(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の一方の面に離間して対向するように形成された一対の電極と、
前記基板の一方の面に形成され、前記一対の電極のそれぞれと電気的に接続されて前記一対の電極間に生じる静電容量に応じた電気信号を取り出すパッドと、
雰囲気の湿度に応じて誘電率が変化する感湿膜と、
底壁部及び側壁部で囲まれた空間が形成されたパッケージと、
前記パッケージに埋め込み形成された外部端子と、
前記パッドと前記外部端子とを電気的に接続する配線と、を備え、
前記基板は、前記基板の一方の面とは反対側の面を配置面として、前記底壁部の内面に配置され、
前記基板の一方の面の全面、前記底壁部の内面における前記基板の配置領域を除く領域、及び、前記側壁部が前記感湿膜で覆われており、
前記基板の一方の面の全面を覆った前記感湿膜が前記雰囲気に晒されていることを特徴とする静電容量式湿度センサ。
【請求項２】
前記基板の側面が、前記感湿膜で覆われていることを特徴とする請求項１に記載の静電容量式湿度センサ。
【請求項３】
前記感湿膜は、ポリイミド樹脂からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量式湿度センサ。
【請求項４】
前記一対の電極は、櫛歯形状をなし、互いに噛み合うように配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の静電容量式湿度センサ。
【請求項５】
前記感湿膜は、スピンコート法、印刷法、インクジェット法のいずれかにより形成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の静電容量式湿度センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一対の電極間に発生する静電容量の変化に基づいて、雰囲気中の湿度を検出する静電容量式湿度センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
雰囲気中の湿度を電極間の静電容量の変化によって検出する静電容量式湿度センサが、例えば、特開２００２−２４３６９０号公報（特許文献１）に開示されている。
【０００３】
図６（ａ）は、特許文献１に開示された従来の静電容量式湿度センサ５０の概略構成を示す斜視図である。
【０００４】
図６（ａ）に示すように、特許文献１に開示された静電容量式湿度センサ５０は、基板１、基板１の一方の面に櫛歯状に形成された一対の電極２、３、電極２、３に電気的に接続されたパッド２ａ、３ａ、感湿膜４を備える。一対の電極２、３及びその間の部分は、感湿膜４で覆われている。また、パッド２ａ及び３ａは、感湿膜４とは異なる材質の電極保護剤５で覆われている。
【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】
ところで、図６（ａ）に示す静電容量式湿度センサ５０を用いて雰囲気湿度を測定すると、図６（ｂ）に示すように、雰囲気湿度の上昇時（加湿時）における電極間の静電容量値と雰囲気湿度の低下時（除湿時）における電極間の静電容量値とが相違する現象（静電容量値に関するヒステリシス）が発生することがある。なお、図６（ｂ）において、縦軸は下に向かうほど、静電容量値が増加することを示している。
【０００６】
静電容量値に関するヒステリシスが大きくなると、雰囲気中の湿度が同一であったとしても、加湿時と除湿時とでは、静電容量式湿度センサが測定する湿度の測定値は相違することとなる。例えば、図６（ｂ）において、湿度が８０％の時に相違が顕著である。このような測定値の相違は、静電容量式湿度センサの測定誤差となり好ましくない。そこで、本発明は以上のような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、静電容量値に関するヒステリシスを低減することができる静電容量式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】
【０００７】
本発明者らの知見によると、図６（ｂ）に示すような静電容量値に関するヒステリシスの発生要因は、概ね以下の通りである。
【０００８】
すなわち、図６（ａ）に示す静電容量式湿度センサ５０において、基板１、電極２と３との間を覆うように形成された感湿膜４、パッド部２ｂと３ｂとを覆うように形成された電極保護剤５、の３つの部材は、雰囲気中の湿気に対する吸湿放湿特性が全て異なる。したがって、これらが互いに近傍に配置されると吸湿時や放湿時において、互いに影響を及ぼすと考えられる。
【０００９】
例えば、基板１や電極保護剤５が感湿膜４よりも吸湿放湿しやすい特性を備えていると、加湿時において、基板１や電極保護剤５が雰囲気中の湿気を吸湿する。すると、感湿膜４の相対湿度は増加しにくくなり、結果として電極部２及び３間の静電容量は増加しにくくなる。また、除湿時において、基板１や電極保護剤５は吸湿した湿気を雰囲気中に放湿する。すると、感湿膜４の相対湿度は減少しにくくなり、結果として電極部２及び３間の静電容量は減少しにくくなる。このようにして、加湿時及び除湿時における静電容量値に関するヒステリシスが発生すると考えられる。
