JP5188567B2 - 湿度センサ及びガス状の媒体の湿度を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面にモイスチャーフィルムのための収容領域を有し、そのモイスチャーフィルムの層厚が、収容領域の周囲の相対湿度に依存する、湿度センサに関するものであって、その場合に湿度センサが信号源を有し、その信号源はモイスチャーフィルムに制御電圧を印加するために、少なくとも１つの供給箇所において収容領域に隣接する、少なくとも１つの制御電極と接続されている。本発明は、更に、ガス状の媒体の湿度を測定する方法に関するものであって、その場合に固体上に、その層厚が媒体内の相対湿度に依存するモイスチャーフィルムが形成され、かつその場合に少なくとも１つの供給箇所においてモイスチャーフィルムに電位が印加される。

この種の湿度センサは、非特許文献１から知られている。湿度センサは、窒化物層の表面に複数の互いに対して同心に配置された環状電極を有し、それらの環状電極がそれぞれ間隙によって互いに対して離間している。環状電極を用いて、雰囲気中の湿度に依存する、窒化物層の表面導電性が調査される。そのために、信号源を用いて、時間的に可変の制御電圧が環状電極へ印加される。制御電圧は、窒化物層の表面に電流の流れをもたらし、それが周囲温度と相対湿度に従って測定されて、マップの形式で記録される。電流を用いて、窒化物層の表面導電性が定められる。更にマップを用いて電流から相対湿度を求めることができる。しかし、この湿度センサは、環状電極間の汚れが、窒化物層の表面における電気的抵抗を著しく変化させ、従って湿度測定信号を著しく歪曲し得る、という欠点を有している。

特許文献１からは、ポリテトラフルオロエチレンからなる、湿度に敏感な層を有する湿度センサが知られており、その層は、２つの電極間に、即ち湿度を透過するカバー電極とベース電極との間に設けられている。湿度センサは、湿度の容量的な測定のために使用される。その場合に、無定形のポリテトラフルオロエチレンの微視的な中空室内の水分子が吸収されて、電極間の容量を湿度に従って変化させる、という効果が利用される。

特許文献１からは、抵抗的な測定原理に従って作動する湿度センサも知られており、それにおいては、電極間に設けられたポリテトラフルオロエチレン層が導電性である。電極は、インターデジタルのコーム電極であって、湿度センサを上から見ると一方の電極のフィンガーが、他方の電極のフィンガー間に形成された間隙内に配置されている。電極は、電圧源と接続されており、その電圧源が湿度センサに電流の流れをもたらし、その電流の流れは一方の電極からポリテトラフルオロエチレンを介して他方の電極へ流れて、センサによって測定される。

特許文献１から知られた湿度センサにおいても、電極の汚れが湿度測定信号を歪曲し得る、という問題がある。

独国特許公報ＤＥ３９１１８１２Ｃ２

P.Ruhter他；"Surface Conductivity of CMOS Silicon Nitride Layers", Proceeding of IEEE Sensor 2003, 2003年、トロント、10月22-24、p.920-925

従って本発明の課題は、測定箇所の周囲に発生する汚れにほとんど関係なく湿度を測定することを可能にする、冒頭で挙げた種類の湿度センサ及び方法を提供することである。

この課題は、その表面に、モイスチャーフィルムのための収容領域を有する湿度センサによって解決され、そのモイスチャーフィルムの層厚が収容領域の周囲の相対湿度に依存し、その場合に湿度センサが、制御電圧を発生させる手段を備えた信号源を有し、その場合に信号源が、モイスチャーフィルムに制御電圧を印加するために、少なくとも１つの供給箇所において収容領域に隣接する、少なくとも１つの制御電極と接続されており、その場合に湿度センサが、電位センサを有しており、その電位センサが収容領域の下方に、少なくとも１つの供給箇所から離間した、少なくとも１つのセンサ領域を有しており、そのセンサ領域が、センサ領域と収容領域との間にある絶縁層によって次のように、即ち電位センサによってモイスチャーフィルム及び制御電圧に依存する電位が容量的に検出可能であるように、収容領域に対して絶縁されており、その場合に電位センサの測定信号出力と、評価装置が接続されており、
−その場合に信号源が、可変の制御電圧を発生させる手段を有し、かつ評価装置が、電位センサが制御信号の変化に対する反応として測定信号を変化させる速度に依存する信号を発生させるための手段を有し、及び/又は
−その場合に評価装置が、電位センサの測定信号と基準信号又は基準電位との間の電位変位のための信号を発生させる手段を有している。

