湿度センサ装置及びその自己診断方法
【課題】 自己診断を行うことができる湿度センサ装置及びその自己診断方法を提供すること。
【解決手段】 周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部１００と、センサ部１００の検出信号を処理して湿度に応じた信号を出力する信号処理部３００とを備える湿度センサ装置５００であって、センサ部１００を加熱する加熱部２００と、少なくとも自己診断を行う期間において、センサ部１００の容量が所定の湿度における値となるように、加熱部２００による加熱を制御する制御部４００と、をさらに備える構成とした。これにより、自己診断（センサ装置の故障診断）を行うことができる。
【解決手段】 周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部１００と、センサ部１００の検出信号を処理して湿度に応じた信号を出力する信号処理部３００とを備える湿度センサ装置５００であって、センサ部１００を加熱する加熱部２００と、少なくとも自己診断を行う期間において、センサ部１００の容量が所定の湿度における値となるように、加熱部２００による加熱を制御する制御部４００と、をさらに備える構成とした。これにより、自己診断（センサ装置の故障診断）を行うことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部と、センサ部の検出信号を処理して湿度に応じた信号を出力する信号処理部とを備える湿度センサ装置及びその自己診断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、対向配置された一対の電極間の容量に基づいて、物理量を検出する容量式物理量検出装置として、例えば本出願人は特許文献１を開示している。
【０００３】
この容量式物理量検出装置によると、物理量（例えば加速度）の変化に応じて変位する可動電極と対向配置された固定電極との間の容量変化を、スイッチトキャパシタ構成のＣ−Ｖ変換回路にて電圧の変化とし、信号処理することにより物理量の変化に応じた信号を出力することができる。
【０００４】
また、自己診断時の信号（所定の電圧）を可動電極と固定電極との間に周期的に印加することにより、可動電極と固定電極との間に静電気力を発生させて、可動電極に擬似的に物理量が発生した状態にすることができる。すなわち、自己診断を行うことができる。
【特許文献１】特開２０００−８１４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、物理量として湿度を検出する構成の場合、対向配置された一対の電極は固定配置であり、一対の電極間に所定の電圧を強制的に印加したとしても、擬似的に物理量が発生した状態にすることが困難である。すなわち、自己診断を行うことができない。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑み、自己診断を行うことができる湿度センサ装置及びその自己診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する為に、請求項１〜１３に記載の発明は、周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部と、センサ部の検出信号を処理して湿度に応じた信号を出力する信号処理部とを備える湿度センサ装置に関するものである。
【０００８】
先ず請求項１に記載のように、センサ部を加熱する加熱部と、少なくとも自己診断を行う期間において、センサ部の容量が所定の湿度における値となるように、加熱部による加熱を制御する制御部と、をさらに備えることを特徴とする。
【０００９】
このように本発明によると、強制的に所定の湿度状態にすることができる。したがって、このときの出力値をその湿度状態で取るべき出力値と比較することにより、自己診断（センサ装置の故障診断）を行うことができる。
【００１０】
尚、所定の湿度としては、請求項２に記載のように、加熱によって湿度状態を形成しやすい略０％ＲＨとすることが好ましい。しかしながら、略０％ＲＨに限定されるものではない。
【００１１】
具体的には、例えば請求項３に記載のように、センサ部を、基板と、基板の表面上に離間して対向配置された一対の検出電極及び当該検出電極と検出電極間を覆うように基板上に設けられ、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜を有する検出部と、検出電極と同一の平面上に設けられ、検出電極と略同一構成の一対の参照電極を有する参照容量部とにより構成し、信号処理部が、検出部の容量値と参照容量部の容量値との容量差を電圧に変換するスイッチトキャパシタ構成のＣ−Ｖ変換部を備える構成において、加熱部を、基板に設けられた発熱素子とすると良い。この場合、周知の印刷技術や半導体プロセスによって加熱部を容易に形成することができる。また、センサ装置の体格を小型化することができる。尚、加熱部がセンサ部とは別体に設けられた構成としても良い。
