JP5470512B2 - Humidity detection sensor - Google Patents

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Description

本発明は、高分子感湿膜を誘電体とした湿度検出センサに関する。   The present invention relates to a humidity detection sensor using a polymer moisture sensitive film as a dielectric.

湿度変化測定に用いられる湿度検出センサには、吸収又は放出した水分量に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を誘電体とした静電容量型の湿度検出センサがある。容量型湿度検出センサは、湿度に応じて静電容量が変化するセンサ部と、湿度によらず一定の静電容量を保持する基準部とを備えており、センサ部と基準部との間の容量差分を電圧に変換して出力する。センサ部及び基準部は、高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、その上に保護層を積層してなる積層構造を有する。このような湿度検出センサとしては、例えば特許文献１に記載されているものがある。   As a humidity detection sensor used for humidity change measurement, there is a capacitance type humidity detection sensor using a polymer moisture-sensitive film whose dielectric constant changes according to the amount of absorbed or released water as a dielectric. The capacitive humidity detection sensor includes a sensor unit that changes its capacitance according to humidity, and a reference unit that maintains a constant capacitance regardless of humidity, and is provided between the sensor unit and the reference unit. Capacitance difference is converted to voltage and output. The sensor part and the reference part have a laminated structure in which a polymer moisture sensitive film is sandwiched between a pair of electrodes and a protective layer is laminated thereon. An example of such a humidity detection sensor is described in Patent Document 1.

特開平６−１３８０７４号公報Japanese Patent Laid-Open No. 6-138074

上記湿度検出センサにおいて、高分子感湿膜を一対の電極で挟持する平行平板型の電極構造を採用する場合、センサ部の高分子感湿膜を外界に露出させるために、高分子感湿膜上に形成された電極を部分的に除去する必要がある。この場合、高分子感湿膜上に電極層を形成した後に、この電極層をミリング加工などのドライエッチング法で除去することが考えられる。   In the above humidity detection sensor, when a parallel plate type electrode structure in which the polymer moisture sensitive film is sandwiched between a pair of electrodes is employed, the polymer moisture sensitive film is exposed in order to expose the polymer moisture sensitive film of the sensor part to the outside. It is necessary to partially remove the electrode formed thereon. In this case, after forming an electrode layer on the polymer moisture-sensitive film, it can be considered to remove the electrode layer by a dry etching method such as milling.

しかしながら、高分子感湿膜上の電極層をミリングにより除去すると、その際に高分子感湿膜もミリングされてしまい、高分子感湿膜がミリングによる厚さ分布を持ってしまう。このように高分子感湿膜が厚さ分布を有すると、湿度検出センサの感度にばらつきが生じることとなる。   However, if the electrode layer on the polymer moisture-sensitive film is removed by milling, the polymer moisture-sensitive film is also milled at that time, and the polymer moisture-sensitive film has a thickness distribution due to milling. Thus, when the polymer moisture-sensitive film has a thickness distribution, the sensitivity of the humidity detection sensor varies.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、感度ばらつきのない平行平板型の湿度検出センサを提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of this point, and an object thereof is to provide a parallel plate type humidity detection sensor having no sensitivity variation.

本発明の湿度検出センサは、基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの上側の電極上に形成された保護層と、を具備し、前記保護層は、前記センサ部における前記感湿領域以外の領域であって、前記高分子感湿膜が前記一対の電極で挟持された挟持領域及び当該挟持領域と前記感湿領域との間に配置され前記高分子感湿膜が前記一対の電極で挟持されない領域上に形成されており、前記挟持領域と前記感湿領域との間の領域は、前記挟持領域の高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有すると共に、少なくとも前記一対の電極間の電界の漏れ領域を含む幅を有することを特徴とする。 The humidity detection sensor of the present invention includes a substrate and a polymer moisture sensitive film that is provided on the substrate and has a dielectric constant that changes according to the humidity between a pair of electrodes. A sensor unit having a moisture-sensitive region exposed to the outside, and a protective layer formed on at least the upper electrode of the pair of electrodes, wherein the protective layer is the moisture-sensitive region in the sensor unit. A region where the polymer moisture sensitive film is sandwiched between the pair of electrodes, and the polymer moisture sensitive film is disposed between the sandwiched region and the moisture sensitive region. The region between the sandwiched region and the moisture sensitive region has a polymer moisture sensitive film having a thickness substantially the same as the thickness of the polymer moisture sensitive film in the sandwiched region. together, having a width including a leakage area of the electric field between at least the pair of electrodes It is characterized in.

この構成によれば、感湿領域以外の領域において、一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を設けているので、高分子感湿膜における、上部電極と下部電極との間に電界が印加されたときの漏れ電界のパスを確保することができる。その結果、湿度検出センサの感度のばらつきを小さくすることが可能となる。   According to this configuration, in the region other than the moisture sensitive region, the region having the polymer moisture sensitive film having a thickness substantially the same as the thickness of the polymer moisture sensitive film sandwiched between the pair of electrodes is provided. In the moisture sensitive film, a leakage electric field path can be secured when an electric field is applied between the upper electrode and the lower electrode. As a result, it is possible to reduce variations in sensitivity of the humidity detection sensor.

