(57)【要約】【課題】  感度のばらつきを低減した容量式湿度センサを提供すること。【解決手段】  基板１０上の同一平面に離間して対向配置された一対の電極３１，３２と、一対の電極３１，３２及び一対の電極間を覆うように、スクリーン印刷によって基板１０上に形成され、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜５０とを備える容量式湿度センサ１００において、感湿膜５０の形成領域のうち、膜厚が略均一となる中央領域５０ｂのみに対応して、一対の電極３１，３２の対向部分を設けた。従って、膜厚ばらつきが小さく、従来よりも感度ばらつきを低減することができる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上の同一平面に離間して対向配置された一対の電極と、
前記一対の電極及び前記一対の電極間を覆うように、スクリーン印刷によって前記基板上に形成され、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜と、を備える容量式湿度センサにおいて、
前記感湿膜の形成領域のうち、膜厚が略均一となる中央領域のみに対応して、前記一対の電極の対向部分を設けたことを特徴とする容量式湿度センサ。
【請求項２】
前記中央領域は、前記基板の平面方向において略円形であることを特徴とする請求項１に記載の容量式湿度センサ。
【請求項３】
前記一対の電極は、一対の共通電極部と、各共通電極部から一方向に延び、互いに噛み合うように櫛歯状に設けられた櫛歯電極部とにより構成され、
前記櫛歯電極部が、前記中央領域に対応して設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の容量式湿度センサ。
【請求項４】
前記基板の平面方向において、前記共通電極部は、前記中央領域の周縁部に沿って設けられていることを特徴とする請求項３に記載の容量式湿度センサ。
【請求項５】
前記共通電極部を含む前記一対の電極の全てが、前記中央領域内に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の容量式湿度センサ。
【請求項６】
前記共通電極部は、前記中央領域外に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の容量式湿度センサ。
【請求項７】
前記一対の電極及び前記一対の電極間を覆うように前記基板上に形成された保護膜を備え、
前記感湿膜は前記保護膜上に設けられていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【請求項８】
前記基板として半導体基板が用いられ、前記一対の電極は、絶縁膜を介して前記基板上に設けられていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜を一対の電極間に介在させてなる容量式湿度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、一対の電極間に、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜を介在させてなる容量式湿度センサの一例として、本出願人は先に特許文献１を開示している。
【０００３】
特許文献１に示す容量式湿度センサは、基板上の同一平面に、一対の電極を離間して対向するように形成し、一対の電極及び一対の電極間を覆うように、基板上に湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜を形成してなるものである。
【０００４】
ここで、上記容量式湿度センサの製造において、構成材料である高分子材料を含むペーストをスクリーン印刷し、硬化させて感湿膜を形成すると、スピンコート法を適用した場合に必要となるフォトプロセスによるパターニングを不要とできる。すなわち、工程を簡素化することができる。また、装置を扱いやすいという利点もある。
【特許文献１】特開２００２−２４３６９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の容量式湿度センサは、感湿膜を誘電体の一部として一対の電極によりコンデンサを構成し、このコンデンサの静電容量の変化に基づいて湿度を検出する構成である。その際、静電容量は、対向する電極間の感湿膜だけでなく、電極端部間の感湿膜の影響も受ける（所謂フリンジ容量）。また、所謂平行平板型構造の構成のものに比べて初期容量が小さいため、感度に対して感湿膜の膜厚ばらつきの影響を強く受ける。
【０００６】
ところが、スクリーン印刷の場合、メッシュスクリーン（例えばステンレススクリーン）に乳剤をコートして、感湿膜の形成領域に対応したパターン孔を有するスクリーンマスクを形成する。そして、スクリーンマスクを基板上に離間してセットし、スクリーンマスク上に置かれたペーストを、スキージの圧力によりスクリーンマスクを基板に押し付けながらパターン孔を通して基板表面（電極形成面）の所定位置に転写して感湿膜を形成する。すなわち、スクリーン印刷による感湿膜形成においては、ペースト自体の条件（粘度等）と基板表面の条件（濡れ性等）だけでなく、スクリーン条件（パターン孔の大きさ（スクリーン開口度）、乳剤厚さ、スクリーンテンション等）やスキージ条件（走行速度、印圧等）の影響を受ける。特に、パターン孔周縁のスクリーンメッシュに近い領域（周縁領域）は、上記影響により膜厚にばらつきが生じ易い。
