(57)【要約】【課題】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課題とする。【解決手段】湿度センサは、基板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、複数の開口部からなる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第２の感湿膜と、を有し、前記上部電極上の前記第２の感湿膜の厚さは、前記下部電極上の前記第１の感湿膜の厚さよりも厚く、前記第２の感湿膜は前記上部電極の前記開口部で前記第１の感湿膜と接続している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板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、複数の開口部からなる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第２の感湿膜と、
を有し、
前記上部電極上の前記第２の感湿膜の厚さは、前記下部電極上の前記第１の感湿膜の厚さよりも厚く、
前記第２の感湿膜は前記上部電極の前記開口部で前記第１の感湿膜と接続したこと
を特徴とする湿度センサ。
【請求項２】
前記開口部の少なくともひとつの面積は前記上部電極の前記開口部を含む面積の２．９２×１０−６〜１．０×１０−２であることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項３】
前記開口部の長さは前記上部電極の少なくとも長さの１／３５０〜１／１０であることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項４】
前記開口部の長さが１〜５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項５】
前記上部電極は、格子状のパターンを有することを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項６】
前記上部電極は、千鳥状のパターンを有することを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項７】
前記上部電極はラダー状のパターンを有し、前記開口部の長手方向と直交する幅のサイズが、前記開口部の長手方向と直交する方向での前記上部電極の一辺の長さの１／１００〜１／１０であることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項８】
前記上部電極はラダー状のパターンを有し、前記開口部の長手方向と直交する幅のサイズが１〜５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項９】
平面視における前記下部電極と前記上部電極とが重なる領域の外形は、当該湿度センサが搭載されるセンサ装置の開口部の形状に近似する形状であることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項１０】
前記第２の感湿膜の厚さは、前記第１の感湿膜の厚さの１０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項１１】
前記第２の感湿膜の上に形成され、前記上部電極の上方に位置する保護膜、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項１２】
前記上部電極の上面及び側面を覆う保護膜、
をさらに有し、前記第２の感湿膜は、前記上部電極と前記保護膜を覆っていることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項１３】
前記第２の感湿膜の上に形成され、前記開口部の上方に位置する保護膜、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は湿度センサに関し、特に、平行平板型の湿度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
たとえば、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検出センサでは、保護膜で上部電極を覆う構成が知られている（たとえば、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。
【０００４】
また、自動車の窓ガラス等に付着した水滴を速やかに滑落させる構成として、基体の少なくとも一方の面に撥水膜が形成された構成が知られている（たとえば、特許文献２参照）。この撥水膜は、水の接触角がそれぞれ異なる第１の撥水性領域と第２の撥水性領域とを含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５５４７２９６号公報
【特許文献２】特開２０１３−１３３２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
本発明は、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課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を実現するために、本発明は、上部電極を覆う感湿膜を配置し、上部電極のパターンを最適化することで、湿度センサの静電容量に対する水滴の影響を抑制して安定した出力精度を維持する。具体的には、湿度センサ(10A,10B,20)は、
基板上に形成された下部電極(13)と、
前記下部電極を覆う第１の感湿膜(14a)と、
記第１の感湿膜の上に形成されて、複数の開口部(16)からなる所定の開口パターンを有する上部電極(15)と、
前記上部電極を覆う第２の感湿膜(14b)と、を有し、
前記上部電極上の前記第２の感湿膜の厚さは、前記下部電極上の前記第１の感湿膜の厚さよりも厚く、
前記第２の感湿膜は前記上部電極の前記開口部で前記第１の感湿膜と接続したことを特徴とする。
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態において、湿度センサの検出原理を説明する図である。
【図２】第１実施形態において、湿度センサの検出原理を説明する図である。
【図３】第１実施形態の湿度センサの構成例１を示す概略断面図である。
【図４】第１実施形態の湿度センサの構成例１を示す概略断面図である。
【図５】第１実施形態の湿度センサの構成例２を示す概略断面図である。
【図６Ａ】第１実施形態の湿度センサに用いられる電極パターンの例を示す図である。
【図６Ｂ】第１実施形態の湿度センサに用いられる電極パターンの例を示す図である。
【図７Ａ】第１実施形態の湿度センサに用いられる電極パターンの別の例を示す図である。
【図７Ｂ】第１実施形態の湿度センサに用いられる電極パターンの別の例を示す図である。
【図８】第１実施形態の湿度センサに用いられる電極パターンの更に別の例を示す図である。
【図９】第１実施形態の湿度センサに用いられる下部電極及び上部電極の形状の別の例を示す図である。
【図１０Ａ】第１実施形態の湿度センサの効果確認のための実施例に係るセンサ構造を示す図である。
【図１０Ｂ】第１実施形態の湿度センサの効果確認のための比較例に係るセンサ構造を示す図である。
【図１１Ａ】上部電極パターンのシミュレーションモデルを説明する図である。
【図１１Ｂ】上部電極パターンのシミュレーションモデルを説明する図である。
【図１２Ａ】比較例のセンサ構成における水付着の影響を説明する図である。
【図１２Ｂ】比較例のセンサ構成における水付着の影響を説明する図である。
【図１２Ｃ】比較例のセンサ構成における水付着の影響を説明する図である。
【図１３Ａ】実施例のセンサ構成における水付着の影響の防止効果を示す図である。
【図１３Ｂ】実施例のセンサ構成における水付着の影響の防止効果を示す図である。
【図１４】実施例のセンサ構成の測定精度向上の効果を示す図である。
【図１５】実施例の湿度センサにおける静電容量値と湿度との関係を説明するための図である。
【図１６Ａ】第２実施形態のセンサ素子の構成例を示す図である。
【図１６Ｂ】第２実施形態のセンサ素子の構成例を示す図である。
【図１７】第２実施形態で用いられる撥水膜の模式図である。
【図１８Ａ】第２実施形態で用いられる撥水パターンの例を示す図である。
【図１８Ｂ】第２実施形態で用いられる撥水パターンの例を示す図である。
【図１８Ｃ】第２実施形態で用いられる撥水パターンの例を示す図である。
【図１８Ｄ】第２実施形態で用いられる撥水パターンの例を示す図である。
【図１８Ｅ】第２実施形態で用いられる撥水パターンの例を示す図である。
【図１９Ａ】撥水パターンの効果を検証するためのサンプルと噴霧条件を示す図である。
