容量式湿度センサ
【課題】検出容量素子と参照容量素子が基板上の同一面に形成され、参照容量素子も感湿膜を有する容量式湿度センサにおいて、感度を高めつつ体格を小型化する。
【解決手段】検出容量素子３１と参照容量素子３２において、検出用電極３３ａ，３３ｂと参照用電極３４ａ，３４ｂは、基板２０上の同一面２０ａに配置され、同じ構成材料により同じ幅及び厚さを有して形成される。検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂは、同じ構成材料により同じ厚さを有して形成される。各容量素子３１，３２の０％ＲＨでの容量値Ｃ１に対する１００％ＲＨでの容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１を、容量値の湿度変化に対する傾きとすると、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒは検出容量素子３１の電極間隔ｄｍ及び比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭く、且つ、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも比Ｃ２／Ｃ１が大きくなるように、電極間隔ｄｍ，ｄｒが設定される。
【解決手段】検出容量素子３１と参照容量素子３２において、検出用電極３３ａ，３３ｂと参照用電極３４ａ，３４ｂは、基板２０上の同一面２０ａに配置され、同じ構成材料により同じ幅及び厚さを有して形成される。検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂは、同じ構成材料により同じ厚さを有して形成される。各容量素子３１，３２の０％ＲＨでの容量値Ｃ１に対する１００％ＲＨでの容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１を、容量値の湿度変化に対する傾きとすると、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒは検出容量素子３１の電極間隔ｄｍ及び比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭く、且つ、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも比Ｃ２／Ｃ１が大きくなるように、電極間隔ｄｍ，ｄｒが設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共通の基板に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出容量素子と、容量値の湿度変化に対する傾きが検出容量素子と異なる参照容量素子と、が形成された容量式湿度センサに関する。特に検出容量素子と参照容量素子が基板上の同一面に形成され、検出容量素子だけでなく参照容量素子も感湿膜を有する容量式湿度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
共通の基板に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出容量素子と、容量値の湿度変化に対する傾き（以下、単に傾きとも示す）が検出容量素子と異なる参照容量素子と、が形成された容量式湿度センサとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。
【０００３】
特許文献１において、検出容量素子（第１センサ素子）は、基板上の同一面において対向配置された一対の検出用電極（櫛歯状電極）と、該検出用電極を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する検出用感湿膜（感湿膜）と、を有している。参照容量素子（第２センサ素子）は、検出用電極の配置面（上記同一面）において対向配置された一対の参照用電極（櫛歯状電極）と、該参照用電極を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する参照用感湿膜（感湿膜）と、を有している。特許文献１では参照用感湿膜が検出用感湿膜と一体化されて１つの感湿膜をなしており、この感湿膜が基板上の同一面に配置された検出用電極と参照用電極とを一体的に覆っている。
【０００４】
このように、感湿膜（参照用感湿膜）によって参照用電極が保護されているため、参照容量素子が感湿膜を有さない構成に較べて、高温多湿な環境下においても、参照用電極が劣化して参照容量素子の容量値が変動するのを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１３３１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
容量式湿度センサでは、検出容量素子と参照容量素子との容量差が周知のＣＶ変換回路により電圧値に変換され、この電圧値に基づいて雰囲気の相対湿度が検出される。このため、特許文献１の図２に示される検出容量素子の傾きと参照容量素子の傾きについて、これら傾きの差を大きくするほど、湿度変化に対する容量値の差の変化量が大きくなる。すなわち容量式湿度センサの感度を高めることができる。
【０００７】
特許文献１では、参照容量素子にも感湿膜（参照用感湿膜）を設けているため、参照容量素子の容量値も相対湿度に応じて変化する。このため、容量式湿度センサの感度は、参照容量素子が感湿膜を有さない構成（特許文献１の図５）に較べて低くなる。したがって、感度の観点から、参照容量素子の傾き、換言すれば相対湿度０％のときの容量値Ｃ１に対する相対湿度１００％のときの容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１、をできるだけ小さくする（１に近づける）ことが好ましい。なお、検出容量素子の傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）をより大きくすることで感度を高めることも考えられるが、この場合、検出容量素子、ひいては容量式湿度センサの体格が増大してしまう。
【０００８】
ところで、電極間隔と傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）とは、所定の電極間隔で傾き最大となり、この所定間隔までは電極間隔の増加にともなって傾きが増加し、所定間隔を越えると傾きが減少する関係を示す。なお、その詳細については、発明を実施する形態で説明する。
【０００９】
感湿膜自体の比誘電率は湿度に応じて変化しないが、水分の吸着量により、水分を含む感湿膜全体の比誘電率が変化する。このため、電極間に形成される容量に対して感湿膜の影響が大きいほど、容量値の湿度変化に対する傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）は大きくなる。各容量素子（検出容量素子及び参照容量素子）の容量は、対向配置された一対の電極（検出用電極及び参照用電極）において、対向面間に形成される対向容量と、基板と対向する下面間及び該下面と反対の上面間をそれぞれ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。この容量成分のうち、特に上面間を回り込むフリンジ容量は、一般的に電極の厚さ（対向面の高さ）よりも電極の幅（上面の長さ）のほうが広い、上面間を回りこむことで介在される感湿膜が多いため、感湿膜の影響を大きく受ける。上記したように、電極間隔の増加にともない、所定間隔まで傾きが増加するのは、電極間隔が狭いと対向容量の影響が大きく（換言すれば感湿膜の影響が小さく）、電極間隔の増加にともないフリンジ容量の影響が大きく（換言すれば感湿膜の影響が大きく）なるためである。
【００１０】
特許文献１の図１では、参照容量素子の電極間隔を検出容量素子の電極間隔よりも広くしている。このため、検出容量素子の傾きと参照容量素子の傾きの差を大きくして感度を高めようとすると、上記した電極間隔と傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）との関係から、参照容量素子の電極間隔を、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）が最大となる間隔よりも広く、且つ、検出容量素子の傾きとの差が大きくなるような間隔に設定しなければならない。したがって、参照容量素子、ひいては容量式湿度センサの体格を小型化するのが困難である。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑み、検出容量素子と参照容量素子が基板上の同一面に形成され、参照容量素子も感湿膜を有する容量式湿度センサにおいて、感度を高めつつ体格を小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、
共通の基板（２０）に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出容量素子（３１）と、容量値の湿度変化に対する傾きが検出容量素子（３１）と異なる参照容量素子（３２）と、が形成された容量式湿度センサであって、
検出容量素子（３１）は、基板（２０）上の同一面（２０ａ）において対向配置された一対の検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と、該検出用電極（３３ａ，３３ｂ）を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する検出用感湿膜（３５ａ）と、を有し、
参照容量素子（３２）は、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）の配置面（２０ａ）において対向配置された一対の参照用電極（３４ａ，３４ｂ）と、該参照用電極（３４ａ，３４ｂ）を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する参照用感湿膜（３５ｂ）と、を有している。
【００１３】
そして、検出用感湿膜（３５ａ）と参照用感湿膜（３５ｂ）は、同じ構成材料により同じ厚さを有して形成されており、
検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と参照用電極（３４ａ，３４ｂ）は、同じ構成材料により同じ幅及び同じ厚さを有して形成されるとともに、
各容量素子（３１，３２）の相対湿度０％での容量値（Ｃ１）に対する相対湿度１００％での容量値（Ｃ２）の比（Ｃ２／Ｃ１）を前記傾きとすると、
参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）は、検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭く、且つ、容量値の比Ｃ２／Ｃ１は、検出容量素子（３１）が参照容量素子（３２）よりも大きい、との関係を満たして、電極間隔（ｄｒ，ｄｍ）が設定されていることを特徴とする。
【００１４】
先ず、各容量素子について、容量値の比Ｃ２／Ｃ１を説明する。検出容量素子（３１）の容量値の比（Ｃ２／Ｃ１）は、次式で示すことができる。
（数１）
Ｃ２／Ｃ１＝（ε２・ε０・Ｓｍ／ｄｍ）／（ε１・ε０・Ｓｍ／ｄｍ）＝ε２／ε１
なお、ε０は真空の誘電率、ε１は検出容量素子（３１）を構成する誘電体の相対湿度０％のときの比誘電率、ε２は同誘電体の相対湿度１００％のときの比誘電率、Ｓｍは検出用電極（３３ａ，３３ｂ）間の対向面積である。
【００１５】
一方参照容量素子（３２）の容量値の比（Ｃ２／Ｃ１）は、次式で示すことができる。
（数２）
Ｃ２／Ｃ１＝（ε４・ε０・Ｓｒ／ｄｒ）／（ε３・ε０・Ｓｒ／ｄｒ）＝ε４／ε３
なお、ε３は参照容量素子（３２）を構成する誘電体の相対湿度０％のときの比誘電率、ε４は同誘電体の相対湿度１００％のときの比誘電率、Ｓｒは参照用電極（３４ａ，３４ｂ）間の対向面積である。
【００１６】
本発明では、検出用感湿膜（３５ａ）と参照用感湿膜（３５ｂ）が同じ構成材料により同じ厚さを有して形成され、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と参照用電極（３４ａ，３４ｂ）が同じ構成材料により同じ幅及び同じ厚さを有して形成されている。これにより、数式１，２において、ε１＝ε３、ε２＝ε４となり、検出容量素子（３１）と参照容量素子（３２）とで、容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）と電極間隔との関係が共通（同じ）となる。したがって、お互いの電極間隔（ｄｍ，ｄｒ）により、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の大小関係が決定される。
【００１７】
そして、本発明では、検出容量素子（３１）のほうが容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）が大きくなるように電極間隔（ｄｍ，ｄｒ）が設定されるため、容量式湿度センサの感度を高めることができる。また、参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）を、検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭くするため、参照容量素子（３２）の体格、ひいては容量式湿度センサ（１０）の体格を小型化することができる。
【００１８】
このように本発明によれば、検出容量素子（３１）と参照容量素子（３２）が基板（２０）上の同一面（２０ａ）に形成され、参照容量素子（３２）も感湿膜（３５ｂ）を有する容量式湿度センサ（１０）において、感度を高めつつ従来よりも体格を小型化することができる。
【００１９】
請求項２に記載のように、検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）を、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔以下とすると良い。これによれば、検出容量素子（３１）の体格を小型化し、ひいては容量式湿度センサ（１０）の体格をより小型化することができる。
【００２０】
より好ましくは、請求項３に記載のように、検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）を、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔とすると良い。これによれば、検出容量素子（３１）の傾きが最大となるため、検出容量素子（３１）と参照容量素子（３２）の傾きの差をより大きくすることができる。すなわち、容量式湿度センサ（１０）の感度をより高めることができる。
【００２１】
請求項４に記載のように、水分による腐食から各電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）を保護するための保護膜（３６）が、各電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）を覆って配置され、
検出用感湿膜（３５ａ）及び参照用感湿膜（３５ｂ）は、保護膜（３６）上に形成されると良い。
【００２２】
これによれば、参照用感湿膜（３５ｂ）と保護膜（３６）とにより、参照用電極（３４ａ，３４ｂ）の腐食を効果的に抑制することができる。また、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）についても、その腐食を効果的に抑制することができる。
【００２３】
