(57)【要約】センサ部と基準部の容量差分のばらつきを低減可能な容量型湿度センサ及びその製造方法を得る。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静電容量が変化しない基準部を備え、センサ部と基準部の容量差分を電圧に変換して出力する容量型湿度センサにおいて、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を下部電極膜と上部電極膜で挟んだ同一の平行平板構造でセンサ部と基準部を構成し、センサ部では上部電極膜に設けた１以上の開口部を介して高分子感湿膜を露出させ、基準部では上部電極膜と該上部電極膜上に形成した非透湿保護膜の少なくとも一方で高分子感湿膜を覆う。上下電極膜と高分子感湿膜は、基準部とセンサ部で互いにミラー反転したパターン形状とする。さらに、センサ部の上部電極膜の中央部に開口部を有さない容量補正エリアを設け、該容量補正エリアの大きさによりセンサ部の初期容量値を補正する。
2010113711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部と湿度にかかわらず静電容量が変化しない基準部を同一基板上に備え、該センサ部と基準部の容量差分を電圧に変換して出力する容量型湿度センサにおいて、
前記センサ部と前記基準部は、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を下部電極膜と上部電極膜で挟んだ同一の平行平板構造を有していること、
前記センサ部では、前記上部電極膜に、前記高分子感湿膜を露出させる開口部が１以上設けられていること、及び、
前記基準部では、前記上部電極膜の上に非透湿保護膜が形成され、該上部電極膜及び非透湿保護膜の少なくとも一方により前記高分子感湿膜が覆われていること、
を特徴とする容量型湿度センサ。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記基準部の上部電極膜には、前記センサ部の上部電極膜に設けた１以上の開口部と同一の開口部が設けられ、各開口部の下に位置する高分子感湿膜は前記非透湿保護膜で覆われている容量型湿度センサ。
【請求項３】
請求の範囲第１項または第２項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記センサ部の上部電極膜は非透湿保護膜で覆われている容量型湿度センサ。
【請求項４】
請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記下部電極膜、前記高分子感湿膜及び前記上部電極膜は、前記センサ部と前記基準部でミラー反転したパターン形状をなしている容量型湿度センサ。
【請求項５】
請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記下部電極膜は、前記センサ部と前記基準部に共通に備えられ、前記高分子感湿膜及び前記上部電極膜は、前記センサ部と前記基準部に個別で備えられている容量型湿度センサ。
【請求項６】
請求の範囲第５項に記載の容量型湿度センサにおいて、一端部が電極パッドに接続し、他端部が前記センサ部と前記基準部の中間地点で前記下部電極膜に接続した下部電極配線を備えた容量型湿度センサ。
【請求項７】
請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記センサ部の上部電極膜は、該上部電極膜の中央部に、前記開口部を有さない容量補正エリアを備えている容量型湿度センサ。
【請求項８】
基板上に、同一の下部電極膜を同時に一対形成する工程と、
この一対の下部電極膜の上に、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜を同時に形成する工程と、
この一対の高分子感湿膜の上に、該高分子感湿膜を覆って前記下部電極膜と平行に対向する同一の上部電極膜を同時に形成する工程と、
この一対の上部電極膜に、前記高分子感湿膜を露出させる１以上の開口部を同時に形成する工程と、
一方の上部電極膜と該一方の上部電極膜の開口部の下に位置する高分子感湿膜を覆い、前記他方の上部電極膜と該他方の上部電極膜の開口部の下に位置する高分子感湿膜を露出させる非透湿保護膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする容量型湿度センサの製造方法。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、前記非透湿保護膜によってさらに前記他方の上部電極膜を覆う容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１０】
基板上に、同一の下部電極膜を同時に一対形成する工程と、
この一対の下部電極膜の上に、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜を同時に形成する工程と、
この一対の高分子感湿膜の上に、該高分子感湿膜を覆って前記下部電極膜と平行に対向する同一の上部電極膜を同時に形成する工程と、
この一対の上部電極膜を覆う非透湿保護膜を形成する工程と、
一方の非透湿保護膜及び上部電極膜を削って、前記高分子感湿膜を露出させる１以上の開口部を形成する工程と、
を有することを特徴とする容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１１】
基板上に、同一の下部電極膜を同時に一対形成する工程と、
この一対の下部電極膜の上に、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜を同時に形成する工程と、
この一対の高分子感湿膜の上に、該高分子感湿膜を覆って前記下部電極膜と平行に対向する同一の上部電極膜を同時に形成する工程と、
