JPH02179459A - 湿度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （イ）産業上の利用分野 この発明は、感湿素子構造及び湿度センサに関する。さ
らに詳しくは絶対湿度を検出する感湿素子構造及び湿度
センサに関する。

（ロ）従来の技術及びｔ！題 従来より感湿素子あるいは湿度センサとしては多種類の
ものが開発されており、特に雰囲気中の相対湿度を検出
するセンサとしては、感湿材料の電気抵抗値あるいは電
気容量か雰囲気中の湿気あるいは水蒸気に感応して変化
することを利用し、主に次に挙げるものが知られている
。■酸化鉄（Ｆｅｔｏｓ、Ｆｅ２Ｏ２）　、酸化錫（Ｓ
ｎｏｗ）などの金属酸化物の焼結体あるいは金属酸化膜
を用いたもの、■親水性高分子膜あるいは高分子電解質
さらには繊維高分子を用いたもの、■塩化ソリチウムＬ
　ｉｃ　Ｉ）等の電解質塩を用いたもの及び■吸湿性樹
脂あるいは吸湿性高分子膜などに炭素等の導電性粒子又
は繊維を分散させたものなどである。以上のセンサは検
出湿度領域、検出感度及び精度、応答速度、信頼性、耐
環境性等それぞれに長所・短所を有するが、例えば電子
レンジ内の動作時における雰囲気の様に、雰囲気温度が
急激に変化する様な環境下で微量な水蒸気の変化を検出
するには温度の関数である相対湿度の変化が以下の様に
考えられるため、上記湿度センサを用いた湿度計測には
大きな問題がある。

すなわち、検出雰囲気内の水蒸気量が一定であると仮定
し、この雰囲気の温度のみ上昇すると仮定した場合、相
対湿度は水蒸気量が一定であっても飽和水蒸気圧の関係
で低下し、さらに温度の上昇が急激であれば微量の水蒸
気の増加は相対湿度としでは温度変化に相殺されるかや
はり低下してしまうことが予想され、実質的な水蒸気量
の変化を反映した結果が得られず検出に大きな問題を有
している。

従って、前述した様な環境の湿度計測には相対湿度検知
よりも直接水蒸気量を検出可能な絶対湿度検知が有利で
ある。

絶対湿度（水蒸気量）の検知手段としては、従来より水
蒸気によるマイクロ波の誠衰や赤外線の吸収等を応用し
た計測装置が用いられている。これらは物理的手法によ
り直接水蒸気を検出可能であることから、前述の急激な
温度変化を伴う様な環境においても水蒸気の受爪変化検
出に有利となる反面、温度補償をも含めた装置の構成は
大かかりでありコストもかなり高いものとなる。また、
第７図に示すごとき湿り空気と乾き空気の熱伝導率差を
利用し、特性のそろった２個のサーミスタ１４を用いる
熱伝導式の絶対湿度センサがあり、小型で耐環境性にも
優れているが、水蒸気量の微小変化に対して良好な出力
が得られず検出感度の高感度化、高速応答性という点で
問題があった。

さらに、熱伝導式の絶対湿度センサとしては第８図に示
す様に、マイクロマシニング技術を駆使し、絶縁性の簿
膜ブリッジ３上にサーミスタ材料を用いた感応膜１５を
形成し、素子の熱容量を大幅に低減した構造の絶対湿度
センサが開発され、上記第７図に示すごとき２個のサー
ミスタを宙ずりにした構造の熱伝導式の絶対湿度センサ
に比較して、高速応答、高感度を得ているものの、サー
ミスタ材料を用いた感応膜１５では、ザーミスタ薄膜の
長期信頼性、特に熱的安定性に問題を有し、作製プロセ
スにおいても電極Ｉ６の形成が必要である等煩雑なもの
となっていた。また、高感度特性という点でも熱安定性
に問題を有するため満足するものではなかった。

この発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、検出
感度の向上及び低消費電力、特性の高速応答性が図れ、
長期安定性を有しうる感湿素子構造及び湿度センサを提
供しようとするものである。