【図１９Ｂ】撥水パターンの効果を検証するためのサンプルと噴霧条件を示す図である。
【図２０】撥水パターンの構造と寸法の一覧である。
【図２１Ａ】パターンＡの撥水状態を示す画像である。
【図２１Ｂ】パターンＡの撥水状態を示す画像である。
【図２２Ａ】パターンＢの撥水状態を示す画像である。
【図２２Ｂ】パターンＢの撥水状態を示す画像である。
【図２２Ｃ】パターンＢの撥水状態を示す画像である。
【図２３Ａ】パターンＣの撥水状態を示す画像である。
【図２３Ｂ】パターンＣの撥水状態を示す画像である。
【図２４】比較例として撥水パターンのない検知膜上の水滴付着状態を示す画像である。
【図２５】実施形態の撥水パターンの評価結果を示す図である。
【図２６】センサ装置の一例を説明するための図（１）である。
【図２７Ａ】センサ装置の一例を説明するための図（２）である。
【図２７Ｂ】センサ装置の一例を説明するための図（２）である。
【図２７Ｃ】センサ装置の一例を説明するための図（２）である。
【図２８Ａ】変形例１に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図２８Ｂ】変形例１に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図２９Ａ】変形例２に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図２９Ｂ】変形例２に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図２９Ｃ】変形例２に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図２９Ｄ】変形例２に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３０Ａ】変形例３に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３０Ｂ】変形例３に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３１Ａ】変形例４に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３１Ｂ】変形例４に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３２Ａ】変形例５に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３２Ｂ】変形例５に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３３Ａ】変形例６に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３３Ｂ】変形例６に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３４Ａ】変形例７に係るセンサ装置を説明するための図である。
【図３４Ｂ】変形例７に係るセンサ装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
＜第１実施形態＞
第１実施形態では、センサ素子のうち、特に湿度センサに着目し、上部電極上に感湿膜を追加することで電気力線の状態に対する水滴の影響を低減し、湿度検出の精度を安定化する。さらに、上部電極のパターンを最適化することで、漏れ電界の閉じ込め効果を高めて測定精度を向上する。
【００１４】
図１及び図２は、湿度センサの原理を説明する図である。図１に示すように、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。
【００１５】
図２に示すように、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。
【００１６】
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。
【００１７】
そこで、第１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の感湿膜との積層構造を採用する。これにより、空気中への漏れ電界を防止し、湿度センサへの水滴の影響を抑制する。
【００１８】
図３は、第１実施形態の構成例１として、湿度センサ１０Ａを示す。湿度センサ１０Ａは、基板１１上に下部電極１３、下部電極１３上の第１の感湿膜１４ａ、感湿膜１４ａ上の上部電極１５、上部電極１５上の第２の感湿膜１４ｂ、及び保護膜１７がこの順に積層された積層構造体を有する。保護膜１７は必須ではないが、第２の感湿膜１４ｂを保護する観点から、第２の感湿膜１４ｂ上に配置されてもよい。
【００１９】
基板１１は、たとえばシリコン基板であり、下部電極１３は絶縁膜１２を介して基板１１上に形成されている。絶縁性の基板を用いる場合は、絶縁膜１２を省略してもよい。下部電極１３と上部電極１５の間に配置される第１の感湿膜１４ａは、厚さが０．５μｍ〜１．５μｍでありポリイミド、セルロース、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）など、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１４ａの膜厚が０．５μｍより薄くなると短絡するおそれがある。１．５μｍより厚くなると応答性または感度を高く維持することが困難になる。
【００２０】
上部電極１５は所定の開口１６を有し、開口１６内で第１の感湿膜１４ａと第２の感湿膜１４ｂが連通している。開口１６は、可能な限り小さい方が好ましい。開口１６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。また、上部電極１５の幅は小さいことが好ましく、空気中の水分子を第１の感湿膜１４ａへ効率的に取り込むことができる。このときの上部電極１５の幅は、特性やプロセスを考慮して最適な設計値とされる。
【００２１】
上部電極１５を覆って第２の感湿膜１４ｂを配置することで、上部電極１５の開口１６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１４ｂは、第１の感湿膜１４ａと同じ種類の膜であってもよいし、異なる種類の膜でもよい。第２の感湿膜１４ｂの厚さは、第１の感湿膜１４ａの厚さの１〜１０倍である。第２の感湿膜１４ｂの厚さが第１の感湿膜１４ａの厚さよりも薄くなると、漏れ電界への水滴の接触を効果的に防止することが困難になる。第１の感湿膜１４ａの厚さの１０倍よりも大きくなると、第１の感湿膜１４ａへ迅速に水分子を取り込むことが難しくなる。
【００２２】
保護膜１７は必須ではないが、図３の例では、第２の感湿膜１４ｂ上で、上部電極１５のパターンに対応する位置に形成されている。保護膜１７に、上部電極１５の開口１６と対応する位置に開口１７ａを設けることで、第２の感湿膜１４ｂへの水滴や汚れの付着を防止し、かつ空気中の水分（水分子）を最短のパスで第１の感湿膜１４ａへ取り込むことができる。このほかに、保護膜１７は、開口１６の直上に設けても良い。この場合、上部電極１５と下部電極１３間に発生するわずかな漏れ電界の影響を避けることができる。この時、電界を閉じ込める効果を発揮するために、保護膜の比誘電率は感湿膜１４ｂより大きいことが望ましい。
【００２３】
保護膜１７は、上部電極１５の導電率を変化させず、第２の感湿膜１４ｂの劣化を防止することのできる任意の材料で形成され、たとえば金属や絶縁体を用いることができる。保護膜１７に替えて、ワイヤボンディング用の厚膜パッドを配置してもよい。
【００２４】
湿度センサ１０Ａには、下部電極１３に到達する電極取り出し用の開口１８と、上部電極１５に到達する電極取り出し用の開口１９が形成されている。上部電極１５と下部電極の間に所定の電圧を印加して、静電容量Ｃを測定し、あらかじめ取得した近似式（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１５が漏れ電界の閉じ込め効果を有し、かつ第２の感湿膜１４ｂ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から相対湿度への換算が正確に行われる。
【００２５】
図３の湿度センサ１０Ａの作製工程を簡単に説明する。シリコン等の基板１１上に絶縁膜１２としてシリコン酸化膜をたとえば０．５μｍの膜厚で形成する。絶縁膜１２上に、アルミニウム（Ａｌ）、金／ニッケル（Ａｕ／Ｎｉ）等の導電層を形成する。導電層上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定の形状のレジストパターンにパターニングする。レジストパターンをマスクとして用いて、イオンミリングやウエットエッチング等で導電層を加工し、所望の形状の下部電極１３を形成する。下部電極１３の厚さは、センサの小型化と安定した電圧印加の観点から適切な厚さに設定され、一例として０．５μｍに設定される。その後、レジストパターンを除去して洗浄する。