一方の上部電極膜のみに、前記高分子感湿膜を露出させる開口部を１以上形成する工程と、
前記一対の上部電極膜を覆う非透湿保護膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１２】
請求の範囲第８項ないし第１１項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、前記一対の下部電極膜、前記一対の高分子感湿膜及び前記一対の上部電極膜は、互いにミラー反転したパターン形状で形成する容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１３】
請求の範囲第８項ないし第１２項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、前記一対の下部電極膜を、互いに接続した一体の共通電極膜で形成する容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１３項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、一端部が電極パッドに接続し、他端部が前記下部電極膜の中間位置に接続した下部電極配線を設ける容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１５】
請求の範囲第８項ないし第１４項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、一方の上部電極膜の中央部に前記開口部を有さない容量補正エリアを設け、この容量補正エリアの大きさにより、特定湿度での該一方の上部電極膜、高分子感湿膜及び下部電極膜による静電容量値を補正する容量型湿度センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高分子感湿膜を誘電体とした容量型湿度センサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
湿度変化測定に用いられる湿度センサには、湿度（吸着した水分量）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センサがある。このタイプは、従来一般に、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を備え、センサ部と基準部の容量差分を電圧に変換して出力する。センサ部は、櫛歯電極の上に窒化シリコン膜と高分子材料からなる感湿膜とを形成した積層構造を有し、基準部は櫛歯電極の上に窒化シリコン膜を形成した積層構造を有する。このような容量型湿度センサは、例えば特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−５８０８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記従来構造では、センサ部と基準部において、高分子感湿膜の有無により櫛歯電極上の膜構成（膜全体としての誘電率）が異なることから、櫛歯電極の設計（対数や交差幅）が同一ではなく煩雑化している。このため、高分子感湿膜の膜厚や熱処理加工のばらつきによりセンサ部の静電容量が個体毎にばらつき、センサ部と基準部の容量差分（センサ出力）がばらついていた。また、センサ部と基準部では、高分子感湿膜の有無により静電容量の温度依存性が異なるため、容量差分の温度依存性が生じる。この容量差分のばらつきや温度依存性は、湿度センサの測定誤差であるから、可能な限りなくしたい。特許文献１では、容量差分の温度依存性によるばらつきを補正するための機構を備えているが、構成が複雑になって好ましくない。【０００５】
本発明は、以上の問題意識に基づき、センサ部と基準部の容量差分のばらつき及び温度依存性を低減できる容量型湿度センサ及びその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、センサ部と基準部に高分子感湿膜を上下電極で挟む平行平板構造を採用し、センサ部と基準部を同一の電極材料、誘電材料により同一工程で形成すれば、構造や製造工程の違いに起因していた容量差分のばらつきが抑えられ、かつ、センサ部の静電容量と基準部の静電容量が同じ温度特性を持つので容量差分の温度依存性を小さくできることに着眼して完成されたものである。【０００７】
すなわち、本発明は、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部と湿度にかかわらず静電容量が変化しない基準部を同一基板上に備え、該センサ部と基準部の容量差分を電圧に変換して出力する容量型湿度センサにおいて、センサ部と基準部は、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を下部電極膜と上部電極膜で挟んだ同一の平行平板構造を有していること、センサ部では、上部電極膜に高分子感湿膜を露出させる開口部が１以上設けられていること、及び、基準部では、上部電極膜の上に非透湿保護膜が形成され、該上部電極膜及び非透湿保護膜の少なくとも一方により高分子感湿膜が覆われていることを特徴としている。【０００８】
基準部の上部電極膜には、センサ部の上部電極膜に設けた１以上の開口部と同一の開口部が設けられていてもよい。この場合、各開口部の下に位置する高分子感湿膜は、上部電極膜の上に形成した非透湿保護膜で覆う。【０００９】
センサ部の上部電極膜は、腐食防止のために、非透湿保護膜で覆われていることが実際的である。【００１０】
下部電極膜、高分子感湿膜及び上部電極膜は、センサ部と基準部でミラー反転したパターン形状をなしていることが好ましい。この態様によれば、センサ部と基準部の対称性が良くなり、センサ部と基準部での静電容量値を同一に合わせやすくなる。【００１１】
