JP2018059716A - Sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、センサ装置の構造に関する。 The present invention relates to a structure of a sensor device.
従来から、湿度に応じて誘電率が変化する感湿膜を上部電極と下部電極との間に挟み込んだ湿度センサが、樹脂で覆われた静電容量式の湿度センサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような湿度センサでは、感湿膜が水分を吸脱着することにより変化する上部電極と下部電極との間の静電容量を測定することで、湿度を検出する。このため、樹脂の湿度センサが形成された領域と対応する領域には、湿度センサを露出させるための開口部が形成される。 Conventionally, a humidity sensor in which a humidity sensitive film whose dielectric constant changes according to humidity is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode is known as a capacitance type humidity sensor covered with a resin (for example, , See Patent Document 1). In such a humidity sensor, the humidity is detected by measuring the capacitance between the upper electrode and the lower electrode, which changes as the moisture sensitive film absorbs and desorbs moisture. Therefore, an opening for exposing the humidity sensor is formed in a region corresponding to the region where the resin humidity sensor is formed.
しかしながら、上記の湿度センサを結露が生じる環境や水滴が付着する環境で使用すると、露出した湿度センサの上面に水滴が溜まり、湿度センサが異常な湿度の値を出力する場合がある。また、露出した湿度センサの上面に溜まった水滴が乾燥するまで湿度の検出が行えない場合がある。さらに、水滴に不純物が含まれていると、水滴が乾燥した後、湿度センサの上面に不純物が残存し、湿度の計測に誤差が生じる場合があり、不純物の成分によっては、湿度センサが劣化しやすくなる。 However, when the humidity sensor is used in an environment where condensation occurs or an environment where water droplets adhere, water droplets may accumulate on the exposed upper surface of the humidity sensor, and the humidity sensor may output an abnormal humidity value. In addition, the humidity may not be detected until water droplets accumulated on the exposed upper surface of the humidity sensor are dried. In addition, if water droplets contain impurities, the impurities may remain on the top surface of the humidity sensor after the water droplets have dried, resulting in errors in humidity measurement. Depending on the impurity components, the humidity sensor may deteriorate. It becomes easy.
また、このような課題は、湿度センサのみではなく、検出素子が露出した他のセンサでも生じ得る。 Such a problem may occur not only in the humidity sensor but also in other sensors in which the detection element is exposed.
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、検出素子の上面に付着した水滴を容易に排出することができるセンサ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a sensor device that can easily discharge water droplets attached to the upper surface of a detection element.
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係るセンサ装置（１００）は、基板（１０１）と、前記基板（１０１）の上に搭載された検出素子（１０２）と、前記検出素子（１０２）を覆う樹脂（１０３）と、を備え、前記樹脂（１０３）は、前記検出素子（１０２）を露出させる開口部（１０７）と、前記開口部（１０７）と連通し前記樹脂（１０３）の外側面まで延在する溝部（１０８）と、を有し、前記溝部（１０８）の底面の高さは、前記検出素子（１０２）の上面の高さ以下である。 In order to achieve the above object, a sensor device (100) according to one embodiment of the present invention includes a substrate (101), a detection element (102) mounted on the substrate (101), and the detection element (102). A resin (103) covering the resin (103), the resin (103) communicating with the opening (107) exposing the detection element (102) and the opening (107). A groove portion (108) extending to the outer side surface, and the height of the bottom surface of the groove portion (108) is equal to or lower than the height of the upper surface of the detection element (102).
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。 Note that the reference numerals in the parentheses are given for ease of understanding, are merely examples, and are not limited to the illustrated modes.
開示の技術によれば、検出素子の上面に付着した水滴を容易に排出することができるセンサ装置を提供することができる。 According to the disclosed technology, it is possible to provide a sensor device that can easily discharge water droplets attached to the upper surface of the detection element.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
＜第１実施形態＞
第１実施形態では、センサ素子のうち、特に湿度センサに着目し、上部電極上に感湿膜を追加することで電気力線の状態に対する水滴の影響を低減し、湿度検出の精度を安定化する。さらに、上部電極のパターンを最適化することで、漏れ電界の閉じ込め効果を高めて測定精度を向上する。
<First Embodiment>
In the first embodiment, focusing on the humidity sensor among the sensor elements, by adding a moisture sensitive film on the upper electrode, the influence of water droplets on the state of the electric lines of force is reduced, and the humidity detection accuracy is stabilized. To do. Furthermore, by optimizing the pattern of the upper electrode, the confinement effect of the leakage electric field is enhanced and the measurement accuracy is improved.
図１及び図２は、湿度センサの原理を説明する図である。図１に示すように、平行平板型の湿度センサは、下部電極（ＢＥ）と上部電極（ＴＥ）の間に感湿膜を挟み込んだ構造を有する。湿度によって感湿膜に吸着する水分子の数が異なり、感湿膜の誘電率が変化する。感湿膜と水の比誘電率の差を利用して静電容量値の変化を捉える。 1 and 2 are diagrams illustrating the principle of a humidity sensor. As shown in FIG. 1, the parallel plate type humidity sensor has a structure in which a moisture sensitive film is sandwiched between a lower electrode (BE) and an upper electrode (TE). The number of water molecules adsorbed on the moisture sensitive film varies depending on the humidity, and the dielectric constant of the moisture sensitive film changes. Capturing changes in capacitance using the difference in relative permittivity of moisture sensitive film and water.
図２に示すように、０％と１００％の間で相対湿度（Ｒｈ）の変化に対応する静電容量値Ｃの変化を測定する。複数の既知の相対湿度で静電容量値Ｃを測定して近似式を得る。図２の例では、湿度ＨはＨ＝ａ＊Ｃ＋ｂで線形近似される。勾配ａと切片ｂを補正定数として用いて、測定した静電容量値を相対湿度に換算することができる。 As shown in FIG. 2, the change of the capacitance value C corresponding to the change of the relative humidity (Rh) is measured between 0% and 100%. The approximate value is obtained by measuring the capacitance value C at a plurality of known relative humidity. In the example of FIG. 2, the humidity H is linearly approximated by H = a * C + b. Using the gradient a and the intercept b as correction constants, the measured capacitance value can be converted into relative humidity.
平行平板型の湿度センサでは、感湿膜に空気中の水分を効率良く取り込んで応答性を高めるために、上部電極（ＴＥ）に開口パターンが形成される場合がある。この場合、上部電極（ＴＥ）の開口から電界が空気中に漏れ出る。上述したように、漏れ電界に結露や水滴が付着すると電気力線の状態が変化し、上部電極（ＴＥ）と下部電極（ＢＥ）の間の静電容量値が上昇する。そうすると、もともとの近似式（補正定数）が使えなくなり、湿度センサとしての機能が損なわれる。 In a parallel plate type humidity sensor, an opening pattern may be formed in the upper electrode (TE) in order to efficiently take moisture in the air into the moisture sensitive film and enhance the responsiveness. In this case, the electric field leaks into the air from the opening of the upper electrode (TE). As described above, when dew condensation or water droplets adhere to the leakage electric field, the state of the lines of electric force changes, and the capacitance value between the upper electrode (TE) and the lower electrode (BE) increases. Then, the original approximate expression (correction constant) cannot be used, and the function as a humidity sensor is impaired.
そこで、第１実施形態では、平行平板型の湿度センサにおいて、上部電極と下部電極の間に配置される第１の感湿膜と、上部電極を覆う第２の感湿膜との積層構造を採用する。これにより、空気中への漏れ電界を防止し、湿度センサへの水滴の影響を抑制する。 Therefore, in the first embodiment, in a parallel plate type humidity sensor, a laminated structure of a first moisture sensitive film disposed between the upper electrode and the lower electrode and a second moisture sensitive film covering the upper electrode is provided. adopt. Thereby, a leakage electric field into the air is prevented, and the influence of water droplets on the humidity sensor is suppressed.
図３は、第１実施形態の構成例１として、湿度センサ１０Ａを示す。湿度センサ１０Ａは、基板１１上に下部電極１３、下部電極１３上の第１の感湿膜１４ａ、感湿膜１４ａ上の上部電極１５、上部電極１５上の第２の感湿膜１４ｂ、及び保護膜１７がこの順に積層された積層構造体を有する。保護膜１７は必須ではないが、第２の感湿膜１４ｂを保護する観点から、第２の感湿膜１４ｂ上に配置されてもよい。 FIG. 3 shows a humidity sensor 10A as Configuration Example 1 of the first embodiment. The humidity sensor 10A includes a lower electrode 13 on the substrate 11, a first moisture sensitive film 14a on the lower electrode 13, an upper electrode 15 on the moisture sensitive film 14a, a second moisture sensitive film 14b on the upper electrode 15, and The protective film 17 has a laminated structure in which the protective films 17 are laminated in this order. The protective film 17 is not essential, but may be disposed on the second moisture sensitive film 14b from the viewpoint of protecting the second moisture sensitive film 14b.
基板１１は、たとえばシリコン基板であり、下部電極１３は絶縁膜１２を介して基板１１上に形成されている。絶縁性の基板を用いる場合は、絶縁膜１２を省略してもよい。下部電極１３と上部電極１５の間に配置される第１の感湿膜１４ａは、厚さが０．５μｍ〜１．５μｍでありポリイミド、セルロース、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）など、水分子を吸着しやすい高分子材料で形成されている。第１の感湿膜１４ａの膜厚が０．５μｍより薄くなると短絡するおそれがある。１．５μｍより厚くなると応答性または感度を高く維持することが困難になる。 The substrate 11 is, for example, a silicon substrate, and the lower electrode 13 is formed on the substrate 11 with the insulating film 12 interposed therebetween. When an insulating substrate is used, the insulating film 12 may be omitted. The first moisture sensitive film 14a disposed between the lower electrode 13 and the upper electrode 15 has a thickness of 0.5 μm to 1.5 μm, and is polyimide, cellulose, PMMA (polymethyl methacrylate), polyvinyl alcohol (PVA). For example, it is made of a polymer material that easily adsorbs water molecules. If the thickness of the first moisture sensitive film 14a becomes thinner than 0.5 μm, there is a risk of short circuit. If the thickness exceeds 1.5 μm, it becomes difficult to maintain high responsiveness or sensitivity.
上部電極１５は所定の開口１６を有し、開口１６内で第１の感湿膜１４ａと第２の感湿膜１４ｂが連通している。開口１６は、可能な限り小さい方が好ましい。開口１６が小さいほど漏れ電界の閉じ込め効果を十分に発揮させることができる。また、上部電極１５の幅は小さいことが好ましく、空気中の水分子を第１の感湿膜１４ａへ効率的に取り込むことができる、このときの上部電極１５の幅は、特性やプロセスを考慮して最適な設計値とされる。 The upper electrode 15 has a predetermined opening 16, and the first moisture sensitive film 14 a and the second moisture sensitive film 14 b communicate with each other in the opening 16. The opening 16 is preferably as small as possible. The smaller the opening 16 is, the more the leakage electric field can be confined. Further, the width of the upper electrode 15 is preferably small, and water molecules in the air can be efficiently taken into the first moisture sensitive film 14a. The width of the upper electrode 15 at this time takes into consideration characteristics and processes. Thus, the optimum design value is obtained.