（ハ）課題を解決するための手段 かくしてこの発明によれば、凹部を有する基板の該凹部
上に、抵抗温度係数の大きい金属材料が所定の抵抗値を
有する形状にパターン形成された感応膜及びこれを被覆
する耐熱性絶縁膜からなる発熱膜体が支持されてなり、 上記発熱膜体周囲雰囲気の水蒸気量の変化を、該発熱膜
体の放散熱量変化に伴う抵抗値変化として出力しうるよ
う構成されてなる感湿素子構造、及び、請求項１の感湿
素子構造を少なくとも２つ備え、これらの素子構造の各
発熱膜体はそれぞれ略同体積の空間を有する遮蔽体によ
り封止されてなり、このうち参照側素子構造の村上空間
内には所定量の水蒸気を含有し又は乾燥状態とし、検出
側素子構造の封止空間は外部と連通ずるよう構成され、
これらの素子構造間の抵抗値変化に基づく出力により、
検出側封止空間内の水蒸気量を検出しうる湿度センサが
提供される。

この発明の感湿素子構造は、空気の熱伝導率が空気中に
含有される水蒸気量に依存することを利用し、雰囲気の
熱伝導率変化に伴う自己発熱体の放散熱量の変化に伴う
素子温度の変化（すなわち自己発熱体の抵抗値変化）に
基づいて絶対湿度を検出しうるよう構成されるものであ
る。また、この発明の感湿素子構造を用いた湿度センサ
は一定温度に自己加熱される２つの感湿素子構造を設け
、そのうち一方（第１の素子）を検出雰囲気に露出し、
他方（第２の素子）は一定湿度雰囲気又は乾燥雰囲気に
て密閉することにより、検出雰囲気内の水蒸気量変化に
伴う熱伝導率変化により生じる第１１第２の素子それぞ
れの自己発熱温度変化に伴う第１、第２素子の抵抗値変
化の差出力をもって雰囲気温度の影響を受けることなく
水蒸気量を検知しうるよう構成されるものである。

一般に高感度な出力を得るためには、同一の水蒸気量変
化に対して素子からより多くの放散熱量を得ることが重
要である。ここで、素子の放散熱量は以下の式で表され
る。

ｑ＝ｈ　（Ｔ−Ｔｏ）Ａ ［ｑ：放散熱量（ｋｃａｌ／ｈ）、　Ｔ　：素子温度（
℃）。

Ａ：素子表面積（ｍつ、ｈ：熱伝達率（ｋｃａｌ／ｍ・
ｈ・”ｃ）　、　Ｔｏ　：雰囲気温ｒ（’Ｃ）］このう
ち、水蒸気ｍ変動によって変化するのは熱伝導率りであ
り、Ａは表面積であるから一定である。従って、同一水
蒸気量変化にて放散熱ｆｌｑを多く取るためには、（Ｔ
　　Ｔ（＋）を増加さ仕る、すなわち素子温度Ｔを高温
とすることが有益である。しかし、単に素子動作温度の
高温化を図るのでは、素子の消費電力は大幅に増大し、
素子の熱応答性ひいては水蒸気に対する感湿応答性の大
幅な低下を招く。

そこで、高速応答、低消費電力かつ高温動作を実現する
ために素子熱容量の低下、すなわち素子発熱部の十分な
熱絶縁を図れる素子構造が重要となる。

この発明の感湿素子構造において、基板は上記素子の低
熱容量化を図るため、四部を有する構造のものが用いら
れる。

この発明の感湿素子構造の上記発熱膜体は、所定の抵抗
値を有する金属材料からなる感応膜及びこれを披ｍする
絶縁膜で構成される。上記金属材料としては、温度によ
る抵抗値変化の大きいものが有利であり、例えばＰｔ、
Ｎｉ等を挙げることができるが、特にｐｔ材料は高温で
の安定性に優れ信顆性の確保された動作温度域において
従来にない高感度特性を有する点で好ましいものである
。

上記感応膜が所定の抵抗値を有する構造としては、該膜
の一部を一定の幅及び間隔にてジグザグ（ミアンダリン
グ）形状に微細加工することが挙げられる。

この発明の感湿素子構造において、上記発熱膜体は前記
基板の凹部上に支持される。この支持溝造は例えば、ブ
リッジ状、カンチレバー状、ダイヤフラム状等発熱膜体
から基板への熱伝導を抑えて該発熱膜体から周囲雰囲気
中に熱放散を効率良く行わしめる形状であればいずれの
ものであってもよい。