上述した課題は、更に、ガス状の媒体の湿度を測定する方法によって解決され、その場合に固体上にモイスチャーフィルムが形成され、その層厚が、媒体内の相対湿度に依存し、かつその場合に少なくとも１つの供給箇所においてモイスチャーフィルムに電位が印加され、その場合に少なくとも１つの供給箇所から離間した箇所において、モイスチャーフィルムの層厚と制御電圧とに依存する電位のための測定信号が、電気的な絶縁層を通して容量的に測定される。

従って好ましくは、湿度を定めるために、モイスチャーフィルムにおける電位が測定される。それによって測定信号は、制御電極に場合によっては存在する汚れにほとんど依存しない。モイスチャーフィルムの厚みが、周囲の相対湿度のための尺度である。Ｍｉｃｈｅｌｌｅ Ｌ Ｇｅｅ他、”Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ ＦＩｌｍｓ ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ”、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ、１４０巻、２号、ｐ．４５０−４６４（１９９０年１２月）を参照。モイスチャーフィルムにおける電位は、静的及び／又は動的に測定することができる。動的な測定において発生する電荷変位に基づいて、測定信号は、収容領域と電位センサとの間にある絶縁層にもかかわらず、モイスチャーフィルムのオーム抵抗に従ってその厚みに依存する。信号源の内部抵抗は、好ましくは、湿度センサの使用の間に制御電極において予測される汚れの電気抵抗よりもずっと小さいので、制御電極を介してモイスチャーフィルムへ印加される制御電圧は、汚れ及びそれを介して流れる電流にほとんど依存しない。

湿度が減少するにつれて、その際に減少される層厚に基づき、かつ制御信号の時間的推移が変化しない場合にモイスチャーフィルムの電気的な抵抗が大きくなることに基づいて、測定信号の変化速度が低下する。同様にして、湿度が増加した場合には、変化速度が上昇する。従って変化速度は、相対湿度のための尺度である。変化速度の評価は、アナログ回路（例えば差動部材）を用いて、及び/又はデジタル信号処理の方法によって行うことができる。この目的のために、評価装置は、マイクロコンピュータを有することができる。

湿度センサの周囲における湿度の変化が、結果としてイオンセンシティブな電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）の特性曲線の変化をもたらし、それによって、相対湿度が増大した場合には、測定信号の同一成分が大きさ的に増大し、湿度が減少した場合には、大きさ的に減少する。これは、モイスチャーフィルムと絶縁層との間の接触面における電荷密度の変化からもたらされる。電荷密度のこの変化は、付加的な電位のように、ＩＳＦＥＴ−チャネル領域ないし測定増幅器の入力に作用し、その測定増幅器は測定信号を大きさ的により大きい電位値の方向に変位させる。従って相対湿度は、測定信号の電位変位を用いても、静的に求めることができる。これは、例えば、比較装置、加算装置又は引き算装置を用いて定めることができる。

制御電極が、少なくとも１つの導体路によって互いに接続された、少なくとも２つの電極領域を有しており、かつ収容領域がその電極領域の間に配置されていると、効果的である。その場合に電位センサの測定信号は、制御電極における汚れに対して、更に依存しなくなる。電極間の短絡さえも、測定信号の変化をもたらすことはない。

本発明の好ましい形態において、制御電極は収容領域の回りに中断なしで延びており、特に環状電極として形成されている。その場合に環状電極は、好ましくはその内周面全体においてモイスチャーフィルムと接触しているので、モイスチャーフィルムにすべての側から制御電圧が供給される。

本発明の好ましい実施形態において、電位センサは、電界効果トランジスタ、特にＩＳＦＥＴであって、第１の電荷担体タイプの半導体基板を有し、その上に第２の電荷担体タイプのドレインとソースが配置されており、その場合にドレインとソースの間に、センサ領域を形成するチャネル領域が形成されている。その場合に電界効果トランジスタは、絶縁層を介してモイスチャーフィルムとともに電気的な容量を形成し、その容量がモイスチャーフィルムのオーム抵抗及び信号源と直列に接続されており、かつ時間的に変化する制御電圧が制御電極内へ供給された場合に、その容量において、電圧降下が発生し、それが電界効果トランジスタのチャネル領域内の導電性を変化させる。電界効果トランジスタを用いて、モイスチャーフィルムの電位を高オームで測定することができる。電界効果トランジスタは、好ましくはモイスチャーフィルムないしモイスチャーフィルムのための収容領域のすぐ下に配置されており、それによって、ＥＭＶ作用にほぼ不感の測定信号獲得と、湿度センサのコンパクトな寸法を可能にする。

