WO2018180107A1

WO2018180107A1 - 湿度センサ

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Publication number: WO2018180107A1
Application number: PCT/JP2018/007053
Authority: WO
Inventors: 健智中根
Original assignee: ミツミ電機株式会社; 健智中根
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2018-10-04
Also published as: US20200033285A1; CN110494744B; JP6770238B2; JP2018173335A; CN110494744A; US11435310B2

Abstract

湿度センサは、基板の上に形成された下部電極と、前記下部電極を覆う第１の感湿膜と、前記第１の感湿膜の上に形成されて所定の開口パターンを有する上部電極と、前記上部電極を覆うと共に前記上部電極の開口部で前記第１の感湿膜に接続された第２の感湿膜と、を有し、前記上部電極の面積は、前記下部電極の面積よりも大きく、且つ前記第１の感湿膜の面積よりも小さい。

Description

湿度センサ

　本発明は湿度センサに関する。

　湿度センサ、温度センサ、ガスセンサ、静電容量式タッチセンサ等、種々のセンサが産業用または個人向けの用途で多種多様な製品に用いられている。一般的に、センサの表面に水滴が付着するとセンサの動作に影響するため、結露や水滴に対する防御措置がとられている。

　例えば、下部電極と上部電極の間に感湿膜を挟み込んだ平行平板型の湿度センサでは、保護膜で上部電極を覆う構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。この文献では、保護膜と上部電極に、感湿膜を外界に露出させる開口部が形成され、開口部において、感湿膜は少なくとも保護膜の下面の位置よりも高い位置まで設けられている。

特許第５５４７２９６号明細書

　上部電極と下部電極の間に感湿膜を挟み込んだ平行平板型の湿度センサでは、上部電極の隙間から漏れ出る電界に水滴が付着すると、電気力線の状態が変化し、上部電極と下部電極の間に溜まる静電容量値が変化する。そのため、正確な湿度測定値を得ることができない。また、湿度センサの表面に付着した水滴中の塩類や不純成分が乾燥した後も残差として残り、感湿膜の特性が変化して安定したセンサ出力が得られない。

　本発明は、上記の点に鑑みてなされてもので、湿度センサに対する水滴の影響を抑制し、精度良く安定した測定値を出力することのできる湿度センサを提供することを目的とする。

　上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る湿度センサ（１０Ａ，１０Ｂ）は、基板（１１）の上に形成された下部電極（１３）と、前記下部電極（１３）を覆う第１の感湿膜（１５）と、前記第１の感湿膜（１５）の上に形成されて所定の開口パターンを有する上部電極（１７）と、前記上部電極（１７）を覆うと共に前記上部電極（１７）の開口部（１７ａ）で前記第１の感湿膜（１５）に接続された第２の感湿膜（１９）と、を有し、前記上部電極（１７）の面積は、前記下部電極（１３）の面積よりも大きく、且つ前記第１の感湿膜（１５）の面積よりも小さい。

　なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

　開示の湿度センサによれば、湿度センサに対する水滴の影響を防止し、精度良く安定した測定値を出力することができる。

湿度センサの検出原理を説明するための図（１）湿度センサの検出原理を説明するための図（２）第１実施形態に係る湿度センサを示す概略断面図第１実施形態に係る湿度センサの電極パターンの一例を示す図第１実施形態に係る湿度センサの電極パターンの別の例を示す図第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（１）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（１）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（１）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（１）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（２）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（２）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（２）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（２）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（３）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（３）第１実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（３）実装基板に搭載された湿度センサを説明するための図実装基板に搭載された湿度センサを説明するための図（１）実装基板に搭載された湿度センサを説明するための図（２）第２実施形態に係る湿度センサを示す概略断面図第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（１）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（１）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（１）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（１）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（１）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（２）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（２）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（２）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（２）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（３）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（３）第２実施形態に係る湿度センサの製造方法を説明するための工程断面図（３）実施例１に係る湿度センサにおける水付着の影響の防止効果を示す図（１）実施例１に係る湿度センサにおける水付着の影響の防止効果を示す図（２）実施例２に係る湿度センサにおける水付着の影響の防止効果を示す図（１）実施例２に係る湿度センサにおける水付着の影響の防止効果を示す図（２）

　以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

　最初に、湿度センサの原理について説明する。図１及び図２は、湿度センサの原理を説明するための図である。

　図１に示されるように、平行平板型の湿度センサは、下部電極（ＢＥ）と上部電極（ＴＥ）の間に感湿膜を挟み込んだ構造を有する。湿度によって感湿膜に吸着する水分子の数が異なり、感湿膜の誘電率が変化する。感湿膜と水の比誘電率の差を利用して静電容量値の変化を捉える。