【０００７】
例えば、図４（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、基板１１０上に形成された感湿膜５０は、印刷時にパターン孔周縁のスクリーンメッシュに近い領域である周縁領域５０ａと、周縁領域５０ａに囲まれた中央領域５０ｂ（図４（ａ）においては一点鎖線で囲まれた領域）とで膜厚が異なるものとなるが、周縁領域５０ａの膜厚のばらつきは中央領域５０ｂと比べて大きくなる。尚、図４は、スクリーン印刷によって形成された感湿膜５０の状態を示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面における断面図である。図４（ｂ）と図４（ｃ）とでは条件が異なり、便宜上、図４（ａ）に対応させて図示している。
【０００８】
従って、従来のように感湿膜に対して電極の配置を考慮しない構成であると、膜厚のばらつきによって、感度のばらつきが大きくなる恐れがある。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑み、感度のばらつきを低減した容量式湿度センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成する為に、請求項１〜８に記載の発明は、基板と、基板上の同一平面に離間して対向配置された一対の電極と、一対の電極及び一対の電極間を覆うように、スクリーン印刷によって基板上に形成され、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜と、を備える容量式湿度センサに関するものである。
【００１１】
先ず、請求項１に記載のように、感湿膜の形成領域のうち、膜厚が略均一となる中央領域のみに対応して、一対の電極の対向部分を設けたことを特徴とする。
【００１２】
このように本発明によると、感湿膜を誘電体の一部としてコンデンサを構成する一対の電極の対向部分を、膜厚が略均一となる中央領域のみに対応して設けたので、膜厚ばらつきが小さく、従来よりも感度ばらつきを低減することができる。
【００１３】
膜厚が略均一となる中央領域は、感湿膜の形成領域の形状によって異なるが、例えば請求項２に記載のように、基板の平面方向において略円形となる。この場合、略円形とは、真円に限定されるものではなく、楕円等も含む。
【００１４】
請求項３に記載のように、一対の電極が、一対の共通電極部と、各共通電極部から一方向に延び、互いに噛み合うように櫛歯状に設けられた櫛歯電極部とにより構成される場合には、櫛歯電極部を中央領域のみに対応して設ければ良い。
【００１５】
共通電極部は、請求項４に記載のように、基板の平面方向において、中央領域の周縁部に沿って設けられていることが好ましい。その際、請求項５に記載のように、共通電極部を含む一対の電極の全てを、中央領域のみに対応して（中央領域内に）設けた構成としても良いし、請求項６に記載のように、共通電極部を、中央領域外に設けた構成としても良い。このような構成とすると、センサの体格を小型化することができる。特に、中央領域の周縁部に沿いつつ中央領域外に設けた構成とすると、櫛歯電極部の対向部分を大きくとれるので、感度を向上でき、且つ、センサの体格を小型化することができる。
【００１６】
請求項７に記載のように、一対の電極及び一対の電極間を覆うように基板上に形成された保護膜を備え、感湿膜は保護膜上に設けられていることが好ましい。この場合、水分から電極を確実に保護することが可能となり、各電極の水分に対する耐食性が向上される。
【００１７】
請求項８に記載のように、基板として半導体基板が用いられ、一対の電極は、絶縁膜を介して基板上に設けられていることが好ましい。
【００１８】
基板は、ガラス基板等の絶縁基板を用いることが可能であるが、絶縁膜を備える半導体基板を用いることで、半導体プロセスによってセンサを形成することができる。従って、製造コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態における容量式湿度センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。尚、図１（ａ）においては、便宜上、感湿膜及び保護膜下にある一対の電極を破線で図示している。
【００２０】
図１（ａ），（ｂ）において、符号１０は基板としての半導体基板であり、本実施形態においてはシリコンから形成されている。そして、半導体基板１０の上面に、絶縁膜として酸化シリコン膜２０が形成されている。そして、一対の電極３１，３２が、酸化シリコン膜２０上の同一平面において、離間して対向配置されている。
【００２１】