【００２６】
下部電極１３を覆って第１の感湿膜１４ａを成膜する。上述した高分子材料をスピンコート、バーコータ、スプレイコータ等で０．５μｍ〜１．５μｍの厚さに塗布する。図３では図示されていないが、感湿膜１４ａ上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定の形状のレジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクとして用いて反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等で感湿膜１４ａを加工し、所定のパターンを形成してもよい。感湿膜１４ａ上に、Ａｌ、Ａｕ／Ｎｉ等の導電層を形成し、導電層上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定の形状のレジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクとして用いてイオンミリング等で導電層を加工し、所定の開口パターンを有する上部電極１５を形成する。上部電極１５の厚さは、開口１６のパターニングの正確さと安定した電圧印加の観点から適切な厚さに設定され、一例として０．２〜０．３μｍの厚さに形成される。その後、レジストパターンを除去して洗浄する。
【００２７】
上部電極１５上に、たとえば０．５μｍ〜１０μｍの厚さの第２の感湿膜１４ｂを形成する。上部電極１５の開口１６は第２の感湿膜１４ｂで埋め込まれる。必要に応じて、第２の感湿膜１４ｂ上に、金属、絶縁体等で所定の開口１７ａを有する保護膜１７を形成する。その後、電極取り出し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等で第２の感湿膜１４ｂを部分的に除去して上部電極１５の一部を所定の箇所で露出する。いったんレジストを除去し、下部電極取り出し用のレジストマスクを形成し、ＲＩＥ等で第２の感湿膜１４ｂと第１の感湿膜１４ａを部分的に除去して下部電極１３の一部を所定の箇所で露出する。レジストを除去して洗浄することで図３の構成が得られる。
【００２８】
図５は、第１実施形態の構成例２として、湿度センサ１０Ｂを示す。図３と同様に、湿度センサ１０Ｂは、下部電極１３と上部電極１５の間に挟まれる第１の感湿膜１４ａと、上部電極１５を覆う第２の感湿膜１４ｂを有する。第１の感湿膜１４ａと第２の感湿膜１４ｂの材料、厚さ等は、図３の構成例１と同様である。上部電極１５の導体領域と開口１６の面積割合も図３の構成例１と同様である。
【００２９】
図３の構成と異なる点は、保護膜１７が直接、上部電極１５を覆って形成されている。図５の例でも保護膜１７は必須ではない。保護膜１７は、電極取り出し用の開口１９内で露出する領域を除いて、上部電極１５の上面と側面を覆っている。上部電極１５と保護膜１７は、第１の感湿膜１４ａに空気中の水分子を取り込むための開口１７ａを有する。上部電極１５の上面と側面が保護膜１７に覆われているので、開口１７ａからの漏れ電界自体を抑制することができる。また、上部電極１５の上部に第２の感湿膜１４ｂが形成されているので、上部電極１５への水滴の付着を防止することができる。図５の構成でも、漏れ電界への水滴の接触を防止することができる。
【００３０】
図６Ａ及び図６Ｂは、上部電極１５のパターンの例を示す。図６Ａの上部電極１５Ａのパターンは、下部電極１３上の第１の感湿膜１４ａ上に形成される格子状のパターンであり、開口１６Ａを有する。図６Ｂの上部電極１５Ｂのパターンは、第１の感湿膜１４ａ上に形成されたラダー状のパターンであり、一方向に延びる開口１６Ｂを有する。図６Ａ及び図６Ｂでは便宜上、第２の感湿膜１４ｂは省略されているが、いずれのパターンでも上部電極１５Ａ、１５Ｂ上に第２の感湿膜１４ｂが配置されるので、開口１６Ａ、１６Ｂ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１６Ａ、１６Ｂから第１の感湿膜１４ａへ最短パスで空気中の水分子を取り込むことができる。
【００３１】
図７Ａ及び図７Ｂは、上部電極１５のパターンの別の例を示す。図７Ａの上部電極１５Ｃのパターンは、下部電極１３上の第１の感湿膜１４ａ上に形成される格子状に配列されたパターンであり、円形状の開口１６Ｃを有する。また、円形状の開口１６Ｃに代えて、例えば五角形以上の多角形としてもよい。円形又は五角形以上の多角形にすることにより、プロセスのばらつきを抑制し、歩留まりを向上させて製造コストを低減できる。プロセスのばらつきとしては、例えば薬液を使用するウエットプロセスを用いて上部電極１５に開口１６を形成する場合に、薬液の回り込み等によって生じ得る設計寸法からのずれが挙げられる。図７Ｂの上部電極１５Ｄのパターンは、第１の感湿膜１４ａ上に形成されたラダー状のパターンであり、一方向に延び、角部がＲ面取りされた開口１６Ｄを有する。角部がＲ面取りされていることにより、プロセスのばらつきを抑制し、歩留まりを向上させて製造コストを低減できる。プロセスのばらつきとしては、例えば薬液を使用するウエットプロセスを用いて上部電極１５に開口１６を形成する場合に、薬液の回り込み等によって生じ得る設計寸法からのずれが挙げられる。なお、図７Ａ及び図７Ｂでは便宜上、第２の感湿膜１４ｂは省略されているが、いずれのパターンでも上部電極１５Ｃ、１５Ｄ上に第２の感湿膜１４ｂが配置されるので、開口１６Ｃ、１６Ｄ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１６Ｃ、１６Ｄから第１の感湿膜１４ａへ最短パスで空気中の水分子を取り込むことができる。
【００３２】
図８は、上部電極１５のパターンの更に別の例を示す。図８の上部電極１５Ｅのパターンは、下部電極１３上の第１の感湿膜１４ａ上に形成される千鳥状に配列されたパターンであり、開口１６Ｅを有する。上部電極１５Ｅのパターンが千鳥状に配列されたパターンであることにより、隣接する開口部１６Ｅ間の距離を短くできるので、第１の感湿膜１４ａ全体に水分子が到達するまでの時間が短くなり、時間的な応答性が向上する。なお、図８の例では、正三角形の各頂点に開口１６Ｅを有する６０°千鳥配置であるが、例えば４５°千鳥配置であってもよい。但し、第１の感湿膜１４ａ全体に水分子が到達するまでの時間が特に短くなるという観点から、６０°千鳥配置であることが好ましい。上部電極１５のパターンが異なる構成においても、開口１６Ｅの形状は種々の形状であってよく、例えば図８に示されるように円形であってもよく、矩形、五角形以上の多角形であってもよい。なお、図８では便宜上、第２の感湿膜１４ｂは省略されているが、いずれのパターンでも上部電極１５Ｅ上に第２の感湿膜１４ｂが配置されるので、開口１６Ｅ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１６Ｅから第１の感湿膜１４ａへ最短パスで空気中の水分子を取り込むことができる。
【００３３】
下部電極１３及び上部電極１５の形状の別の例について説明する。図９は、下部電極１３及び上部電極１５の形状の別の例を示す。前述した例では、下部電極１３及び上部電極１５の外形が矩形である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。下部電極１３及び上部電極１５の形状は、平面視における下部電極１３と上部電極１５とが重なる領域の外形が、後述するセンサ装置１００の開口部１０７の形状に対応する形状であることが好ましい。具体的には、例えばセンサ装置１００の開口部１０７が円形の場合、図９に示されるように、平面視における下部電極１３と上部電極１５とが重なる領域の外形は、開口部１０７の形状に対応して円形であることが好ましい。また、例えばセンサ装置１００の開口部１０７が楕円形、半円形、多角形である場合、平面視における下部電極１３と上部電極１５とが重なる領域の外形は、開口部１０７の形状に対応してそれぞれ楕円形、半円形、多角形であることが好ましい。実パッケージの設計にあたっては、実装装置や接着樹脂によるチップ実装ずれが発生し得る。また、パッケージ形成方法によっては金型とのずれ等が発生し得る。そのため、クリアランスやマージンが設けられる。この際、下部電極１３Ｆと上部電極１５Ｆとが重なる領域の外形がセンサ装置１００の開口部１０７の形状に近いほど、下部電極１３Ｆと上部電極１５Ｆとが重なる領域の外形（重なり領域の外形という）と開口部１０７との間に設けるクリアランスやマージンを、開口部１０７の全周にわたってほぼ同一な距離を設定すればよく、開口部１０７と重なり領域の外形が異なるような場合に比べ、設計が容易である。下部電極１３及び上部電極１５の形状が異なる構成においても、開口１６Ｆの形状は種々の形状であってもよく、例えば図９に示されるように円形であってもよく、矩形、五角形以上の多角形であってもよい。また、図９では便宜上、第２の感湿膜１４ｂは省略されているが、いずれのパターンでも上部電極１５Ｆ上に第２の感湿膜１４ｂが配置されるので、開口１６Ｆ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１６Ｆから第１の感湿膜１４ａＦへ最短パスで空気中の水分子を取り込むことができる。
