(57)【要約】【課題】感湿膜の面積を増加させることなく、効果的に湿度変化に伴う電極間の静電容量の変化量を増加させることができる容量式湿度センサを提供する。【解決手段】半導体基板１０の同一平面に、一対の櫛歯型電極３１、３２を形成し、その一対の櫛歯型電極３１、３２を覆うように、シリコン窒化膜４０からなる保護膜およびポリイミド系ポリマーからなる感湿膜５０を形成する。さらに、感湿膜５０の上に、感湿膜５０より比誘電率が高く、透湿性の透湿膜６０を形成する。このような透湿膜６０を感湿膜５０上に形成することにより、感湿膜５０における湿度変化に伴って変化する一対の櫛歯型電極３１、３２間の静電容量の変化量を増加させることができる。【選択図】        図２
2004271461.tif 000002
【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、所定の間隔を隔てて配置された第１および第２の電極と、
前記基板上において、少なくとも前記第１および第２の電極の間における領域に対応して形成され、湿度に応じて誘電率が変化する感湿膜と、
前記感湿膜上において、前記第１および第２の電極の間における領域の少なくとも一部に対応して形成され、前記感湿膜より比誘電率が高く、水分を透過させる透湿膜とを備えた容量式湿度センサ。
【請求項２】
前記透湿膜はシリコンゲルによって形成されていることを特徴とする請求項１記載の容量式湿度センサ。
【請求項３】
前記第１および第２の電極と、その第１および第２の電極間と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形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の容量式湿度センサ。
【請求項４】
前記保護膜は、少なくともシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜を含む膜によって形成されていることを特徴とする請求項３記載の容量式湿度センサ。
【請求項５】
前記基板として半導体基板が用いられ、前記第１および第２の電極は、前記半導体基板の主面に形成された絶縁膜上に設けられることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【請求項６】
前記第１および第２の電極は、それぞれ、共通電極部と、当該共通電極部から一方向に延びる複数の櫛歯電極部とから構成され、前記第１の電極の櫛歯電極部と前記第２の電極の櫛歯電極部とが交互に並ぶように、前記第１および第２の電極が配列されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一対の電極間に、湿度に応じて誘電率が変化する感湿膜を介在させることにより、雰囲気湿度の変化に応じた一対の電極間の静電容量変化に基づいて湿度を検出する容量式湿度センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の容量式湿度センサとして、基板上の同一平面に、櫛歯型に形成した一対の電極を、それぞれ櫛歯電極部がかみ合うように配置した所謂櫛歯構造のものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このような櫛歯構造の容量式湿度センサにおいては、例えばポリイミド系ポリマーからなる感湿膜を一対の櫛歯型電極を覆うように形成することにより、一対の電極間に感湿膜を介在させ、この感湿膜における湿度変化に伴う誘電率の変化を、一対の電極間の静電容量の変化として検出する。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２４３６９０号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した櫛歯構造の容量式湿度センサでは、電極の櫛歯の数を増加させたり櫛歯の長さを長くしたりすることにより感湿膜の面積を増加させると、感湿膜における湿度変化に伴って変化する電極間の静電容量の変化量が大きくなり、これにより、センサの感度を向上させることができる。ところが、このように電極の櫛歯の数を増加させたり櫛歯の長さを長くしたりすると、センサ素子が大きくなるなどの問題が生じるため、感湿膜の面積を増加させることなく、電極間の静電容量変化量を増加させるほうが好ましい。
【０００５】
感湿膜の厚さを増加させると、電極間の静電容量変化量を増加させることができるが、感湿膜の厚さがある程度厚くなると、それ以上厚さを増加させても電極間の静電容量変化量はそれほど増加しなくなるため、感湿膜の厚さを増加させることにより電極間の静電容量変化量を増加させるのには限界がある。
【０００６】
本発明は、上記点に鑑みなされたものであり、感湿膜の面積を増加させることなく、効果的に湿度変化に伴う電極間の静電容量の変化量を増加させることができる容量式湿度センサを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の容量式湿度センサは、基板と、この基板上の同一平面に、所定の間隔を隔てて配置された第１および第２の電極と、基板上において、第１および第２の電極の間における領域に対応して形成され、湿度に応じて誘電率が変化する感湿膜と、感湿膜上において、前記第１および第２の電極の間における領域の少なくとも一部に対応して形成され、感湿膜より比誘電率が高く、水分を透過する透湿膜とを備えたことを特徴としている。