　図２に示されるように、０％と１００％の間で相対湿度（Ｒｈ）の変化に対応する静電容量値Ｃの変化を測定する。複数の既知の相対湿度で静電容量値Ｃを測定して近似式を得る。図２の例では、湿度ＨはＨ＝ａ＊Ｃ＋ｂで線形近似される。勾配ａと切片ｂを補正定数として用いて、測定した静電容量値を相対湿度に換算することができる。

　平行平板型の湿度センサでは、感湿膜に空気中の水分を効率良く取り込んで応答性を高めるために、上部電極（ＴＥ）に開口パターンが形成される場合がある。この場合、上部電極（ＴＥ）の開口部から電界が空気中に漏れ出る。上述したように、漏れ電界に結露や水滴が付着すると電気力線の状態が変化し、上部電極（ＴＥ）と下部電極（ＢＥ）の間の静電容量値が上昇する。そうすると、もとの近似式（補正定数）が使えなくなり、湿度センサとしての機能が損なわれる。

　そこで、以下に示す本発明の実施形態では、平行平板型の湿度センサにおいて、上部電極と下部電極の間に配置される第１の感湿膜と、上部電極を覆う第２の感湿膜とが積層した構造を採用する。また、上部電極の面積が、下部電極の面積よりも大きく、且つ第１の感湿膜の面積よりも小さい構造を採用する。これにより、湿度センサに対する水滴の影響を防止し、精度良く安定した測定値を出力することができる。

　〔第１実施形態〕
　第１実施形態に係る湿度センサについて説明する。図３は、第１実施形態に係る湿度センサを示す概略断面図である。

　図３に示されるように、湿度センサ１０Ａは、基板１１の上に、絶縁膜１２、下部電極１３、保護膜１４、第１の感湿膜１５、保護膜１６、上部電極１７、保護膜１８、第２の感湿膜１９、電極パッド２０ａ，２０ｂが積層された構造を有する。

　基板１１は、例えばシリコン基板等の半導体基板であってよく、絶縁性基板であってもよい。

　絶縁膜１２は、基板１１の上に形成されている。絶縁膜１２は、例えばシリコン酸化（ＳｉＯ_２）膜、シリコン窒化（ＳｉＮ）膜であってよく、これらの積層膜であってもよい。なお、基板１１として絶縁性基板を用いる場合には、絶縁膜１２を設けなくてもよい。

　下部電極１３は、絶縁膜１２の上に形成されている。下部電極１３は、所定のパターンに形成されている。下部電極１３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）、Ａｌ－Ｓｉ、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕであってよく、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）等の貴金属であってもよい。また、これらの下地膜としてニッケル（Ｎｉ）を形成してもよい。

　保護膜１４は、下部電極１３を覆うように形成されている。保護膜１４は、例えばＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜であってよく、これらの積層膜であってもよい。保護膜１４は、必須ではないが、下部電極１３を腐食等から保護するという観点から、下部電極１３を覆うように設けられていることが好ましい。なお、下部電極１３として、Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属を用いる場合には、保護膜１４を設けなくてもよい。

　第１の感湿膜１５は、下部電極１３と上部電極１７との間に形成されている。第１の感湿膜１５は、例えばポリイミド（ＰＩ）、セルロース、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）等の水分子を吸着しやすい高分子材料で形成されている。第１の感湿膜１５の厚さは、短絡を防止するという観点から、０．５μｍ以上であることが好ましい。また、第１の感湿膜１５の厚さは、応答性又は感度の観点から、１．５μｍ以下であることが好ましい。即ち、第１の感湿膜１５の厚さは、０．５μｍ～１．５μｍであることが好ましい。

　上部電極１７は、第１の感湿膜１５の上に形成されている。上部電極１７は、その面積が下部電極１３の面積よりも大きくなるように、所定のパターンに形成されている。上部電極１７は、例えば下部電極１３と同様の材料により形成されていてよい。上部電極１７は、所定の開口部１７ａを有し、開口部１７ａ内で第１の感湿膜１５と第２の感湿膜１９とが連通している。開口部１７ａの大きさは、特性やプロセスを考慮して最適な設計値とされるが、開口部１７ａが小さいほど漏れ電界の閉じ込め効果を十分に発揮させることができるという観点から、可能な限り小さいほうが好ましい。

　保護膜１６，１８は、上部電極１７の全周を覆うように形成されている。これにより、耐水性が向上する。保護膜１６，１８は、例えばＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜であってよく、これらの積層膜であってもよい。保護膜１６，１８は、必須ではないが、上部電極１７を腐食等から保護するという観点から、上部電極１７を覆うように設けられていることが好ましい。なお、上部電極１７として、Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属を使用した場合には、保護膜１６，１８を設けなくてもよい。

