(57)【要約】【課題】使用期間が長くなることに伴い検出容量部の出力が初期値から変化することが抑制された、長期間にわたって検出精度を良好に維持できる静電容量式の湿度センサを提供すること。【解決手段】湿度センサ１は、検出容量部２０および基準容量部３０を備え、検出容量部２０および基準容量部３０はそれぞれ、センサ電極２２、２３間に感湿層２１を備えた積層構造Ｌを有しており、積層構造Ｌがそれぞれ、非透湿保護膜４０により覆われており、感湿層２１と、非透湿保護膜４０の外とを連通する感湿孔２４を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出容量部および基準容量部を備え、
前記検出容量部および前記基準容量部はそれぞれ、二つのセンサ電極間に感湿層を備えた積層構造を有しており、
前記積層構造がそれぞれ、非透湿保護膜により覆われており、前記感湿層と前記非透湿保護膜の外とを連通する感湿孔を有することを特徴とする、
湿度センサ。
【請求項２】
前記基準容量部に形成されている前記感湿孔の数が、前記検出容量部に形成されている前記感湿孔の数よりも少ない、
請求項１に記載の湿度センサ。
【請求項３】
前記基準容量部における前記感湿孔と前記電極との距離が、前記検出容量部における前記感湿孔と前記電極との距離よりも大きい、
請求項１または２に記載の湿度センサ。
【請求項４】
前記基準容量部の前記感湿孔が、水分が浸透可能であって、水分浸透速度が前記感湿層よりも遅い浸透遅延層によって覆われている、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の湿度センサ。
【請求項５】
前記浸透遅延層が酸化ケイ素である、
請求項４に記載の湿度センサ。
【請求項６】
前記検出容量部と前記基準容量部とは容量が同じである、
請求項１〜５のいずれか一項に記載の湿度センサ。
【請求項７】
前記感湿層は、前記基準容量部と前記検出容量部とが同じ材料で形成されている、
請求項１〜６のいずれか一項に記載の湿度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は静電容量の変化を検知して湿度を測定する静電容量式の湿度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
雰囲気の相対湿度に応じて水分を吸収または放出することにより誘電率が変化する感湿層を備えた静電容量式の湿度センサは、長期間に渡って使用すると、感湿層から放出されない水分が蓄積される。これにより、使用期間が長くなるに伴って、出力が高湿度側に変化したまま戻らなくなる。この経時的に生じる静電容量式の湿度センサの問題（以下、適宜、ドリフトともいう。）解決を目的とする従来技術として、以下のものがある。
特許文献１には、使用に伴うドリフトを防止するための対策として、感湿部材の静電容量を検出して出力する出力手段からの出力レベルが閾値を超えた場合に、感湿部材に保持された水分を除去する水分除去手段を作動させる湿度センサが記載されている。
特許文献２には、第１検出容量部と第２検出容量部とで、温度変化に対する容量値変化の傾きを異ならせた容量式湿度センサが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−  ３９５５０号公報
【特許文献２】特開２００７−２４８０６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の湿度センサには、水分除去手段としてヒータを設ける工程によって製造コストが増大するという問題がある。また、ヒータを作動させて感湿部材の水分を除去している間は、湿度を検出できないという問題もある。
特許文献２の容量式湿度センサは、２つの検出容量部の容量値変化の傾きを異ならせるために、基準容量部の容量を検出容量部の容量よりも小さくしている。このため、経時的なドリフト量は、検出容量部のほうが基準容量部よりも大きくなる。したがって、検出容量部の容量と基準容量部の容量との差を求めることによって、経時的な検出容量部の出力変化を十分に相殺することができないという問題がある。
【０００５】
そこで本発明は、使用期間が長くなることに伴い検出容量部の出力が初期値から変化することが抑制された、長期間にわたって検出精度を良好に維持できる静電容量式の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】
