JP5849836B2 - 湿度センサ - Google Patents

Description

本発明は、互いに対向するように基板の同一面上に形成された一対の電極と、水分による腐食から電極を保護する保護膜と、電極を覆うように保護膜上に配置された感湿膜とを有する湿度センサに関するものである。

互いに対向するように基板の同一面に形成された一対の電極と、水分による腐食から電極を保護する保護膜と、電極を覆うように保護膜上に配置された感湿膜とを有する湿度センサとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。

特開２００６−１３３１９１号公報

特許文献１の記載のように、従来の湿度センサでは、基板の一面に対して、アルミニウム等の導電材料を、蒸着やスパッタ等の手法により堆積させて膜を１層形成し、形成した膜を所定形状にパターニングすることで、一対の電極を形成している。

本出願人が検討したところ、従来の湿度センサでは、高湿側においてセンサ感度の線形性が劣化することが明らかとなった。

本発明は上記問題点に鑑み、高湿側におけるセンサ感度の線形性劣化を抑制することができる湿度センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、基板（２０）と、互いに対向するように、基板の共通する一面（２０ａ）に配置された一対の電極（３１，３２）と、該電極を覆うように一面上に配置され、水分による腐食から電極を保護する保護膜（３３）と、電極及び電極間を覆うように、保護膜上に配置された感湿膜（３４）と、を有する湿度検出部（３０）と、を備え、全ての電極は、一面に対して膜が多層に配置された多層構造を有するとともに、最上層は導電材料を用いて形成され、且つ、保護膜に接触する層のうち、少なくとも１層は水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成されており、基板の一面に膜が１層分配置されてなる下地部（３８）と、該下地部上に膜が少なくとも１層分配置されてなる上地部（３９）と、をそれぞれ有し、電極（３１，３２）において、上地部（３９）を形成する任意の層が、該任意の層よりも下側に位置する層を包むように配置されるとともに、下側に位置する層の上方に位置する中央部（３９ａ）と、基板（２０）の一面（２０ａ）に配置された周辺部（３９ｂ）と、中央部（３９ａ）と周辺部（３９ｂ）とを繋ぐ繋ぎ部（３９ｃ）と、を有することで、一面に直交する断面形状がそれぞれ独立して凸形状をなしていることを特徴とする。

本出願人が鋭意検討した結果、上記した高湿側でのセンサ感度の線形性劣化は、保護膜（３３）において、基板（２０）の一面（２０ａ）と電極（３１，３２）とにより形成される段差に対応する部分（以下、段差部と示す）の曲がりがきついと生じることが明らかとなった。

これに対し、本発明では、電極の断面形状が、膜を多層配置してなる凸形状となっている。このため、同じ厚さの電極が１層の膜により形成された従来構成に較べて、一段当たりの高さが低くなる。例えば１層の膜からなる上地部（３９）が、下地部（３８）における上面の一部のみを覆うように配置されてなる２層構造の電極の場合、上地部の上面と下地部の上面、下地部の上面と基板の一面の間にそれぞれ段差が形成される。したがって、各段差は、１つの段差のみが存在する構成に較べて低くなる。これにより、保護膜（３３）における段差部の曲がりを緩やかにすることができる。したがって、高湿側におけるセンサ感度の線形性劣化を抑制することができる。

また、保護膜により、電極（水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成された層）の腐食を効果的に抑制することができる。

また、基板（２０）の一面（２０ａ）と電極（３１，３２）とにより複数の段差が形成されることとなるため、保護膜（３３）における段差部の曲がりを緩やかにすることができる。また、電極（３１，３２）を構成する膜は、上層ほど段差がなだらかとなるため、段差部の曲がりをより緩やかにすることができる。さらには、上層ほど広い範囲に配置されるため、一対の電極（３１，３２）において対向面積を大きくすることができる。以上により、センサ感度をより高めることができる。

また、本発明のさらなる特徴は、電極（３１，３２）において、全ての層は、水分に対する腐食性を有する同一の導電材料を用いて形成されていることにある。

これによれば、湿度センサの構成・製造工程を簡素化することができる。また、全ての層を実質的に電極として機能させることができる。

また、本発明のさらなる特徴は、電極（３１，３２）が、電気絶縁材料を用いて形成された層を含むことにある。

このように、電気絶縁材料からなる層を用いても良い。本発明では、上地部（３９）を形成する任意の層は、該任意の層よりも下側に位置する層を包むように配置されるため、電気絶縁材料からなる層を有しつつも、対向面積を大きくすることができる。

上記目的を達成するために、本発明は、基板（２０）と、互いに対向するように、基板の共通する一面（２０ａ）に配置された一対の電極（３１，３２）と、該電極を覆うように一面上に配置され、水分による腐食から電極を保護する保護膜（３３）と、電極及び電極間を覆うように、保護膜上に配置された感湿膜（３４）と、を有する湿度検出部（３０）と、を備え、全ての電極は、一面に対して膜が多層に配置された多層構造を有するとともに、最上層は導電材料を用いて形成され、且つ、保護膜に接触する層のうち、少なくとも１層は水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成されており、基板の一面に膜が１層分配置されてなる下地部（３８）と、該下地部上に膜が少なくとも１層分配置されてなる上地部（３９）と、をそれぞれ有し、電極（３１，３２）において、上地部（３９）を形成する任意の層が、該任意の層に下側で隣接する層の表面のうち、上面の一部のみを覆うように配置されることで、全ての電極は、一面に直交する断面形状がそれぞれ独立して凸形状をなしていることを特徴とする。

このような電極構成としても、複数の段差が存在することとなるため、保護膜（３３）における段差部の曲がりを緩やかにすることができる。すなわち、上記した他の発明と同様の効果を奏することができる。

