JPWO2011065507A1

JPWO2011065507A1 - 湿度検出センサ

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Publication number: JPWO2011065507A1
Application number: JP2011543336A
Authority: JP
Inventors: 澄人森田; 聡和賀; 佐藤　崇; 崇佐藤; 英紀牛膓
Original assignee: Alps Electric Co Ltd
Current assignee: Alps Alpine Co Ltd
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2013-04-18
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: WO2011065507A1; CN102549416B; JP5470512B2; CN102549416A

Abstract

感度ばらつきのない平行平板型の湿度検出センサを提供すること。本発明の湿度検出センサは、基板（５１）と、前記基板（５１）上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜（５４）を一対の電極（５３），（５５）で挟持し、前記高分子感湿膜（５４）が部分的に外界に露出する感湿領域Ａを持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの上側の電極（５５）上に形成された保護層（５６）と、を具備し、前記感湿領域Ａ以外の領域（領域Ｂ＋領域Ｃ）において、前記一対の電極で挟持された高分子感湿膜（５４）の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜（５４）を有する領域Ｃを前記上側の電極（５５）の近傍に有することを特徴とする。

Description

本発明は、高分子感湿膜を誘電体とした湿度検出センサに関する。

湿度変化測定に用いられる湿度検出センサには、吸収又は放出した水分量に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を誘電体とした静電容量型の湿度検出センサがある。容量型湿度検出センサは、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部と、湿度によらず一定の静電容量を保持する基準部とを備えており、センサ部と基準部との間の容量差分を電圧に変換して出力する。センサ部及び基準部は、高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、その上に保護層を積層してなる積層構造を有する。このような湿度検出センサとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。

特開平６−１３８０７４号公報

上記湿度検出センサにおいて、高分子感湿膜を一対の電極で挟持する平行平板型の電極構造を採用する場合、センサ部の高分子感湿膜を外界に露出させるために、高分子感湿膜上に形成された電極を部分的に除去する必要がある。この場合、高分子感湿膜上に電極層を形成した後に、この電極層をミリング加工などのドライエッチング法で除去することが考えられる。

しかしながら、高分子感湿膜上の電極層をミリングにより除去すると、その際に高分子感湿膜もミリングされてしまい、高分子感湿膜がミリングによる厚さ分布を持ってしまう。このように高分子感湿膜が厚さ分布を有すると、湿度検出センサの感度にばらつきが生じることとなる。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、感度ばらつきのない平行平板型の湿度検出センサを提供することを目的とする。

本発明の湿度検出センサは、基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの上側の電極上に形成された保護層と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を前記上側の電極の近傍に有することを特徴とする。

この構成によれば、感湿領域以外の領域において、一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を設けているので、高分子感湿膜における、上部電極と下部電極との間に電界が印加されたときの漏れ電界のパスを確保することができる。その結果、湿度検出センサの感度のばらつきを小さくすることが可能となる。

本発明の湿度検出センサにおいては、前記領域の幅は、少なくとも前記一対の電極間の磁界の漏れ領域を含む幅であることが好ましい。

本発明の湿度検出センサにおいては、前記高分子感湿膜上の電極は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングされてなることが好ましい。

本発明の湿度検出センサにおいては、前記高分子感湿膜上の電極は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングされてなるシード層と、前記シード層上に形成されためっき層とで構成されていることが好ましい。

本発明の湿度検出センサによれば、基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの上側の電極上に形成された保護層と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を前記上側の電極の近傍に有するので、感度ばらつきのない平行平板型の湿度検出センサを実現することができる。