下部電極膜は、センサ部と基準部に共通に備えることができる。一方、高分子感湿膜及び上部電極膜は、センサ部と基準部に個別で備える。この場合、一端部が電極パッドに接続し、他端部がセンサ部と基準部の中間地点で下部電極膜に接続した下部電極配線を備えることが好ましい。センサ部と基準部の中間地点で下部電極膜から配線を引き出すことで、センサ部と基準部の対称性がより良好となる。【００１２】
センサ部の上部電極膜は、その中央部に位置させて、開口部を有さない容量補正エリアを備えていることが好ましい。この容量補正エリアの大きさを変更すれば、上部電極膜と下部電極膜の対向面積を容易に変更でき、所定条件によるセンサ部の静電容量値（初期容量値）の補正が容易になる。【００１３】
また本発明は、製造方法の態様によれば、基板上に同一の下部電極膜を同時に一対形成する工程と、この一対の下部電極膜の上に、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜を同時に形成する工程と、この一対の高分子感湿膜の上に、該高分子感湿膜を全面的に覆って下部電極膜と平行に対向する同一の上部電極膜を同時に形成する工程と、この一対の上部電極膜に、高分子感湿膜を露出させる１以上の開口部を同時に形成する工程と、一方の上部電極膜と該一方の上部電極膜の開口部の下に位置する高分子感湿膜を覆い、他方の上部電極膜と該他方の上部電極膜の開口部の下に位置する高分子感湿膜を露出させる非透湿保護膜を形成する工程とを有することを特徴としている。実際的には、電極腐食を防ぐため、非透湿保護膜によってさらに他方の上部電極膜を覆うことが好ましい。【００１４】
別の態様によれば、基板上に同一の下部電極膜を同時に一対形成する工程と、この一対の下部電極膜の上に、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜を同時に形成する工程と、この一対の高分子感湿膜の上に、該高分子感湿膜を覆って下部電極膜と平行に対向する同一の上部電極膜を同時に形成する工程と、この一対の上部電極膜を覆う非透湿保護膜を形成する工程と、一方の非透湿保護膜及び上部電極膜を削って、高分子感湿膜を露出させる１以上の開口部を形成する工程とを有することを特徴としている。【００１５】
さらに別の態様によれば、基板上に、同一の下部電極膜を同時に一対形成する工程と、この一対の下部電極膜の上に、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜を同時に形成する工程と、この一対の高分子感湿膜の上に、該高分子感湿膜を覆って下部電極膜と平行に対向する同一の上部電極膜を同時に形成する工程と、一方の上部電極膜のみに、高分子感湿膜を露出させる開口部を１以上形成する工程と、一対の上部電極膜を覆う非透湿保護膜を形成する工程とを有することを特徴としている。【００１６】
上記製造方法において、一対の下部電極膜、一対の高分子感湿膜及び一対の上部電極膜は、互いにミラー反転したパターン形状で形成することが好ましい。一対の下部電極膜は、互いに接続した一体の共通電極膜で形成することができる。この場合、一端部が電極パッドに接続し、他端部が下部電極膜の中間位置に接続した下部電極配線を設けると、基準部とセンサ部の対称性が良くなる。【００１７】
一方の上部電極膜の中央部に開口部を有さない容量補正エリアを設け、この容量補正エリアの大きさにより、特定湿度での該一方の上部電極膜、高分子感湿膜及び下部電極膜による静電容量値を補正することが好ましい。この態様によれば、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部の初期容量値を容易に調整でき、さらにセンサ部と基準部の容量差分のばらつきを低減可能である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、センサ部と基準部が下部電極膜と上部電極膜の間に高分子感湿膜を介在させた同一の平行平板構造を有し、同一の電極材料及び誘電材料で同一の製造工程（ミラー反転パターン形成）により形成されるので、構造及び工程の違いによる容量ばらつきがなくなり、かつ、センサ容量と基準容量が同じ温度特性を有することになる。またセンサ部の上部電極膜に設けた容量補正エリアにより、センサ部の初期静電容量値を容易に調整できる。これにより、センサ部と基準部の容量差分のばらつき及び温度依存性を低減可能な容量型湿度センサ及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を適用した容量型湿度センサの主要構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１実施形態による容量型湿度センサのセンサ部と基準部の構造を示す断面図（図３のII−II線に沿う断面図）である。
【図３】同容量型湿度センサのセンサ部と基準部の構造を示す平面図である。
【図４】本発明による容量型湿度センサの製造工程の一工程を説明する断面図である。
【図５】図４の次工程を示す断面図である。
【図６】図５の次工程を示す断面図である。
【図７】図６の次工程を示す断面図である。
【図８】基準部の上部電極膜に開口部を設けない、本発明の第２実施形態による容量型湿度センサの断面図（図９のVIII−VIII線に沿う断面図）である。
【図９】同容量型湿度センサの平面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態による容量型湿度センサの平面図である。
【図１１】同容量型湿度センサの断面図（図１０のXI−XI線に沿う断面図）である。
【図１２】同容量型湿度センサの配線接続を説明する模式図である。
【図１３】同容量型湿度センサの配線接続の比較例を示す模式図である。
【図１４】本発明の第４実施形態による容量型湿度センサの平面図である。