上部電極１５を覆って第２の感湿膜１４ｂを配置することで、上部電極１５の開口１６から電界が漏れ出た場合でも、漏れ電界に水滴が接触することを防止できる。第２の感湿膜１４ｂは、第１の感湿膜１４ａと同じ種類の膜であってもよいし、異なる種類の膜でもよい。第２の感湿膜１４ｂの厚さは、第１の感湿膜１４ａの厚さの１〜１０倍である。第２の感湿膜１４ｂの厚さが第１の感湿膜１４ａの厚さよりも薄くなると、漏れ電界への水滴の接触を効果的に防止することが困難になる。第１の感湿膜１４ａの厚さの１０倍よりも大きくなると、第１の感湿膜１４ａへ迅速に水分子を取り込むことが難しくなる。 By disposing the second moisture sensitive film 14b so as to cover the upper electrode 15, even when an electric field leaks from the opening 16 of the upper electrode 15, it is possible to prevent water droplets from coming into contact with the leaked electric field. The second moisture sensitive film 14b may be the same type of film as the first moisture sensitive film 14a or may be a different type of film. The thickness of the second moisture sensitive film 14b is 1 to 10 times the thickness of the first moisture sensitive film 14a. When the thickness of the second moisture sensitive film 14b becomes thinner than the thickness of the first moisture sensitive film 14a, it becomes difficult to effectively prevent contact of water droplets with the leakage electric field. If the thickness is larger than 10 times the thickness of the first moisture sensitive film 14a, it becomes difficult to quickly incorporate water molecules into the first moisture sensitive film 14a.
保護膜１７は必須ではないが、図３の例では、第２の感湿膜１４ｂ上で、上部電極１５のパターンに対応する位置に形成されている。保護膜１７に、上部電極１５の開口１６と対応する位置に開口１７ａを設けることで、第２の感湿膜１４ｂへの水滴や汚れの付着を防止し、かつ空気中の水分（水分子）を最短のパスで第１の感湿膜１４ａへ取り込むことができる。 Although the protective film 17 is not essential, in the example of FIG. 3, it is formed on the second moisture sensitive film 14b at a position corresponding to the pattern of the upper electrode 15. By providing the protective film 17 with an opening 17a at a position corresponding to the opening 16 of the upper electrode 15, water droplets and dirt are prevented from adhering to the second moisture sensitive film 14b, and moisture in the air (water molecules). Can be taken into the first moisture sensitive film 14a by the shortest path.
保護膜１７は、上部電極１５の導電率を変化させず、第２の感湿膜１４ｂの劣化を防止することのできる任意の材料で形成され、たとえば金属や絶縁体を用いることができる。保護膜１７に替えて、ワイヤボンディング用の厚膜パッドを配置してもよい。 The protective film 17 is formed of an arbitrary material that does not change the conductivity of the upper electrode 15 and can prevent the deterioration of the second moisture sensitive film 14b. For example, a metal or an insulator can be used. Instead of the protective film 17, a thick film pad for wire bonding may be disposed.
湿度センサ１０Ａには、下部電極１３に到達する電極取り出し用の開口１８と、上部電極１５に到達する電極取り出し用の開口１９が形成されている。上部電極１５と下部電極の間に所定の電圧を印加して、静電容量Ｃを測定し、あらかじめ取得した近似式（補正定数）を用いて相対湿度を算出する。図３の構成では、上部電極１５が漏れ電界の閉じ込め効果を有し、かつ第２の感湿膜１４ｂによってセンサ主要部が水分子の付着から保護されているので、測定された静電容量から相対湿度への換算が正確に行われる。 In the humidity sensor 10 </ b> A, an electrode extraction opening 18 reaching the lower electrode 13 and an electrode extraction opening 19 reaching the upper electrode 15 are formed. A predetermined voltage is applied between the upper electrode 15 and the lower electrode, the capacitance C is measured, and the relative humidity is calculated using an approximate expression (correction constant) acquired in advance. In the configuration of FIG. 3, since the upper electrode 15 has a leakage electric field confinement effect and the sensor main part is protected from the adhesion of water molecules by the second moisture sensitive film 14b, Conversion to relative humidity is performed accurately.
図３の湿度センサ１０Ａの作製工程を簡単に説明する。シリコン等の基板１１上に絶縁膜１２としてシリコン酸化膜をたとえば０．５μｍの膜厚で形成する。絶縁膜１２上に、アルミニウム（Ａｌ）、金／ニッケル（Ａｕ／Ｎｉ）等の導電層を形成する。導電層上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定の形状のレジストパターンにパターニングする。レジストパターンをマスクとして用いて、イオンミリング等で導電層を加工し、所望の形状の下部電極１３を形成する。下部電極１３の厚さは、センサの小型化と安定した電圧印加の観点から適切な厚さに設定され、一例として０．５μｍに設定される。その後、レジストパターンを除去して洗浄する。 A manufacturing process of the humidity sensor 10A of FIG. 3 will be briefly described. A silicon oxide film having a thickness of 0.5 μm, for example, is formed as an insulating film 12 on a substrate 11 such as silicon. A conductive layer such as aluminum (Al) or gold / nickel (Au / Ni) is formed on the insulating film 12. A resist film is formed on the conductive layer, and patterned into a resist pattern having a predetermined shape by photolithography. Using the resist pattern as a mask, the conductive layer is processed by ion milling or the like to form the lower electrode 13 having a desired shape. The thickness of the lower electrode 13 is set to an appropriate thickness from the viewpoint of miniaturization of the sensor and stable voltage application, and is set to 0.5 μm as an example. Thereafter, the resist pattern is removed and washed.
下部電極１３を覆って第１の感湿膜１４ａを成膜する。上述した高分子材料をスピンコート、バーコータ、スプレイコータ等で０．５μｍ〜１．５μｍの厚さに塗布する。図３では図示されていないが、感湿膜１４ａ上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定の形状のレジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクとして用いてRIE等で感湿膜１４ａを加工し、所定のパターンを形成してもよい。感湿膜１４ａ上に、Ａｌ、Ａｕ／Ｎｉ等の導電層を形成し、導電層上にレジスト膜を形成し、フォトリソグラフィにより所定の形状のレジストパターンを形成する。レジストパターンをマスクとして用いてイオンミリング等で導電層を加工し、所定の開口パターンを有する上部電極１５を形成する。上部電極１５の厚さは、開口１６のパターニングの正確さと安定した電圧印加の観点から適切な厚さに設定され、一例として０．２〜０．３μｍの厚さに形成される。その後、レジストパターンを除去して洗浄する。 A first moisture sensitive film 14a is formed to cover the lower electrode 13. The above-described polymer material is applied to a thickness of 0.5 μm to 1.5 μm by a spin coater, a bar coater, a spray coater or the like. Although not shown in FIG. 3, a resist film is formed on the moisture sensitive film 14a, and a resist pattern having a predetermined shape is formed by photolithography. A predetermined pattern may be formed by processing the moisture sensitive film 14a by RIE or the like using the resist pattern as a mask. A conductive layer such as Al or Au / Ni is formed on the moisture sensitive film 14a, a resist film is formed on the conductive layer, and a resist pattern having a predetermined shape is formed by photolithography. The conductive layer is processed by ion milling or the like using the resist pattern as a mask to form the upper electrode 15 having a predetermined opening pattern. The thickness of the upper electrode 15 is set to an appropriate thickness from the viewpoint of patterning accuracy of the opening 16 and stable voltage application, and is formed to a thickness of 0.2 to 0.3 μm as an example. Thereafter, the resist pattern is removed and washed.
上部電極１５上に、たとえば０．５μｍ〜１０μｍの厚さの第２の感湿膜１４ｂを形成する。上部電極１５の開口１６は第２の感湿膜１４ｂで埋め込まれる。必要に応じて、第２の感湿膜１４ｂ上に金属、絶縁体等で所定の開口１７ａを有する保護膜１７を形成する。その後、電極取り出し口に対応する位置に開口を有するレジストマスクを形成し、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）等で第２の感湿膜１４ｂを部分的に除去して上部電極１５の一部を所定の箇所で露出する。いったんレジストを除去し、下部電極取り出し用のレジストマスクを形成し、ＲＩＥ等で第２の感湿膜１４ｂと第１の感湿膜１４ａを部分的に除去して下部電極１３の一部を所定の箇所で露出する。レジストを除去して洗浄することで図３の構成が得られる。 A second moisture sensitive film 14b having a thickness of 0.5 μm to 10 μm, for example, is formed on the upper electrode 15. The opening 16 of the upper electrode 15 is filled with a second moisture sensitive film 14b. If necessary, a protective film 17 having a predetermined opening 17a is formed of a metal, an insulator, or the like on the second moisture sensitive film 14b. Thereafter, a resist mask having an opening at a position corresponding to the electrode outlet is formed, and the second moisture-sensitive film 14b is partially removed by reactive ion etching (RIE) or the like, so that a part of the upper electrode 15 is predetermined. It is exposed at the point. The resist is removed once, a resist mask for taking out the lower electrode is formed, the second moisture sensitive film 14b and the first moisture sensitive film 14a are partially removed by RIE or the like, and a part of the lower electrode 13 is predetermined. It is exposed at the point. The structure shown in FIG. 3 can be obtained by removing the resist and washing.
図４は、第１実施形態の構成例２として、湿度センサ１０Ｂを示す。図３と同様に、湿度センサ１０Ｂは、下部電極１３と上部電極１５の間に挟まれる第１の感湿膜１４ａと、上部電極１５を覆う第２の感湿膜１４ｂを有する。第１の感湿膜１４ａと第２の感湿膜１４ｂの材料、厚さ等は、図３の構成例１と同様である。上部電極１５の導体領域と開口１６の面積割合も図３の構成例１と同様である。 FIG. 4 shows a humidity sensor 10B as Configuration Example 2 of the first embodiment. Similar to FIG. 3, the humidity sensor 10 </ b> B includes a first moisture sensitive film 14 a sandwiched between the lower electrode 13 and the upper electrode 15 and a second moisture sensitive film 14 b covering the upper electrode 15. The materials, thicknesses, and the like of the first moisture sensitive film 14a and the second moisture sensitive film 14b are the same as in the configuration example 1 of FIG. The area ratio between the conductor region of the upper electrode 15 and the opening 16 is the same as that of the configuration example 1 in FIG.
図３の構成と異なる点は、保護膜１７が直接、上部電極１５を覆って形成されている。図４の例でも保護膜１７は必須ではないが、上部電極１５からの漏れ電界を低減する観点から、形成されてもよい。保護膜１７は、電極取り出し用の開口１９内で露出する領域を除いて、上部電極１５の上面と側面を覆っている。上部電極１５と保護膜１７は、第１の感湿膜１４ａに空気中の水分子を取り込むための開口１７ａを有する。上部電極１５の上面と側面が保護膜１７に覆われているので、開口１７ａからの漏れ電界自体を抑制することができる。また、上部電極１５の上部に第２の感湿膜１４ｂが形成されているので、上部電極１５への水滴の付着を防止することができる。図４の構成でも、漏れ電界への水滴の接触を防止することができる。 The difference from the configuration of FIG. 3 is that the protective film 17 is formed directly covering the upper electrode 15. In the example of FIG. 4, the protective film 17 is not essential, but may be formed from the viewpoint of reducing the leakage electric field from the upper electrode 15. The protective film 17 covers the upper surface and side surfaces of the upper electrode 15 except for the region exposed in the electrode extraction opening 19. The upper electrode 15 and the protective film 17 have an opening 17a for taking water molecules in the air into the first moisture sensitive film 14a. Since the upper surface and side surfaces of the upper electrode 15 are covered with the protective film 17, the leakage electric field itself from the opening 17a can be suppressed. Further, since the second moisture sensitive film 14 b is formed on the upper electrode 15, it is possible to prevent water droplets from adhering to the upper electrode 15. Even in the configuration of FIG. 4, it is possible to prevent water droplets from contacting the leakage electric field.