本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの構成を示すブロック図である。本発明の実施の形態に係る湿度検出センサのセンサ部及び基準部を示す平面図である。（ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの感湿領域以外の領域の構造を示す断面図である。（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの製造方法を説明するための断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの構成を示すブロック図である。図１に示す湿度検出センサは、吸収又は放出した水分量に応じて誘電率が変化する高分子感湿材料を用いた高分子膜湿度センサである。この湿度検出センサは、基板１０上に、湿度によって静電容量Ｃ_２０が変化するセンサ部２０と、湿度によらず一定の静電容量Ｃ_３０を保持する基準部３０と、このセンサ部２０と基準部３０とに電気的に接続し、該センサ部２０と基準部３０との間の容量差分ΔＣ（＝Ｃ_２０−Ｃ_３０）を電圧に変換して外部回路に出力する回路部４０とを有している。

回路部４０には、外部回路との接続用パッド４０ａが設けられている。パッド４０ａを介して湿度検出センサに接続された外部回路において、湿度検出センサの出力（容量差分ΔＣに対応する電圧）から湿度変化（相対湿度）を検出する。

図２は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサのセンサ部及び基準部を示す平面図である。図２において、右側がセンサ部２０であり、左側が基準部３０である。センサ部２０及び基準部３０は、下部電極、高分子感湿膜５４及び上部電極が積層された構造を有する。すなわち、センサ部２０及び基準部３０は、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極（下部電極及び上部電極）で挟持してなる平行平板構造を有する。

湿度により静電容量が変化するセンサ部２０においては、図３（ａ），（ｂ）に示すように、基板５１上に熱酸化膜５２を介して下部電極５３が形成されている。下部電極５３上には、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜５４が形成されており、高分子感湿膜５４上には、部分的に上部電極５５が形成されている。さらに、図３（ｂ）に示すように、露出した上部電極５５を保護するための保護層５６が形成されている。上部電極５５の感湿領域Ａ（高分子感湿膜５４が部分的に外界に露出する領域）には、高分子感湿膜５４を外界に露出させる複数の開口部５４ａが形成されている。なお、保護層５６にも高分子感湿膜５４を外界に露出させる複数の開口部が形成されている。開口部５４ａは、図３(ｂ)に示すように、左右上下方向に所定間隔をあけて並設されており、平面矩形状をなしている。この開口部５４ａの数、平面形状及び形成位置は任意である。

本発明者らは、センサ部において上部電極５５を部分的に除去する際に、ミリング加工を採用すると、上部電極５５のみを除去することができず、高分子感湿膜５４も除去してしまうことに着目した。ミリング加工を行うと、上部電極５５が存在しない領域（感湿領域）の高分子感湿膜５４の厚さが薄くなってしまう、すなわち、下部電極５３と上部電極５５とで挟持された高分子感湿膜５４（感湿領域以外の領域）の厚さと、上部電極５５が存在しない領域（感湿領域）の厚さとが異なってしまう。そして、本発明者らは、このように感湿領域以外の領域の高分子感湿膜の厚さと、感湿領域の高分子感湿膜の厚さとが異なると、すなわち、高分子感湿膜５４の厚さにばらつきが生じると（厚さ分布を持つと）、湿度検出センサの感度にばらつきが生じることを見出した。

ここで、上部電極をミリング加工で部分的に除去する場合の感度のばらつきについて説明する。すなわち、高分子感湿膜上に電極材料をスパッタリング法により成膜した後に、その上にレジスト層を形成し、感湿領域以外の領域にレジスト層が残存するようにレジスト層をパターニングし、残存したレジスト層をマスクとして電極材料をミリング加工して除去する。例えば、上部電極の膜厚を２００ｎｍとする場合、ミリング量はプロセスマージンを考慮して３００ｎｍと設定する。このため、この設定から高分子感湿膜は１００ｎｍ削られることになる。ただし、ミリング量には分布（約１０％）が生じるため、実際には高分子感湿膜はウェハ内で８５ｎｍ〜１１５ｎｍの範囲で削られることになる（ミリング分布は総ミリング量の１０％となる）。