本発明の湿度検出センサにおいては、前記高分子感湿膜上の電極は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングされてなることが好ましい。   In the humidity detection sensor of the present invention, the electrode on the polymer moisture sensitive film is preferably patterned by photolithography and etching.

本発明の湿度検出センサにおいては、前記高分子感湿膜上の電極は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングされてなるシード層と、前記シード層上に形成されためっき層とで構成されていることが好ましい。   In the humidity detection sensor of the present invention, the electrode on the polymer moisture-sensitive film is composed of a seed layer patterned by photolithography and etching, and a plating layer formed on the seed layer. Is preferred.

本発明の湿度検出センサによれば、基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、前記高分子感湿膜が部分的に外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの上側の電極上に形成された保護層と、を具備し、前記感湿領域以外の領域において、前記一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を前記上側の電極の近傍に有するので、感度ばらつきのない平行平板型の湿度検出センサを実現することができる。   According to the humidity detection sensor of the present invention, a substrate and a polymer moisture-sensitive film that is provided on the substrate and whose dielectric constant changes according to humidity are sandwiched between a pair of electrodes, and the polymer moisture-sensitive film is partially And a protective layer formed on at least an upper electrode of the pair of electrodes, and in the region other than the moisture sensitive region, the pair of sensors is provided. In the vicinity of the upper electrode, there is a region having a polymer moisture sensitive film having a thickness substantially the same as the thickness of the polymer moisture sensitive film sandwiched between the electrodes. Can be realized.

本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the humidity detection sensor which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る湿度検出センサのセンサ部及び基準部を示す平面図である。It is a top view which shows the sensor part and reference | standard part of the humidity detection sensor which concern on embodiment of this invention. （ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの感湿領域以外の領域の構造を示す断面図である。(A), (b) is sectional drawing which shows the structure of area | regions other than the moisture sensitive area | region of the humidity detection sensor which concerns on embodiment of this invention. （ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの製造方法を説明するための断面図である。(A)-(e) is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the humidity detection sensor which concerns on embodiment of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの構成を示すブロック図である。図１に示す湿度検出センサは、吸収又は放出した水分量に応じて誘電率が変化する高分子感湿材料を用いた高分子膜湿度センサである。この湿度検出センサは、基板１０上に、湿度によって静電容量Ｃ２０が変化するセンサ部２０と、湿度によらず一定の静電容量Ｃ３０を保持する基準部３０と、このセンサ部２０と基準部３０とに電気的に接続し、該センサ部２０と基準部３０との間の容量差分ΔＣ（＝Ｃ２０−Ｃ３０）を電圧に変換して外部回路に出力する回路部４０とを有している。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a humidity detection sensor according to an embodiment of the present invention. The humidity detection sensor shown in FIG. 1 is a polymer film humidity sensor using a polymer moisture-sensitive material whose dielectric constant changes according to the amount of moisture absorbed or released. The humidity detection sensor includes a sensor unit 20 in which a capacitance C 20 changes depending on humidity, a reference unit 30 that holds a constant capacitance C 30 regardless of humidity, and the sensor unit 20. A circuit unit 40 that is electrically connected to the reference unit 30, converts a capacitance difference ΔC (= C 20 −C 30 ) between the sensor unit 20 and the reference unit 30 into a voltage, and outputs the voltage to an external circuit; Have.

回路部４０には、外部回路との接続用パッド４０ａが設けられている。パッド４０ａを介して湿度検出センサに接続された外部回路において、湿度検出センサの出力（容量差分ΔＣに対応する電圧）から湿度変化（相対湿度）を検出する。   The circuit unit 40 is provided with a pad 40a for connection with an external circuit. In an external circuit connected to the humidity detection sensor via the pad 40a, a humidity change (relative humidity) is detected from the output (voltage corresponding to the capacity difference ΔC) of the humidity detection sensor.

図２は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサのセンサ部及び基準部を示す平面図である。図２において、右側がセンサ部２０であり、左側が基準部３０である。センサ部２０及び基準部３０は、下部電極、高分子感湿膜５４及び上部電極が積層された構造を有する。すなわち、センサ部２０及び基準部３０は、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極（下部電極及び上部電極）で挟持してなる平行平板構造を有する。   FIG. 2 is a plan view showing a sensor unit and a reference unit of the humidity detection sensor according to the embodiment of the present invention. In FIG. 2, the right side is the sensor unit 20, and the left side is the reference unit 30. The sensor unit 20 and the reference unit 30 have a structure in which a lower electrode, a polymer moisture sensitive film 54, and an upper electrode are stacked. That is, the sensor unit 20 and the reference unit 30 have a parallel plate structure in which a polymer moisture sensitive film whose dielectric constant changes according to humidity is sandwiched between a pair of electrodes (a lower electrode and an upper electrode).

