JP2005201872A - Capacitive type humidity sensor - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to a capacitive humidity sensor in which a polyimide moisture sensitive film whose dielectric constant changes according to humidity is interposed between a pair of electrodes.
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。 Conventionally, the present applicant has previously disclosed Patent Document 1 as an example of a capacitive humidity sensor in which a polyimide-type moisture sensitive film whose dielectric constant changes according to humidity is interposed between a pair of electrodes.
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。 The capacitive humidity sensor disclosed in Patent Document 1 is a so-called comb-type capacitive humidity sensor in which a pair of electrodes formed in a comb shape are arranged on the same plane of a substrate so as to mesh with each other.
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。
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。 The capacitive humidity sensor described above can be formed by an existing semiconductor process. However, since the film thickness of a polyimide-based moisture sensitive film varies within the processing error range of the semiconductor process, the film thickness variation varies with the film thickness. Sensitivity will vary. In the case of a configuration in which output correction is performed by a correction circuit, if the variation in sensitivity is large, the correction circuit may be complicated.
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。 In general, a capacitive humidity sensor is required to have a predetermined response performance (the time required for the absorbed water molecules to diffuse through the polyimide moisture-sensitive film and reach equilibrium). It varies depending on the thickness of the moisture sensitive film.
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。 In view of the above problems, an object of the present invention is to provide a capacitive humidity sensor in which variation in sensitivity is reduced and responsiveness is improved.
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。 In order to achieve the above object, a capacitive humidity sensor according to claim 1 includes a substrate, a pair of electrodes that are spaced apart from each other on the same plane on the substrate, a pair of electrodes, and a pair of electrodes. A polyimide-based moisture-sensitive film that is formed on the substrate so as to cover and whose dielectric constant changes according to humidity is provided. And the film thickness of a polyimide type moisture sensitive film is 3 micrometers or more and 8 micrometers or less, It is characterized by the above-mentioned.
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。 The present inventor paid attention to the variation in sensitivity due to the film thickness of the polyimide-based moisture sensitive film and studied to reduce the variation in sensitivity by optimally designing the film thickness of the polyimide-based moisture sensitive film. At that time, the sensitivity variation target was set to ± 5% or less, which can simplify the correction circuit. As a result, it has been found that the variation in sensitivity is reduced as the thickness of the polyimide moisture sensitive film is increased. In particular, when the film thickness is 3 μm or more, the variation in sensitivity can be reduced to 5% or less.
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。 However, it became clear that if the thickness of the polyimide-based moisture sensitive film is increased, the response of the sensor deteriorates. Therefore, the present inventor assumed a case where a response performance (responsiveness 30 s) equal to or higher than that of a known resistance change type humidity sensor is required, and examined the film thickness of a polyimide-based moisture sensitive film that satisfies the request. . As a result, it was found that a response of 30 s can be secured by setting the film thickness to 8 μm or less.
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。 In the capacitive humidity sensor of the present invention, the film thickness of the polyimide moisture sensitive film is in the range of 3 μm to 8 μm. Therefore, variations in sensitivity are reduced and responsiveness is improved.
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。 In addition, since the variation in sensitivity is suppressed to 5% or less, the correction circuit is simplified. In particular, in the case of a configuration in which the correction circuit is integrally formed, the size of the sensor is reduced.
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。 Note that the sensitivity variation refers to the sensitivity of the moisture sensitive film whose film thickness is shifted by ± 20% (a processing error of a general semiconductor process) with respect to the target value A, and the sensitivity of the moisture sensitive film having the target film thickness. When the sensitivity is B, (AB) / B × 100 (%) is shown.
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。 More preferably, as described in claim 2, the thickness of the polyimide moisture sensitive film is in the range of 4 μm or more and 6 μm or less.
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。 Thereby, variation in sensitivity can be reduced to ± 2.5% or less, and responsiveness can be improved by 20% or more than a known resistance change type humidity sensor.