【０００６】
本発明の湿度センサは、検出容量部および基準容量部を備え、前記検出容量部および前記基準容量部はそれぞれ、二つのセンサ電極間に感湿層を備えた積層構造を有しており、前記積層構造がそれぞれ、非透湿保護膜により覆われており、前記感湿層と前記非透湿保護膜の外とを連通する感湿孔を有することを特徴とする。
検出容量部および基準容量部のそれぞれに感湿孔が形成されているから、長期使用に伴って、検出容量部および基準容量部の感湿層に蓄積される水分量が同程度となる。したがって、検出容量部と基準容量部の容量の差を用いて湿度を検出すれば、検出容量部の経時的な出力変化を基準容量部の経時的な出力変化で相殺することができる。
【０００７】
前記基準容量部に形成されている前記感湿孔の数が、前記検出容量部に形成されている前記感湿孔の数よりも少ない構成としてもよい。これにより、基準容量部の感湿層において雰囲気と接する開口部の面積が検出容量部よりも小さくなる。
【０００８】
前記基準容量部における前記感湿孔と前記電極との距離が、前記検出容量部における前記感湿孔と前記電極との距離よりも大きい構成としてもよい。これにより、基準容量部の感湿層に接する雰囲気中の水分が電極間の感湿層に到達するまでの時間が、検出容量部よりも長くなる。
【０００９】
前記基準容量部の前記感湿孔が、水分が浸透可能であって、水分浸透速度が前記感湿層よりも遅い浸透遅延層によって覆われている構成としてもよい。これにより、雰囲気中の水分が浸透遅延層を浸透するために要する時間が長くなる。
前記浸透遅延層は、例えば、酸化ケイ素（ケイ素の酸化物）を用いることができる。
上述したように、開口部の面積、電極間の感湿層までの到達時間および浸透遅延層を調整することにより、検出容量部および基準容量部の感湿層に経時的に蓄積される水分量を同程度としながら、基準容量部の時定数を検出容量部の時定数よりも十分に大きくすることができるから、即時的な湿度測定において、基準容量部の容量値を一定とすることが可能である。
【００１０】
前記検出容量部と前記基準容量部とは容量が同じであることが好ましい。また、前記感湿層は、前記基準容量部と前記検出容量部とが同じ材料で形成されていることが好ましい。
これにより、経時的に感湿層に水分が蓄積されることに伴う容量変化が、検出容量部および基準容量部とで同程度となるから、検出容量部と基準容量部との容量の差に基づいて湿度を検出する際に、感湿層の経時的な変化の大部分を相殺することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の湿度センサは、経時的に感湿層に水分が蓄積して生じる検出容量部の容量変化を、基準容量部の容量変化によって相殺できるから、長期にわたって測定精度を良好に維持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る湿度センサの構成を模式的に示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａの矢視断面図である。
【図２】（ａ）検出容量部および基準容量部における、相対湿度と容量との経時的な変化を模式的に示すグラフであり、（ｂ）（ａ）の相対湿度と検出容量部と基準容量部との容量差に基づく出力との関係を模式的に示すグラフである。
【図３】本発明の第二の実施形態に係る湿度センサの構成を模式的に示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａの矢視断面図である。
【図４】本発明の第三の実施形態に係る湿度センサの構成を模式的に示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａの矢視断面図である。
【図５】本発明の実施例に係る湿度センサを高温高湿（８５℃８５％）条件下で保存した後における、出力変化（ドリフト）量を示すグラフである。
【図６】基準容量部が封止された湿度センサの構成を模式的に示す（ａ）平面図、（ｂ）（ａ）のＡ−Ａの矢視断面図である。
【図７】図６の湿度センサについて、（ａ）検出容量部および基準容量部における、相対湿度と容量との経時的な変化を模式的に示すグラフ、（ｂ）（ａ）の相対湿度と検出容量部と基準容量部との容量差に基づく出力との関係を模式的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態に係る湿度センサについて図面を参照しつつ説明する。先の実施形態において説明した部材と同じ機能を備えた部材には、同じ番号を付して、後の実施形態では説明を適宜省略する。