湿度により静電容量が変化するセンサ部２０においては、図３（ａ），（ｂ）に示すように、基板５１上に熱酸化膜５２を介して下部電極５３が形成されている。下部電極５３上には、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜５４が形成されており、高分子感湿膜５４上には、部分的に上部電極５５が形成されている。さらに、図３（ｂ）に示すように、露出した上部電極５５を保護するための保護層５６が形成されている。上部電極５５の感湿領域Ａ（高分子感湿膜５４が部分的に外界に露出する領域）には、高分子感湿膜５４を外界に露出させる複数の開口部５４ａが形成されている。なお、保護層５６にも高分子感湿膜５４を外界に露出させる複数の開口部が形成されている。開口部５４ａは、図３(ｂ)に示すように、左右上下方向に所定間隔をあけて並設されており、平面矩形状をなしている。この開口部５４ａの数、平面形状及び形成位置は任意である。   In the sensor unit 20 in which the capacitance changes with humidity, as shown in FIGS. 3A and 3B, a lower electrode 53 is formed on a substrate 51 with a thermal oxide film 52 interposed therebetween. A polymer moisture sensitive film 54 whose dielectric constant changes according to humidity is formed on the lower electrode 53, and an upper electrode 55 is partially formed on the polymer moisture sensitive film 54. Further, as shown in FIG. 3B, a protective layer 56 for protecting the exposed upper electrode 55 is formed. In the moisture sensitive region A of the upper electrode 55 (a region where the polymer moisture sensitive film 54 is partially exposed to the outside world), a plurality of openings 54a that expose the polymer moisture sensitive film 54 to the outside world are formed. The protective layer 56 also has a plurality of openings that expose the polymer moisture sensitive film 54 to the outside. As shown in FIG. 3B, the openings 54a are arranged in parallel in the left-right and up-down directions at a predetermined interval, and have a planar rectangular shape. The number, the planar shape, and the formation position of the openings 54a are arbitrary.

本発明者らは、センサ部において上部電極５５を部分的に除去する際に、ミリング加工を採用すると、上部電極５５のみを除去することができず、高分子感湿膜５４も除去してしまうことに着目した。ミリング加工を行うと、上部電極５５が存在しない領域（感湿領域）の高分子感湿膜５４の厚さが薄くなってしまう、すなわち、下部電極５３と上部電極５５とで挟持された高分子感湿膜５４（感湿領域以外の領域）の厚さと、上部電極５５が存在しない領域（感湿領域）の厚さとが異なってしまう。そして、本発明者らは、このように感湿領域以外の領域の高分子感湿膜の厚さと、感湿領域の高分子感湿膜の厚さとが異なると、すなわち、高分子感湿膜５４の厚さにばらつきが生じると（厚さ分布を持つと）、湿度検出センサの感度にばらつきが生じることを見出した。   When the milling process is adopted when the upper electrode 55 is partially removed in the sensor unit, the inventors cannot remove only the upper electrode 55 and also remove the polymer moisture sensitive film 54. Focused on that. When milling is performed, the thickness of the polymer moisture sensitive film 54 in the region where the upper electrode 55 does not exist (humidity sensitive region) becomes thin, that is, the polymer sandwiched between the lower electrode 53 and the upper electrode 55. The thickness of the moisture sensitive film 54 (region other than the moisture sensitive region) is different from the thickness of the region where the upper electrode 55 is not present (humid sensitive region). Then, the inventors of the present invention, when the thickness of the polymer moisture sensitive film in the region other than the moisture sensitive region is different from the thickness of the polymer moisture sensitive film in the moisture sensitive region, that is, the polymer moisture sensitive film. It has been found that if the thickness of 54 varies (if it has a thickness distribution), the sensitivity of the humidity detection sensor varies.

ここで、上部電極をミリング加工で部分的に除去する場合の感度のばらつきについて説明する。すなわち、高分子感湿膜上に電極材料をスパッタリング法により成膜した後に、その上にレジスト層を形成し、感湿領域以外の領域にレジスト層が残存するようにレジスト層をパターニングし、残存したレジスト層をマスクとして電極材料をミリング加工して除去する。例えば、上部電極の膜厚を２００ｎｍとする場合、ミリング量はプロセスマージンを考慮して３００ｎｍと設定する。このため、この設定から高分子感湿膜は１００ｎｍ削られることになる。ただし、ミリング量には分布（約１０％）が生じるため、実際には高分子感湿膜はウェハ内で８５ｎｍ〜１１５ｎｍの範囲で削られることになる（ミリング分布は総ミリング量の１０％となる）。   Here, the sensitivity variation when the upper electrode is partially removed by milling will be described. That is, after forming an electrode material on the polymer moisture-sensitive film by sputtering, a resist layer is formed thereon, and the resist layer is patterned so that the resist layer remains in a region other than the moisture-sensitive region. The electrode material is removed by milling using the resist layer as a mask. For example, when the film thickness of the upper electrode is 200 nm, the milling amount is set to 300 nm in consideration of the process margin. For this reason, the polymer moisture-sensitive film is scraped by 100 nm from this setting. However, since a distribution (about 10%) occurs in the milling amount, the polymer moisture sensitive film is actually scraped in the range of 85 nm to 115 nm in the wafer (the milling distribution is 10% of the total milling amount). Become).