【図１５】同容量型湿度センサの断面図（図１４のXV−XV線に沿う断面図）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１〜図７は、本発明の第１実施形態を示している。図１は本発明による容量型湿度センサ１００の主要構成を示すブロック図、図２は容量型湿度センサ１００の断面図（図３のII−II線に沿う断面図）、図３は容量型湿度センサ１００のセンサ部２０と基準部３０に共通の平行平板構造を示す平面図である。
【００２１】
容量型湿度センサ１００は、吸収また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誘電体とした高分子膜湿度センサである。この容量型湿度センサ１００は、表面が絶縁体で保護された例えばシリコンからなる基板１０上に、湿度によって静電容量Ｃ２０が変化するセンサ部２０と、湿度によらず一定の静電容量Ｃ３０を保持する基準部３０と、このセンサ部２０と基準部３０に電気的に接続し、該センサ部２０と基準部３０の容量差分ΔＣ（＝Ｃ２０−Ｃ３０）を電圧に変換して出力する回路部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。図中の符号１０ａはＳｉ層、１０ｂは絶縁層である。
【００２２】
センサ部２０と基準部３０は、同一の電極材料及び誘電材料（高分子感湿材料）を用いて同一のプロセスで形成された下部電極膜１１、高分子感湿膜１２及び上部電極膜１３からなる同一の平行平板構造（図２、図３）を有している。
【００２３】
下部電極膜１１は、その平面形状が矩形状をなし、基板１０上に均一の膜厚で形成されている。高分子感湿膜１２は、ポリイミドからなり、下部電極膜１１の上に均一の膜厚で積層形成されている。図３では高分子感湿膜１２にハッチングを付して示してある。上部電極膜１３は、下部電極膜１１と同様にその平面形状が矩形状をなし、高分子感湿膜１２の上に均一の膜厚で形成されている。下部電極膜１１と上部電極膜１３は、例えばＡｌ、Ｔａ、Ｔｉ、ＮｉＦｅ、Ｎｉ等の電極材料からなる。下部電極膜１１と上部電極膜１３の間隔ｄは高分子感湿膜１２の膜厚に等しく、下部電極膜１１と上部電極膜１３の間に蓄積される静電容量Ｃは、高分子感湿膜１２の誘電率ε、下部電極膜１１と上部電極膜１３の間隔ｄと対向面積Ｓで決定される（Ｃ＝εＳ／ｄ）。図示実施形態では、高分子感湿膜１２が基板１０から下部電極膜１１の一端部を覆って該下部電極膜１１上に位置し、上部電極膜１３が基板１０から高分子感湿膜１２の一端部を覆って該高分子感湿膜１２上に位置するように下部電極膜１１に対して高分子感湿膜１２と上部電極膜１３の平面位置をずらしてあるが、下部電極膜１１と高分子感湿膜１２と上部電極膜１３の平面位置を一致させて、下部電極膜１１の上にのみ高分子感湿膜１２及び上部電極膜１３を設ける構造としても、高分子感湿膜１２が下部電極膜１１を覆うように設けられる構造としてもよい。
【００２４】
上部電極膜１３には、高分子感湿膜１２を露出させる開口部αが多数設けられている。多数の開口部αは、下部電極膜１１と対向する領域に左右上下方向に所定間隔をあけて並び、平面矩形状をなしている。この開口部αの数、平面形状及び形成位置は任意である。
【００２５】
基準部３０では、雰囲気との水分授受を遮断する非透湿保護膜１４が上部電極膜１３の上に形成されており、この非透過保護膜１４によって上部電極膜１３の開口部αが覆われている。非透湿保護膜１４は、例えば窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ膜）やＳｉＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2積層膜、ＳｉＯ2／ＳｉＮ積層膜からなる。高分子感湿膜１２は、上部電極膜１３及び非透湿保護膜１４により覆われて雰囲気に曝されないので、雰囲気中の湿度（水分量）が変化しても該高分子感湿膜１２中の水分量は変化せず、誘電率εも変化しない。これにより、下部電極膜１１と上部電極膜１３の間には一定の静電容量Ｃ３０が保持される。以下の説明では、基準部３０の下部電極膜１１と上部電極膜１３の間に蓄積される静電容量を基準容量Ｃ３０ということにする。
【００２６】
一方のセンサ部２０では、非透湿保護膜１４が上部電極膜１３のみを覆っていて、上部電極膜１３に設けた多数の開口部αは非透湿保護膜１４で覆われていない。高分子感湿膜１２は、この多数の開口部αを介して雰囲気に曝されるので、雰囲気中の湿度（水分量）に応じて吸収または放出する水分量が変化し、誘電率εが変化する。この結果、下部電極膜１１と上部電極膜１３間の静電容量Ｃ２０は変化する。以下の説明では、センサ部２０の下部電極膜１１と上部電極膜１３の間に蓄積される静電容量をセンサ容量Ｃ２０ということにする。
【００２７】
回路部４０は、センサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０の差分ΔＣ（＝Ｃ２０−Ｃ３０）を電圧に変換して外部回路へ出力する。パッド４０ａを介して容量型湿度センサ１００に接続された外部回路は、該容量型湿度センサ１００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）を検知できる。
【００２８】
次に、図４〜図７を参照し、容量型湿度センサ１００の製造方法について説明する。図４〜図７は、容量型湿度センサ１００の製造工程を示す断面図である。
【００２９】
先ず、図４に示すように、基板１０のＳｉ層１０ａを覆う絶縁層１０ｂ上に、同一の下部電極膜１１を一対形成する。ここで「同一の下部電極膜１１」とは、同一の電極材料を用いて同一のプロセスで形成される、同一の平面形状、膜構成及び膜厚を有する下部電極膜１１を意味する。下部電極膜１１の電極材料には、例えばＡｌ、Ｔａ、Ｔｉ、ＮｉＦｅ、Ｎｉを用いる。本実施形態では下部電極膜１１を平面矩形状に形成するが、下部電極膜１１の平面形状は任意である。この下部電極膜１１を形成する工程では、回路部４０の配線導体とパッド４０ａを同時に形成することができる。
