(57)【要約】【課題】  感度のばらつきが低減され、且つ、応答性が向上された容量式湿度センサを提供すること。【解決手段】  半導体基板１０と、当該半導体基板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、両電極３１，３２及び両電極３１，３２間を覆うように半導体基板１０上に形成され、湿度に応じて誘電率が変化するポリイミド系ポリマーからなる感湿膜５０とにより構成される容量式湿度センサ１００において、膜厚が３μｍ以上８μｍ以下となるように感湿膜５０を形成した。  これにより、感度のばらつきを±５％以下とすることができ、応答性を３０ｓ以下とすることができた。【選択図】        図２
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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前記基板上に形成され、湿度に応じて誘電率が変化するポリイミド系感湿膜とを備える容量式湿度センサにおいて、
前記ポリイミド系感湿膜の膜厚が３μｍ以上８μｍ以下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２】
前記ポリイミド系感湿膜の膜厚が４μｍ以上６μｍ以下の範囲に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、
前記ポリイミド系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又は請求項２に記載の容量式湿度センサ。
【請求項４】
前記ポリイミド系感湿膜は、微小な溝部を有することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【請求項５】
前記溝部は、貫通孔であ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】
前記一対の電極は互いに櫛歯状をなしており、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１〜５いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【請求項７】
前記基板として半導体基板が用いられ、前記電極は、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１〜６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、湿度に応じて誘電率が変化するポリイミド系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、湿度に応じて誘電率が変化するポリイミド系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に開示された容量式湿度センサは、基板の同一平面に、櫛歯型に形成した一対の電極を、互いに噛み合うように配置した所謂櫛歯構造の容量式湿度センサである。
【０００４】
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、一対の電極間にポリイミド系感湿膜を介在させ、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。
【特許文献１】特開２００３−１５６４６４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、現有の半導体プロセスによって形成することができるが、ポリイミド系感湿膜は、その膜厚が半導体プロセスの加工誤差範囲内でばらつくため、当該膜厚のばらつきにともなって感度がばらつくこととなる。補正回路により出力補正を行う構成の場合、この感度のばらつきが大きいと、補正回路が複雑化する恐れがある。
【０００６】
また、一般的に容量式湿度センサには所定の応答性能（吸湿された水分子がポリイミド感湿膜内を拡散し、平衡となるまでの時間）が要求されるが、この応答性はポリイミド系感湿膜の膜厚により変化する。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、感度のばらつきが低減され、且つ、応答性が向上され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】
【０００８】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載の容量式湿度センサは、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基板上に形成され、湿度に応じて誘電率が変化するポリイミド系感湿膜とを備えている。そして、ポリイミド系感湿膜の膜厚が３μｍ以上８μｍ以下であることを特徴とする。
【０００９】
本発明者は、ポリイミド系感湿膜の膜厚による感度のばらつきに着目し、ポリイミド系感湿膜の膜厚を最適設計することにより、感度のばらつきを低減すべく検討を行った。その際、感度のばらつきの目標を、補正回路の簡素化が可能な±５％以下とした。その結果、ポリイミド系感湿膜の膜厚を厚くするほど感度のばらつきが低減され、特に膜厚を３μｍ以上とすれば、感度のばらつきを５％以下とすることができることが判明した。
【００１０】
しかしながら、ポリイミド系感湿膜の膜厚を厚くすれば、それとともにセンサの応答性が悪化することも明らかとなった。そこで、本発明者は、公知の抵抗変化型湿度センサと同等以上の応答性能（応答性３０ｓ）が要求される場合を想定し、当該要求を満足するポリイミド系感湿膜の膜厚を検討した。その結果、膜厚を８μｍ以下とすることで、応答性３０ｓを確保できることが判明した。
【００１１】
本発明の容量式湿度センサは、ポリイミド系感湿膜の膜厚が３μｍ以上８μｍ以下の範囲にある。従って、感度のばらつきが低減され、且つ、応答性が向上されている。
【００１２】
