JPH09119913A - マイクロキャップ及び湿度センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン基板を用いた湿度センサにおいて、
熱安定特性が悪かった。 【解決手段】 基板１に設けられたマイクロブリッジ３
にリファレンス側空洞１０とセンサ側空洞９及びセンサ
側細孔１１とを有するマイクロキャップ８を低融点ガラ
スの接合媒体１２で固着している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシニン
グ技術を適用したマイクロキャップ及び湿度センサに関
する。

【０００２】

【従来の技術】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が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（Ｆｅ₂Ｏ₃，Ｆｅ₃Ｏ₄）、酸
化錫（ＳｎＯ₂）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、塩化リチ
ウム（ＬｉＣｌ）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。

【０００３】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ては温度変化に相
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。

【０００４】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。

【０００５】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減衰や赤外線の
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
蒸気の少量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がかりでありコストもかなり高いも
のとなる。また、図７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。

【０００６】さらに、熱伝導式の絶対湿度センサとして
は図８に示す様に、マイクロマシニング技術を駆使し、
Ｓｉからなる基板１に薄い絶縁層２からなるマイクロブ
リッジ３上にサーミスタ材料を用いた感応膜１５と電極
１６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、図７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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記サーミス
タ材料を用いた感応膜１５では、サ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１６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。

【０００８】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マイクロキャップ及
び湿度センサを提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のマイクロキャッ
プは、第１の凹部及び第２の凹部が半導体基板の一方面
側に設けられ、第１の凹部の開口が上記半導体基板の一
方面から他方面に進行するにつれ狭小になると共に、上
記半導体基板の他方面と連通していることを特徴とす
る。

【００１０】本発明の湿度センサは、半導体基板上に検
出側感応膜と参照側感応膜とが設けられた湿度センサに
おいて、上記マイクロキャップの第１の凹部を上記検出
側感応膜に、第２の凹部を上記参照側感応膜に、それぞ
れ対応させて封止されたことを特徴とする。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明のマイクロキャップを適用
するセンサとして、例えば湿度センサがある。この湿度
センサは、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マイク
ロキャップ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す
る。

【００１２】この感湿素子構造は、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１、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。

【００１３】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。

【００１４】ｑ＝ｈ（Ｔ−Ｔ₀）Ａ ［ｑ：放散熱量（ｋｃａｌ／ｈ），Ｔ：素子温度
（℃），Ａ：素子表面積（ｍ²），ｈ：熱伝導率（ｋｃ
ａｌ／ｍ・ｈ・℃），Ｔ₀：雰囲気温度（℃）］ このうち、水蒸気量変動によって変化するのは熱伝導率
ｈ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量ｑを多く取るためには、
（Ｔ−Ｔ₀）を増加させる、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。

【００１５】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。

【００１６】こ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、凹部を有する構造のものが
用いられる。

【００１７】こ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被
覆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頼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。

【００１８】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。

【００１９】こ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。この支持構造は例え
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。

【００２０】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。

【００２１】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でき
る。この場合１つの感湿素子構造は、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。一方
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する構成にされる。
上記リファレンス側及び検出側感湿素子構造の封止は、
封止用のマイクロキャップを作製し、このマイクロキャ
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。上記マイクロキャップの作製はエッ
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。

【００２２】こ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、両発熱体の熱放散状態を極力一致させ、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。

【００２３】また、検出側の封止では、マイクロキャッ
プの開口が半導体基板内に進行するにつれ狭小にしてい
るので、検出側感応膜と参照側感応膜の熱放散状態を、
より一致させることができる。

【００２４】この湿度センサは、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。

【００２５】この湿度センサによれば、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量が検
出されることとなる。

【００２６】以下実施例によりこの発明を詳細に説明す
るが、これによりこの発明は限定されるものではない。

【００２７】

【実施例】図１は感湿素子構造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。図１に示すごとく、Ｓｉ基板１上
にブリッジ形状の薄膜絶縁層２を形成した後、基板１で
あるＳｉの結晶軸異方性エッチングを行うことにより絶
縁層ブリッジ部下のエッチングにて基板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薄い絶縁層５を積層
している。

