JPS61124858A - 湿度検出用素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、雰囲気中の湿度を露点温度により測定するい
わゆる露点湿度計のための湿度検出用素子に関するもの
である。

〔従来の技術〕

雰囲気中の湿度を検出するための湿度計として、セラミ
ックあるいは高分子等の吸湿体によるものが既に知られ
ている。かかる湿度計は、吸湿体の抵抗値あるいはキャ
パシタンス値が雰囲気中の湿度に応じて変化することを
利用するものである。

ところが、このような構成の湿度計は極めて単純なる構
成であるという特徴を有するものの、使用中に雰囲気の
汚染物が吸湿体に付着するため、吸湿体の物性の変化が
生じ、長期的な安定性が欠けるという欠点があった。そ
のため、使用環境によっては、１〜２ケ月で出力値誤差
が無視できない程度に達することも少なくない。

これに対して、露点湿度計はこのような問題点の無い湿
度計として良く知られており、具体的なには次のような
構成になっている。

すなわち、ペルチェ冷却器等から成る冷却部の表面を鏡
面とし、この鏡面に水滴が生じることで鏡面の曇りを光
の反射率の変化として検出し、鏡面の曇りが生じたとき
の冷却部温度すなわち露点温度を検出するものである。

露点温度が判れば、ある温度における飽和水蒸気圧が一
義的に定まることから、当該雰囲気の水蒸気圧すなわち
絶対湿度を知ることができる。なお、相対湿度を知りた
い場合には、さらに雰囲気の温度を検出すれば算出でき
るものである。

この露点湿度計は、水分子の結露現象という純粋に水の
温度に対する相変化を利用したものであり、センサ要素
の湿度に対する物理的性質の変化を利用するものではな
いので、長期的な使用や汚染物質の多い雰囲気での使用
に対しても計測出力の狂いが生じ難い。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の露点湿度計は、水滴を作るための
冷却手段が比較的大きく、また、素子全体を冷却するた
めには大きな動作電流が必要で、冷却器の消費電力も大
きい、また、冷却器の発する熱を効率的に逃がさなけれ
ばならず、冷却器を含めた全体のセンサ部の設計上の制
約が多い。そのため、かかる露点湿度計は広く手軽に利
用する湿度計としては適さない。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の湿度検出用素子は、上記問題点に鑑みてなされ
たものであり、冷却部を湿度検出用素子の中央部に集中
させたペルチェ冷却手段と、感温部を冷却部近傍に設け
た冷却温度検出手段と、冷却部の上部に有り水滴の付着
により反射状態が変化する部分とを中央部が除去されて
いる基板上に形成したものである。

〔作用〕

基板が除去されている湿度検出用素子の中央部にペルチ
ェ冷却手段の冷却部を集中させたので、この冷却部が熱
的に絶縁され、微弱な電流で局部冷却が可能となり、冷
却温度検出手段および外部に付加した水滴検出手段の出
力から雰囲気の湿度を測定できる。

〔実施例〕

以下、実施例と共に本発明を製造工程にしたがって詳細
に説明する。

第１図は本発明の一実施例の製造途中における斜視図で
ある。

基板２０はステンレス鋼等の金属あるいは単結晶シリコ
ンウェファ等の材料から成る。この基板２０の上に、ま
ず絶縁層２２として耐湿性の良好な窒化シリコン（Ｓｉ
、Ｎ、）膜をプラズマＣＶＤ装置により６０００人程度
０厚さに生成する。

次に、第１のペルチェ金属２４．第１の熱電対金属２８
．および測温抵抗体３２となる厚さ２μのＰ型のテルル
鉛（ＰｂＴｅ）の薄膜を上記絶縁層２２の上にＭＷによ
り生成する。

そして、耳側技術により、このＰ型のテルル鉛の薄膜を
第１図に示す第１のペルチェ金属２４゜第１の熱電対金
属２８および測温抵抗体３２のパターンと成るように選
択的にエツチングする。