【００３０】
次に、図５に示すように、一対の下部電極膜１１の上にそれぞれ、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜１２を形成する。ここでの「同一の高分子感湿膜１２」とは、同一の高分子感湿材料を用いて同一のプロセスで形成される、同一の平面形状、膜構成及び膜厚を有する高分子感湿膜１２を意味する。高分子感湿膜１２は、高分子感湿材料としてのポリイミドを下部電極膜１１の上に塗布し、このポリイミドを熱処理により硬化させることで形成できる。このとき高分子感湿膜１２の膜厚は、所望する下部電極膜１１と上部電極膜１３の対向間隔ｄと一致するように制御する。本実施形態では、下部電極膜１１の上だけでなく該下部電極膜１１の一端部から基板１０にかけても高分子感湿膜１２を形成してあるが、高分子感湿膜１２は下部電極膜１１を覆うように形成してもよい。
【００３１】
続いて、図６及び図７に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、一対の高分子感湿膜１２の上にそれぞれ、下部電極膜１１と平行に対向し、かつ、高分子感湿膜１２を露出させる開口部αを多数有する、同一の上部電極膜１３を形成する。ここで「同一の上部電極膜１３」とは、同一の電極材料を用いて同一のプロセスで形成される、同一の平面形状、膜構成及び膜厚を有する上部電極膜１３を意味する。上部電極膜１３の電極材料には、下部電極膜１１と同様に、例えばＡｌ、Ｔａ、Ｔｉ、ＮｉＦｅ、Ｎｉを用いる。本実施形態の上部電極膜１３は、平面矩形状をなし、高分子感湿膜１２の上のみでなく該高分子感湿膜１２の一端部から基板１０にかけても形成してあるが、高分子感湿膜１２の上（下部電極膜１１との対向領域）のみに形成してもよく、また、その平面形状も任意である。また、本実施形態では、各開口部αの平面形状を矩形状とし、上部電極膜１３が下部電極膜１１と対向する領域に多数の開口部αを上下左右方向に並べてあるが、開口部αの数、平面形状及び形成位置は適宜設定できる。
【００３２】
続いて、一方の上部電極膜１３と該上部電極膜１３に設けた多数の開口部αを覆い、かつ、他方の上部電極膜１３のみを覆って該上部電極膜１３に設けた開口部αは覆わない非透湿保護膜１４を形成する（図２）。非透湿保護膜１４は、雰囲気との水分授受を遮断する材料、例えば窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ膜）やＳｉＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2積層膜、ＳｉＯ2／ＳｉＮ積層膜で構成することが好ましい。この非透湿保護膜１４は、上述の他方の上部電極膜１３に設けた多数の開口部α及び回路部４０のパッド４０ａを除いて基板表面全体に形成することが実際的である。
【００３３】
以上の工程により、開口部αが非透湿保護膜１４で覆われていない側の上部電極膜１３、高分子感湿膜１２及び下部電極膜１１による平行平板構造からセンサ部２０が得られ、開口部αが非透湿保護膜１４で覆われた側の上部電極膜１３、高分子感湿膜１２及び下部電極膜１１による平行平板構造から基準部３０が得られ、図１〜図３の容量型湿度センサ１００が完成する。
【００３４】
上述のように容量型湿度センサ１００では、同一の電極材料及び誘電材料（高分子感湿材料）を用いた同一の製造工程（図４〜図７）により形成した共通の平行平板構造（下部電極膜１１、高分子感湿膜１２及び上部電極膜１３）でセンサ部２０と基準部３０が形成されているので、高分子感湿膜１２の膜厚や熱処理のばらつきに起因するセンサ容量Ｃ２０及び基準容量Ｃ３０のばらつきは小さくなり、また、センサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０が同じ温度特性を有することからセンサ部２０と基準部３０の容量差分ΔＣの温度依存性も小さくなる。これにより、センサ部２０と基準部３０の容量差分ΔＣのばらつきは低減し、容量型湿度センサ１００の検出精度が向上する。
【００３５】
図８及び図９は、基準部３０側の上部電極膜１３に開口部を設けない第２実施形態の容量型湿度センサ２００を示す断面図及び平面図である。図９では、高分子感湿膜１２にハッチングを付して示した。
【００３６】
容量型湿度センサ２００は、第１実施形態と同様にして一対の上部電極膜１３を形成した後、一対の上部電極膜１３を覆う非透湿保護膜１４を回路部４０のパッド４０ａを除いて基板表面全体に形成し、センサ部２０とする側の非透湿保護膜１４と上部電極膜１３を例えばドライエッチングにより削って高分子感湿膜１２を露出させる開口部αを多数形成することで、得られる。あるいは、第１実施形態と同様にして一対の上部電極膜１３を形成した後、一方の上部電極膜１３のみを例えばドライエッチングにより削って高分子感湿膜１２を露出させる開口部αを多数形成し、さらに、一対の上部電極膜１３を覆う非透湿保護膜１４を形成することで、得られる。
【００３７】
図１０〜図１２は、センサ部２０と基準部３０に共通の下部電極膜３１１を備えた第３実施形態の容量型湿度センサ３００を示している。図１０は容量型湿度センサ３００の平面図、図１１は容量型湿度センサの断面図、図１２は下部電極膜１１と電極パッドの配線接続を示す模式図である。図１０は、非透湿保護膜１４を省略して示したもので、高分子感湿膜１２にハッチングを付してある。
【００３８】
容量型湿度センサ３００は、センサ部２０と基準部３０のそれぞれに、図９の破線で示す仮想中心線Ｘに関してミラー反転させたパターン形状で形成した下部電極膜３１１、高分子感湿膜１２及び上部電極膜１３を有している。仮想中心線Ｘは、センサ部２０と基準部３０の中間位置に設定してある。平行平板構造となる下部電極膜３１１、高分子感湿膜１２及び上部電極膜１３に上述のミラー反転パターンを用いることで、センサ部２０と基準部３０において該平行平板構造の形状対称性が良くなり、センサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０を一致させやすい。
