WO2015022891A1 - 温湿度センサ - Google Patents

Abstract

温湿度センサ（１）は、基板（２）と、基板（２）に設けられた第１電極（４）と、第１電極（４）に、少なくとも一部分が沿うように設けられた線状の第２電極（６）と、第２電極（６）における第１電極（４）に沿う部分と第１電極（４）との間に設けられている感湿膜（８）とを備える。第２電極（６）は、インダクタを形成するように、平面視して渦巻状の形状の部分を有する。これにより、高精度な発振回路を構成することができ、小型で製造が容易な温度・湿度センサを提供することができる。

Description

温湿度センサ

　この発明は、温度と湿度を検出する温湿度センサに関する。

　温度と湿度を検出することが可能な温湿度センサは、たとえば、実開平７－２０５３６号公報（特許文献１）、特開平６－１４８１２２号公報（特許文献２）、特開昭５８－７０１５３号公報（特許文献３）に記載されている。この温湿度センサは、湿度測定のための感湿膜を備え、抵抗または静電容量の大きさの変化で湿度を検出する。

　また、湿度センサの静電容量を発振回路で検出することが、たとえば、特開昭６１－１４５５６号公報（特許文献４）、特表２０１２－５０８８７７号公報（特許文献５）に記載されている。

実開平７－２０５３６号公報 特開平６－１４８１２２号公報 特開昭５８－７０１５３号公報 特開昭６１－１４５５６号公報 特表２０１２－５０８８７７号公報

　特許文献１～３に記載のような静電容量方式の湿度センサの容量および抵抗と、湿度センサとは別に設けられたインダクタのインダクタンスとを用いて、特許文献４，５に記載のような発振回路を構成することが考えられる。

　発振回路がＣＲ発振回路である場合、一般的に、位相回転がなだらかで発振周波数精度が悪く、また寄生容量や抵抗成分の影響を受けやすいため、湿度センサの静電容量を大きくする必要がある。そのため、特許文献１や特許文献２のように２つの電極の間に感湿膜が設けられている湿度センサでは、電極の面積を大きくしたり、感湿膜の厚みを薄くしたりする必要がある。しかし、電極の面積を大きくするとセンサの小型化が困難となり、感湿膜の厚みを薄くすると静電容量の変化量が小さくなるとともに、製造が困難となる。特許文献３のように線状電極群を備える湿度センサでは、電極の間隔を狭くする必要がある。しかし、電極の間隔を狭くすると、製造が困難となる。

　本発明の目的は、高精度な発振回路を構成することができ、小型で製造が容易な温度・湿度センサを提供することである。

　この発明は、温湿度センサであって、基板と、基板に設けられた第１電極と、第１電極に、少なくとも一部分が沿うように設けられた線状の第２電極と、第２電極における第１電極に沿う部分と第１電極との間に設けられている感湿膜とを備える。第２電極は、インダクタを形成する。

　好ましくは、第１電極は、基板上に設けられた第１金属層からなる。感湿膜は、第１金属層上に設けられている。第２電極は、渦巻形状配線と、信号取出配線部とを含む。渦巻形状配線は、感湿膜の上に設けられた第２金属層からなり、インダクタを形成する。信号取出配線部は、第１金属層からなり、渦巻形状配線の中央部分から外側に向けて渦巻形状配線と立体交差する。

　より好ましくは、第１電極は、第１金属層からなり、基板上であって信号取出配線部における渦巻形状配線との立体交差部分とは異なる領域に設けられている、電極板を含む。

　より好ましくは、第１電極は、第１金属層からなり、基板上であって信号取出配線部における渦巻形状配線との立体交差部分とは異なる領域に設けられており、かつ、渦巻形状配線と重なる配線部を含む。