すなわち、第１のペルチェ金属２４は絶縁層２２表面の
周辺部から中心部に延びる帯状のパターンを所定の間隔
で複数配列したものであり、また、第１の熱電対金属２
８は第１のペルチェ金属２４と同じく周辺部から中心部
に延びる帯状のパターンである。

さらに、測温抵抗体３２は第１のペルチェ金属２４およ
び第１の熱電対金属２８を囲うように絶縁層２２表面の
周辺部にパターニングされている。

なお、この測温抵抗体３２は室温検出手段として機能す
るものである。

次に、上記のように第１のペルチェ金属２４等がパター
ニングされた表面上に絶縁層２２としての窒化シリコン
膜をプラズマＣＶＤ装置により３０００人程度０厚さに
生成する。

しかる後、耳側技術によりこの窒化シリコン膜を選択的
にエツチングすることで、第１のペルチェ金属２４と後
に形成される第２のペルチェ金属２５との接合部のため
のコンタクトホール、および第１の熱電対金属２８と後
に形成される第２の熱電対金属２９との接合部のための
コンタクトホールを生成する。これらのコンタクトホー
ルは、第１のペルチェ金属２４および第１の熱電対金属
２８の端部に形成される。

ついで、第２のペルチェ金属２５および第２の熱電対金
属２９となる厚さ２μ程度のｎ型のテルル鉛の薄膜をコ
ンタクトホールを含む絶縁層２２上全面に蒸着により生
成する。

その後、耳側技術により第１図に示す第２のペルチェ金
属２５および第２の熱電対金属２９のパターンとなるよ
うに選択的にエツチングする。

すなわち、第２のペルチェ金属２５は第１のペルチェ金
属２４の中央部側端部（この上部には上記コンタクトホ
ールが形成されている）と、この第１のペルチェ金属２
４と隣接する別の第１のペルチェ金属２４の周辺部側端
部（この上部にもコンタクトホールが形成されている）
とを接続するように帯状にパターニングされる。

ただし、複数ある第２のペルチェ金属２５のうちの一つ
は、一端のみが第１のペルチェ金属２４と接合されるも
ので、その他端は後述するペルチェ冷却手段の一方の電
極部となる。また、複数ある第１のペルチェ金属２４の
うちの一つも、一端のみが第２のペルチェ金属２５と接
合されており、その他端がベルチェ冷却手段の他方の電
極部となる。

このパターニングにより、第１のペルチェ金属２４と第
２のペルチェ金属２５とが交互に連続的に接続され、電
気的に一体化されて、ベルチェ冷却手段を構成する。

すなわち、第１のペルチェ金属２４と第２のペルチェ金
属２５との接合部のうち、基板２０の中心部にあるもの
を第１の接合部群２６とし、周辺部にあるものを第２の
接合部群２７とすると、所定の方向に電流を流すことに
より第１の接合部群２６に吸熱作用が生じ、第２の接合
部群２７に発熱作用が生じる。この吸熱作用を利用して
、第１の接合部群２６が集中している素子中央部を冷却
することができるのである。

第２の熱電対金属２９はコンタクトホールが形成された
第１の熱電対金属２８の中央部側端部から第１の熱電対
金属２８と平行に周辺部まで延びる帯状のパターンとす
る。第１の熱電対金属２８と第２の熱電対金属２９との
接合部が感温部３０となり、両金属の他端部が冷却温度
検出手段としての熱電対の電極部となる。

続いて、ベルチェ冷却手段、室温検出手段および冷却温
度掻出手段を覆うように、再び絶縁層２２となる窒化シ
リコン膜をプラズマＣＶＤ装置により６０００人程度０
厚さに生成し、耳側技術により窒化シリコン膜を選択的
にエツチングすることで、ペルチェ冷却手段、冷却温度
検出手段および室温検出手段の各電極部にコンタクトホ
ールを形成する。

その後、アルミニウム等の厚さ１μ程度の金属薄膜を、
絶縁層２２上にコンタクトホールを含む全面にわたって
蒸着により生成し、耳側技術によりこの金属の薄膜を選
択的にエツチングして第２図の斜視図に示すようなペル
チェ冷却手段のパッド３４ａ、３４ｂ、冷却温度検出手
段のパッド３５ａ、３５ｂ、室温検出手段のパッド３６
ａ、３６ｂをパターニングする。

