(57)【要約】【課題】多湿環境でも長期間安定して使用できる高感度の湿度センサを提供する。【解決手段】静電容量型湿度センサが、基板（１０）と、絶縁層（２０）と、一対の電極（３１，３２）と、保護層（４０）と、感湿層（５０）とを備えている。この静電容量型湿度センサには、一対の電極（３１，３２）間に位置する絶縁層（２０）の部分に、溝（２１）が設けられている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
上記基板上に設けられた絶縁層と、
上記絶縁層上に設けられ、所定の間隔を隔てて互いに対向するよう配置された一対の電極と、
上記絶縁層および一対の電極を覆う保護層と、
上記保護層上に設けられた感湿層と、
を備え、
上記一対の電極間に位置する上記絶縁層上の部分に、溝が設けられていることを特徴とする静電容量型湿度センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の静電容量型湿度センサにおいて、
上記溝の深さが、上記保護層の厚さよりも大きいことを特徴とする静電容量型湿度センサ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の静電容量型湿度センサにおいて、
上記保護層が、屈折率２．３０以上の窒化ナイトライド膜であることを特徴とする静電容量型湿度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型湿度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の静電容量型湿度センサとしては、例えば、特開平１−３００９６３号公報（特許文献１）に記載されたものがある。
【０００３】
上記従来の静電容量型湿度センサは、図６に示すように、基板５１０と、この基板５１０上に設けられた絶縁層５２０と、この絶縁層５２０上に設けられた一対の櫛歯型電極５３１，５３２と、絶縁層５２０および一対の櫛歯型電極５３１，５３２を覆う保護層５４０と、この保護層５４０上に設けられた感湿層５５０とを備えている。
【０００４】
このような静電容量型湿度センサでは、感湿層５５０の比誘電率が含まれている水分量に応じて変化する性質を利用して、湿度の変化を一対の櫛歯型電極５３１，５３２間の静電容量値の変化として検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１−３００９６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来の静電容量型湿度センサは、湿度に感応し難く比誘電率が変化しない保護層５４０で一対の櫛歯型電極５３１，５３２を覆うことで、高温多湿な環境下においても電極の腐食を防止し、長期間に渡って安定して使用できるようにしている。
【０００７】
このような上記従来の静電容量型湿度センサでは、保護層５４０で櫛歯型電極５３１，５３２を覆わない場合と比べて、一対の櫛歯型電極５３１，５３２を覆う感湿層５５０の面積が減少し、一対の櫛歯型電極５３１，５３２間の静電容量値の変化量が小さくなるため、湿度の変化を検出できない場合があった。
【０００８】
そこで、本発明の課題は、多湿環境でも長期間安定して使用できる高感度の湿度センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明の静電容量型湿度センサは、
基板と、
上記基板上に設けられた絶縁層と、
上記絶縁層上に設けられ、所定の間隔を隔てて互いに対向するよう配置された一対の電極と、
上記絶縁層および一対の電極を覆う保護層と、
上記保護層上に設けられた感湿層と、
を備え、
上記一対の電極間に位置する上記絶縁層上の部分に、溝が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
また、一実施形態の静電容量型湿度センサは、
上記溝の深さが、上記保護層の厚さよりも大きい。
【００１１】
また、一実施形態の静電容量型湿度センサは、
