を減少させる測定の場合には、湿度変化させた
9.76分後に出力特性をサンプリングし、例えば、湿度を
80％から65％に変化させた場合は湿度変化させた9.76分
後に出力特性をサンプリングし、65％から50％に変化さ
せた場合も湿度変化の9.76分後に出力特性をサンプリン
グする。

又、第２図に示すカンチレバー型の半導体湿度センサ
の場合は第８図の様な特性を出力する。第８図（ｂ）で
は、第２図に示すカンチレバー型の半導体湿度センサ
を、湿度を20％から80％へ、80％から20％へと急激に変
化させ、出力変化が90％以上になるまでの時間（応答時
間）を求め、第８図（ａ）では、その応答時間をサンプ
リングの時間として、湿度20％、35％、50％、65％、80
％にした場合の出力特性をサンプリングした。本実施例
では、湿度20％から80％への変化の応答時間は1.34分、
湿度80％から20％への変化の応答時間は1.8分である。
つまり、湿度を増加させる測定の場合には、湿度を変化
させた1.34分後に出力特性をサンプリングし、例えば、
湿度を20％から35％に変化させた場合は湿度変化させた
1.34分後に出力特性をサンプリングし、35％から50％に
変化させた場合も湿度変化の1.34分後に出力特性をサン
プリングする。また、湿度を減少させる測定の場合、に
は、湿度変化させた1.8分後に出力特性をサンプリング
し、例えば、湿度を80％65％に変化させた場合は湿度変
化させた1.8分後に出力特性をサンプリングし、65％か
ら50％に変化させた場合も湿度変化の1.8分後に出力特
性をサンプリングする。

尚、出力特性は、高分子材料は紫外線硬化樹脂を用い
て、Siペレットの表面形成されたピエゾ抵抗を用いて第
９図の様な定電流測定により求めた。

架橋方法は感湿剤を何に選定するかで決定されるが第
１〜第３図に示した様な湿度センサの場合、湿度センサ
としては各種特性、膜の安定性、製造技術などの点から
判断して紫外線硬化樹脂などの高分子材料が適してい
る。

（ト） 発明の効果 本発明の半導体湿度センサによれば、架橋高分子材料
を感湿伸縮材として用いることにより分子間のすべりに
よる変形が防止でき、一定湿度雰囲気においてセンサ出
力は一定値に収束するとともに、ゼロ点ドリフト（オフ
セット変動）がなくなる。またクリープ破壊などの感湿
膜の致命的な故障も防止できセンサの長期安定性が計れ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図は本発明による半導体湿度センサの異な
る実施例で、第１図はダイアフラム型でピエゾ抵抗効果
を利用した半導体湿度センサの断面図、第２図はカンチ
レバー型でピエゾ抵抗効果を利用した半導体湿度センサ
の断面図、第３図はカンチレバー型で容量変化を利用し
た半導体湿度センサの断面図、第４図は高分子のクリー
プ現象に関する説明図、第５図は架橋構造を持った高分
子のひずみ一時間の関係図、第６図は架橋構造を持たな
い高分子のひずみ−時間の関係図、第７図はダイアフラ
ム型の半導体湿度センサの出力特性を示す図、第８図は
ペレット型の半導体湿度センサの出力特性を示す図、第
９図は出力特性を求める為に測定回路図である。 （１）……Siペレット、（２）……ダイアフラム、
（３）……ピエゾ抵抗、（４）……感湿材、（５）……
カンチレバー、（６）……第１電極、（７）……第２電
極。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 武田 安弘 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三 洋電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−99743（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−163157（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−28153（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】感湿伸縮材の伸縮を半導体ピエゾ抵抗効果
   あるいは容量変化として雰囲気湿度を検出する半導体湿
   度センサにおいて、感湿伸縮材として粘弾性の感湿伸縮
   材を架橋処理した材料を用いることを特徴とする半導体
   センサ。