【００３９】
下部電極膜３１１は、センサ部２０から基準部３０にかけて設けた平面視矩形状の電極膜で、該センサ部２０と基準部３０に共通で備えられている。この下部電極膜３１１には、センサ部２０と基準部３０の中間位置から下部電極配線３２１が引き出され、この下部電極配線３２１を介して回路部４０の電極パッド４０ａに接続されている。別言すれば、下部電極配線３２１は、図１２に示されるように、一端部が回路部４０の電極パッド４０ａに接続し、他端部がセンサ部２０と基準部３０の中間位置（仮想中心線Ｘの位置）で下部電極膜３１１に接続している。このように下部電極配線３２１をセンサ部２０と基準部３０の中間位置から引き出せば、電気的にもセンサ部２０と基準部３０の対称性がよくなり、センサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０のばらつきを低減できる。下部電極配線３２１は、下部電極膜３１１と同一材料により、同時に形成できる。
【００４０】
高分子感湿膜１２及び上部電極膜１３は、センサ部２０と基準部３０で個別に備えられている。上部電極膜１３には、図１２に示すように、該上部電極膜１３と回路部４０の電極パッド４０ａを接続する上部電極配線３２３がそれぞれ設けられている。上部電極配線３２３は、一対の上部電極膜１３からそれぞれ一定の幅寸法で延長された配線パターンであって、その幅寸法が、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Ｃ２０と基準容量Ｃ３０のばらつきが低減されている。上部電極配線３２３は、上部電極膜１３と同一材料で、同時に形成できる。
【００４１】
上記容量型湿度センサ３００は、次のように製造できる。
【００４２】
まず、たとえばシリコンからなる基板１０上に、センサ部と基準部に共通の下部電極膜３１１を形成する。このとき、下部電極膜３１１は、形成すべきセンサ部と基準部の中間位置に想定した仮想中心線Ｘに関してミラー反転させたパターン形状で形成する。本実施形態の下部電極膜３１１は仮想中心線Ｘに関してミラー反転させた平面視矩形状に形成してあるが、下部電極膜３１１の平面形状は仮想中心線Ｘに関してミラー反転していれば任意である。下部電極膜３１１の電極材料には例えばＡｌ、Ｔａ、Ｔｉ、ＮｉＦｅ、Ｎｉを用いる。この下部電極膜３１１を形成する工程では、回路部４０の配線導体（下部電極配線３２１）とパッド４０ａの少なくとも一方を同時に形成することができる。
【００４３】
次に、下部電極膜１１の上に、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜１２を、仮想中心線Ｘに関してミラー反転させた平面視矩形状で一対形成する。一対の高分子感湿膜１２の平面形状は、仮想中心線Ｘに関してミラー反転していれば任意である。この高分子感湿膜１２は、高分子感湿材料としてのポリイミドを下部電極膜１１の上に塗布し、このポリイミドを熱処理により硬化させることで形成できる。このとき高分子感湿膜１２の膜厚は、所望する下部電極膜１１と上部電極膜１３の対向間隔ｄと一致するように制御する。本実施形態では、下部電極膜１１の上だけでなく該下部電極膜１１の一端部から基板１０にかけても高分子感湿膜１２を形成してあるが、高分子感湿膜１２は下部電極膜１１の上のみに形成してもよい。
【００４４】
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、一対の高分子感湿膜１２の上に、下部電極膜３１１と平行に対向し、かつ、高分子感湿膜１２を露出させる開口部αを多数有する上部電極膜１３を、仮想中心線Ｘに関してミラー反転させた高分子感湿膜１２よりも小さな平面視矩形状で一対形成する。一対の上部電極膜１３の平面形状は、仮想中心線Ｘに関してミラー反転していれば任意である。本実施形態では、各開口部αの平面形状を矩形状とし、上部電極膜１３が下部電極膜１１と対向する領域に多数の開口部αを上下左右方向に並べてあるが、開口部αの数、平面形状及び形成位置は適宜設定できる。上部電極膜１３の電極材料には、下部電極膜１１と同様に、例えばＡｌ、Ｔａ、Ｔｉ、ＮｉＦｅ、Ｎｉを用いる。この上部電極膜１３を形成する工程では、回路部４０の配線導体（上部電極配線３２３）とパッド４０ａの少なくとも一方を同時に形成することができる。
【００４５】
続いて、一方の上部電極膜１３と該上部電極膜１３に設けた多数の開口部αを覆い、かつ、他方の上部電極膜１３のみを覆って該上部電極膜１３に設けた開口部αは覆わない非透湿保護膜１４を形成する。非透湿保護膜１４は、雰囲気との水分授受を遮断する材料、例えば窒化シリコン膜（ＳｉＮｘ膜）やＳｉＯ2膜、Ａｌ2Ｏ3／ＳｉＯ2積層膜、ＳｉＯ2／ＳｉＮ積層膜で構成することが好ましい。この非透湿保護膜１４は、上述の他方の上部電極膜１３に設けた多数の開口部α及び回路部４０のパッド４０ａを除いて基板表面全体に形成することが実際的である。
【００４６】
以上の工程により、開口部αが非透湿保護膜１４で覆われていない側の上部電極膜１３、高分子感湿膜１２及び下部電極膜３１１による平行平板構造からセンサ部２０が得られ、開口部αが非透湿保護膜１４で覆われた側の上部電極膜１３、高分子感湿膜１２及び下部電極膜３１１による平行平板構造から基準部３０が得られ、図１０〜図１２の容量型湿度センサ１００が完成する。センサ部２０の上部電極膜１３を覆う非透湿保護膜１４は省略可能であるが、非透湿保護膜１４は上部電極膜１３の腐食防止のために備えることが好ましい。
【００４７】
図１３は、容量型湿度センサの配線接続の比較例を示す模式図である。下部電極配線３２１は、センサ部２０と基準部３０の一方（図１３ではセンサ部２０）から引き出す構造とすることもできる。