また、保護膜（３６）を有さず、電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）に接して感湿膜（３５ａ，３５ｂ）が配置される構成に較べて、電極間隔による傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）の変化幅を大きくすることができる。このため、検出容量素子（３１）の傾きと参照容量素子（３２）の傾きの差を大きくすることができる。
【００２４】
請求項５に記載のように、参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）及び検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）を、保護膜（３６）の厚さと電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）の厚さとの和以上とすることが好ましい。
【００２５】
電極間隔（ｄｒ，ｄｍ）が狭いと、電極間の部分に対応して保護膜（３６）に形成される溝部（３６ａ）の開口幅が狭くなり、この溝部（３６ａ）に位置する感湿膜（３５ａ，３５ｂ）に吸着された水分が蒸発しにくい。このため、相対湿度の上昇時と低下時とで、同じ相対湿度でも容量値に差、すなわちヒステリシスが生じる。
【００２６】
これに対し、本発明では、電極間隔（ｄｒ，ｄｍ）を保護膜（３６）の厚さと電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）の厚さとの和以上とする。これにより、電極間の部分に対応して保護膜（３６）に形成される溝部（３６ａ）の開口幅を、溝部（３６ａ）内に位置する感湿膜（３５ａ，３５ｂ）に吸着された水分が蒸発するために十分な広さとすることができる。このため、上記ヒステリシスを低減することができる。
【００２７】
請求項６に記載のように、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）及び参照用電極（３４ａ，３４ｂ）は、それぞれ櫛歯形状をなしていることが好ましい。これによれば、一対の検出用電極（３３ａ，３３ｂ）の対向面積、及び、一対の参照用電極（３４ａ，３４ｂ）の対向面積を大きくすることができるため、容量湿度センサの感度をより高めることができる。
【００２８】
請求項７に記載のように、検出用感湿膜（３５ａ）と参照用感湿膜（３５ｂ）は、１つの感湿膜（３５）として一体的に形成されても良い。これによれば、構成を簡素化することができる。また、１つの感湿膜（３５）として基板（２０）との接着面積が増加することとなるので、検出用感湿膜（３５ａ）と参照用感湿膜（３５ｂ）とを別体とする構成に較べて、剥離しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態の容量式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。
【図２】本実施形態に係る容量式湿度センサの概略構成を示す平面図である。便宜上、検出用電極、参照用電極、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３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。便宜上、電極の数を減らして図示している。また、パッドにボンディングワイヤが接続され、該パッドが保護ゲルで覆われた状態を示している。
【図４】相対湿度と容量値との関係を示す図である。
【図５】図２において、検出容量素子及び参照容量素子の周辺を拡大した平面図である。便宜上、パッドに接続された配線の一部を省略して図示している。図２同様、検出用電極及び参照用電極を実線で示している。また、感湿膜を破線で示している。
【図６】容量式湿度センサに構成された容量素子と回路チップに構成された処理回路の等価回路の一例を示す図である。
【図７】ＣＶ変換動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】電極間隔と容量値の湿度変化に対する傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）との関係を示す図である。
【図９】対向容量とフリンジ容量を説明するための断面図である。
【図１０】電極間隔と保護膜に形成される溝部の形状との関係を示す断面図であり、（ａ）は電極間隔１．５μｍ、（ｂ）は電極間隔３．０μｍの場合をそれぞれ示している。
【図１１】容量変化量のヒステリシスの大きさとの関係を示す図である。一例として、電極間隔１．５μｍの場合を示している。
【図１２】電極間隔とヒステリシスの大きさとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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、各図において、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、感湿膜及びダム部にハッチングを施している。
【００３１】
図１は、本実施形態の容量式湿度センサ１０を備える湿度検出装置１００である。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に搭載された容量式湿度センサ１０と、アイランド１１２に搭載された回路チップ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を備える。
【００３２】
そして、容量式湿度センサ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１において省略するが、ボンディングワイヤ１１５，１１６及びその接続部位（パッド）は、保護ゲル（図３に示す保護ゲル６０）によって被覆されている。
【００３３】
このように、本実施形態では、容量式湿度センサ１０と、ＣＶ変換回路などが構成された回路チップ１１３とが、別チップとなっている。
【００３４】
次に、容量式湿度センサ１０の構成について説明する。
【００３５】
容量式湿度センサ１０は、所謂センサチップであり、図２及び図３に示すように、同一の基板２０（半導体チップ）に、湿度検出部３０、外部接続端子としてのパッド４０、保護ゲル６０の流動を抑制するダム部５０を備える。なお、保護ゲル６０は、パッド４０にボンディングワイヤ１１５が接続された状態で、パッド４０及びボンディングワイヤ１１５におけるパッド４０との接続部分を被覆するように、基板２０上に配置される。
【００３６】
本実施形態では、基板２０としてシリコン基板を採用しており、この基板２０の一面側表層に、図３に示すように全面にわたって不純物の拡散層２１が形成されている。より詳しくは、拡散層２１がｐ導電型の拡散層２１となっている。この拡散層２１上には絶縁膜２２が形成されており、絶縁膜２２の一部位にコンタクトホール２２ａが形成されている。本実施形態では、絶縁膜２２が、基板２０側からシリコン酸化膜、ＢＰＳＧ膜の順に積層されてなる。
【００３７】
湿度検出部３０，パッド４０，ダム部５０は、この絶縁膜２２上に形成されている。本実施形態では、絶縁膜２２を含む基板２０を基板とみなし、絶縁膜２２における基板２０と反対の面を、基板２０の一面２０ａとする。
【００３８】
湿度検出部３０は、検出容量素子３１と参照容量素子３２を備える。検出容量素子３１及び参照容量素子３２は、ともに相対湿度の変化に応じてその容量値が変化するように構成されており、容量値の湿度変化に対する傾きが互いに異なる。図４に示すように、相対湿度０％での容量値、すなわち初期容量値は、検出容量素子３１（容量Ｃｍ）のほうが参照容量素子３２（容量Ｃｒ）よりも大きい。また、容量値の湿度変化に対する傾きは、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも大きくなっている。
【００３９】
図４に示すように、容量素子３１，３２の初期容量の差は２つの容量値のオフセットであり、容量値の差からオフセット値を引いた値の、湿度変化に対する変化量が、容量式湿度センサ１０の感度である。このため、検出容量素子３１及び参照容量素子３２において、容量値の湿度変化に対する傾きの差を大きくするほど、感度を高めることができる。
【００４０】
検出容量素子３１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用電極３３ａ，３３ｂを有する。一方、参照容量素子３２は、上記一面２０ａの検出用電極３３ａ，３３ｂ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用電極３４ａ，３４ｂを有する。
【００４１】
これら検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂの形状は特に限定されるものではない。本実施形態では、検出用電極３３ａ，３３ｂとして、検出用電極３３ａと検出用電極３３ｂとが交互に配置されてなる櫛歯形状を採用している。このように櫛歯形状とすると、検出用電極３３ａ，３３ｂ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、周囲の湿度変化にともなって変化する検出用電極３３ａ，３３ｂ間の静電容量の変化量が大きくなり、容量式湿度センサ１０の感度が向上する。同様に、参照用電極３４ａ，３４ｂとして、参照用電極３４ａと参照用電極３４ｂとが交互に配置されてなる櫛歯形状を採用している。
【００４２】
また、図５に示すように、互いに対向する部分の電極長さは、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）のほうが参照用電極３４ａ，３４ｂよりも長くなっている。また、櫛歯の本数は、検出用電極３３ａ，３３ｂのほうが参照用電極３４ａ，３４ｂよりも多くなっている。これらにより、対をなす電極同士の対向面積は、検出用電極３３ａ，３３ｂのほうが参照用電極３４ａ，３４ｂよりも大きくなっている。そして、初期容量値は、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも大きくなっている。
【００４３】
また、検出用電極３３ａ，３３ｂの対向面間の距離、すなわち検出容量素子３１の電極間隔ｄｍと、参照用電極３４ａ，３４ｂの対向面間の距離、すなわち参照容量素子３２の電極間隔ｄｒは、所定の条件を満たして設定されている。この電極間隔ｄｍ，ｄｒの設定条件が、本実施形態の主たる特徴部分である。その詳細については後述する。
【００４４】
このように構成される検出用電極３３ａ，３３ｂと参照用電極３４ａ，３４ｂは、同じ構成材料により、同じ幅及び同じ厚さを有して形成されている。具体的には、アルミニウム等の水分により腐食する虞のある配線材料を、蒸着やスパッタリング等の手法によって基板２０の一面２０ａにほぼ均一の厚さで堆積させる。そして、フォトリソグラフィ処理により、ほぼ同じ電極幅を有しつつ櫛歯形状にパターニングすることで形成されている。本実施形態では、後述するパッド４０同様、アルミニウムを用いて検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂが形成されている。
【００４５】
図３に示すように、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂ上には保護膜３６が形成されており、この保護膜３６を介して感湿膜３５が形成されている。また、感湿膜３５として、参照用電極３４ａ，３４ｂを覆う参照用感湿膜３５ｂが形成されている。
【００４６】
保護膜３６は、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂ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３６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３６は、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照電極３４ａ，３４ｂ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。
【００４７】
保護膜３６上には、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び検出用電極３３ａ，３３ｂ間を覆うように検出用感湿膜３５ａが形成されている。また、参照用電極３４ａ，３４ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂ間を覆うように、参照用感湿膜３５ｂが形成されている。これら感湿膜３５ａ，３５ｂは、同一材料によりほぼ同じ厚さを有して構成されている。
【００４８】
本実施形態では、検出用電極３３ａ，３３ｂを覆う検出用感湿膜３５ａと、参照用電極３４ａ，３４ｂを覆う参照用感湿膜３５ｂが、１つの感湿膜３５として一体化されている。本実施形態では、感湿膜３５の構成材料として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（ポリアミド）を基板２０の一面２０ａ上に塗布後、加熱硬化（イミド化処理）することにより、ほぼ均一の厚さを有して形成されている。
【００４９】
このように構成される湿度検出部３０において、各容量素子３１，３２を構成する電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂは、配線３７により、対応するパッド４０と電気的に接続されている。本実施形態では、配線３７のうち、湿度検出部３０と反対の端部付近で保護膜３６の開口部から露出された部分をパッド４０としている。
【００５０】
図２に示すように、検出容量素子３１を構成する検出用電極３３ａは、配線３７ａにより、対応するパッド４０ａと電気的に接続されている。検出容量素子３１を構成する検出用電極３３ｂ及び参照容量素子３２を構成する参照用電極３４ｂは、共通の配線３７ｂにより、対応するパッド４０ｂと電気的に接続されている。また、参照容量素子３２を構成する参照用電極３４ａは、配線３７ｃにより、対応するパッド４０ｃと電気的に接続されている。
【００５１】
これら配線３７ａ〜３７ｃは、基板２０の一面２０ａ、すなわち検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂと同一平面に形成されている。また、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂと同じアルミニウムを用いて形成されており、これら配線３７ａ〜３７ｃも、保護膜３６により被覆されている。
【００５２】
本実施形態では、さらにパッド４０として、上記拡散層２１に電気的に接続されたパッド４０ｄを有する。このパッド４０ｄ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３７ｄが接続されており、配線３７ｄのうち、図３に示すように保護膜３６の開口部から露出された部分がパッド４０ｄとなっている。配線３７ｄも、基板２０の一面２０ａ、すなわち検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂと同一平面に形成されている。また、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂと同じアルミニウムを用いて形成されており、上記した保護膜３６により被覆されている。配線３７ｄは、図３に示すように、絶縁膜２２に形成されたコンタクトホール２２ａを埋めるように形成されており、拡散層２１と電気的に接続されている。このため、パッド４０ｄに定電位（例えばグランド電位）を印加することで、配線３７ｄを通じて拡散層２１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。
【００５３】