【００１２】
請求項４に記載のように、基板が半導体基板の場合、信号処理部を半導体基板に設け、発熱素子を信号処理部の一部として構成することもできる。この場合、信号処理部を構成する素子を発熱素子として適用するので、構成を簡素化することができる。尚、基板は、ガラス基板や樹脂基板等の絶縁基板を用いることが可能であるが、絶縁膜を備える半導体基板を用いることで、半導体プロセスによってセンサ装置を形成することができる。従って、製造コストを低減することができる。
【００１３】
発熱素子としては、例えば請求項５に記載のように、通電により発熱するヒータ電極としての抵抗体を適用することができる。この場合、請求項６に記載のように、絶縁層を介して検出電極及び参照電極の下部に設けた構成としても良いし、請求項７に記載のように、感湿膜上に設けた構成としても良い。
【００１４】
感湿膜上に設けると、感湿膜中の水分子を早く蒸発させて所定の湿度状態とすることができるので、自己診断時間を短縮することができる。しかしながら、水分子の感湿膜への侵入や感湿膜からの蒸発が抵抗体によって阻害され、応答性が低下することも考えられる。従って、例えば請求項８に記載のように、抵抗体に透湿性を持たせた構成とすると良い。
【００１５】
さらには、請求項６〜８いずれかに記載の発明において、請求項９に記載のように、抵抗体の幅を、検出電極及び参照電極の対向部分の幅と略同等とし、対向部分に対応した構成とすると良い。特に検出電極及び参照電極の下部に抵抗体を設けた構成においては、上記構成の抵抗体を設けることで、検出電極の位置が高くなり、検出電極間に介在する感湿膜量が増加して、容量変化を大きくとることができる。すなわち、感度が向上される。
【００１６】
また、請求項１０に記載のように、抵抗体を、検出電極及び参照電極と同一の平面上に設けた構成とすることもできる。この場合、抵抗体を、検出電極及び参照電極の同一の材料で構成することも可能であり、製造コストを低減することができる。具体的には、請求項１１に記載のように、一対の検出電極間及び一対の参照電極間に設けた構成としても良い。それ以外にも、検出電極及び参照電極の周囲に設けた構成としても良い。
【００１７】
発熱素子としては、抵抗体に限定されるものでない。半導体基板においては、請求項１２に記載のように、発熱素子としてトランジスタ及びダイオードの少なくとも一方を適用することができる。トランジスタの場合、ゲート又はドレイン領域に対応して検出電極及び参照電極を設けた構成とすれば良い。ダイオードの場合、検出電極及び参照電極の周囲にダイオードを設けた構成とすれば良い。
【００１８】
請求項１３に記載のように、検出電極及び参照電極を覆うように基板上に形成された保護膜を備え、感湿膜は保護膜上に設けられていることが好ましい。この場合、水分から電極を確実に保護することが可能となり、各電極の水分に対する耐食性が向上される。
【００１９】
請求項１４，１５に記載の湿度センサ装置の自己診断方法の作用効果は、請求項１，２に記載の湿度センサ装置の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。尚、本実施形態においては、容量式の湿度センサ装置として、所謂櫛歯電極構造の湿度センサ装置を例にとり説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態の湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。尚、図１（ａ）においては、便宜上、検出電極、参照電極、及びヒータ電極を図示している。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、センサ部１００は、湿度に応じて容量が変化する検出部１０１と、基準容量を形成する参照容量部１０２とにより構成されている。また、本実施形態においては、加熱部２００として、発熱素子であるヒータ電極２０１がセンサ部１００と同一の基板に形成されている。尚、符号２０２はヒータ電極２０１の端部に設けられたパッドである。
【００２２】