　より好ましくは、第２金属層は、白金またはモリブデンを含む。
　好ましくは、第１電極は、平面視して渦巻き状の形状を有し、基板上に設けられている。第２電極は、平面視して渦巻状の形状を有し、第１電極に沿って間隔をあけて基板上に設けられている。感湿膜は、第１電極と第２電極との間隔を埋めるように基板上に設けられている。

　本発明によれば、高精度かつ小型化の温湿度センサを実現することができる。

実施の形態１の温湿度センサの構成を示す斜視図である。 実施の形態１の温湿度センサの構成を示す平面図である。 実施の形態１の温湿度センサの等価回路図である。 温湿度センサが組み込まれた発振回路の回路図である。 実施の形態１の変形例の温湿度センサの構成を示す平面図である。 第１電極の形状を説明するために、図５の渦巻形状配線を除去した図である。 温度センサとして温湿度センサを使用することを説明するための図である。 温湿度センサ１の抵抗値と温度の関係を示す図である。 実施の形態２の温湿度センサの構成を示す平面図である。 実施の形態２の温湿度センサの模式断面図である。 実施の形態２の温湿度センサの模式断面を示した斜視図である。 実施の形態２の温湿度センサの等価回路図である。 実施の形態２の温湿度センサをＩＣに搭載した形状を示す図である。 実施の形態２の変形例の温湿度センサの構成を示す平面図である。 実施の形態２の変形例の温湿度センサの模式断面図である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

　［実施の形態１］
　図１は、実施の形態１の温湿度センサの構成を示す斜視図である。

　図２は、実施の形態１の温湿度センサの構成を示す平面図である。
　図１、図２を参照して、温湿度センサ１は、基板２と、基板２に設けられた第１電極４と、第１電極４に、少なくとも一部分が沿うように設けられた線状の第２電極６と、第２電極６における第１電極４に沿う部分と第１電極４との間に設けられている感湿膜８とを備える。第２電極６は、インダクタを形成するように、平面視して渦巻状の形状の部分を有する。また、温湿度センサ１は、パッドＰＡ，ＰＢ，ＰＣを有する。

　第１電極４は、基板２上に設けられた第１金属層からなる。感湿膜８は、第１金属層上に設けられている。第２電極６は、渦巻形状配線７と、信号取出配線部１０とを含む。渦巻形状配線７は、感湿膜８の上に設けられた第２金属層からなり、インダクタを形成する。信号取出配線部１０は、第１金属層からなり、渦巻形状配線７の中央部分から外側に向けて渦巻形状配線７と立体交差する。すなわち、信号取出配線部１０は、感湿膜８を介在させて渦巻形状配線７と交差する。渦巻形状配線７の一方の端部はパッドＰＣに接続されており、他方の端部は信号取出配線部１０に接続されている。信号取出配線部１０の一方の端部はパッドＰＡに接続されており、他方の端部は渦巻形状配線７の他方の端部に接続されている。

　第１電極４は、第１金属層からなる電極板５を含む。電極板５は、基板２上であって信号取出配線部１０における渦巻形状配線７との立体交差部分とは異なる領域に設けられており、平面視して信号取出配線部１０の配置領域が窪んだＵ字状である。電極板５の上には、渦巻形状配線７の大部分が感湿膜８を介在させて設けられている。電極板５は、パッドＰＢに接続されている。

　第２電極６は、インダクタとしても金属抵抗体としても機能する。第２電極６に接続されているパッドＰＡ－ＰＣ間の抵抗値は、温度によって変化するので、パッドＰＡ－ＰＣ間の抵抗値を検出することによって、温湿度センサ１は温度センサとしても使用可能である。

　基板２は、表面に絶縁膜として二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）膜が形成されているシリコン（Ｓｉ）基板である。基板２は、誘電体基板であってもよい。

　第１金属層は、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれか、またはこれらのいずれかの合金からなる。