これらパッド４０（４０ａ〜４０ｄ）は、ボンディングワイヤ１１５が接続された状態で、保護ゲル６０によって被覆される。保護ゲル６０は、アルミニウムからなるパッド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。この保護ゲル６０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。
【００５４】
このため、塗布した時点では、保護ゲル６０が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６０が、湿度検出部３０側に流動し、感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）に付着すると、感湿膜３５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、基板２０の一面２０ａにおいて湿度検出部３０とパッド４０の間には、パッド４０周辺に塗布した保護ゲル６０が、湿度検出部３０側への流入し、感湿膜３６に付着するのを抑制するためのダム部５０が形成されている。
【００５５】
このダム部５０は、感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）と同一材料を用いて形成されている。このため、感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）と同一工程で形成することができる。本実施形態では、図２に示すように、基板２０における平面矩形状の一面２０ａにおいて、矩形の１辺に沿う一端側に湿度検出部３０が形成され、他端にパッド４０が形成されている。そして、基板２０の一面２０ａにおいて湿度検出部３０の形成領域とパッド４０の形成領域とを分割するように、平面矩形状の基板２０の相対する一方の辺から他方の辺にわたって形成されている。このダム部５０は、感湿膜３５とほぼ同じ厚さを有している。
【００５６】
次に、上記した容量式湿度センサ１０の製造方法の一例について説明する。
【００５７】
先ず、ウェハ状態のシリコンからなる基板２０を準備し、熱酸化により一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基板２０の一面側表層に不純物をイオン注入し、拡散層２１を形成した後、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２２とする。次いで、絶縁膜２２の所定位置にコンタクトホール２２ａを形成した後、基板２０の一面２０ａ全域にアルミニウムを堆積させ、パターニングにより、各電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ、パッド４０（４０ａ〜４０ｄ）を含む配線３７（３７ａ〜３７ｄ）を形成する。このように、湿度検出部３０を構成する電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂを、同一面上に同一材料を用いて同一の工程で形成する。
【００５８】
次いで、基板２０の一面２０ａ全域に保護膜３６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（４０ａ〜４０ｄ）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３５（３５ａ，３５ｂ）及びダム部５０を形成する。このように、湿度検出部３０を構成する感湿膜３５と同一材料を用いて同一の工程で、ダム部５０を形成する。
【００５９】
次いで、基板２０をダイシングし、チップ単位とする。これにより、容量式湿度センサ１０を得ることができる。なお、得られた容量式湿度センサ１０を、ケース１１０と一体成形されたアイランド１１１に搭載し、アイランド１１２に搭載した回路チップ１１３と、ボンディングワイヤ１１５により接続する。そして、パッド４０周辺及びボンディングワイヤ１１５が覆われるように、ディスペンサなどを用いて保護ゲル６０を塗布し、塗布した保護ゲル６０を硬化させるなどして、湿度検出装置１００を得ることができる。
【００６０】
次に、容量式湿度センサ１０が備える容量素子３１，３２及びその処理回路について説明する。
【００６１】
図６に示されるように、雰囲気の相対湿度に応じて容量値が変化する検出容量素子３１（容量Ｃｍ）と、同じく雰囲気の相対湿度に応じて容量値が変化する参照容量素子３２（容量Ｃｒ）とは直列接続されている。一方、回路チップ１１３には、処理回路として、これら容量素子３１，３２の容量差を電圧値に変換するＳＣ（スイッチドキャパシタ）回路１２０などが構成されている。
【００６２】
ＳＣ回路１２０は、図６に示すように、例えば５Ｖの同一の振幅で且つ１８０度の位相差を有する矩形波である搬送波１及び搬送波２を容量Ｃｍ，Ｃｒに対してそれぞれ印加する発振回路１２１、例えば２．５Ｖのバイアス電圧を出力する基準電圧源１２２、容量Ｃｍ，Ｃｒの中点電位とバイアス電圧とを差動増幅する差動増幅回路１２３、所定容量を有するコンデンサ１２４、アナログスイッチ１２５、及び図示しないサンプルホールド回路などを備える。
【００６３】
このように構成されたＳＣ回路１２０で実行されるＣＶ変換の一例を図７にタイミングチャートとして示す。図７に示すように、ＳＣ回路１２０で実行されるＣＶ変換は、「リセット→サンプルホールド→搬送波切替→サンプルホールド」を一周期として繰り返し実行される。
【００６４】
例えば時刻ｔ１においてアナログスイッチ１２５がオンされると、コンデンサ１２４が放電される（リセット）。また、このコンデンサ１２４の放電と同時に、搬送波１が立ち上げられるとともに搬送波２が立ち下げられる。このとき、容量Ｃｍ＞容量Ｃｒと、容量Ｃｍの発振回路１２１側の検出用電極３３ａ（図２参照）及び容量Ｃｒの発振回路１２１側の参照用電極３４ｂ（図２参照）それぞれに印加される電圧とに応じて、これら容量Ｃｍ及び容量Ｃｒが充電される。ちなみに、容量Ｃｍの差動増幅回路１２３側の検出用電極３３ｂ及び容量Ｃｒの差動増幅回路１２３側の参照用電極３４ａ（図２参照）の電荷量は、負の電荷が多い状態になる。
【００６５】
次いで、例えば時刻ｔ２においてアナログスイッチ１２５がオフされると、電極３３ｂ，３４ａと、コンデンサ１２４の差動増幅回路１２３の反転入力端子側の電極とによって閉回路が構成され、先の時刻ｔ１から時刻ｔ２までに蓄えられた電荷量は保存される。この状態にある例えば時刻ｔ３において、ＳＣ回路１２０の出力電圧値Ｖｏがサンプリングされ、適宜の記憶保持手段に一時的に記憶される。
【００６６】
次いで、例えば時刻ｔ４において、搬送波１が立ち下げられると同時に搬送波２が立ち上げられる。このように搬送波が反転されると、電極３３ｂ，３４ａの電荷量は、正の電荷が多い状態になる。しかしながら、上記したように、電極３３ｂ，３４ａと、コンデンサ１２４の差動増幅回路１２３の反転入力端子側の電極とによって閉回路が構成されていることから、この閉回路にある電荷量は保存されている。このため、電極３３ｂ，３４ａの電荷の平衡状態から溢れた負の電荷が、コンデンサ１２４の差動増幅回路１２３の反転入力端子側の電極に移動する。この電荷の移動により、コンデンサ１２４の差動増幅回路１２３の出力端子側の電極には、正の電荷が蓄えられることになり、「蓄えられる電荷量＝容量×電位差」の関係から、移動した電荷量に比例し、コンデンサ１２４の容量値に反比例した電圧値分だけ、ＳＣ回路１２０の出力電圧値Ｖｏが変動することになる。
【００６７】
このように変動した出力電圧値ＶｏがＳＣ回路１２０の出力端子から出力される。そして、例えば時刻ｔ６において、電荷の移動が終了し安定したところで、サンプリングされ、適宜の記憶保持手段に一時的に記憶される。そして、続く時刻ｔ７から、この周期が同様に開始される。
【００６８】
なお、最終的には、上記時刻ｔ６においてサンプリングした電圧値から、上記時刻ｔ３においてサンプリングした電圧値を差動演算した値に基づいて、雰囲気の相対湿度が検出される。
【００６９】
このように、容量式湿度センサ１０における検出容量素子３１と参照容量素子３２との容量差が、ＣＶ変換回路（ＳＣ回路１２０）により電圧値に変換され、この電圧値に基づいて雰囲気の相対湿度が検出される。このため、上記図４に示した検出容量素子３１（容量Ｃｍ）の傾きと、参照容量素子３２（容量Ｃｒ）の傾きについて、これら傾きの差を大きくするほど、湿度変化に対する容量差の変化量が大きくなる。すなわち、容量式湿度センサ１０の感度を高めることができる。
【００７０】
次に、容量式湿度センサ１０の感度を高めつつ体格を小型化できる、電極間隔ｄｍ，ｄｒについて説明する。
【００７１】
本実施形態では、参照容量素子３２にも感湿膜３５（参照用感湿膜３５ｂ）を設けており、参照容量素子３２の容量値も相対湿度に応じて変化する。このため、容量式湿度センサ１０の感度は、参照容量素子３２が感湿膜３５を有さない構成に較べて低くなる。したがって、感度の観点から、参照容量素子３２の傾き、換言すれば相対湿度０％（以下、０％ＲＨと示す）のときの容量値Ｃ１に対する相対湿度１００％（以下、１００％ＲＨと示す）のときの容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１、をできるだけ小さくする（１に近づける）ことが好ましい。なお、検出容量素子３１の傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）をより大きくすることで感度を高めることも考えられるが、この場合、検出容量素子３１、ひいては容量式湿度センサ１０の体格が増大してしまう。
【００７２】
ここで、検出容量素子３１の傾き、すなわち容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１は、次式で示すことができる。
（数３）
Ｃ２／Ｃ１＝（ε２・ε０・Ｓｍ／ｄｍ）／（ε１・ε０・Ｓｍ／ｄｍ）＝ε２／ε１
なお、ε０は真空の誘電率、ε１は検出容量素子３１を構成する誘電体の０％ＲＨのときの比誘電率、ε２は同誘電体の１００％ＲＨのときの比誘電率、Ｓｍは検出用電極３３ａ，３３ｂ間の対向面積である。
【００７３】
一方、参照容量素子３２の傾き、すなわち容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１は、次式で示すことができる。
（数４）
Ｃ２／Ｃ１＝（ε４・ε０・Ｓｒ／ｄｒ）／（ε３・ε０・Ｓｒ／ｄｒ）＝ε４／ε３
なお、ε３は参照容量素子３２を構成する誘電体の０％ＲＨのときの比誘電率、ε４は同誘電体の１００％ＲＨのときの比誘電率、Ｓｒは参照用電極３４ａ，３４ｂ間の対向面積である。
【００７４】
このように、検出容量素子３１の傾きは、ε２／ε１で決定される。また、参照容量素子３２の傾きは、ε４／ε３で決定される。上記したように、本実施形態では、検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂが同じ構成材料により同じ厚さを有して形成されている。また、検出用電極３３ａ，３３ｂと参照用電極３４ａ，３４ｂが同じ構成材料により同じ幅及び同じ厚さを有して形成されている。このため、上記した数式３，４において、ε１＝ε３、ε２＝ε４となり、検出容量素子３１と参照容量素子３２とにおいて、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）と電極間隔との関係が共通（同じ）となる。したがって、お互いの電極間隔ｄｍ，ｄｒにより、傾きの大小関係が決定される。
【００７５】
図８は、電極間隔と傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）との関係について、本発明者が検討したシミュレーション結果を示している。このシミュレーションにおいては、基板２０を厚さ４００μｍのシリコン、絶縁膜２２を厚さ０．５２５μｍ±０．０５２５μｍの二酸化シリコン、対をなす電極を厚さ０．７μｍ±０．０７μｍ、幅４μｍ±０．４μｍのアルミニウム、保護膜３６を厚さ１．６μｍ±０．１６μｍの窒化シリコン、感湿膜３５を厚さ２μｍ±０．２μｍ、０％ＲＨの比誘電率２．８、１００％ＲＨの比誘電率３．２のポリイミドとした。
【００７６】
図８に示すように、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）は、電極間隔８μｍで最大となり、電極間隔８μｍ以下では、電極間隔の増加にともなって増加する。また、電極間隔が８μｍを越えると電極間隔の増加にともなって減少する。電極間隔と傾きとの関係がこのような傾向を示すのは、以下の理由によるものと考えられる。図９は、容量を構成する対向容量とフリンジ容量を説明するための断面図であり、容量素子３１，３２のうち、検出容量素子３１（容量Ｃｍ）側を例示している。なお、便宜上、フリンジ容量のうち、上面３９側のみを示している。
【００７７】
感湿膜３５（検出用感湿膜３５ａ）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、図９に示すように水分１３０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、検出用電極３３ａ，３３ｂ間に形成される容量Ｃｍに対して感湿膜３５（３５ａ）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。図９に示すように、検出容量素子３１の容量は、対向配置された一対の検出用電極３３ａ，３３ｂにおいて、対向面３８間に形成される対向容量と、基板２０と対向する下面間及び該下面と反対の上面３９間をそれぞれ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。
【００７８】
この容量成分のうち、図９に示すように、特に上面３９間を回り込むフリンジ容量は、一般的に検出用電極３３ａ，３３ｂの厚さ（対向面３８の高さ）よりも幅（上面３９の長さ）のほうが広い、上面３９間を回りこむことで介在される感湿膜３５（３５ａ）が多いため、感湿膜３５（３５ａ）の影響を大きく受ける。したがって、容量として、フリンジ容量の影響が大きくなると、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）が大きくなる。上記したように、電極間隔ｄｍの増加にともない、間隔８μｍまで傾きが増加するのは、電極間隔ｄｍが狭いと対向容量の影響が大きく（換言すれば感湿膜３５の影響が小さく）、電極間隔ｄｍの増加にともないフリンジ容量の影響が大きくなる（換言すれば感湿膜３５の影響が大きくなる）ためであると考えられる。また、間隔８μｍを越えると傾きが小さくなるのは、電極間隔ｄｍが広くなり、上面３９間でフリンジ容量を形成しにくくなるためであると考えられる。なお、この点については、参照容量素子３２（容量Ｃｒ）でも同じである。
【００７９】
これに対し、本実施形態では、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍ及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔８μｍよりも狭く、且つ、検出容量素子３１が参照容量素子３２よりも容量値の比Ｃ２／Ｃ１が大きくなるように、電極間隔ｄｍ，ｄｒを設定している。具体的には、電極間隔ｄｍ，ｄｒを、ともに傾きが最大値を示す間隔８μｍよりも狭い間隔としている。そして、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍよりも狭い値としている。詳しくは、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍを、フリンジ容量の影響が大きい間隔、具体的には７．５μｍとしている。これにより、検出容量素子３１の傾きは、１．０６５程度となっている。