また、本発明のさらなる特徴は、電極（３１，３２）において、各層は、互いに異なる導電材料を用いて形成されていることにある。

これによれば、全ての層を実質的に電極として機能させることができる。したがって、一対の電極（３１，３２）において対向面積を大きくすることができるため、センサ感度をより高めることができる。

また、本発明のさらなる特徴は、電極（３１，３２）が電気絶縁材料を用いて形成された層を含むことにある。このように、電気絶縁材料からなる層を用いても良い。

また、本発明のさらなる特徴は、一対の電極（３１，３２）はそれぞれ櫛歯形状をなし、互いの櫛歯が噛みあって対向するように配置されていることにある。

これによれば、一対の電極（３１，３２）において対向面積を大きくすることができるため、センサ感度をより高めることができる。

また、本発明のさらなる特徴は、感湿膜（３４）が、水分の吸着により比誘電率が変化するものであり、湿度検出部（３０）を、雰囲気の湿度変化を一対の電極（３１、３２）間の静電容量の変化として検出することにある。また、感湿膜（３４）は、水分の吸着によりインピーダンスが変化するものであり、湿度検出部（３０）を、雰囲気の湿度変化を感湿膜（３４）のインピーダンスの変化として検出することにある。

また、本発明のさらなる特徴は、基板（２０）が、半導体基板（２１）と、該半導体基板（２１）の主面に形成された絶縁膜（２３）を有し、電極（３１，３２）は、基板（２０）の絶縁膜（２３）上に配置されることにある。

これによれば、湿度検出部（３０）から出力される信号を処理する処理回路についても、同一の基板（２０）に構成することができるようになる。また、絶縁膜（２３）を有するため、電極（３１，３２）などからの電流の漏洩等を防止することができる。

第１実施形態の湿度センサを備える湿度検出装置の概略構成を示す斜視図である。便宜上、保護ゲルを省略して図示している。 第１実施形態に係る湿度センサの概略構成を示す平面図である。便宜上、検出電極、参照電極、パッドに接続された配線を実線で図示している。また、保護ゲルを破線で示している。 図２のIII-III線に沿う断面構成を簡略化した図である。図２に対し、検出電極とパッドとを繋ぐ配線を省略するとともに、検出電極及びダミー配線の本数を減らして図示している。 電極周辺の概略構成を示す断面図である。 従来の湿度センサにおいて、電極周辺の概略構成を示す断面図である。 相対湿度と容量変化量との関係を示す図であり、三角△が従来構成のものの実測結果、丸○が参考例の実測結果を示している。 図５の破線VIIで囲んだ領域の拡大断面図である。 電極構造による保護膜の段差部の違いを説明するための断面図であり、（ａ）は従来構成、（ｂ）は本実施形態に係るものを示している。 変形例を示す断面図であり、図８（ｂ）に対応している。 第２実施形態に係る湿度センサにおいて、電極周辺の概略構成を示す断面図であり、図８（ｂ）に対応している。 変形例を示す断面図であり、図８（ｂ）に対応している。 その他変形例を示す断面図であり、図８（ｂ）に対応している。 その他変形例を示す断面図であり、図８（ｂ）に対応している。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す各実施形態において、共通乃至関連する要素には同一の符号を付与するものとする。また、形成範囲を明確化するため、図２の平面図において、感湿膜３４及びダム用感湿膜６２の部分に、ハッチングを施している。また、基板２０の厚み方向を単に厚み方向と示し、対をなす電極３１，３２の対向方向を単に対向方向と示す。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態の湿度センサチップ１０を備えた湿度検出装置１００を示している。この湿度検出装置１００は、合成樹脂等を用いて有底角筒状に形成されたケース１１０と、該ケース１１０の底部内面に固定されたリードフレームのアイランド１１１，１１２と、アイランド１１１にダイマウントされた湿度センサチップ１０と、アイランド１１２にダイマウントされた回路チップ１１３と、一端がケース１１０の内部に露出し、他端がケース１１０外に延出されたリード１１４を備えている。

そして、湿度センサチップ１０と回路チップ１１３とが、ボンディングワイヤ１１５を介して電気的に接続され、回路チップ１１３とリード１１４とが、ボンディングワイヤ１１６を介して電気的に接続されている。また、図示しないが、ボンディングワイヤ１１５，１１６及びその接続部位（パッド）は、後述の保護ゲルによって被覆されている。

このように、本実施形態では、湿度センサチップ１０と回路チップ１１３とが別チップとなっている。なお、湿度センサチップ１０が、特許請求の範囲に記載の湿度センサに相当する。

次に、湿度センサチップ１０の概略構成について説明する。

図２及び図３に示すように、湿度センサチップ１０は、同一の基板２０に、湿度検出部３０、ボンディングワイヤ１１５が接続された状態で保護ゲル５０により保護される外部接続端子としてのパッド４０、保護ゲル５０の流動を抑制するダム部６０を備えている。

本実施形態では、基板２０が、半導体基板２１と、半導体基板２１の主面上に形成された絶縁膜２３を有している。具体的には、半導体基板２１としてシリコン基板を採用しており、この半導体基板２１の主面側表層に、全面にわたって不純物の拡散層２２が形成されている。本実施形態では、拡散層２２がｐ導電型となっている。この拡散層２２上には絶縁膜２３が配置されており、絶縁膜２３の一部位にコンタクトホール２３ａが形成されている。本実施形態では、絶縁膜２３が、半導体基板２１側からシリコン酸化膜、ＢＰＳＧ膜の順に積層されてなる。なお、湿度検出部３０、パッド４０、及びダム部６０は、この絶縁膜２３上に形成されている。このため、絶縁膜２３における半導体基板２１と反対の面が、基板２０の一面２０ａとなっている。