【００１４】
（第一の実施形態）
本実施形態の湿度センサを説明する前に、湿度センサの基本的な構成について、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して説明する。
図６（ａ）に示すように、湿度センサ１００は、半導体基板１０の一面に、検出容量部２０と基準容量部１３０とが形成されたものである。検出容量部２０および基準容量部１３０は、非透湿保護膜４０により覆われている。非透湿保護膜４０には、例えば、窒化シリコンや酸化シリコン等が用いられる。
【００１５】
半導体基板１０は、例えばシリコン等で形成されており、検出容量部２０および基準容量部１３０を制御するＡＳＩＣ（ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ）を構成する。
【００１６】
図６（ｂ）に示すように、検出容量部２０は、平行平板型の容量式検出容量部であり、感湿層２１と２つのセンサ電極２２、２３との積層構造Ｌを有し、感湿層２１は厚さ方向の両側面において２つのセンサ電極２２、２３に挟まれて積層されている。感湿層２１は、水分の吸収または放出に応じて誘電率が変化する誘電体材料であり、例えば、ポリイミドなどの高分子感湿膜が用いられる。感湿層２１は、スピンコート法や印刷法などにより半導体基板１０に塗布した後、硬化して形成することができる。センサ電極２２、２３は、例えばＡｌやＡｌ合金などの導電性材料で構成され、スパッタ法や蒸着法等の方法で形成される。
【００１７】
非透湿保護膜４０には、検出容量部２０の感湿層２１と外部とを連通する感湿孔２４が設けられている。この感湿孔２４を通して感湿層２１に導入された外部の雰囲気の湿度（相対湿度）が、検出容量部２０によって検出される。
【００１８】
センサ電極２２とセンサ電極２３との間に蓄積される静電容量Ｃは、感湿層２１の誘電率ε、センサ電極２２とセンサ電極２３との距離（センサ電極間の距離）ｄおよび対向面積Ｓで決定される（Ｃ＝εＳ／ｄ）。感湿層２１は均一な厚さで形成されており、感湿層２１の厚さがセンサ電極２２とセンサ電極２３との距離ｄとなる。検出容量部２０の感湿層２１は、感湿孔２４を介して雰囲気中の水分を吸収または放出し、外部の雰囲気の湿度に応じて誘電率が変化する。
【００１９】
基準容量部１３０は、湿度変化によらず一定の静電容量を維持する。基準容量部１３０は、検出容量部２０同様、感湿層２１と２つのセンサ電極２２、２３との積層構造Ｌを有している。ただし、当該積層構造Ｌは、水分の透過を遮断する非透湿保護膜４０によって全体が覆われており、基準容量部１３０には感湿層２１を外部と連通する感湿孔２４が形成されていない。このため、基準容量部１３０の感湿層２１は雰囲気中の水分を吸収しないから、外部の雰囲気の湿度が変化しても誘電率は変化しない。
【００２０】
図７（ａ）に示すように、感湿層２１が外部雰囲気の湿度に応じて水分を吸収または放出し、感湿層２１の誘電率が変化することにより、検出容量部２０（図６（ａ）、図６（ｂ）参照）の静電容量Ｃが即時的に変化する。また、感湿層２１の水分量は、雰囲気の湿度に応じて即時的に変化するとともに、水分を含む雰囲気との接触により長期的に変化する。感湿層２１の即時的な水分量の変化が可逆的であるのに対し、長期的な水分量の変化は不可逆的である。このため、図７（ｂ）に示すように、感湿層２１の長期的な水分量の変化によって、静電容量が初期の値から変化（ドリフト）する。
【００２１】
対して、基準容量部１３０の感湿層２１は、非透湿保護膜４０によって外部の雰囲気と遮断されているから、水分量が一定である。このため、雰囲気の湿度が変化しても、感湿層２１の誘電率は一定であり、基準容量部１３０の静電容量Ｃが一定の値に保持される。感湿層２１は雰囲気と接触しないから、長期的にも水分量が変化せず、相対湿度に対する静電容量も初期の値から変化しない。
【００２２】
図７（ｂ）に示すように、湿度センサ１００の出力信号は、検出容量部２０の静電容量と基準容量部１３０の静電容量の差である。このため、この長期的な感湿層２１の水分量の変化によって、検出容量部２０の静電容量同様、初期の値から変化（ドリフト）する。