本発明の他の形態において、センサ領域は好ましくは平面的な測定電極によって形成されており、その測定電極が導体路を介して電界効果トランジスタのチャネル領域及び／又は高オームの測定増幅器の入力と接続されている。従ってチャネル領域ないし測定増幅器は、センサ領域から側方へ離間させることもできる。

収容領域の両側に配置された２つの電極領域の間の内側の間隔、又はリング電極の内法幅が、１００μｍより小さく、特に１０μｍより小さく、好ましくは１μｍより小さいと、効果的である。この寸法が、多くの適用のために、湿度変化に対する測定信号の十分に迅速な反応を可能にする。環状電極の内法幅が約１μｍより小さい場合には、５％から９５％への相対湿度の飛躍的な変化を検出するために、湿度センサが必要とする時間長さは、例えば０．１と２秒の間にある。

本発明の目的に合った形態において、信号源は、少なくとも１つの飛躍箇所を有する制御電圧、特に矩形信号を発生させることができるように、形成されている。飛躍箇所における高い変化速度に基づいて、飛躍箇所に対する反応としての測定信号の迅速な変化が生じる。測定信号の飛躍箇所によって、更に、湿度変化に対する反応としての測定信号の変化速度及び電位変位を容易に求めることができる。

絶縁層は、好ましくは、二酸化ケイ素層及び／又は窒化ケイ素層を有している。これらの層は、高い固有電気抵抗を可能にし、半導体形成の標準プロセスを用いて良好に形成される。

信号源、制御電極、電位センサ、絶縁層及び評価装置が、半導体チップ内に集積されていると、効果的である。その場合に湿度センサは、半導体形成の方法を用いて大量の個数で安価に形成することができ、更にコンパクトな寸法を可能にする。半導体チップは、電気的に絶縁する鋳造材料によって回りを囲むことができ、その鋳造材料は、収容領域への入口を形成する開口部を有している。

本発明の他の好ましい形態が、下位請求項に記載されている。

以下、本発明の実施例を図面を用いて詳細に説明する。

モイスチャーフィルムに制御電圧を印加するための制御電極を有する湿度センサを示す部分断面図である。 湿度センサの半導体チップの部分領域を示す上面図であって、制御電極とその下にあるＩＳＦＥＴが見られる。 異なる相対湿度の下で記録された、湿度センサの電位センサの２つの測定信号とモイスチャーフィルムに印加された制御電圧をグラフで表示しており、その場合に横軸に時間ｔが、縦軸には測定信号振幅ｓが表示されている。

図１に全体を符号１で示す湿度センサは、半導体基板２を有しており、その表面に電気的な絶縁層３、好ましくは二酸化ケイ素層又は窒化ケイ素層、が配置されている。半導体基板２内に、第１の電荷担体タイプのドーピングが行われている。

絶縁層３上に、モイスチャーフィルム５ａ、５ｂのための収容領域４が設けられている。湿度センサ１の回りには、図面には詳しく図示されていない電気的に絶縁する鋳造材料が吹き付けられており、その鋳造材料は、収容領域への入口を形成する開口部を有している。モイスチャーフィルム５ａ、５ｂの層厚６ａ、６ｂとそれに伴ってモイスチャーフィルム５ａ、５ｂのオーム抵抗は、収容領域４と接触する雰囲気の相対湿度に依存している。図１には、これが、破線で示唆されている。

半導体基板２内に、電位センサが統合されており、その電位センサは収容領域の下方に、収容領域内にある電荷を検出するためのセンサ領域９を有している。電位センサは、ＩＳＦＥＴとして形成されており、第２の電荷担体タイプのドレイン７とソース８を有している。ドレイン７とソース８の間に、センサ領域９を形成するチャネル領域が配置されている。チャネル領域は、絶縁層３によって収容領域４ないしはその中にあるモイスチャーフィルム５ａ、５ｂから離間している。

湿度センサ１はその、チャネル領域とは逆の表面に、制御電極１０を有しており、その制御電極は、制御電圧のための供給箇所１１として用いられる、モイスチャーフィルムの外側端縁と接触している。供給箇所１１は、チャネル領域の端縁の上方に配置されており、或いはチャネル領域から側方に離間している。図２に明らかなように、制御電極１０は、環状電極として形成されており、モイスチャーフィルム５ａ、５ｂのための収容領域４を包囲している。制御電極１０の部分領域が、ソース８とドレイン７の上方に配置されている。制御電極１０は、絶縁層３によってソース８及びドレイン７に対して絶縁されている。

