JP5825181B2 - 湿度センサ - Google Patents

Description

本発明は、相対湿度を検出する湿度センサに関するものである。

従来、この種の湿度センサにおいて、湿度を検出する容量式のセンサチップと、このセンサチップに電気的に接続される外部接続用電極と、外部接続用電極と電気的に接続されるリードとを備え、モールド材によって外部接続用電極とリードとの接続部位を被覆するものがある（特許文献１参照）。

特開２００７−１２７６１２号公報

本発明者は、上記特許文献１を基に、上述の湿度センサにおいて、センサチップの検出信号を信号処理する回路チップを内蔵させる構造について検討したところ、センサチップおよび回路チップをモールド材によって被覆するように構成した場合に、回路チップから発生する熱がモールド材を通してセンサチップに伝わる。このため、センサチップの表面温度が上昇することになる。相対湿度は、温度によって変化する。このため、センサチップの表面温度が上昇すると、センサチップにおいて湿度の検出誤差が生じることになる。

これに対して、図６のように、センサケース２内にセンサチップ３および回路チップ４を収納してセンサケース２の開口部を、透湿フィルタ５ａを備えるキャップ５によって覆うように構成することも考えられる。この場合には、センサケース２の空洞２ａ内において回路チップ４から発生する熱により暖気流が生じて、この暖気流により回路チップ４からの熱がセンサチップ３に伝わる。このため、回路チップ４の温度上昇に伴って、センサチップ３の表面温度が上昇することになる（図７参照）。このため、センサチップ３において、相対湿度の検出値に誤差が生じることになる。
なお、図７では、符号ａは回路チップ４の温度を示し、符号ｂはセンサチップ３の温度を示し、室温よりもセンサチップ３の温度の方が高くなり、測定誤差が生じている例を示している。

本発明は上記点に鑑みて、センサチップおよび回路チップを備える湿度センサにおいて、回路チップから発生する熱によって相対湿度の検出誤差が生じることを抑制することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、 湿度を検出するセンシング部（１１）を有してこのセンシング部で検出された湿度を示す検出信号を出力するセンサチップ（１０）と、
センサチップから出力される検出信号を信号処理する回路チップ（２０）と、
センシング部を多孔質体によって覆うように形成される透湿層（７０）と、を備え、
センシング部は、透湿層を通過する空気の湿度を検出するようになっており、
回路チップの周囲をモールド材によって被覆する被覆部（６０）を備えており、
被覆部は、モールド材によって回路チップのうち一部を除いて被覆するようになっており、
透湿層は、回路チップのうち一部を多孔質体によって覆うように形成されていることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、透湿層は、多孔質体によって形成されているため、断熱性と通気性を兼ね備えることができる。このため、センサチップは、透湿層を通過する空気中の湿度を検出することができる。これに加えて、透湿層によってセンシング部に対して回路チップから発生する熱が伝わり難くすることで、センシング部の温度上昇を抑制できる。このため、回路チップから発生する熱によって湿度の検出誤差が生じることを抑制することができる。これに加えて、透湿層によってセンサチップに異物が付着することを避けることができる。このため、センサチップに対する異物の付着が起因して湿度の検出誤差が生じることを回避することができる。

なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。

本発明の第１実施形態における湿度センサの上面図および断面図である。 第１実施形態における湿度センサの製造工程を示す図である。 第１実施形態における湿度センサの作動を説明するための図である。 本発明の第２実施形態における湿度センサの断面図である。 本発明の第３実施形態における湿度センサの断面図である。 本発明の比較例における湿度センサの断面図である。 比較例における湿度センサの測定誤差を示すグラフである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、説明の簡略化を図るべく、図中、同一符号を付してある。

（第１実施形態）
図１（ａ）、（ｂ）に本発明の第１実施形態における湿度センサ１を示す。図１（ａ）は湿度センサ１の正面図、図１（ｂ）は図１（ａ）中Ａ−Ａ断面図である。

湿度センサ１は、センサチップ１０、回路チップ２０、およびリードフレーム３０、４０、複数本のワイヤ５０、複数本のワイヤ５１、被覆部６０、および透湿層７０を備える。

センサチップ１０は、薄膜状に形成されて容量式の湿度センサチップを構成するもので、一対の電極間に配置されているセンシング部としての感湿膜１１を備える。感湿膜１１は、相対湿度によって比誘電率が変化するセンシング部である。このことにより、センサチップ１０の一対の電極間の静電容量が相対湿度によって変化することになる。つまり、センサチップ１０は、相対湿度を静電容量として検出する。