図５は、上部電極１５のパターンの例を示す。図５（Ａ）の上部電極１５Ａのパターンは、下部電極１３上の第１の感湿膜１４ａ上に形成される格子状のパターンであり、開口１６Ａを有する。図５（Ｂ）の上部電極１５Ｂのパターンは、第１の感湿膜１４ａ上に形成されたラダー状のパターンであり、一方向に延びる開口１６Ｂを有する。図５では便宜上、第２の感湿膜１４ｂは省略されているが、いずれのパターンでも上部電極１５Ａ、１５Ｂ上に第２の感湿膜１４ｂが配置されるので、開口１６Ａ、１６Ｂからの漏れ電界への水滴の接触は抑制される。同時に、開口１６Ａ、１６Ｂから第１の感湿膜１４ａへ最短パスで空気中の水分子を取り込むことができる。 FIG. 5 shows an example of the pattern of the upper electrode 15. The pattern of the upper electrode 15A in FIG. 5A is a lattice pattern formed on the first moisture sensitive film 14a on the lower electrode 13, and has an opening 16A. The pattern of the upper electrode 15B in FIG. 5B is a ladder pattern formed on the first moisture sensitive film 14a, and has an opening 16B extending in one direction. In FIG. 5, the second moisture sensitive film 14b is omitted for convenience, but in any pattern, the second moisture sensitive film 14b is disposed on the upper electrodes 15A, 15B, so that leakage from the openings 16A, 16B occurs. The contact of water droplets with the electric field is suppressed. At the same time, water molecules in the air can be taken in through the shortest path from the openings 16A and 16B to the first moisture sensitive film 14a.
上部電極１５の開口パターンによって、湿度センサ１０Ａ、１０Ｂの測定精度が変わり得る。また、第２の感湿膜１４ｂの厚さも最適化できるはずである。そこで、上部電極１５のライン・アンド・スペースと第２の感湿膜１４ｂの厚さを種々に変化させて、センサの応答特性をシミュレーションする。 Depending on the opening pattern of the upper electrode 15, the measurement accuracy of the humidity sensors 10A and 10B may vary. It should also be possible to optimize the thickness of the second moisture sensitive film 14b. Therefore, the response characteristics of the sensor are simulated by changing the line and space of the upper electrode 15 and the thickness of the second moisture sensitive film 14b in various ways.
図６は、第１実施形態の湿度センサの効果確認のために、実施例の湿度センサ２０の構成を比較例とともに示す図である。図６（Ａ）の湿度センサ２０の基本構成は、保護膜１７を用いていないことを除いて、図３の湿度センサ１０Ａ及び図４の湿度センサ１０Ｂの構成と同じである。この例では、絶縁膜１２の厚さを１μｍ、第１の感湿膜１４ａの厚さを１μｍとしている。第２の感湿膜１４ｂの厚さを、１μｍ、３μｍ、５μｍと変化させる。図６（Ｂ）の比較例の構成は、第２の感湿膜１４ｂを用いていない点を除いて、図６（Ａ）の湿度センサ２０と同じである。 FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the humidity sensor 20 of the example together with a comparative example in order to confirm the effect of the humidity sensor of the first embodiment. The basic configuration of the humidity sensor 20 in FIG. 6A is the same as the configuration of the humidity sensor 10A in FIG. 3 and the humidity sensor 10B in FIG. 4 except that the protective film 17 is not used. In this example, the thickness of the insulating film 12 is 1 μm, and the thickness of the first moisture sensitive film 14a is 1 μm. The thickness of the second moisture sensitive film 14b is changed to 1 μm, 3 μm, and 5 μm. The configuration of the comparative example in FIG. 6B is the same as that of the humidity sensor 20 in FIG. 6A except that the second moisture sensitive film 14b is not used.
図７は、上部電極パターンのシミュレーションモデルを説明する図である。図６（Ａ）と図６（Ｂ）のそれぞれで、下部電極１３の外形は１００×１００μｍのベタ膜である。上部電極１５の外形は１００×１００μｍであり、格子状の電極パターンを定義するライン・アンド・スペース（Ｌ／Ｓ）を、１／１、２／２、５／５、１０／１０（単位はいずれもμｍ）と変化させる。電極領域と開口１６の面積の比が３：１を維持するように、開口１６の数を均等に設定する。図７（Ａ）は、Ｌ／Ｓを２μｍ／２μｍに設定した例、図７（Ｂ）は、Ｌ／Ｓを１０μｍ／１０μｍに設定した例を示す。 FIG. 7 is a diagram for explaining a simulation model of the upper electrode pattern. In each of FIG. 6A and FIG. 6B, the outer shape of the lower electrode 13 is a solid film of 100 × 100 μm. The outer shape of the upper electrode 15 is 100 × 100 μm, and the line and space (L / S) defining the grid-like electrode pattern is 1/1, 2/2, 5/5, 10/10 (the unit is Both are changed to μm). The number of openings 16 is set to be uniform so that the ratio of the area of the electrode region to the opening 16 is maintained at 3: 1. 7A shows an example in which L / S is set to 2 μm / 2 μm, and FIG. 7B shows an example in which L / S is set to 10 μm / 10 μm.
上部電極以外の構成要素のパラメータは図６で説明した条件を用いる。シミュレーションにおける物質の比誘電率は以下のとおりである。 The parameters described in FIG. 6 are used for parameters of components other than the upper electrode. The relative dielectric constant of the substance in the simulation is as follows.
空気 １
水 ８０
絶縁膜１２ ３．３
第１の感湿膜１４ａ（乾燥時すなわち０％のＲｈ想定時） ３．０
第１の感湿膜１４ａ（多湿時すなわち１００％Ｒｈ想定時） ３．３
図８は、比較例のセンサ構成における水付着の影響を説明する図である。図８（Ａ）に示すように、第２の感湿膜１４ｂを有しない比較例のセンサ上に水２９を付着させて、第１の感湿膜１４ａの乾燥時（湿度０％Ｒｈ）及び多湿時（湿度１００％Ｒｈ）の状態と比較する。
Air 1
Water 80
Insulating film 12 3.3
First moisture sensitive film 14a (when dry, ie assuming 0% Rh) 3.0
1st moisture sensitive film 14a (at the time of high humidity, ie 100% Rh assumption) 3.3
FIG. 8 is a diagram for explaining the influence of water adhesion in the sensor configuration of the comparative example. As shown in FIG. 8 (A), water 29 is deposited on a sensor of a comparative example that does not have the second moisture sensitive film 14b, and when the first moisture sensitive film 14a is dried (humidity 0% Rh) and Compared to the state of high humidity (humidity 100% Rh).
図８（Ｂ）は、比較例の構成で、Ｌ／Ｓ［μｍ／μｍ］を１／１、２／２、５／５、１０／１０と変化させたときの静電容量［ｐＦ］のシミュレーション結果を示す。図中、菱形マークでプロットされたラインＬは、第１の感湿膜１４ａの乾燥時（湿度０％Ｒｈ、比誘電率３．０）の静電容量の変化を表わす。四角マークでプロットされたラインＭは、第１の感湿膜１４ａの多湿時（湿度１００％Ｒｈ、比誘電率３．３）の静電容量の変化を表わす。三角マークでプロットされたラインＮは、図８（Ａ）のようにセンサ上に水が付着した状態（多湿状態＋水付着）での静電容量の変化を示す。 FIG. 8B shows the configuration of the comparative example. The capacitance [pF] when L / S [μm / μm] is changed to 1/1, 2/2, 5/5, and 10/10. The simulation result is shown. In the figure, a line L plotted with rhombus marks represents a change in capacitance when the first moisture sensitive film 14a is dried (humidity 0% Rh, relative dielectric constant 3.0). A line M plotted with square marks represents a change in capacitance of the first moisture sensitive film 14a when the humidity is high (humidity 100% Rh, relative dielectric constant 3.3). A line N plotted with a triangle mark indicates a change in capacitance in a state where water adheres to the sensor (high humidity state + water adhesion) as shown in FIG.
ラインＬとラインＭの、Ｌ／Ｓの変化に応じた静電容量のプロファイルはほぼ平行であり、電極領域と開口部の面積比を同一にした場合、Ｌ／Ｓが小さいほど感度が上がることがわかる。乾燥時（０％Ｒｈ）と多湿時（１００％Ｒｈ）の静電容量の差が、センサの計測可能な範囲（フルスケール）であり、図８（Ｃ）に示すように、静電容量値と相対湿度を、０％Ｒｈと１００Ｒｈの間でリニアな関係に近似することができる。 The capacitance profiles of line L and line M according to the change in L / S are almost parallel. When the area ratio of the electrode region and the opening is the same, the sensitivity increases as L / S decreases. I understand. The difference in capacitance between dry (0% Rh) and high humidity (100% Rh) is the measurable range (full scale) of the sensor. As shown in FIG. And the relative humidity can be approximated to a linear relationship between 0% Rh and 100 Rh.
これに対し、センサ上に水が付着した状態では、Ｌ／Ｓの変化にかかわらず、異常に高い静電容量値を示す。近似式を用いて換算すると、図８（Ｃ）のように異常に高い相対湿度に換算され、誤った測定値が出力される。 In contrast, when water is attached on the sensor, the capacitance value is abnormally high regardless of the change in L / S. When converted using the approximate expression, it is converted into an abnormally high relative humidity as shown in FIG. 8C, and an erroneous measurement value is output.
図９は、実施例のセンサ構成における水付着の影響の防止効果を示す図である。図９（Ａ）に示すように、第２の感湿膜１４ｂが形成されたセンサ上に水２９を付着させて、図８と同様に、第１の感湿膜１４ａの乾燥時（湿度０％Ｒｈ）及び多湿時（湿度１００％Ｒｈ）の状態と比較する。 FIG. 9 is a diagram illustrating the effect of preventing the influence of water adhesion in the sensor configuration of the example. As shown in FIG. 9A, water 29 is adhered on the sensor on which the second moisture sensitive film 14b is formed, and when the first moisture sensitive film 14a is dried (humidity 0) as in FIG. % Rh) and humidity (humidity 100% Rh).
図９（Ｂ）は、実施例の構成で、Ｌ／Ｓ［μｍ／μｍ］を１／１、２／２、５／５、１０／１０と変化させたときの静電容量［ｐＦ］のシミュレーション結果を示す。図中、菱形マークでプロットされたラインＯは、第１の感湿膜１４ａの乾燥時（湿度０％Ｒｈ、比誘電率３．０）の静電容量の変化を表わす。四角マークでプロットされたラインＰは、第１の感湿膜１４ａの多湿時（湿度１００％Ｒｈ、比誘電率３．３）の静電容量の変化を表わす。三角マークでプロットされたラインＱは、図９（Ａ）のようにセンサ上に水が付着した状態（多湿状態＋水付着）での静電容量の変化を示す。 FIG. 9B shows the capacitance [pF] when L / S [μm / μm] is changed to 1/1, 2/2, 5/5, and 10/10 in the configuration of the example. The simulation result is shown. In the drawing, a line O plotted with rhombus marks represents a change in capacitance when the first moisture sensitive film 14a is dried (humidity 0% Rh, relative dielectric constant 3.0). A line P plotted with square marks represents a change in capacitance of the first moisture sensitive film 14a when the humidity is high (humidity 100% Rh, relative dielectric constant 3.3). A line Q plotted with a triangular mark indicates a change in capacitance in a state where water is attached to the sensor (high humidity state + water attachment) as shown in FIG.
図９（Ｂ）において、ラインＯ、ラインＰ、及びラインＱの、Ｌ／Ｓの変化に応じた静電容量のプロファイルはほぼ平行である。電極領域と開口部の面積比を一定にした場合、Ｌ／Ｓが小さいほど感度が高くなる。図８と大きく異なり、センサ上に水が付着しても、静電容量が異常に高い値を示すことはなく、水が付着していない状態と同じプロファイルで静電容量が変化する。したがって、換算値が１００％Ｒｈを超えた場合は所定値を差し引く補正を行うことで、ほぼ正確な湿度測定値を得ることができる。 In FIG. 9B, the capacitance profiles of line O, line P, and line Q according to the change in L / S are almost parallel. When the area ratio between the electrode region and the opening is constant, the sensitivity increases as L / S decreases. Unlike FIG. 8, even if water adheres to the sensor, the capacitance does not show an abnormally high value, and the capacitance changes with the same profile as the state where water does not adhere. Therefore, when the converted value exceeds 100% Rh, it is possible to obtain a substantially accurate humidity measurement value by performing correction for subtracting the predetermined value.