【００２８】以下に図１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ッチ
ングの速度が異なるＳｉ基板１上に、マイクロブリッジ
３の下層となるＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄またはＡｌ₂Ｏ₃等の
薄い絶縁層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エッチング時におけるエッチピットの発
生防止を考え、ＳｉＯ₂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ＳｉＯ₂を形成
し、後のＳｉエッ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ＳｉＯ₂膜上に
Ａｌ₂Ｏ₃膜をスパッタ法あるいは陽極酸化法にて積層形
成し、Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂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、ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄またはＡｌ₂
Ｏ₃膜の単層膜構造であっても良い。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も有用であり、その場合は基板の
ブリッジ部表面に予めＢ（ボロン）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ッチ
ング（化学エッチング）時のストップ層として利用すれ
ば結果として絶縁層とＳｉ（Ｂドープ）材料からなるブ
リッジが形成できる。

【００２９】次に、絶縁層２上に抵抗温度係数の大きい
材料であるＰｔ，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エッチングにより絶
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ッチング法もしくは化学エッチング
法にて所定の抵抗値となる様にパターン化して感応膜４
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を用いドライエッチング法によりエッチ
ングし、図２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Ｓｉエッ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、陽極酸化
法、ＣＶＤ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Ａｌ₂Ｏ₃膜をスパ
ッタ法により形成している。

【００３０】以上の工程の後、下部絶縁層２下の基板Ｓ
ｉの一部をエッチングにより除き、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ッチ
ング技術及びドライエッチング技術を用いてエッチング
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ッチング
し、パッド部の形成を行う。エッチングの具体的手法と
してはＡｌ₂Ｏ₃膜はリン酸溶液を用いた化学エッチン
グ、ＳｉＯ₂は膜厚により化学エッチングとドライエッ
チングを使い分けて行う。また、パッド部で上層のＡｌ
₂Ｏ₃膜をエッチングした後に感応膜のＰｔ膜が露出し、
他の部分での下部絶縁層（Ａｌ₂Ｏ₃／ＳｉＯ₂）エッチ
ング時の影響が懸念されるが、Ｐｔ膜はＡｌ₂Ｏ₃膜、Ｓ
ｉＯ₂膜のどちらのエッチング手法に対してもほとんど
エッ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ッ
チングすることにより優先結晶軸方向のＳｉのエッチン
グが進行して行き、すなわち、結晶軸異方性エッチング
によりブリッジ形状にパターン化された絶縁層下のＳｉ
がエッチング除去され感応膜４と上下の絶縁層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Ｓｉ₃Ｎ₄膜を用いることも有効であり、Ａｌ₂Ｏ₃膜
と同等の特性を有する。なお、異方性エッチングのマス
クとしては上下の絶縁層を用い、（１００）Ｓｉ基板で
（１１１）面が露出したところでエッチングはストップ
し、またエッチング深さは時間によって制御している。
さらに、感湿素子構造の他の構成説明図を図３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の絶縁層２，
５及び感応膜４のパターンニング形状でカンチレバー７
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、一層熱絶縁に優れた素子を作製でき
る。

【００３１】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）（図２の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。

【００３２】図４は、この感湿素子構造の他の構成説明
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。Ｓｉ基板１’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１’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
に応じ異方性エッチングのマスクとして所定の形状、寸
法にてエッチングしておき、薄膜絶縁層２’の形成され
ていないＳｉ基板１’裏面中央より異方性エッチングを
行うことにより、Ｓｉ基板１’の中央部が薄くなりＳｉ
基板１’の表面に被着された薄膜絶縁層とＳｉ基板材料
の２層構造よりなるダイヤフラム１３’が形成される。
このダイヤフラム１３’上に所定形状（図２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’の構造の
素子を得る。

【００３３】ダイヤフラム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、
異方性エッ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ッ
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。

【００３４】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。

【００３５】次に、図１の感湿素子構造を、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。

【００３６】図５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。

【００３７】図５の湿度センサは、同一特性のマイクロ
ブリッジ素子（図１）あるいはカンチレバー素子（図
３）を同一基板内に作製し、かつ、２つのマイクロブリ
ッジ３，３あるいはカンチレバー７，７を同時にＳｉを
異方性エッチングして作製したマイクロキャップ８で気
密封止して一つ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、図６に示す構成のブリッジ回
路を組んで出力（Ｖ_OUT）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。