次に、素子の表裏両面に窒化シリコン膜をプラズマＣＶ
Ｄ装置により６０００人程度０厚さに生成する。これは
、窒化シリコンが極めて安定した材料であるために保護
膜として使うためである。

なお、このとき、第１の接合部群２６が集中している素
子中央部表面が光沢面となるように窒化シリコン膜を形
成する。これは、後の動作説明において述べるように、
冷却により形成される水滴の検出を容易にするためであ
る。

そして、耳側技術を使い、基板２０の裏側の中央部の窒
化シリコン膜をプラズマエツチングにより選択的に除去
して開口を形成し、さらに、この開口を通して基板２０
を絶縁層２２までエツチング除去する。第３図はこのと
きの状態を示す断面図であり、基板２０の裏面からのエ
ツチングにより凹部２１が基板２０の中央部に形成され
ていることが判る。

最終工程として、第４図の概略斜視図に示すように、素
子表面の窒化シリコン膜のうちの凹部２１の周辺部の一
部を耳側技術により選択的にエツチングすることで、素
子表面と凹部２１とを連通ずる貫通孔２３を形成すると
共に、電極３４ａ。

３４ｂ、　　・・・、３６ａ、３６ｂにおける外部回路
との接続のためのポンディングパッド開口部を形成する
。なお、この貫通孔２３は、凹部２１内の空気と絶縁層
２２の上面に接する大気との圧力差を無くすために形成
されるものである。その後は基板をダイシングし、各々
のチップに切り出し、所定のバフケージを行なう。

以上の工程を経て、本実施例の湿度検出用素子が造られ
る。

なお、凹部２１を基板２０の裏面からのエツチングによ
り形成したが、第５図および第６図の斜視図に示すよう
にシリコン基板の異方性エツチングにより実現されるマ
イクロブリッヂ構造を適用することも可能である。

また、第１のペルチェ金属２４．第２のペルチェ金属２
５のパターンは、冷却部である第１の接合部群２６が所
定の場所に集中できるものであれば、実施例のパターン
に限られるものではないことは言うまでもない。

また、本実施例ではペルチェ冷却手段２は第１のペルチ
ェ金属２４と第２のペルチェ金属２５とを交互に接続し
て１組の直列回路を構成しているが、少なくとの１組の
直列回路が形成されていればよく、２組以上の直列回路
を並列接続したものでも構わない。

さらに、第１のペルチェ金属２４と第２のペルチェ金属
２５との接合部が、使用する金属によってはオーミック
接合とならずに半導体接合（例えばショットキ接合等）
となる場合があるが、そのような場合には、ニッケル等
温３の金属を介して電気的接合をとれば冷却部における
ジュール熱の発生を抑えることができ、冷却能力の低下
を防止できる。

さらに、第１の熱電対金属２８および第２の熱電対金属
２９の材料は、本実施例の如くそれぞれ第１のペルチェ
金属２４および第２のペルチェ金属２５と同一の材料を
使うことが製造の容易性等から現実的であるが、これに
限られるものではない。

また、室温検出手段である測温抵抗体３２は、後述する
ように、絶対湿度を測定する場合には不要な要素である
。そして相対湿度を測定する場合にあっても、別途室温
検出計を用いることが可能であるので、湿度検出用素子
上に必ずしも一体形成する必要はない。

なお、室温検出手段を湿度検出用素子に一体形成する他
の例としては、シリコン単結晶のウェファにダイオード
を集積したものを基板として使用し、このダイオードの
順方向電圧の温度依存性を利用するもの等がある。

また、冷却温度検出手段は必ずしも熱電対で構成しなく
てもよく、例えば測温抵抗体等で構成することも可能で
ある。

つぎに、本実施例の湿度検出用素子を実際に露点湿度計
として用いる場合の回路構成を第７図のブロック図に基
づいて説明する。

二点鎖線で囲まれた部分が？ｔｉＪｊ検出用素子Ｉであ
り、ペルチェ冷却手段２．冷却温度検出手段４、室温検
出手段５を含む。

水滴検出手段３は発光素子１３と受光素子１４とから構
成され、第８図の斜視図に示すように、湿度検出用素子
ｌの上部に配置される。発光素子１３は、その照射光が
湿度検出用素子１の中央部に当たるように方向付けされ
ており、受光素子１４は、発光素子１３が発する光の湿
度検出用素子１での反射光を直接受光しないように方向
付けされている。