湿度検出部３０は、基板２０の一面２０ａにおいて、互いに対向して配置された一対の電極３１，３２を有している。また、湿度検出部３０は、少なくとも検出容量部３０ｄを備えており、本実施形態ではさらに参照容量部３０ｒを備えている。検出容量部３０ｄは、基板２０の一面２０ａにおいて、互いに対向して配置された一対の検出電極３１ｄ，３２ｄを有している。参照容量部３０ｒは、該一面２０ａの検出電極３１ｄ，３２ｄとは異なる位置において、互いに対向して配置された一対の参照電極３１ｒ，３２ｒを有している。

これら検出電極３１ｄ，３２ｄ及び参照電極３１ｒ，３２ｒにおいて、厚み方向に直交する平面形状は特に限定されるものではない。本実施形態では、図２に示すように、検出電極３１ｄ及び検出電極３２ｄがともに櫛歯形状をなし、互いの櫛歯が噛み合って対向するように交互に配置されている。このように櫛歯形状とすると、検出電極３１ｄ，３２ｄの配置面積を小さくしつつ、互いに対向する面積を大きくすることができる。これにより、周囲の湿度変化に伴って変化する検出電極３１ｄ，３２ｄ間の静電容量の変化量が大きくなり、センサ感度が向上する。同様に、参照電極３１ｒ及び参照電極３２ｒがともに櫛歯形状をなし、互いの櫛歯が噛み合って対向するように交互に配置されている。また、櫛歯形状をなす検出電極３１ｄ，３２ｄ及び参照電極３１ｒ，３２ｒは、図２に示すように、電極同士の対向面積と櫛歯の本数が異なっている。詳しくは、検出電極３１ｄ，３２ｄのほうが参照電極３１ｒ，３２ｒよりも本数が多く、且つ、対向面積も大きくなっている。

一方、検出電極３１ｄ，３２ｄ及び参照電極３１ｒ，３２ｒにおいて、一面２０ａに直交する断面の構造は本実施形態の特徴部分である。この詳細については後述する。

検出電極３１ｄ，３２ｄ及び参照電極３１ｒ，３２ｒ、すなわち電極３１，３２は、後述するように膜が多層に配置された多層構造（図７、図８（ｂ）参照）をなしており、その膜構成は、電極３１，３２で同一となっている。また、保護膜２３に接触する層の少なくとも１つとして、水分に対して腐食性を有する導電材料（例えばアルミニウム系材料）を用いて形成された層を含んでいる。本実施形態では、電極３１，３２の全ての層が、同一のアルミニウム系材料を用いて形成されている。すなわち、全ての層が水分に対して腐食性を有する同一の導電材料を用いて形成されている。このため、図３に例示する検出電極３１ｄ，３２ｄのように、全ての電極３１，３２上には保護膜３３が形成されており、この保護膜３３を介して感湿膜３４が形成されている。

保護膜３３は、水分に対して腐食性を有する導電材料を用いて形成された電極３１，３２が、水分により腐食するのを防ぐためのものである。本実施形態では、保護膜３３として、プラズマＣＶＤ法により形成されるシリコン窒化膜を採用している。この保護膜３３は、電極３１，３２上だけでなく、基板２０の一面２０ａにおいて、パッド４０を除く部分に形成されている。

保護膜３３上には、検出電極３１ｄ，３２ｄ及び検出電極３１ｄ，３２ｄ間を覆うとともに、参照電極３１ｒ，３２ｒ及び参照電極３１ｒ，３２ｒ間を覆うように、感湿膜３４が形成されている。本実施形態では、検出電極３１ｄ，３２ｄを覆う感湿膜３４と、参照電極３１ｒ，３２ｒを覆う感湿膜３４が、１つの感湿膜３４として一体化されている。感湿膜３４の構成材料としては、ポリイミド系材料など周知のものを採用することができる。本実施形態では、ポリイミド系材料を採用しており、スピンコート法や印刷法にて前駆体であるポリアミドを塗布後、加熱硬化（イミド化処理）することにより形成されている。

このように構成される湿度検出部３０において、検出容量部３０ｄを構成する検出電極３１ｄは、図２に示すように、配線３５により、対応するパッド４１と電気的に接続されている。検出容量部３０ｄを構成する検出電極３２ｄ及び参照容量部３０ｒを構成する参照電極３２ｒは、共通の配線３６により、対応するパッド４２と電気的に接続されている。また、参照容量部３０ｒを構成する参照電極３１ｒは、配線３７により、対応するパッド４３と電気的に接続されている。すなわち、一対の検出電極３１ｄ，３２ｄからなるコンデンサと、一対の参照電極３１ｒ，３２ｒからなるコンデンサが、パッド４１，４３間で直列接続され、これらコンデンサの接続点（中点）にパッド４２が接続された構成となっている。

これら配線３５〜３７は、基板２０の一面２０ａ、すなわち電極３１，３２と同一平面に形成されている。また、電極３１，３２同様、水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成された膜を含んで形成されている。本実施形態では、アルミニウム系材料を用いて形成された膜が１層配置されてなる。しかしながら、電極３１，３２と同一の構成、すなわち２層構造を採用しても良い。そして、配線３５〜３７も、上記した保護膜３３により被覆されている。

パッド４０は、湿度検出部３０を構成する各電極３１ｄ，３２ｄ，３１ｒ，３２ｒと電気的に接続されたパッド４１〜４３を有する。これらパッド４１〜４３は、対応する配線３５〜３７のうち、湿度検出部３０と反対の端部付近で保護膜３３の開口部から露出された部分である。このため、各パッド４１〜４３も、配線３５〜３７と同一の膜構成となっている。