制御電極１０は、導体路を介して、図面には詳しく図示されていない信号源の第１の出力端子と電気的に接続されている。信号源の第２の出力端子は、半導体基板２に接続されている。信号源は、好ましくは半導体基板２内に統合されている。

信号源を用いて、時間的に変化する制御電圧、即ち予め定められた周波数と予め定められた振幅とを有する矩形信号が形成されて、制御電極１０を介してモイスチャーフィルム５ａ、５ｂに印加される。制御電圧の時間的な推移１２が、図３にグラフで表示されている。モイスチャーフィルム５ａ、５ｂは、ＩＳＦＥＴとともに電気的な容量を形成し、その容量がオーム抵抗及び制御電極と直列に接続されている。

制御電圧がモイスチャーフィルム３に印加されている間、収容領域４内の電位が、ＩＳＦＥＴを用いて容量的に検出される。ＩＳＦＥＴの測定信号１３ａ、１３ｂは、制御電圧の時間的推移１２とモイスチャーフィルム５ａ、５ｂの層厚６ａ、６ｂに依存する。層厚６ａ、６ｂは、５００ｎｍよりも小さくすることができ、好ましくは１００ｎｍよりも小さい。

図３に明らかなように、制御電圧の推移１２が変化しない場合に、制御電圧の変化への反応として測定信号１３ａ、１３ｂが変化する速度は、モイスチャーフィルムの厚みが減少するにつれて、減少する。この変化速度の値は、例えば、制御電圧内に飛躍箇所が発生する場合にその値を予め定められた量Δｓだけ変化させるために、測定信号１３ａ、１３ｂが必要とする時間ｔ₁ないしｔ₂が測定されて、商Δｓ／ｔ₁ないしΔｓ／ｔ₂の形成により変化速度が計算されることによって、定めることができる。

図３から更に明らかなように、制御電圧の推移１２が変化しない場合に、モイスチャーフィルム５ａ、５ｂの層厚６ａ、６ｂとそれに伴って相対湿度が変化する場合に、測定信号１３ａ、１３ｂはオフセット１４だけ変位する。層厚６ａ、６ｂが増加した場合には、測定信号１３ａ、１３ｂの大きさは増加し、層厚が減少した場合には、測定信号１３ａ、１３ｂの大きさは減少する。

変化速度とオフセット１４のために、相対湿度に従って基準値が、例えば特性曲線の形式で、或いはマップの形式で、準備されて、サンプリング箇所について記憶される。基準値は、好ましくは測定によって求められるが、計算することもできる。Ｍｉｃｈｅｌｌｅ Ｌ Ｇｅｅ他、”Ｈｙｄｒｏｐｈｏｂｉｃｉｔｙ Ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗａｔｅｒ Ｆｉｌｍｓ ｏｎ Ｑｕａｒｔｚ”、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｏｌｌｏｉｄ ａｎｄ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ、１４０巻、２号、ｐ．４５０−４６４（１９９０年１２月）を参照。

電位センサ信号１３ａ、１３ｂと基準値を用いて、例えば相対湿度に比例するアナログ信号及び／又はそれに応じたデジタル信号を形成するために、相対湿度を定めることができる。そのために、電位センサの測定信号出力が、然るべき評価装置と接続されている。評価装置は、変化速度のための信号と測定信号１３ａ、１３ｂのオフセット１４のための信号を形成するための電気的な回路を有している。

Claims (18)