【００３４】
上部電極１５の開口パターンによって、湿度センサ１０Ａ、１０Ｂの測定精度が変わり得る。また、第２の感湿膜１４ｂの厚さも最適化できるはずである。そこで、上部電極１５のライン・アンド・スペースと第２の感湿膜１４ｂの厚さを種々に変化させて、センサの応答特性をシミュレーションする。
【００３５】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、第１実施形態の湿度センサの効果確認のために、実施例の湿度センサ２０の構成を比較例とともに示す図であり、図１０Ａは実施例の湿度センサ２０の構成を示し、図１０Ｂは比較例の湿度センサの構成を示す。図１０Ａの湿度センサ２０の基本構成は、保護膜１７を用いていないことを除いて、図３の湿度センサ１０Ａ及び図５の湿度センサ１０Ｂの構成と同じである。この例では、絶縁膜１２の厚さを１μｍ、第１の感湿膜１４ａの厚さを１μｍとしている。第２の感湿膜１４ｂの厚さを、１μｍ、３μｍ、５μｍと変化させる。図１０Ｂの比較例の構成は、第２の感湿膜１４ｂを用いていない点を除いて、図１０Ａの湿度センサ２０と同じである。
【００３６】
図１１Ａ及び図１１Ｂは、上部電極パターンのシミュレーションモデルを説明する図である。図１０Ａと図１０Ｂのそれぞれで、下部電極１３の外形は１００×１００μｍのベタ膜である。上部電極１５の外形は１００×１００μｍであり、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）を、１／１、２／２、５／５、１０／１０（単位はいずれもμｍ）と変化させる。電極領域と開口１６の面積の比が設計上３：１（実寸法上は製造ばらつきを含め略３：１）を維持するように、開口１６の総数を設定する。図１１Ａは、Ｌ／Ｓを２μｍ／２μｍに設定した例、図１１Ｂは、Ｌ／Ｓを１０μｍ／１０μｍに設定した例を示す。
【００３７】
上部電極以外の構成要素のパラメータは図１０Ａ及び図１０Ｂで説明した条件を用いる。シミュレーションにおける物質の比誘電率は以下のとおりである。
【００３８】
空気  １
水  ８０
絶縁膜１２  ３．３
第１の感湿膜１４ａ（乾燥時すなわち０％Ｒｈ想定時）  ３．０
第１の感湿膜１４ａ（多湿時すなわち１００％Ｒｈ想定時）  ３．３
図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃは、比較例のセンサ構成における水付着の影響を説明する図である。図１２Ａに示すように、第２の感湿膜１４ｂを有しない比較例のセンサ上に水２９を付着させて、第１の感湿膜１４ａの乾燥時（湿度０％Ｒｈ）及び多湿時（湿度１００％Ｒｈ）の状態と比較する。
【００３９】
図１２Ｂは、比較例の構成で、Ｌ／Ｓ［μｍ／μｍ］を１／１、２／２、５／５、１０／１０と変化させたときの静電容量［ｐＦ］のシミュレーション結果を示す。図中、菱形マークでプロットされたラインＬは、第１の感湿膜１４ａの乾燥時（湿度０％Ｒｈ、比誘電率３．０）の静電容量の変化を表わす。四角マークでプロットされたラインＭは、第１の感湿膜１４ａの多湿時（湿度１００％Ｒｈ、比誘電率３．３）の静電容量の変化を表わす。三角マークでプロットされたラインＮは、図１２Ａのようにセンサ上に水が付着した状態（多湿状態＋水付着）での静電容量の変化を示す。
【００４０】
ラインＬとラインＭの、Ｌ／Ｓの変化に応じた静電容量のプロファイルはほぼ平行である。乾燥時（０％Ｒｈ）と多湿時（１００％Ｒｈ）の静電容量の差が、センサの計測可能な範囲（フルスケール）であり、図１２Ｃに示すように、静電容量値と相対湿度を、０％Ｒｈと１００％Ｒｈの間でリニアな関係に近似することができる。
【００４１】
これに対し、センサ上に水が付着した状態では、Ｌ／Ｓの変化にかかわらず、異常に高い静電容量値を示す。近似式を用いて換算すると、図１２Ｃのように異常に高い相対湿度に換算され、誤った測定値が出力される。
【００４２】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、実施例のセンサ構成における水付着の影響の防止効果を示す図である。図１３Ａに示すように、第２の感湿膜１４ｂが形成されたセンサ上に水２９を付着させて、図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃと同様に、第１の感湿膜１４ａの乾燥時（湿度０％Ｒｈ）及び多湿時（湿度１００％Ｒｈ）の状態と比較する。
【００４３】
図１３Ｂは、実施例の構成で、Ｌ／Ｓ［μｍ／μｍ］を１／１、２／２、５／５、１０／１０と変化させたときの静電容量［ｐＦ］のシミュレーション結果を示す。図中、菱形マークでプロットされたラインＯは、第１の感湿膜１４ａの乾燥時（湿度０％Ｒｈ、比誘電率３．０）の静電容量の変化を表わす。四角マークでプロットされたラインＰは、第１の感湿膜１４ａの多湿時（湿度１００％Ｒｈ、比誘電率３．３）の静電容量の変化を表わす。三角マークでプロットされたラインＱは、図１３Ａのようにセンサ上に水が付着した状態（多湿状態＋水付着）での静電容量の変化を示す。
【００４４】
図１３Ｂにおいて、ラインＯ、ラインＰ、及びラインＱの、Ｌ／Ｓの変化に応じた静電容量のプロファイルはほぼ平行である。図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃと大きく異なり、センサ上に水が付着しても、静電容量が異常に高い値を示すことはなく、水が付着していない状態と同じプロファイルで静電容量が変化する。したがって、換算値が１００％Ｒｈを超えた場合は所定値を差し引く補正を行うことで、ほぼ正確な湿度測定値を得ることができる。
【００４５】
図１４は、実施例のセンサ構成の測定精度向上の効果を示す図である。ここで、ＦＳは大きい程、測定精度がよい。種々のＬ／Ｓについて、第２の感湿膜１４ｂが無い状態と、第２の感湿膜１４ｂの厚さを１μｍ、３μｍ、５μｍと変えた場合の測定精度を示す。縦軸の測定精度は、第２の感湿膜１４ｂなしで上部電極１５のＬ／Ｓ［μｍ／μｍ］が１０／１０のときのフルスケール（ＦＳ）を１としたときの上昇率で表される。図中、菱形マークでプロットされたラインＳは、Ｌ／Ｓが１μｍ／１μｍのときのＦＳ上昇率、四角マークでプロットされたラインＴは、Ｌ／Ｓが２μｍ／２μｍのときのＦＳ上昇率、三角マークでプロットされたラインＵはＬ／Ｓが５μｍ／５μｍのときのＦＳ上昇率、クロスマークでプロットされたラインＶは、Ｌ／Ｓが１０μｍ／１０μｍのときのＦＳ上昇率を表わす。
【００４６】
第２の感湿膜１４ｂが無い状態でも、上部電極のＬ／Ｓを最適化することで、測定精度をある程度向上できる。特に、Ｌ／Ｓを５μｍ／５μｍ以下とすることで、精度向上の効果が期待できる。しかし、第２の感湿膜１４ｂを設けない状態だと、図１２Ａ、図１２Ｂ及び図１２Ｃに示したように水滴の付着により異常値が出力されるおそれがある。
【００４７】
第２の感湿膜１４ｂを配置することで、ＦＳは大幅に向上し、かつ異常な出力を防止して安定的に測定結果を出力することができる。Ｌ／Ｓ［μｍ／μｍ］が１／１〜１０／１０の範囲で、測定精度を上げることができる。この例で、Ｌ／Ｓが１／１は、開口１６の一辺の長さが、上部電極１５の一辺の長さの１／１００の構成に対応する。Ｌ／Ｓが１０／１０は、開口１６の一辺の長さが、上部電極１５の一辺の長さの１／１０の構成に対応する。また、Ｌ／Ｓが１０／１０は、１つの開口１６の面積が、上部電極１５の開口１６を含む面積の１．０×１０−２（１０μｍ×１０μｍ／１００μｍ×１００μｍ）の構成に対応する。
【００４８】
これらのシミュレーション結果から、上部電極１５上に第２の感湿膜１４ｂを配置し、上部電極１５のパターンを最適化することで、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わかる。また、図６Ｂのようなラダー状の上部電極１５Ｂを形成した場合も、開口１６Ｂの長手方向と直交する方向の幅を上部電極１５Ｂの同じ方向での一辺の長さの１／１００〜１／１０に設定することで、同様の効果が得られると推測される。
【００４９】
次に、格子状のパターンを有する上部電極１５を備えた湿度センサを作製し、第１実施形態の湿度センサの効果を確認する実験を行った。作成した湿度センサの構成は、以下のとおりである。
【００５０】
下部電極１３の外形  ７００μｍ×４９０μｍ
上部電極１５の外形  ７００μｍ×４９０μｍ
格子状の電極パターンを定義するＬ／Ｓ  ２μｍ／２μｍ
第１の感湿膜１４ａ  厚さ１μｍのポリイミド
第２の感湿膜１４ｂ  厚さ２μｍのポリイミド