一方、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、フリンジ容量の影響が小さい間隔としている。これにより、参照容量素子３２の傾きは、１．０３５程度となっている。
【００８０】
このように、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも容量値の比Ｃ２／Ｃ１が大きくなるように電極間隔ｄｍ，ｄｒが設定されるため、容量式湿度センサ１０の感度を高めることができる。
【００８１】
また、参照容量素子３２より検出容量素子３１の容量値の比Ｃ２／Ｃ１が大きい範囲で、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍ及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭くする。すなわち、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、フリンジ容量の影響が小さい間隔とする。したがって、参照容量素子３２の体格、ひいては容量式湿度センサ１０の体格を小型化することができる。
【００８２】
このように本実施形態によれば、検出容量素子３１と参照容量素子３２が基板２０上の同一面２０ａに形成され、参照容量素子３２も感湿膜３５（参照用感湿膜３５ｂ）を有する容量式湿度センサ１０において、感度を高めつつ従来よりも体格を小型化することができる。
【００８３】
特に本実施形態では、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍを、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔以下としている。このため、上記したように感度を高めつつ、検出容量素子３１の体格を小型化し、ひいては容量式湿度センサ１０の体格をより小型化することができる。
【００８４】
なお、上記したように、電極間隔が傾きの最大を示す間隔（図８において８μｍ）を越えると、電極間隔の増加にともなって傾きが減少する。したがって、容量値の比Ｃ２／Ｃ１が最大となる電極間隔を越える範囲において、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍよりも大きくすることで、検出容量素子３１の傾きと参照容量素子３２の傾きの差を大きくして感度を高めることも考えられる。しかしながら、この場合、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを大きくしなければならず、参照容量素子３２、ひいては容量式湿度センサ１０の体格を小型化するのが困難である。
【００８５】
また、本実施形態では、水分による腐食から各電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂを保護するための保護膜３６が、検各電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂをそれぞれ覆って配置されている。このため、参照用感湿膜３５ｂと保護膜３６とにより、参照用電極３４ａ，３４ｂの腐食を効果的に抑制することができる。また、検出用電極３３ａ，３３ｂについても、その腐食を効果的に抑制することができる。その上で、検出用感湿膜３５ａ及び参照用感湿膜３５ｂは、保護膜３６上に形成されている。このため、本実施形態では、対向容量が主として保護膜３６を誘電体とするのに対し、上面３９間のフリンジ容量が主として感湿膜３５を誘電体とする。したがって、保護膜３６を有さず、電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂに接して感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）が配置される構成に較べて、電極間隔による傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）の変化幅を大きくすることができる。これにより、検出容量素子３１の傾きと参照容量素子３２の傾きの差を大きくすることができる。
【００８６】
ところで、電極間隔ｄｍが狭いと、図１０（ａ）に示すように、検出用電極３３ａ，３３ｂ間の部分に対応して保護膜３６に形成される溝部３６ａの開口幅が狭くなる。図１０（ａ）では、電極間隔ｄｍが１．５μｍの場合のＳＥＭにより確認された断面構造を示している。このように、溝部３６ａの開口幅が狭いと、溝部３６ａ内に位置する感湿膜３５（検出用感湿膜３５ａ）に吸着された水分が蒸発しにくいため、図１１に示すように、相対湿度の上昇時と低下時とで、同じ相対湿度でも容量値に差、すなわちヒステリシスが生じる。なお、図１１では、電極間隔ｄｍが１．５μｍの結果を示している。そして、図１１に破線矢印で示すヒステリシスの大きさは、図１２に示すように、相対湿度の２０％分の変化に相当する。
【００８７】
なお、図１２に示すように、電極間隔ｄｍがより狭い１．０μｍの場合のヒステリシス大きさは、相対湿度の４３％分の変化に相当する。
【００８８】
一方、電極間隔ｄｍが広いと、図１０（ｂ）に示すように、検出用電極３３ａ，３３ｂ間の部分に対応して保護膜３６に形成される溝部３６ａの開口幅も広くなる。図１０（ｂ）では、電極間隔ｄｍが３．０μｍの場合のＳＥＭにより確認された断面構造を示している。このように、溝部３６ａの開口幅が広いと、溝部３６ａ内に位置する感湿膜３５（検出用感湿膜３５ａ）に吸着された水分が蒸発しやすくなり、上記ヒステリシスを低減することができる。図１２に示すように、電極間隔ｄｍが３．０μｍの場合のヒステリシスの大きさは、相対湿度９％分程度の変化に相当する。なお、上記においては、電極間隔ｄｍについて説明したが、電極間隔ｄｒについても同じである。
【００８９】
本実施形態では、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒ及び検出容量素子３１の電極間隔ｄｍを、ともに保護膜３６の厚さと電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂの厚さとの和以上としている。上記シミュレーションのパラメータで示したように、本実施形態では、対をなす電極を厚さを０．７μｍ±０．０７μｍ、保護膜３６の厚さを１．６μｍ±０．１６μｍとしている。そして、厚さの和の最大値２．５７μｍにマージンを加味した値３μｍ（図８の一点鎖線）未満とならないように、電極間隔ｄｍ，ｄｒを設定している。これにより、図１０（ｂ）に示したように、電極間の部分に対応して保護膜３６に形成される溝部３６ａの開口幅を、溝部３６ａ内に位置する感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）に吸着された水分が蒸発するために十分な広さとすることができる。このため、上記ヒステリシスを低減することができる。
【００９０】
また、本実施形態では、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂを、それぞれ櫛歯形状としている。これによれば、一対の検出用電極３３ａ，３３ｂの対向面積、及び、一対の参照用電極３４ａ，３４ｂの対向面積を大きくすることができるため、体格の増大を抑制しつつ容量式湿度センサ１０の感度をより高めることができる。
【００９１】
また、本実施形態では、検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂを、１つの感湿膜３５として一体的に形成している。このため、構成を簡素化することができる。また、１つの感湿膜３５として基板２０との接着面積が増加することとなるので、検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂとを別体とする構成に較べて、感湿膜が剥離しにくくなる。特に、ダイシング時の剥離を抑制することができる。
【００９２】
（変形例）
上記実施形態では、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍを、容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）が最大を示す間隔とは異なる値とする例を示した。しかしながら、より好ましくは、電極間隔ｄｍを、容量値の比Ｃ２／Ｃ１が最大を示す間隔（図８では８μｍ）とすると良い。これによれば、検出容量素子３１の傾きが最大となるため、検出容量素子３１と参照容量素子３２の傾きの差をより大きくすることができる。すなわち、容量式湿度センサ１０の感度をより高めることができる。
【００９３】
また、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒについても、上記した４．５μｍに限定されるものではない。例えば容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）が最大を示す間隔の１／２以下の間隔とすると、参照容量素子３２の傾きがより小さくなり（１に近づき）、これにより感度を高めることができる。図８に示す例では、電極間隔ｄｒを４μｍ以下とすれば良い。また、上記したヒステリシスを低減できる範囲で、できる限り狭くしたほうが、検出容量素子３１と参照容量素子３２の傾きの差をより大きくすることができる。すなわち、容量式湿度センサ１０の感度をより高めることができる。上記実施形態では、４．５μｍの例を示したが、例えば電極間隔ｄｒを３μｍとすると、感度をより高めることができる。
【００９４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述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。
【００９５】
検出用電極３３ａ，３３ｂと参照用電極３４ａ，３４ｂの本数は上記例に限定されるものではない。対をなす検出用電極３３ａと検出用電極３３ｂとを、それぞれ少なくとも１本有すれば良い。また、対をなす参照用電極３４ａと参照用電極３４ｂとを、それぞれ少なくとも１本有すれば良い。
【００９６】
参照容量素子３２の電極間隔ｄｒと検出容量素子３１の電極間隔ｄｍは、電極間隔ｄｒが電極間隔ｄｍ及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）の最大値を示す間隔よりも狭く、且つ、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも容量値の比Ｃ２／Ｃ１が大きい、との関係を少なくとも満たして設定されれば良い。したがって、上記実施形態とは異なり、電極間隔ｄｍを、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）が最大を示す間隔よりも広い間隔としても良い。また、電極間隔ｄｍ，ｄｒを３μｍ未満としてもよい。さらには、電極間隔ｄｍ，ｄｒを、保護膜３６と電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂの厚さとの和未満としてもよい。
【００９７】
本実施形態では、容量式湿度センサ１０の基板２０が、拡散層２１、該拡散層２１に電気的に接続される配線３７ｄ及びパッド４０ｄを有する例を示したが、これらを有さない構成としても良い。
【００９８】
本実施形態では、回路チップ１１３が容量式湿度センサ１０と別チップとして構成される例を示したが、回路チップ１１３の処理回路を、容量式湿度センサ１０を構成する基板２０に集積し、１チップ化しても良い。
【００９９】
本実施形態では、検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂが、１つの感湿膜３５として一体化されている例を示したが、分離された構成としても良い。
【０１００】
本実施形態では、電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ上に保護膜３６が配置され、この保護膜３６上に感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）が配置される例を示した。しかしながら、保護膜３６を有さず、電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ上に感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）が直接配置された構成としても良い。
【０１０１】
本実施形態では、感湿膜３５と同一材料からなるダム部５０の例を示したが、ダム部５０の構成は上記例に限定されるものではない。また、ダム部５０を有さない構成としても良い。
【符号の説明】
【０１０２】
１０・・・容量式湿度センサ
２０・・・基板
２０ａ・・・一面
３１・・・検出容量素子
３２・・・参照容量素子
３３ａ，３３ｂ・・・検出用電極
３４ａ，３４ｂ・・・参照用電極
３５・・・感湿膜
３５ａ・・・検出用感湿膜
３５ｂ・・・参照用感湿膜
３６・・・保護膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共通の基板に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出容量素子と、容量値の湿度変化に対する傾きが検出容量素子と異なる参照容量素子と、が形成された容量式湿度センサに関する。特に検出容量素子と参照容量素子が基板上の同一面に形成され、検出容量素子だけでなく参照容量素子も感湿膜を有する容量式湿度センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
共通の基板に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出容量素子と、容量値の湿度変化に対する傾き（以下、単に傾きとも示す）が検出容量素子と異なる参照容量素子と、が形成された容量式湿度センサとして、例えば特許文献１に記載のものが知られている。
【０００３】
特許文献１において、検出容量素子（第１センサ素子）は、基板上の同一面において対向配置された一対の検出用電極（櫛歯状電極）と、該検出用電極を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する検出用感湿膜（感湿膜）と、を有している。参照容量素子（第２センサ素子）は、検出用電極の配置面（上記同一面）において対向配置された一対の参照用電極（櫛歯状電極）と、該参照用電極を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する参照用感湿膜（感湿膜）と、を有している。特許文献１では参照用感湿膜が検出用感湿膜と一体化されて１つの感湿膜をなしており、この感湿膜が基板上の同一面に配置された検出用電極と参照用電極とを一体的に覆っている。
【０００４】
このように、感湿膜（参照用感湿膜）によって参照用電極が保護されているため、参照容量素子が感湿膜を有さない構成に較べて、高温多湿な環境下においても、参照用電極が劣化して参照容量素子の容量値が変動するのを抑制することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１３３１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
容量式湿度センサでは、検出容量素子と参照容量素子との容量差が周知のＣＶ変換回路により電圧値に変換され、この電圧値に基づいて雰囲気の相対湿度が検出される。このため、特許文献１の図２に示される検出容量素子の傾きと参照容量素子の傾きについて、これら傾きの差を大きくするほど、湿度変化に対する容量値の差の変化量が大きくなる。すなわち容量式湿度センサの感度を高めることができる。
【０００７】