　第２の感湿膜１９は、上部電極１７を覆うと共に、上部電極１７の開口部１７ａで第１の感湿膜１５に接続されるように形成されている。これにより、上部電極１７の開口部１７ａから電界が漏れ出た場合でも、漏れ電界に水滴が接触することを防止できる。第２の感湿膜１９は、第１の感湿膜１５と同じ種類の膜であってもよく、異なる種類の膜であってもよいが、感湿特性の観点から、第１の感湿膜１５と同じ種類の膜であることが好ましい。第２の感湿膜１９の厚さは、漏れ電界への水滴の接触を効果的に防止するという観点から、第１の感湿膜１５の厚さ以上であることが好ましい。また、第２の感湿膜１９の厚さは、第１の感湿膜１５へ迅速に水分子を取り込むという観点から、第１の感湿膜１５の厚さの１０倍以下であることが好ましい。即ち、第２の感湿膜１９の厚さは、第１の感湿膜１５の厚さの１～１０倍であることが好ましい。

　電極パッド２０ａ，２０ｂは、ワイヤボンディング用のパッドである。電極パッド２０ａは、下部電極１３に到達する電極取り出し用の開口２１に形成されている。電極パッド２０ｂは、上部電極１７に到達する電極取り出し用の開口２２に形成されている。これにより、電極パッド２０ａ，２０ｂは、それぞれ下部電極１３及び上部電極１７と電気的に接続される。開口２１及び開口２２の大きさは、例えば４０μｍ～１２０μｍ程度である。電極パッド２０ａ，２０ｂを介して下部電極１３と上部電極１７との間に所定の電圧を印加して、静電容量値Ｃを測定し、予め取得した近似式（補正定数）を用いて相対湿度を算出する。図３の構成では、上部電極１７が漏れ電界の閉じ込め効果を有し、且つ第２の感湿膜１９によってセンサ主要部が水分子の付着から保護されているので、測定された静電容量値から相対湿度への換算が正確に行われる。

　図４は、第１実施形態に係る湿度センサ１０Ａの電極パターンの一例を示す図である。図４では、説明の便宜上、下部電極１３、第１の感湿膜１５及び上部電極１７のみを図示し、その他の構成については図示を省略している。

　図４の上部電極１７のパターンは、下部電極１３上の第１の感湿膜１５上に形成される格子状のパターンであり、開口部１７ａを有する。図４では説明の便宜上、第２の感湿膜１９の図示を省略しているが、上部電極１７上に第２の感湿膜１９が配置されるので、開口部１７ａからの漏れ電界への水滴の接触は抑制される。同時に、開口部１７ａから第１の感湿膜１５へ最短パスで空気中の水分子を取り込むことができる。格子状の電極パターンを定義するライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）は、例えば１μｍ／１μｍ、２μｍ／２μｍ、５μｍ／５μｍ、１０μｍ／１０μｍとすることができる。

　また、上部電極１７の面積は、下部電極１３の面積よりも大きく、且つ第１の感湿膜１５の面積よりも小さい。これにより、湿度センサに対する水滴の影響を防止し、精度良く安定した測定値を出力することができる。詳細については後述の実施例を用いて説明する。なお、下部電極１３の面積とは、取り出し配線部を含まない部分の面積を意味し、上部電極１７の面積とは、開口部１７ａを含み、取り出し配線部を含まない部分の面積を意味する。また、図４における一点鎖線Ａ－Ａの位置において切断した断面が、前述した図３に示される湿度センサ１０Ａの断面に対応する。

　図５は、第１実施形態に係る湿度センサの電極パターンの別の例を示す図である。図５では、説明の便宜上、下部電極１３、第１の感湿膜１５及び上部電極１７のみを図示し、その他の構成については図示を省略している。

　図５の上部電極１７のパターンは、下部電極１３上の第１の感湿膜１５上に形成されるラダー状のパターンであり、一方向に延びる開口部１７ｂを有する。図５では説明の便宜上、第２の感湿膜１９の図示を省略しているが、上部電極１７上に第２の感湿膜１９が配置されるので、開口部１７ｂからの漏れ電界への水滴の接触は抑制される。同時に、開口部１７ｂから第１の感湿膜１５へ最短パスで空気中の水分子を取り込むことができる。ラダー状の電極パターンを定義するライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）は、例えば１μｍ／１μｍ、２μｍ／２μｍ、５μｍ／５μｍ、１０μｍ／１０μｍとすることができる。