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。 According to a third aspect of the present invention, it is preferable that a protective film formed on the substrate is provided so as to cover the pair of electrodes and the pair of electrodes, and the polyimide moisture sensitive film is formed on the protective film.
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。 In this case, the electrodes can be reliably protected from moisture, and the corrosion resistance of each electrode to moisture is improved.
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。 As described in claim 4, the polyimide moisture sensitive film preferably has a minute groove.
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。 As described above, when the polyimide moisture sensitive film has a minute groove, the surface area of the polyimide moisture sensitive film that comes into contact with moisture increases, so that the responsiveness is improved as compared with the case without the groove. Can do.
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。
In particular, as described in
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。 According to a sixth aspect of the present invention, the pair of electrodes are comb-shaped and may be arranged so as to mesh with each other.
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。 In this case, since the facing area between the pair of electrodes can be increased, the amount of change in capacitance between the electrodes can be increased.
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。 Preferably, a semiconductor substrate is used as the substrate, and the electrode is preferably provided on the substrate via an insulating film.
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。 As the substrate, an insulating substrate such as a glass substrate can be used. By using a semiconductor substrate including an insulating film, a sensor can be formed by a semiconductor process. Therefore, the manufacturing cost can be reduced.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First embodiment)
1A and 1B are diagrams illustrating a schematic configuration of a
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。
In FIGS. 1A and 1B,
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。
Although the shape of the
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。
For the
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。
A
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。
As shown in FIG. 1 (a),
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。
On the
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。
In the
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。
Here, since the
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。
In particular, as shown in the present embodiment, when the
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。 Further, in the case of a configuration in which output correction is performed by a correction circuit, if the variation in sensitivity is large, the correction circuit may be complicated.
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。
Accordingly, the present inventor has focused on sensitivity variations due to the film thickness of the moisture
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。
In the present embodiment, the capacity of the
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。
As shown in FIG. 2, when the film thickness of the moisture
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。
Thus, if the film thickness of the moisture
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。
However, if the thickness of the moisture
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。
Specifically, when the
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。
As shown in FIG. 2, it has been found that the responsiveness is improved as the thickness of the moisture
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。
From the above, in the so-called comb-shaped
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。
As shown in FIG. 2, by setting the target value of the film thickness of the moisture
(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。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a part of the
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。
Since the
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。
The second embodiment is different from the first embodiment in that a groove is provided in the moisture
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。
As shown in FIG. 3, the
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。
Further, as shown in FIG. 3, the
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。
In the present embodiment, an example in which the
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。
Moreover, the formation method of the
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。 The preferred embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
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。
In the present embodiment, an example in which the
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
10 ... Semiconductor substrate (substrate)
20 ... Silicon oxide film (insulating film)
31, 32 ...
50 ... moisture sensitive film (polyimide moisture sensitive film)
60 ... groove 100 ... capacitive humidity sensor
Claims (7)
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。 A substrate,
A pair of electrodes arranged opposite to each other on the same plane on the substrate;
In the capacitive humidity sensor, which is formed on the substrate so as to cover between the pair of electrodes and the pair of electrodes, and a polyimide moisture sensitive film whose dielectric constant changes according to humidity,
2. The capacitive humidity sensor according to claim 1, wherein the polyimide moisture sensitive film has a thickness of 3 μm to 8 μm.
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。 A protective film formed on the substrate so as to cover the pair of electrodes and the pair of electrodes;
The capacitive humidity sensor according to claim 1, wherein the polyimide moisture sensitive film is formed on the protective film.
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007278867A (en) * | 2006-04-07 | 2007-10-25 | Ghitron Technology Co Ltd | Electrode structure of humidity sensing part |
| JP2010510486A (en) * | 2006-11-16 | 2010-04-02 | エスエヌエス・レボリューション・カンパニー・リミテッド | Oil total acid value measurement and life calculation device, and oil total acid value and oil sensor measurement method using the same |
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2004
- 2004-01-19 JP JP2004010957A patent/JP2005201872A/en active Pending
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