本実施形態では、さらに上記した拡散層２２に電気的に接続されたパッド４４を有する。このパッド４４には、平面矩形状の基板２０の縁部に沿って形成された配線４５が接続されており、配線４５のうち、図３に示すように保護膜３３の開口部から露出された部分がパッド４４となっている。配線４５も、基板２０の一面２０ａ、すなわち電極３１，３２と同一平面に形成されている。また、配線３５〜３７と同一の膜構成となっており、上記した保護膜３３により被覆されている。配線４５は、図３に示すように、絶縁膜２３に形成されたコンタクトホール２３ａを埋めるように形成されており、拡散層２２と電気的に接続されている。このため、パッド４４に定電位（例えばグランド電位）を印加することで、配線４５を通じて拡散層２２を、電磁波に対するシールド層として機能させることができる。

これらパッド４０（４１〜４４）は、ボンディングワイヤ１１５が接続された状態で、保護ゲル５０によって被覆される。したがって、パッド４０にボンディングワイヤ１１５が接続される前の状態で、湿度センサチップ１０は、保護ゲル５０を有さない。この保護ゲル５０は、パッド４０が、水分により腐食するのを防ぐためのものであり、フッ素系ゲルなど耐水性を有する材料からなる。保護ゲル５０は、パッド４０の周辺に、ディスペンサなどを用いて塗布し、その後硬化することで形成される。このため、塗布した時点では、保護ゲル５０は流動性を有している。

パッド４０周辺に塗布された保護ゲル５０が、湿度検出部３０側に流動し、感湿膜３４に付着すると、感湿膜３４の性質が変化してしまい、雰囲気湿度にかかる検出精度が低下しかねない。このため、パッド４０周辺に塗布した保護ゲル５０が、湿度検出部３０側へ流入し、感湿膜３４に付着するのを抑制すべく、基板２０の一面２０ａにおいて湿度検出部３０とパッド４０の間にダム部６０が形成されている。

ダム部６０は、基板２０の一面２０ａから突出する構造のものを採用することができる。なお、保護膜３３がパッド４０を除く部分に形成される場合には、ダム部６０として保護膜３３を含むこととなり、ダム部６０は保護膜３３の厚さよりも突出高さが高く設けられる。本実施形態において、ダム部６０は、電極３１，３２同様、水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成された膜を含んで、電極３１，３２と同一平面（基板２０の一面２０ａ）に形成されたダム用配線としてのダミー配線６１を有している。本実施形態では、電極３１，３２と同一の構成、すなわち２層構造となっている。また、ダム部６０は、感湿膜３４と同一材料を用いて形成され、ダミー配線６１の少なくとも一部を覆うダム用感湿膜６２も有している。このようにダム部６０は、ダミー配線６１とダム用感湿膜６２、及び保護膜３３の積層構造となっている。なお、本実施形態において、ダミー配線６１は、湿度検出部３０を構成する電極３１，３２やパッド４０と電気的に分離された、電気的な接続機能を提供しない配線となっている。しかしながら、半導体基板２１に湿度検出部３０の処理回路が集積された構成においては、処理回路を構成する配線の一部を用いてダム部６０としても良い。なお、図３では、便宜上、電極３１，３２ｄ及びダミー配線６１を、パッド４４を含む配線４５と同一の層構造で示している。

次に、湿度センサチップ１０の特徴部分である電極３１，３２の断面構造について、図４を用いて説明する。

図４に検出電極３１ｄ，３２ｄにて例示するように、全ての電極３１，３２は、基板２０の一面２０ａに対して膜が多層に配置された多層構造をなしており、基板２０の一面２０ａに膜が１層分配置されてなる下地部３８と、下地部３８上に膜が少なくとも１層分配置されてなる上地部３９と、を有している。この多層構造において、最上層は導電材料を用いて形成され、且つ、保護膜２３に接触する層のうち、少なくとも１層は水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成されている。そして、基板２０の一面２０ａに直交する断面形状がそれぞれ独立して凸形状をなしている。本実施形態では、図４に示すように、上地部３９が１層の膜からなり、各電極３１，３２が２層構造となっている。また、上記したように、電極３１，３２が同一のアルミニウム系材料からなる膜を２層配置してなり、下地部３８を構成する最下層と、上地部３９を構成する最上層とが、ともに水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成されている。

また、上地部３９を形成する任意の層は、該任意の層よりも下側に位置する層を包むように配置されている。換言すれば、任意の隣接する２層において、上層が下層を包むように配置されている。この任意の層は、該任意の層よりも下側に位置する層の上方に位置する中央部３９ａと、基板２０の一面２０ａに配置された周辺部３９ｂと、中央部３９ａと周辺部３９ｂとを繋ぐ繋ぎ部３９ｃと、を有している。本実施形態では、上地部３９が１層のみであるため、上地部３９を構成する層が上記任意の層に該当し、下地部３８を構成する層が任意の層よりも下側に位置する層に該当する。

ところで、一対の電極３１，３２間の容量は、基板２０の一面２０ａに沿う方向に形成される対向容量と、厚み方向に回り込んで形成されるフリンジ容量とにより決定される。感湿膜３４は、それ自体の比誘電率は相対湿度に応じて変化しないが、水分の吸着量により、水分を含む全体の比誘電率が変化する。このため、電極３１，３２間に形成される容量に対して感湿膜３４の影響が大きいほど、容量値の湿度変化に対する傾きは大きくなる。保護膜３３を有する構成では、感湿膜３４の影響、すなわちフリンジ容量の影響が大きくなるように、電極３１，３２に所定の間隔を持たせて構成されている。図４では、検出電極３１ｄ，３２ｄを厚み方向に回り込んで形成されるフリンジ容量Ｃｆを図示している。