電極３１，３２は、図１（ａ）に示されるように、それぞれの電極３１，３２が、共通電極部３１ａ，３２ａと、この共通電極部３１ａ，３２ａから一方向に延びる複数の櫛歯電極部３１ｂ，３２ｂ（本例においては各３本）とにより構成される。そして、一対の電極３１，３２のそれぞれの櫛歯電極部３１ｂ，３２ｂが交互に並んで配置されるように、一対の電極３１，３２が配置されている。
【００２２】
このように、一対の電極３１，３２の形状として櫛歯形状を採用することにより、電極３１，３２の配置面積を小さくしつつ、櫛歯電極部３１ｂ，３２ｂが互いに対向する面積を大きくすることができる。これにより、周囲の湿度変化に伴って変化する電極３１，３２間の静電容量の変化量が大きくなり、容量式湿度センサ１００の感度が向上する。尚、本実施形態の特徴部分である感湿膜５０と電極３１，３２との関係については後述する。
【００２３】
電極３１，３２は、例えばアルミ、銅、金、白金等の低抵抗金属材料を半導体基板１０上に蒸着やスパッタリング等の手法によって付着させ、その後、フォトリソグラフィー処理により、櫛歯状パターンにパターニングすることによって形成される。本実施形態において、電極３１，３２はアルミを用いて形成されている。
【００２４】
これら一対の電極３１，３２を覆うように、半導体基板１０上に保護膜として窒化シリコン膜４０が形成される。この窒化シリコン膜４０は、例えばプラズマＣＶＤ法等により、半導体基板１０上の各部において同じ厚さをもつように堆積形成される。但し、電極３１，３２に水分に対する耐食性がある場合には、保護膜（窒化シリコン膜４０）を形成しなくとも良い。
【００２５】
尚、図１（ａ）に示すように、電極３１，３２には、その端部に外部接続端子としてのパッド３１ｃ，３２ｃが形成されており、当該パッド３１ｃ，３２ｃを介して、出力を補正する補正回路や静電容量の変化量を検出するための信号処理回路等と電気的に接続されている。このパッド３１ｃ，３２ｃは、補正回路等との接続のため露出されている必要があり、窒化シリコン膜４０によっては被覆されていない。また、本実施形態においては、容量式湿度センサ１００を構成する基板として半導体基板１０を採用しているので、上述した補正回路等を同一基板上に形成することも可能である。
【００２６】
窒化シリコン膜４０の上には、一対の電極３１，３２及び電極３１，３２間を覆うように、ポリイミド系ポリマーからなる吸湿性を備えた感湿膜５０が形成されている。感湿膜５０は、ポリイミドの前駆体であるワニス状のポリアミド酸を所定粘度に調整して窒化シリコン膜４０上にスクリーン印刷し、所定温度で加熱することにより閉環させてイミド化することにより形成される。
【００２７】
このように構成される容量式湿度センサ１００において、感湿膜５０中に水分が浸透すると、水分は比誘電率が大きいため、その浸透した水分量に応じて、感湿膜５０の比誘電率が変化する。その結果、感湿膜５０を誘電体の一部として一対の電極３１，３２によって構成されるコンデンサの静電容量が変化する。感湿膜５０内に含まれる水分量は、容量式湿度センサ１００の周囲の湿度に対応するため、一対の電極３１，３２間の静電容量から湿度を検出することができる。
【００２８】
次に、本実施形態に示す容量式湿度センサ１００の特徴部分について、図１（ａ），（ｂ）を用いて説明する。
【００２９】
本実施形態の容量式湿度センサ１００は、感湿膜５０を誘電体の一部として一対の電極３１，３２によりコンデンサを構成し、このコンデンサの静電容量の変化に基づいて湿度を検出する構成である。その際、静電容量は、対向する電極間の感湿膜５０だけでなく、電極端部（感湿膜５０側の端面）間の感湿膜５０の影響も受ける（所謂フリンジ容量）。また、所謂平行平板型構造の構成のものに比べて初期容量が小さいため、感度に対して感湿膜５０の膜厚ばらつきの影響を強く受ける。
【００３０】
また、感湿膜５０はスクリーン印刷法を適用して形成される。従って、印刷時にパターン孔周縁のスクリーンメッシュに近い領域である周縁領域５０ａと、周縁領域５０ａに囲まれた中央領域５０ｂ（図１（ａ）においては一点鎖線で囲まれた領域）とでは膜厚が異なる。また、周縁領域５０ａは中央領域５０ｂと比べて膜厚にばらつきが生じ易い。
【００３１】
そこで、本実施形態においては、図１（ａ）に示すように、感湿膜５０を誘電体の一部としてコンデンサを構成する電極３１，３２の櫛歯電極部３１ｂ，３２ｂの対向部分を、膜厚のばらつきが大きい周縁領域５０ａにはコンデンサを構成する櫛歯電極部３１ｂ，３２ｂの対向部分を配置せず、膜厚が略均一で膜厚のばらつきが小さい中央領域５０ｂのみに対応して設ける構成とした。従って、感度ばらつきを低減することができる。
【００３２】
尚、本実施形態においては、形成領域を７４０μｍ角の矩形状とし、感湿膜５０の膜厚の狙い値を７μｍとして、ペーストの粘度５０Ｐａ・ｓで印刷した。そして、狙い値に対して誤差２０％以下の領域を中央領域５０ｂとした。その結果、中央領域５０ｂは図１（ａ）に示すように略円形（一点鎖線の領域）となった。そこで、櫛歯電極部３１ｂ，３２ｂの全体を中央領域５０ｂのみに対応して設け、コンデンサを構成する対向部分を限られた範囲でできるだけ大きくとる構成とするとともに、図１（ａ）に示すように、共通電極部３１ａ，３２ａを中央領域５０ｂの周縁部（図１（ａ）の一点鎖線部分）形状に沿う円弧状とし、内周側を中央領域５０ｂの周縁部と重なるように中央領域５０ｂ外に設けた。従って、感度を向上でき、且つ、センサの体格を小型化することができる。