湿度検出用素子１の表面に水滴が付着していないときは
この表面が鏡面状になっており、発光素子１３からの光
は受光素子１４にほとんど入らない。しかし、水滴の付
着により湿度検出用素子１の表面が曇りだすと、乱反射
により発光素子１３からの光の一部が受光素子１４に入
射する。したがって、受光素子１４の出力によって水滴
の付着を検出することができるのである。

なお、上記鏡面状の表面を逆に曇ガラスのように微小な
凹凸面とすれば、水滴の付着により表面が光沢を持つよ
うになり、乱反射により受光素子１４に入射していた発
光素子１３からの光の一部が入射されなくなることから
水滴の付着を検出することができる。

水滴検出回路７は、発光回路１５および受光回路１６か
ら構成されており、発光回路１５は発光素子１３を駆動
し、受光回路１６は受光素子１４の出力から水滴の有無
を判別する。

なお、外乱光の影響を避けるために、発光回路１５にお
いて発光素子１３の光を変調することが可能である。例
えば、１０ｋＨｚのパルス駆動で発光素子１３を点灯さ
せ、受光回路１６で１ＯｋＨｚのバンドパスをかけて直
流である外乱光をカントすればよい。

また、本実施例では受光素子１４の位置を、発光素子１
３が発する光の湿度検出用素子工での反射光を直接受光
しないように方向付けしたが、逆にこの反射光を直接受
光するように方向付けすれば、水滴の付着により受光量
が減少するので、かかる現象を利用しても水滴の有無を
検出できる。

電流発生回路６はペルチェ冷却手段２に必要な電流を供
給する回路であり、ペルチェ冷却手段２の冷却能力を決
定する回路である。

温度差検出回路８は、冷却温度検出手段４としての熱電
対がペルチェ冷却手段２における冷却部と室温との差に
基づいて発生する起電力を検出し、この起電力から冷却
部と室温との温度差を検出する回路である。

室温検出回路９は、室温検出手段５としての測温抵抗体
３２に接続され、測温抵抗体３２の抵抗変化から室内温
度Ｔａを検出する機能を有する。

マイクロコンピュータｌＯは、電流発生回路６゜水滴検
出回路７．温度差検出回路８．室温検出回路９とバス１
２を介して接続され、水滴検出回路７により検出される
水滴の有無に応じて電流発生回路６を制御するとともに
、温度差検出回路８によって検出される温度差ΔＴと室
温検出回路９によって検出される室内温度Ｔａを使って
演算により絶対湿度と相対湿度を求める機能を有する。

インターフェース１１はマイクロコンピュータＩＯに接
続され、マイクロコンピュータ１０からの露点温度、絶
対湿度、相対湿度等に関する情報を図示しない外部機器
に送る機能を有する。

次に、このように構成された露点湿度計の動作について
、第９図に示すマイクロコンピュータｌＯが実行するフ
ローチャートにしたがって説明する。

まず、マイクロコンピュータ１０は電流発生回路６に最
大電流をペルチェ冷却手段２に流すように指示し、同時
の発光回路１５を駆動する（ステップ１０１）。

ペルチェ冷却手段２に電流が流れると接合部群２６．２
７においてベルチェ効果が生じる。すなわち、第１の接
合部群２６では吸熱作用、第２の接合部群２７では発熱
作用が生じる。

第１の接合部群２６は湿度検出用素子１の中央部に集中
しており、表裏両面が空気中に露出する薄膜層内に形成
されているため、熱的に絶縁された状態となっている。

したがって、第１の接合部群２６の近傍すなわち冷却部
の冷却は極めて微少の電流にて実現できることになる。

一方、第２の接合部群２７は湿度検出用素子１　゛の周
辺部に分散しており、基板２０に密着した薄膜層内に形
成されているため、その発熱は直ちに基Ｆｉ２０内に伝
達される。したがって、第２の接合部群２７の近傍での
温度上昇は殆どなく、第１の接合部群２６の冷却作用に
対して全くその影響を与えることはない。