本発明者らの実験データから、図２に示す素子デザインで高分子感湿膜が２００ｎｍ削れると容量が４１．２ｆＦ減少することから、８５ｎｍ〜１１５ｎｍの膜厚変化で容量が６．１８ｆＦ変化することになる。素子の感度（容量の変化率）は素子容量に対して決まっているので、上記６．１８ｆＦのばらつきはそのまま感度ばらつきにつながる。例えば、素子容量が２００ｆＦで容量変化率が２０％である場合、感度は０．４ｆＦ／％となる。また、高分子感湿膜の削れ量にばらつきが無い場合は、感度もばらつきが無いことになる。   From the experimental data of the present inventors, the capacitance decreases by 41.2 fF when the polymer moisture-sensitive film is scraped by 200 nm in the element design shown in FIG. 2, so that the capacitance changes by 6.18 fF when the film thickness changes from 85 nm to 115 nm. It will be. Since the sensitivity (change rate of capacitance) of the element is determined with respect to the element capacitance, the 6.18 fF variation directly leads to sensitivity variation. For example, when the element capacitance is 200 fF and the capacitance change rate is 20%, the sensitivity is 0.4 fF /%. Further, when there is no variation in the shaving amount of the polymer moisture sensitive film, the sensitivity is also not varied.

上記のばらつきを考慮して素子容量を計算すると、
（１）２００−６．１８／２＝１９６．９１ｆＦ
（２）２００＋６．１８／２＝２０３．０９ｆＦ
となり、感度は、
（１）１９６．９１×０．２／１００＝０．３９３ｆＦ／％
（２）２０３．０９×０．２／１００＝０．４０６ｆＦ／％
のばらつきとなる。すなわち、この上部電極形成工程のみで３％前後の感度ばらつきが生じることとなる。当然、ウェハ間の中心値もばらつきを持つことになるので、さらに感度ばらつきが大きくなる。When calculating the element capacitance taking the above variations into account,
(1) 200−6.18 / 2 = 196.91 fF
(2) 200 + 6.18 / 2 = 203.09 fF
And the sensitivity is
(1) 196.91 × 0.2 / 100 = 0.393 fF /%
(2) 203.09 × 0.2 / 100 = 0.406 fF /%
Variation. That is, a sensitivity variation of about 3% occurs only in the upper electrode forming step. Naturally, since the center value between wafers also varies, the sensitivity variation further increases.

そこで、本発明者らは、感湿領域以外の領域において、一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を上部電極の近傍に有することにより、すなわち、上部電極の近傍において、高分子感湿膜の体積を確保した領域を設けることにより、湿度検出センサの感度にばらつきが抑えられることを見出して本発明をするに至った。   Therefore, the present inventors set a region having a polymer moisture sensitive film having a thickness substantially the same as the thickness of the polymer moisture sensitive film sandwiched between the pair of electrodes in a region other than the moisture sensitive region in the vicinity of the upper electrode. In other words, it was found that variation in the sensitivity of the humidity detection sensor can be suppressed by providing a region in which the volume of the polymer moisture-sensitive film is secured in the vicinity of the upper electrode.

すなわち、本発明の骨子は、感湿領域以外の領域において、一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を上部電極の近傍に有することにより、感度にばらつきの小さい、感度が安定した湿度検出センサを実現することである。   That is, the main point of the present invention is that in a region other than the moisture sensitive region, a region having a polymer moisture sensitive film having a thickness substantially the same as the thickness of the polymer moisture sensitive film sandwiched between the pair of electrodes is disposed in the vicinity of the upper electrode. By having it, it is to realize a humidity detection sensor with a small sensitivity variation and a stable sensitivity.

図３（ｂ）に示すセンサ部２０においては、感湿領域Ａ以外の領域Ｂ＋領域Ｃ（参照符号５４ｂ）で、一対の電極５３，５５で挟持された高分子感湿膜５４の厚さＤ１と略同じ厚さＤ２の高分子感湿膜５４を有する領域Ｂを有する。この領域Ｂは、領域Ｃの上部電極５５の近傍に位置する。また、感湿領域Ａでは、高分子感湿膜５４の厚さＤ３が薄くなっている。このように、感湿領域Ａで高分子感湿膜５４の厚さＤ３が薄くなっていても、領域Ｂを設けることにより、高分子感湿膜５４における、上部電極５５と下部電極５３との間に電界が印加されたときの漏れ電界のパスを確保することができるので、湿度検出センサの感度のばらつきを小さくすることが可能となる。したがって、領域Ｂの幅Ｗは、少なくとも一対の電極５３，５５間の電界の漏れ領域（漏れ電界のパスを確保できる領域）を含む幅であることが好ましい。In the sensor unit 20 shown in FIG. 3B, the thickness D of the polymer moisture sensitive film 54 sandwiched between the pair of electrodes 53 and 55 in the region B + region C (reference numeral 54 b) other than the moisture sensitive region A. 1 has a region B having a polymer moisture-sensitive film 54 having a thickness D 2 substantially the same as 1 . This region B is located in the vicinity of the upper electrode 55 in the region C. Further, in the humidity-sensing area A, the thickness D 3 of polymer humidity-sensitive film 54 is thinner. Thus, even thinner thickness D 3 of polymer humidity-sensitive film 54 in the humidity-sensing area A, by providing the region B, the polymer humidity-sensitive film 54, and the upper electrode 55 and lower electrode 53 Since it is possible to secure a path of a leakage electric field when an electric field is applied between the two, the variation in sensitivity of the humidity detection sensor can be reduced. Therefore, the width W of the region B is preferably a width including at least a leakage region of an electric field between the pair of electrodes 53 and 55 (a region where a leakage electric field path can be secured).