また、感度のばらつきが５％以下に抑えられているので、補正回路が簡素化される。特に補正回路が一体に形成された構成の場合には、センサの体格が小型化される。
【００１３】
尚、感度のばらつきとは、狙い値に対して膜厚が±２０％（一般的な半導体プロセスの加工誤差）ずれた感湿膜の感度をＡ、狙い値の膜厚を有する感湿膜の感度をＢとすると、（Ａ―Ｂ）／Ｂ×１００（％）を示している。
【００１４】
より好ましくは、請求項２に記載のように、ポリイミド系感湿膜の膜厚が４μｍ以上６μｍ以下の範囲にあることである。
【００１５】
これにより、感度のばらつきを±２．５％以下に低減でき、且つ、応答性も公知の抵抗変化型湿度センサよりも２０％以上向上することができる。
【００１６】
請求項３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、ポリイミド系感湿膜は保護膜上に形成されていることが好ましい。
【００１７】
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。
【００１８】
請求項４に記載のように、ポリイミド系感湿膜は、微小な溝部を有することが好ましい。
【００１９】
このように、ポリイミド系感湿膜が微小な溝部を有していると、水分と接するポリイミド系感湿膜の表面積が増加するので、溝部を有していない場合よりも応答性を向上することができる。
【００２０】
特に、請求項５に記載のように、溝部が貫通孔であると、水分と接するポリイミド系感湿膜の表面積がより広くなるので、応答性の向上に好適である。
【００２１】
請求項６に記載のように、一対の電極は互いに櫛歯状をなしており、噛み合うように配置されていると良い。
【００２２】
この場合、一対の電極間の対向面積を大きくできるので、電極間の静電容量の変化量を大きくすることができる。
【００２３】
請求項７に記載のように、基板として半導体基板が用いられ、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。
【００２４】
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】
【００２５】
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１００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透過させて図示している。
【００２６】
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。
【００２７】
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（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。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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、ポリイミド系ポリマーをスピンコート法や印刷法にて塗布後、硬化することにより形成することができる。尚、図１（ａ）において、破線で囲まれた矩形領域が感湿膜５０の形成領域を示している。
【００３２】
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。
【００３３】
ここで、本実施形態に示す容量式湿度センサ１００は、現有の半導体プロセスによって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、感湿膜５０は、その膜厚が半導体プロセスの加工誤差範囲内でばらつくため、当該膜厚のばらつきにともなってセンサ１００の感湿特性、すなわち、ある湿度におけるセンサ１００の出力（感度）もばらつくこととなる。
【００３４】
特に、本実施形態に示すように、容量式湿度センサ１００の構成が所謂櫛歯型構造の場合、例えば特許第３０８４７３５号に示されるような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こととなる。
【００３５】
また、補正回路により出力補正を行う構成の場合、この感度のばらつきが大きいと、補正回路が複雑化する恐れがある。
【００３６】
そこで、本発明者は、感湿膜５０の膜厚による感度のばらつきに着目した。そして、感湿膜５０の膜厚を最適設計することにより、感度のばらつきを低減すべく、シミュレーションによる検討を行った。
【００３７】
尚、本実施形態においては、湿度０％ＲＨにおけるセンサ１００の容量を初期容量とし、当該初期容量と湿度１００％ＲＨにおけるセンサ１００の容量値との容量差を感度とした。その際、ポリイミド系ポリマーからなる感湿膜５０の誘電率を、湿度０％ＲＨにおいて２．９、湿度１００％ＲＨにおいて３．３とした。また、狙い値に対する膜厚の加工ばらつきを一般的な半導体プロセスの加工誤差である±２０％以内（狙い値に対して）とし、狙い値に対して膜厚が±２０％ずれた感湿膜５０の感度をＡ、狙い値の膜厚を有する感湿膜５０の感度をＢとすると、（Ａ―Ｂ）／Ｂ×１００を感度のばらつき（％）とした。そして、膜厚による感度のばらつきの変化を確認した。その結果を図２に示す。図２において、丸印が感度ばらつきのプロットである。
【００３８】
図２に示すように、感湿膜５０の膜厚が薄いと、狙い値に対する加工ばらつきの影響が大きいので感度が大きくばらつき、感湿膜５０の膜厚を厚くするほど狙い値に対する加工ばらつきの影響が小さくなり、感度のばらつきが低減されることが判明した。特に、感湿膜５０の膜厚を３μｍ以上とすることで、感度のばらつきを狙い値の膜厚を有するセンサ１００の感度に対して±５％以下とすることができることが判明した。
【００３９】
このように、感湿膜５０の膜厚を３μｍ以上とすれば感度のばらつきを±５％以下に抑えることができるので、補正回路を簡素化することができる。特に補正回路が半導体基板１０に一体に形成された構成の場合には、センサ１００の体格を小型化することができる。