【００１０】
そこで、このような静電容量値に関するヒステリシスの発生を防ぐべく、請求項１に記載の静電容量式湿度センサは、基板と、基板の一方の面に離間して対向するように形成された一対の電極と、基板の一方の面に形成され、一対の電極のそれぞれと電気的に接続されて一対の電極間に生じる静電容量に応じた電気信号を取り出すパッドと、雰囲気の湿度に応じて誘電率が変化する感湿膜と、底壁部及び側壁部で囲まれた空間が形成されたパッケージと、パッケージに埋め込み形成された外部端子と、パッドと外部端子とを電気的に接続する配線と、を備え、基板は、基板の一方の面とは反対側の面を配置面として、底壁部の内面に配置され、基板の一方の面の全面、底壁部の内面における基板の配置領域を除く領域、及び、側壁部が感湿膜で覆われており、基板の一方の面の全面を覆った感湿膜が雰囲気に晒されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項１に記載された静電容量式湿度センサによれば、基板の一方の面の全面が感湿膜によって覆われている。これにより、基板の一方の面は雰囲気に直接晒されなくなるので、一対の電極間に発生する静電容量の変化は、感湿膜の吸湿放湿特性のみにほぼ依存することとなる。したがって、加湿時及び除湿時における静電容量値に関するヒステリシスを低減することができる。
【００１３】
なお、請求項１に記載の発明は、底壁部及び側壁部で囲まれた空間が形成されたパッケージを備える、パッケージタイプの静電容量式湿度センサに関するものである。そして、請求項１に記載の静電容量式湿度センサでは、基板の一方の面を覆った感湿膜が雰囲気に晒されている。これにより、パッケージタイプの静電容量式湿度センサにおいても、加湿時及び除湿時における静電容量値に関するヒステリシスを低減することができる。更に、請求項１に記載の静電容量式湿度センサでは、底壁部及び側壁部が、感湿膜で覆われている。これにより、パッケージが有する吸湿放湿特性の影響も排除でき、加湿時及び除湿時における一対の電極間に発生する静電容量の変化は、感湿膜の吸湿放湿特性にほぼ依存する。したがって、パッケージタイプの静電容量式湿度センサにおいても、加湿時及び除湿時における静電容量値に関するヒステリシスをさらに低減することができる。
【００１４】
請求項２に記載の静電容量式湿度センサは、基板の側面が、感湿膜で覆われていることを特徴とする。これにより、加湿時及び除湿時における静電容量値に関するヒステリシスをさらに低減することができる。
【００１５】
請求項３に記載の静電容量式湿度センサは、感湿膜は、ポリイミド樹脂からなることを特徴とする。感湿膜としてはポリイミド樹脂を用いることができる。
【００１６】
請求項４に記載の静電容量式湿度センサは、一対の電極は、櫛歯形状をなし、互いに噛み合うように配置されていることを特徴とする。このように、一対の電極の形状をそれぞれ櫛歯状とし、互いに噛み合うように対向して形成することにより、一対の電極間の対向面積を大きくでき、これに伴って検出する静電容量の変化量を大きくすることができる。これにより、基板のサイズをより小さな面積としつつ、必要な静電容量の変化量を効率的に確保することができる。
【００１７】
請求項５に記載の静電容量式湿度センサは、感湿膜は、スピンコート法、印刷法、インクジェット法のいずれかにより形成されることを特徴とする。このような手法を用いて感湿膜を形成することにより、膜厚が薄く均一な感湿膜を形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態について図面に基づいて説明する。なお、各図において同一、もしくは、均等である部分には同一の符号を付してその説明を省略する。
【００１９】
（参考例）
第１の参考例における静電容量式湿度センサ１０を、図１、図２に基づいて説明する。図１は第１の参考例における静電容量式湿度センサ１０の概略構成を示す斜視図である。図２は加湿時及び除湿時における静電容量式湿度センサ１０の静電容量値の変化を示すグラフである。なお、図２において、縦軸は下に向かうほど、静電容量値が増加することを示している。
【００２０】
第１の参考例における静電容量式湿度センサ１０は、図１に示すように、一方の面に一対の電極２、３が形成された基板１と一対の電極２、３が形成された基板１の一方の面の全面を覆うように形成された感湿膜４とを含んで構成されている。基板１は、例えば、セラミック基板であり、基板１の一方の面には、図示しない酸化シリコン膜などの絶縁膜が形成されている。
【００２１】
一対の電極２、３は、この図示しない絶縁膜上に対向するように形成されており、コンデンサを構成する。また、一対の電極２、３の端部には、一対の電極２、３とそれぞれ電気的に接続されたパッド２ａ、３ａが形成されている。したがって、一対の電極２、３の間に生じる静電容量に応じた電気信号をパッド２ａ、３ａから取り出すことができる。なお、第１の参考例における静電容量式湿度センサ１０は、このパッド２ａ、３ａ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。