本発明者らの実験データから、図２に示す素子デザインで高分子感湿膜が２００ｎｍ削れると容量が４１．２ｆＦ減少することから、８５ｎｍ〜１１５ｎｍの膜厚変化で容量が６．１８ｆＦ変化することになる。素子の感度（容量の変化率）は素子容量に対して決まっているので、上記６．１８ｆＦのばらつきはそのまま感度ばらつきにつながる。例えば、素子容量が２００ｆＦで容量変化率が２０％である場合、感度は０．４ｆＦ／％となる。また、高分子感湿膜の削れ量にばらつきが無い場合は、感度もばらつきが無いことになる。

上記のばらつきを考慮して素子容量を計算すると、
（１）２００−６．１８／２＝１９６．９１ｆＦ
（２）２００＋６．１８／２＝２０３．０９ｆＦ
となり、感度は、
（１）１９６．９１×０．２／１００＝０．３９３ｆＦ／％
（２）２０３．０９×０．２／１００＝０．４０６ｆＦ／％
のばらつきとなる。すなわち、この上部電極形成工程のみで３％前後の感度ばらつきが生じることとなる。当然、ウェハ間の中心値もばらつきを持つことになるので、さらに感度ばらつきが大きくなる。

そこで、本発明者らは、感湿領域以外の領域において、一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を上部電極の近傍に有することにより、すなわち、上部電極の近傍において、高分子感湿膜の体積を確保した領域を設けることにより、湿度検出センサの感度にばらつきが抑えられることを見出して本発明をするに至った。

すなわち、本発明の骨子は、感湿領域以外の領域において、一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を上部電極の近傍に有することにより、感度にばらつきの小さい、感度が安定した湿度検出センサを実現することである。

図３（ｂ）に示すセンサ部２０においては、感湿領域Ａ以外の領域Ｂ＋領域Ｃ（参照符号５４ｂ）で、一対の電極５３，５５で挟持された高分子感湿膜５４の厚さＤ_１と略同じ厚さＤ_２の高分子感湿膜５４を有する領域Ｂを有する。この領域Ｂは、領域Ｃの上部電極５５の近傍に位置する。また、感湿領域Ａでは、高分子感湿膜５４の厚さＤ_３が薄くなっている。このように、感湿領域Ａで高分子感湿膜５４の厚さＤ_３が薄くなっていても、領域Ｂを設けることにより、高分子感湿膜５４における、上部電極５５と下部電極５３との間に電界が印加されたときの漏れ電界のパスを確保することができるので、湿度検出センサの感度のばらつきを小さくすることが可能となる。したがって、領域Ｂの幅Ｗは、少なくとも一対の電極５３，５５間の電界の漏れ領域（漏れ電界のパスを確保できる領域）を含む幅であることが好ましい。

図３（ｂ）に示すような構造、すなわち、一対の電極５３，５５で挟持された高分子感湿膜５４の厚さＤ_１と略同じ厚さＤ_２の高分子感湿膜５４を有する領域Ｂ及び高分子感湿膜５４の厚さＤ_３が薄い感湿領域Ａを有する構造は、上部電極５５のパターニングの際に、フォトリソグラフィー及びエッチングによるウェット工程で処理を行い、次いで保護層５６を形成した後に、異方性エッチングやミリング加工などのドライ工程で保護層５６に開口部を形成することにより実現することができる。

したがって、上部電極５５をスパッタリング法などで電極材料を被着して形成する場合には、電極材料をフォトリソグラフィー及びエッチングしてパターニングして上部電極５５を形成する。一方、上部電極５５をめっき法で電極材料を被着して形成する場合には、電極材料を被着してめっきシード層を形成し、このめっきシード層をフォトリソグラフィーによりパターニングする。その後、レジストをフレームとして電気めっき処理を施して、めっきシード層上にめっき層を形成して上部電極を形成する。めっきシード層は、めっき層を保護しており、ウェット工程にてエッチングして除去する。

湿度にかかわらず静電容量が変化しない基準部３０においては、基板上に熱酸化膜を介して下部電極が形成されている。下部電極上には、下部電極全体を覆うようにして高分子感湿膜が形成されている。高分子感湿膜上には、高分子感湿膜全体を覆うようにして上部電極が形成されている。基準部３０全体には、露出した上部電極を保護するための保護層が形成されている。