【００４８】
図１４及び図１５は、センサ部２０の初期容量値を補正可能な第４実施形態の容量型湿度センサ４００の平面図及び断面図である。図１４は、非透湿保護膜１４を省略して示したもので、高分子感湿膜１２にハッチングを付してある。
【００４９】
湿度によっ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を備えた容量形湿度センサでは、その信頼性を確保するため、例えば湿度６０％のときを初期状態とし、この初期状態でのセンサ容量と基準容量が一致するようにセンサ部の静電容量値（初期容量値）を補正する必要がある。
【００５０】
容量型湿度センサ４００は、第３実施形態の容量型湿度センサ３００とほぼ同一であるが、センサ部２０の上部電極膜１３の中央部に開口部を有さない容量補正エリア４５０を設けた点で第３実施形態の容量型湿度センサ３００と異なる。このベタ膜状の容量補正エリア４５０を設けることで、該容量補正エリア４５０の大きさ（面積）に応じてセンサ部２０の上部電極膜１３の下部電極膜３１１に対向する面積が増減し、これによってセンサ容量Ｃ２０を補正できる。従来、センサ部２０の初期容量補正は上部電極膜１３の面積を変更することで行ってきたが、上部電極膜１３及び下部電極膜３１１の外周部ではそのエッジ効果により単位面積あたりの静電容量値が安定せず、目標とする初期容量値を得ることが難しかった。本実施形態のように上部電極膜１３の中央部に容量補正エリア４５０を設ければ、該中央部では単位面積あたりの静電容量値が安定していることから、センサ部２０の初期容量補正が格段に容易になる。
【００５１】
上記容量型湿度センサ４００は、次のように製造する。
【００５２】
まず、第３実施形態と同様にして、一対の上部電極膜１３をベタ膜状で形成する。そして、一対の上部電極膜１３に多数の開口部αを形成する前段階で、初期状態におけるセンサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０を測定し、測定結果から初期状態でセンサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０が一致するのに必要な補正値（センサ部２０の初期容量値）を求め、この補正値に対応させた容量補正エリア４５０の大きさを設定する。本実施形態の初期状態は湿度６０％の状態としてあるが、任意である。
【００５３】
続いて、図１４に示すように、上記設定した容量補正エリア４５０の大きさでセンサ部２０の上部電極膜１３の中央部をベタ膜状のまま残し、この容量補正エリア４５０の外周に、高分子感湿膜１２を露出させる多数の開口部αを例えばドライエッチングで形成する。同時に、基準部３０の上部電極膜１３に、高分子感湿膜１２を露出させる開口部αを図１４の上下左右方向に並べて形成する。センサ部２０の上部電極膜１３の容量補正エリア４５０外に形成した開口部αは、基準部３０の上部電極膜１３の同位置に形成した開口部αと同一である。開口部を有さないベタ膜状の容量補正エリア４５０の大きさに応じて、センサ部２０の上部電極膜１３の下部電極膜３１１と対向する面積が増減し、センサ容量Ｃ２０が変化する。
【００５４】
続いて、第３実施形態と同様に非透湿保護膜１４を形成することで、容量補正エリア４５０を有し、開口部αが非透湿保護膜１４で覆われていない側の上部電極膜１３、高分子感湿膜１２及び下部電極膜３１１による平行平板構造からセンサ部２０が得られ、開口部αが非透湿保護膜１４で覆われた側の上部電極膜１３、高分子感湿膜１２及び下部電極膜３１１による平行平板構造から基準部３０が得られ、図１４及び図１５の容量型湿度センサ４００が完成する。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本願発明は、環境測定用の湿度センサに適用可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１００  容量型湿度センサ
１０  基板
１１  下部電極膜
１２  高分子感湿膜
１３  上部電極膜
１４  非透湿保護膜
２０  センサ部
３０  基準部
４０  回路部
４０ａ  パッド
２００  容量型湿度センサ
３００  容量型湿度センサ
３１１  下部電極膜
３２１  下部電極配線
３２３  上部電極配線
４００  容量型湿度センサ
４５０  容量補正エリア
α  開口部
【図１】
2010113711.tif 000003
【図２】
2010113711.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成22年8月3日(2010.8.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部と湿度にかかわらず静電容量が変化しない基準部を同一基板上に備え、該センサ部と基準部の容量差分を電圧に変換して出力する容量型湿度センサにおいて、
前記センサ部と前記基準部は、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を下部電極膜と上部電極膜で挟んだ同一の平行平板構造を有していること、
前記センサ部では、前記上部電極膜に、前記高分子感湿膜を露出させる開口部が１以上設けられていること、
前記基準部では、前記上部電極膜の上に非透湿保護膜が形成され、該上部電極膜及び非透湿保護膜の少なくとも一方により前記高分子感湿膜が覆われていること、及び、
前記センサ部の上部電極膜は非透湿保護膜で覆われていること、
を特徴とする容量型湿度センサ。
【請求項２】
請求の範囲第１項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記センサ部と前記基準部の前記上部電極膜、前記下部電極膜及び前記高分子感湿膜は、それぞれ同一の電極材料と高分子感湿材料を用いて、同一のプロセスで形成されたものである容量型湿度センサ。