図１０は、実施例のセンサ構成の測定精度向上の効果を示す図である。ここで、ＦＳは大きい程、測定精度がよい。種々のＬ／Ｓについて、第２の感湿膜１４ｂが無い状態と、第２の感湿膜１４ｂの厚さを１μｍ、３μｍ、５μｍと変えた場合の測定精度を示す。縦軸の測定精度は、第２の感湿膜１４ｂなしで上部電極１５のＬ／Ｓ［μｍ／μｍ］が１０／１０のときのフルスケール（ＦＳ）を１としたときの上昇率で表される。図中、菱形マークでプロットされたラインＳは、Ｌ／Ｓが１μｍ／１μｍのときのＦＳ上昇率、四角マークでプロットされたラインＴは、Ｌ／Ｓが２μｍ／２μｍのときのＦＳ上昇率、三角マークでプロットされたラインＵはＬ／Ｓが５μｍ／５μｍのときのＦＳ上昇率、クロスマークでプロットされたラインＶは、Ｌ／Ｓが１０μｍ／１０μｍのときのＦＳ上昇率を表わす。 FIG. 10 is a diagram illustrating the effect of improving the measurement accuracy of the sensor configuration of the example. Here, the larger the FS, the better the measurement accuracy. For various L / S, the measurement accuracy is shown when there is no second moisture sensitive film 14b and when the thickness of the second moisture sensitive film 14b is changed to 1 μm, 3 μm, and 5 μm. The measurement accuracy on the vertical axis is expressed as the rate of increase when the full scale (FS) is 1 when the L / S [μm / μm] of the upper electrode 15 is 10/10 without the second moisture sensitive film 14b. Is done. In the figure, the line S plotted with rhombus marks indicates the FS increase rate when L / S is 1 μm / 1 μm, and the line T plotted with the square marks indicates the FS increase rate when L / S is 2 μm / 2 μm. The line U plotted with a triangular mark represents the FS increase rate when L / S is 5 μm / 5 μm, and the line V plotted with a cross mark represents the FS increase rate when L / S is 10 μm / 10 μm.
第２の感湿膜１４ｂが無い状態でも、上部電極のＬ／Ｓを最適化することで、測定精度をある程度向上できる。特に、Ｌ／Ｓを５μｍ／５μｍ以下とすることで、精度向上の効果が期待できる。しかし、第２の感湿膜１４ｂを設けない状態だと、図８に示したように水滴の付着により異常値が出力されるおそれがある。 Even in the absence of the second moisture sensitive film 14b, the measurement accuracy can be improved to some extent by optimizing the L / S of the upper electrode. In particular, when L / S is 5 μm / 5 μm or less, an effect of improving accuracy can be expected. However, if the second moisture sensitive film 14b is not provided, an abnormal value may be output due to adhesion of water droplets as shown in FIG.
第２の感湿膜１４ｂを配置することで、ＦＳは大幅に向上し、かつ異常な出力を防止して安定的に測定結果を出力することができる。Ｌ／Ｓ［μｍ／μｍ］が１／１〜１０／１０の範囲で、測定精度を上げることができる。この例で、Ｌ／Ｓが１／１は、開口１６の一辺の長さが、上部電極１５の一辺の長さの１／１００の構成に対応する。Ｌ／Ｓが１０／１０は、開口１６の一辺の長さが、上部電極１５の一辺の長さの１／１０の構成に対応する。 By disposing the second moisture sensitive film 14b, the FS can be greatly improved, and an abnormal output can be prevented and a measurement result can be output stably. Measurement accuracy can be increased when L / S [μm / μm] is in the range of 1/1 to 10/10. In this example, L / S of 1/1 corresponds to a configuration in which the length of one side of the opening 16 is 1/100 of the length of one side of the upper electrode 15. When L / S is 10/10, the length of one side of the opening 16 corresponds to 1/10 of the length of one side of the upper electrode 15.
これらのシミュレーション結果から、上部電極１５上に第２の感湿膜１４ｂを配置し、上部電極のパターンを最適化することで、水付着によるセンサへの影響を低減して、安定した測定精度を実現できることがわかる。また、図５（Ｂ）のようなラダー型の上部電極１５Ｂを形成した場合も、開口１６Ｂの長手方向と直交する方向の幅を電極１５Ｂの同じ方向での一辺の長さの１／１００〜１／１０に設定することで、同様の効果が得られると推測される。 From these simulation results, the second moisture sensitive film 14b is arranged on the upper electrode 15 and the pattern of the upper electrode is optimized, thereby reducing the influence on the sensor due to water adhesion and providing stable measurement accuracy. It can be seen that it can be realized. Also, when the ladder-type upper electrode 15B as shown in FIG. 5B is formed, the width in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the opening 16B is 1/100 to the length of one side in the same direction of the electrode 15B. By setting it to 1/10, it is estimated that the same effect can be obtained.
＜第２実施形態＞
第２実施形態では、センサ表面に、水滴が侵入しにくく、かつ付着した水滴を除去しやすい形状の撥水パターンを設けることで、任意のセンサ素子を水滴から保護する。
Second Embodiment
In the second embodiment, by providing a water-repellent pattern having a shape that makes it difficult for water droplets to enter and remove attached water droplets on the sensor surface, any sensor element is protected from the water droplets.
図１１は、第２実施形態のセンサ素子３０の構成例を示す。図１１（Ａ）は概略断面図、図１１（Ｂ）は上面図である。センサ素子３０は、基板２１上に絶縁膜２２を介して、下部電極２３、下部電極２３上の検知膜２４、検知膜２４上の上部電極２５、カバー膜２７、及び撥水膜３１がこの順に積層された積層構造体を有する。 FIG. 11 shows a configuration example of the sensor element 30 of the second embodiment. FIG. 11A is a schematic cross-sectional view, and FIG. 11B is a top view. The sensor element 30 includes a lower electrode 23, a detection film 24 on the lower electrode 23, an upper electrode 25 on the detection film 24, a cover film 27, and a water repellent film 31 in this order via an insulating film 22 on the substrate 21. It has the laminated structure laminated | stacked.
絶縁膜２２は、基板２１としてシリコン（Ｓｉ）等の半導体基板が用いられる場合に、基板２１と下部電極２３の間に挿入される。酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、サファイア（Ａｌ2Ｏ3）等の絶縁性基板が用いられる場合は、絶縁膜２２を省略してもよい。下部電極２３は良導性の金属で形成され、一例として、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉ、Ｔａ、これらの合金などを用いることができる。 The insulating film 22 is inserted between the substrate 21 and the lower electrode 23 when a semiconductor substrate such as silicon (Si) is used as the substrate 21. When an insulating substrate such as magnesium oxide (MgO) or sapphire (Al 2 O 3 ) is used, the insulating film 22 may be omitted. The lower electrode 23 is made of a highly conductive metal. As an example, Al, Cu, Pt, Ni, Ag, Au, Ti, Ta, alloys thereof, or the like can be used.
検知膜２４は、センサ素子３０の検知対象によって異なる材料が用いられる。湿度センサの場合は、たとえばポリイミド、セルロース、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）などの高分子の感湿膜が用いられる。温度センサの場合は、熱膨張セラミクスや感温塗料などの感温膜が用いられる。ガスセンサの場合は、たとえば酸化スズ（ＳｎＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを主成分とする多孔質の金属酸化物や、ハロゲン化合物などの感ガス材料膜が用いられる。 Different materials are used for the detection film 24 depending on the detection target of the sensor element 30. In the case of a humidity sensor, for example, a polymer moisture-sensitive film such as polyimide, cellulose, PMMA (polymethyl methacrylate) is used. In the case of a temperature sensor, a temperature sensitive film such as thermal expansion ceramics or temperature sensitive paint is used. In the case of a gas sensor, for example, a porous metal oxide mainly composed of tin oxide (SnO 2 ), titanium oxide (TiO 2 ), zinc oxide (ZnO), or a gas sensitive material film such as a halogen compound is used. .
上部電極２５は所定のパターンを有し、検知膜２４の一部を露出する開口部２６を有する。カバー膜２７は必須ではないが、上部電極２５や検知膜２４を保護する観点から、センサ素子３０の積層体を覆って配置されてもよい。センサ素子３０が湿度センサである場合は、カバー膜２７として、たとえば水滴を通さず空気中の水分子だけを通す透湿膜を用いてもよい。透湿膜の材料は感湿膜と同じ材料であってもよいし、異なる材料であってもよい。上部電極２５と下部電極２３は、図示しない引き出し線（リード）によって、容量計、電流計等の計測器に接続されている。 The upper electrode 25 has a predetermined pattern and has an opening 26 that exposes a part of the detection film 24. The cover film 27 is not essential, but may be disposed so as to cover the stacked body of the sensor elements 30 from the viewpoint of protecting the upper electrode 25 and the detection film 24. When the sensor element 30 is a humidity sensor, as the cover film 27, for example, a moisture permeable film that passes only water molecules in the air without passing water droplets may be used. The material of the moisture permeable film may be the same material as the moisture sensitive film, or may be a different material. The upper electrode 25 and the lower electrode 23 are connected to measuring instruments such as a capacitance meter and an ammeter by lead wires (leads) (not shown).
撥水膜３１は、センサ素子３０の表面で一定の方向を向くパターンにパターニングされている。撥水膜３１自体は、たとえば５０ｎｍ〜２００ｎｍピッチの凹凸構造を有するベーマイト層にＣＦ3（トリフルオロメチル）基などの撥水性の基が結合した構造を有する。尚、本実施形態においては、撥水膜３１は、約１００ｎｍピッチの凹凸構造とした。ベーマイトは、ＡｌＯＯＨの組成で示されるアルミナ水和物である。ベーマイト層に替えて、５０ｎｍ〜２００ｎｍピッチの凹凸構造を有するＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ｙ2Ｏ3、ＳｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＦ２、ＬａＦ３、ＳｉＯＮ等の酸化物、窒化物及び酸窒化物を用いてもよい。あるいは撥水膜３１として、フッ素化合物膜やシリコーン化合物など、撥水性の高い膜を用いてもよい。図１１（Ｂ）では、テーパ状の撥水膜３１は、下層の上部電極２５の端部の位置まで延びているが、上部電極２５の端部位置をさらに超えて、センサ素子３０のエッジ近傍まで延びていてもよい。 The water repellent film 31 is patterned into a pattern that faces a certain direction on the surface of the sensor element 30. The water repellent film 31 itself has a structure in which a water repellent group such as a CF 3 (trifluoromethyl) group is bonded to a boehmite layer having an uneven structure with a pitch of 50 nm to 200 nm, for example. In the present embodiment, the water repellent film 31 has an uneven structure with a pitch of about 100 nm. Boehmite is an alumina hydrate represented by the composition of AlOOH. Instead of the boehmite layer, HfO 2 , ZrO 2 , Y 2 O 3 , SiO 2 , Nb 2 O 5 , Ta 2 O 5 , Al 2 O 3 , MgF 2 , LaF 3 , having an uneven structure with a pitch of 50 nm to 200 nm, Oxides such as SiON, nitrides, and oxynitrides may be used. Alternatively, as the water repellent film 31, a film having high water repellency such as a fluorine compound film or a silicone compound may be used. In FIG. 11B, the tapered water-repellent film 31 extends to the position of the end portion of the lower upper electrode 25, but further beyond the end portion position of the upper electrode 25, near the edge of the sensor element 30. It may extend to.