　感湿膜８は、感光性ポリイミド、ポーラスシリコン、ポーラス誘電体のいずれかからなり、好ましくは、感光性ポリイミドからなる。

　第２金属層は、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ）のいずれか、またはこれらのいずれかの合金からなる。温湿度センサ１を温度センサとして使用する上では、第２金属層は、抵抗温度計数が大きい白金またはモリブデンのいずれかからなることが好ましい。

　感湿膜８は、特に、図１に示すように、渦巻形状配線７と同様の形状であることが好ましい。これにより、外部への感湿膜８の露出部分の表面積が大きくなり、湿度センサとしての感度を向上させることができる。

　図３は、実施の形態１の温湿度センサ１の等価回路図である。
　図２、図３を参照して、インダクタＬ１は、渦巻形状配線７のインダクタンスからなるインダクタに相当する。また、可変キャパシタＣ２は、誘電体としての感湿膜８と、感湿膜８を介在させて対向する第１電極４と第２電極６とを含んで構成される。図３のノードＰＡ，ＰＢ，ＰＣは、図２のパッドＰＡ，ＰＢ，ＰＣに電気的に対応する。そして、パッドＰＡ－ＰＣ間にキャパシタＣ３を接続することによってＤＣ直結を防いでいる。なお、キャパシタＣ３は温湿度センサ１とは別に用意されている。可変キャパシタＣ２とキャパシタＣ３は、キャパシタＣ１を構成している。

　図４は、実施の形態１の温湿度センサ１が組み込まれた発振回路の回路図である。図４に示す共振回路のキャパシタＣ１およびインダクタＬ１の並列接続部が図３の回路に相当する。ただし、図４に示す共振回路（タンク回路）だけでなく、Ｃｌ直列共振系の共振回路にも使用できるように、温湿度センサ１は、パッドＰＢとパッドＰＣとを直結せずにパッドＰＡ，ＰＢ，ＰＣを有する三端子素子としている。

　［実施の形態１の変形例］
　図５は、実施の形態１の変形例の温湿度センサ１０１の構成を示す平面図である。

　図６は、第１電極の形状を説明するために、図５の渦巻形状配線７を除去した図である。

　図５、図６を参照して、実施の形態１の変形例の温湿度センサ１０１は、図２に示した温湿度センサ１の構成において、第１電極４に代えて第１電極４Ａを含む。図２の第１電極４は、基板２上であって信号取出配線部１０における渦巻形状配線７との立体交差部分とは異なる領域に設けられており、平面視してＵ字状である電極板５を含んでいた。これに代えて、第１電極４Ａは、渦巻形状配線７とほぼ同様の形状の配線部と、隣り合う配線部分同士を接続する接続配線部５Ａ，５Ｂとを含んでいる。すなわち、第１電極４Ａの配線部は、平面視して渦巻形状配線７と重なっている。

　このような構成としても図２に示した温湿度センサ１と同様に高精度かつ小型な温湿度センサが実現できる。

　次に、温度センサとしての機能について説明する。図７は、温度センサとして図２に示した温湿度センサ１を使用することを説明するための図である。パッドＰＡとパッドＰＣとの間に信号取出配線部１０と渦巻形状配線７とが接続されている。したがって、信号取出配線部１０と渦巻形状配線７との抵抗値がパッドＰＡとパッドＰＣの間の抵抗値とほぼ等しくなる。

　図８は、第２金属層が白金からなる温湿度センサ１の抵抗値と温度の関係を示す図である。温湿度センサ１を温度センサとして使用するためには、渦巻形状配線７を形成する第２金属層を白金とすることが好ましい。この場合、図８に示すように周囲温度と抵抗値比の変化が良好な直線性を示す。

　［実施の形態２］
　図９は、実施の形態２の温湿度センサの構成を示す平面図である。図１０は、実施の形態２の温湿度センサの模式断面図である。図１１は、実施の形態２の温湿度センサの模式断面を示した斜視図である。