特許文献１では、参照容量素子にも感湿膜（参照用感湿膜）を設けているため、参照容量素子の容量値も相対湿度に応じて変化する。このため、容量式湿度センサの感度は、参照容量素子が感湿膜を有さない構成（特許文献１の図５）に較べて低くなる。したがって、感度の観点から、参照容量素子の傾き、換言すれば相対湿度０％のときの容量値Ｃ１に対する相対湿度１００％のときの容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１、をできるだけ小さくする（１に近づける）ことが好ましい。なお、検出容量素子の傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）をより大きくすることで感度を高めることも考えられるが、この場合、検出容量素子、ひいては容量式湿度センサの体格が増大してしまう。
【０００８】
ところで、電極間隔と傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）とは、所定の電極間隔で傾き最大となり、この所定間隔までは電極間隔の増加にともなって傾きが増加し、所定間隔を越えると傾きが減少する関係を示す。なお、その詳細については、発明を実施する形態で説明する。
【０００９】
感湿膜自体の比誘電率は湿度に応じて変化しないが、水分の吸着量により、水分を含む感湿膜全体の比誘電率が変化する。このため、電極間に形成される容量に対して感湿膜の影響が大きいほど、容量値の湿度変化に対する傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）は大きくなる。各容量素子（検出容量素子及び参照容量素子）の容量は、対向配置された一対の電極（検出用電極及び参照用電極）において、対向面間に形成される対向容量と、基板と対向する下面間及び該下面と反対の上面間をそれぞれ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。この容量成分のうち、特に上面間を回り込むフリンジ容量は、一般的に電極の厚さ（対向面の高さ）よりも電極の幅（上面の長さ）のほうが広い、上面間を回りこむことで介在される感湿膜が多いため、感湿膜の影響を大きく受ける。上記したように、電極間隔の増加にともない、所定間隔まで傾きが増加するのは、電極間隔が狭いと対向容量の影響が大きく（換言すれば感湿膜の影響が小さく）、電極間隔の増加にともないフリンジ容量の影響が大きく（換言すれば感湿膜の影響が大きく）なるためである。
【００１０】
特許文献１の図１では、参照容量素子の電極間隔を検出容量素子の電極間隔よりも広くしている。このため、検出容量素子の傾きと参照容量素子の傾きの差を大きくして感度を高めようとすると、上記した電極間隔と傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）との関係から、参照容量素子の電極間隔を、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）が最大となる間隔よりも広く、且つ、検出容量素子の傾きとの差が大きくなるような間隔に設定しなければならない。したがって、参照容量素子、ひいては容量式湿度センサの体格を小型化するのが困難である。
【００１１】
本発明は上記問題点に鑑み、検出容量素子と参照容量素子が基板上の同一面に形成され、参照容量素子も感湿膜を有する容量式湿度センサにおいて、感度を高めつつ体格を小型化することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、
共通の基板（２０）に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出容量素子（３１）と、容量値の湿度変化に対する傾きが検出容量素子（３１）と異なる参照容量素子（３２）と、が形成された容量式湿度センサであって、
検出容量素子（３１）は、基板（２０）上の同一面（２０ａ）において対向配置された一対の検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と、該検出用電極（３３ａ，３３ｂ）を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する検出用感湿膜（３５ａ）と、を有し、
参照容量素子（３２）は、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）の配置面（２０ａ）において対向配置された一対の参照用電極（３４ａ，３４ｂ）と、該参照用電極（３４ａ，３４ｂ）を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する参照用感湿膜（３５ｂ）と、を有している。
【００１３】
そして、検出用感湿膜（３５ａ）と参照用感湿膜（３５ｂ）は、同じ構成材料により同じ厚さを有して形成されており、
検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と参照用電極（３４ａ，３４ｂ）は、同じ構成材料により同じ幅及び同じ厚さを有して形成されるとともに、
各容量素子（３１，３２）の相対湿度０％での容量値（Ｃ１）に対する相対湿度１００％での容量値（Ｃ２）の比（Ｃ２／Ｃ１）を前記傾きとすると、
参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）は、検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭く、且つ、容量値の比Ｃ２／Ｃ１は、検出容量素子（３１）が参照容量素子（３２）よりも大きい、との関係を満たして、電極間隔（ｄｒ，ｄｍ）が設定されていることを特徴とする。
【００１４】
先ず、各容量素子について、容量値の比Ｃ２／Ｃ１を説明する。検出容量素子（３１）の容量値の比（Ｃ２／Ｃ１）は、次式で示すことができる。
（数１）
Ｃ２／Ｃ１＝（ε２・ε０・Ｓｍ／ｄｍ）／（ε１・ε０・Ｓｍ／ｄｍ）＝ε２／ε１
なお、ε０は真空の誘電率、ε１は検出容量素子（３１）を構成する誘電体の相対湿度０％のときの比誘電率、ε２は同誘電体の相対湿度１００％のときの比誘電率、Ｓｍは検出用電極（３３ａ，３３ｂ）間の対向面積である。
【００１５】
一方参照容量素子（３２）の容量値の比（Ｃ２／Ｃ１）は、次式で示すことができる。
（数２）
Ｃ２／Ｃ１＝（ε４・ε０・Ｓｒ／ｄｒ）／（ε３・ε０・Ｓｒ／ｄｒ）＝ε４／ε３
なお、ε３は参照容量素子（３２）を構成する誘電体の相対湿度０％のときの比誘電率、ε４は同誘電体の相対湿度１００％のときの比誘電率、Ｓｒは参照用電極（３４ａ，３４ｂ）間の対向面積である。
【００１６】
本発明では、検出用感湿膜（３５ａ）と参照用感湿膜（３５ｂ）が同じ構成材料により同じ厚さを有して形成され、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と参照用電極（３４ａ，３４ｂ）が同じ構成材料により同じ幅及び同じ厚さを有して形成されている。これにより、数式１，２において、ε１＝ε３、ε２＝ε４となり、検出容量素子（３１）と参照容量素子（３２）とで、容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）と電極間隔との関係が共通（同じ）となる。したがって、お互いの電極間隔（ｄｍ，ｄｒ）により、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の大小関係が決定される。
【００１７】
そして、本発明では、検出容量素子（３１）のほうが容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）が大きくなるように電極間隔（ｄｍ，ｄｒ）が設定されるため、容量式湿度センサの感度を高めることができる。また、参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）を、検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭くするため、参照容量素子（３２）の体格、ひいては容量式湿度センサ（１０）の体格を小型化することができる。
【００１８】
このように本発明によれば、検出容量素子（３１）と参照容量素子（３２）が基板（２０）上の同一面（２０ａ）に形成され、参照容量素子（３２）も感湿膜（３５ｂ）を有する容量式湿度センサ（１０）において、感度を高めつつ従来よりも体格を小型化することができる。
【００１９】
請求項２に記載のように、検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）を、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔以下とすると良い。これによれば、検出容量素子（３１）の体格を小型化し、ひいては容量式湿度センサ（１０）の体格をより小型化することができる。
【００２０】
より好ましくは、請求項３に記載のように、検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）を、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔とすると良い。これによれば、検出容量素子（３１）の傾きが最大となるため、検出容量素子（３１）と参照容量素子（３２）の傾きの差をより大きくすることができる。すなわち、容量式湿度センサ（１０）の感度をより高めることができる。
【００２１】
請求項４に記載のように、水分による腐食から各電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）を保護するための保護膜（３６）が、各電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）を覆って配置され、
検出用感湿膜（３５ａ）及び参照用感湿膜（３５ｂ）は、保護膜（３６）上に形成されると良い。
【００２２】
これによれば、参照用感湿膜（３５ｂ）と保護膜（３６）とにより、参照用電極（３４ａ，３４ｂ）の腐食を効果的に抑制することができる。また、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）についても、その腐食を効果的に抑制することができる。
【００２３】
また、保護膜（３６）を有さず、電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）に接して感湿膜（３５ａ，３５ｂ）が配置される構成に較べて、電極間隔による傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）の変化幅を大きくすることができる。このため、検出容量素子（３１）の傾きと参照容量素子（３２）の傾きの差を大きくすることができる。
【００２４】
請求項５に記載のように、参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）及び検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）を、保護膜（３６）の厚さと電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）の厚さとの和以上とすることが好ましい。
【００２５】
電極間隔（ｄｒ，ｄｍ）が狭いと、電極間の部分に対応して保護膜（３６）に形成される溝部（３６ａ）の開口幅が狭くなり、この溝部（３６ａ）に位置する感湿膜（３５ａ，３５ｂ）に吸着された水分が蒸発しにくい。このため、相対湿度の上昇時と低下時とで、同じ相対湿度でも容量値に差、すなわちヒステリシスが生じる。
【００２６】
これに対し、本発明では、電極間隔（ｄｒ，ｄｍ）を保護膜（３６）の厚さと電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）の厚さとの和以上とする。これにより、電極間の部分に対応して保護膜（３６）に形成される溝部（３６ａ）の開口幅を、溝部（３６ａ）内に位置する感湿膜（３５ａ，３５ｂ）に吸着された水分が蒸発するために十分な広さとすることができる。このため、上記ヒステリシスを低減することができる。
【００２７】
請求項６に記載のように、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）及び参照用電極（３４ａ，３４ｂ）は、それぞれ櫛歯形状をなしていることが好ましい。これによれば、一対の検出用電極（３３ａ，３３ｂ）の対向面積、及び、一対の参照用電極（３４ａ，３４ｂ）の対向面積を大きくすることができるため、容量湿度センサの感度をより高めることができる。
【００２８】
請求項７に記載のように、検出用感湿膜（３５ａ）と参照用感湿膜（３５ｂ）は、１つの感湿膜（３５）として一体的に形成されても良い。これによれば、構成を簡素化することができる。また、１つの感湿膜（３５）として基板（２０）との接着面積が増加することとなるので、検出用感湿膜（３５ａ）と参照用感湿膜（３５ｂ）とを別体とする構成に較べて、剥離しにくくなる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本実施形態の容量式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。
【図２】本実施形態に係る容量式湿度センサの概略構成を示す平面図である。便宜上、検出用電極、参照用電極、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３】図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。便宜上、電極の数を減らして図示している。また、パッドにボンディングワイヤが接続され、該パッドが保護ゲルで覆われた状態を示している。
【図４】相対湿度と容量値との関係を示す図である。
【図５】図２において、検出容量素子及び参照容量素子の周辺を拡大した平面図である。便宜上、パッドに接続された配線の一部を省略して図示している。図２同様、検出用電極及び参照用電極を実線で示している。また、感湿膜を破線で示している。
【図６】容量式湿度センサに構成された容量素子と回路チップに構成された処理回路の等価回路の一例を示す図である。
【図７】ＣＶ変換動作の一例を示すタイミングチャートである。
【図８】電極間隔と容量値の湿度変化に対する傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）との関係を示す図である。
【図９】対向容量とフリンジ容量を説明するための断面図である。
【図１０】電極間隔と保護膜に形成される溝部の形状との関係を示す断面図であり、（ａ）は電極間隔１．５μｍ、（ｂ）は電極間隔３．０μｍの場合をそれぞれ示している。
【図１１】容量変化量のヒステリシスの大きさとの関係を示す図である。一例として、電極間隔１．５μｍの場合を示している。
【図１２】電極間隔とヒステリシスの大きさとの関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
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、各図において、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、感湿膜及びダム部にハッチングを施している。
【００３１】
図１は、本実施形態の容量式湿度センサ１０を備える湿度検出装置１００である。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に搭載された容量式湿度センサ１０と、アイランド１１２に搭載された回路チップ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を備える。
【００３２】