このように構成される湿度センサチップ１０では、検出容量部３０ｄに構成されるコンデンサの容量値と、参照容量部３０ｒに構成されるコンデンサの容量値が、雰囲気の相対湿度に応じて変化する。また、検出容量部３０ｄと参照容量部３０ｒとは、容量値の湿度変化に対する傾きが互いに異なっており、これにより各容量値は、相対湿度に対して異なる傾きと切片をもつ直線となる。換言すれば、検出容量部３０ｄと参照容量部３０ｒに感度差をもたせている。したがって、検出容量部３０ｄ及び参照容量部３０ｒの湿度変化に伴う静電容量変化から、雰囲気中の相対湿度を計測することができる。

また、検出電極３１ｄ，３２ｄ上と参照電極３１ｒ，３２ｒ上とに、同一材料からなる感湿膜３４を形成しているので、感湿膜３４のもつ温度特性（温度による吸放湿特性の違い）によるセンサ出力の温度特性（感度の温度特性）や、感湿膜３４の経年劣化の影響を、キャンセルすることができる。

次に、上記した湿度センサチップ１０の製造方法の一例について説明する。

先ず、ウェハ状態のシリコンからなる半導体基板２１を準備し、熱酸化により主面にシリコン酸化膜を形成する。次いで、シリコン酸化膜を介して半導体基板２１の主面側表層に不純物をイオン注入し、拡散層２２を形成する。次いで、シリコン酸化膜上にＢＰＳＧ膜を形成し、シリコン酸化膜とともに絶縁膜２３とする。そして、絶縁膜２３の所定位置にコンタクトホール２３ａを形成した後、基板２０の一面２０ａ全域にアルミニウム系材料を堆積させ、反応性イオンエッチングによりパターニングして、電極３１，３２、パッド４０（４１〜４４）を含む配線３５〜３７，４５、及びダミー配線６１を形成する。このとき、電極３１，３２及びダミー配線６１については、アルミニウム系材料の堆積とパターニングを繰り返し行うことで、２層構造とする。

次いで、基板２０の一面２０ａ全域に保護膜３３としてのシリコン窒化膜を形成し、パターニングしてパッド４０（４１〜４４）を露出させる。そして、例えばスピンコート法により基板２０の一面２０ａ上に前駆体を塗布し、硬化処理した後、パターニングすることで、感湿膜３４及びダム用感湿膜６２を形成する。

次いで、基板２０をダイシングし、チップ単位とすることで、湿度センサチップ１０を得ることができる。

次に、本実施形態に係る湿度センサチップ１０の主たる特徴部分の効果について説明する。以下、従来の湿度センサチップ１０及び参考例と対比しながら、効果について説明する。

図５は、従来の湿度センサチップ１０において、電極３１，３２の構造を説明するための断面図である。なお、図５では、電極３１，３２のうち、検出電極３１ｄ，３２ｄのみを図示するが、参照電極３１ｒ，３２ｒについても検出電極３１ｄ，３２ｄと同じ構造となっている。

従来の湿度センサチップ１０では、基板２０の一面２０ａに対して、アルミニウム等の導電材料を、蒸着やスパッタ等の手法により堆積させて膜を１層分形成し、形成した膜を例えば反応性イオンエッチングにより所定形状にパターニングすることで、一対の電極３１，３２を形成している。また、パターニングにおいて、反応性イオンエッチングの条件を電極３１，３２の側面が基板２０の一面２０ａと略垂直となるような条件としつつ、基板２０の一面２０ａにアルミニウム系材料の残渣（エッチング残り）が生じるのを懸念し、オーバーエッチングを行っている。このため、従来の電極３１，３２（検出電極３１ｄ，３２ｄ）は、図５に示すように、逆テーパ形状をなしている。換言すれば、一対の電極３１，３２における互いに対向する側面の間隔は、基板２０の一面２０ａに近いほど広くなっている。

図６に示す三角△は、本出願人が、図５に示す構造の湿度センサチップ１０を作成し、相対湿度と容量変化量との関係について測定した結果を示している。この詳細については、本出願人による特願２０１１−２６８１５６号（以下、先の出願と示す）に記載されている。この測定では、湿度センサチップ１０において、電極３１，３２としてのアルミニウムの高さを０．７μｍ、対向方向における電極３１，３２の下面の長さを２．７μｍ、検出電極３１ｄ，３２ｄの対向方向の間隔（下面間の距離）を７．８μｍ、参照電極３１ｒ，３２ｒの対向方向の間隔（下面間の距離）を４．８μｍ、保護膜３３としてのシリコン窒化膜の厚さを１．６μｍ、感湿膜３４としてのポリイミドの厚さを２μｍとしている。また、上面と側面とのなす角度θを９０度未満としている。なお、図６に示す破線は、線形性の比較となる傾き一定の直線（以下、比較線と示す）である。

図６に三角△で示すように、高湿側（例えば７０％ＲＨ以上）では、図６に破線で示す比較線よりも傾きが大きくなって、比較線に対し、ずれが生じている。このように、高湿側において、相対湿度に対する容量変化量、すなわちセンサ感度の線形性が劣化する、具体的には、センサ感度に曲がりが生じることが明らかとなった。