【０００８】
このような構成によると、感湿膜上に比誘電率がより高い透湿膜が形成されていることにより、このような透湿膜が形成されていない場合に比較して、感湿膜における湿度変化に伴って変化する電極間の静電容量の変化量が大きくなる。このようにして、感湿膜の面積を増加させることなく、電極間の静電容量変化量を増加させることができる。
【０００９】
透湿膜は、請求項２記載のように、シリコンゲルによって形成されているとよい。一般的に感湿膜の比誘電率が２〜６ほどであるのに対して、シリコン系ゲルはこれより高い比誘電率を有するものがあり、また透湿性に優れているため、シリコンゲルにより透湿膜を形成すると、透湿膜を形成することにより容量式湿度センサの応答特性の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、基板上には、請求項３記載のように、第１および第２の電極と、その第１および第２の電極間とを覆うように保護膜が形成されているとよく、この保護膜は、請求項４記載のように、少なくともシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜を含む膜によって形成されているとよい。このようにシリコン窒化膜またはシリコン酸化膜からなる保護膜を形成することにより、第１および第２の電極を水分などから確実に保護することが可能となり、第１および第２の電極の耐湿性を向上することができる。
【００１１】
請求項５記載のように、基板として半導体基板が用いられた場合、第１および第２の電極は、半導体基板の主面に形成された絶縁膜上に設けられることが好ましい。半導体基板上に本発明による容量式湿度センサを構成することにより、その容量式湿度センサから出力される検出信号の処理回路も、同一基板に形成することができるようになる。ただし、この場合、第１および第２の電極からの電流の漏洩などを防止するために、半導体基板の主面に絶縁膜を形成し、その絶縁膜上に電極を形成すべきである。
【００１２】
第１および第２の電極は、請求項６記載のように、それぞれ、共通電極部と、当該共通電極部から一方向に延びる複数の櫛歯電極部とから構成され、かつ第１の電極の櫛歯電極部と第２の電極の櫛歯電極部とが交互に並ぶように、第１および第２の電極が配列されているとよい。このように、第１および第２の電極を櫛歯型電極として構成して、それぞれの櫛歯電極部が交互に並ぶように配置することにより、一対の電極間の対向面積を大きくして、これにより、感湿膜における湿度変化に伴って変化する電極間の静電容量の変化量を大きくすることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。図１は、本実施形態に係る容量式湿度センサの平面図であり、図２は、図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った容量式湿度センサの断面図である。
【００１４】
図１および図２において、１０は半導体基板であり、例えばシリコンから形成される。この半導体基板１０の主面には、絶縁膜としてシリコン酸化膜２０が形成される。そして、一対の電極３１、３２が、シリコン酸化膜２０上の同一平面において、対向するように配置されている。
【００１５】
一対の電極３１、３２の形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、図１に示されるように、それぞれ電極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とから構成される。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。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、雰囲気湿度の変化に伴って変化する一対の電極３１、３２間における静電容量の変化量が大きくなり、センサの感度が向上する。
【００１６】
一対の電極３１、３２は、例えばアルミニウム、銅、金、白金などの金属材料を半導体基板１０上に蒸着やスパッタリングなどの手法によって付着させ、その後、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。
【００１７】
これら一対の電極３１、３２を覆うように、半導体基板１０上に保護膜としてシリコン窒化膜４０が形成される。このシリコン窒化膜４０は、例えばプラズマＣＶＤ法などによって、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に耐食性がある場合には、シリコン窒化膜４０は形成しなくてもよい。
【００１８】