図１２は、撥水膜３１の断面模式図である。ベーマイト等の基材層に突起３２と窪み３３を形成することで、基材層の表面積を増大させ、表面に結合したＣＦ3基３４による撥水効果を高める。撥水膜３１の厚さ（ｔ）は、１０〜２００ｎｍである。厚さが１０ｎｍ未満になると、耐久性が不十分になるおそれがある。また、材料によっては所望の撥水性を得るための凹凸の形成が困難になる。厚さが２００ｎｍを超えると、最表面には凸凹構造は形成されるが、パターン作製のプロセスが困難になる。ピッチが５０ｎｍ〜２００ｎｍの凹凸は、膜厚１０ｎｍ〜２００ｎｍのアルミニウム薄膜を８０〜１００℃の温水中に１５〜６０分浸漬させることにより形成される。温水中に浸漬することで、アルミニウム表面の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）が水と化学的に反応してベーマイト層を形成するとともに熱水に溶解し、数十ｎｍの微細構造が形成される。このような凹凸構造により、撥水膜３１は水との接触角が１２０°以上の撥水性を示し、さらに好ましくは１３０°以上の接触角を有する。 FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the water repellent film 31. By forming the protrusion 32 and the depression 33 on the base material layer such as boehmite, the surface area of the base material layer is increased, and the water repellency effect by the CF 3 group 34 bonded to the surface is enhanced. The water repellent film 31 has a thickness (t) of 10 to 200 nm. If the thickness is less than 10 nm, the durability may be insufficient. Further, depending on the material, it becomes difficult to form irregularities for obtaining a desired water repellency. If the thickness exceeds 200 nm, an uneven structure is formed on the outermost surface, but the pattern production process becomes difficult. Concavities and convexities having a pitch of 50 nm to 200 nm are formed by immersing an aluminum thin film having a thickness of 10 nm to 200 nm in warm water of 80 to 100 ° C. for 15 to 60 minutes. When immersed in warm water, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) on the aluminum surface chemically reacts with water to form a boehmite layer and dissolves in hot water, thereby forming a fine structure of several tens of nm. . Due to such a concavo-convex structure, the water repellent film 31 exhibits water repellency with a contact angle with water of 120 ° or more, and more preferably has a contact angle of 130 ° or more.
第２実施形態の特徴として、撥水膜３１は、水を弾き、付着した水滴を除去しやすく、かつ検知対象となる成分を下層の検知膜２に滞りなく通すことのできるパターンにパターニングされている。具体的には、撥水膜３１は、下地層（たとえばカバー膜２７）を部分的に覆って、所定の方向性を持ったパターンにパターニングされている。パターニングは、たとえばフォトリソグラフィ法による露光と現像で、所望の形状のパターンを形成することができる。方向性を有するパターンとすることで、水滴を凝集させながら一定の方向に移動させて大きくなった水滴を外部に排出することが容易になる。更には、固形物質との接触面積が小さい為に付着力を弱めることができ、固形物質の自発的な離脱が容易になる。 As a feature of the second embodiment, the water-repellent film 31 is patterned into a pattern that repels water, easily removes attached water droplets, and allows a component to be detected to pass through the lower detection film 2 without any delay. Yes. Specifically, the water-repellent film 31 is patterned into a pattern having a predetermined directionality, partially covering the base layer (for example, the cover film 27). For patterning, for example, a pattern having a desired shape can be formed by exposure and development using a photolithography method. By using a pattern having directionality, it becomes easy to discharge water droplets that are enlarged by moving in a certain direction while aggregating the water droplets. Furthermore, since the contact area with the solid substance is small, the adhesive force can be weakened, and the solid substance can be easily detached.
図１１（Ｂ）の例では、撥水膜３１は一方向に延びてテーパ状に先細りしたパターンを有する。パターンの表面とテーパ形状を形成するエッジで水滴を弾き、テーパの中心軸が延びる方向に水滴を集めながら移動させて外部へ排出する。他方、空気中に含まれる検知対象の成分（特定のガス成分や水分子など）は、テーパとテーパの間からカバー膜２７と上部電極２５の開口部を通って、検知膜２４に吸着する。この構成により、水滴の影響を抑制して、センシングの精度を高く維持することができる。 In the example of FIG. 11B, the water repellent film 31 has a pattern that extends in one direction and is tapered. Water droplets are repelled by edges forming a taper shape with the surface of the pattern, and are moved while being collected in the direction in which the central axis of the taper extends and discharged outside. On the other hand, components to be detected (such as specific gas components and water molecules) contained in the air are adsorbed to the detection film 24 from between the taper and through the opening of the cover film 27 and the upper electrode 25. With this configuration, it is possible to suppress the influence of water droplets and maintain high sensing accuracy.
図１３は、撥水膜３１の様々なパターンを示す。図１３（Ａ）は、図１１（Ｂ）と同様に、高さ方向に長い二等辺三角形を有するテーパ状のパターンである。図１３（Ｂ）は、一定方向を向く三角形が多数並べられた三角模様のパターンである。図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）のように、撥水膜一定方向を向く（異方性のある）パターンは、表面に付着した水滴を一定の方向に移動させやすい。 FIG. 13 shows various patterns of the water repellent film 31. FIG. 13A shows a tapered pattern having an isosceles triangle that is long in the height direction, as in FIG. 11B. FIG. 13B shows a triangular pattern in which a large number of triangles facing a certain direction are arranged. As shown in FIGS. 13A and 13B, a pattern that faces a certain direction of water-repellent film (has anisotropy) easily moves water droplets attached to the surface in a certain direction.
図１３（Ｃ）は、ストライプパターンである。このパターンは、ストライプの撥水膜３１の表面及びエッジで水滴を弾いて、ストライプが延びる方向に沿って水滴を集めて移動させることができる。図１３（Ｄ）は多角形または蜂の巣（ハニカム）状のパターンである。図１３（Ｅ）は、ジグザグパターンである。図１３（Ａ）〜図１３（Ｅ）のパターンの撥水効果を調べるために、図１３（Ａ）〜図１３（Ｅ）に対応する撥水パターンを有するサンプルを作製して撥水状態を観察した。 FIG. 13C shows a stripe pattern. This pattern can be moved by collecting water droplets along the direction in which the stripes extend by repelling water droplets on the surface and edge of the water-repellent film 31 of the stripes. FIG. 13D shows a polygonal or honeycomb pattern. FIG. 13E shows a zigzag pattern. In order to investigate the water repellent effect of the patterns of FIGS. 13A to 13E, samples having water repellent patterns corresponding to FIGS. Observed.
図１４は、撥水パターン確認用のサンプル４０の構成と噴霧条件を示す図である。サンプル４０は、シリコン基板４１と、シリコン基板４１上の感湿膜４４と、感湿膜４４上に形成された所定パターンを有する撥水膜３１を有する。 FIG. 14 is a diagram showing the configuration and spraying conditions of the sample 40 for confirming the water repellent pattern. The sample 40 includes a silicon substrate 41, a moisture sensitive film 44 on the silicon substrate 41, and a water repellent film 31 having a predetermined pattern formed on the moisture sensitive film 44.
作製したサンプル４０を水平面に対して９０°の角度に保持し、スプレイ４５で水滴を噴霧する。すべてのパターンにおいて、噴霧距離ｄは１００ｍｍ±５０ｍｍ、噴霧回数は５回、水滴径は１００μｍ〜１０００μｍである。評価方法として、オリンパス株式会社製のデジタルカメラＴＧ−４の顕微鏡モードでの撮像を行った。 The produced sample 40 is held at an angle of 90 ° with respect to the horizontal plane, and water droplets are sprayed by the spray 45. In all patterns, the spray distance d is 100 mm ± 50 mm, the number of sprays is 5, and the water droplet diameter is 100 μm to 1000 μm. As an evaluation method, Olympus Corporation digital camera TG-4 was imaged in the microscope mode.
図１５は、各撥水パターンの諸元を示す図である。パターンＡ〜パターンＥは、図１３（Ａ）〜図１３（Ｅ）の形状に対応する。パターンＡとして、Ａ−１〜Ａ−４の４種類のテーパ状のパターンを形成する。Ａ−１〜Ａ−４のそれぞれは、高さ（ｈ）が８００μｍの二等辺三角形であり、撥水膜３１の各二等辺三角形の底辺のサイズａと、隣接する二等辺三角形の頂点間の距離（またはピッチ）ｂを異ならせている。 FIG. 15 is a diagram showing specifications of each water repellent pattern. Patterns A to E correspond to the shapes of FIGS. 13 (A) to 13 (E). As the pattern A, four types of tapered patterns A-1 to A-4 are formed. Each of A-1 to A-4 is an isosceles triangle having a height (h) of 800 μm, and the size a of the base of each isosceles triangle of the water-repellent film 31 and the vertices of adjacent isosceles triangles. The distance (or pitch) b is varied.
パターンＢとして、Ｂ−１〜Ｂ−５の５種類の三角模様のパターンを形成する。撥水膜３１の各三角形は、底辺と高さがともに"ａ"であり、Ｂ−１〜Ｂ−５で、"ａ"の値を異ならせる。各パターンで隣接する三角形の頂点間の距離（またはピッチ）ｂはａに設定されている（ａ＝ｂ）。 As pattern B, five types of triangular patterns B-1 to B-5 are formed. Each triangle of the water repellent film 31 has both a base and a height of “a”, and the values of “a” are different between B-1 to B-5. The distance (or pitch) b between the vertices of adjacent triangles in each pattern is set to a (a = b).
パターンＣとして、Ｃ−１〜Ｃ−４の４種類のストライプパターンを形成する。撥水膜３１のストライプの幅ａを固定（ａ＝３０μｍ）とし、ストライプ間の間隔ｂを異ならせる。パターンＤとしてＤ−１〜Ｄ−４の正六角形のパターンを形成する。撥水膜３１の正六角形の一辺の長さａと、隣接する正六角形との間の距離ｂをそれぞれ異ならせる。パターンＥとして、ジグザグパターンを１種類形成する。ジグザグの振れ幅ａを８４０μｍ、隣接するピーク間の間隔ｂを１２０μ、ジグザグの切れ込みｃを３４０μｍとする。 As the pattern C, four types of stripe patterns C-1 to C-4 are formed. The stripe width a of the water repellent film 31 is fixed (a = 30 μm), and the interval b between the stripes is varied. As the pattern D, regular hexagonal patterns D-1 to D-4 are formed. The length b of one side of the regular hexagon of the water repellent film 31 is different from the distance b between the adjacent regular hexagons. As the pattern E, one type of zigzag pattern is formed. The zigzag runout width a is 840 μm, the interval b between adjacent peaks is 120 μm, and the zigzag notch c is 340 μm.
図１６は、図１５のパターンＡ−１の観察結果を示す。テーパ状の撥水膜３１のパターンＡ−１の近傍には水滴５０が少なく、パターンに沿って水滴５０が弾かれている様子がわかる。具体的には、水滴５０はテーパの頂点に向かって集合しながら移動している。テーパ状の撥水パターンの頂点側に排水溝等を設けることで、付着した水滴５０を効果的に排出することができる。さらに、テーパとテーパの間に露出する感湿膜４４上には水滴の付着が少なく、空気中の水蒸気（水分子）が感湿膜４４に吸着しやすいことがわかる。 FIG. 16 shows an observation result of the pattern A-1 in FIG. It can be seen that there are few water droplets 50 in the vicinity of the pattern A-1 of the tapered water repellent film 31, and the water droplets 50 are repelled along the pattern. Specifically, the water droplet 50 moves while gathering toward the apex of the taper. By providing a drainage groove or the like on the apex side of the tapered water-repellent pattern, the attached water droplet 50 can be effectively discharged. Further, it can be seen that there is little adhesion of water droplets on the moisture sensitive film 44 exposed between the tapers, and water vapor (water molecules) in the air is easily adsorbed to the moisture sensitive film 44.