また、電極３１，３２が逆テーパ形状を有すると、図５及び図７に示すように、電極３１，３２を覆うように形成される保護膜３３において、基板２０の一面２０ａと電極３１，３２とにより形成される段差に対応する部分３３ａ（以下、段差部３３ａと示す）の曲がりがきつく（鋭角に）なっていた。本出願人は、先の出願において、段差部３３ａの曲がりがきついと高湿側においてセンサ感度の線形性が劣化する原因が、以下にあるものと推定した。段差部３３ａの曲がりがきついと、図７に示すように段差部３３ａが窪みとなり、感湿膜３４の形成時にこの窪みに感湿膜３４が充填されず、段差部３３ａにおいて、保護膜３３と感湿膜３４との間に隙間７０が生じる。そして、感湿膜３４に吸着した水分が、窪んだ段差部３３ａによる隙間７０に凝縮し（集まり）、上記したフリンジ容量Ｃｆ（図５参照）がこの水分の影響を受ける。これにより、高湿側でセンサ感度の曲がりが生じるものと推定した。

これに対し、本出願人は、先の出願において、９０度以上の角度θを有する電極３１，３２を備えた湿度センサチップ１０（参考例）を提案している。そしてこの湿度センサチップ１０を作成し、上記同様、相対湿度と容量変化量との関係について測定している。その結果を、図６にバツ×で示した。この測定では、電極３１，３２の高さや、対向距離、保護膜３３及び感湿膜３４の厚さについて、上記した従来構成と同じとしている。また、上面と側面とのなす角度θを９０度よりも大きい角度としている。

図６にバツ×で示すように、低湿側、高湿側のいずれにおいても、図６に破線で示す比較線とほぼ同じ傾きを有し、比較線とほぼ一致した。

また、角度θを９０度以上、特に９０度よりも大きい角度とすると、図５に示す従来の電極３１，３２（逆テーパ形状の電極３１，３２）を有する構成に較べて、保護膜３３の段差部３３ａが緩やかとなることが明らかとなった。すなわち、段差部３３ａを緩やかにすることで、保護膜３３と感湿膜３４との間に隙間７０が生じるのを抑制し、ひいては高湿でのセンサ感度の線形性劣化を抑制できることが、先の出願において明らかとなった。

これを受け、本実施形態では、保護膜３３の段差部３３ａを緩やかとすべく、電極３１，３２の断面形状を、膜の多層配置により凸形状としている。図８（ａ）に検出電極３１ｄにて例示するように、従来の湿度センサチップ１０では、膜を１層配置して電極３１，３２が形成されている。このため、基板２０の一面２０ａと電極３１，３２とにより１つの段差のみが形成され、一段分の高さが電極３１，３２の厚さｔ１と等しいため、保護膜３３における段差部３３ａの曲がりがきつくなる。

一方、本実施形態では、図８（ｂ）に検出電極３１ｄにて例示するように、膜を多層（２層）配置して電極３１，３２が形成されている。このため、基板２０の一面２０ａと電極３１，３２とにより２つの段差が形成され、一段分の高さｔ２，ｔ３それぞれが電極３１，３２の厚さｔ１よりも低くなる。したがって、図８（ｂ）に示すように、保護膜３３における段差部３３ａの曲がりを緩やかにすることができる。これにより、相対湿度と容量変化量との関係は、上記した参考例同様、図６に破線で示す比較線とほぼ同じ傾きを有し、比較線とほぼ一致するものと考えられる。すなわち、高湿側におけるセンサ感度の線形性劣化を抑制することができる。なお、図８（ｂ）では、下地部３８の側面及び上地部３９の側面を、一面２０ａに略垂直なものとしているが、図８（ａ）に示すように逆テーパ形状としても、従来に較べれば、保護膜３３における段差部３３ａの曲がりを緩やかにすることができる。

また、本実施形態によれば、保護膜３３により、電極３１，３２などの腐食を効果的に抑制することができる。

また、本実施形態によれば、最上層が導電材料からなるため、最上層が電気絶縁材料からなる構成に較べて、一対の電極３１，３２においてフリンジ容量Ｃｆに寄与する対向距離を短くすることができる。これにより、センサ感度を高めることができる。

また、上記構成に加え、本実施形態では、電極３１，３２において、下地部３８を構成する最下層を除く層が、該層よりも下側に位置する層の上方に位置する中央部３９ａと、基板２０の一面２０ａに配置された周辺部３９ｂと、中央部３９ａと周辺部３９ｂとを繋ぐ繋ぎ部３９ｃと、を有している。そして、最下層を除く任意の層が、該任意の層よりも下側に位置する層を包むように配置されている。このため、上層ほど段差がなだらかとなり、保護膜３３における段差部３３ａの曲がりをより緩やかにすることができる。さらには、上層ほど広い範囲に配置されるため、一対の電極３１，３２においてフリンジ容量Ｃｆに寄与する対向面積を大きくすることができる。したがって、センサ感度をより高めることができる。

また、上記構成に加え、本実施形態では、電極３１，３２において、全ての層が、水分に対する腐食性を有する同一の導電材料を用いて形成されている。湿度センサチップ１０の構成・製造工程を簡素化することができる。このように、同一の導電材料を用いて全ての層を形成できるのは、最下層を除く任意の層が、該任意の層よりも下側に位置する層を包むように配置されるためである。また、全ての層を実質的に電極として機能させることができる。

次に、本実施形態に係る湿度センサチップ１０において、従たる部分の作用効果について説明する。

本実施形態では、一対の電極３１，３２がそれぞれ櫛歯形状をなし、互いの櫛歯が噛みあって対向するように配置されている。このような構成とすると、一対の電極３１，３２において対向面積を大きくすることができるため、センサ感度をより高めることができる。