図１５は、実施例の湿度センサにおける静電容量値と湿度との関係を説明するための図である。図中、横軸は静電容量値［ｐＦ］、縦軸は湿度［％Ｒｈ］を示す。また、図中、菱形マークは湿度コントロール下での静電容量値と湿度との関係を示し、三角マークはセンサ上に水が付着した状態（多湿状態＋水付着）での静電容量値と湿度との関係を示す。
【００５１】
図１５に示されるように、実施例の湿度センサでは、センサ上に水が付着した状態において、近似式を用いて換算される相対湿度が、多湿時の相対湿度に近い値である１５０％Ｒｈ程度となっていることが分かる。この相対湿度（１５０％Ｒｈ）は、前述の図１２Ｃに示された比較例のセンサ上に水が付着した状態において、近似式を用いて換算される相対湿度（６９０％Ｒｈ程度）よりも非常に小さい値である。このように実施例の湿度センサでは、比較例の湿度センサよりも水付着の影響を大幅に低減することができる。
【００５２】
また、この実験結果から、上部電極１５の開口１６を含む面積を７００μｍ×４９０μｍ（３．４３×１０５μｍ２）、Ｌ／Ｓを２μｍ／２μｍとすることで、水付着の影響を大幅に低減することができることがわかる。このとき、１つの開口１６の面積は、上部電極１５の開口１６を含む面積の２．９２×１０−６（２μｍ×２μｍ／７００μｍ×４９０μｍ）である。また、このときの開口１６の一辺の長さは、上部電極１５の長辺の長さの１／３５０である。
【００５３】
以上に説明したように、シミュレーション結果及び実験結果から、１つの開口１６の面積が、上部電極１５の開口１６を含む面積の２．９２×１０−６〜１．０×１０−２の範囲で、測定精度を特に上げることができる。
【００５４】
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、センサ表面に、水滴が侵入しにくく、かつ付着した水滴を除去しやすい形状の撥水パターンを設けることで、任意のセンサ素子を水滴から保護する。
【００５５】
図１６Ａ及び図１６Ｂは、第２実施形態のセンサ素子３０の構成例を示す。図１６Ａは概略断面図、図１６Ｂは上面図である。センサ素子３０は、基板２１上に絶縁膜２２を介して、下部電極２３、下部電極２３上の検知膜２４、検知膜２４上の上部電極２５、カバー膜２７、及び撥水膜３１がこの順に積層された積層構造体を有する。
【００５６】
絶縁膜２２は、基板２１としてシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板が用いられる場合に、基板２１と下部電極２３の間に挿入される。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）等の絶縁性基板が用いられる場合は、絶縁膜２２を省略してもよい。下部電極２３は良導性の金属で形成され、一例として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｔａ、これらの合金などを用いることができる。
【００５７】
検知膜２４は、センサ素子３０の検知対象によって異なる材料が用いられる。湿度センサの場合は、たとえばポリイミド、セルロース、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）などの高分子の感湿膜が用いられる。温度センサの場合は、熱膨張セラミクスや感温塗料などの感温膜が用いられる。ガスセンサの場合は、たとえば酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを主成分とする多孔質の金属酸化物や、ハロゲン化合物などの感ガス材料膜が用いられる。
【００５８】
上部電極２５は所定のパターンを有し、検知膜２４の一部を露出する開口部２６を有する。カバー膜２７は必須ではないが、上部電極２５や検知膜２４を保護する観点から、センサ素子３０の積層体を覆って配置されてもよい。センサ素子３０が湿度センサである場合は、カバー膜２７として、たとえば水滴を通さず空気中の水分子だけを通す透湿膜を用いてもよい。透湿膜の材料は感湿膜と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。上部電極２５と下部電極２３は、図示しない引き出し線（リード）によって、容量計、電流計等の計測器に接続されている。
【００５９】
撥水膜３１は、センサ素子３０の表面で一定の方向を向くパターンにパターニングされている。撥水膜３１自体は、たとえば５０ｎｍ〜２００ｎｍピッチの凹凸構造を有するベーマイト層にＣＦ3（トリフルオロメチル）基などの撥水性の基が結合した構造を有する。尚、本実施形態においては、撥水膜３１は、約１００ｎｍピッチの凹凸構造とした。ベーマイトは、ＡｌＯＯＨの組成で示されるアルミナ水和物である。ベーマイト層に替えて、５０ｎｍ〜２００ｎｍピッチの凹凸構造を有するＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＳｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＬａＦ３、ＳｉＯＮ等の酸化物、窒化物、及び酸窒化物を用いてもよい。あるいは撥水膜３１として、フッ素化合物膜やシリコーン化合物など、撥水性の高い膜を用いてもよい。図１６Ｂでは、テーパ状の撥水膜３１は、下層の上部電極２５の端部の位置まで延びているが、上部電極２５の端部位置をさらに超えて、センサ素子３０のエッジ近傍まで延びていてもよい。
【００６０】
図１７は、撥水膜３１の断面模式図である。ベーマイト等の基材層に突起３２と窪み３３を形成することで、基材層の表面積を増大させ、表面に結合したＣＦ3基３４による撥水効果を高める。撥水膜３１の厚さ（ｔ）は、１０〜２００ｎｍである。厚さが１０ｎｍ未満になると、耐久性が不十分になるおそれがある。また、材料によっては所望の撥水性を得るための凹凸の形成が困難になる。厚さが２００ｎｍを超えると、最表面には凸凹構造は形成されるが、パターン作製のプロセスが困難になる。ピッチが５０ｎｍ〜２００ｎｍの凹凸は、膜厚１０ｎｍ〜２００ｎｍのアルミニウム薄膜を８０〜１００℃の温水中に１５〜６０分浸漬させることにより形成される。温水中に浸漬することで、アルミニウム表面の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が水と化学的に反応してベーマイト層を形成するとともに熱水に溶解し、数十ｎｍの微細構造が形成される。このような凹凸構造により、撥水膜３１は水との接触角が１２０°以上の撥水性を示し、さらに好ましくは１３０°以上の接触角を有する。
【００６１】
第２実施形態の特徴として、撥水膜３１は、水を弾き、付着した水滴を除去しやすく、かつ検知対象となる成分を下層の検知膜２に滞りなく通すことのできるパターンにパターニングされている。具体的には、撥水膜３１は、下地層（たとえばカバー膜２７）を部分的に覆って、所定の方向性を持ったパターンにパターニングされている。パターニングにおいて、たとえばフォトリソグラフィ法による露光と現像で、所望の形状のパターンを形成することができる。方向性を有するパターンとすることで、水滴を凝集させながら一定の方向に移動させて大きくなった水滴を外部に排出することが容易になる。更には、固形物質との接触面積が小さい為に付着力を弱めることができ、固形物質の自発的な離脱が容易になる。
【００６２】
図１６Ｂの例では、撥水膜３１は一方向に延びてテーパ状に先細りしたパターンを有する。パターンの表面とテーパ形状を形成するエッジで水滴を弾き、テーパの中心軸が延びる方向に水滴を集めながら移動させて外部へ排出する。他方、空気中に含まれる検知対象の成分（特定のガス成分や水分子など）は、テーパとテーパの間からカバー膜２７と上部電極２５の開口部を通って、検知膜２４に吸着する。この構成により、水滴の影響を抑制して、センシングの精度を高く維持することができる。
【００６３】
図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ、図１８Ｄ及び図１８Ｅは、撥水膜３１の様々なパターンを示す。図１８Ａは、図１６Ｂと同様に、高さ方向に長い二等辺三角形を有するテーパ状のパターンである。図１８Ｂは、一定方向を向く三角形が多数並べられた三角模様のパターンである。図１８Ａ及び図１８Ｂのように、撥水膜一定方向を向く（異方性のある）パターンは、表面に付着した水滴を一定の方向に移動させやすい。
【００６４】
図１８Ｃは、ストライプパターンである。このパターンは、ストライプの撥水膜３１の表面及びエッジで水滴を弾いて、ストライプが延びる方向に沿って水滴を集めて移動させることができる。図１８Ｄは多角形または蜂の巣（ハニカム）状のパターンである。図１８Ｅは、ジグザグパターンである。図１８Ａ〜図１８Ｅのパターンの撥水効果を調べるために、図１８Ａ〜図１８Ｅに対応する撥水パターンを有するサンプルを作製して撥水状態を観察した。
【００６５】