そして、容量式湿度センサ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１において省略するが、ボンディングワイヤ１１５，１１６及びその接続部位（パッド）は、保護ゲル（図３に示す保護ゲル６０）によって被覆されている。
【００３３】
このように、本実施形態では、容量式湿度センサ１０と、ＣＶ変換回路などが構成された回路チップ１１３とが、別チップとなっている。
【００３４】
次に、容量式湿度センサ１０の構成について説明する。
【００３５】
容量式湿度センサ１０は、所謂センサチップであり、図２及び図３に示すように、同一の基板２０（半導体チップ）に、湿度検出部３０、外部接続端子としてのパッド４０、保護ゲル６０の流動を抑制するダム部５０を備える。なお、保護ゲル６０は、パッド４０にボンディングワイヤ１１５が接続された状態で、パッド４０及びボンディングワイヤ１１５におけるパッド４０との接続部分を被覆するように、基板２０上に配置される。
【００３６】
本実施形態では、基板２０としてシリコン基板を採用しており、この基板２０の一面側表層に、図３に示すように全面にわたって不純物の拡散層２１が形成されている。より詳しくは、拡散層２１がｐ導電型の拡散層２１となっている。この拡散層２１上には絶縁膜２２が形成されており、絶縁膜２２の一部位にコンタクトホール２２ａが形成されている。本実施形態では、絶縁膜２２が、基板２０側からシリコン酸化膜、ＢＰＳＧ膜の順に積層されてなる。
【００３７】
湿度検出部３０，パッド４０，ダム部５０は、この絶縁膜２２上に形成されている。本実施形態では、絶縁膜２２を含む基板２０を基板とみなし、絶縁膜２２における基板２０と反対の面を、基板２０の一面２０ａとする。
【００３８】
湿度検出部３０は、検出容量素子３１と参照容量素子３２を備える。検出容量素子３１及び参照容量素子３２は、ともに相対湿度の変化に応じてその容量値が変化するように構成されており、容量値の湿度変化に対する傾きが互いに異なる。図４に示すように、相対湿度０％での容量値、すなわち初期容量値は、検出容量素子３１（容量Ｃｍ）のほうが参照容量素子３２（容量Ｃｒ）よりも大きい。また、容量値の湿度変化に対する傾きは、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも大きくなっている。
【００３９】
図４に示すように、容量素子３１，３２の初期容量の差は２つの容量値のオフセットであり、容量値の差からオフセット値を引いた値の、湿度変化に対する変化量が、容量式湿度センサ１０の感度である。このため、検出容量素子３１及び参照容量素子３２において、容量値の湿度変化に対する傾きの差を大きくするほど、感度を高めることができる。
【００４０】
検出容量素子３１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用電極３３ａ，３３ｂを有する。一方、参照容量素子３２は、上記一面２０ａの検出用電極３３ａ，３３ｂ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用電極３４ａ，３４ｂを有する。
【００４１】
これら検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂの形状は特に限定されるものではない。本実施形態では、検出用電極３３ａ，３３ｂとして、検出用電極３３ａと検出用電極３３ｂとが交互に配置されてなる櫛歯形状を採用している。このように櫛歯形状とすると、検出用電極３３ａ，３３ｂ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、周囲の湿度変化にともなって変化する検出用電極３３ａ，３３ｂ間の静電容量の変化量が大きくなり、容量式湿度センサ１０の感度が向上する。同様に、参照用電極３４ａ，３４ｂとして、参照用電極３４ａと参照用電極３４ｂとが交互に配置されてなる櫛歯形状を採用している。
【００４２】
また、図５に示すように、互いに対向する部分の電極長さは、検出用電極（３３ａ，３３ｂ）のほうが参照用電極３４ａ，３４ｂよりも長くなっている。また、櫛歯の本数は、検出用電極３３ａ，３３ｂのほうが参照用電極３４ａ，３４ｂよりも多くなっている。これらにより、対をなす電極同士の対向面積は、検出用電極３３ａ，３３ｂのほうが参照用電極３４ａ，３４ｂよりも大きくなっている。そして、初期容量値は、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも大きくなっている。
【００４３】
また、検出用電極３３ａ，３３ｂの対向面間の距離、すなわち検出容量素子３１の電極間隔ｄｍと、参照用電極３４ａ，３４ｂの対向面間の距離、すなわち参照容量素子３２の電極間隔ｄｒは、所定の条件を満たして設定されている。この電極間隔ｄｍ，ｄｒの設定条件が、本実施形態の主たる特徴部分である。その詳細については後述する。
【００４４】
このように構成される検出用電極３３ａ，３３ｂと参照用電極３４ａ，３４ｂは、同じ構成材料により、同じ幅及び同じ厚さを有して形成されている。具体的には、アルミニウム等の水分により腐食する虞のある配線材料を、蒸着やスパッタリング等の手法によって基板２０の一面２０ａにほぼ均一の厚さで堆積させる。そして、フォトリソグラフィ処理により、ほぼ同じ電極幅を有しつつ櫛歯形状にパターニングすることで形成されている。本実施形態では、後述するパッド４０同様、アルミニウムを用いて検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂが形成されている。
【００４５】
図３に示すように、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂ上には保護膜３６が形成されており、この保護膜３６を介して感湿膜３５が形成されている。また、感湿膜３５として、参照用電極３４ａ，３４ｂを覆う参照用感湿膜３５ｂが形成されている。
【００４６】
保護膜３６は、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂ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３６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３６は、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照電極３４ａ，３４ｂ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。
【００４７】
保護膜３６上には、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び検出用電極３３ａ，３３ｂ間を覆うように検出用感湿膜３５ａが形成されている。また、参照用電極３４ａ，３４ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂ間を覆うように、参照用感湿膜３５ｂが形成されている。これら感湿膜３５ａ，３５ｂは、同一材料によりほぼ同じ厚さを有して構成されている。
【００４８】
本実施形態では、検出用電極３３ａ，３３ｂを覆う検出用感湿膜３５ａと、参照用電極３４ａ，３４ｂを覆う参照用感湿膜３５ｂが、１つの感湿膜３５として一体化されている。本実施形態では、感湿膜３５の構成材料として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（ポリアミド）を基板２０の一面２０ａ上に塗布後、加熱硬化（イミド化処理）することにより、ほぼ均一の厚さを有して形成されている。
【００４９】
このように構成される湿度検出部３０において、各容量素子３１，３２を構成する電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂは、配線３７により、対応するパッド４０と電気的に接続されている。本実施形態では、配線３７のうち、湿度検出部３０と反対の端部付近で保護膜３６の開口部から露出された部分をパッド４０としている。
【００５０】
図２に示すように、検出容量素子３１を構成する検出用電極３３ａは、配線３７ａにより、対応するパッド４０ａと電気的に接続されている。検出容量素子３１を構成する検出用電極３３ｂ及び参照容量素子３２を構成する参照用電極３４ｂは、共通の配線３７ｂにより、対応するパッド４０ｂと電気的に接続されている。また、参照容量素子３２を構成する参照用電極３４ａは、配線３７ｃにより、対応するパッド４０ｃと電気的に接続されている。
【００５１】
これら配線３７ａ〜３７ｃは、基板２０の一面２０ａ、すなわち検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂと同一平面に形成されている。また、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂと同じアルミニウムを用いて形成されており、これら配線３７ａ〜３７ｃも、保護膜３６により被覆されている。
【００５２】
本実施形態では、さらにパッド４０として、上記拡散層２１に電気的に接続されたパッド４０ｄを有する。このパッド４０ｄ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３７ｄが接続されており、配線３７ｄのうち、図３に示すように保護膜３６の開口部から露出された部分がパッド４０ｄとなっている。配線３７ｄも、基板２０の一面２０ａ、すなわち検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂと同一平面に形成されている。また、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂと同じアルミニウムを用いて形成されており、上記した保護膜３６により被覆されている。配線３７ｄは、図３に示すように、絶縁膜２２に形成されたコンタクトホール２２ａを埋めるように形成されており、拡散層２１と電気的に接続されている。このため、パッド４０ｄに定電位（例えばグランド電位）を印加することで、配線３７ｄを通じて拡散層２１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。
【００５３】
これらパッド４０（４０ａ〜４０ｄ）は、ボンディングワイヤ１１５が接続された状態で、保護ゲル６０によって被覆される。保護ゲル６０は、アルミニウムからなるパッド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。この保護ゲル６０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。
【００５４】
このため、塗布した時点では、保護ゲル６０が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６０が、湿度検出部３０側に流動し、感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）に付着すると、感湿膜３５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、基板２０の一面２０ａにおいて湿度検出部３０とパッド４０の間には、パッド４０周辺に塗布した保護ゲル６０が、湿度検出部３０側への流入し、感湿膜３６に付着するのを抑制するためのダム部５０が形成されている。
【００５５】
このダム部５０は、感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）と同一材料を用いて形成されている。このため、感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）と同一工程で形成することができる。本実施形態では、図２に示すように、基板２０における平面矩形状の一面２０ａにおいて、矩形の１辺に沿う一端側に湿度検出部３０が形成され、他端にパッド４０が形成されている。そして、基板２０の一面２０ａにおいて湿度検出部３０の形成領域とパッド４０の形成領域とを分割するように、平面矩形状の基板２０の相対する一方の辺から他方の辺にわたって形成されている。このダム部５０は、感湿膜３５とほぼ同じ厚さを有している。
【００５６】
次に、上記した容量式湿度センサ１０の製造方法の一例について説明する。
【００５７】
先ず、ウェハ状態のシリコンからなる基板２０を準備し、熱酸化により一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基板２０の一面側表層に不純物をイオン注入し、拡散層２１を形成した後、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２２とする。次いで、絶縁膜２２の所定位置にコンタクトホール２２ａを形成した後、基板２０の一面２０ａ全域にアルミニウムを堆積させ、パターニングにより、各電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ、パッド４０（４０ａ〜４０ｄ）を含む配線３７（３７ａ〜３７ｄ）を形成する。このように、湿度検出部３０を構成する電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂを、同一面上に同一材料を用いて同一の工程で形成する。
【００５８】
次いで、基板２０の一面２０ａ全域に保護膜３６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（４０ａ〜４０ｄ）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３５（３５ａ，３５ｂ）及びダム部５０を形成する。このように、湿度検出部３０を構成する感湿膜３５と同一材料を用いて同一の工程で、ダム部５０を形成する。
【００５９】
次いで、基板２０をダイシングし、チップ単位とする。これにより、容量式湿度センサ１０を得ることができる。なお、得られた容量式湿度センサ１０を、ケース１１０と一体成形されたアイランド１１１に搭載し、アイランド１１２に搭載した回路チップ１１３と、ボンディングワイヤ１１５により接続する。そして、パッド４０周辺及びボンディングワイヤ１１５が覆われるように、ディスペンサなどを用いて保護ゲル６０を塗布し、塗布した保護ゲル６０を硬化させるなどして、湿度検出装置１００を得ることができる。
【００６０】
次に、容量式湿度センサ１０が備える容量素子３１，３２及びその処理回路について説明する。
【００６１】
図６に示されるように、雰囲気の相対湿度に応じて容量値が変化する検出容量素子３１（容量Ｃｍ）と、同じく雰囲気の相対湿度に応じて容量値が変化する参照容量素子３２（容量Ｃｒ）とは直列接続されている。一方、回路チップ１１３には、処理回路として、これら容量素子３１，３２の容量差を電圧値に変換するＳＣ（スイッチドキャパシタ）回路１２０などが構成されている。
【００６２】
ＳＣ回路１２０は、図６に示すように、例えば５Ｖの同一の振幅で且つ１８０度の位相差を有する矩形波である搬送波１及び搬送波２を容量Ｃｍ，Ｃｒに対してそれぞれ印加する発振回路１２１、例えば２．５Ｖのバイアス電圧を出力する基準電圧源１２２、容量Ｃｍ，Ｃｒの中点電位とバイアス電圧とを差動増幅する差動増幅回路１２３、所定容量を有するコンデンサ１２４、アナログスイッチ１２５、及び図示しないサンプルホールド回路などを備える。
【００６３】
このように構成されたＳＣ回路１２０で実行されるＣＶ変換の一例を図７にタイミングチャートとして示す。図７に示すように、ＳＣ回路１２０で実行されるＣＶ変換は、「リセット→サンプルホールド→搬送波切替→サンプルホールド」を一周期として繰り返し実行される。
【００６４】