図３（ｂ）に示すような構造、すなわち、一対の電極５３，５５で挟持された高分子感湿膜５４の厚さＤ１と略同じ厚さＤ２の高分子感湿膜５４を有する領域Ｂ及び高分子感湿膜５４の厚さＤ３が薄い感湿領域Ａを有する構造は、上部電極５５のパターニングの際に、フォトリソグラフィー及びエッチングによるウェット工程で処理を行い、次いで保護層５６を形成した後に、異方性エッチングやミリング加工などのドライ工程で保護層５６に開口部を形成することにより実現することができる。The structure as shown in FIG. 3B, that is, the polymer moisture-sensitive film 54 having a thickness D 2 substantially the same as the thickness D 1 of the polymer moisture-sensitive film 54 sandwiched between the pair of electrodes 53 and 55 is provided. The structure including the region B and the moisture sensitive region A in which the thickness D 3 of the polymer moisture sensitive film 54 is thin is processed in a wet process by photolithography and etching when the upper electrode 55 is patterned, and then the protective layer 56 is formed. After forming, an opening is formed in the protective layer 56 by a dry process such as anisotropic etching or milling.

したがって、上部電極５５をスパッタリング法などで電極材料を被着して形成する場合には、電極材料をフォトリソグラフィー及びエッチングしてパターニングして上部電極５５を形成する。一方、上部電極５５をめっき法で電極材料を被着して形成する場合には、電極材料を被着してめっきシード層を形成し、このめっきシード層をフォトリソグラフィーによりパターニングする。その後、レジストをフレームとして電気めっき処理を施して、めっきシード層上にめっき層を形成して上部電極を形成する。めっきシード層は、めっき層を保護しており、ウェット工程にてエッチングして除去する。   Therefore, when the upper electrode 55 is formed by depositing an electrode material by sputtering or the like, the upper electrode 55 is formed by patterning the electrode material by photolithography and etching. On the other hand, when the upper electrode 55 is formed by depositing an electrode material by a plating method, the electrode material is deposited to form a plating seed layer, and this plating seed layer is patterned by photolithography. Thereafter, an electroplating process is performed using the resist as a frame, and a plating layer is formed on the plating seed layer to form an upper electrode. The plating seed layer protects the plating layer and is removed by etching in a wet process.

湿度にかかわらず静電容量が変化しない基準部３０においては、基板上に熱酸化膜を介して下部電極が形成されている。下部電極上には、下部電極全体を覆うようにして高分子感湿膜が形成されている。高分子感湿膜上には、高分子感湿膜全体を覆うようにして上部電極が形成されている。基準部３０全体には、露出した上部電極を保護するための保護層が形成されている。   In the reference portion 30 where the capacitance does not change regardless of humidity, a lower electrode is formed on the substrate via a thermal oxide film. A polymer moisture sensitive film is formed on the lower electrode so as to cover the entire lower electrode. On the polymer moisture sensitive film, an upper electrode is formed so as to cover the whole polymer moisture sensitive film. A protective layer for protecting the exposed upper electrode is formed on the entire reference portion 30.

基板５１としては、表面が絶縁体で保護された基板（例えば、シリコン基板）などを用いることができる。下部電極５２及び上部電極５５を構成する材料としては、例えばＡｌ、ＡｌＣｕ、Ｔａ、Ｔｉ、ＮｉＦｅ、Ｎｉなどを用いることができる。高分子感湿膜５４を構成する材料としては、パターニングが容易なポリイミドなどを用いることができる。また、保護層５６としては、例えば窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜、ＳｉＯ２膜、Ａｌ２Ｏ３／ＳｉＯ２積層膜、ＳｉＯ２／ＳｉＮ積層膜などを用いることができる。As the substrate 51, a substrate (for example, a silicon substrate) whose surface is protected by an insulator can be used. As a material constituting the lower electrode 52 and the upper electrode 55, for example, Al, AlCu, Ta, Ti, NiFe, Ni, or the like can be used. As a material constituting the polymer moisture-sensitive film 54, polyimide that can be easily patterned can be used. Further, as the protective layer 56, for example, a silicon nitride (SiNx) film, a SiO 2 film, an Al 2 O 3 / SiO 2 laminated film, a SiO 2 / SiN laminated film, or the like can be used.

本実施の形態に係る湿度検出センサにおいては、図２に示すように、下部電極２１はセンサ部２０と基準部３０とで共通に設けられている。下部電極２１には、センサ部２０と基準部３０との間のほぼ中間の位置から下部電極配線が引き出され、この下部電極配線が回路部４０の電極パッド４０ａに接続されている。このように下部電極配線をセンサ部２０と基準部３０との間のほぼ中間の位置から引き出すことにより、センサ部２０と基準部３０の電気的な対称性が良くなり、センサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０のばらつきを低減させることができる。In the humidity detection sensor according to the present embodiment, as shown in FIG. 2, the lower electrode 21 is provided in common between the sensor unit 20 and the reference unit 30. A lower electrode wiring is drawn from the lower electrode 21 from a substantially intermediate position between the sensor unit 20 and the reference unit 30, and the lower electrode wiring is connected to the electrode pad 40 a of the circuit unit 40. Substantially by drawing from the middle position, the electrical symmetry of the sensor unit 20 and the reference portion 30 is improved, the sensor capacitance C 20 and the reference between this sensor unit 20 and the reference portion 30 of the lower electrode wiring Variations in the capacitance C30 can be reduced.