なお、図１に示すように、一対の電極３１、３２には、その間の静電容量の変化量を検出するための信号処理回路と接続するためのパッド３１Ｃ、３２Ｃが形成されている。そのパッド３１Ｃ、３２Ｃは、信号処理回路との接続のために露出されている必要があり、シリコン窒化膜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、半導体基板１０上に容量式湿度センサを形成しているので、この半導体基板１０の主面にその容量式湿度センサの静電容量の変化量を検出する信号処理回路を形成することも可能である。
【００１９】
シリコン窒化膜４０の上には、一対の電極３１、３２および一対の電極３１、３２の間を覆うように、感湿膜５０が形成されている。なお、図１では、感湿膜５０の形成領域を点線によって示している。
【００２０】
この感湿膜５０は、吸湿性を備えた高分子有機材料から構成することができ、具体的には、ポリイミド系ポリマーや酢酸酪酸セルロースなどによって構成することができる。そして、この感湿膜５０をシリコン窒化膜４０上に形成するには、例えば吸湿性を備えた高分子有機材料をスピンコート法や印刷法にて塗布した後、硬化すればよい。
【００２１】
この感湿膜５０では、膜中に水分が浸透すると、水分は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の誘電率も変化する。その結果、この感湿膜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、本容量式湿度センサの周囲の雰囲気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。
【００２２】
感湿膜５０の上には、水分を透過させる透湿性の透湿膜６０が、感湿膜５０を覆うように形成されている。図１では、透湿膜６０の形成領域を一点鎖線によって示している。透湿膜６０は、その比誘電率が感湿膜５０のそれより高くなっており、本実施形態では、感湿膜５０は湿度が０％ＲＨ〜１００％ＲＨの範囲で変化するのに伴って比誘電率が２．９〜３．３の範囲で変化するものであるのに対して、透湿膜６０の比誘電率は７．０になっている。一般的には、感湿膜５０の比誘電率が２．０〜６．０ほどであるのに対して、透湿膜６０の比誘電率は４．０〜１０．０ほどである。
【００２３】
このように感湿膜５０より高い比誘電率をもつ透湿膜６０を感湿膜５０上に形成することにより、感湿膜５０における湿度変化に伴う一対の電極３１、３２間の静電容量の変化量を増加させることができる。また、透湿膜６０の比誘電率が高いほど、湿度変化に伴う電極３１、３２間の静電容量の変化量は大きくなる。
【００２４】
これについて、図３に基づいて説明する。電極３１、３２の間には、透湿膜６０を通らないパスによって直列につながれた複数のコンデンサＣ１１、Ｃ１２からなる第１コンデンサＣ１と、透湿膜６０を通るパスによって直列につながれた複数のコンデンサＣ２１〜Ｃ２３からなる第２コンデンサＣ２が無数に形成されていると考えられる。ここで、電極間３１、３２の静電容量Ｃは、第１コンデンサの静電容量Ｃ１と第２コンデンサの静電容量Ｃ２により、つぎのように表される。
【００２５】
【数１】
Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２
また、第１コンデンサおよび第２コンデンサの静電容量Ｃ１、Ｃ２は、各コンデンサの静電容量Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ２１〜Ｃ２３により、つぎのように表される。
【００２６】
【数２】
１／Ｃ１＝２／Ｃ１１＋１／Ｃ１２
【００２７】
【数３】
１／Ｃ２＝２／Ｃ２１＋２／Ｃ２２＋１／Ｃ２３
ここで、保護膜４０の誘電率をεｐ、感湿膜５０の誘電率をεｖ、透湿膜６０の誘電率をεｗとすると、第２コンデンサＣ２を構成する、保護膜部分のコンデンサＣ２１の合成静電容量Ｃｐ（＝２／Ｃ２１）、感湿膜部分のコンデンサＣ２２の合成静電容量Ｃｖ（＝２／Ｃ２２）、透湿膜部分のコンデンサＣ２３の静電容量Ｃｗ（＝Ｃ２３）はそれぞれつぎのように表すことができる。
【００２８】
【数４】
2004271461.tif 000003
【００２９】
【数５】
2004271461.tif 000004
【００３０】
【数６】
2004271461.tif 000005
【００３１】
さらに、感湿膜５０の誘電率εｖは、εｖ＜εｗであることから、透湿膜の誘電率εｗを用いてつぎのように表すことができる。
【００３２】
【数７】
2004271461.tif 000006
【００３３】
また、保護膜４０の誘電率εｐは、透湿膜の誘電率εｗを用いてつぎのように表すことができる。
【００３４】
【数８】
2004271461.tif 000007
【００３５】
湿度によって不変である保護膜部分および透湿膜部分のコンデンサＣｐ、Ｃｗの合成静電容量をＣｆとおくと、これは上記数式４、６、８を用いてつぎのように表される。
【００３６】
【数９】
2004271461.tif 000008
【００３７】
ここで、
【００３８】
【数１０】
2004271461.tif 000009
【００３９】
とおくと、湿度によって不変な合成静電容量Ｃｆは、つぎのように表される。
【００４０】
【数１１】
2004271461.tif 000010
【００４１】