この発明において、上記感応膜及びこれを被覆する絶縁
膜からなる発熱膜体の形成、並びに該発熱膜体の基板へ
の支持は熱酸化法、スパッタリング法、真空蒸着法等の
成膜技術、及びリソグラフィ等の半導体プロセスにおけ
るマイクロマシニングの手法を用いることにより達成す
ることができる。

詳しくは後述する実施例の記載が参照される。

この発明はまた、上記感湿素子構造を少なくとも２つ以
上用いて、絶対湿度検出用の湿度センサを構成すること
もできる。この場合■っの感湿素子構造は、検出側とし
て機能し、他の１つは参照（リファレンス）側として機
能するよう構成される。上記リファレンス側感湿素子構
造は一定出力、すなわち一定抵抗値を有しうるよう、該
素子の発熱膜体は一定水蒸気量を有する雰囲気又は乾燥
雰囲気と定常的に接触する構造とされる。この構成とし
ては、発熱膜体を所定量の水蒸気を含有する空間内又は
乾燥状態を維持する空間内に封止する構造が挙げられる
。−力検出側感湿素子構造は、上記リファレンス側と同
様に封止されるが、この封止は外部と連通ずる構成にさ
れる。上記リファレンス側及び検出側感湿素子構造の封
止は、封止用キャップを作製し、このキャップを所定の
発熱膜体を封止しうるよう基板上に接合する等が挙げら
れる。上記キャップの作製はエツチング技術、フォトリ
ソグラフィ技術等のマイクロマシニング技術をそのまま
利用することができる。またキャップの接合は、スクリ
ーン印刷法、塗布法、焼成法等を用いて行うことができ
る。詳しくは後述する実施例の記載が参照される。

この発明の湿度センサにおいて、上記リファレンス側発
熱膜体及び検出側発熱膜体を、同一基板内に同様な支持
構造で構成するものが好ましい。

また、このとき上記２つの発熱膜体を抱括して封止する
と共に、その封止内でさらに個々の発熱膜体を個別に封
止し、検出側の封止に対しては細孔を設けて、外部と流
通可能に構成するものが、両光熱体の熱放散状態を極カ
一致させ、感湿特性の温度依存性も一致させうる点で好
ましいものである。

この発明の湿度センサは、上記リファレンス側感湿素子
構造と検出側感湿素子構造との抵抗値変化に基づく出力
により、検出雰囲気内の水蒸気量を検出しうるよう構成
される。この構成例としては、上記リファレンス側感湿
素子と検出側感湿素子とでブリッジ回路を構成し、該ブ
リッジ回路の非平衡電位を出力として検出するもの等が
挙げられる。この具体的な構成は後述する実施例の記載
が参照される。

（ニ）作用 この発明によれば、抵抗温度係数の大きい金属膜及びこ
れを被覆する絶縁膜からなる発熱膜体が、凹部を有して
低熱容量化された基板の凹部上に支持されているので、
所定の抵抗値により発熱された発熱膜体から放散する熱
量の基板への伝導は抑えられるため、この熱放散のほと
んどは該発熱膜体周囲の雰囲気が含有する水蒸気量によ
って定まる該雰囲気の伝導率に依存することとなり、こ
の含有水蒸気量の変化に伴う上記雰囲気の伝導率の変化
が、発熱膜体の抵抗値変化として出力され、これに基づ
いて上記雰囲気内の水蒸気ｍが検出されることとなる。

以下実施例によりこの発明の詳細な説明するが、これに
よりこの発明は限定されるものではない。

（以下余白） （ホ）実施例 第１図はこの発明の感湿素子構造の一実施例の構成説明
図であり、同図（Ａ）はその平面構成説明図、同図（Ｂ
）はそのｘ−ｘ’線断面構成説明図、同図（Ｃ）はその
Ｙ−Ｙ’線断面構成説明図である。第１図に示すごとく
、Ｓｉ基板ｌ上にブリクジ形状の薄膜絶縁層２を形成し
た後、基板ｌであるＳｉの結晶軸異方性エツチングを行
うことにより絶縁層ブリッジ部下のエツチングにて基板
１−絶縁層ブリッジ部（以下マイクロブリッジと称す）
３間に中空構造を有し、熱絶縁すなわち低熱容量化に優
れた素子構造とし、さらにマイクロブリッジ３上に薄膜
センサ材料である感応膜４を所定の抵抗値となる様パタ
ーン形成し、さらに感応膜４の上層に保護膜として絶縁
材料薄膜５を積層している。