回路チップ２０は、薄膜状に形成されて、センサチップ１０の静電容量を電圧に変換するＣ−Ｖ変換回路と、このＣ−Ｖ変換回路で変換される電圧を増幅する増幅回路とから構成されている。

リードフレーム３０は、導電性金属材料からなるもので、支持部３１および複数本の外部接続用端子３２を備える。支持部３１は、薄板状に形成されて、センサチップ１０を支える。複数本の外部接続用端子３２は、支持部３１から延出して先端側が被覆部６０から突出するように構成されている。複数本の外部接続用端子３２は、一列に並べられている。複数本の外部接続用端子３２の先端側は、それぞれ、Ｌ字状に屈曲されている。図１（ａ）では、７本の外部接続用端子３２が示されている。

リードフレーム４０は、導電性金属材料からなるもので、支持部４１および複数本の外部接続用端子４２を備える。支持部４１は、薄板状に形成されて、回路チップ２０を支える。複数本の外部接続用端子４２は、支持部４１から延出して先端側が被覆部６０から突出するように構成されている。複数本の外部接続用端子４２は、一列に並べられている。複数本の外部接続用端子４２の先端側は、それぞれ、Ｌ字状に屈曲されている。図１（ａ）では、７本の外部接続用端子４２が示されている。

ここで、リードフレーム３０の支持部３１と、リードフレーム４０の支持部４１とは、互いに離れて配置されている。外部接続用端子３２の先端側と外部接続用端子４２の先端側とは、互いに逆方向に配置されている。

複数本のワイヤ５０は、金等の導電性材料からなる細線であって、センサチップ１０と回路チップ２０との間にそれぞれ接続されている。複数本のワイヤ５１は、金等の導電性材料からなる細線であって、回路チップ２０と複数本の外部接続用端子４２の間にそれぞれ接続されている。なお、図１（ａ）では、ワイヤ５０、５１が省略されている。図１（ｂ）では、１本のワイヤ５０と１本のワイヤ５１とが示されている。

被覆部６０は、例えばエポキシ樹脂などのモールド樹脂によって、センサチップ１０、回路チップ２０、およびリードフレーム３０、４０、複数本のワイヤ５０、および複数本のワイヤ５１を被覆して薄板状に形成されている。

具体的には、被覆部６０は、薄肉部６１および厚肉部６２から構成されている。薄肉部６１および厚肉部６２は、それぞれモールド樹脂によって薄板状に形成されている。薄肉部６１の厚み寸法（図１（ｂ）中上下方向の寸法）が厚肉部６２の厚み寸法に比べて小さくなっている。

薄肉部６１および厚肉部６２は隣接して配置されている。薄肉部６１および厚肉部６２は、互いの底部６１ａ、６２ａが連続される平面状に形成されている。このことにより、薄肉部６１のうち底部６１ａの反対側には、凹部６１ｂが形成されることになる。

薄肉部６１は、その底部６１ａ側からリードフレーム３０の支持部３１および複数本の外部接続用端子３２の基部側を覆うように形成されている。複数本の外部接続用端子３２の基部は、複数本の外部接続用端子３２のうち支持部３１側の部位である。このことにより、感湿膜１１、リードフレーム３０の支持部３１、および複数本の外部接続用端子３２の基部が凹部６１ｂ内で被覆部６０から露出することになる。

厚肉部６２は、回路チップ２０、リードフレーム３０の支持部３１のうちリードフレーム４０側、リードフレーム４０の支持部３１、複数本のワイヤ５０、複数本のワイヤ５１、および複数本の外部接続用端子４２の基部側のそれぞれの周囲をモールド樹脂によって覆うように形成されている。複数本の外部接続用端子４２の基部は、複数本の外部接続用端子４２のうち支持部４１側の部位である。

透湿層７０は、多孔質材料によって、凹部６１ｂ内にて、感湿膜１１、リードフレーム３０の支持部３１、および複数本の外部接続用端子３２の基部をそれぞれ覆う断熱膜を形成している。多孔質材料は、複数の細孔を有して、通気性と断熱性を兼ね備える多孔質体である。本実施形態の多孔質材料としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）、スチロール樹脂、ポリイミド樹脂等の樹脂材料などを用いることができる。