基板５１としては、表面が絶縁体で保護された基板（例えば、シリコン基板）などを用いることができる。下部電極５２及び上部電極５５を構成する材料としては、例えばＡｌ、ＡｌＣｕ、Ｔａ、Ｔｉ、ＮｉＦｅ、Ｎｉなどを用いることができる。高分子感湿膜５４を構成する材料としては、パターニングが容易なポリイミドなどを用いることができる。また、保護層５６としては、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜、ＳｉＯ_２膜、Ａｌ_２Ｏ_３／ＳｉＯ_２積層膜、ＳｉＯ_２／ＳｉＮ積層膜などを用いることができる。

本実施の形態に係る湿度検出センサにおいては、図２に示すように、下部電極２１はセンサ部２０と基準部３０とで共通に設けられている。下部電極２１には、センサ部２０と基準部３０との間のほぼ中間の位置から下部電極配線が引き出され、この下部電極配線が回路部４０の電極パッド４０ａに接続されている。このように下部電極配線をセンサ部２０と基準部３０との間のほぼ中間の位置から引き出すことにより、センサ部２０と基準部３０の電気的な対称性が良くなり、センサ容量Ｃ_２０と基準容量Ｃ_３０のばらつきを低減させることができる。

また、高分子感湿膜５４及び上部電極５５は、図２に示すように、センサ部２０と基準部３０とで個別に設けられている。上部電極５５には、上部電極５５と回路部４０の電極パッド４０ａとを接続する上部電極配線がそれぞれ設けられている。上部電極配線は、一対の上部電極５５からそれぞれ一定の幅寸法で延在する配線パターンであって、その幅寸法は、センサ部２０と基準部３０で生じる寄生容量が同一になるように調整されている。これにより、寄生容量によるセンサ容量Ｃ_２０と基準容量Ｃ_３０のばらつきを低減させることができる。

上記構成を有する湿度検出センサにおいては、次のようにして湿度を検出する。まず、センサ部２０では、感湿領域Ａにおいて開口部５４ａを介して高分子感湿膜５４が外界に露出している。このため、高分子感湿膜５４は、雰囲気中の湿度（水分量）に応じて吸収又は放出する水分量が変化し、誘電率εが変化する。このため、下部電極５３と上部電極５５との間の静電容量Ｃ_２０が変化する。一方、基準部３０では、高分子感湿膜５４が外界に露出しないので、雰囲気中の湿度（水分量）が変化しても高分子感湿膜５４中の水分量は変化せず、誘電率εも変化しない。このため、下部電極５３と上部電極５５との間には一定の静電容量Ｃ_３０が保持される。そして、センサ部２０の静電容量Ｃ_２０と基準部３０の静電容量Ｃ_３０との間の容量差分を求めることにより、湿度により変化した静電容量（差分値）を測定することができる。本湿度検出センサにおいては、この差分値を電圧に変換して出力するように構成されている。

次に、湿度検出センサの製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの製造方法を説明するための断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板５１を熱酸化して熱酸化膜（ＳｉＯ_２膜）５２を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、熱酸化膜５２上に下部電極５３を形成する。すなわち、下部電極５３は、熱酸化膜５２を有するシリコン基板５１の全面に電極材料を被着し、その上にレジスト層を形成し、パターニングしてマスクとし、そのマスクを介して電極材料をエッチングすることにより形成する。下部電極５３は、センサ部２０及び基準部３０で共通である。なお、この下部電極５３を形成する際に、回路部４０の配線導体とパッド４０ａを同時に形成する。

次いで、図４（ｃ）に示すように、下部電極５３上に、下部電極５３を覆うように、センサ部２０、基準部３０それぞれで高分子感湿膜５４を形成する。すなわち、高分子感湿膜５４は、シリコン基板５１の全面に高分子材料（例えばポリイミド）を塗布し、硬化させ、その上にレジスト層を形成し、パターニングしてマスクとし、そのマスクを介して高分子材料をエッチングすることにより形成する。または、高分子感湿膜５４は、感光性の高分子材料を用いてフォトリソグラフィーによりパターンを形成し、高分子材料を硬化させることによって形成する。高分子感湿膜５４は、センサ部２０及び基準部３０でそれぞれ個別である。