第２コンデンサの静電容量Ｃ２は、湿度によって不変な合成静電容量Ｃｆと湿度によって変化する感湿膜部分の合成静電容量Ｃｖを合成したものであり、従って上記数式５、７および１１を用いてつぎのように表される。
【００４２】
【数１２】
2004271461.tif 000011
【００４３】
感湿膜５０の誘電率εｖが、湿度変化により増加してεｖ’（＝εｖ＋Δεｖ）となったとすると、変化後の誘電率εｖ’は、つぎのように表すことができる。
【００４４】
【数１３】
εｖ’＝ｋ’εｗ          （０＜ｋ＜ｋ’＜１）
この感湿膜の誘電率εｖの変化に伴う第２コンデンサの静電容量Ｃ２の変化量ΔＣ２は、上記数式１２を用いてつぎのように表される。
【００４５】
【数１４】
2004271461.tif 000012
【００４６】
ここで、ｋ’＞０、ｋ＞０、（ｋ’−ｋ）＞０、ｘｆ＞０、ｘｖ＞０であることから、上記数式１４により、感湿膜５０における湿度変化に伴う第２コンデンサの静電容量Ｃ２の変化量ΔＣ２は、透湿膜６０の誘電率εｗが大きいほど大きくなることがわかる。
【００４７】
感湿膜５０における湿度変化に伴う一対の電極３１、３２間の静電容量Ｃの変化量ΔＣは、上記数式１より、つぎように表すことができる。
【００４８】
【数１５】
ΔＣ＝ΔＣ１＋ΔＣ２
ここで、第１コンデンサの静電容量Ｃ１の変化量ΔＣ１は、透湿膜６０の誘電率εｗによって変化しないので、第２コンデンサの静電容量Ｃ２の変化量ΔＣ２が上記のように透湿膜６０の誘電率εｗが大きいほど大きくなることから、一対の電極３１、３２間の静電容量Ｃの変化量ΔＣは、透湿膜６０の誘電率εｗが大きいほど大きくなることがわかる。
【００４９】
また、従来技術のように透湿膜６０が形成されていない場合は、コンデンサＣ２３は比誘電率が低い大気中に形成されていることになり、εｗ≒１．０となるが、これに対して本実施形態におけるように感湿膜５０上に比誘電率εｗが４．０〜１０．０の透湿膜６０を形成すると、これによって、湿度変化に伴う一対の電極３１、３２間の静電容量Ｃの変化量ΔＣが大きくなることが上記数式１４よりわかる。
【００５０】
本実施形態では、一対の電極３１、３２の間における領域全体に対応して透湿膜６０を形成したが、一対の電極３１、３２の間における領域の一部のみに対応して透湿膜６０を形成した場合でも、透湿膜６０を形成しない場合に比較して、電極３１、３２間の静電容量の変化量を増加させることができる。しかし、本実施形態におけるように、一対の電極３１、３２の間における領域全体に対応して透湿膜６０を形成すると、電極３１、３２間の静電容量の変化量を最も大きく増加させることができる。
【００５１】
本実施形態のように、湿度変化に伴って比誘電率２．９〜３．３の範囲で変化する感湿膜５０上に比誘電率７．０の透湿膜６０を形成した場合に、気温２５℃で相対湿度０％ＲＨ〜１００％ＲＨの範囲での静電容量の変化量を調べた結果、透湿膜６０を形成しない場合に比較して、この相対湿度範囲全体に渡って、静電容量の変化量は３０％増加した。
【００５２】
透湿膜６０は、透湿性に優れたシリコンゲルやフッ素ゲルなどの材料を用いて、液滴などの方法により感湿膜５０上に形成される。透湿膜６０の透湿性が充分でない場合は、容量式湿度センサの応答特性が低下することになる。
【００５３】
ここで、従来の容量式湿度センサとしては、上述した構成の湿度センサ以外に、一対の電極を上下に配置し、その一対の電極間に感湿膜を挟んだ構造をもつ湿度センサもある（平行平板構造と呼ぶ）。
【００５４】
例えば、特開昭６０−１６６８５４号公報に記載された平行平板構造の容量式湿度センサは、基板上に下部電極を形成し、その下部電極上に感湿膜を設け、その感湿膜上に透湿性を有する厚さの薄い上部電極を設けている。この従来の容量式湿度センサは、構成上、上部電極が外部環境に晒されるため、上部電極の耐湿性に問題があったり、上部電極を例えば蒸着やスパッタリングの手法で形成する際に、感湿膜の一部が飛散して装置を汚染する恐れがあるなどの問題をもつが、感湿膜が電極間に挟まれているその構造により、櫛歯構造の容量式湿度センサに比較して感度はよくなっている。
【００５５】
本実施形態における容量式湿度センサでは、櫛歯構造を採用することにより平行平板構造の容量式湿度センサが有する問題（電極の耐湿性、装置の汚染など）を解決しつつ、平行平板構造の容量式湿度センサに比較して低かった感度を向上させている。また、本実施形態の容量式湿度センサによれば、その製造時に装置の汚染などの問題が発生しないため、通常の半導体製造ラインを用いて製造することができるとのメリットもある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る容量式湿度センサの構成を示す平面図である。
【図２】図１中のＩＩ−ＩＩ線に沿った容量式湿度センサの断面図である。
【図３】一対の電極間に形成される静電容量を示す説明図である。
【符号の説明】
１０  半導体基板
２０  絶縁膜
３１、３２  電極
３１Ａ、３２Ａ  共通電極部
３１Ｂ、３２Ｂ  櫛歯電極部
４０  シリコン窒化膜
５０  感湿膜
６０  透湿膜
【図１】
2004271461.tif 000013
【図２】
2004271461.tif 000014
【図３】
2004271461.tif 000015