　また、上部電極１７の面積は、下部電極１３の面積よりも大きく、且つ第１の感湿膜１５の面積よりも小さい。これにより、湿度センサに対する水滴の影響を防止し、精度良く安定した測定値を出力することができる。詳細については後述の実施例を用いて説明する。

　次に、図３及び図４の湿度センサ１０Ａの製造方法について説明する。図６Ａ～Ｄ、図７Ａ～Ｄ及び図８Ａ～Ｃは、第１実施形態に係る湿度センサ１０Ａの製造方法を説明するための工程断面図である。

　最初に、図６Ａに示されるように、基板１１の表面及び裏面に絶縁膜１２を形成する。具体的には、ｐ型のシリコン基板の表面及び裏面に、熱酸化により、例えば厚さが０．５μｍ～５μｍのＳｉＯ_２膜を形成する。なお、基板１１の表面のみに、スパッタ等により、絶縁膜１２を成膜してもよい。ここで、基板１１の表面とは膜を積層する側の面（図中の上面）を意味する。

　続いて、図６Ｂに示されるように、絶縁膜１２の上に下部電極１３を形成する。具体的には、ＳｉＯ_２膜の上に、例えば厚さが０．２μｍのＡｌ、Ａｌ－Ｓｉ、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ等の電極材料を成膜し、フォトリソグラフィにより所望のパターンにパターニングする。

　続いて、図６Ｃに示されるように、下部電極１３を覆うように保護膜１４を形成する。具体的には、下部電極１３を覆うように、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、これらの積層膜等の絶縁膜を成膜する。なお、下部電極１３の電極材料として、Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属を用いる場合には、保護膜１４を形成しなくてもよい。

　続いて、図６Ｄに示されるように、保護膜１４の上に第１の感湿膜１５を形成する。具体的には、保護膜１４の上に、スピンコート、ディップ、コータ等により、ＰＩ、セルロース、ＰＭＭＡ、ＰＶＡ等の水分子を吸着しやすい高分子材料を０．５μｍ～１．５μｍの厚さに塗布する。

　続いて、図７Ａに示されるように、第１の感湿膜１５の上に、保護膜１６を形成する。具体的には、第１の感湿膜１５の上に、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、これらの積層膜等の絶縁膜を成膜する。なお、上部電極１７の電極材料として、Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属を用いる場合には、保護膜１６を形成しなくてもよい。

　続いて、図７Ｂに示されるように、電極取出口に対応する位置に開口を有するレジストマスクを形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等により、保護膜１４、第１の感湿膜１５、及び保護膜１６を部分的に除去する。これにより、下部電極１３の一部を所定の箇所で露出させる。

　続いて、図７Ｃに示されるように、保護膜１６の上に上部電極１７を形成する。具体的には、保護膜１６の上に、例えば厚さが０．２μｍのＡｌ、Ａｌ－Ｓｉ、Ａｌ－Ｓｉ－Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔ等の電極材料を成膜し、フォトリソグラフィにより所望のパターンにパターニングする。このとき、上部電極１７の面積が、下部電極１３の面積よりも大きく、且つ第１の感湿膜１５の面積よりも小さくなるようにパターニングする。なお、上部電極１７を形成する前に、前処理（例えば、プラズマ等の表面改質処理）を行い、密着性を向上させてもよい。

　続いて、図７Ｄに示されるように、上部電極１７を覆うように保護膜１８を形成する。具体的には、上部電極１７を覆うように、ＳｉＯ_２膜、ＳｉＮ膜、これらの積層膜等の絶縁膜を成膜し、開口部１７ａ及び電極取出口に対応する位置に開口を有するレジストマスクを形成し、ＲＩＥ等により、保護膜１６，１８を部分的に除去する。これにより、第１の感湿膜１５及び上部電極１７の一部を所定の箇所で露出させる。なお、上部電極１７の電極材料として、Ａｕ、Ｐｔ等の貴金属を用いる場合には、保護膜１８を形成しなくてもよい。

　続いて、図８Ａに示されるように、上部電極１７を覆うように第２の感湿膜１９を形成する。具体的には、保護膜１８の上に、スピンコート、ディップ、コータ等により、ＰＩ、セルロース、ＰＭＭＡ、ＰＶＡ等の水分子を吸着しやすい高分子材料を０．５μｍ～１０μｍの厚さに塗布する。このとき、上部電極１７の開口部１７ａは第２の感湿膜１９で埋め込まれる。その後、電極取出口に対応する位置に開口を有するレジストマスクを形成し、ＲＩＥ等により、第２の感湿膜１９を部分的に除去して下部電極１３及び上部電極１７の一部を所定の箇所で露出させる。これにより、下部電極１３に到達する電極取り出し用の開口２１、及び上部電極１７に到達する電極取り出し用の開口２２が形成される。