【００３３】
この場合、感湿膜５０の周縁領域５０ａに対応する部位に回路部を設ければ、回路部が一体化されたセンサの体格を小型化することができる。
【００３４】
尚、中央領域５０ｂは、個々の条件において感度ばらつきが所定値（例えばセンサ仕様）を満足するように設定されれば良く、例えば狙い膜厚が３μｍ以上６μｍ未満の場合、狙い値に対して誤差５％以下、好ましくは３％以下の膜厚範囲を中央領域５０ｂとし、６μｍ以上８μｍ未満の場合、狙い値に対して誤差２０％以下、好ましくは１０％以下の膜厚範囲を中央領域５０ｂとすれば良い。
【００３５】
また、本実施形態において、感湿膜５０の中央領域５０ｂが略円形（真円）である例を示した。しかしながら、その形状は、略円形に限定されるものではない。また、略円形は真円に限定されず、楕円等であっても良い。同様に、共通電極部３１ａ，３２ａの形状も円弧状に限定されるものではない。例えば、感湿膜５０の中央領域５０ｂの周縁部形状（外周形状）に合わせて、周縁部に沿う形状とすれば良い。
【００３６】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施することができる。
【００３７】
本実施形態において、シリコンからなる半導体基板１０を基板として採用し、絶縁膜２０を介して、半導体基板１０上に電極３１，３２が形成される例を示した。このように基板として半導体基板１０を用いると、一般的な半導体プロセスにより、容量式湿度センサ１００を形成することができるので、製造コストを低減することができる。しかしながら、基板としては、ガラス基板等の絶縁基板を適用することも可能である。
【００３８】
また、本実施形態において、共通電極部３１ａ，３２ａを、中央領域５０ｂの周縁部形状に沿う円弧状とし、内周側を中央領域５０ｂの周縁部と重なるように中央領域５０ｂ外に設ける例を示した。しかしながら、図２に示すように、中央領域５０ｂの周縁部形状に沿う円弧状とし、外周側を中央領域５０ｂの周縁部と重なるように中央領域５０内に設けても良い。この場合、感湿膜５０の周縁領域５０ａに対応して回路部を設ければ、回路部が一体化されたセンサの体格を小型化することができる。尚、図２は本実施形態の変形例を示す平面図である。
【００３９】
さらには、共通電極部３１ａ，３２ａを、必ずしも中央領域５０ｂの周縁部形状に沿う形状（例えば円弧状）とする必要はない。電極３１，３２の構成としては、少なくとも一対の電極３１，３２の対向部分を、膜厚が略均一となる中央領域５０ｂのみに対応して設けた構成とすれば良い。従って、図３に示すように、櫛歯電極部３１ｂ，３２ｂの対向部分以外が中央領域５０ｂ外にも設けた構成としても良いし、共通電極部３１ａ，３２ａの形状を中央領域５０ｂの周縁部に沿わない形状としても良い。尚、図３は本実施形態の変形例を示す平面図である。
【００４０】
また、本実施形態において、シリコンからなる半導体基板１０を基板として採用し、絶縁膜２０を介して、半導体基板１０上に電極３１，３２が形成される例を示した。このように基板として半導体基板１０を用いると、一般的な半導体プロセスにより、容量式湿度センサ１００を形成することができるので、製造コストを低減することができる。しかしながら、基板としては、ガラス基板等の絶縁基板を適用することも可能である。
【００４１】
尚、本実施形態において、感湿膜５０の形状が矩形である例を示した。しかしながら、感湿膜５０の形状は上記例に限定されるものではない。例えば、矩形以外の多角形状や、円形状としても良い。特に円形状の場合、矩形状に比べて中央領域５０ｂの膜厚ばらつきが低減されたり、感湿膜形成領域に対する中央領域５０ｂの割合が増加するので好ましい。しかしながら、半導体基板１０に対するレイアウトでは矩形状のほうが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本実施形態における容量式湿度センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【図２】変形例を示す平面図である。
【図３】変形例を示す平面図である。
【図４】スクリーン印刷によって形成された感湿膜の状態を示す図であり、（ａ）平面図、（ｂ），（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面における断面図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０・・・半導体基板（基板）
２０・・・酸化シリコン膜（絶縁膜）
３１，３２・・・電極
３１ａ，３２ａ・・・共通電極部
３１ｂ，３２ｂ・・・櫛歯電極部
４０・・・窒化シリコン膜（保護膜）
５０・・・感湿膜
５０ａ・・・周縁領域
５０ｂ・・・中央領域
１００・・・容量式湿度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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