上記保護層が、屈折率２．３０以上の窒化ナイトライド膜である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の静電容量型湿度センサによれば、一対の電極間に位置する絶縁層の部分に溝が設けられているので、一対の電極間に位置する絶縁層の部分に溝が設けられていない従来の静電容量型湿度センサと比べて、一対の電極を覆う感湿層の面積が大きくなり、一対の電極間の静電容量が増加する。このため、従来の静電容量型湿度センサよりも比誘電率が変化したときの静電容量値の変化量を増加させることができ、湿度に対する感度を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態の静電容量型湿度センサを示す平面の模式図である。
【図２】図１の静電容量型湿度センサを示す縦断面の模式図である。
【図３】本発明の第１実施形態の静電容量型湿度センサおよび従来の静電容量型湿度センサに関する相対湿度と静電容量との関係を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態の静電容量型湿度センサを示す縦断面の模式図である。
【図５】本発明の第３実施形態の静電容量型湿度センサの他の例を示す縦断面の模式図である。
【図６】従来の静電容量型湿度センサを示す縦断面の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の静電容量型湿度センサを図示の一実施形態により詳細に説明する。なお、図示の静電容量型湿度センサは、適宜、要部を強調して示している模式図である。このため、図面上の各構成部分の寸法比と実際の各構成部分の寸法比とは、必ずしも一致するものではない。
【００１５】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態の静電容量型湿度センサは、図１，図２に示すように、基板１０と、基板１０上に設けられた絶縁層２０と、絶縁層２０上に設けられた一対の電極の一例としての第１，第２電極３１，３２と、絶縁層２０および第１，第２電極３１，３２を覆う保護層４０と、保護層４０上に設けられた感湿層５０とを備えている。
【００１６】
基板１０は、例えば、シリコンで構成された半導体基板（Ｓｉ基板）である。なお、基板１０として、例えば、サファイヤ基板またはＳｉＣ基板を用いてもよい。
【００１７】
絶縁層２０は、ＳｉＯ２で構成され、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、基板１０上の各部分において同じ厚さを有するように形成されている。なお、絶縁層２０の材料は、ＳｉＮ、あるいは、Ａｌ２Ｏ３等であってもよい。
【００１８】
第１，第２電極３１，３２は、図１，図２に示すように、絶縁層２０上の同一平面に、所定の間隔を隔てて互いに対向するように配置され、図示していないが、ＡｌＣｕ等からなる配線が形成されている。この第１，第２電極３１，３２は、例えば、チタン、アルミ等の金属材料を絶縁層２０上にスパッタリングまたは蒸着等の手法を用いて付着させ、その後パターニングすることによって形成されている。
【００１９】
第１電極３１は、図１に示すように、櫛歯形状を有しており、直線形状の共通電極部３１ａと、共通電極部３１ａの長手方向に沿って設けられた複数の櫛歯電極部３１ｂと、共通電極部３１ａの一端に設けられたパッド３１ｃとから構成されている。櫛歯電極部３１ｂは、共通電極部３１ａに対して直交するように配置されており、共通電極部３１ａから第２電極３２に向かって延在している。
【００２０】
第２電極３２も櫛歯形状を有しており、第１電極３１と同様の構成を有している。つまり、直線形状の共通電極部３２ａと、共通電極部３２ａの長手方向に沿って設けられた複数の櫛歯電極部３２ｂと、共通電極部３２ａの一端に設けられたパッド３２ｃとから構成されている。櫛歯電極部３２ｂは、共通電極部３２ａに対して直交するように配置されており、共通電極部３２ａから第１電極３１に向かって延在している。
【００２１】