【請求項３】
請求の範囲第１項または第２項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記基準部の上部電極膜には、前記センサ部の上部電極膜に設けた１以上の開口部と同一の開口部が設けられ、各開口部の下に位置する高分子感湿膜は前記非透湿保護膜で覆われている容量型湿度センサ。
【請求項４】
請求の範囲第１項ないし第３項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記下部電極膜、前記高分子感湿膜及び前記上部電極膜は、前記センサ部と前記基準部の中間位置に仮想中心線を設定したとき、この仮想中心線に関して前記センサ部と前記基準部でミラー反転したパターン形状をなしている容量型湿度センサ。
【請求項５】
請求の範囲第１項ないし第４項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサにおいて、前記下部電極膜は、前記センサ部と前記基準部に共通に備えられ、前記高分子感湿膜及び前記上部電極膜は、前記センサ部と前記基準部に個別で備えられている容量型湿度センサ。
【請求項６】
請求の範囲第５項に記載の容量型湿度センサにおいて、一端部が電極パッドに接続し、他端部が前記センサ部と前記基準部の中間地点で前記下部電極膜に接続した下部電極配線を備えた容量型湿度センサ。
【請求項７】
請求の範囲第１項ないし第６項のいずれか一項に記載の容量型センサにおいて、前記センサ部の上部電極膜は、該上部電極膜の中央部に、前記開口部を有さない容量補正エリアを備えている容量型湿度センサ。
【請求項８】
基板上に、同一の下部電極膜を同時に一対形成する工程と、
この一対の下部電極膜の上に、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜を同時に形成する工程と、
この一対の高分子感湿膜の上に、該高分子感湿膜を覆って前記下部電極膜と平行に対向する同一の上部電極膜を同時に形成する工程と、
この一対の上部電極膜に、前記高分子感湿膜を露出させる１以上の開口部を同時に形成する工程と、
一方の上部電極膜と該一方の上部電極膜の開口部の下に位置する高分子感湿膜を覆い、前記他方の上部電極膜と該他方の上部電極膜の開口部の下に位置する高分子感湿膜を露出させる非透湿保護膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする容量型湿度センサの製造方法。
【請求項９】
請求の範囲第８項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、前記非透湿保護膜によってさらに前記他方の上部電極膜を覆う容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１０】
基板上に、同一の下部電極膜を同時に一対形成する工程と、
この一対の下部電極膜の上に、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜を同時に形成する工程と、
この一対の高分子感湿膜の上に、該高分子感湿膜を覆って前記下部電極膜と平行に対向する同一の上部電極膜を同時に形成する工程と、
この一対の上部電極膜を覆う非透湿保護膜を形成する工程と、
一方の非透湿保護膜及び上部電極膜を削って、前記高分子感湿膜を露出させる１以上の開口部を形成する工程と、
を有することを特徴とする容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１１】
基板上に、同一の下部電極膜を同時に一対形成する工程と、
この一対の下部電極膜の上に、湿度に応じて誘電率が変化する同一の高分子感湿膜を同時に形成する工程と、
この一対の高分子感湿膜の上に、該高分子感湿膜を覆って前記下部電極膜と平行に対向する同一の上部電極膜を同時に形成する工程と、
一方の上部電極膜のみに、前記高分子感湿膜を露出させる開口部を１以上形成する工程と、
前記一対の上部電極膜を覆う非透湿保護膜を形成する工程と、
を有することを特徴とする容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１２】
請求の範囲第８項ないし第１１項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、前記一対の下部電極膜、前記一対の高分子感湿膜及び前記一対の上部電極膜は、互いにミラー反転したパターン形状で形成する容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１３】
請求の範囲第８項ないし第１２項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、前記一対の下部電極膜を、互いに接続した一体の共通電極膜で形成する容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１４】
請求の範囲第１３項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、一端部が電極パッドに接続し、他端部が前記下部電極膜の中間位置に接続した下部電極配線を設ける容量型湿度センサの製造方法。
【請求項１５】
請求の範囲第８項ないし第１４項のいずれか一項に記載の容量型湿度センサの製造方法において、一方の上部電極膜の中央部に前記開口部を有さない容量補正エリアを設け、この容量補正エリアの大きさにより、特定湿度での該一方の上部電極膜、高分子感湿膜及び下部電極膜による静電容量値を補正する容量型湿度センサの製造方法。
【国際調査報告】
2010113711.tif 000018
2010113711.tif 000019
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