図１７は、三角模様の撥水膜３１のパターンＢ−２と、パターンＢ−５の観察結果を示す。パターンＢ−２はパターンＢ−５よりも細かい三角形が繰り返し配置されている。パターンサイズが小さいＢ−２では、パターンサイズの大きいＢ−５と比較して撥水領域の面積割合が高く、全体的に水滴５０が付着しにくい。また、隣接する撥水膜３１の間の開口から水分子が十分に透過することができる。パターンＢ−５では、隣接する三角形の撥水膜３１の間の露出領域も広く、撥水膜３１で弾かれた水滴５０が、露出する感湿膜４４上にとどまっている。実施例では底辺と高さが等しい二等辺三角形のパターンを用いているが、正三角形のパターンにしたときも同様の結果が得られると推測される。ここから、三角模様の撥水パターンを用いる場合は、正三角形の一辺または二等辺三角形の底辺及び高さを２０μｍ〜１００μｍ、より好ましくは４０μｍ〜８０μｍの範囲とすることで良好な水滴防止及び除去効果が得られる。 FIG. 17 shows the observation results of the pattern B-2 and the pattern B-5 of the triangular water-repellent film 31. FIG. In the pattern B-2, triangles smaller than the pattern B-5 are repeatedly arranged. In B-2 having a small pattern size, the area ratio of the water-repellent region is high compared to B-5 having a large pattern size, and the water droplets 50 are hardly adhered as a whole. Further, water molecules can sufficiently permeate from the opening between the adjacent water repellent films 31. In the pattern B-5, the exposed area between the adjacent triangular water repellent films 31 is also wide, and the water droplets 50 repelled by the water repellent film 31 remain on the exposed moisture sensitive film 44. In the embodiment, an isosceles triangle pattern having the same height as the base is used, but it is presumed that the same result can be obtained when an equilateral triangle pattern is used. From this, when using a triangular water-repellent pattern, good water droplet prevention and removal can be achieved by setting the base and height of one side or an isosceles triangle of the regular triangle to a range of 20 μm to 100 μm, more preferably 40 μm to 80 μm. An effect is obtained.
図１８は、ストライプのパターンＣ−２の観察結果を示す。ストライプの撥水膜３１の幅が３０μｍ、ストライプ間の間隔が５０μｍである。ストライプのパターンに沿って水滴５０が弾かれているが、水滴５０のサイズが大きくなると、パターンを跨り、素子全体に水滴５０が付着するおそれがある。 FIG. 18 shows an observation result of the stripe pattern C-2. The width of the stripe water-repellent film 31 is 30 μm, and the distance between the stripes is 50 μm. Although the water droplets 50 are repelled along the stripe pattern, when the size of the water droplets 50 increases, the water droplets 50 may adhere to the entire element across the pattern.
図１９は、比較例として、撥水パターンを設けずに、感湿膜４４の全体を露出させたサンプルの観察画像を示す。感湿膜４４のみでは、水滴５０は全面にランダムに付着する。 FIG. 19 shows an observation image of a sample in which the entire moisture sensitive film 44 is exposed without providing a water repellent pattern as a comparative example. With only the moisture sensitive film 44, the water droplets 50 randomly adhere to the entire surface.
図２０は、図１６〜図１９に基づく評価結果を示す。撥水膜３１のパターンＡ−１、Ｂ−２、Ｂ−５、Ｃ−２と、図１９の比較例について、デジタル顕微画像から耐水滴付着性を評価している。テーパ状のパターンＡ−１と細かい三角模様のパターンＢ−２は、水滴が付着しにくく良好な水滴防止効果と水滴除去効果を有する。粗い三角模様のパターンＢ−５とストライプのパターンＣ−２は、一部に水滴が付着するが、比較例と比べると、水滴防止効果と水滴除去効果が期待できる。 FIG. 20 shows the evaluation results based on FIGS. With respect to the patterns A-1, B-2, B-5, and C-2 of the water repellent film 31 and the comparative example of FIG. 19, water droplet adhesion is evaluated from a digital microscopic image. The tapered pattern A-1 and the fine triangular pattern B-2 have a good water droplet prevention effect and a water droplet removal effect that are difficult to attach water droplets. The rough triangular pattern B-5 and the stripe pattern C-2 have water droplets partially attached thereto, but compared to the comparative example, a water droplet preventing effect and a water droplet removing effect can be expected.
以上から、センサ素子の最表面に方向性を有する撥水パターンを配置することで、センサに水滴が付着しにくく、かつ付着した水滴をパターンに沿って移動させて除去しやすくなる。撥水パターンを設けることで、結露環境下でも測定精度を維持することができる。また、水滴付着性を低減することで、水垢等による汚染を防止する効果が得られ、耐久性が向上する。 From the above, by disposing a water repellent pattern having directionality on the outermost surface of the sensor element, it is difficult for water droplets to adhere to the sensor, and the attached water droplets can be easily moved and removed along the pattern. By providing a water repellent pattern, measurement accuracy can be maintained even in a dew condensation environment. In addition, by reducing the water droplet adhesion, an effect of preventing contamination due to water scale or the like is obtained, and durability is improved.
なお、第１実施形態の湿度センサ１０及び／又は２０に、第２実施形態の撥水パターンを組み合わせてもよい。この場合は、湿度センサに対する水滴の影響をさらに抑制することができる。 The humidity sensor 10 and / or 20 of the first embodiment may be combined with the water repellent pattern of the second embodiment. In this case, the influence of water droplets on the humidity sensor can be further suppressed.
＜第３実施形態＞
第３実施形態では、前述した湿度センサを含むセンサ装置の一例について説明する。本実施形態に係る湿度センサを含むセンサ装置は、湿度を検出したい種々の場所に設置して使用することができるが、例えばビニールハウス等の農業用等、結露が生じやすい場所や水滴が付着しやすい場所に設置して使用する場合に特に好適である。
<Third Embodiment>
In the third embodiment, an example of a sensor device including the humidity sensor described above will be described. The sensor device including the humidity sensor according to the present embodiment can be installed and used in various places where humidity is desired to be detected. It is particularly suitable when installed and used in an easy place.
図２１及び図２２は、センサ装置の一例を説明するための図である。図２１は、センサ装置の斜視図である。図２２（Ａ）は図２１のセンサ装置の上面を示し、図２２（Ｂ）は図２２（Ａ）における一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示し、図２２（Ｃ）は図２２（Ａ）における一点鎖線Ｃ−Ｃにおいて切断した断面を示している。 21 and 22 are diagrams for explaining an example of the sensor device. FIG. 21 is a perspective view of the sensor device. 22A shows the top surface of the sensor device of FIG. 21, FIG. 22B shows a cross section cut along a dashed line BB in FIG. 22A, and FIG. 22C shows FIG. The cross section cut | disconnected in the dashed-dotted line CC in FIG.
図２１及び図２２に示されるように、センサ装置１００は、基板１０１と、湿度センサ１０２と、樹脂１０３とを有する。 As shown in FIGS. 21 and 22, the sensor device 100 includes a substrate 101, a humidity sensor 102, and a resin 103.
基板１０１は、湿度センサ１０２を搭載するものであり、例えばＰＣＢ（Printed Circuit Board）である。基板１０１には、１つの湿度センサ１０２が搭載されていてもよく、複数の湿度センサ１０２が搭載されていてもよい。もしくは、これらを複数個同時に内蔵する構成としても良い。また、基板１０１には湿度センサ１０２に加えて、例えば温度を検出する素子等の他の種類の検出素子、加熱用のヒータ、集積回路（ＩＣ：Integrated Circuit）基板が搭載されていてもよい。なお、図２１及び図２２では、基板１０１の上に１つの湿度センサ１０２が搭載されている場合を示している。基板１０１の厚さは、例えば２００μｍとすることができる。 The substrate 101 mounts the humidity sensor 102, and is, for example, a PCB (Printed Circuit Board). One humidity sensor 102 may be mounted on the substrate 101, or a plurality of humidity sensors 102 may be mounted. Or it is good also as a structure which incorporates these two or more simultaneously. In addition to the humidity sensor 102, the substrate 101 may be mounted with other types of detection elements such as a temperature detection element, a heater for heating, and an integrated circuit (IC) substrate. 21 and 22 show the case where one humidity sensor 102 is mounted on the substrate 101. FIG. The thickness of the substrate 101 can be set to 200 μm, for example.
湿度センサ１０２は、基板１０１の上に搭載されており、シリコン基板１０４と、感湿部１０５とを含む。シリコン基板１０４の厚さは、例えば３００μｍとすることができる。感湿部１０５は、例えば湿度に応じて誘電率が変化する感湿膜が上部電極と下部電極とによって挟まれることにより形成されている。上部電極及び下部電極は、金ワイヤ１０６を用いたワイヤボンディングによって、それぞれ基板１０１に形成された電極と電気的に接続されている。また、上部電極及び下部電極は、例えばＴＡＢ（Tape Automated Bonding）やＦＣＢ（Flip Chip Bonding）によって、それぞれ基板１０１に形成された電極と電気的に接続されていてもよい。なお、図２１及び図２２では、感湿部１０５は、上面から見たときの形状が正方形であり、感湿部１０５を構成する感湿膜、上部電極及び下部電極並びに基板１０１に形成された電極の図示を省略している。 The humidity sensor 102 is mounted on the substrate 101 and includes a silicon substrate 104 and a humidity sensing unit 105. The thickness of the silicon substrate 104 can be set to 300 μm, for example. The moisture sensitive part 105 is formed, for example, by sandwiching a moisture sensitive film whose dielectric constant changes according to humidity between the upper electrode and the lower electrode. The upper electrode and the lower electrode are electrically connected to electrodes formed on the substrate 101 by wire bonding using a gold wire 106, respectively. Further, the upper electrode and the lower electrode may be electrically connected to the electrodes formed on the substrate 101 by TAB (Tape Automated Bonding) or FCB (Flip Chip Bonding), for example. 21 and 22, the moisture sensing portion 105 has a square shape when viewed from above, and is formed on the moisture sensing film, the upper electrode and the lower electrode, and the substrate 101 constituting the moisture sensing portion 105. Illustration of the electrodes is omitted.
樹脂１０３は、湿度センサ１０２を覆うように形成されている。より具体的には、樹脂１０３は、基板１０１の上面、湿度センサ１０２の側面及び上面の一部を覆うように形成されている。樹脂１０３は、開口部１０７と、溝部１０８とを有する。樹脂１０３には、フィラーを一定濃度含んでも良い。 The resin 103 is formed so as to cover the humidity sensor 102. More specifically, the resin 103 is formed so as to cover the upper surface of the substrate 101, the side surface of the humidity sensor 102, and a part of the upper surface. The resin 103 has an opening 107 and a groove 108. The resin 103 may contain a certain concentration of filler.
開口部１０７は、湿度センサ１０２の感湿部１０５を露出させる部位である。開口部１０７では、感湿部１０５の上面が露出しているので、開口部１０７において感湿膜が水分を吸脱着することにより、感湿膜の誘電率が変化する。そして、感湿膜の誘電率の変化、即ち、上部電極と下部電極との間の静電容量の変化を測定することで、センサ装置１００が取り付けられた場所における湿度を検出することができる。開口部１０７は、上面から見たときの形状が正方形である。開口部１０７の深さは、例えば５０μｍとすることができる。 The opening 107 is a part where the humidity sensor 105 of the humidity sensor 102 is exposed. Since the upper surface of the moisture-sensitive part 105 is exposed at the opening 107, the moisture-sensitive film absorbs and desorbs moisture at the opening 107, so that the dielectric constant of the moisture-sensitive film changes. And the humidity in the place where the sensor apparatus 100 was attached is detectable by measuring the change of the dielectric constant of a moisture sensitive film, ie, the change of the electrostatic capacitance between an upper electrode and a lower electrode. The opening 107 has a square shape when viewed from above. The depth of the opening 107 can be set to 50 μm, for example.