する冷却部は露点温度以下に速やかに冷却されることに
なり、この冷却部の上に形成されている水滴検出手段３
のさらにその上の絶縁層２２上に結露現象が現れ、水滴
が付着する。

水滴検出手段３は前述したように発光素子１３と受光素
子１４とからなり、絶縁層２２上に水滴が付着すると、
乱反射が起こり、受光素子１４に発光素子１３からの光
の一部が入射する。

受光回路１６はこの受光素子１４出力変化を検出し、マ
イクロコンピュータ１０は受光回路１６の出力から水滴
の有無を知る（ステップ１０２）。

最大電流をもってペルチェ冷却手段２の冷却部を冷却す
ることで所定時間内に水滴が付着し、水滴検出回路７が
これを検出するとマイクロコンピュータ１０は冷却電流
をＮ％減少させる（ステップ１０５）。なお、このとき
、所定時間経過しても水滴が付着しない場合には、雰囲
気の状態が測定レンジ範囲外にあるので、その旨の表示
信号を出力する（ステップ１０３．１０４）。

冷却電流をＮ％減少させた後、所定時間経過した時点で
、再び水滴の有無を判断する（ステップ１０６）。冷却
電流の減少によっても水滴検出回路７が水滴をりの信号
を出し続けているときは、マイクロコンピュータ１０は
さらに冷却電流をＮ％減少させ（ステップ１０５）、こ
のような循環を経ることでペルチェ冷却手段２の冷却能
力を徐々に減少させる。

ペルチェ冷却手段２の冷却能力の減少により水滴が付着
しなくなり、さらに蒸発により水滴が消失し始める。

水滴検出回路７が水滴の消失を検出すると、今度は逆に
冷却電流をＭ　（＜Ｎ）％増加し冷却能力を増すことで
水滴の付着し始める露点温度に戻すことになる（ステッ
プ１０７）。

水滴検出回路７が水滴の付着を検出すると（ステップ１
０８）、マイクロコンビエータ１０は冷却温度検出手段
４が検出する冷却部と室温との温度差ΔＴおよび室温検
出手段５が検出する室内温度Ｔａを、それぞれ温度差検
出回路８および室温検出回路９を介して読み取る（ステ
ップ１１０゜１１１）　。

なお、冷却電流をＭ％増加させていく循環（ステップ１
０７，１０８，１０９）で、冷却電流が最大となってし
まった場合には、雰囲気の状態が測定レンジ範囲外にあ
ることを意味し、その旨の表示信号を出力する（ステッ
プ１０４）。

冷却温度検出手段４は前述したように感温部３０を素子
１のほぼ中央に配置する熱電対２８．２９からなり、こ
の熱電対２８．２９の他端は素子１の周辺部すなわち凹
部２１でない基板２０上に配置されることから、この温
度差ΔＴは室温状態にある基板２０の温度値とペルチェ
冷却手段の冷却部の温度値との差分値である。

室温検出手段５は前述したように測温抵抗体３２からな
り、室温変化に伴う抵抗値の変化を微少電流を流して電
圧値に変換することで室温値を検出する。

マイクロコンピュータ１０は温度差ΔＴと室内温度Ｔａ
を読み込むと、 Ｔｄ−Ｔａ−ΔＴ を求める（ステップ１１２）。このＴｄがペルチェ冷却
手段２の冷却部の露点温度である。

マイクロコンピュータ１０内の図示しないＲＯＭには、
第１Ｏ図に示す公知の雰囲気温度と飽和水蒸気圧力との
関係のグラフが関数近似によりテーブル化されている。

したがって、室内温度Ｔａと露点温度Ｔｄが求まるとマ
イクロコンピュータ１０はこのテーブルをを使って室内
温度Ｔａと露点温度Ｔｄにおける飽和水蒸気圧力Ｐａ、
Ｐｄを求めることができる。