【００４０】
しかしながら、感湿膜５０の膜厚を厚くすれば、感度のばらつきは低減されるものの、それとともにセンサ１００の応答性（吸湿された水分子が感湿膜５０内を拡散し、平衡となるまでの時間）が悪化することが考えられる。そこで、本発明者は、公知の抵抗変化型湿度センサと同等以上の応答性能（応答性３０ｓ）が要求される場合を想定し、当該要求を満足する感湿膜５０の膜厚についても検討を行った。
【００４１】
具体的には、湿度０％ＲＨの雰囲気に配置されている容量式湿度センサ１００を、瞬時に湿度１００％ＲＨの雰囲気に晒したときに、容量式湿度センサ１００の出力が６３．２％ＲＨを示すまでにかかった時間を測定し、当該時間を容量式センサ１００の応答性（ｓ）とした。そして、容量式湿度センサ１００の感湿膜５０の膜厚を変化させて、膜厚と応答性との関係を実験で確認した。その結果を図２に示す。図２において、三角印が応答性のプロットである。
【００４２】
図２に示すように、感湿膜５０の膜厚を薄くすればするほど応答性が向上されることが判明した。特に感湿膜５０の膜厚を８μｍ以下とすれば、公知の抵抗変化型湿度センサと同等以上の応答性能（応答性３０ｓ）を確保できることが判明した。
【００４３】
以上より、ポリイミド系ポリマーからなる感湿膜５０を備えた所謂櫛歯型構造の容量式湿度センサ１００においては、膜厚の狙い値を３μｍ以上８μｍ以下の範囲で設定し、感湿膜５０を形成することで、感度ばらつきが小さく、且つ、応答性に優れたセンサ１００とすることができることが明らかとなった。
【００４４】
尚、図２に示すように、感湿膜５０の膜厚の狙い値を４μｍ以上６μｍ以下の範囲で設定し、感湿膜５０を形成することで、さらに感度のばらつきを低減でき、且つ、応答性に優れた容量式湿度センサ１００とすることができる。実際、感湿膜５０の膜厚（狙い値）を４μｍ以上とすると、膜厚の狙い値が３μｍ以上の場合に対して感度のばらつきを半減（±２．５％以下）できる。また、感湿膜５０の膜厚（狙い値）を６μｍとすると、８μｍの場合に対して応答性を２０％向上できる。本実施形態の容量式湿度センサ１００においては、膜厚が５μｍとなるように感湿膜５０が形成されている。
【００４５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、本実施形態における容量式湿度センサ１００の一部分を拡大した断面図である。
【００４６】
第２の実施の形態における容量式湿度センサ１００は、第１の実施の形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００４７】
第２の実施の形態において、第１の実施の形態と異なる点は、感湿膜５０に応答性を向上させるため溝部が設けられている点である。
【００４８】
図３に示すように、本実施形態の容量式湿度センサ１００は、ポリイミド系ポリマーからなる感湿膜５０に微小な溝部６０を有している。このように、感湿膜５０に溝部６０が設けられていると、水分と接する感湿膜５０の表面積が増加するので、同じ膜厚（狙い値）で溝部６０を有していない場合よりもセンサ１００の応答性が向上される。
【００４９】
また、本実施の形態における溝部６０は、図３に示すように、感湿膜５０の上面から保護膜４０に接する下面にわたって貫通する微小径の開口断面をもった貫通孔であり、感湿膜５０に複数設けられている。従って、水分と接する感湿膜５０の表面積がさらに増加するので、応答性がより向上される。尚、溝部６０の開口断面の面積、形成位置、及び形成個数は、一対の電極３１，３２間に形成される初期容量（湿度０％ＲＨ若しくは湿度１００％ＲＨ時の静電容量）に影響がない程度に設定されることが好ましい。また、本実施形態においても、電極３１，３２上には保護膜４０が形成されており、溝部６０が貫通孔であっても、電極３１，３２は水分から保護されるように構成されている。
【００５０】
尚、本実施形態において、溝部６０が貫通孔である例を示した。しかしながら、溝部６０は、感湿膜５０表面に対しての凹部であり、当該凹部形成により水分と接する感湿膜５０の表面積が増加するものであれば、形状や感湿膜５０表面からの深さは上記例に限定されるものではない。例えば、保護膜４０と接する下面側まで貫通しない非貫通孔であっても良い。また、溝部６０は、基板１０上に保護膜４０及び感湿膜５０をそれぞれ膜厚が均一となるように形成した際に、電極３１，３２の間の領域上に形成される凹部であっても良い。
【００５１】
また、溝部６０の形成方法は特に限定されるものではない。例えば、感湿膜５０を成膜後にエッチングすることにより溝部６０を形成しても良いし、成膜後にレーザやドリル等で感湿膜５０を加工することにより溝部６０を形成しても良い。それ以外にも、感湿膜５０の構成材料或いは成膜条件を調整し、感湿膜５０の成膜過程において感湿膜５０に意図的にひび割れを生じさせ、当該ひび割れを溝部６０としても良い。
【００５２】
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事ができる。
【００５３】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１の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】感度ばらつき及び応答性に対する膜厚の影響を示したグラフである。
【図３】第２の実施形態における容量式湿度センサの一部分を拡大した断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１０・・・半導体基板（基板）
２０・・・酸化シリコン膜（絶縁膜）
３１，３２・・・電極
４０・・・窒化シリコン膜（保護膜）
５０・・・感湿膜（ポリイミド系感湿膜）
６０・・・溝部
１００・・・容量式湿度センサ
【図１】
2005201872.tif 000003
【図２】
2005201872.tif 000004
【図３】
2005201872.tif 000005