以下に第１図の素子構造形成プロセスについて詳細に述
べると、まず結晶軸の方位により化学エツチングの速度
が異なるＳｉ基板ｌ上に、マイクロブリッジ３の下層と
なるＳ　ｉＯｔ、　Ｓ　Ｌ３Ｎ　ａまたはＡ１１０３等
の薄膜絶縁層２を、材料に応じて熱酸化法、スパッタ法
、真空蒸着法またはＣＶＤ法等により形成する。この実
施例では後のＳｉエツチング時におけるエッチピットの
発生防止を考え、Ｓｉｎ、膜を熱酸化法にて形成する。

このとき基板の裏面及び側面にも同時に５ｉｎｓを形成
し、後のＳｉエツチング時のマスクとする。さらに、感
応膜と絶縁層の良好な密着性を考慮してＳｉｎ’ｓ膜上
にＡＩｔｏ３膜をスパッタ法あるいは陽極酸化法にて積
層形成し、Ａ　Ｉｔｏ　ｓ／　Ｓ　ｉｏ　ｔの２層から
なる絶縁層２を作製する。この場合絶縁層２は感応膜材
料あるいは絶縁層膜の形成法にもよるが、Ｓ　ｉｏ　ｔ
、　Ｓ　１３Ｎ　４マタハＡ　１ｔＯ３膜の単層膜ｔ１
ｖｔ造であっても良い。また、ブリッジの強度等を考慮
し、マイクロブリッジ部３の絶縁層下面に所定の厚みの
Ｓｉを残存させて、その下方を空洞化し絶縁層と基板材
料のＳｉ層が重畳された２層構造からなるブリッジを形
成することら有用であり、その場合は基板のブリッジ部
表面に予めＢ（ポロン）等を高濃度に拡散あるいはドー
プすることにより、その部分を異方性エツチング（化学
エツチング）時のストップ層として利用すれば結果とし
て絶縁層と５ｉ（Ｂドープ）材料からなるブリッジが形
成できる。

次に、絶縁層２上に抵抗温度係数の大きい材料であるＰ
ｔ、Ｎｉ等の金属材料をスパッタ法、真空蒸着法にて形
成し、さらに後のＳｉエツチングにより絶縁層マイクロ
ブリッジ３となる部分上でホトリソグラフィー技術とド
ライエツチング法もしくは化学エツチング法にて所定の
抵抗値となる様にパターン化して感応１１ｆｉ４とする
。この実施例では、感応膜４に化学的・熱的安定性に優
れたＰｔを用いドライエツチング法によりエツチングし
、第２図に示すごときジグザグ（ミアンダリング）形状
にパターン化している。この後、感応膜４上に保護膜で
かつ後のＳＳエツチング時のマスクとなる上部絶縁層５
をスパッタ法、真空蒸着法、熱酸化法く陽極酸化法、Ｃ
ＶＤ法等により形成するが、ここではｐｔとの密着性に
優れ、良好な耐環境性を有するＡＬＯ＊膜をスパッタ法
により形成している。

以上の工程の後、下部絶縁層２下の基板Ｓｉの一部をエ
ツチングにより除き、上下絶縁層２．５と感応膜４から
成るマイクロブリッジ３を作製する。まず、上下絶縁層
をホトリソグラフィー技術と化学エツチング技術及びド
ライエツチング技術を用いてエツチングによりブリッジ
形状にパターン化し、絶縁層下のＳｉ基板を露出させる
。また、このときｐｔ膜へのリード線接続部（パッド部
）６の上部絶縁層も同時にエツチングし、パッド部の形
成を行う。エツチングの具体的手法としてはＡｌｔｏｓ
膜はリン酸溶液を用いた化学エツチング、ＳｉＯｘは膜
厚により化学エツチングとドライエツチングを使い分け
て行う。また、パッド部で上層のＡｌｔｏａＭｉをエツ
チングした後に感応膜のｒ’ｔｐｔＡが露出し、他の部
分での下部絶縁層（Ａｌｔｏｓ／５ｉｎｓ）エツチング
時の影響が懸念されるが、ｐｔ膜はＡ　Ｌ　Ｏｓ膜、５
ｉｆｔ膜のどちらのエツチング手法に対してもほとんど
エツチングされず安定であり良好にパッド６が形成でき
る。この様にして得られたＳｉ基板の露出部からＥ、Ｐ
、Ｗ溶液（エチレンジアミン−ピロカテコール−水）あ
るいはＫＯＨ溶液等のアルカリ溶液を用いて化学エツチ
ングすることにより優先結晶軸方向のＳｉのエツチング
が進行して行き、すなわち、結晶軸異方性工７ツチング
によりブリッジ形状にパターン化された絶縁層下のＳｔ
がエツチング除去され感応Ｊ［ｉ４と上下絶縁層２．５
からなるマイクロブリッジ３が形成される。また上下絶
縁層にＳ　ｉｉＮ＋膜を用いることも有効であり、Ａｌ
＊Ｏｓ膜と同等の特性を有する。なお、異方性エツチン
グのマスクとしては上下絶縁層を用い、（１００）Ｓｉ
基板で（ｉｌｌ）面が露出したところでエツチングはス
トップし、またエツチング深さは時間によって制御して
いる。