　続いて、図８Ｂに示されるように、開口２１及び開口２２に、電極パッド２０ａ，２０ｂを形成する。具体的には、リフトオフにより、開口２１及び開口２２に厚さが０．５μｍ～０．６μｍの金属膜を成膜する。

　続いて、図８Ｃに示されるように、バックグラインド（裏面研磨）を行う。具体的には、ｐ型のシリコン基板の裏面に形成されたＳｉＯ_２膜及びｐ型のシリコン基板を研磨することにより、ｐ型のシリコン基板を所望の厚さまで薄くする。

　以上の工程により、図３及び図４に示される湿度センサ１０Ａを製造することができる。なお、図５に示される湿度センサについても、図３及び図４に示される湿度センサ１０Ａと同様の方法により製造することができる。

　次に、第１実施形態に係る湿度センサ１０Ａを実装基板に搭載した構造について説明する。図９は、実装基板に搭載された湿度センサ１０Ａを説明するための図である。

　図９に示されるように、湿度センサ１０Ａは、実装基板１０１上に形成された配線パターン１０２ｂの上に、銀ペースト等の導電性接着剤１０３を使用してダイボンディングされる。これにより、湿度センサ１０Ａの基板１１と配線パターン１０２ｂとが電気的に接続される。また、湿度センサ１０Ａの上部電極１７は、電極パッド２０ｂ及びボンディングワイヤ１０４ｂを介して配線パターン１０２ｂと電気的に接続されている。即ち、上部電極１７は、湿度センサ１０Ａの外部に設けられたボンディングワイヤ１０４ｂ及び配線パターン１０２ｂを介して基板１１と電気的に接続されている。これにより、上部電極１７と基板１１とが等電位となる。その結果、電界を第１の感湿膜１５の内部に閉じ込めて、湿度センサ１０Ａに水やゴミが付着することを抑制することができる。一方、下部電極１３は、電極パッド２０ａ及びボンディングワイヤ１０４ａを介して配線パターン１０２ａと電気的に接続されている。

　なお、図９に示す例では、ボンディングワイヤ１０４ｂ及び配線パターン１０２ｂを介して上部電極１７と基板１１とが電気的に接続される形態を示したが、上部電極１７と基板１１とを電気的に接続する方法はこれに限定されない。例えば、実装段階では、基板１１と導通可能なように実装基板１０１側に取り出し配線を形成しておき、最終的な組み込み基板上で、上部電極１７と基板１１とが電気的に接続されるようにしてもよい。

　次に、図９に示される実装基板に搭載された湿度センサ１０Ａを樹脂により封止した構造について説明する。

　図１０は、実装基板に搭載された湿度センサ１０Ａを説明するための図である。図１０に示される構造では、湿度センサ１０Ａの表面に露出する電極パッド２０ａ，２０ｂ、配線パターン１０２ａ，１０２ｂ、及びボンディングワイヤ１０４ａ，１０４ｂが樹脂１０５により封止されている。一方、湿度センサ１０Ａの感湿部（第２の感湿膜１９）の一部は、樹脂１０５により封止されることなく露出している。これにより、電極パッド２０ａ，２０ｂ、配線パターン１０２ａ，１０２ｂ、及びボンディングワイヤ１０４ａ，１０４ｂを、腐食等から保護しつつ、第１の感湿膜１５へ迅速に水分子を取り込むことができる。

　図１１は、実装基板に搭載された湿度センサ１０Ａを説明するための図であり、湿度センサ１０Ａと樹脂１０５との位置関係を示している。図１１の上図は、湿度センサ１０Ａと樹脂１０５との位置関係を示す概略断面図である。図１１の下図は、上部電極１７の概略平面図である。図１１に示されるように、樹脂１０５は、第２の感湿膜１９の上に、上部電極１７の最外周縁から最外周の開口部１７ａまでの間（図中、双方向矢印で示す範囲）を開始位置とし、湿度センサ１０Ａの外周に向かって配置されていることが好ましい。言い換えると、樹脂１０５は、上部電極１７に形成された全ての開口部１７ａを露出させつつ、第２の感湿膜１９の露出部が小さくなるように設けられていることが好ましい。これにより、水滴付着耐性が特に向上する。

　〔第２実施形態〕
　第２実施形態に係る湿度センサについて説明する。図１２は、第２実施形態に係る湿度センサを示す概略断面図である。

　第２実施形態に係る湿度センサ１０Ｂは、第１実施形態に係る湿度センサ１０Ａと同様に、下部電極１３と上部電極１７との間に挟まれる第１の感湿膜１５と、上部電極１７を覆う第２の感湿膜１９とを有する。また、上部電極１７の面積は、下部電極１３の面積よりも大きく、且つ第１の感湿膜１５の面積よりも小さい。第１の感湿膜１５と第２の感湿膜１９の材料、厚さ等は、湿度センサ１０Ａと同様である。上部電極１７の導体領域と開口部１７ａのパターンも湿度センサ１０Ａと同様である。