1. その表面に、モイスチャーフィルム(5a, 5b)のための収容領域(4)を有する湿度センサ(1)であって、前記モイスチャーフィルムの層厚(6a, 6b)が前記収容領域(4)の周囲の相対湿度に依存し、前記湿度センサ(1)が、制御電圧を発生させる手段を備えた信号源を有し、前記信号源が、前記モイスチャーフィルム(5a, 5b)に制御電圧を印加するために、少なくとも１つの供給箇所(11)において前記収容領域(4)に隣接する、少なくとも１つの制御電極(10)と接続されており、前記湿度センサ(1)が、電位センサを有しており、前記電位センサが前記収容領域(4)の下方に、前記少なくとも１つの供給箇所(11)から離間した、少なくとも１つのセンサ領域(9)を有しており、前記センサ領域が、前記センサ領域と前記収容領域(4)との間にある絶縁層(3)によって次のように、即ち前記電位センサによって前記モイスチャーフィルム(5a, 5b)及び前記制御電圧に依存する電位が容量的に検出可能であるように、前記収容領域(4)に対して絶縁されており、前記電位センサの測定信号出力が評価装置と接続されており、
   −前記信号源が、可変の制御電圧を発生させる手段を有し、かつ前記評価装置が、前記電位センサが制御信号の変化に対する反応として測定信号を変化させる速度に依存する信号を発生させるための手段を有し、及び/又は
   −前記評価装置が、前記電位センサの測定信号と基準信号又は基準電位との間の電位変位のための信号を発生させる手段を有している、
   湿度センサ。
2. 前記制御電極(10)が、少なくとも１つの導体路によって互いに接続された、少なくとも２つの電極領域を有しており、かつ
   前記収容領域が前記これらの電極領域の間に配置されていることを特徴とする請求項１記載の湿度センサ(1)。
3. 前記制御電極(10)が、前記収容領域(4)の回りに中断なしに延びていることを特徴とする請求項１又は２記載の湿度センサ(1)。
4. 前記制御電極(10)が、環状電極として形成されていることを特徴とする請求項３記載の湿度センサ(1)。
5. 前記電位センサが、電界効果トランジスタであって、それが、第１の電荷担体タイプの半導体基板(2)を有し、その上に第２の電荷担体タイプのドレイン(7)とソース(8)が配置されており、かつ
   前記ドレイン(7)と前記ソース(8)の間に、前記センサ領域(9)を形成する、チャネル領域が形成されていることを特徴とする請求項１ないし４いずれか１項に記載の湿度センサ(1)。
6. 前記電界効果トランジスタがイオンセンシティブな電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項５記載の湿度センサ。
7. 前記センサ領域(9)が平面的な測定電極によって形成されており、前記測定電極が、導体路の上方で、電界効果トランジスタのチャネル領域及び／又は高オームの測定増幅器の入力と接続されていることを特徴とする請求項１ないし５いずれか１項に記載の湿度センサ(1)。
8. 前記収容領域の両側に配置された２つの電極領域の間の内側間隔、或いは環状電極の内法幅が、１００μｍより小さいことを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項に記載の湿度センサ(1)。
9. 前記収容領域の両側に配置された２つの電極領域の間の内側間隔、或いは環状電極の内法幅が、１０μｍより小さいことを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項に記載の湿度センサ(1)。
10. 前記収容領域の両側に配置された２つの電極領域の間の内側間隔、或いは環状電極の内法幅が、１μｍより小さいことを特徴とする請求項１ないし７いずれか１項に記載の湿度センサ(1)。
11. 前記信号源が、少なくとも１つの飛躍箇所を有する制御電圧を発生させることができるように、形成されていることを特徴とする請求項１ないし１０いずれか１項に記載の湿度センサ(1)。
12. 前記信号源が、矩形信号を発生させることができるように、形成されていることを特徴とする請求項１ないし１０いずれか１項に記載の湿度センサ(1)。
13. 前記絶縁層(3)が、二酸化ケイ素層及び／又は窒化ケイ素層を有していることを特徴とする請求項１ないし１２いずれか１項に記載の湿度センサ(1)。
14. 前記信号源、前記制御電極(10)、前記電位センサ、前記絶縁層(3)及び前記評価装置が、半導体チップ内に集積されていることを特徴とする請求項１ないし１３いずれか１項に記載の湿度センサ(1)。
15. ガス状の媒体の湿度を測定する方法であって、固体上にモイスチャーフィルム(5a, 5b)が形成され、前記モイスチャーフィルム(5a, 5b)の層厚が媒体内の相対湿度に依存し、かつ少なくとも１つの供給箇所(11)において、前記モイスチャーフィルム(5a, 5b)に電位が印加され、かつ前記少なくとも１つの供給箇所(11)から離間した箇所において、前記モイスチャーフィルム(5a, 5b)の層厚(6a, 6b)と制御電圧に依存する電位のための測定信号が、電気的な絶縁層(3)を通して容量的に測定される、ガス状の媒体の湿度を測定する方法。
16. 時間的に変化する電位が、前記モイスチャーフィルム(5a, 5b)に印加されることを特徴とする請求項１５記載の方法。
17. 制御信号の変化に対する反応として電位が変化する速度が、定められることを特徴とする請求項１５又は１６記載の方法。
18. 測定された電位と基準電位の間の電位変位が定められることを特徴とする請求項１５ないし１７いずれか１項に記載の方法。

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