　図９、図１０を参照して、温湿度センサ２０１は、基板２と、基板２に設けられた第１電極４Ｂと、第１電極４Ｂに、少なくとも一部分が沿うように形成された線状の第２電極６と、その一部分において対向する第１電極４Ｂと第２電極６との間に設けられている感湿膜８とを備える。第２電極６は、インダクタを形成するように、平面視して渦巻状の形状を有する。

　第１電極４Ｂは、平面視して渦巻状の形状を有し、基板２上に設けられている。第２電極６は、平面視して渦巻状の形状を有し、第１電極４Ｂに沿って間隔をあけて基板２上に設けられている。感湿膜８は、第１電極４Ｂと第２電極６との間隔を図１１に示す部分８Ｂが埋めるように基板２上に設けられている。本実施形態では、第１電極４Ｂと第２電極６とは、感湿膜８により覆われている。第１電極４Ｂの一方の端部はパッドＰＢ１に接続されており、他方の端部はパッドＰＢ２に接続されている。第２電極６の一方の端部はパッドＰＣに接続されており、他方の端部はパッドＰＡに接続されている。

　実施の形態１の温湿度センサ１では、渦巻形状配線７の大部分が電極板５の上に感湿膜８を介在させて設けられており、第１電極４の電極板５と第２電極６の渦巻形状配線７の大部分とは、基板２の法線方向において感湿膜８を介在させて対向していた。図１０、図１１に示すように、実施の形態２の温湿度センサ２０１では、第１電極４Ｂと第２電極６とは基板２上の同一平面、すなわち、基板２から同じ高さに設けられている。このため、第１電極４Ｂと第２電極６とは基板２に平行な向きで対向している。第１電極４Ｂと第２電極６とは、好ましくは同じ工程で形成される金属層をフォトリソグラフィ技術を用いてエッチングすることで形成される。

　図１２は、実施の形態２の温湿度センサ２０１の等価回路図である。図１２に示す回路図は、図３で説明した回路図と基本的には同じ回路図であるが、パッドＰＢ１またはパッドＰＢ２がキャパシタＣ１とキャパシタＣ２の接続ノードに相当することが示されている点が異なる。温湿度センサ２０１の外部でパッドＰＢ１またはＰＢ２とパッドＰＣとの間にキャパシタＣ３を接続すればよい。なお、その際にパッドＰＢ１とパッドＰＢ２を外部配線で接続して抵抗を下げるようにしてもよい。

　この回路が図４の発振回路に適用される点については同様であるので説明は繰返さない。

　図１３は、実施の形態２の温湿度センサ２０１をＩＣ４０１に搭載した形状を示す図である。ＩＣ４０１として、発振回路を構成する検出用のＣＭＯＳ－ＡＳＩＣが用いられる。図１３に示すように、外部端子Ｔ１～Ｔ６が温湿度センサ２０１の周囲に配置され、ＩＣ４０１の中央部に温湿度センサ２０１が配置される。

　［実施の形態２の変形例］
　図１４は、実施の形態２の変形例の温湿度センサ３０１の構成を示す平面図である。図１５は、実施の形態２の変形例の温湿度センサ３０１の模式断面図である。図１４、図１５に示す構成では、第２電極６の両脇に第１電極４Ｃと第１電極４Ｄが設けられている。

　第１電極４Ｃ，４Ｄは、平面視して渦巻状の形状を有し、基板２上に設けられている。第２電極６は、平面視して渦巻状の形状を有し、第１電極４Ｃ，４Ｄに沿って間隔をあけて基板２上に設けられている。感湿膜８は、第１電極４Ｃと第２電極６との間隔を図１５に示す部分８Ｃ２が埋め、第１電極４Ｄと第２電極６との間隔を部分８Ｃ１が埋めるように、基板２上に設けられている。本実施形態では、第１電極４Ｃ，４Ｄと第２電極６とは、感湿膜８により覆われている。第１電極４Ｃの一方の端部はパッドＰＢ１に接続されており、他方の端部はパッドＰＢ２に接続されている。第１電極４Ｄの一方の端部はパッドＰＢ３に接続されており、他方の端部はパッドＰＢ４に接続されている。第２電極６の一方の端部はパッドＰＣに接続されており、他方の端部はパッドＰＡに接続されている。