また、本実施形態では、基板２０として、半導体基板２１と、該半導体基板２１の主面に形成された絶縁膜２３を有し、電極３１，３２が、基板２０の絶縁膜２３上に配置されている。このような構成とすると、湿度検出部３０から出力される信号を処理する処理回路についても、同一の基板２０に構成することができるようになる。換言すれば、図１に示した回路チップ１１３を不要とすることができる。また、絶縁膜２３を有するため、電極３１，３２などからの電流の漏洩等を防止することができる。

（変形例）
本実施形態では、電極３１，３２を構成する膜が、全ての層において同一の導電材料（アルミ系材料）からなる例を示した。しかしながら、互いに異なる導電材料を用いて複数の層が形成されても良い。例えば、図４に示した構成において、不純物がドープされたポリシリコンを用いて下地部３８が形成され、アルミニウム系材料を用いて上地部３９が形成されても良い。

また、最上層は導電材料を用いて形成され、且つ、保護膜２３に接触する層のうち、少なくとも１層は水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成されるとの条件を満たすのであれば、電極３１，３２が、電気絶縁材料を用いて形成された層を含むものとしても良い。例えば図９に示す例では、下地部３８を、電気絶縁材料を用いて形成された層とし、上地部３９を、アルミニウム系材料を用いて形成された層としている。なお、本実施形態では、最下層を除く任意の層が、該任意の層よりも下側に位置する層を包むように配置されるため、電気絶縁材料からなる層を有しつつも、電極３１，３２間の対向面積を大きくすることができる。

（第２実施形態）
本実施形態において、上記実施形態に示した湿度センサチップ１０と共通する部分についての説明は割愛する。

本実施形態の特徴は、電極３１，３２において、上地部３９を形成する任意の層は、該任意の層に下側で隣接する層の表面のうち、上面の一部のみを覆うように配置されることにある。換言すれば、任意の隣接する２層において、上層が下層における上面の一部のみを覆うように配置されていることにある。

図１０に検出電極３１ｄで例示するように、２層構造の電極３１，３２において、上地部３９を形成する層は、下地部３８を形成する層の表面のうち、上面の一部のみを覆うように配置されている。そして、電極３１，３２の断面形状が凸形状となっている。また、下地部３８を形成する層は、例えば不純物がドープされたポリシリコンを用いて形成され、上地部３９を形成する層は、下地部３８とは異なる導電材料、例えばアルミニウム系材料を用いて形成されている。すなわち、電極３１，３２において、各層は、互いに異なる導電材料を用いて形成されている。

このように、本実施形態では、上地部３９が下地部３８における上面の一部のみを覆うように配置されている。このため、上地部３９の上面と下地部３８の上面、下地部３８の上面と基板２０の一面２０ａの間にそれぞれ段差が形成される。したがって、各段差の高さｔ２，ｔ３は、電極３１，３２の厚さｔ１よりも低くなる。これにより、第１実施形態同様、保護膜３３における段差部３３ａの曲がりを緩やかにすることができる。したがって、高湿側におけるセンサ感度の線形性劣化を抑制することができる。

また、上記構成に加え、本実施形態では、電極３１，３２において、全ての層が、互いに異なる導電材料を用いて形成されている。これによれば、全ての層を実質的に電極として機能させることができる。したがって、一対の電極３１，３２においてフリンジ容量Ｃｆに寄与する対向面積を大きくすることができる。すなわち、センサ感度をより高めることができる。

（変形例）
本実施形態では、電極３１，３２において、不純物がドープされたポリシリコンを用いて下地部３８が形成され、アルミニウム系材料を用いて上地部３９が形成される例を示した。しかしながら、アルミニウム系材料を用いて下地部３８が形成され、不純物がドープされたポリシリコンを用いて上地部３９が形成されても良い。

また、最上層は導電材料を用いて形成され、且つ、保護膜２３に接触する層のうち、少なくとも１層は水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成されるとの条件を満たすのであれば、電極３１，３２が、電気絶縁材料を用いて形成された層を含むものとしても良い。例えば図１１に示す例では、電気絶縁材料を用いて下地部３８が形成され、アルミニウム系材料を用いて上地部３９が形成されている。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上記した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。

電極３１，３２は、２層構造に限定されるものではない。３層以上としても良い。換言すれば、上地部３９は、下地部３８上に膜が少なくとも１層分配置されてなるものであれば良く、上地部３９を２層以上の構成としても良い。図１２に例示する検出電極３１ｄは、第１実施形態同様、最下層を除く任意の層が、該任意の層よりも下側に位置する層を包むように配置されている。そして、全ての層が同一のアルミニウム系材料を用いて形成された３層構造となっている。換言すれば、上地部３９が、中間層８０と最上層８１を有する２層構造となっている。この構成では、電極３１，３２を形成する層数が多いほど、最上層８１の段差がなだらかとなる。したがって、保護膜３３における段差部３３ａの曲がりをより緩やかにすることができる。なお、３層以上についても、上記各実施形態に示した各構成を採用することができる。例えば、図１２に示す構成において、中間層８０及び下地部３８を形成する層（最下層）の少なくとも一方を、電気絶縁材料を用いて形成された層としても良い。また、第２実施形態に示す構造において、電極３１，３２を３層以上としても良い。これによれば、電極３１，３２を形成する層数が多いほど、一段分の高さが低くなるので、保護膜３３における段差部３３ａの曲がりをより緩やかにすることができる。

本実施形態では、湿度検出部３０が、検出容量部３０ｄと参照容量部３０ｒを備える例を示した。しかしながら、湿度検出部３０として、少なくとも検出容量部３０ｄを備えれば良い。