本実施形態では、感湿膜１１のうち大部分（すなわち、リードフレーム３２側部分）を透湿層７０によって覆うように形成されている。感湿膜１１のうちリードフレーム３２側部分以外の残りの部分（すなわち、リードフレーム４２側端部）は、被覆部６０の厚肉部６２が覆うように形成されている。

次に、本実施形態の湿度センサ１の製造方法の一例について説明する。図２（ａ）〜（ｅ）は、１つの湿度センサ１の製造過程を示している。

まず、複数のセンサチップ１０、複数の回路チップ２０、および複数対のリードフレーム３０、４０を用意する。

このとき、複数対のリードフレーム３０、４０は、複数本の外部接続用端子３２、４２の先端側が屈曲していなく、それぞれ真っ直ぐに延出している。複数対のリードフレーム３０、４０は、枠部材（図示省略）で支持されている１つのワークを構成している。

次に、この１つのワークの複数のリードフレーム３０にセンサチップ１０を１つずつ搭載し、複数のリードフレーム４０に回路チップ２０を１つずつ搭載する（図２（ａ）参照）。

次に、センサチップ１０毎にセンサチップ１０と回路チップ２０との間を複数本のワイヤ５０によって接続する。そして、回路チップ２０毎に回路チップ２０と複数本の外部接続用端子４２との間を複数本のワイヤ５１によって接続する（図２（ｂ）参照）。

次に、モールド樹脂を用いた射出成形によって、センサチップ１０、回路チップ２０、およびリードフレーム３０、４０、複数本のワイヤ５０、および複数本のワイヤ５１を被覆する被覆部６０をセンサチップ１０毎に形成する（図２（ｃ）参照：被覆部形成工程）。

次に、感湿膜１１、リードフレーム３０の支持部３１、および複数本の外部接続用端子３２の基部のそれぞれを覆うように多孔質材料を塗布して透湿層７０を形成する（図２（ｄ）参照：透湿層形成工程）。

次に、ワークから枠材を外して、リードフレーム３０の複数本の外部接続用端子３２の先端側をセンサチップ１０毎にＬ字状に屈曲し、リードフレーム４０の複数本の外部接続用端子４２の先端側をセンサチップ１０毎にＬ字状に屈曲する。このことにより、複数個の湿度センサ１が完成することになる（図２（ｅ）参照）。

次に、本実施形態の湿度センサ１が基板に搭載されて、かつリードフレーム３０、４０の複数の外部接続用端子３２、４２の先端側が基板の半田ランドに半田により接続されている場合における、湿度センサ１の作動について説明する。

まず、湿度センサ１の複数本の外部接続用端子４２に対して基板側から電源電圧が印加されると、複数本の外部接続用端子４２から複数本のワイヤ５１を通して回路チップ２０に電源電圧が与えられる。これに伴い、回路チップ２０から複数本のワイヤ５０を通してセンサチップ１０に電源電圧が与えられる。

このとき、透湿層７０を通過する空気中の湿度によって感湿膜１１の比誘電率が変化する。これに伴い、センサチップ１０の静電容量が変化する。このとき、回路チップ２０は、複数本のワイヤ５０を通してセンサチップ１０の静電容量を検出して、この静電容量を電圧に変換しこの変換される電圧を増幅する。この増幅された電圧が複数本のワイヤ５０を通して外部接続用端子４２から基板の半田ランドに出力されることになる。

このとき、回路チップ２０は、Ｃ−Ｖ変換や電圧増幅によって熱を発生する。この熱は、リードフレーム４０の支持部４１および複数の外部接続用端子４２を通して基板の半田ランドに放熱される。

これに加えて、回路チップ２０から発生される熱は被覆部６０に伝わる。ここで、透湿層７０は、被覆部６０に比べて熱伝導率が低いため、熱が被覆部６０から透湿層７０側に伝わることが妨げられる（矢印Ｙａ、×印参照）。このため、回路チップ２０から被覆部６０に伝わった熱がセンサチップ１０の感湿膜１１に伝わることを防ぐことができる。

回路チップ２０から発生する熱の一部は、複数本のワイヤ５０、センサチップ１０、リードフレーム３０の支持部３１、および複数の外部接続用端子３２を通して基板の半田ランドに放熱される。