【００２３】
そこで、図１（ａ）および図１（ｂ）に示すように、本実施形態の湿度センサ１は、半導体基板１０の一面に形成されている、検出容量部２０における感湿層２１および基準容量部３０における感湿層２１の両方が、感湿孔２４を介して外部と連通されている。
これにより、図２（ａ）に示すように、検出容量部２０および基準容量部３０の両方に、長期的な感湿層２１の水分量の変化による静電容量の変化（ドリフト）Ｘを生じさせている。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、湿度センサ１からの出力は、検出容量部２０の静電容量と基準容量部３０の静電容量の差である。図２（ａ）に示すように、検出容量部２０のみならず、基準容量部３０にもの静電容量の変化（ドリフト）Ｘを生じさせることにより、湿度センサ１からの出力が経時的に変化することを抑制できる。
【００２５】
湿度センサ１からの出力が経時的に変化することを抑制する観点から、検出容量部２０と基準容量部３０とは、容量および経時的なドリフト量が同じであることが好ましい。検出容量部２０と基準容量部３０とは、同じ感湿層２１を用いることが好ましく、センサ電極２２とセンサ電極２３との距離ｄおよび対向面積Ｓが略等しいことが好ましい。例えば、センサ電極２２とセンサ電極２３との距離ｄおよび対向面積Ｓは、検出容量部２０と基準容量部３０との比（検出容量部２０／基準容量部３０）が、８／１０〜１２／１０であることが好ましい。検出容量部２０と基準容量部３０との容量比（検出容量部２０／基準容量部３０）は、８／１０〜１２／１０であることが好ましい。
【００２６】
検出容量部２０の感湿層２１と基準容量部３０の感湿層２１はいずれも、感湿孔２４を介して外部と連通されているから、図２（ａ）に示すように、経時的な変化（実線から破線）が略同じになる。ただし、検出容量部２０と基準容量部３０とでは、感湿孔２４の数が異なるから、外部雰囲気の湿度に応じた即時的な変化の速度が異なっている。
【００２７】
すなわち、検出容量部２０は、多数の感湿孔２４が設けられていることにより、外部の湿度変化に対応して、湿度の測定に十分な速さでの感湿層２１の水分量が変化する。対して、基準容量部３０に設けられている感湿孔２４は一つである。このため、基準容量部３０の感湿層２１は、外部の雰囲気の湿度が変化した場合は、即時的には水分量が変化しない。したがって、湿度測定においては、基準容量部３０は、基準容量部１３０（図６（ａ）、図６（ｂ）参照）同様に機能する。
【００２８】
湿度センサ１による湿度測定において、基準容量部３０が雰囲気の湿度変化に応じて変化することを防ぐためには、その時定数が検出容量部２０の時定数よりも十分に大きくする必要がある。
湿度センサ１では、感湿孔２４の数を十分に少なくすることにより、基準容量部３０における感湿層２１の開口部２５の面積を、検出容量部２０における感湿孔２４の開口部２５の面積より十分小さくしている。これにより、基準容量部３０の時定数を検出容量部２０の時定数より十分大きくして、検出容量部２０と基準容量部３０の容量の差を用いて、雰囲気の湿度を検出することが可能になる。
【００２９】
感湿孔２４の大きさは、基準容量部３０と検出容量部２０とで同じでもよいが、即時的な基準容量部３０の容量変化を抑える観点から、基準容量部３０が検出容量部２０よりも小さいことが好ましい。
【００３０】
湿度を安定的に測定する観点から、基準容量部３０の時定数と、検出容量部２０の時定数の比（基準容量部３０／検出容量部２０）は、１／１０万〜１／５００万であることが好ましい。
なお、時定数とは、電気回路における応答の速さを表す指標であって、電圧信号または電流信号が定常状態の約６３．２［％］または約３６．８［％］に達するまでの時間であり、時定数が小さいほど容量部が定常状態に達する時間が速い。
【００３１】
（第二の実施形態）
図１（ａ）、図１（ｂ）に示す第一の実施形態の湿度センサ１は、センサ電極２２、２３に挟まれた感湿層２１が外部と連通するように、センサ電極２２を貫通する感湿孔２４が設けられている。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、実施形態の湿度センサ２の基準容量部３１は、感湿孔２４により、センサ電極２２、２３に挟まれていない感湿層２１の部分と外部と連通する点において、湿度センサ１の基準容量部３０と異なっている。この構成により、雰囲気中の水分が感湿層２１中を拡散して、センサ電極２２、２３間に到達するまでに時間を要するから、基準容量部３１の時定数を大きくすることができる。感湿孔２４から一対のセンサ電極２２、２３までの距離ｈが大きくなるほど、水分がセンサ電極２２、２３間に到達するために要する時間が長くなるから、基準容量部３１の時定数が大きくなる。