　図１２に示されるように、第１実施形態に係る湿度センサ１０Ａと異なる点は、基板１１と上部電極１７とが湿度センサ１０Ｂの内部で電気的に接続されており、上部電極１７の電位が固定されている点である。具体的には、上部電極１７が、開口２２が形成された位置において、ｐ型のシリコン基板の表面に形成されたコンタクト層３１であるｐ＋層を介して基板１１であるｐ型のシリコン基板と電気的に接続されている。これにより、上部電極１７の電位が基板１１と等しい電位に固定されている。

　次に、図１２の湿度センサ１０Ｂの製造方法について説明する。図１３Ａ～Ｅ、図１４Ａ～Ｄ及び図１５Ａ～Ｃは、第２実施形態に係る湿度センサ１０Ｂの製造方法を説明するための工程断面図である。

　最初に、図１３Ａに示されるように、基板１１の表面における上部電極１７の電極取出口を形成する位置にコンタクト層３１を形成する。具体的には、シリコン基板の表面における上部電極１７の電極取出口を形成する位置に、イオンインプランテーション法（イオン注入法）によりボロン（Ｂ）を注入することで、ｐ＋層を形成する。また、注入したボロンを活性化させるために、必要に応じてアニール処理を行ってもよい。なお、イオン注入法に代えて、熱拡散法を用いてもよい。

　続いて、図１３Ｂに示されるように、第１実施形態と同様に、基板１１の上に絶縁膜１２を形成する。

　続いて、図１３Ｃに示されるように、絶縁膜１２の上に下部電極１３を形成する。このとき、第１実施形態と異なり、コンタクト層３１を形成した位置には、下部電極を形成しなくてもよい。

　続いて、図１３Ｄに示されるように、第１実施形態と同様に、下部電極１３を覆うように保護膜１４を形成する。

　続いて、図１３Ｅに示されるように、第１実施形態と同様に、保護膜１４の上に第１の感湿膜１５を形成する。

　続いて、図１４Ａに示されるように、第１実施形態と同様に、第１の感湿膜１５の上に、保護膜１６を形成する。

　続いて、図１４Ｂに示されるように、電極取出口に対応する位置に開口を有するレジストマスクを形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等により、絶縁膜１２、保護膜１４、第１の感湿膜１５、及び保護膜１６を部分的に除去する。これにより、下部電極１３の一部及びコンタクト層３１を所定の箇所で露出させる。

　続いて、図１４Ｃに示されるように、保護膜１６及びコンタクト層３１の上に上部電極１７を形成する。これにより、上部電極１７は、電極取出口において、コンタクト層３１を介して基板１１と電気的に接続されるので、上部電極１７と基板１１とが等電位となる。その結果、電界を第１の感湿膜１５の内部に閉じ込めて、湿度センサ１０Ｂに水やゴミが付着することを抑制することができる。なお、コンタクト層３１と上部電極１７との間でオーミックコンタクト（接触）をとるために、上部電極１７を形成した後に、熱処理（シンター）を行ってもよい。

　続いて、図１４Ｄに示されるように、第１実施形態と同様に、上部電極１７を覆うように保護膜１８を形成する。

　続いて、図１５Ａに示されるように、第１実施形態と同様に、上部電極１７を覆うように第２の感湿膜１９を形成する。

　続いて、図１５Ｂに示されるように、第１実施形態と同様に、開口２１及び開口２２に、電極パッド２０ａ，２０ｂを形成する。

　続いて、図１５Ｃに示されるように、第１実施形態と同様に、裏面研磨を行う。

　以上の工程により、図１２に示される湿度センサ１０Ｂを製造することができる。

　本発明の実施形態に係る湿度センサの効果を確認するためのシミュレーション結果について、以下の実施例１及び実施例２により説明する。

　〔実施例１〕
　実施例１では、基板１１、絶縁膜１２、第１の感湿膜１５及び第２の感湿膜１９の特性を以下に示すパラメータに固定し、下部電極１３に対する上部電極１７の面積（外形）を変化させたときの静電容量値（arbitrary unit）をシミュレーションにより算出した。なお、第１の感湿膜１５の面積は、上部電極１７の面積よりも大きくなるように設定した。また、動作時の基板１１の電位を浮遊（Ｆｌｏａｔ）状態とし、下部電極１３を１Ｖ、上部電極１７を０Ｖとして湿度センサを動作させた。