ここで、複数本のワイヤ５０は、それぞれの周囲が被覆部６０によって覆われている。このため、回路チップ２０から複数本のワイヤ５０に伝達される熱の一部は、被覆部６０側に放熱される。

以上説明した本実施形態によれば、透湿層７０は、多孔質材料（多孔質体）によって感湿膜１１を覆うように形成されている。多孔質材料は、複数の細孔を有する材料である。このため、透湿層７０は、通気性と断熱性を兼ね備えることができる。これにより、空気中の湿気が透湿層７０を通して感湿膜１１に到達することができる。よって、センサチップ１０は、透湿層７０を通して空気中の相対湿度を検出することができる。これに加えて、透湿層７０が感湿膜１１に対して回路チップ２０から発生する熱を伝え難くすることができる。よって、感湿膜１１の温度上昇が抑制できる。

以上により、湿度センサ１のセンサチップ１０において、回路チップ２０から発生する熱によって相対湿度の検出誤差が生じることを抑制することができる。

本実施形態では、複数本のワイヤ５０は、それぞれの周囲が被覆部６０によって覆われている。このため、回路チップ２０から複数本のワイヤ５０に伝達される熱の一部は、被覆部６０側に放熱される。これにより、回路チップ２０から複数本のワイヤ５０に伝達される熱によってセンサチップ１０の温度が上昇することを抑制することができる。

本実施形態の回路チップ２０から発生する熱の一部は、複数本のワイヤ５０を通してセンサチップ１０に伝わるものの、センサチップ１０に伝わった熱は、リードフレーム３０の支持部３１および複数の外部接続用端子３２を通して外部に放熱される。このため、センサチップ１０の温度が上昇することを更に抑制することができる。

また、本実施形態では、センサチップ１０として、容量式の湿度センサチップが用いられている。一般的に、容量式の湿度センサチップでは、感湿膜１１に大気中の浮遊物などの異物が付着すると、静電容量が変化して湿度検出の誤差を招く。

これに対して、本実施形態では、透湿層７０が多孔質材料によって感湿膜１１を覆うように形成されている。このため、感湿膜１１に異物が付着することを避けることができるので、湿度検出の誤差が生じることを抑制することができる。

（第２実施形態）
上述の第１実施形態では、センサチップ１０側に多孔質材料を塗布して透湿層７０を形成した例について説明したが、これに代えて、本実施形態では、センサチップ１０および回路チップ２０のそれぞれに多孔質材料を塗布して透湿層７０を形成する例について説明する。

図４に本実施形態の湿度センサ１の断面図を示す。

本実施形態の湿度センサ１の被覆部６０は、厚肉部６２に穴部６０ｂが形成される薄板状に形成されている。穴部６０ｂは、リードフレーム４０に対して底部６２ａと反対側（図中上側）に開口している。回路チップ２０は、穴部６０ｂ内に露出している。薄肉部６１には、壁部６０ｃが設けられている。壁部６０ｃは、複数本の外部接続用端子３２の基部付近から底部６１ａと反対側（図示上側）に突出するように形成されている。壁部６０ｃは、凹部６１ｂを介して厚肉部６２に対向する。本実施形態の透湿層７０は、多孔質材料によって凹部６１ｂ内の感湿膜１１を覆うとともに、多孔質材料によって穴部６０ｂ内の回路チップ２０を覆うように形成されている。

以上説明した本実施形態によれば、透湿層７０は、多孔質材料によって感湿膜１１を覆うとともに、回路チップ２０のうち底部６２ａと反対側（すなわち、回路チップ２０の一部）を覆うように形成されている。透湿層７０は、熱伝導率が低い。このため、回路チップ２０から発生した熱は、透湿層７０側に伝わることなく、リードフレーム４０の支持部４１側に伝わる。これに伴い、熱がリードフレーム４０の支持部４１から複数の外部接続用端子４２を通して基板の半田ランド側に伝わる。このため、上記第１実施形態に比べて、回路チップ２０から発生した熱がセンサチップ１０側に伝わり難くすることができる。これにより、センサチップ１０の温度上昇を、更に抑制することができる。このため、湿度センサ１は、相対湿度の検出誤差の発生をより一層抑制することができる。