【００３２】
距離ｈとは、感湿孔２４と、センサ電極２２または感湿孔２４との最も近接する部分の距離をいう。なお、第一の実施形態の湿度センサ１のように、センサ電極２２を通過して感湿層２１に到達する感湿孔２４が設けられている場合、距離ｈは０である。
【００３３】
（第三の実施形態）
図４に示すように、本実施形態の湿度センサ３は、基準容量部３２の感湿層２１と外部とを連通する感湿孔２４が浸透遅延層５０によって覆われている。浸透遅延層５０は、水分が浸透可能であり、感湿層２１よりも水分が浸透する速度（水分浸透速度）が遅いものであればよく、例えば、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）等のケイ素の酸化物（酸化ケイ素）が挙げられる。
感湿孔２４を浸透遅延層５０で覆うことによって、雰囲気中の水分が感湿孔２４から感湿層２１に到達するまでの速度が遅くなるから、基準容量部３２の時定数が大きくなる。
【００３４】
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。また、各実施の形態において説明した構成を組み合わせて実施することもできる。
【実施例】
【００３５】
（実施例）
第二の実施形態の湿度センサ２（図３（ａ）、図３（ｂ）参照）を作製し、高温高湿（８５℃８５％）条件下で保存した後における初期からの出力変化（ドリフト）量を測定した。検出容量部２０と基準容量部３１とは、同一の感湿層２１およびセンサ電極２２、２３を用いて構成した。
感湿孔２４の数は、検出容量部２０を１６個、基準容量部３１を１個とし、距離ｈを７５μｍとした。なお、全ての感湿孔２４の形状は同一とした。
【００３６】
（比較例）
基準容量部１３０に感湿孔２４が設けられていない点において、第二の実施形態の湿度センサ２（図３（ａ）、図３（ｂ）参照）と異なる湿度センサ１００（図６（ａ）、図６（ｂ）参照）を作製し、高温高湿（８５℃８５％）条件下で保存した後における初期からの出力変化（ドリフト）量を測定した。
【００３７】
図５に示すように、基準容量部３０に感湿孔２４が設けられていない比較例の湿度センサ１００は、高温高湿条件下において約３００時間保存した後、保存前（初期状態）を基準（１００％）として、出力に約８％のドリフトが生じた。
対して、基準容量部３１に感湿孔２４が設けられている実施例の湿度センサ２は、高温高湿条件下で約３００時間保存した後におけるドリフト量は、保存前（初期状態）を基準（１００％）として２％よりも小さかった。
この結果から、基準容量部３１に感湿層２１を外部と連通する感湿孔２４が設けられた湿度センサ２は、経時的なドリフト量が抑制され、長期間、良好な測定精度を維持できることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
以上のように、本発明は、経時的なドリフトが抑制された、測定精度の良い湿度センサとして有用である。
【符号の説明】
【００３９】
１、２、３：湿度センサ
１０    ：半導体基板
２０    ：検出容量部
２１    ：感湿層
２２、２３：センサ電極
２４    ：感湿孔
２５    ：開口部
３０、３１、３２、１３０：基準容量部
４０    ：非透湿保護膜
５０    ：浸透遅延層
１００  ：湿度センサ
Ｃ      ：静電容量
Ｌ      ：積層構造
Ｓ      ：対向面積
ｄ      ：センサ電極間の距離
ｈ      ：感湿孔とセンサ電極との距離
ε      ：誘電率
【図１】
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【図２】
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【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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