　図１４、図１５に示すように、実施の形態２の変形例の温湿度センサ３０１では、第１電極４Ｃ，４Ｄと第２電極６とは基板２上の同一平面、すなわち、基板２から同じ高さに設けられている。このため、第１電極４Ｃ，４Ｄと第２電極６とは基板２に平行な向きで対向している。

　なお、第１電極４Ｃおよび第１電極４Ｄをインダクタとして使用し、第２電極６をキャパシタとして使用してもよい。

　実施の形態２の変形例の温湿度センサ３０１でも実施の形態２の温湿度センサ２０１と同様に高精度かつ小型の温湿度センサを実現できる。

　すなわち、基板２上にインダクタを構成する電極を２つ以上設け、電極を覆うように感湿膜を設ける。電極の入出力間の抵抗値は温度センサとなる。すなわち、電極は、インダクタとしても金属抵抗体としても機能する。

　特に、基板が発振回路やデジタル回路の構成要素を内蔵しているシリコン基板の場合、電極をたとえばＣＭＯＳ半導体プロセスで形成し、感湿膜をスピンコートで形成するといった簡易なプロセスで温湿度センサを製造することができる。

　今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

　１，１０１，２０１　温湿度センサ、２　基板、４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ　第１電極、５　電極板、５Ａ，５Ｂ　接続配線部、６　第２電極、７　渦巻形状配線、８　感湿膜、１０　信号取出配線部、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３　キャパシタ、Ｌ１　インダクタ、ＰＡ，ＰＢ，ＰＣ　パッド、Ｔ１～Ｔ６　外部端子。

Claims (6)

1. 　基板と、
   　前記基板に設けられた第１電極と、
   　前記第１電極に、少なくとも一部分が沿うように設けられた線状の第２電極と、
   　前記第２電極における前記第１電極に沿う部分と前記第１電極との間に設けられている感湿膜と
   を備え、
   　前記第２電極は、インダクタを形成する、温湿度センサ。
2. 　前記第１電極は、前記基板上に設けられた第１金属層からなり、
   　前記感湿膜は、前記第１金属層上に設けられており、
   　前記第２電極は、渦巻形状配線と、信号取出配線部とを含み、
   　前記渦巻形状配線は、前記感湿膜の上に設けられた第２金属層からなり、前記インダクタを形成し、
   　前記信号取出配線部は、前記第１金属層からなり、前記渦巻形状配線の中央部分から外側に向けて前記渦巻形状配線と立体交差する、請求項１に記載の温湿度センサ。
3. 　前記第１電極は、前記第１金属層からなり、前記基板上であって前記信号取出配線部における前記渦巻形状配線との立体交差部分とは異なる領域に設けられている、電極板を含む、請求項２に記載の温湿度センサ。
4. 　前記第１電極は、前記第１金属層からなり、前記基板上であって前記信号取出配線部における前記渦巻形状配線との立体交差部分とは異なる領域に設けられており、かつ、前記渦巻形状配線と重なる配線部を含む、請求項２に記載の温湿度センサ。
5. 　前記第２金属層は、白金またはモリブデンを含む、請求項２～請求項４のいずれか１項に記載の温湿度センサ。
6. 　前記第１電極は、平面視して渦巻状の形状を有し、前記基板上に設けられており、
   　前記第２電極は、平面視して渦巻状の形状を有し、前記第１電極に沿って間隔をあけて前記基板上に設けられており、
   　前記感湿膜は、前記第１電極と前記第２電極との間隔を埋めるように前記基板上に設けられている、請求項１に記載の温湿度センサ。

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