例えば時刻ｔ１においてアナログスイッチ１２５がオンされると、コンデンサ１２４が放電される（リセット）。また、このコンデンサ１２４の放電と同時に、搬送波１が立ち上げられるとともに搬送波２が立ち下げられる。このとき、容量Ｃｍ＞容量Ｃｒと、容量Ｃｍの発振回路１２１側の検出用電極３３ａ（図２参照）及び容量Ｃｒの発振回路１２１側の参照用電極３４ｂ（図２参照）それぞれに印加される電圧とに応じて、これら容量Ｃｍ及び容量Ｃｒが充電される。ちなみに、容量Ｃｍの差動増幅回路１２３側の検出用電極３３ｂ及び容量Ｃｒの差動増幅回路１２３側の参照用電極３４ａ（図２参照）の電荷量は、負の電荷が多い状態になる。
【００６５】
次いで、例えば時刻ｔ２においてアナログスイッチ１２５がオフされると、電極３３ｂ，３４ａと、コンデンサ１２４の差動増幅回路１２３の反転入力端子側の電極とによって閉回路が構成され、先の時刻ｔ１から時刻ｔ２までに蓄えられた電荷量は保存される。この状態にある例えば時刻ｔ３において、ＳＣ回路１２０の出力電圧値Ｖｏがサンプリングされ、適宜の記憶保持手段に一時的に記憶される。
【００６６】
次いで、例えば時刻ｔ４において、搬送波１が立ち下げられると同時に搬送波２が立ち上げられる。このように搬送波が反転されると、電極３３ｂ，３４ａの電荷量は、正の電荷が多い状態になる。しかしながら、上記したように、電極３３ｂ，３４ａと、コンデンサ１２４の差動増幅回路１２３の反転入力端子側の電極とによって閉回路が構成されていることから、この閉回路にある電荷量は保存されている。このため、電極３３ｂ，３４ａの電荷の平衡状態から溢れた負の電荷が、コンデンサ１２４の差動増幅回路１２３の反転入力端子側の電極に移動する。この電荷の移動により、コンデンサ１２４の差動増幅回路１２３の出力端子側の電極には、正の電荷が蓄えられることになり、「蓄えられる電荷量＝容量×電位差」の関係から、移動した電荷量に比例し、コンデンサ１２４の容量値に反比例した電圧値分だけ、ＳＣ回路１２０の出力電圧値Ｖｏが変動することになる。
【００６７】
このように変動した出力電圧値ＶｏがＳＣ回路１２０の出力端子から出力される。そして、例えば時刻ｔ６において、電荷の移動が終了し安定したところで、サンプリングされ、適宜の記憶保持手段に一時的に記憶される。そして、続く時刻ｔ７から、この周期が同様に開始される。
【００６８】
なお、最終的には、上記時刻ｔ６においてサンプリングした電圧値から、上記時刻ｔ３においてサンプリングした電圧値を差動演算した値に基づいて、雰囲気の相対湿度が検出される。
【００６９】
このように、容量式湿度センサ１０における検出容量素子３１と参照容量素子３２との容量差が、ＣＶ変換回路（ＳＣ回路１２０）により電圧値に変換され、この電圧値に基づいて雰囲気の相対湿度が検出される。このため、上記図４に示した検出容量素子３１（容量Ｃｍ）の傾きと、参照容量素子３２（容量Ｃｒ）の傾きについて、これら傾きの差を大きくするほど、湿度変化に対する容量差の変化量が大きくなる。すなわち、容量式湿度センサ１０の感度を高めることができる。
【００７０】
次に、容量式湿度センサ１０の感度を高めつつ体格を小型化できる、電極間隔ｄｍ，ｄｒについて説明する。
【００７１】
本実施形態では、参照容量素子３２にも感湿膜３５（参照用感湿膜３５ｂ）を設けており、参照容量素子３２の容量値も相対湿度に応じて変化する。このため、容量式湿度センサ１０の感度は、参照容量素子３２が感湿膜３５を有さない構成に較べて低くなる。したがって、感度の観点から、参照容量素子３２の傾き、換言すれば相対湿度０％（以下、０％ＲＨと示す）のときの容量値Ｃ１に対する相対湿度１００％（以下、１００％ＲＨと示す）のときの容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１、をできるだけ小さくする（１に近づける）ことが好ましい。なお、検出容量素子３１の傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）をより大きくすることで感度を高めることも考えられるが、この場合、検出容量素子３１、ひいては容量式湿度センサ１０の体格が増大してしまう。
【００７２】
ここで、検出容量素子３１の傾き、すなわち容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１は、次式で示すことができる。
（数３）
Ｃ２／Ｃ１＝（ε２・ε０・Ｓｍ／ｄｍ）／（ε１・ε０・Ｓｍ／ｄｍ）＝ε２／ε１
なお、ε０は真空の誘電率、ε１は検出容量素子３１を構成する誘電体の０％ＲＨのときの比誘電率、ε２は同誘電体の１００％ＲＨのときの比誘電率、Ｓｍは検出用電極３３ａ，３３ｂ間の対向面積である。
【００７３】
一方、参照容量素子３２の傾き、すなわち容量値Ｃ２の比Ｃ２／Ｃ１は、次式で示すことができる。
（数４）
Ｃ２／Ｃ１＝（ε４・ε０・Ｓｒ／ｄｒ）／（ε３・ε０・Ｓｒ／ｄｒ）＝ε４／ε３
なお、ε３は参照容量素子３２を構成する誘電体の０％ＲＨのときの比誘電率、ε４は同誘電体の１００％ＲＨのときの比誘電率、Ｓｒは参照用電極３４ａ，３４ｂ間の対向面積である。
【００７４】
このように、検出容量素子３１の傾きは、ε２／ε１で決定される。また、参照容量素子３２の傾きは、ε４／ε３で決定される。上記したように、本実施形態では、検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂが同じ構成材料により同じ厚さを有して形成されている。また、検出用電極３３ａ，３３ｂと参照用電極３４ａ，３４ｂが同じ構成材料により同じ幅及び同じ厚さを有して形成されている。このため、上記した数式３，４において、ε１＝ε３、ε２＝ε４となり、検出容量素子３１と参照容量素子３２とにおいて、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）と電極間隔との関係が共通（同じ）となる。したがって、お互いの電極間隔ｄｍ，ｄｒにより、傾きの大小関係が決定される。
【００７５】
図８は、電極間隔と傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）との関係について、本発明者が検討したシミュレーション結果を示している。このシミュレーションにおいては、基板２０を厚さ４００μｍのシリコン、絶縁膜２２を厚さ０．５２５μｍ±０．０５２５μｍの二酸化シリコン、対をなす電極を厚さ０．７μｍ±０．０７μｍ、幅４μｍ±０．４μｍのアルミニウム、保護膜３６を厚さ１．６μｍ±０．１６μｍの窒化シリコン、感湿膜３５を厚さ２μｍ±０．２μｍ、０％ＲＨの比誘電率２．８、１００％ＲＨの比誘電率３．２のポリイミドとした。
【００７６】
図８に示すように、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）は、電極間隔８μｍで最大となり、電極間隔８μｍ以下では、電極間隔の増加にともなって増加する。また、電極間隔が８μｍを越えると電極間隔の増加にともなって減少する。電極間隔と傾きとの関係がこのような傾向を示すのは、以下の理由によるものと考えられる。図９は、容量を構成する対向容量とフリンジ容量を説明するための断面図であり、容量素子３１，３２のうち、検出容量素子３１（容量Ｃｍ）側を例示している。なお、便宜上、フリンジ容量のうち、上面３９側のみを示している。
【００７７】
感湿膜３５（検出用感湿膜３５ａ）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、図９に示すように水分１３０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、検出用電極３３ａ，３３ｂ間に形成される容量Ｃｍに対して感湿膜３５（３５ａ）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。図９に示すように、検出容量素子３１の容量は、対向配置された一対の検出用電極３３ａ，３３ｂにおいて、対向面３８間に形成される対向容量と、基板２０と対向する下面間及び該下面と反対の上面３９間をそれぞれ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。
【００７８】
この容量成分のうち、図９に示すように、特に上面３９間を回り込むフリンジ容量は、一般的に検出用電極３３ａ，３３ｂの厚さ（対向面３８の高さ）よりも幅（上面３９の長さ）のほうが広い、上面３９間を回りこむことで介在される感湿膜３５（３５ａ）が多いため、感湿膜３５（３５ａ）の影響を大きく受ける。したがって、容量として、フリンジ容量の影響が大きくなると、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）が大きくなる。上記したように、電極間隔ｄｍの増加にともない、間隔８μｍまで傾きが増加するのは、電極間隔ｄｍが狭いと対向容量の影響が大きく（換言すれば感湿膜３５の影響が小さく）、電極間隔ｄｍの増加にともないフリンジ容量の影響が大きくなる（換言すれば感湿膜３５の影響が大きくなる）ためであると考えられる。また、間隔８μｍを越えると傾きが小さくなるのは、電極間隔ｄｍが広くなり、上面３９間でフリンジ容量を形成しにくくなるためであると考えられる。なお、この点については、参照容量素子３２（容量Ｃｒ）でも同じである。
【００７９】
これに対し、本実施形態では、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍ及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔８μｍよりも狭く、且つ、検出容量素子３１が参照容量素子３２よりも容量値の比Ｃ２／Ｃ１が大きくなるように、電極間隔ｄｍ，ｄｒを設定している。具体的には、電極間隔ｄｍ，ｄｒを、ともに傾きが最大値を示す間隔８μｍよりも狭い間隔としている。そして、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍよりも狭い値としている。詳しくは、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍを、フリンジ容量の影響が大きい間隔、具体的には７．５μｍとしている。これにより、検出容量素子３１の傾きは、１．０６５程度となっている。
一方、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、フリンジ容量の影響が小さい間隔としている。これにより、参照容量素子３２の傾きは、１．０３５程度となっている。
【００８０】
このように、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも容量値の比Ｃ２／Ｃ１が大きくなるように電極間隔ｄｍ，ｄｒが設定されるため、容量式湿度センサ１０の感度を高めることができる。
【００８１】
また、参照容量素子３２より検出容量素子３１の容量値の比Ｃ２／Ｃ１が大きい範囲で、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍ及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭くする。すなわち、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、フリンジ容量の影響が小さい間隔とする。したがって、参照容量素子３２の体格、ひいては容量式湿度センサ１０の体格を小型化することができる。
【００８２】
このように本実施形態によれば、検出容量素子３１と参照容量素子３２が基板２０上の同一面２０ａに形成され、参照容量素子３２も感湿膜３５（参照用感湿膜３５ｂ）を有する容量式湿度センサ１０において、感度を高めつつ従来よりも体格を小型化することができる。
【００８３】
特に本実施形態では、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍを、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔以下としている。このため、上記したように感度を高めつつ、検出容量素子３１の体格を小型化し、ひいては容量式湿度センサ１０の体格をより小型化することができる。
【００８４】
なお、上記したように、電極間隔が傾きの最大を示す間隔（図８において８μｍ）を越えると、電極間隔の増加にともなって傾きが減少する。したがって、容量値の比Ｃ２／Ｃ１が最大となる電極間隔を越える範囲において、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍよりも大きくすることで、検出容量素子３１の傾きと参照容量素子３２の傾きの差を大きくして感度を高めることも考えられる。しかしながら、この場合、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒを大きくしなければならず、参照容量素子３２、ひいては容量式湿度センサ１０の体格を小型化するのが困難である。
【００８５】
また、本実施形態では、水分による腐食から各電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂを保護するための保護膜３６が、検各電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂをそれぞれ覆って配置されている。このため、参照用感湿膜３５ｂと保護膜３６とにより、参照用電極３４ａ，３４ｂの腐食を効果的に抑制することができる。また、検出用電極３３ａ，３３ｂについても、その腐食を効果的に抑制することができる。その上で、検出用感湿膜３５ａ及び参照用感湿膜３５ｂは、保護膜３６上に形成されている。このため、本実施形態では、対向容量が主として保護膜３６を誘電体とするのに対し、上面３９間のフリンジ容量が主として感湿膜３５を誘電体とする。したがって、保護膜３６を有さず、電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂに接して感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）が配置される構成に較べて、電極間隔による傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）の変化幅を大きくすることができる。これにより、検出容量素子３１の傾きと参照容量素子３２の傾きの差を大きくすることができる。
【００８６】
ところで、電極間隔ｄｍが狭いと、図１０（ａ）に示すように、検出用電極３３ａ，３３ｂ間の部分に対応して保護膜３６に形成される溝部３６ａの開口幅が狭くなる。図１０（ａ）では、電極間隔ｄｍが１．５μｍの場合のＳＥＭにより確認された断面構造を示している。このように、溝部３６ａの開口幅が狭いと、溝部３６ａ内に位置する感湿膜３５（検出用感湿膜３５ａ）に吸着された水分が蒸発しにくいため、図１１に示すように、相対湿度の上昇時と低下時とで、同じ相対湿度でも容量値に差、すなわちヒステリシスが生じる。なお、図１１では、電極間隔ｄｍが１．５μｍの結果を示している。そして、図１１に破線矢印で示すヒステリシスの大きさは、図１２に示すように、相対湿度の２０％分の変化に相当する。
【００８７】
なお、図１２に示すように、電極間隔ｄｍがより狭い１．０μｍの場合のヒステリシス大きさは、相対湿度の４３％分の変化に相当する。
【００８８】
一方、電極間隔ｄｍが広いと、図１０（ｂ）に示すように、検出用電極３３ａ，３３ｂ間の部分に対応して保護膜３６に形成される溝部３６ａの開口幅も広くなる。図１０（ｂ）では、電極間隔ｄｍが３．０μｍの場合のＳＥＭにより確認された断面構造を示している。このように、溝部３６ａの開口幅が広いと、溝部３６ａ内に位置する感湿膜３５（検出用感湿膜３５ａ）に吸着された水分が蒸発しやすくなり、上記ヒステリシスを低減することができる。図１２に示すように、電極間隔ｄｍが３．０μｍの場合のヒステリシスの大きさは、相対湿度９％分程度の変化に相当する。なお、上記においては、電極間隔ｄｍについて説明したが、電極間隔ｄｒについても同じである。
【００８９】