さらにこの発明の感湿素子構造の他の実施例の構成説明
図を第３図に示す。なお、同図（Ａ）はその斜視図、同
図（Ｂ）はそのｘ−ｘ’線断面構成説明図、同図（Ｃ）
はそのＹ−Ｙ’線断面構成説明図である。該図に示す様
に上下絶縁層２．５及び感応ｌｌ！Ｉ４のパターンニン
グ形状でカンチレバー７構造の絶縁層上にも感応膜４を
形成可能で、機械的強度には若干劣るものの、−層・熱
絶縁に優れた素子を作製できる。

以上の工程で素子の基本的構造は形成され、このマイク
ロブリッジ素子、カンチレバー素子がそれぞれのＰｔ抵
抗部（ミアンダリング形状パターン化部）（第２図４）
を一定温度に自己発熱させ、水蒸気量の変動に伴う発熱
温度の変化を抵抗値変化として水蒸気の検出が可能であ
り、用途に応じて実用上有益である。

実施例２ 第４図は、この発明の感湿素子構造の他の実施例の構成
説明図であり、同図（Ａ）はその斜視図、同図（Ｂ）は
そのｘ−ｘ’線断面構成説明図、同図（Ｃ）はそのＹ−
Ｙ’線断面構成説明図である。

Ｓｔ基板ｌ°上と基板裏面及び側面に薄膜絶縁層２′を
形成しかつＳｉ基板ビ裏面の薄膜絶縁層２°はダイヤフ
ラム形成に必要なパターンに応じ異方性エツチングのマ
スクとして所定の形状、寸法にてエツチングしておき、
薄膜絶縁層２゛の形成されていないＳｉ基板ビ裏面中央
より異方性エツチングを行うことにより、Ｓｉ基板ビの
中央部が薄くなりＳｉ基板ｌ°の表面に被着された薄膜
絶縁層とＳｉ基板材料の２層措造よりなるダイヤフラム
部１３°が形成される。このダイヤフラム部１３°上に
所定形状（第２図に示したものと同様なミアンダリング
構造）及び寸法にパターン化されたＮｉ薄膜よりなる感
応膜４′を配設し、さらに感応膜上に保護膜を形成して
ダイヤフラム１３°構造の素子を得る。

ダイヤフラム部１３′の基板材料にストップ層を形成す
る手段としては、予めＢ等を高濃度にドープすることに
より得ている。従ってダイヤフラムはこのＢドープされ
た基板材料と絶縁層の２層によって形成されている。ま
た、ダイヤフラム部１３°の基板材料の厚みは必ずしも
Ｂ等をドープすることで制御する必要はなく、異方性エ
ツチングの時間のみによって制御することも可能であり
、さらには、この部分の基板材料をすべてエツチングし
、絶縁層のみによりダイヤフラムを形成する構造であっ
ても良い。

この様にして得られるダイヤフラム型の感湿素子は、従
来の熱伝導式の感湿素子に比較して、感応膜の熱絶縁す
なわち素子の熱容量低減に関しては飛躍的な向上が得ら
れるものの、ブリッジあるいはカンチレバー型の素子と
比較すると応答特性の面で若干劣る。しかし、ダイヤフ
ラム部の機械的強度を考えるとブリッジあるいはカンチ
レバー型に比較して有利であり、従って、高感度、高速
応答、低消費電力を有し、機械的強度を要求される使用
環境への適用に有益である。