図１９Ａ及び図１９Ｂは、撥水パターン確認用のサンプル４０の構成と噴霧条件を示す図である。サンプル４０は、シリコン基板４１と、シリコン基板４１上の感湿膜４４と、感湿膜４４上に形成された所定パターンを有する撥水膜３１を有する。
【００６６】
作製したサンプル４０を水平面に対して９０°の角度に保持し、スプレイ４５で水滴を噴霧する。すべてのパターンにおいて、噴霧距離ｄは１００ｍｍ±５０ｍｍ、噴霧回数は５回、水滴径は１００μｍ〜１０００μｍである。評価方法として、オリンパス株式会社製のデジタルカメラＴＧ−４の顕微鏡モードでの撮像を行った。
【００６７】
図２０は、各撥水パターンの諸元を示す図であり、撥水パターンの構造と寸法の一覧を示す。パターンＡ〜パターンＥは、図１８Ａ〜図１８Ｅの形状に対応する。パターンＡとして、Ａ−１〜Ａ−４の４種類のテーパ状のパターンを形成する。Ａ−１〜Ａ−４のそれぞれは、高さ（ｈ）が８００μｍの二等辺三角形であり、撥水膜３１の各二等辺三角形の底辺のサイズａと、隣接する二等辺三角形の頂点間の距離（またはピッチ）ｂを異ならせている。
【００６８】
パターンＢとして、Ｂ−１〜Ｂ−５の５種類の三角模様のパターンを形成する。撥水膜３１の各三角形は、底辺と高さがともに"ａ"であり、Ｂ−１〜Ｂ−５で、"ａ"の値を異ならせる。各パターンで隣接する三角形の頂点間の距離（またはピッチ）ｂはａに設定されている（ａ＝ｂ）。
【００６９】
パターンＣとして、Ｃ−１〜Ｃ−４の４種類のストライプパターンを形成する。撥水膜３１のストライプの幅ａを固定（ａ＝３０μｍ）とし、ストライプ間の間隔ｂを異ならせる。パターンＤとしてＤ−１〜Ｄ−４の正六角形のパターンを形成する。撥水膜３１の正六角形の一辺の長さａと、隣接する正六角形との間の距離ｂをそれぞれ異ならせる。パターンＥとして、ジグザグパターンを１種類形成する。ジグザグの振れ幅ａを８４０μｍ、隣接するピーク間の間隔ｂを１２０μ、ジグザグの切れ込みｃを３４０μｍとする。
【００７０】
図２１Ａ及び図２１Ｂは、図２０のパターンＡ−１の観察結果を示す。テーパ状の撥水膜３１のパターンＡ−１の近傍には水滴５０が少なく、パターンに沿って水滴５０が弾かれている様子がわかる。具体的には、水滴５０はテーパの頂点に向かって集合しながら移動している。テーパ状の撥水パターンの頂点側に排水溝等を設けることで、付着した水滴５０を効果的に排出することができる。さらに、テーパとテーパの間に露出する感湿膜４４上には水滴の付着が少なく、空気中の水蒸気（水分子）が感湿膜４４に吸着しやすいことがわかる。
【００７１】
図２２Ａ、図２２Ｂ及び図２２Ｃは、三角模様の撥水膜３１のパターンＢ−２と、パターンＢ−５の観察結果を示す。パターンＢ−２はパターンＢ−５よりも細かい三角形が繰り返し配置されている。パターンサイズが小さいＢ−２では、パターンサイズの大きいＢ−５と比較して撥水領域の面積割合が高く、全体的に水滴５０が付着しにくい。また、隣接する撥水膜３１の間の開口から水分子が十分に透過することができる。パターンＢ−５では、隣接する三角形の撥水膜３１の間の露出領域も広く、撥水膜３１で弾かれた水滴５０が、露出する感湿膜４４上にとどまっている。実施例では底辺と高さが等しい二等辺三角形のパターンを用いているが、正三角形のパターンにしたときも同様の結果が得られると推測される。ここから、三角模様の撥水パターンを用いる場合は、正三角形の一辺または二等辺三角形の底辺及び高さを２０μｍ〜１００μｍ、より好ましくは４０μｍ〜８０μｍの範囲とすることで良好な水滴防止及び除去効果が得られる。
【００７２】
図２３Ａ及び図２３Ｂは、ストライプのパターンＣ−２の観察結果を示す。ストライプの撥水膜３１の幅が３０μｍ、ストライプ間の間隔が５０μｍである。ストライプのパターンに沿って水滴５０が弾かれているが、水滴５０のサイズが大きくなると、パターンを跨り、素子全体に水滴５０が付着するおそれがある。
【００７３】
図２４は、比較例として、撥水パターンを設けずに、感湿膜４４の全体を露出させたサンプルの観察画像を示す。感湿膜４４のみでは、水滴５０は全面にランダムに付着する。
【００７４】
図２５は、図２１〜図２４に基づく評価結果を示す。撥水膜３１のパターンＡ−１、Ｂ−２、Ｂ−５、Ｃ−２と、図２４の比較例について、デジタル顕微画像から耐水滴付着性を評価している。テーパ状のパターンＡ−１と細かい三角模様のパターンＢ−２は、水滴が付着しにくく良好な水滴防止効果と水滴除去効果を有する。粗い三角模様のパターンＢ−５とストライプのパターンＣ−２は、一部に水滴が付着するが、比較例と比べると、水滴防止効果と水滴除去効果が期待できる。
【００７５】
以上から、センサ素子の最表面に方向性を有する撥水パターンを配置することで、センサに水滴が付着しにくく、かつ付着した水滴をパターンに沿って移動させて除去しやすくなる。撥水パターンを設けることで、結露環境下でも測定精度を維持することができる。また、水滴付着性を低減することで、水垢等による汚染を防止する効果が得られ、耐久性が向上する。
【００７６】
なお、第１実施形態の湿度センサ１０及び／又は２０に、第２実施形態の撥水パターンを組み合わせてもよい。この場合は、湿度センサに対する水滴の影響をさらに抑制することができる。
【００７７】
＜第３実施形態＞
第３実施形態では、前述した湿度センサを含むセンサ装置の一例について説明する。本実施形態に係る湿度センサを含むセンサ装置は、湿度を検出したい種々の場所に設置して使用することができるが、例えばビニールハウス等の農業用等、結露が生じやすい場所や水滴が付着しやすい場所に設置して使用する場合に特に好適である。
【００７８】
図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃは、センサ装置の一例を説明するための図である。図２６は、センサ装置の斜視図である。図２７Ａは図２６のセンサ装置の上面を示し、図２７Ｂは図２７Ａにおける一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示し、図２７Ｃは図２７Ａにおける一点鎖線Ｃ−Ｃにおいて切断した断面を示している。
【００７９】
図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されるように、センサ装置１００は、基板１０１と、湿度センサ１０２と、樹脂１０３とを有する。
【００８０】
基板１０１は、湿度センサ１０２を搭載するものであり、例えばＰＣＢ（Printed Circuit Board）である。基板１０１には、１つの湿度センサ１０２が搭載されていてもよく、複数の湿度センサ１０２が搭載されていてもよい。もしくは、これらを複数個同時に内蔵する構成としても良い。また、基板１０１には湿度センサ１０２に加えて、例えば温度を検出する素子等の他の種類の検出素子、加熱用のヒータ、集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）基板が搭載されていてもよい。なお、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃでは、基板１０１の上に１つの湿度センサ１０２が搭載されている場合を示している。基板１０１の厚さは、例えば２００μｍとすることができる。
【００８１】
湿度センサ１０２は、基板１０１の上に搭載されており、シリコン基板１０４と、感湿部１０５とを含む。シリコン基板１０４の厚さは、例えば３００μｍとすることができる。感湿部１０５は、例えば湿度に応じて誘電率が変化する感湿膜が上部電極と下部電極とによって挟まれることにより形成されている。上部電極及び下部電極は、金ワイヤ１０６を用いたワイヤボンディングによって、それぞれ基板１０１に形成された電極と電気的に接続されている。また、上部電極及び下部電極は、例えばＴＡＢ（Tape Automated Bonding）やＦＣＢ（Flip Chip Bonding）によって、それぞれ基板１０１に形成された電極と電気的に接続されていてもよい。なお、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃでは、感湿部１０５は、上面から見たときの形状が正方形であり、感湿部１０５を構成する感湿膜、上部電極及び下部電極並びに基板１０１に形成された電極の図示を省略している。
【００８２】
樹脂１０３は、湿度センサ１０２を覆うように形成されている。より具体的には、樹脂１０３は、基板１０１の上面、湿度センサ１０２の側面及び上面の一部を覆うように形成されている。樹脂１０３は、開口部１０７と、溝部１０８とを有する。樹脂１０３には、フィラーを一定濃度含んでも良い。
【００８３】
開口部１０７は、湿度センサ１０２の感湿部１０５を露出させる部位である。開口部１０７では、感湿部１０５の上面が露出しているので、開口部１０７において感湿膜が水分を吸脱着することにより、感湿膜の誘電率が変化する。そして、感湿膜の誘電率の変化、即ち、上部電極と下部電極との間の静電容量の変化を測定することで、センサ装置１００が取り付けられた場所における湿度を検出することができる。開口部１０７は、上面から見たときの形状が正方形である。開口部１０７の深さは、例えば５０μｍとすることができる。