絶対湿度はこの飽和水蒸気圧力Ｐｄで定義され、相対湿
度はＰ　ｄ　／　Ｐ　ａで定義されることから演算によ
り湿度値がすべて求まることになる（ステップ１１３）
。

マイクロコンピュータ１０は使用者の要求に応じ、イン
ターフェース１１を介して露点温度Ｔｄ。

絶対湿度Ｐｄ、相対湿度Ｐ　ｄ　／　Ｐ　ａを外部機器
に出力する（ステップ１１４）　。

以上のフローチャートのステップにおいて、冷却電流を
最大値から徐々にＮ％毎減少させ、結露現象が消失して
から逆に冷却電流を徐々にＭ％増加させて露点を実現す
る方法を示した。そして、Ｎの値をＭの値より大きく設
定することで大兄の露点温度を見つけ、それから細かく
正確な露点温。

度を見つけ出すことで、応答性を高めようとしたもので
あるが、初めから冷却電流を最大値からゆっっくりと減
少させ、結露現象の生じた時点での温度データをもって
露点温度してもよい。さらに、冷却電流を最小値から増
加させたり、デユーティ比で実効的に変えるものでも構
わない。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明の湿度検出用素子によれば
、冷却部を湿度検出用素子の中央部に集中させたペルチ
ェ冷却手段と、感温部を冷却部近傍に設けた冷却温度検
出手段と、冷却部の上部に有り水滴の付着により反射状
態が変化する部分とを中央部が除去されている基板上に
集積したので、冷却部が熱的に絶縁され、微弱な電流で
急速に必要部分のみを局部冷却でき、冷却温度検出手段
および外部に備えた水滴検出手段の出力からきわめて早
い応答速度で雰囲気の湿度を測定できる。

また、素子の局部のみが冷却されるので、冷却される空
気も局部となり被計測空気を熱的に乱すことが少なくな
るので狭い空間での湿度計測が可能である。さらに、素
子の局部のみが冷却されるということは、素子の他の部
分は冷却されずに室温に保持されていることを意味し、
したがって、室温センサを素子上に必要に応じて集積化
することができる。

さらに、一般のＩＣと同様に１度に多量の生産が可能で
あるので、湿度検出に必要な種々の検出機能を具備する
にもかかわらず非常に安価となる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はいずれも本発明の一実施例の製造
途中における斜視図、第３図は本発明の一実施例の製造
途中における断面図、第４図は本発明の一実施例を示す
概略断面図、第５図および第６図は基板の凹部の他の形
成方法を示す斜視図、第７図は本実施例の湿度検出用素
子を実際に露点湿度計として用いた場合のブロック図、
第８図は本実施例の湿度検出用素子と水滴検出手段との
位置関係を示す斜視図、第９図はマイクロコンビエータ
の動作を示すフローチャート、第１０図は雰囲気温度と
飽和水蒸気圧力との関係を示すグラフである。 ■・・・湿度検出用素子、２・・・ペルチェ冷却手段、
３・・・水滴検出手段、４・・・冷却温度検出手段、５
・・・室温検出手段、２４・・・第１のペルチェ金属、
２５・・・第２のペルチェ金属、２６・・・第１の接合
部群、３０・・・感温部。 特許出願人　山武ハネウェル株式会社 代　理　人　山川　政権（ほか２名） 第１＠ 第３図 第７図 創図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上に、複数の第１の金属パターンと第２の金属パタ
   ーンとを交互に配列し第１の金属パターンの端部と第２
   の金属パターンの端部とを順次接続しこの接続部を一つ
   おきに前記基板の中心部と周辺部に配列したペルチェ冷
   却手段と、前記基板の中央部にある前記ペルチェ冷却手
   段の一方の接合部群の近傍に感温部を配置せしめた冷却
   温度検出手段とを絶縁層を介して形成し、前記一方の接
   合部群の表面に水滴の付着により反射状態が変化する部
   分を形成し、前記基板の中央部を除去したことを特徴と
   する湿度検出用素子。