また、高分子感湿膜５４及び上部電極５５は、図２に示すように、センサ部２０と基準部３０とで個別に設けられている。上部電極５５には、上部電極５５と回路部４０の電極パッド４０ａとを接続する上部電極配線がそれぞれ設けられている。上部電極配線は、一対の上部電極５５からそれぞれ一定の幅寸法で延在する配線パターンであって、その幅寸法は、センサ部２０と基準部３０で生じる寄生容量が同一になるように調整されている。これにより、寄生容量によるセンサ容量Ｃ２０と基準容量Ｃ３０のばらつきを低減させることができる。Further, the polymer moisture sensitive film 54 and the upper electrode 55 are individually provided in the sensor unit 20 and the reference unit 30 as shown in FIG. The upper electrode 55 is provided with an upper electrode wiring that connects the upper electrode 55 and the electrode pad 40 a of the circuit unit 40. The upper electrode wiring is a wiring pattern extending from the pair of upper electrodes 55 with a constant width dimension, and the width dimension is adjusted so that the parasitic capacitance generated in the sensor unit 20 and the reference unit 30 is the same. ing. Thus, it is possible to reduce variations in sensor capacitance C 20 and the reference capacitance C 30 due to parasitic capacitance.

上記構成を有する湿度検出センサにおいては、次のようにして湿度を検出する。まず、センサ部２０では、感湿領域Ａにおいて開口部５４ａを介して高分子感湿膜５４が外界に露出している。このため、高分子感湿膜５４は、雰囲気中の湿度（水分量）に応じて吸収又は放出する水分量が変化し、誘電率εが変化する。このため、下部電極５３と上部電極５５との間の静電容量Ｃ２０が変化する。一方、基準部３０では、高分子感湿膜５４が外界に露出しないので、雰囲気中の湿度（水分量）が変化しても高分子感湿膜５４中の水分量は変化せず、誘電率εも変化しない。このため、下部電極５３と上部電極５５との間には一定の静電容量Ｃ３０が保持される。そして、センサ部２０の静電容量Ｃ２０と基準部３０の静電容量Ｃ３０との間の容量差分を求めることにより、湿度により変化した静電容量（差分値）を測定することができる。本湿度検出センサにおいては、この差分値を電圧に変換して出力するように構成されている。In the humidity detection sensor having the above configuration, the humidity is detected as follows. First, in the sensor unit 20, the polymer moisture sensitive film 54 is exposed to the outside through the opening 54a in the moisture sensitive region A. For this reason, in the polymer moisture-sensitive film 54, the amount of moisture absorbed or released changes according to the humidity (moisture amount) in the atmosphere, and the dielectric constant ε changes. Therefore, the capacitance C 20 between the lower electrode 53 and the upper electrode 55 is changed. On the other hand, in the reference portion 30, since the polymer moisture sensitive film 54 is not exposed to the outside, the moisture content in the polymer moisture sensitive film 54 does not change even if the humidity (moisture content) in the atmosphere changes, and the dielectric constant. ε does not change. For this reason, a constant capacitance C 30 is held between the lower electrode 53 and the upper electrode 55. Then, by obtaining a capacitance difference between the electrostatic capacitance C 30 of the capacitance C 20 and the reference portion 30 of the sensor unit 20 may measure the changed capacitance (difference value) by humidity. This humidity detection sensor is configured to convert this difference value into a voltage and output it.

次に、湿度検出センサの製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｅ）は、本発明の実施の形態に係る湿度検出センサの製造方法を説明するための断面図である。   Next, a manufacturing method of the humidity detection sensor will be described. 4A to 4E are cross-sectional views for explaining a method for manufacturing a humidity detection sensor according to an embodiment of the present invention.

まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板５１を熱酸化して熱酸化膜（ＳｉＯ２膜）５２を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、熱酸化膜５２上に下部電極５３を形成する。すなわち、下部電極５３は、熱酸化膜５２を有するシリコン基板５１の全面に電極材料を被着し、その上にレジスト層を形成し、パターニングしてマスクとし、そのマスクを介して電極材料をエッチングすることにより形成する。下部電極５３は、センサ部２０及び基準部３０で共通である。なお、この下部電極５３を形成する際に、回路部４０の配線導体とパッド４０ａを同時に形成する。First, as shown in FIG. 4A, the silicon substrate 51 is thermally oxidized to form a thermal oxide film (SiO 2 film) 52. Next, as shown in FIG. 4B, a lower electrode 53 is formed on the thermal oxide film 52. That is, the lower electrode 53 is formed by depositing an electrode material on the entire surface of the silicon substrate 51 having the thermal oxide film 52, forming a resist layer thereon, patterning it as a mask, and etching the electrode material through the mask. To form. The lower electrode 53 is common to the sensor unit 20 and the reference unit 30. When the lower electrode 53 is formed, the wiring conductor of the circuit unit 40 and the pad 40a are formed at the same time.