実施例３ 実施例Ｉと同様にして形成される感湿素子構造を、さら
にその水蒸気検知を高精度にするため、水蒸気検知特性
（感湿特性）の雰囲気温度依存性を低減させる構造を有
するこの発明の湿度センサについて説明する。

第５図は、この発明の湿度センサの一実施例の構成説明
図であり、同図（Ａ）はその斜視図、同図（Ｂ）はその
ｘ−ｘ’線断面構成説明図である。

第５図の湿度センサは、同一特性のマイクロブリッジ素
子（第１図）あるいはカンチレバー素子（第３図）を同
一基板内に作製し、かっ、２つのマイクロブリッジ３．
３あるいはカンチレバー７７を同時にＳｉを異方性エツ
チングして作製した遮蔽体（以降マイクロキャップと呼
ぶ）８で気密封止して−っの素子として構成されている
。但し、水蒸気検出（センサ（以下センサと呼ぶ））側
には水蒸気の出入りが可能な微小孔１１を設け、参照（
リファレンス（以下リファレンスと呼ぶ））側は前述の
通りまったく水蒸気の出入りがない様に気密封止してい
る。こうして得られたセンサ、リファレンスの２つのマ
イクロブリッジ素子あるいはカンチレバー素子のＰｔ抵
抗体及び他の固定抵抗により例えば、第６図に示す構成
のブリッジ回路を組んで出力（ＶＯＩＪ７）を得ること
により雰囲気温度変動等による出力に対するノイズ要因
をキャンセルでき、水蒸気変動による出力のみが高精度
に得られる。すなわち、感湿特性の温度依存性が参照用
素子を用いて補正可能となる。以下には本実施例素子の
マイクロキャップ作製プロセス及びセンサ素子、リファ
レンス素子とマイクロキャップとの接合法等について詳
細に述べる。

まず、センサ、リファレンス素子（本体素子（以下本体
素子と呼ぶ））の作製に関しては、前述の第１．３図の
素子作製の通りで２つのマイクロブリッジ素子あるいは
カンチレバー素子を１ユニツト（１体）として１つの本
体素子とする。次にマイクロキャップ８の作製であるが
、熱酸化により基板全面にＳ’ｒＯｔ膜を形成したＳｉ
基板にエツチングによりマイクロキャップの２つの空′
Ａ（四部）９、ｌＯ及びセンサ側の水蒸気の出入り可能
な微小孔１１が形成できる様に、基板の表裏面にホトリ
ソグラフィー技術と化学エツチングあるいはドライエツ
チング技術によりＳｉＯ！ｌ１ｆｆｉをエツチングしパ
ターン化する。この後Ｓｉｎ、のエツチングにより露出
したＳｉ部を本体素子と同様、Ｆ、Ｐ、Ｗ、、Ｋ　ＯＨ
等のアルカリ溶液にて異方性エツチングしてマイクロキ
ャップ８を得る。最後にこうして得られたマイクロキャ
ップと本体素子の接合を行い感湿素子が作製される（第
５図）。具体的な接合は低融点ガラス等の接合媒体１２
を用いて行う。

すなわち、マイクロキャップの接合パターン部にスクリ
ーン印刷法あるいは塗布法等により低融点ガラス１２を
パターン形成し、これを本体素子と位置合わせし極低湿
雰囲気の炉内で焼成接合する。

こうして、接合の完了した素子を通常（公知）のＴＯパ
ッケージ等に搭載し、パッド部６にワイヤーボンディン
グして最終的な素子を得る。また、以上の作製プロセス
の説明は単一素子について述べて来たが、実際の素子作
製では接合プロセスまでを本体素子、マイクロキャップ
とも複数個を同時形成可能なウェハ単位にて作製し、接
合後２枚のウェハを同時にダイシングにより分割して単
一の素子とする工程をとり量産性の向上、コストの低減
を図っている。