次いで、図４（ｄ）に示すように、高分子感湿膜５４上に、高分子感湿膜５４を覆うように、センサ部２０、基準部３０それぞれで上部電極５５を形成する。すなわち、上部電極５５は、シリコン基板５１の全面に電極材料を被着し、その上にレジスト層を形成し、パターニングしてマスクとし、そのマスクを介して電極材料をエッチングすることにより形成する。これにより、上部電極５５に開口部５５ａ（感湿領域Ａ＋領域Ｂに相当する幅）を形成する。なお、上部電極５５は、センサ部２０及び基準部３０でそれぞれ個別である。

次いで、図４（ｅ）に示すように、湿度検出センサ全体に保護層構成材料を被着することにより、センサ部２０及び基準部３０上に保護層５６を形成する。次いで、感湿領域Ａ以外の領域（領域Ｂ＋領域Ｃ）をマスクした状態でドライエッチングなどの異方性エッチングで開口部５６ａ，５４ａを形成する。このようにして、一対の電極５３，５５で挟持された高分子感湿膜５４の厚さＤ_１と略同じ厚さＤ_２の高分子感湿膜５４を有する領域Ｂを有する本発明の湿度検出センサを作製することができる。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
実施例として、図３（ｂ）に示す構造、すなわち、一対の電極５３，５５で挟持された高分子感湿膜５４の厚さＤ_１と略同じ厚さＤ_２の高分子感湿膜５４を有する領域Ｂを有する構造を持つ湿度検出センサを作製した。このとき、上部電極及び下部電極は、それぞれ厚さ０．２μｍのＡｌ膜とし、高分子感湿膜は、厚さ１．０μｍのポリイミド膜とし、保護層は、厚さ１．０μｍのＳｉＮｘ膜とした。また、領域Ｂの幅は、１．５μｍとした。この湿度検出センサについて、感度のばらつきを調べた。感度のばらつきは、ＬＣＲメータにより測定した。その結果、感度ばらつきが６％であり、非常に小さかった。

比較として、上部電極近傍に上記領域Ｂを有しない構造、すなわち、ミリング加工により上部電極を部分的に除去した構造を有すること以外は実施例と同様にして湿度検出センサを作製した。この湿度検出センサについて、感度のばらつきを実施例と同様にして調べた。その結果、感度ばらつきが１１％であり、非常に大きかった。

このように、本発明に係る湿度検出センサにおいては、感湿領域以外の領域において、一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を上部電極の近傍に有するので、高分子感湿膜における、上部電極と下部電極との間に電界が印加されたときの漏れ電界のパスを確保することができる。その結果、湿度検出センサの感度のばらつきを小さくすることが可能となる。このように、本発明によれば、感度ばらつきのない平行平板型の湿度検出センサを実現することができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、適宜変更して実施することができる。上記実施の形態においては、センサ部と基準部とを備えた湿度検出センサについて説明しているが、本発明はこれに限定されず、センサ部のみで構成された湿度検出センサにも同様に適用することができる。また、上記実施の形態における材料、各層の配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本件は、２００９年１１月３０日出願の特願２００９−２７２４２７に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims

基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの上側の電極上に形成された保護層と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を前記上側の電極の近傍に有することを特徴とする湿度検出センサ。
前記領域の幅は、少なくとも前記一対の電極間の電界の漏れ領域を含む幅であることを特徴とする請求項１記載の湿度検出センサ。
前記高分子感湿膜上の電極は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングされてなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の湿度検出センサ。
前記高分子感湿膜上の電極は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングされてなるシード層と、前記シード層上に形成されためっき層とで構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の湿度検出センサ。