第１電極３１の共通電極部３１ａと第２電極３２の共通電極部３２ａとは、互いに略平行であり、この共通電極部３１ａ，３２ａに沿って、櫛歯電極部３１ｂ，３２ｂが交互に並ぶように略平行に配置されている。このように、第１，第２電極３１，３２を櫛歯形状とすることで、第１，第２電極３１，３２の配置面積を小さくしつつ、第１，第２電極３１，３２が対向する面積を大きくできる。このため、第１電極３１および第２電極３２間の静電容量値の変化を大きくでき、湿度に対する感度を向上できる。
【００２２】
なお、第１，第２電極３１，３２のパッド３１ｃ，３２ｃは、信号処理回路等との接続のため露出されており、保護層４０により覆われていない。
【００２３】
また、第１電極３１の櫛歯電極部３１ｂと第２電極３２の櫛歯電極部３２ｂとの間に位置する絶縁層２０の部分には、溝２１が設けられている。
【００２４】
溝２１は、例えば、エッチングによって絶縁層２０の表面の一部を除去することにより形成されている。本実施形態においては、図２に示すように、溝２１上に形成された保護層４０の上面が、第１，第２電極３１，３２の底面よりも僅かに高い位置をとるように構成している。
【００２５】
保護層４０は、窒化ナイトライド膜で構成され、例えば、熱ＣＶＤ法によって、絶縁層２０および第１，第２電極３１，３２の各部分において同じ厚さを有するように形成されている。
【００２６】
窒化ナイトライド膜は、膜中に水分を取り込みにくいという性質を有しているため、保護層４０として採用することで、第１，第２電極３１，３２の腐食を防止できる。
【００２７】
なお、窒化ナイトライド膜の膜厚は、ピンホールによる水分の侵入を防ぐため５００ｎｍ以上であるのが望ましい。
【００２８】
感湿層５０は、吸湿性を備えた高分子有機材料、例えば、ポリイミド膜で構成されている。この感湿層５０は、例えば、印刷法によって保護層４０上に塗布した後、硬化させることにより形成されている。
【００２９】
上記感湿層５０中に水分が浸透すると、浸透した水分量に応じて感湿層５０の比誘電率が変化して、感湿層５０を誘電体の一部とする第１，第２電極間の静電容量が変化する。このため、第１，第２電極３１，３２間の静電容量値の変化を検出することによって、湿度の変化を検出できる。
【００３０】
次に、第１，第２電極３１，３２間の静電容量について説明する。
【００３１】
図２に示すように、第１，第２電極３１，３２間には、第１，第２電極３１，３２の底面に繋がれている下方容量Ｃ１と、第１，第２電極３１，３２の一方の側面に繋がれている側方容量Ｃ２と、第１，第２電極３１，３２の上面に繋がれている上方容量Ｃ３とが、並列に結合されている。第１，第２電極３１，３２間の静電容量は、下方容量Ｃ１の静電容量と、側方容量Ｃ２の静電容量と、上方容量Ｃ３の静電容量とにより決まる。
【００３２】
下方容量Ｃ１は、第１，第２電極３１，３２の下面が感湿層５０に面していないため、湿度に対して感応しない寄生容量である。つまり、第１，第２電極３１，３２間の静電容量における湿度に感応する容量成分は、側方容量Ｃ２および上方容量Ｃ３である。
【００３３】
第１実施形態の静電容量型湿度センサでは、第１，第２電極３１，３２の櫛歯電極部３１ｂ，３２ｂの間に溝２１を設け、感湿層５０で覆われている第１，第２電極３１，３２の側面の面積を大きくしている。これにより、第１，第２電極３１，３２間の静電容量に占める側方容量Ｃ２の割合が増加し、湿度に感応する容量成分が増加する。
【００３４】
ここで、上記静電容量型湿度センサおよび従来の静電容量型湿度センサに関する相対湿度と静電容量との関係を図３に示す。図３では、上記静電容量型湿度センサに関する相対湿度と静電容量との関係を実線で、従来の静電容量型湿度センサに関する相対湿度と静電容量との関係を点線で示している。
【００３５】
上記静電容量型湿度センサの第１，第２電極３１，３２間の静電容量値と、従来の静電容量型湿度センサの第１，第２電極５３１，５３２間の静電容量値とを、相対湿度を２０％ＲＨから８０％ＲＨまで変化させて比較すると、本発明の静電容量型湿度センサは、従来の静電容量型湿度センサよりも、静電容量値の変化量が約２倍になっている。
【００３６】
このように、第１，第２電極３１，３２の間に溝２１を設けることによって、従来の静電容量型湿度センサよりも感湿層５０に水分が浸透して比誘電率が変化したときの静電容量値の変化量を増加させることができ、湿度に対する感度を向上できる。