【００８４】
溝部１０８は、開口部１０７と連通し樹脂１０３の外側面まで延在する部位である。溝部１０８の底面の高さは、湿度センサ１０２の感湿部１０５の上面の高さ以下である。これにより、露出した湿度センサ１０２の感湿部１０５の上面に水滴が溜まった場合であっても、感湿部１０５の上面に付着した水滴は開口部１０７から溝部１０８を介して樹脂１０３の外側面の方向へ排出される。このため、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。溝部１０８は、上面から見たときの形状が長方形である。溝部１０８の深さは、例えば５０μｍとすることができる。尚、図２６に示すように開口部１０７及び溝部１０８は、垂直な側壁で囲われるように形成されているが、側壁を緩やかな傾斜面とすることで水滴の排出がより容易となり好ましい。
【００８５】
また、溝部１０８の底面は、湿度センサ１０２の感湿部１０５の上面よりも親水性が高いことが好ましい。これにより、溝部１０８の底面の親水性と感湿部１０５の上面の親水性とが同じである場合よりも、感湿部１０５の上面に付着した水滴が溝部１０８に移動しやすくなるので、感湿部１０５の上面に付着した水滴が樹脂１０３の外側面の方向へ排出されやすくなる。
【００８６】
（変形例１）
変形例１に係るセンサ装置について説明する。図２８Ａ及び図２８Ｂは、変形例１に係るセンサ装置を説明するための図である。図２８Ａはセンサ装置の上面を示し、図２８Ｂは図２８Ａにおける一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
【００８７】
図２８Ａ及び図２８Ｂに示されるように、変形例１に係るセンサ装置１１０においては、樹脂の上面に４つの溝部１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、１１８Ｄが形成されている。
【００８８】
４つの溝部１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、１１８Ｄは、それぞれ上面から見たときの形状が矩形であり、開口部１０７から樹脂１０３の各辺まで延在するように形成されている。また、溝部１１８Ａと溝部１１８Ｃとは開口部１０７を挟んで対向する位置に形成されており、溝部１１８Ｂと溝部１１８Ｄとは開口部１０７を挟んで対向する位置に形成されている。これにより、センサ装置１１０が設置される向きによらず、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。
【００８９】
なお、その他の構成要素は、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。
【００９０】
（変形例２）
変形例２に係るセンサ装置について説明する。図２９Ａ、図２９Ｂ、図２９Ｃ及び図２９Ｄは、変形例２に係るセンサ装置を説明するための図である。図２９Ａはセンサ装置の上面を示し、図２９Ｂ、図２９Ｃ及び図２９Ｄは、それぞれ図２９Ａにおける一点鎖線Ｂ−Ｂ、一点鎖線Ｃ−Ｃ及び一点鎖線Ｄ−Ｄにおいて切断した断面を示している。
【００９１】
図２９Ａ、図２９Ｂ、図２９Ｃ及び図２９Ｄに示されるように、変形例２に係るセンサ装置１２０においては、樹脂１０３の上面に８つの溝部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄ、１２８Ｅ、１２８Ｆ、１２８Ｇ、１２８Ｈが形成されている。
【００９２】
８つの溝部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄ、１２８Ｅ、１２８Ｆ、１２８Ｇ、１２８Ｈは、それぞれ上面から見たときの形状が矩形であり、開口部１０７から樹脂１０３の各辺まで延在するように形成されている。また、溝部１２８Ａと溝部１２８Ｆ、溝部１２８Ｂと溝部１２８Ｅ、溝部１２８Ｃと溝部１２８Ｈ、及び溝部１２８Ｄと溝部１２８Ｇとは、それぞれ開口部１０７を挟んで対向する位置に形成されている。これにより、センサ装置１２０が設置される向きによらず、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。
【００９３】
また、８つの溝部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄ、１２８Ｅ、１２８Ｆ、１２８Ｇ、１２８Ｈの各々の幅は、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されたセンサ装置１００の溝部１０８の幅よりも狭くなっている。これにより、感湿部１０５の上面に付着した小さい水滴を容易に排出することができる。
【００９４】
なお、その他の構成要素は、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。
【００９５】
（変形例３）
変形例３に係るセンサ装置について説明する。図３０Ａ及び図３０Ｂは、変形例３に係るセンサ装置を説明するための図である。図３０Ａはセンサ装置の上面を示し、図３０Ｂは、図３０Ａにおける一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
【００９６】
図３０Ａ及び図３０Ｂに示されるように、変形例３に係るセンサ装置１３０においては、開口部１０７の側から樹脂１０３の外側面に向かって溝部１３８の底面の高さが低くなるように傾斜している。これにより、感湿部１０５の上面に付着した水滴が溝部１３８の底面を勢いよく移動するので、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。
【００９７】
なお、その他の構成要素は、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。
【００９８】
（変形例４）
変形例４に係るセンサ装置について説明する。図３１Ａ及び図３１Ｂは、変形例４に係るセンサ装置を説明するための図である。図３１Ａはセンサ装置の上面を示し、図３１Ｂは図３１Ａにおける一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
【００９９】
図３１Ａ及び図３１Ｂに示されるように、変形例４に係るセンサ装置１４０においては、開口部１０７の側から樹脂１０３の外側面に向かって溝部１４８の底面の高さが低くなるように２段階に傾斜している。即ち、溝部１４８は、開口部１０７と連通する第１の溝部１４８Ａと、第１の溝部１４８Ａと連通し樹脂１０３の外側面まで延在する第２の溝部１４８Ｂとを含む。第１の溝部１４８Ａは、第１の傾きを有する。第２の溝部１４８Ｂは、第１の傾きよりも大きい第２の傾きを有する。これにより、感湿部１０５の上面に付着した水滴が変形例３の場合よりも溝部１４８の底面を勢いよく移動するので、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。
【０１００】
なお、その他の構成要素は、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０１】
（変形例５）
変形例５に係るセンサ装置について説明する。図３２Ａ及び図３２Ｂは、変形例５に係るセンサ装置を説明するための図である。図３２Ａはセンサ装置の上面を示し、図３２Ｂは図３２Ａにおける一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
【０１０２】
図３２Ａに示されるように、変形例５に係るセンサ装置１５０においては、上面から見たときの開口部１５７の形状が長方形である。
【０１０３】
この場合、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示された上面から見たときの形状が正方形である開口部１０７を有するセンサ装置１５０と同様に、感湿部１０５の上面に付着した水滴は開口部１５７から溝部１０８を介して樹脂１０３の外側面の方向へ排出される。このため、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。
【０１０４】
なお、その他の構成要素は、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０５】
（変形例６）
変形例６に係るセンサ装置について説明する。図３３Ａ及び図３３Ｂは、変形例６に係るセンサ装置を説明するための図である。図３３Ａはセンサ装置の上面を示し、図３３Ｂは図３３Ａにおける一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
【０１０６】
図３３Ａに示されるように、変形例６に係るセンサ装置１６０においては、上面から見たときの開口部１６７の形状が円形である。