【００２２】
ところで、一対の電極２、３の形状は特に限定されるものではないが、第１の参考例における静電容量式電流センサ１０においては、一対の電極２、３の形状として櫛歯形状を採用し、互いに噛み合うように配置する。これにより、一対の電極２、３の配置面積を小さくしつつ、互いに対向する面積を大きくすることができる。したがって、雰囲気中の湿度変化に伴って変化する一対の電極２、３との間に発生する静電容量の変化量が大きくなり、第１の参考例における静電容量式湿度センサ１０の感度が向上する。
【００２３】
一対の電極２、３は、例えば、アルミ、銅、金、白金等の低抵抗金属材料を基板１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。第１の参考例における静電容量式湿度センサ１０おいて、電極２及び３は、アルミを用いて形成されている。また、一対の電極２、３は、導電性ペーストを印刷することによっても形成することができる。
【００２４】
一対の電極２、３を覆うように、窒化シリコン膜からなる保護膜（図示せず）が形成されている。保護膜としての窒化シリコン膜は、例えば、プラズマＣＶＤ法等により、基板１上の各部においてほぼ同じ厚さをもつように堆積形成される。ただし、一対の電極２、３が水分に対する耐食性がある場合には、保護膜としての窒化シリコン膜を形成しなくてもよい。
【００２５】
感湿膜４は、吸湿性の高分子有機材料よりなり、具体的には、ポリイミドや酪酸酢酸セルロース等（本実施例では、ポリイミドを使用）によって構成されている。また、感湿膜４は、雰囲気中の湿度に応じて誘電率が変化する膜であり、ポリイミド系ポリマーを、例えば、スピンコート法、印刷法、インクジェット法等の手法を用いて基板１に塗布した後、硬化することにより、膜厚を薄く、且つ均一に形成することができる。
【００２６】
感湿膜４は、雰囲気に晒されており、感湿膜４中に雰囲気中の湿気（水分）が浸透すると、水分は誘電率が大きいため、感湿膜４は浸透した水分量に応じて誘電率が変化する。すると、感湿膜４を誘電体の一部として一対の電極２、３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４に含まれる水分量は、雰囲気中の湿度に応じて変化するため、一対の電極２、３の間の静電容量から雰囲気中の湿度を検出することができる。
【００２７】
ところで、上述したとおり、感湿膜４の近傍に感湿膜４とは異なる吸湿放湿特性を備えた部材が雰囲気に晒されるように配置されていると、感湿膜４の水分量（相対湿度）は、このような部材に影響を受けて、雰囲気中の湿度を正確に反映したものとはならない。
【００２８】
そこで、第１の参考例における静電容量式湿度センサ１０は、図１に示すように、一対の電極２、３が形成された基板１の一方の面の全面を覆うとともに、その膜厚が均一となるように感湿膜４を形成した。
【００２９】
このように感湿膜４を形成すれば、感湿膜４とは異なる吸湿放湿特性を備えた基板１の一方の面が雰囲気に晒されることはない。これにより、加湿時及び除湿時における一対の電極２、３間に発生する静電容量の変化は感湿膜４の吸湿放湿特性にほぼ依存することとなる。
【００３０】
したがって、第１の参考例における静電容量式湿度センサ１０は、図２に示すように、加湿時において検出した電極間の静電容量値と除湿時において検出した電極間の静電容量値とがほぼ等しくなり、静電容量値に関するヒステリシスを低減することができる。
【００３１】
（第２の参考例）
第２の参考例における静電容量式湿度センサ２０を、図３に基づいて説明する。図３は第２の参考例における静電容量式湿度センサ２０の概略構成を示す斜視図である。第２の参考例における静電容量式湿度センサ２０は、一方の面に一対の電極２、３が形成された基板１と感湿膜４とを含んで構成されている。
【００３２】
第２の参考例における静電容量式湿度センサ２０は、図３に示すように、一対の電極２、３が形成された基板１の全面、及び基板１の他方の面の全面を覆うように感湿膜４を形成
した。
【００３３】
このように感湿膜４を形成すれば、感湿膜４とは異なる吸湿放湿特性を備えた基板１の一方の面、及び他方の面が雰囲気に晒されることはない。これにより、加湿時及び除湿時における一対の電極２、３間に発生する静電容量の変化は感湿膜４の吸湿放湿特性にほぼ依存することとなる。
【００３４】
したがって、第２の参考例における静電容量式湿度センサ２０は、加湿時において検出した電極間の静電容量値と除湿時において検出した電極間の静電容量値とがほぼ等しくなり、静電容量値に関するヒステリシスを低減することができる。
【００３５】
（第３の参考例）
第３の参考例における静電容量式湿度センサ３０を、図４に基づいて説明する。図４は第３の参考例における静電容量式湿度センサ３０の概略構成を示す斜視図である。第３の参考例における静電容量式湿度センサ３０は、一方の面に一対の電極２、３が形成された基板１と感湿膜４とを含んで構成されている。第３の参考例における静電容量式湿度センサ３０は、図４に示すように、一対の電極２、３が形成された基板１の一方の面の全面及び基板１の他方の面の全面を覆うように感湿膜４を形成するとともに、基板１の側面全面を覆うように感湿膜４を形成した。