溝部１０８は、開口部１０７と連通し樹脂１０３の外側面まで延在する部位である。溝部１０８の底面の高さは、湿度センサ１０２の感湿部１０５の上面の高さ以下である。これにより、露出した湿度センサ１０２の感湿部１０５の上面に水滴が溜まった場合であっても、感湿部１０５の上面に付着した水滴は開口部１０７から溝部１０８を介して樹脂１０３の外側面の方向へ排出される。このため、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。溝部１０８は、上面から見たときの形状が長方形である。溝部１０８の深さは、例えば５０μｍとすることができる。尚、図２１に示すように開口部１０７及び溝部１０８は、垂直な側壁で囲われるように形成されているが、側壁を緩やかな傾斜面とすることで水滴の排出がより容易となり好ましい。 The groove 108 is a part that communicates with the opening 107 and extends to the outer surface of the resin 103. The height of the bottom surface of the groove 108 is equal to or less than the height of the top surface of the humidity sensing portion 105 of the humidity sensor 102. As a result, even when water droplets are accumulated on the upper surface of the moisture sensitive portion 105 of the exposed humidity sensor 102, the water droplets adhering to the upper surface of the moisture sensitive portion 105 are removed from the resin 103 through the groove portion 108 from the opening 107. It is discharged in the direction of the side. For this reason, the water droplet adhering to the upper surface of the moisture-sensitive part 105 can be discharged | emitted easily. The groove 108 has a rectangular shape when viewed from above. The depth of the groove 108 can be set to 50 μm, for example. As shown in FIG. 21, the opening 107 and the groove 108 are formed so as to be surrounded by vertical side walls. However, it is preferable that the side walls have a gently inclined surface because water droplets can be discharged more easily.
また、溝部１０８の底面は、湿度センサ１０２の感湿部１０５の上面よりも親水性が高いことが好ましい。これにより、溝部１０８の底面の親水性と感湿部１０５の上面の親水性とが同じである場合よりも、感湿部１０５の上面に付着した水滴が溝部１０８に移動しやすくなるので、感湿部１０５の上面に付着した水滴が樹脂１０３の外側面の方向へ排出されやすくなる。 Moreover, it is preferable that the bottom surface of the groove portion 108 is more hydrophilic than the upper surface of the moisture sensitive portion 105 of the humidity sensor 102. This makes it easier for water droplets attached to the upper surface of the moisture sensitive portion 105 to move to the groove portion 108 than when the hydrophilicity of the bottom surface of the groove portion 108 and the hydrophilicity of the upper surface of the moisture sensitive portion 105 are the same. Water droplets adhering to the upper surface of the wet portion 105 are easily discharged toward the outer surface of the resin 103.
（変形例１）
変形例１に係るセンサ装置について説明する。図２３は、変形例１に係るセンサ装置を説明するための図である。図２３（Ａ）はセンサ装置の上面を示し、図２３（Ｂ）は図２３（Ａ）における一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
(Modification 1)
A sensor device according to Modification 1 will be described. FIG. 23 is a diagram for explaining the sensor device according to the first modification. FIG. 23A illustrates the top surface of the sensor device, and FIG. 23B illustrates a cross section taken along the dashed-dotted line BB in FIG.
図２３に示されるように、変形例１に係るセンサ装置１１０においては、樹脂の上面に４つの溝部１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、１１８Ｄが形成されている。 As shown in FIG. 23, in the sensor device 110 according to Modification 1, four groove portions 118A, 118B, 118C, and 118D are formed on the upper surface of the resin.
４つの溝部１１８Ａ、１１８Ｂ、１１８Ｃ、１１８Ｄは、それぞれ上面から見たときの形状が矩形であり、開口部１０７から樹脂１０３の各辺まで延在するように形成されている。また、溝部１１８Ａと溝部１１８Ｃとは開口部１０７を挟んで対向する位置に形成されており、溝部１１８Ｂと溝部１１８Ｄとは開口部１０７を挟んで対向する位置に形成されている。これにより、センサ装置１１０が設置される向きによらず、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。 Each of the four groove portions 118A, 118B, 118C, and 118D has a rectangular shape when viewed from the upper surface, and is formed so as to extend from the opening 107 to each side of the resin 103. The groove 118A and the groove 118C are formed at positions facing each other across the opening 107, and the groove 118B and the groove 118D are formed at positions facing each other across the opening 107. Thereby, the water droplet adhering to the upper surface of the moisture sensitive part 105 can be discharged | emitted easily irrespective of the direction in which the sensor apparatus 110 is installed.
なお、その他の構成要素は、図２１及び図２２に示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。 Since other components are the same as those of the sensor device 100 shown in FIGS. 21 and 22, the description thereof is omitted.
（変形例２）
変形例２に係るセンサ装置について説明する。図２４は、変形例２に係るセンサ装置を説明するための図である。図２４（Ａ）はセンサ装置の上面を示し、図２４（Ｂ）、図２４（Ｃ）及び図２４（Ｄ）は、それぞれ図２４（Ａ）における一点鎖線Ｂ−Ｂ、一点鎖線Ｃ−Ｃ及び一点鎖線Ｄ−Ｄにおいて切断した断面を示している。
(Modification 2)
A sensor device according to Modification 2 will be described. FIG. 24 is a diagram for explaining the sensor device according to the second modification. 24A shows the top surface of the sensor device, and FIGS. 24B, 24C, and 24D show the alternate long and short dash line B-B and alternate long and short dash line CC in FIG. 24A, respectively. And the cross section cut | disconnected in the dashed-dotted line DD is shown.
図２４に示されるように、変形例２に係るセンサ装置１２０においては、樹脂１０３の上面に８つの溝部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄ、１２８Ｅ、１２８Ｆ、１２８Ｇ、１２８Ｈが形成されている。 As shown in FIG. 24, in the sensor device 120 according to the second modification, eight grooves 128A, 128B, 128C, 128D, 128E, 128F, 128G, and 128H are formed on the upper surface of the resin 103.
８つの溝部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄ、１２８Ｅ、１２８Ｆ、１２８Ｇ、１２８Ｈは、それぞれ上面から見たときの形状が矩形であり、開口部１０７から樹脂１０３の各辺まで延在するように形成されている。また、溝部１２８Ａと溝部１２８Ｆ、溝部１２８Ｂと溝部１２８Ｅ、溝部１２８Ｃと溝部１２８Ｈ、及び溝部１２８Ｄと溝部１２８Ｇとは、それぞれ開口部１０７を挟んで対向する位置に形成されている。これにより、センサ装置１２０が設置される向きによらず、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。 Each of the eight grooves 128A, 128B, 128C, 128D, 128E, 128F, 128G, and 128H has a rectangular shape when viewed from above, and is formed to extend from the opening 107 to each side of the resin 103. ing. Further, the groove 128A and the groove 128F, the groove 128B and the groove 128E, the groove 128C and the groove 128H, and the groove 128D and the groove 128G are formed at positions facing each other across the opening 107, respectively. Thereby, the water droplet adhering to the upper surface of the moisture sensitive part 105 can be discharged | emitted easily irrespective of the direction in which the sensor apparatus 120 is installed.
また、８つの溝部１２８Ａ、１２８Ｂ、１２８Ｃ、１２８Ｄ、１２８Ｅ、１２８Ｆ、１２８Ｇ、１２８Ｈの各々の幅は、図２１及び図２２に示されたセンサ装置１００の溝部１０８の幅よりも狭くなっている。これにより、感湿部１０５の上面に付着した小さい水滴を容易に排出することができる。 Further, the width of each of the eight groove portions 128A, 128B, 128C, 128D, 128E, 128F, 128G, and 128H is narrower than the width of the groove portion 108 of the sensor device 100 shown in FIGS. Thereby, the small water droplet adhering to the upper surface of the moisture sensitive part 105 can be discharged | emitted easily.
なお、その他の構成要素は、図２１及び図２２に示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。 Since other components are the same as those of the sensor device 100 shown in FIGS. 21 and 22, the description thereof is omitted.
（変形例３）
変形例３に係るセンサ装置について説明する。図２５は、変形例３に係るセンサ装置を説明するための図である。図２５（Ａ）はセンサ装置の上面を示し、図２５（Ｂ）は、図２５（Ａ）における一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
(Modification 3)
A sensor device according to Modification 3 will be described. FIG. 25 is a diagram for explaining the sensor device according to the third modification. FIG. 25A illustrates the top surface of the sensor device, and FIG. 25B illustrates a cross section taken along the dashed-dotted line BB in FIG.
図２５に示されるように、変形例３に係るセンサ装置１３０においては、開口部１０７の側から樹脂１０３の外側面に向かって溝部１３８の底面の高さが低くなるように傾斜している。これにより、感湿部１０５の上面に付着した水滴が溝部１３８の底面を勢いよく移動するので、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。 As shown in FIG. 25, in the sensor device 130 according to the third modification, the bottom surface of the groove 138 is inclined from the opening 107 side toward the outer surface of the resin 103 so as to decrease in height. Thereby, since the water droplets adhering to the upper surface of the moisture sensitive part 105 move vigorously on the bottom surface of the groove 138, the water droplets adhering to the upper surface of the moisture sensitive part 105 can be easily discharged.
なお、その他の構成要素は、図２１及び図２２に示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。 Since other components are the same as those of the sensor device 100 shown in FIGS. 21 and 22, the description thereof is omitted.
（変形例４）
変形例４に係るセンサ装置について説明する。図２６は、変形例４に係るセンサ装置を説明するための図である。図２６（Ａ）はセンサ装置の上面を示し、図２６（Ｂ）は図２６（Ａ）における一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
(Modification 4)
A sensor device according to Modification 4 will be described. FIG. 26 is a diagram for explaining the sensor device according to the fourth modification. FIG. 26A illustrates the top surface of the sensor device, and FIG. 26B illustrates a cross section taken along the dashed-dotted line BB in FIG.
図２６に示されるように、変形例４に係るセンサ装置１４０においては、開口部１０７の側から樹脂１０３の外側面に向かって溝部１４８の底面の高さが低くなるように２段階に傾斜している。即ち、溝部１４８は、開口部１０７と連通する第１の溝部１４８Ａと、第１の溝部１４８Ａと連通し樹脂１０３の外側面まで延在する第２の溝部１４８Ｂとを含む。第１の溝部１４８Ａは、第１の傾きを有する。第２の溝部１４８Ｂは、第１の傾きよりも大きい第２の傾きを有する。これにより、感湿部１０５の上面に付着した水滴が変形例３の場合よりも溝部１４８の底面を勢いよく移動するので、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。 As shown in FIG. 26, in the sensor device 140 according to the modified example 4, the bottom surface of the groove portion 148 is inclined in two stages so that the height of the bottom surface of the groove portion 148 decreases from the opening 107 side toward the outer surface of the resin 103. ing. That is, the groove 148 includes a first groove 148A that communicates with the opening 107, and a second groove 148B that communicates with the first groove 148A and extends to the outer surface of the resin 103. The first groove portion 148A has a first inclination. The second groove portion 148B has a second inclination larger than the first inclination. Thereby, since the water droplets adhering to the upper surface of the moisture sensitive part 105 move more vigorously on the bottom surface of the groove part 148 than in the third modification, the water droplets adhering to the upper surface of the moisture sensitive part 105 can be easily discharged. .