また、湿度センサチップ１０として、雰囲気の湿度変化を一対の電極３１，３２の静電容量の変化として検出する容量式湿度センサの例を示した。しかしながら、検出原理はこれに限定されるものではない。例えば、一対の電極３１，３２を備え、感湿膜３４は、水分の吸着によりインピーダンスが変化するものであり、雰囲気の湿度変化を感湿膜３４のインピーダンスの変化として検出する抵抗式湿度センサにおいても、上記した電極構造を採用することができる。

基板２０としては、ガラスなどの無機材料からなる基板を採用することもできる。この場合、絶縁膜２３を不要とすることができる。

電極３１，３２の形状は、櫛歯形状に限定されるものではない。電極３１，３２としては、互いに対向するように、基板２０の一面２０ａに形成されたものであれば良い。

上記実施形態では、膜を多層に配置することで、電極３１，３２を断面凸形状とする例を示した。しかしながら、図１３に例示する検出電極３１ｄのように、１層の膜をハーフエッチすることで、断面凸形状とされた電極３１，３２を採用しても良い。図１３に示す検出電極３１ｄによれば、基板２０の一面２０ａと検出電極３１ｄ（電極３１，３２）とにより段差が２つ形成されるため、第２実施形態に示す図１０，１１と同様の効果を奏することができる。

上記実施形態では、湿度センサチップ１０が、ダミー配線６１及びダム用感湿膜６２を含んで構成されたダム部６０を有する例を示した。しかしながら、ダム部６０を有さない構成を採用することもできる。

１０・・・湿度センサチップ（湿度センサ）
２０・・・基板
２０ａ・・・一面
３０・・・湿度検出部
３１，３２・・・電極（一対の電極）
３３・・・保護膜
３３ａ・・・段差部
３４・・・感湿膜
３８・・・下地部
３９・・・上地部
７０・・・隙間

Claims (10)

1. 基板（２０）と、
   互いに対向するように、前記基板の共通する一面（２０ａ）に配置された一対の電極（３１，３２）と、該電極を覆うように前記一面上に配置され、水分による腐食から前記電極を保護する保護膜（３３）と、前記電極及び前記電極間を覆うように、前記保護膜上に配置された感湿膜（３４）と、を有する湿度検出部（３０）と、を備え、
   全ての前記電極は、
   前記一面に対して膜が多層に配置された多層構造を有するとともに、最上層は導電材料を用いて形成され、且つ、前記保護膜に接触する層のうち、少なくとも１層は水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成されており、
   前記基板の一面に前記膜が１層分配置されてなる下地部（３８）と、該下地部上に前記膜が少なくとも１層分配置されてなる上地部（３９）と、をそれぞれ有し、
   前記電極（３１，３２）において、前記上地部（３９）を形成する任意の層が、該任意の層よりも下側に位置する層を包むように配置されるとともに、前記下側に位置する層の上方に位置する中央部（３９ａ）と、前記基板（２０）の一面（２０ａ）に配置された周辺部（３９ｂ）と、前記中央部（３９ａ）と前記周辺部（３９ｂ）とを繋ぐ繋ぎ部（３９ｃ）と、を有することで、前記一面に直交する断面形状がそれぞれ独立して凸形状をなしていることを特徴とする湿度センサ。
2. 前記電極（３１，３２）において、全ての層は、水分に対する腐食性を有する同一の導電材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
3. 前記電極（３１，３２）は、電気絶縁材料を用いて形成された層を含むことを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。
4. 基板（２０）と、
   互いに対向するように、前記基板の共通する一面（２０ａ）に配置された一対の電極（３１，３２）と、該電極を覆うように前記一面上に配置され、水分による腐食から前記電極を保護する保護膜（３３）と、前記電極及び前記電極間を覆うように、前記保護膜上に配置された感湿膜（３４）と、を有する湿度検出部（３０）と、を備え、
   全ての前記電極は、
   前記一面に対して膜が多層に配置された多層構造を有するとともに、最上層は導電材料を用いて形成され、且つ、前記保護膜に接触する層のうち、少なくとも１層は水分に対する腐食性を有する導電材料を用いて形成されており、
   前記基板の一面に前記膜が１層分配置されてなる下地部（３８）と、該下地部上に前記膜が少なくとも１層分配置されてなる上地部（３９）と、をそれぞれ有し、
   前記電極（３１，３２）において、前記上地部（３９）を形成する任意の層が、該任意の層に下側で隣接する層の表面のうち、上面の一部のみを覆うように配置されることで、前記一面に直交する断面形状がそれぞれ独立して凸形状をなしていることを特徴とする湿度センサ。
5. 前記電極（３１，３２）において、各層は、互いに異なる導電材料を用いて形成されていることを特徴とする請求項４に記載の湿度センサ。
6. 前記電極（３１，３２）は、電気絶縁材料を用いて形成された層を含むことを特徴とする請求項４に記載の湿度センサ。
7. 前記一対の電極（３１，３２）はそれぞれ櫛歯形状をなし、互いの櫛歯が噛みあって対向するように配置されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の湿度センサ。
8. 前記感湿膜（３４）は、水分の吸着により比誘電率が変化するものであり、
   前記湿度検出部（３０）は、雰囲気の湿度変化を一対の前記電極（３１、３２）間の静電容量の変化として検出することを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の湿度センサ。
9. 前記感湿膜（３４）は、水分の吸着によりインピーダンスが変化するものであり、
   前記湿度検出部（３０）は、雰囲気の湿度変化を前記感湿膜（３４）のインピーダンスの変化として検出することを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の湿度センサ。
10. 前記基板（２０）は、半導体基板（２１）と、該半導体基板（２１）の主面に形成された絶縁膜（２３）を有し、
    前記電極（３１，３２）は、前記基板（２０）の絶縁膜（２３）上に配置されていることを特徴とする請求項１〜９いずれか１項に記載の湿度センサ。

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