【０１０７】
この場合、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示された上面から見たときの形状が正方形である開口部１０７を有するセンサ装置１００と同様に、感湿部１０５の上面に付着した水滴は開口部１６７から溝部１０８を介して樹脂１０３の外側面の方向へ排出される。このため、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。
【０１０８】
なお、その他の構成要素は、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０９】
（変形例７）
変形例７に係るセンサ装置について説明する。図３４Ａ及び図３４Ｂは、変形例７に係るセンサ装置を説明するための図である。図３４Ａはセンサ装置の上面を示し、図３４Ｂは図３４Ａにおける一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
【０１１０】
図３４Ａに示されるように、変形例７に係るセンサ装置１７０においては、上面から見たときの開口部１７７の形状が楕円形である。
【０１１１】
この場合、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示された上面から見たときの形状が正方形である開口部１０７を有するセンサ装置１００と同様に、感湿部１０５の上面に付着した水滴は開口部１７７から溝部１０８を介して樹脂１０３の外側面の方向へ排出される。このため、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。
【０１１２】
なお、その他の構成要素は、図２６、図２７Ａ、図２７Ｂ及び図２７Ｃに示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。
【０１１３】
（センサ装置の製造方法）
次に、湿度センサを含むセンサ装置の製造方法について、変形例３に係るセンサ装置１３０を製造する場合を例に挙げて説明する。
【０１１４】
まず、基板１０１の上に搭載された湿度センサ１０２の上面に、ポリイミド製テープ等の表面保護材を貼り付ける。このとき、湿度センサ１０２の感湿部１０５を覆うように表面保護材を貼り付ける。表面保護材を貼り付ける位置及び形状は、開口部１０７を形成する位置及び形状に応じて定めることができる。例えば、基板１０１の中央部分に正方形の開口部１０７を形成する場合、基板１０１の中央部分に正方形の表面保護材を貼り付ければよい。表面保護材の厚さは、形成する開口部１０７の深さを定めるものであり、例えば５０μｍとすることができる。
【０１１５】
続いて、基板１０１の上面、湿度センサ１０２の側面、湿度センサ１０２の上面及び表面保護材の上面を覆うように、樹脂１０３を用いてモールド成形を行うことにより、上面から見たときの形状が正方形であるセンサ装置１３０が形成される。
【０１１６】
続いて、研磨装置を用いて、成形された樹脂１０３の上面側から表面保護材が露出するまで樹脂１０３を研磨し、露出した表面保護材を剥がすことにより、樹脂１０３の上面に開口部１０７が形成される。
【０１１７】
続いて、樹脂１０３の上面側の一辺を面取り加工することにより、面取り形状が直線状であるＣ面取り形状の溝部１３８を形成する。
【０１１８】
以上の方法により、変形例３に係るセンサ装置１３０を製造することができる。なお、センサ装置の製造方法は、これに限定されるものではなく、種々の方法を使用することができる。例えば、開口部及び溝部を形成する位置に凸部を有する金型に、湿度センサが搭載された基板を入れて樹脂を充填することによって、センサ装置を製造することができる。
【０１１９】
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。
【０１２０】
上記の実施形態では、上面から見たときの感湿部１０５の形状が正方形である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば長方形、円形、楕円形であってもよい。
【０１２１】
本願は、日本国特許庁に２０１６年９月３０日に出願された基礎出願２０１６−１９５０３６号、及び日本国特許庁に２０１７年３月１７日に出願された基礎出願２０１７−０５２７６８号の優先権を主張するものであり、その全内容を参照によりここに援用する。
【符号の説明】
【０１２２】
１０Ａ、１０Ｂ、２０  湿度センサ
１１、２１  基板
１３、２３  下部電極
１４ａ  第１の感湿膜
１４ｂ  第２の感湿膜
１５、２５  上部電極
１６  開口
１７  保護膜
２４  検知膜
３０  センサ素子
３１  撥水膜
４４  感湿膜
１００  センサ装置
１０１  基板
１０２  湿度センサ
１０３  樹脂
１０４  シリコン基板
１０５  感湿部
１０６  金ワイヤ
１０７  開口部
１０８  溝部
【図１】
2020190567.tif 000003
【図２】
2020190567.tif 000004
【図３】
2020190567.tif 000005
【図４】
2020190567.tif 000006
【図５】
2020190567.tif 000007
【図６Ａ】
2020190567.tif 000008
【図６Ｂ】
2020190567.tif 000009
【図７Ａ】
2020190567.tif 000010
【図７Ｂ】
2020190567.tif 000011
【図８】
2020190567.tif 000012
【図９】
2020190567.tif 000013
【図１０Ａ】
2020190567.tif 000014
【図１０Ｂ】
2020190567.tif 000015
【図１１Ａ】
2020190567.tif 000016
【図１１Ｂ】
2020190567.tif 000017
【図１２Ａ】
2020190567.tif 000018
【図１２Ｂ】
2020190567.tif 000019
【図１２Ｃ】
2020190567.tif 000020
【図１３Ａ】
2020190567.tif 000021
【図１３Ｂ】
2020190567.tif 000022
【図１４】
2020190567.tif 000023
【図１５】
2020190567.tif 000024
【図１６Ａ】
2020190567.tif 000025
【図１６Ｂ】
2020190567.tif 000026
【図１７】
2020190567.tif 000027
【図１８Ａ】
2020190567.tif 000028
【図１８Ｂ】
2020190567.tif 000029
【図１８Ｃ】
2020190567.tif 000030
【図１８Ｄ】
2020190567.tif 000031
【図１８Ｅ】
2020190567.tif 000032
【図１９Ａ】
2020190567.tif 000033
【図１９Ｂ】
2020190567.tif 000034
【図２０】
2020190567.tif 000035
【図２１Ａ】
2020190567.tif 000036
【図２１Ｂ】
2020190567.tif 000037
【図２２Ａ】
2020190567.tif 000038
【図２２Ｂ】
2020190567.tif 000039
【図２２Ｃ】
2020190567.tif 000040
【図２３Ａ】
2020190567.tif 000041
【図２３Ｂ】
2020190567.tif 000042
【図２４】
2020190567.tif 000043
【図２５】
2020190567.tif 000044
【図２６】
2020190567.tif 000045
【図２７Ａ】
2020190567.tif 000046
【図２７Ｂ】
2020190567.tif 000047
【図２７Ｃ】
2020190567.tif 000048
【図２８Ａ】
2020190567.tif 000049
【図２８Ｂ】
2020190567.tif 000050
【図２９Ａ】
2020190567.tif 000051
【図２９Ｂ】
2020190567.tif 000052
【図２９Ｃ】
2020190567.tif 000053
【図２９Ｄ】
2020190567.tif 000054
【図３０Ａ】
2020190567.tif 000055
【図３０Ｂ】
2020190567.tif 000056
【図３１Ａ】
2020190567.tif 000057
【図３１Ｂ】
2020190567.tif 000058
【図３２Ａ】
2020190567.tif 000059
【図３２Ｂ】
2020190567.tif 000060
【図３３Ａ】
2020190567.tif 000061
【図３３Ｂ】
2020190567.tif 000062
【図３４Ａ】
2020190567.tif 000063
【図３４Ｂ】
2020190567.tif 000064