【００３７】
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態の静電容量型湿度センサを示す縦断面の模式図である。なお、上記第１実施形態と同一の構成部には同一番号を付しており、第１，第２実施形態の説明を援用する。
【００３８】
第２実施形態の静電容量型湿度センサでは、  第１，第２電極３１，３２の厚さを８００ｎｍ，溝１２１の深さを８００ｎｍ，保護層４０の厚さを７００ｎｍとした。第１，第２電極３１，３２の膜厚、溝１２１の深さ、および、保護層４０の厚さに加えて、第１，第２電極３１，３２間の距離等を調整して、溝１２１の深さを保護層４０の厚さよりも大きくすることにより、溝１２１上に形成されている保護層４０の上面が、第１，第２電極３１，３２の下面よりも下側に位置するように構成している。
【００３９】
このように、溝１２１の深さを保護層４０の厚さよりも大きくすることで、第１，第２電極３１，３２の側面全体を感湿層５０により覆うことができるため、感湿層５０に覆われる第１，第２電極３１，３２の面積が大きくなる。このため、感湿層５０に水分が浸透して比誘電率が変化したときの静電容量値の変化量を増加させて、湿度に対する感度を向上できる。
【００４０】
なお、「保護層４０の厚さ」は、例えば、絶縁層２０および第１，第２電極３１，３２を覆う保護層４０の厚さの平均値であってもよいし、最大値であってもよい。
【００４１】
（第３実施形態）
第３実施形態の静電容量型湿度センサは、第２実施形態の静電容量型湿度センサにおける保護層４０を、屈折率２．３０以上の窒化ナイトライド膜で構成したものである。なお、上記第１，第２実施形態と同一の構成部には同一番号を付しており、第１，第２実施形態の説明を援用する。
【００４２】
窒化ナイトライド膜は、屈折率を２．３０以上にすることにより、膜の表面が撥水性を有するようになる。保護層４０として、屈折率を２．３０以上にした窒化ナイトライド膜を採用することにより、次のような効果が得られる。
【００４３】
従来の静電容量型湿度センサを高湿環境で長時間使用すると、感湿層５５０に取り込まれた水分によって、第１，第２電極５３１，５３２間の静電容量値が次第に高く変化する現象が発生する場合がある。この現象が発生すると、測定環境の湿度が実際には変化していないにもかかわらず、検出された湿度の値が時間の経過とともに上昇して、湿度センサの特性シフト量（特性の変化量）が増加してしまうため、湿度の検出精度が低下してしまう。
【００４４】
しかし、保護層４０として屈折率を２．３０以上の窒化ナイトライド膜を用いると、その撥水性から、保護層４０と感湿層５０との間に水分が吸着しにくくなり、感湿層５０への水分の吸収を抑制することができる。すなわち、上述の現象の発生を抑制して、湿度センサの特性シフト量を減少させることにより、湿度の検出精度を向上できる。
【００４５】
ここで、屈折率と湿度センサの特性シフト量との関係を調べるため、屈折率２．０７の窒化ナイトライド膜を用いた従来の静電容量型湿度センサ（湿度センサ１）の特性ずれと、屈折率２．７０の窒化ナイトライド膜を用いた第２実施形態の静電容量型湿度センサ（湿度センサ２）の特性ずれとを比較した。
【００４６】
具体的には、温度８５℃，相対湿度８５％ＲＨの条件下で、１００時間放置した後に、湿度センサ１の特性ずれと、湿度センサ２の特性ずれとを比較した。その結果、湿度センサ１の特性ずれが、１０％ＲＨであったのに対し、湿度センサ２の特性ずれは、７．５％ＲＨであった。つまり、窒化ナイトライド膜の屈折率を２．０７から２．７０にすることによって、特性ずれが１０％ＲＨから７．５％ＲＨに減少した。この比較により、窒化ナイトライド膜の屈折率を高くすることによって、湿度センサの特性シフト量が減少することが確認できた。
【００４７】
なお、窒化ナイトライド膜の屈折率は、反応ガスの混合比を変えることにより調整できる。
【００４８】