この素子を用い、第６図のブリッジ回路を用いて水蒸気
量の変化を高精度に検出できる。以下には動作機構を述
べる。センナ側ｐｔ抵抗体（Ｒ１（＝Ｒ１１））１８と
リファレンス側Ｐｔ抵抗体（Ｒパ三＝Ｒｒ））１９を直
列に接続し、それぞれのＰＬ抵抗体が約３００℃に自己
発熱する様に通電する。この際電流１１限抵抗（ＲＬ）
１７を付加し、過電流の通電を防止し、１Ｎ！２０．Ｒ
，２１Ｊこ適当な固定抵抗を接続し、計測前のＶｏｕｙ
２２の初期出力を基準レベルとなる様に調整する。従っ
てＲ，２１には可変抵抗を用いることが望ましい。この
状態で雰囲気の水蒸気量が変化すると、水蒸気の影響を
受けるセンサ側のＰｔ抵抗体１８の発熱温度が変化し、
従ってセンサ側の抵抗値のみが変化することによりブリ
ッジ回路のバランスが崩れ、Ｖ　０ＬＩＴ部２２に水蒸
気量に応じた電圧出力が得られる。一方、雰囲気温度が
変化した場合は、センサ側、リファレンス側が同一の発
熱温度変動を受け、よって共に抵抗値変動は生ずるが変
動量が一致しているためにＶｏｕＴ部２２の出力は基準
レベルのままで出力変動は認められず、感湿特性の温度
依存性を補正により大幅に低減し高精度な検出ができ、
従来のパッケージ封止タイプより感湿信号のＳ／Ｎにも
優れ、増幅して高出力を得ることにも適している。

比較例 第９図に同一湿度条件における感湿出力（感度）比較を
示す。これは、雰囲気温度４０℃で絶対湿度を変化させ
た際の特性を示したものである。動作回路としては第６
図に示す公知のブリッジ回路を用い、この発明によるＰ
ｔ薄膜を感応膜としたマイクロブリッジタイプ＆、Ｎｉ
簿膜を感応膜としたマイクロブリッジタイプ＆、薄膜サ
ーミスタ材料１５を感応膜としたマイクロブリッジタイ
プｂ（第８図）、２個のビート型サーミスタ１４を用い
たタイプＣ（第７図）の４種類の素子について特性比較
を実施し、この発明のａ、ａ’タイプ素子が従来のす、
ｃそれぞれのタイプの素子に比較して２倍、８倍の高感
度特性を得ている。

また、素子の動作温度に関しては後述する信頼性の確保
された温度にてそれぞれ動作し、ａ、ａ：約３００℃、
ｂ：約１５０℃、Ｃ：約２００℃である。

次に、前記ａ、ｃタイプの感湿応答速度について特性比
較したものを第１０図に示す。動作回路、動作温度に関
しては感度比較（第９図）と同様の条件であり、４０℃
において雰囲気湿度を１０ｆＦ／＋’−３５ｇ／ｓ’へ
と急峻に変化させた際の回路出力の応答特性であり、１
は約５ｓｅｃＳｃは約５０ｓｅｃと本発明のＣタイプ素
子は従来のＣタイプ素子に比較して約１０倍の応答速度
を有する。また、素子の消費電力もＣタイプが数１０ｈ
Ｗであるのに対してＣタイプは数１ｋＷと小さく大幅な
低消費電力化をも達成している。

さらに、信頼性としてＰｔ薄膜とサーミスタ薄膜それぞ
れの高温安定性を比較する。第２図はａ、ｂタイプの素
子を室温において通電によりそれぞれ約４００℃、約２
００℃に自己発熱させて放置した際の経時特性を評価温
度Ｏ℃における抵抗値（ｎｏ）の初期値に対する変化率
として示したものである。サーミスタ薄膜ｂタイプの素
子ではＲｏ（抵抗値）が上昇傾向で変化が大きいのに対
し、この発明のＰｔ薄膜素子Ｃタイプ素子ではＲＯ（抵
抗値）が極めて安定で信頼性に優れている。

以上この発明の絶縁層マイクロブリッジ、カンチレバー
あるいはダイヤフラム上にＰｔ薄膜を形成した感湿素子
は長期信頼性に優れ、従来にない低消費電力、高速応答
かつ高感度特性を有する。

（へ）発明の効果 この発明に係る感湿素子構造は、以下に示す実用上極め
て有益な特性を有する。

（１）熱伝導式の絶対湿度センサに応用でき水蒸気量を
直接検知可能であり、特に検出雰囲気の温度が急激な変
化を伴う様な場合の湿度計測に際して相対湿度検知より
有利となる。