　（パラメータ）
　基板１１　シリコン基板
　絶縁膜１２　ＳｉＯ_２膜（膜厚：５μｍ、比誘電率３．９）
　第１の感湿膜１５　ＰＩ膜（膜厚：１μｍ、０％Ｒｈ相当時の比誘電率：３．６９、１００％Ｒｈ相当時の比誘電率：４．１９）
　第２の感湿膜１９　ＰＩ膜（膜厚：２μｍ、０％Ｒｈ相当時の比誘電率：３．６９、１００％Ｒｈ相当時の比誘電率：４．１９）

　図１６は、実施例１に係る湿度センサにおける水付着の影響の防止効果を示す図である。図中、横軸は上部電極１７の１辺の長さから下部電極１３の１辺の長さを引いた値（μｍ）を示す。即ち、上部電極１７の面積と下部電極１３の面積とが等しい場合に０となり、上部電極１７の面積が下部電極１３の面積よりも大きい場合に正の値となり、上部電極１７の面積が下部電極１３の面積よりも小さい場合に負の値となる。また、図中、縦軸は静電容量値（arbitrary unit）を示す。また、図中、菱形マークでプロットされたラインＡ１は、第１の感湿膜１５の乾燥時（湿度０％Ｒｈ、比誘電率３．６９）の静電容量値の変化を示す。四角マークでプロットされたラインＢ１は、第１の感湿膜１５の多湿時（湿度１００％Ｒｈ、比誘電率４．１９）の静電容量値の変化を示す。三角マークでプロットされたラインＣ１は、センサの表面に水が付着した状態（多湿状態＋水付着）での静電容量値の変化を示す。

　図１７は、実施例１に係る湿度センサにおける水付着の影響の防止効果を示す図である。図中、横軸は図１６と同様に上部電極１７の１辺の長さから下部電極１３の１辺の長さを引いた値（μｍ）を示す。また、図中、縦軸は静電容量値の差（arbitrary unit）を示す。また、図中、四角マークでプロットされたラインＤ１は、ラインＣ１とラインＢ１との差を示す。菱形マークで示されるラインＥ１は、ラインＢ１とラインＡ１との差を示す。なお、ラインＣ１とラインＢ１との差であるラインＤ１は、水付着による静電容量値の変化を示すものであり、この差が小さいほど水付着による影響が小さいことを意味する。また、ラインＢ１とラインＡ１との差であるラインＥ１は、多湿時と乾燥時との差を示すものであり、この差が大きいほど湿度センサの感度が高いことを意味する。

　図１７に示されるように、上部電極１７の長さを下部電極１３の長さよりも長くした場合、上部電極１７の長さが下部電極１３の長さよりも短い場合と比較して、ラインＤ１で示される静電容量値の差が小さくなっていることが分かる。このことから、上部電極１７の面積を下部電極１３の面積よりも大きくすることで、水付着による影響を低減することができると考えられる。

　また、図１７に示されるように、下部電極１３の長さに対する上部電極１７の長さを変化させても、ラインＥ１で示される静電容量値の差はほとんど変化していない。このことから、上部電極１７の長さを下部電極１３の長さよりも長くした場合であっても、上部電極１７の長さが下部電極１３の長さと等しい場合や短い場合と同等の感度が得られると考えられる。

　〔実施例２〕
　実施例２では、動作時の基板１１の電位を０Ｖに固定（接地）した点以外は、実施例１と同様の条件でシミュレーションを行った。

　図１８は、実施例２に係る湿度センサにおける水付着の影響の防止効果を示す図である。図中、横軸は上部電極１７の１辺の長さから下部電極１３の１辺の長さを引いた値（μｍ）を示す。即ち、上部電極１７の面積と下部電極１３の面積とが等しい場合に０となり、上部電極１７の面積が下部電極１３の面積よりも大きい場合に正の値となり、上部電極１７の面積が下部電極１３の面積よりも小さい場合に負の値となる。また、図中、縦軸は静電容量値（arbitrary unit）を示す。また、図中、菱形マークでプロットされたラインＡ２は、第１の感湿膜１５の乾燥時（湿度０％Ｒｈ、比誘電率３．６９）の静電容量値の変化を示す。四角マークでプロットされたラインＢ２は、第１の感湿膜１５の多湿時（湿度１００％Ｒｈ、比誘電率４．１９）の静電容量値の変化を示す。三角マークでプロットされたラインＣ２は、センサの表面に水が付着した状態（多湿状態＋水付着）での静電容量値の変化を示す。