本実施形態では、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒ及び検出容量素子３１の電極間隔ｄｍを、ともに保護膜３６の厚さと電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂの厚さとの和以上としている。上記シミュレーションのパラメータで示したように、本実施形態では、対をなす電極を厚さを０．７μｍ±０．０７μｍ、保護膜３６の厚さを１．６μｍ±０．１６μｍとしている。そして、厚さの和の最大値２．５７μｍにマージンを加味した値３μｍ（図８の一点鎖線）未満とならないように、電極間隔ｄｍ，ｄｒを設定している。これにより、図１０（ｂ）に示したように、電極間の部分に対応して保護膜３６に形成される溝部３６ａの開口幅を、溝部３６ａ内に位置する感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）に吸着された水分が蒸発するために十分な広さとすることができる。このため、上記ヒステリシスを低減することができる。
【００９０】
また、本実施形態では、検出用電極３３ａ，３３ｂ及び参照用電極３４ａ，３４ｂを、それぞれ櫛歯形状としている。これによれば、一対の検出用電極３３ａ，３３ｂの対向面積、及び、一対の参照用電極３４ａ，３４ｂの対向面積を大きくすることができるため、体格の増大を抑制しつつ容量式湿度センサ１０の感度をより高めることができる。
【００９１】
また、本実施形態では、検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂを、１つの感湿膜３５として一体的に形成している。このため、構成を簡素化することができる。また、１つの感湿膜３５として基板２０との接着面積が増加することとなるので、検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂとを別体とする構成に較べて、感湿膜が剥離しにくくなる。特に、ダイシング時の剥離を抑制することができる。
【００９２】
（変形例）
上記実施形態では、検出容量素子３１の電極間隔ｄｍを、容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）が最大を示す間隔とは異なる値とする例を示した。しかしながら、より好ましくは、電極間隔ｄｍを、容量値の比Ｃ２／Ｃ１が最大を示す間隔（図８では８μｍ）とすると良い。これによれば、検出容量素子３１の傾きが最大となるため、検出容量素子３１と参照容量素子３２の傾きの差をより大きくすることができる。すなわち、容量式湿度センサ１０の感度をより高めることができる。
【００９３】
また、参照容量素子３２の電極間隔ｄｒについても、上記した４．５μｍに限定されるものではない。例えば容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）が最大を示す間隔の１／２以下の間隔とすると、参照容量素子３２の傾きがより小さくなり（１に近づき）、これにより感度を高めることができる。図８に示す例では、電極間隔ｄｒを４μｍ以下とすれば良い。また、上記したヒステリシスを低減できる範囲で、できる限り狭くしたほうが、検出容量素子３１と参照容量素子３２の傾きの差をより大きくすることができる。すなわち、容量式湿度センサ１０の感度をより高めることができる。上記実施形態では、４．５μｍの例を示したが、例えば電極間隔ｄｒを３μｍとすると、感度をより高めることができる。
【００９４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述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。
【００９５】
検出用電極３３ａ，３３ｂと参照用電極３４ａ，３４ｂの本数は上記例に限定されるものではない。対をなす検出用電極３３ａと検出用電極３３ｂとを、それぞれ少なくとも１本有すれば良い。また、対をなす参照用電極３４ａと参照用電極３４ｂとを、それぞれ少なくとも１本有すれば良い。
【００９６】
参照容量素子３２の電極間隔ｄｒと検出容量素子３１の電極間隔ｄｍは、電極間隔ｄｒが電極間隔ｄｍ及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１（傾き）の最大値を示す間隔よりも狭く、且つ、検出容量素子３１のほうが参照容量素子３２よりも容量値の比Ｃ２／Ｃ１が大きい、との関係を少なくとも満たして設定されれば良い。したがって、上記実施形態とは異なり、電極間隔ｄｍを、傾き（容量値の比Ｃ２／Ｃ１）が最大を示す間隔よりも広い間隔としても良い。また、電極間隔ｄｍ，ｄｒを３μｍ未満としてもよい。さらには、電極間隔ｄｍ，ｄｒを、保護膜３６と電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂの厚さとの和未満としてもよい。
【００９７】
本実施形態では、容量式湿度センサ１０の基板２０が、拡散層２１、該拡散層２１に電気的に接続される配線３７ｄ及びパッド４０ｄを有する例を示したが、これらを有さない構成としても良い。
【００９８】
本実施形態では、回路チップ１１３が容量式湿度センサ１０と別チップとして構成される例を示したが、回路チップ１１３の処理回路を、容量式湿度センサ１０を構成する基板２０に集積し、１チップ化しても良い。
【００９９】
本実施形態では、検出用感湿膜３５ａと参照用感湿膜３５ｂが、１つの感湿膜３５として一体化されている例を示したが、分離された構成としても良い。
【０１００】
本実施形態では、電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ上に保護膜３６が配置され、この保護膜３６上に感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）が配置される例を示した。しかしながら、保護膜３６を有さず、電極３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ上に感湿膜３５（３５ａ，３５ｂ）が直接配置された構成としても良い。
【０１０１】
本実施形態では、感湿膜３５と同一材料からなるダム部５０の例を示したが、ダム部５０の構成は上記例に限定されるものではない。また、ダム部５０を有さない構成としても良い。
【符号の説明】
【０１０２】
１０・・・容量式湿度センサ
２０・・・基板
２０ａ・・・一面
３１・・・検出容量素子
３２・・・参照容量素子
３３ａ，３３ｂ・・・検出用電極
３４ａ，３４ｂ・・・参照用電極
３５・・・感湿膜
３５ａ・・・検出用感湿膜
３５ｂ・・・参照用感湿膜
３６・・・保護膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共通の基板（２０）に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出容量素子（３１）と、容量値の湿度変化に対する傾きが前記検出容量素子（３１）と異なる参照容量素子（３２）と、が形成された容量式湿度センサであって、
前記検出容量素子（３１）は、前記基板（２０）上の同一面（２０ａ）において対向配置された一対の検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と、該検出用電極（３３ａ，３３ｂ）を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する検出用感湿膜（３５ａ）と、を有し、
前記参照容量素子（３２）は、前記検出用電極（３３ａ，３３ｂ）の配置面（２０ａ）において対向配置された一対の参照用電極（３４ａ，３４ｂ）と、該参照用電極（３４ａ，３４ｂ）を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する参照用感湿膜（３５ｂ）と、を有し、
前記検出用感湿膜（３５ａ）と前記参照用感湿膜（３５ｂ）は、同じ構成材料により同じ厚さを有して形成されており、
前記検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と前記参照用電極（３４ａ，３４ｂ）は、同じ構成材料により同じ幅及び同じ厚さを有して形成されるとともに、
各容量素子（３１，３２）の相対湿度０％での容量値（Ｃ１）に対する相対湿度１００％での容量値（Ｃ２）の比（Ｃ２／Ｃ１）を前記傾きとすると、
前記参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）は、前記検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭く、且つ、容量値の比Ｃ２／Ｃ１は、前記検出容量素子（３１）が前記参照容量素子（３２）よりも大きい、との関係を満たして、前記電極間隔（ｄｒ，ｄｍ）が設定されていることを特徴とする容量式湿度センサ。
【請求項２】
前記検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）は、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の容量式湿度センサ。
【請求項３】
前記検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）は、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔とされていることを特徴とする請求項２に記載の容量式湿度センサ。
【請求項４】
水分による腐食から各電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）を保護するための保護膜（３６）が、各電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）を覆って配置され、
前記検出用感湿膜（３５ａ）及び前記参照用感湿膜（３５ｂ）は、前記保護膜（３６）上に形成されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【請求項５】
前記参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）及び前記検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）は、前記保護膜（３６）の厚さと前記電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）の厚さとの和以上に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の容量式湿度センサ。
【請求項６】
前記検出用電極（３３ａ，３３ｂ）及び前記参照用電極（３４ａ，３４ｂ）は、それぞれ櫛歯形状をなしていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【請求項７】
前記検出用感湿膜（３５ａ）と前記参照用感湿膜（３５ｂ）は、１つの感湿膜（３５）として一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【請求項１】
共通の基板（２０）に、周囲の湿度変化に応じて容量値が変化する検出容量素子（３１）と、容量値の湿度変化に対する傾きが前記検出容量素子（３１）と異なる参照容量素子（３２）と、が形成された容量式湿度センサであって、
前記検出容量素子（３１）は、前記基板（２０）上の同一面（２０ａ）において対向配置された一対の検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と、該検出用電極（３３ａ，３３ｂ）を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する検出用感湿膜（３５ａ）と、を有し、
前記参照容量素子（３２）は、前記検出用電極（３３ａ，３３ｂ）の配置面（２０ａ）において対向配置された一対の参照用電極（３４ａ，３４ｂ）と、該参照用電極（３４ａ，３４ｂ）を覆って設けられ、水分の吸着により比誘電率が変化する参照用感湿膜（３５ｂ）と、を有し、
前記検出用感湿膜（３５ａ）と前記参照用感湿膜（３５ｂ）は、同じ構成材料により同じ厚さを有して形成されており、
前記検出用電極（３３ａ，３３ｂ）と前記参照用電極（３４ａ，３４ｂ）は、同じ構成材料により同じ幅及び同じ厚さを有して形成されるとともに、
各容量素子（３１，３２）の相対湿度０％での容量値（Ｃ１）に対する相対湿度１００％での容量値（Ｃ２）の比（Ｃ２／Ｃ１）を前記傾きとすると、
前記参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）は、前記検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）及び容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔よりも狭く、且つ、容量値の比Ｃ２／Ｃ１は、前記検出容量素子（３１）が前記参照容量素子（３２）よりも大きい、との関係を満たして、前記電極間隔（ｄｒ，ｄｍ）が設定されていることを特徴とする容量式湿度センサ。
【請求項２】
前記検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）は、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔以下とされていることを特徴とする請求項１に記載の容量式湿度センサ。
【請求項３】
前記検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）は、容量値の比Ｃ２／Ｃ１の最大値を示す間隔とされていることを特徴とする請求項２に記載の容量式湿度センサ。
【請求項４】
水分による腐食から各電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）を保護するための保護膜（３６）が、各電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）を覆って配置され、
前記検出用感湿膜（３５ａ）及び前記参照用感湿膜（３５ｂ）は、前記保護膜（３６）上に形成されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【請求項５】
前記参照容量素子（３２）の電極間隔（ｄｒ）及び前記検出容量素子（３１）の電極間隔（ｄｍ）は、前記保護膜（３６）の厚さと前記電極（３３ａ，３３ｂ，３４ａ，３４ｂ）の厚さとの和以上に設定されていることを特徴とする請求項４に記載の容量式湿度センサ。
【請求項６】
前記検出用電極（３３ａ，３３ｂ）及び前記参照用電極（３４ａ，３４ｂ）は、それぞれ櫛歯形状をなしていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【請求項７】
前記検出用感湿膜（３５ａ）と前記参照用感湿膜（３５ｂ）は、１つの感湿膜（３５）として一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の容量式湿度センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−２４７２２３（Ｐ２０１２−２４７２２３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７１９５（Ｐ２０１１−１１７１９５）
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２５日（２０１１．５．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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