図１（ｂ）において、符号１１０は基板としての半導体基板であり、本実施形態においてはｐ型シリコンから形成されている。そして、半導体基板１１０の上面に、第１の絶縁膜１２０（例えばＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon））が形成されている。そして、第１の絶縁膜１２０上の所定位置に加熱部２００としてのヒータ電極２０１が形成されている。
【００２３】
ヒータ電極２０１は、自己診断時に発熱し、センサ部１００を構成する感湿膜（後述する）中の水分子を蒸発させて感湿膜中の水分量を調整し、所定の湿度状態を作り出すことを目的として形成されたものである。従って、検出部１０１の周囲に形成されることが好ましい。本実施形態においては、加熱による影響を相殺するために、検出部１０１だけでなく参照容量部１０２にも対応してヒータ電極２０１が形成されている。尚、ヒータ電極２０１の形状については後述する。
【００２４】
ヒータ電極２０１の構成材料としては、通電により発熱するものであれば適用が可能である。しかしながら、自己診断時間を短縮するために、数Ω以上のシート抵抗値を有するものが好ましく、例えばｐｏｌｙＳｉやＣｒ−Ｓｉ等の配線材料を適用することができる。その際、第１の絶縁膜１２０上に蒸着やスパッタリング等の手法によって付着させ、フォトリソグラフィー処理により、パターニングすれば良い。本実施形態において、ヒータ電極２０１は、ｐｏｌｙＳｉを用いて形成されている。
【００２５】
ヒータ電極２０１を含む第１の絶縁膜１２０上には、第２の絶縁膜１３０（例えば酸化シリコン膜）が形成されており、一対の検出電極１４１，１４２が、第２の絶縁膜１３０上の同一平面において、離間して対向配置されている。
【００２６】
検出電極１４１，１４２の形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、図１（ａ）に示されるように、それぞれの検出電極１４１，１４２の形状として櫛歯形状を採用している。このように櫛歯形状とすると、検出電極１４１，１４２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１４１，１４２間の静電容量の変化量が大きくなり、湿度センサ装置の感度が向上する。
【００２７】
検出電極１４１，１４２は、例えばアルミ、銅、金、白金、ｐｏｌｙＳｉ等の配線材料を半導体基板１１０上に蒸着やスパッタリング等の手法によって付着させ、その後、フォトリソグラフィー処理により、櫛歯状パターンにパターニングすることによって形成される。本実施形態において、検出電極１４１，１４２はアルミを用いて形成されている。
【００２８】
また、検出電極１４１，１４２に隣接して、一対の参照電極１４３，１４４が、第２の絶縁膜１３０上の同一平面において、離間して対向配置されている。この参照電極１４３，１４４は、検出電極１４１，１４２と同一の材料を用いて、同一パターンに形成されている。尚、図１（ａ）において、符号１４５は検出電極１４１のパッド、符号１４６は検出電極１４２と参照電極１４３の共通パッド、符号１４７は、参照電極１４４のパッドを示している。
【００２９】
そして、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４を覆うように、半導体基板１１０上に保護膜１５０として窒化シリコン膜が形成される。この保護膜１５０は、例えばプラズマＣＶＤ法等により、半導体基板１１０上の各部において同じ厚さをもつように堆積形成される。但し、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４に水分に対する耐食性がある場合には、保護膜１５０を形成しなくとも良い。尚、図２（ａ）においては、便宜上、保護膜を省略している。尚、
保護膜１５０の上には、検出電極１４１，１４２及び検出電極１４１，１４２間を覆うように、例えばポリイミド系ポリマーからなる吸湿性を備えた感湿膜１６０が形成されている。感湿膜１６０は、ポリイミド系ポリマーの前駆体（ポリアミド酸）をスピンコート法や印刷法にて塗布後、加熱硬化することにより形成することができる。
【００３０】
感湿膜１６０中に水分子が浸透すると、水分子は比誘電率が大きいため、その浸透した水分量に応じて、感湿膜１６０の比誘電率が変化する。その結果、感湿膜１６０を誘電体の一部として検出電極１４１，１４２によって構成されるコンデンサの静電容量が変化する。それに対し、参照電極１４３，１４４には感湿膜１６０が設けられていないため、参照電極１４３，１４４によって構成されるコンデンサの静電容量は、変化しないか、変化しても僅かである。感湿膜１６０内に含まれる水分量は、センサ部１００の周囲の湿度に対応するため、検出電極１４１，１４２間の静電容量と参照電極１４３，１４４間の静電容量との容量差から湿度を検出することができる。尚、ヒータ電極２０１を除く上述した構成の部位が、特許請求の範囲で示したセンサ部１００であり、検出電極１４１，１４２及び感湿膜１６０を含む部位が検出部１０１、参照電極１４３，１４４を含む部位が参照容量部１０２である。