　図１９は、実施例２に係る湿度センサにおける水付着の影響の防止効果を示す図である。図中、横軸は図１８と同様に上部電極１７の１辺の長さから下部電極１３の１辺の長さを引いた値（μｍ）を示す。また、図中、縦軸は静電容量値の差（arbitrary unit）を示す。また、図中、四角マークでプロットされたラインＤ２は、ラインＣ２とラインＢ２との差を示す。菱形マークで示されるラインＥ２は、ラインＢ２とラインＡ２との差を示す。なお、ラインＣ２とラインＢ２との差であるラインＤ２は、水付着による静電容量値の変化を示すものであり、この差が小さいほど水付着による影響が小さいことを意味する。また、ラインＢ２とラインＡ２との差であるラインＥ２は、多湿時と乾燥時との差を示すものであり、この差が大きいほど湿度センサの感度が高いことを意味する。

　図１９に示されるように、上部電極１７の長さを下部電極１３の長さよりも長くした場合、上部電極１７の長さが下部電極１３の長さよりも短い場合と比較して、ラインＤ２で示される静電容量値の差が小さくなっていることが分かる。このことから、上部電極１７の面積を下部電極１３の面積よりも大きくすることで、水付着による影響を低減することができると考えられる。

　また、図１９に示されるように、下部電極１３の長さに対する上部電極１７の長さを変化させても、ラインＥ２で示される静電容量値の差はほとんど変化していない。このことから、上部電極１７の長さを下部電極１３の長さよりも長くした場合であっても、上部電極１７の長さが下部電極１３の長さと等しい場合や短い場合と同等の感度が得られると考えられる。

　さらに、動作時の基板１１の電位を０Ｖに固定（接地）した実施例２では、動作時の基板１１の電位を浮遊状態とした実施例１と比較して、水付着による影響を大幅に低減することができると考えられる。即ち、動作時の基板１１の電位を０Ｖに固定することが好ましい。

　このように、上部電極１７の面積が、下部電極１３の面積よりも大きく、且つ第１の感湿膜１５の面積よりも小さくすることで、水付着によるセンサへの影響を低減して、安定した測定精度を実現できることが分かる。

　以上、好ましい実施の形態について説明したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。

　上記の各実施形態では、基板１１がｐ型のシリコン基板である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば基板１１はｎ型のシリコン基板であってもよい。この場合においても、上記の各実施形態と同様に、上部電極１７と基板１１とは電気的に接続されていることが好ましい。ただし、下部電極１３の電位を０Ｖとし、上部電極１７及び基板１１の電位を下部電極１３よりも大きい正の電位で駆動させる点で、上記の各実施形態とは異なる。また、第２実施形態において基板１１をｎ型のシリコン基板とする場合には、コンタクト層３１として、リン（Ｐ）、アンチモン（Ｓｂ）、ヒ素（Ａｓ）等のドナー材料をドーピングしてｎ＋層を形成すればよい。

　本国際出願は、２０１７年３月３１日に出願した日本国特許出願第２０１７－０７１４６９号に基づく優先権を主張するものであり、当該出願の全内容を本国際出願に援用する。

１０Ａ，１０Ｂ　湿度センサ
１１　基板
１３　下部電極
１５　第１の感湿膜
１７　上部電極
１７ａ　開口部
１９　第２の感湿膜
２２　開口

Claims

　基板の上に形成された下部電極と、
　前記下部電極を覆う第１の感湿膜と、
　前記第１の感湿膜の上に形成されて所定の開口パターンを有する上部電極と、
　前記上部電極を覆うと共に前記上部電極の開口部で前記第１の感湿膜に接続された第２の感湿膜と、
　を有し、
　前記上部電極の面積は、前記下部電極の面積よりも大きく、且つ前記第１の感湿膜の面積よりも小さい、
　湿度センサ。
　前記上部電極は、前記基板と電気的に接続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。
　前記第１の感湿膜には、開口が形成されており、
　前記上部電極は、前記開口を介して前記基板と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の湿度センサ。
　前記上部電極は、当該湿度センサの外部で前記基板と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の湿度センサ。
　前記基板は、動作時に電位が固定されることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
　前記基板は、ｐ型の半導体により形成されており、且つ接地されていることを特徴とする請求項５に記載の湿度センサ。
　前記基板は、ｎ型の半導体により形成されており、且つ正の電位に固定されていることを特徴とする請求項５に記載の湿度センサ。
　前記上部電極の全周を覆う保護膜を有する、
　請求項１に記載の湿度センサ。
　前記第２の感湿膜の上に、前記上部電極の最外周縁から最外周の前記開口部までの間を開始位置とし、前記湿度センサの外周に向かって配置された樹脂を有する、
　請求項１に記載の湿度センサ。