なお、その他の構成要素は、図２１及び図２２に示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。 Since other components are the same as those of the sensor device 100 shown in FIGS. 21 and 22, the description thereof is omitted.
（変形例５）
変形例５に係るセンサ装置について説明する。図２７は、変形例５に係るセンサ装置を説明するための図である。図２７（Ａ）はセンサ装置の上面を示し、図２７（Ｂ）は図２７（Ａ）における一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
(Modification 5)
A sensor device according to Modification 5 will be described. FIG. 27 is a diagram for explaining a sensor device according to Modification 5. FIG. 27A illustrates the top surface of the sensor device, and FIG. 27B illustrates a cross section taken along a dashed-dotted line BB in FIG.
図２７に示されるように、変形例５に係るセンサ装置１５０においては、上面から見たときの開口部１５７の形状が長方形である。 As shown in FIG. 27, in the sensor device 150 according to the modified example 5, the shape of the opening 157 when viewed from above is a rectangle.
この場合、図２１及び図２２に示された上面から見たときの形状が正方形である開口部１０７を有するセンサ装置１５０と同様に、感湿部１０５の上面に付着した水滴は開口部１５７から溝部１０８を介して樹脂１０３の外側面の方向へ排出される。このため、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。 In this case, similar to the sensor device 150 having the opening 107 having a square shape when viewed from the upper surface shown in FIG. 21 and FIG. It is discharged in the direction of the outer surface of the resin 103 through the groove 108. For this reason, the water droplet adhering to the upper surface of the moisture-sensitive part 105 can be discharged | emitted easily.
なお、その他の構成要素は、図２１及び図２２に示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。 Since other components are the same as those of the sensor device 100 shown in FIGS. 21 and 22, the description thereof is omitted.
（変形例６）
変形例６に係るセンサ装置について説明する。図２８は、変形例６に係るセンサ装置を説明するための図である。図２８（Ａ）はセンサ装置の上面を示し、図２８（Ｂ）は図２８（Ａ）における一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
(Modification 6)
A sensor device according to Modification 6 will be described. FIG. 28 is a diagram for explaining the sensor device according to the sixth modification. FIG. 28A illustrates the top surface of the sensor device, and FIG. 28B illustrates a cross section taken along the dashed-dotted line BB in FIG.
図２８に示されるように、変形例６に係るセンサ装置１６０においては、上面から見たときの開口部１６７の形状が円形である。 As shown in FIG. 28, in the sensor device 160 according to Modification 6, the shape of the opening 167 when viewed from above is circular.
この場合、図２１及び図２２に示された上面から見たときの形状が正方形である開口部１０７を有するセンサ装置１００と同様に、感湿部１０５の上面に付着した水滴は開口部１６７から溝部１０８を介して樹脂１０３の外側面の方向へ排出される。このため、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。 In this case, as in the sensor device 100 having the opening 107 having a square shape when viewed from the upper surface shown in FIG. 21 and FIG. It is discharged in the direction of the outer surface of the resin 103 through the groove 108. For this reason, the water droplet adhering to the upper surface of the moisture-sensitive part 105 can be discharged | emitted easily.
なお、その他の構成要素は、図２１及び図２２に示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。 Since other components are the same as those of the sensor device 100 shown in FIGS. 21 and 22, the description thereof is omitted.
（変形例７）
変形例７に係るセンサ装置について説明する。図２９は、変形例７に係るセンサ装置を説明するための図である。図２９（Ａ）はセンサ装置の上面を示し、図２９（Ｂ）は図２９（Ａ）における一点鎖線Ｂ−Ｂにおいて切断した断面を示している。
(Modification 7)
A sensor device according to Modification 7 will be described. FIG. 29 is a diagram for explaining a sensor device according to Modification 7. FIG. 29A illustrates the top surface of the sensor device, and FIG. 29B illustrates a cross section taken along the dashed-dotted line BB in FIG.
図２９に示されるように、変形例７に係るセンサ装置１７０においては、上面から見たときの開口部１７７の形状が楕円形である。 As shown in FIG. 29, in the sensor device 170 according to the modified example 7, the shape of the opening 177 when viewed from above is an ellipse.
この場合、図２１及び図２２に示された上面から見たときの形状が正方形である開口部１０７を有するセンサ装置１００と同様に、感湿部１０５の上面に付着した水滴は開口部１７７から溝部１０８を介して樹脂１０３の外側面の方向へ排出される。このため、感湿部１０５の上面に付着した水滴を容易に排出することができる。 In this case, similar to the sensor device 100 having the opening 107 having a square shape when viewed from the upper surface shown in FIGS. It is discharged in the direction of the outer surface of the resin 103 through the groove 108. For this reason, the water droplet adhering to the upper surface of the moisture-sensitive part 105 can be discharged | emitted easily.
なお、その他の構成要素は、図２１及び図２２に示されたセンサ装置１００と同様であるので、その説明を省略する。 Since other components are the same as those of the sensor device 100 shown in FIGS. 21 and 22, the description thereof is omitted.
（センサ装置の製造方法）
次に、湿度センサを含むセンサ装置の製造方法について、変形例３に係るセンサ装置１３０を製造する場合を例に挙げて説明する。
(Manufacturing method of sensor device)
Next, a method for manufacturing a sensor device including a humidity sensor will be described by taking as an example the case of manufacturing a sensor device 130 according to Modification 3.
まず、基板１０１の上に搭載された湿度センサ１０２の上面に、ポリイミド製テープ等の表面保護材を貼り付ける。このとき、湿度センサ１０２の感湿部１０５を覆うように表面保護材を貼り付ける。表面保護材を貼り付ける位置及び形状は、開口部１０７を形成する位置及び形状に応じて定めることができる。例えば、基板１０１の中央部分に正方形の開口部１０７を形成する場合、基板１０１の中央部分に正方形の表面保護材を貼り付ければよい。表面保護材の厚さは、形成する開口部１０７の深さを定めるものであり、例えば５０μｍとすることができる。 First, a surface protection material such as a polyimide tape is attached to the upper surface of the humidity sensor 102 mounted on the substrate 101. At this time, a surface protective material is affixed so as to cover the moisture sensitive portion 105 of the humidity sensor 102. The position and shape for attaching the surface protective material can be determined according to the position and shape for forming the opening 107. For example, when the square opening 107 is formed in the central portion of the substrate 101, a square surface protective material may be attached to the central portion of the substrate 101. The thickness of the surface protective material determines the depth of the opening 107 to be formed, and can be set to 50 μm, for example.
続いて、基板１０１の上面、湿度センサ１０２の側面、湿度センサ１０２の上面及び表面保護材の上面を覆うように、樹脂１０３を用いてモールド成形を行うことにより、上面から見たときの形状が正方形であるセンサ装置１３０が形成される。 Subsequently, by performing molding using the resin 103 so as to cover the upper surface of the substrate 101, the side surface of the humidity sensor 102, the upper surface of the humidity sensor 102, and the upper surface of the surface protection material, the shape when viewed from the upper surface is obtained. A sensor device 130 that is square is formed.
続いて、研磨装置を用いて、成形された樹脂１０３の上面側から表面保護材が露出するまで樹脂１０３を研磨し、露出した表面保護材を剥がすことにより、樹脂１０３の上面に開口部１０７が形成される。 Subsequently, by using a polishing apparatus, the resin 103 is polished from the upper surface side of the molded resin 103 until the surface protective material is exposed, and the exposed surface protective material is peeled off, so that the opening 107 is formed on the upper surface of the resin 103. It is formed.
続いて、樹脂１０３の上面側の一辺を面取り加工することにより、面取り形状が直線状であるＣ面取り形状の溝部１３８を形成する。 Subsequently, by chamfering one side of the upper surface side of the resin 103, a C-chamfered groove portion 138 having a straight chamfered shape is formed.
以上の方法により、変形例３に係るセンサ装置１３０を製造することができる。なお、センサ装置の製造方法は、これに限定されるものではなく、種々の方法を使用することができる。例えば、開口部及び溝部を形成する位置に凸部を有する金型に、湿度センサが搭載された基板を入れて樹脂を充填することによって、センサ装置を製造することができる。 With the above method, the sensor device 130 according to Modification 3 can be manufactured. In addition, the manufacturing method of a sensor apparatus is not limited to this, A various method can be used. For example, the sensor device can be manufactured by placing a substrate on which a humidity sensor is mounted in a mold having protrusions at positions where the opening and the groove are formed and filling the resin.
以上、好ましい実施の形態について説明したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiment has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and substitutions are made to the above-described embodiment without departing from the scope described in the claims. Can be added.
上記の実施形態では、上面から見たときの感湿部１０５の形状が正方形である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば長方形、円形、楕円形であってもよい。 In the above embodiment, the case where the shape of the moisture sensitive portion 105 when viewed from the top is a square has been described as an example. However, the shape is not limited thereto, and may be, for example, a rectangle, a circle, or an ellipse. .
１０Ａ、１０Ｂ、２０ 湿度センサ
１１、２１ 基板
１３、２３ 下部電極
１４ａ 第１の感湿膜
１４ｂ 第２の感湿膜
１５、２５ 上部電極
１６ 開口
１７ 保護膜
２４ 検知膜
３０ センサ素子
３１ 撥水膜
４４ 感湿膜
１００ センサ装置
１０１ 基板
１０２ 湿度センサ
１０３ 樹脂
１０４ シリコン基板
１０５ 感湿部
１０６ 金ワイヤ
１０７ 開口部
１０８ 溝部
10A, 10B, 20 Humidity sensor 11, 21 Substrate 13, 23 Lower electrode 14a First moisture sensitive film 14b Second moisture sensitive film 15, 25 Upper electrode 16 Opening 17 Protective film 24 Detection film 30 Sensor element 31 Water repellent film 44 Moisture Sensitive Film 100 Sensor Device 101 Substrate 102 Humidity Sensor 103 Resin 104 Silicon Substrate 105 Moisture Sensitive Part 106 Gold Wire 107 Opening 108 Groove
Claims (6)
前記基板の上に搭載された検出素子と、
前記検出素子を覆う樹脂と、
を備え、
前記樹脂は、前記検出素子を露出させる開口部と、前記開口部と連通し前記樹脂の外側面まで延在する溝部と、を有し、
前記溝部の底面の高さは、前記検出素子の上面の高さ以下である、
センサ装置。 A substrate,
A sensing element mounted on the substrate;
A resin covering the detection element;
With
The resin has an opening that exposes the detection element, and a groove that communicates with the opening and extends to the outer surface of the resin.
The height of the bottom surface of the groove is not more than the height of the upper surface of the detection element,
Sensor device.
請求項１に記載のセンサ装置。 The groove portion is inclined so that the height of the bottom surface decreases from the opening side toward the outer surface of the resin.
The sensor device according to claim 1.
請求項１又は２に記載のセンサ装置。 At least a pair of the groove portions are formed at positions facing each other across the opening portion.
The sensor device according to claim 1 or 2.
前記溝部は、前記開口部から前記樹脂の各辺まで延在するように少なくとも４つ形成されている、
請求項１又は２に記載のセンサ装置。 The resin has a rectangular shape when viewed from one side of the substrate,
At least four of the groove portions are formed so as to extend from the opening to each side of the resin.
The sensor device according to claim 1 or 2.
請求項１乃至４のいずれか一項に記載のセンサ装置。 The bottom surface of the groove is more hydrophilic than the top surface of the detection element,
The sensor apparatus as described in any one of Claims 1 thru | or 4.
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセンサ装置。 The detection element is a humidity sensor including a moisture sensitive film whose dielectric constant changes according to humidity.
The sensor device according to any one of claims 1 to 5.
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2016
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