第３実施形態の静電容量型湿度センサでは、保護層４０を窒化ナイトライド膜単層で構成しているが、これに限られない。例えば、図５に示すように、窒化ナイトライド膜２４１と酸化膜２４２とで保護層２４０を構成してもよい。この場合、保護層２４０は、例えば、８００ｎｍの酸化膜２４２上に３００ｎｍのナイトライド膜２４１を積層することにより形成することができる。また、２層構造とすることで、窒化ナイトライド膜単体の場合に比べ、膜の応力を緩和できるので、ストレスマイグレーションに対する耐性を上げることができる。
【００４９】
上記第１〜第３実施形態の静電容量型湿度センサでは、櫛歯形状の第１，第２電極３１，３２を用いているが、これに限られない。第１，第２電極は、所定の間隔を隔てて互いに対向するように配置できる形状であればよく、例えば、Ｌ字形状またはπ字形状の電極を用いることもできる。
【００５０】
上記第１〜第３実施形態の静電容量型湿度センサでは、保護層４０を窒化ナイトライド膜で構成しているが、これに限られない。例えば、保護層をシリコン窒化膜で構成してもよい。
【００５１】
しかしながら、上記第１〜第３実施形態の静電容量型湿度センサでは、絶縁層２０の第１，第２電極３１，３２の間の表面に溝２１，１２１が形成されているので、従来の静電容量型湿度センサと比べて、内部の深い位置まで水分が侵入する。そのため、屈折率の高い窒化ナイトライド膜を保護層４０として採用するのが好ましい。
【００５２】
上記第１〜第３実施形態の静電容量型湿度センサの各々の構成要素は、可能ならば、お互いに入れ換え、あるいは追加してもよいことは勿論である。
【００５３】
すなわち、本発明および実施形態を纏めると、次のようになる。
【００５４】
本発明の静電容量型湿度センサは、
基板１０と、
上記基板１０上に設けられた絶縁層２０と、
上記絶縁層２０上に設けられ、所定の間隔を隔てて互いに対向するよう配置された一対の電極３１，３２と、
上記絶縁層２０および一対の電極３１，３２を覆う保護層４０と、
上記保護層４０上に設けられた感湿層５０と、
を備え、
上記一対の電極間３１，３２に位置する上記絶縁層２０上の部分に、溝２１が設けられていることを特徴としている。
【００５５】
上記構成によれば、一対の電極間３１，３２に位置する絶縁層２０の部分に溝２１が設けられているので、一対の電極間３１，３２に位置する絶縁層２０の部分に溝２１が設けられていない従来の静電容量型湿度センサと比べて、一対の電極３１，３２を覆う感湿層５０の面積が大きく、一対の電極３１，３２間の静電容量が増加する。このため、従来の静電容量型湿度センサよりも比誘電率が変化したときの静電容量値の変化量を増加させて、湿度に対する感度を向上できる。
【００５６】
また、一実施形態の静電容量型湿度センサは、
上記溝１２１の深さが、上記保護層４０の厚さよりも大きい。
【００５７】
上記実施形態によれば、溝１２１の深さを保護層４０の厚さよりも大きくすることにより、感湿層５０に覆われる一対の電極３１，３２の面積が大きくなり、一対の電極３１，３２間の静電容量が増加する。このため、比誘電率が変化したときの静電容量値の変化量を増加させて、湿度に対する感度を向上できる。
【００５８】
また、一実施形態の静電容量型湿度センサは、
上記保護層４０が、屈折率２．３０以上の窒化ナイトライド膜である。
【００５９】
上記実施形態によれば、屈折率２．３０以上の窒化ナイトライド膜が撥水性を有することから、感湿層５０の水分の取り込みを抑制できる。このため、保護層４０を屈折率２．３０以上の窒化ナイトライド膜とすることにより、一対の電極３１，３２の腐食を防止できると共に、感湿層５０に取り込まれた水分に起因する静電容量型湿度センサの特性シフト現象の発生を抑制できる。
【符号の説明】
【００６０】
１０  基板
２０  絶縁層
２１，１２１  溝
３１  第１電極
３２  第２電極
３１ａ，３２ａ  共通電極部
３１ｂ，３２ｂ  櫛歯電極部
３１ｃ，３２ｃ  パッド
４０，２４０  保護層
５０  感湿層
２４１  窒化ナイトライド膜
２４２  酸化膜
【図１】
2015148513.tif 000003
【図２】
2015148513.tif 000004
【図３】
2015148513.tif 000005
【図４】
2015148513.tif 000006
【図５】
2015148513.tif 000007
【図６】
2015148513.tif 000008