次いで、図４（ｃ）に示すように、下部電極５３上に、下部電極５３を覆うように、センサ部２０、基準部３０それぞれで高分子感湿膜５４を形成する。すなわち、高分子感湿膜５４は、シリコン基板５１の全面に高分子材料（例えばポリイミド）を塗布し、硬化させ、その上にレジスト層を形成し、パターニングしてマスクとし、そのマスクを介して高分子材料をエッチングすることにより形成する。または、高分子感湿膜５４は、感光性の高分子材料を用いてフォトリソグラフィーによりパターンを形成し、高分子材料を硬化させることによって形成する。高分子感湿膜５４は、センサ部２０及び基準部３０でそれぞれ個別である。   Next, as illustrated in FIG. 4C, the polymer moisture sensitive film 54 is formed on the lower electrode 53 so as to cover the lower electrode 53 in each of the sensor unit 20 and the reference unit 30. That is, the polymer moisture sensitive film 54 is formed by applying a polymer material (for example, polyimide) to the entire surface of the silicon substrate 51 and curing it, forming a resist layer thereon, patterning it as a mask, and passing through the mask. It is formed by etching a polymer material. Alternatively, the polymer moisture-sensitive film 54 is formed by forming a pattern by photolithography using a photosensitive polymer material and curing the polymer material. The polymer moisture-sensitive film 54 is individual for each of the sensor unit 20 and the reference unit 30.

次いで、図４（ｄ）に示すように、高分子感湿膜５４上に、高分子感湿膜５４を覆うように、センサ部２０、基準部３０それぞれで上部電極５５を形成する。すなわち、上部電極５５は、シリコン基板５１の全面に電極材料を被着し、その上にレジスト層を形成し、パターニングしてマスクとし、そのマスクを介して電極材料をエッチングすることにより形成する。これにより、上部電極５５に開口部５５ａ（感湿領域Ａ＋領域Ｂに相当する幅）を形成する。なお、上部電極５５は、センサ部２０及び基準部３０でそれぞれ個別である。   Next, as shown in FIG. 4D, the upper electrode 55 is formed on each of the sensor unit 20 and the reference unit 30 so as to cover the polymer moisture sensitive film 54 on the polymer moisture sensitive film 54. That is, the upper electrode 55 is formed by depositing an electrode material on the entire surface of the silicon substrate 51, forming a resist layer thereon, patterning it as a mask, and etching the electrode material through the mask. As a result, an opening 55 a (width corresponding to the moisture sensitive area A + area B) is formed in the upper electrode 55. The upper electrode 55 is separate for each of the sensor unit 20 and the reference unit 30.

次いで、図４（ｅ）に示すように、湿度検出センサ全体に保護層構成材料を被着することにより、センサ部２０及び基準部３０上に保護層５６を形成する。次いで、感湿領域Ａ以外の領域（領域Ｂ＋領域Ｃ）をマスクした状態でドライエッチングなどの異方性エッチングで開口部５６ａ，５４ａを形成する。このようにして、一対の電極５３，５５で挟持された高分子感湿膜５４の厚さＤ１と略同じ厚さＤ２の高分子感湿膜５４を有する領域Ｂを有する本発明の湿度検出センサを作製することができる。Next, as shown in FIG. 4E, a protective layer 56 is formed on the sensor unit 20 and the reference unit 30 by depositing a protective layer constituting material on the entire humidity detection sensor. Next, the openings 56a and 54a are formed by anisotropic etching such as dry etching in a state where the region (region B + region C) other than the moisture sensitive region A is masked. In this manner, the humidity of the present invention having the region B having the polymer moisture sensitive film 54 having the thickness D 2 substantially the same as the thickness D 1 of the polymer moisture sensitive film 54 sandwiched between the pair of electrodes 53 and 55. A detection sensor can be produced.

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
実施例として、図３（ｂ）に示す構造、すなわち、一対の電極５３，５５で挟持された高分子感湿膜５４の厚さＤ１と略同じ厚さＤ２の高分子感湿膜５４を有する領域Ｂを有する構造を持つ湿度検出センサを作製した。このとき、上部電極及び下部電極は、それぞれ厚さ０．２μｍのＡｌ膜とし、高分子感湿膜は、厚さ１．０μｍのポリイミド膜とし、保護層は、厚さ１．０μｍのＳｉＮｘ膜とした。また、領域Ｂの幅は、１．５μｍとした。この湿度検出センサについて、感度のばらつきを調べた。感度のばらつきは、ＬＣＲメータにより測定した。その結果、感度ばらつきが６％であり、非常に小さかった。Next, examples performed for clarifying the effects of the present invention will be described.
As an example, the structure shown in FIG. 3B, that is, the polymer moisture sensitive film 54 having a thickness D 2 that is substantially the same as the thickness D 1 of the polymer moisture sensitive film 54 sandwiched between the pair of electrodes 53 and 55. A humidity detection sensor having a structure having a region B having a thickness of 10 was manufactured. At this time, each of the upper electrode and the lower electrode is an Al film having a thickness of 0.2 μm, the polymer moisture sensitive film is a polyimide film having a thickness of 1.0 μm, and the protective layer is an SiNx film having a thickness of 1.0 μm. It was. The width of the region B was 1.5 μm. The humidity detection sensor was examined for variations in sensitivity. Sensitivity variation was measured with an LCR meter. As a result, the sensitivity variation was 6%, which was very small.