【００３６】
このように感湿膜４を形成すれば、感湿膜４とは異なる吸湿放湿特性を備えた基板１の一方の面、他方の面、及び側面が雰囲気に晒されることはない。これにより、加湿時及び除湿時における一対の電極２、３間に発生する静電容量の変化は感湿膜４の吸湿放湿特性にほぼ依存することとなる。
【００３７】
したがって、第３の参考例における静電容量式湿度センサ３０は、加湿時において検出した電極間の静電容量値と除湿時において検出した電極間の静電容量値とがほぼ等しくなり、静電容量値に関するヒステリシスを低減することができる。
【００３８】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態における静電容量式湿度センサ４０を、図５（ａ）、（ｂ）に基づいて説明する。図５（ａ）は、静電容量式湿度センサ４０の概略構成を示す上面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）示したイ−イ線における断面図である。
【００３９】
本実施形態における静電容量式湿度センサ４０は、図５（ａ）に示すように、一方の面に一対の電極２、３が形成された基板１、感湿膜４、パッケージ６を含んで構成されている。基板１は、例えば、セラミック基板であり、基板１の一方の面には、図示しない酸化シリコン膜などの絶縁膜が形成されている。
【００４０】
一対の電極２、３は、この図示しない絶縁膜上に対向するように形成されており、コンデンサを構成する。また、一対の電極２、３の端部には、一対の電極２、３とそれぞれ電気的に接続されたパッド２ａ、３ａが形成されている。パッド２ｂ及び３ｂは、パッケージ６に埋め込み形成された外部端子７と図示しない配線で電気的に接続されている。したがって、一対の電極２、３の間に生じる静電容量に応じた電気信号を外部端子７から取り出すことができる。なお、本実施形態における静電容量式湿度センサ４０は、外部端子７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。
【００４１】
パッケージ６は、熱可塑性のポリウレタンや熱可塑性プラスチック、若しくはセラミック等からなる。図５（ｂ）に示すように、パッケージ６の内側には、底壁部６ｂ及び側壁部６ｃで囲まれた空間６ａが形成されており、イ−イ線における断面はほぼ凹型の形状である。基板１は一対の電極２、３及びパッド２ａ、３ａが形成されている一方の面が雰囲気に晒されるように、パッケージ６の底壁部６ａに配置されている。
【００４２】
本実施形態における静電容量式湿度センサ４０は、図５（ａ）に示すように、一対の電極２、３が形成された基板１の全面を覆うように感湿膜４を形成するとともに、図５（ｂ）に示すように、パッケージ６の空間６ａ側の底壁部６ｂ、及び側壁部６ｃを覆うように感湿膜４を形成した。
【００４３】
このように感湿膜４を形成すれば、感湿膜４とは異なる吸湿放湿特性を備えた基板１の一方の面、他方の面、及び側面、さらには、パッケージ６の底壁部６ｂ、及び側壁部６ｃが雰囲気に晒されることなない。これにより、加湿時及び除湿時における一対の電極２、３間に発生する静電容量の変化は感湿膜４の吸湿放湿特性にほぼ依存することとなる。
【００４４】
したがって、本実施形態における静電容量式湿度センサ４０は、加湿時において検出した電極間の静電容量値と除湿時において検出した電極間の静電容量値とがほぼ等しくなり、静電容量値に関するヒステリシスを低減することができる。
【００４５】
以上、本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明は上述した実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、数々の変形実施が可能である。また、本発明のうち従属請求項に係る発明においては、従属先の請求項の構成要件の一部を省略する構成とすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】第１の参考例における静電容量式湿度センサ１０である。
【図２】静電容量式湿度センサ１０の静電容量値の変化を示すグラフである。
【図３】第２の参考例における静電容量式湿度センサ２０である。
【図４】第３の参考例における静電容量式湿度センサ３０である。
【図５】本発明の第１の実施形態における、静電容量式湿度センサ４０である。（ａ）は上面図、（ｂ）は断面図である。
【図６】（ａ）は従来の静電容量式湿度センサ５０であり、（ｂ）はその静電容量値の変化を示したグラフである。
【符号の説明】
【００４７】
１・・・基板、２，３・・・電極、４・・・感湿膜、５・・・電極保護剤、６・・・パッケージ、７・・・外部端子
【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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