【００３８】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
図１，図３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ユニット（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ＳｉＯ₂膜を形
成したＳｉ基板にエッチングによりマイクロキャップの
２つの空洞（凹部）９，１０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ッチングあるいはド
ライエッチング技術によりＳｉＯ₂膜をエッチングしパ
ターン化する。この後ＳｉＯ₂のエッチングにより露出
したＳｉ部を本体素子と同様、Ｅ．Ｐ．Ｗ．、ＫＯＨ等
のアルカリ溶液にて異方性エッ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（図
５）。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、図６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。センサ側Ｐｔ抵抗体（Ｒ₁（≡Ｒｓ））１８とリ
ファレンス側Ｐｔ抵抗体（Ｒ₂（≡≡Ｒｒ））１９を直
列に接続し、それぞれのＰｔ抵抗体が約３００℃に自己
発熱する様に通電する。この際電流制限抵抗（Ｒ_L）１
７を付加し、過電流の通電を防止し、Ｒ₃２０，Ｒ₄２１
に適当な固定抵抗を接続し、計測前のＶ_OUT２２の初期
出力を基準レベルとなる様に調整する。従ってＲ₄２１
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_OUT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Ｖ_OUT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。

【００３９】（比較例）図９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。
動作回路としては図６に示す公知のブリッジ回路を用
い、この発明によるＰｔ薄膜を感応膜としたマイクロブ
リッジタイプａ、Ｎｉ薄膜を感応膜としたマイクロブリ
ッジタイプａ′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（図８）、２個のビート型サ
ーミスタ１４を用いたタイプｃ（図７）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ｂ，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。

【００４０】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図１０に示す。動作回路、動作温度
に関しては感度比較（図９）と同様の条件であり、４０
℃において雰囲気湿度を１０ｇ／ｍ³→３５ｇ／ｍ³へと
急峻に変化させた際の回路出力の応答特性であり、ａは
約５ｓｅｃ、ｃは約５０ｓｅｃと本発明のａ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１００ｍ
Ｗであるのに対してａタイプは数１０ｍＷと小さく大幅
な低消費電力化をも達成している。

【００４１】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。図１１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４
００℃、約２００℃に自己発熱させて放置した際の経時
特性を評価温度０℃における抵抗値（Ｒ₀）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Ｒ₀（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ａタイプ素子
ではＲ₀（抵抗値）が極めて安定で信頼性に優れてい
る。

【００４２】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。

【００４３】また、本発明の湿度センサに用いる感湿素
子構造は、以下に示す実用上極めて有益な特性を有す
る。

【００４４】（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。

【００４５】（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。

【００４６】（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。

【００４７】（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。

【００４８】以上詳述した如く、こ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、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湿度センサを提供するものである。

【００４９】

【発明の効果】本発明のマイクロキャップによれば、広
くマイクロマシニング技術を適用した検出側と参照側と
を有するセンサに用いることができ、検出側と参照側と
の熱拡散状態をより一致させることができるので、セン
サを安価に作製できると共に、センサの大幅な熱容量の
低減、高感度、高速応答性、長期安定性、及び低消費電
力動作を実現することができる。

【００５０】本発明の湿度センサによれば、絶対湿度の
検出において、湿度センサを安価に作製できると共に、
湿度センサの大幅な熱容量の低減、高感度、高速応答
性、長期安定性、及び低消費電力動作を実現することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】感湿素子構造の構成説明図である。

【図２】感湿素子構造における感応膜のパターンニング
形状を模式的に示す斜視図である。

【図３】他の感湿素子構造の構成説明図である。

【図４】さらに他の感湿素子構造の構成説明図である。

【図５】湿度センサの構成説明図である。

【図６】湿度センサの動作回路例を示す回路図である。

【図７】従来のビード型サーミスタを用いた感湿素子の
構成説明図である。

【図８】従来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である。

【図９】感湿素子構造の違いによる湿度感度の比較説明
図である。

【図１０】感湿素子構造の違いによる感湿応答速度の比
較説明図である。

【図１１】感湿素子構造の違いによる経時安定性の比較
説明図である。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 絶縁層 ３ マイクロブリッジ ４ 感応膜 ５ 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 空洞（センサ側） １０ 空洞（リファレンス側） １１ 微少孔 １２ 接合媒体 １３′ ダイヤフラム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 実▲吉▼ 秀治 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 井波 靖彦 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内 (72)発明者 橋爪 信郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シ ャープ株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の凹部及び第２の凹部が半導体基板
   の一方面側に設けられ、第１の凹部の開口が上記半導体
   基板の一方面から他方面に進行するにつれ狭小になると
   共に、上記半導体基板の他方面と連通していることを特
   徴とするマイクロキャップ。
2. 【請求項２】 半導体基板上に検出側感応膜と参照側感
   応膜とが設けられた湿度センサにおいて、 請求項１に記載のマイクロキャップの第１の凹部を上記
   検出側感応膜に、第２の凹部を上記参照側感応膜に、そ
   れぞれ対応させて封止されたことを特徴とする湿度セン
   サ。