比較として、上部電極近傍に上記領域Ｂを有しない構造、すなわち、ミリング加工により上部電極を部分的に除去した構造を有すること以外は実施例と同様にして湿度検出センサを作製した。この湿度検出センサについて、感度のばらつきを実施例と同様にして調べた。その結果、感度ばらつきが１１％であり、非常に大きかった。   As a comparison, a humidity detection sensor was produced in the same manner as in the example except that the region B was not provided in the vicinity of the upper electrode, that is, a structure in which the upper electrode was partially removed by milling. For this humidity detection sensor, the variation in sensitivity was examined in the same manner as in the example. As a result, the sensitivity variation was 11%, which was very large.

このように、本発明に係る湿度検出センサにおいては、感湿領域以外の領域において、一対の電極で挟持された高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有する領域を上部電極の近傍に有するので、高分子感湿膜における、上部電極と下部電極との間に電界が印加されたときの漏れ電界のパスを確保することができる。その結果、湿度検出センサの感度のばらつきを小さくすることが可能となる。このように、本発明によれば、感度ばらつきのない平行平板型の湿度検出センサを実現することができる。   Thus, in the humidity detection sensor according to the present invention, in a region other than the moisture sensitive region, a region having a polymer moisture sensitive film having a thickness substantially the same as the thickness of the polymer moisture sensitive film sandwiched between the pair of electrodes. In the vicinity of the upper electrode, it is possible to secure a leakage electric field path when an electric field is applied between the upper electrode and the lower electrode in the polymer moisture-sensitive film. As a result, it is possible to reduce variations in sensitivity of the humidity detection sensor. Thus, according to the present invention, it is possible to realize a parallel plate type humidity detection sensor with no sensitivity variation.

本発明は上記実施の形態に限定されず、適宜変更して実施することができる。上記実施の形態においては、センサ部と基準部とを備えた湿度検出センサについて説明しているが、本発明はこれに限定されず、センサ部のみで構成された湿度検出センサにも同様に適用することができる。また、上記実施の形態における材料、各層の配置位置、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。   The present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with appropriate modifications. In the above embodiment, a humidity detection sensor including a sensor unit and a reference unit has been described. However, the present invention is not limited to this, and is similarly applied to a humidity detection sensor including only the sensor unit. can do. In addition, the material, the arrangement position of each layer, the thickness, the size, the manufacturing method, and the like in the above embodiment can be changed as appropriate. In addition, the present invention can be implemented with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention.

本件は、２００９年１１月３０日出願の特願２００９−２７２４２７に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
This case is based on Japanese Patent Application No. 2009-272427 filed on Nov. 30, 2009. All this content is included here.

Claims (3)

基板と、前記基板上に設けられ、湿度に応じて誘電率が変化する高分子感湿膜を一対の電極で挟持し、前記高分子感湿膜が開口により外界に露出する感湿領域を持つセンサ部と、少なくとも前記一対の電極のうちの上側の電極上に形成された保護層と、を具備し、
前記保護層は、前記センサ部における前記感湿領域以外の領域であって、前記高分子感湿膜が前記一対の電極で挟持された挟持領域及び当該挟持領域と前記感湿領域との間に配置され前記高分子感湿膜が前記一対の電極で挟持されない領域上に形成されており、
前記挟持領域と前記感湿領域との間の領域は、前記挟持領域の高分子感湿膜の厚さと略同じ厚さの高分子感湿膜を有すると共に、少なくとも前記一対の電極間の電界の漏れ領域を含む幅を有することを特徴とする湿度検出センサ。 A substrate and a polymer moisture sensitive film that is provided on the substrate and whose dielectric constant changes according to humidity are sandwiched between a pair of electrodes, and the polymer moisture sensitive film has a moisture sensitive region that is exposed to the outside through an opening. A sensor unit, and a protective layer formed on at least the upper electrode of the pair of electrodes,
The protective layer is a region other than the moisture sensitive region in the sensor unit, wherein the polymer moisture sensitive film is sandwiched between the pair of electrodes, and between the sandwiched region and the moisture sensitive region. The polymer moisture sensitive film is formed on a region not sandwiched between the pair of electrodes,
The region between the sandwich region and the moisture sensitive region has a polymer moisture sensitive film having a thickness substantially the same as the thickness of the polymer moisture sensitive film in the sandwich region, and at least an electric field between the pair of electrodes. A humidity detection sensor having a width including a leak region . 前記高分子感湿膜上の電極は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングされてなることを特徴とする請求項１記載の湿度検出センサ。 The humidity detection sensor according to claim 1, wherein the electrode on the polymer moisture-sensitive film is patterned by photolithography and etching. 前記高分子感湿膜上の電極は、フォトリソグラフィー及びエッチングによりパターニングされてなるシード層と、前記シード層上に形成されためっき層とで構成されていることを特徴とする請求項１記載の湿度検出センサ。 Electrodes on the polymer humidity-sensitive film, a seed layer formed by patterning by photolithography and etching, according to claim 1, characterized in that it is composed of a plated layer formed on the seed layer Humidity detection sensor.
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