本実施形態では、薄肉部６１には、上述の如く、凹部６１ｂを介して厚肉部６２に対向する。透湿層７０は、多孔質材料によって凹部６１ｂ内の感湿膜１１を覆うように形成されている。このため、壁部６０ｃが透湿層７０を支えることができる。

（第３実施形態）
本実施形形態では、湿度センサ１は、図５に示すように、センサチップ１０、回路チップ２０、リードフレーム３０の支持部３１、複数本の外部接続用端子３２の基部側、リードフレーム４０の支持部４１、複数本のワイヤ５０、複数本のワイヤ５１、および複数本の外部接続用端子４２の基部側のそれぞれの周囲が多孔質材料によって覆われている薄板状の透湿層７０を構成している。このため、複数本の外部接続用端子３２の先端側、および複数本の外部接続用端子４２の先端側がそれぞれ透湿層７０から突出することになる。

（他の実施形態）
上記第１〜第３実施形態では、湿度センサ１において相対湿度によって静電容量が変化する容量式センサチップを用いた例について説明したが、これに代えて、湿度センサ１において相対湿度によって電気抵抗が変化する抵抗式センサチップを用いてもよい。

上記第１実施形態では、図２（ａ）〜（ｅ）に示す製造工程によって湿度センサ１を製造した例について説明したが、これに限らず、各種の製造方法によって湿度センサ１を製造してもよい。

例えば、上記第１実施形態では、センサチップ１０毎に被覆部６０を形成する工程の後に、透湿層７０を形成する工程を実施する場合に限らず、センサチップ１０毎に被覆部６０を形成する工程の前に、透湿層７０を形成する工程を実施してもよい。同様に、上記第２実施形態においても、被覆部６０をセンサチップ１０毎に形成する工程の前に、透湿層７０を形成する工程を実施してもよい。

上記第１実施形態では、透湿層７０が感湿膜１１のうちリードフレーム３２側部分（すなわち、感湿膜１１のうち一部）を覆うように形成されている例について説明したが、これに限らず、透湿層７０が感湿膜１１の全てを覆うように形成されるようにしてもよい。

１ 湿度センサ
１０ センサチップ
２０ 回路チップ
３０ リードフレーム
４０ リードフレーム
５０ ワイヤ
５１ ワイヤ
６０ 被覆部
７０ 透湿層

Claims (7)

1. 湿度を検出するセンシング部（１１）を有してこのセンシング部で検出された湿度を示す検出信号を出力するセンサチップ（１０）と、
   前記センサチップから出力される検出信号を信号処理する回路チップ（２０）と、
   前記センシング部を多孔質体によって覆うように形成される透湿層（７０）と、を備え、
   前記センシング部は、前記透湿層を通過する空気の前記湿度を検出するようになっており、
   前記回路チップの周囲をモールド材によって被覆する被覆部（６０）を備えており、
   前記被覆部は、前記モールド材によって前記回路チップのうち一部を除いて被覆するようになっており、
   前記透湿層は、前記回路チップのうち一部を前記多孔質体によって覆うように形成されていることを特徴とする湿度センサ。
2. 前記透湿層（７０）は、前記センサチップのうち前記センシング部の一部或いは全部を前記多孔質体によって覆うように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
3. 前記回路チップを支持する支持部（４１）と、この支持部から延出して先端側が前記被覆部から突出するように構成されている第１外部接続用端子（４２）とを備える第１リードフレーム（４０）を備えることを特徴とする請求項１または２のいずれか１つに記載の湿度センサ。
4. 前記第１外部接続用端子および前記回路チップの間を接続する第１ワイヤ（５１）を備え、
   前記被覆部は、前記第１ワイヤを前記モールド材によって被覆していることを特徴とする請求項３に記載の湿度センサ。
5. 前記センサチップから出力される検出信号を前記回路チップに伝えるための第２ワイヤ（５０）を備え、
   前記被覆部は、前記第２ワイヤを前記モールド材によって被覆していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の湿度センサ。
6. 前記センサチップを支持する支持部（３１）と、この支持部から延出して先端側が前記被覆部から突出するように構成されている第２外部接続用端子（３２）とを備える第２リードフレーム（３０）を備えることを特徴とする請求項３ないし５のいずれか１つに記載の湿度センサ。
7. 前記第１、第２のリードフレームは、互いに離れて配置されていることを特徴とする請求項６に記載の湿度センサ。

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