（２）マイクロブリッジ、カンチレバーあるいはダイヤ
フラム構造を用いた素子構成であるため感応膜の熱絶縁
に優れ、すなわち、素子の熱容量を極力低減し、かつ感
応膜としてＰｔ、Ｎｉ等の化学的・熱的に安定で抵抗温
度係数の大きい材料の薄膜を用いることで、従来にない
安定性及び水蒸気検出の高感度化、高速応答性、低消費
電力化を達成できる。

（３）物理的手法により水蒸気を検出するため、素子表
面の汚染等に対して安定であり良好な耐環境性を有する
ものとなる。

（４）素子の作製が通常の半導体プロセスあるいはその
応用プロセスにてバッチ処理（ウェハ処理）可能であり
再現性、互換性に優れており、また安価な素子とするこ
とができる。

以上詳述した如くこの発明の感湿素子構造は絶対湿度の
検出に有効であり、安価に作製できるとともに良好なる
耐環境性を有し、大幅な熱容量の低減を図った素子構造
により、高感度な検出感度、高速応答性さらには低消費
電力動作等多くの優れた特性を有し、多方面への応用に
適し、感湿素子または湿度センサとして実用上極めて有
益であり、ことに電子レンジにおける食品仕上がりセン
サ等としての応用に適した感湿素子を提供するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の感湿素子構造の一実施例の構成説明
図、第２図はこの発明の感湿素子構造における感応膜の
一実施例のパターンニング形状を模式的に示す斜視図、
第３図、第４図はこの発明の感湿素子構造の他の実施例
の構成説明図、第５図はこの発明の湿度センサの一実施
例の構成説明図、第６図はこの発明の湿度センサの動作
回路の一例を示す回路図、第７図は従来例のビード型サ
ーミスタを用いた感湿素子の構成説明図、第８図は従来
例の薄膜サーミスタを用いたマイクロブリッジ型感湿素
子の構成説明図、第９図はこの発明の感湿素子構造と従
来の感湿素子構造との湿度感度の比較説明図、第１０図
はこの発明の感湿素子構造と従来の感湿素子構造の感湿
応答速度の比較説明図、第１１図はこの発明の感湿素子
構造と従来の感湿素子構造との経時安定性の比較説明図
である。 １・・・・・・基板、　　　　　　２・・・・・・下部
絶縁層、３・・・・・・マイクロブリッジ、４・・・・
・・感応膜、５・・・・・・上部絶縁層、　　　　６・
・・・・・パッド部、７・・・・・・カンチレバー ８・・・・・・マイクロキャップ、 ９・・・・・・センサ側空洞、 １０・・・・・・リファレンス側空洞、！・・・・・・
センサ側細孔、 ２・・・・・・接合媒体、　　　１３・・・・・・ダイ
ヤフラム、４・・・・・・ビード型サーミスタ、 ５・・・・・・薄膜サーミスタ、１６・・・・・・電極
、７・・・・・・電流制限抵抗、　　１８・・・・・・
センサ抵抗、９・・・・・・リファレンス抵抗、 ２０・・・・・・固定抵抗、２１・・・・・・可変抵抗
、２２・・・・・・回路出力部。 第１図 （Ａ） 第４図 （Ａ） （Ｂ） （Ｃ） １３゛ 弔２図 第３図 第５図 蔦６図 ３゜ 絶　交ｉ　　浬　ａ　　（９／ｒｎ３）第８図 （Ａ） （Ｂ） 第１０図 時間（ｍｉｎ） １１１４ｒＪ’ｌ（ｍｉｎ）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 　１．凹部を有する基板の該凹部上に、抵抗温度係数の
   大きい金属材料が所定の抵抗値を有する形状にパターン
   形成された感応膜及びこれを被覆する耐熱性絶縁膜から
   なる発熱膜体が支持されてなり、 上記発熱膜体周囲雰囲気の水蒸気重の変化を、該発熱膜
   体の放散熱量変化に伴う抵抗値変化として出力しうるよ
   う構成されてなる感湿素子構造。
2. 　２．請求項１の感湿素子構造を少なくとも２つ備え、
   これらの素子構造の各発熱膜体はそれぞれ略同体積の空
   間を有する遮蔽体により封止されてなり、このうち参照
   側素子構造の封止空間内には所定量の水蒸気を含有し又
   は乾燥状態とし、検出側素子構造の封止空間は外部と連
   通するよう構成され、これらの素子構造間の抵抗値変化
   に基づく出力により、検出側封止空間内の水蒸気量を検
   出しうる湿度センサ。