【００３１】
また、本実施形態においては、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４が、上述したように、同一の材料を用いて同一パターンに形成され、対応する櫛歯が同一直線上となるように隣り合って配置されている。そして、ヒータ電極２０１が、図１（ａ）に示すように、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４の対向部分（コンデンサ構成部分）の電極幅と略同等の電極幅を有し、第２の絶縁膜１３０を介して対向部分の直下に配置されるように、蛇腹状に形成されている。
【００３２】
このように、検出電極１４１，１４２の対向部分の直下にヒータ電極２０１を形成した構成（図２（ａ））とすると、同様の構成でヒータ電極２０１を形成しない構成（図２（ｂ））や、ヒータ電極２０１を検出電極１４１，１４２の対向部分の直下ではなく、検出電極１４１，１４２の対向部分に対して千鳥状に配置された場合と比べて、保護膜１５０に窪みができ、検出電極１４１，１４２間に介在される感湿膜１６０の量が増加する。すなわち、検出電極１４１，１４２の面積を増加せずに、感度を向上することができる。尚、図２は、ヒータ電極２０１の配置による効果を説明するための概略断面図であり、（ａ）はヒータ電極２０１あり、（ｂ）はヒータ電極２０１なしの図である。
【００３３】
次に、自己診断を行うことができる湿度センサ装置５００の構成例を図３を用いて説明する。本実施形態において、信号処理部３００と、加熱部２００を構成するヒータ電極２０１の加熱を制御する制御部４００は、センサ部１００とは別の基板に構成されている。
【００３４】
信号処理部３００は、少なくとも、スイッチトキャパシタ構成のＣ−Ｖ変換部３１０と、増幅部３２０とを備えている。
【００３５】
Ｃ−Ｖ変換部３１０は、演算増幅器３１１、容量値Ｃｆを有する帰還コンデンサ３１２、及びスイッチ３１３から構成される。そして、検出部１０１を構成する検出電極１４１，１４２間に生じる容量値Ｃ１に比例する電荷と、参照部１０２を構成する参照電極１４３，１４４間に生じる容量値Ｃ２に比例する電荷との差の電荷を、帰還コンデンサ３１２に蓄積し電圧に変換して出力するものである。
【００３６】
演算増幅器３１１の反転入力端子は、パッド１４６を介して検出電極１４２及び参照電極１４３に接続されており、反転入力端子と出力端子と間には、帰還コンデンサ３１２及びスイッチ３１３が並列に接続されている。また、非反転入力端子に対して、基準電圧Ｖｒを印加する基準電圧発生回路（図示せず）が接続されている。
【００３７】
また、信号処理部３００は図示されない駆動電圧発生回路を有しており、この駆動電圧発生回路はパッド１４５から一定振幅（０〜Ｖ）で周期的に変化する搬送波Ｐ１を検出部１０１の検出電極１４１に入力し、パッド１４７から、搬送波Ｐ１と位相が１８０°ずれ且つ同一振幅である搬送波Ｐ２を参照部１０２の参照電極１４４に入力する。
【００３８】
また、スイッチ３１３は駆動電圧発生回路からのクロック信号に同期して生成されるトリガ信号によりオン／オフされ、例えば搬送波Ｐ１の立ち上がりタイミング（搬送波Ｐ２の立ち下がりタイミング）で一定時間（搬送波Ｐ１の１／２周期より短い時間）だけオンするように設定される。
【００３９】
検出期間Ｔ１において、スイッチ３１３がオンされると帰還コンデンサ３１２が放電され、基準電圧Ｖｒにリセットされる。続いてスイッチ３１３をオフし、リセット動作を完了させる。次に、搬送波Ｐ１，Ｐ２を反転させると検出電極１４１，１４２間と参照電極３１４３，１４４間から電荷（Ｃ１−Ｃ２）×Ｖが放出され、この電荷が帰還コンデンサ３１２に蓄積される。従って、演算増幅器３１１の出力端子に、基準電圧Ｖｒを基準として、センサ部１００の容量差（Ｃ１−Ｃ２）と振幅Ｖに応じた電圧Ｖｓが生じる。この電圧Ｖｓは次式で示される。
【００４０】
（数１）
Ｖｓ＝（Ｃ１−Ｃ２）／Ｃｆ×Ｖ＋Ｖｒ
このとき、周囲の湿度変化に応じて、参照部６２の容量値Ｃ２は変化しないか、変化しても僅かであり、検出部６１の容量値Ｃ１は変化する。従って、数式１に示される電圧Ｖｓを検出することにより、湿度を検出することができる。
【００４１】
増幅部３２０は、Ｃ−Ｖ変換部３１０の出力電圧Ｖｓを所定の感度まで増幅する。尚、図示しないが、増幅部３２０の直前にＣ−Ｖ変換部３１０の出力電圧Ｖｓをサンプリングして一定期間保持するサンプルホールド部を設け、増幅部３２０の直後に増幅部３２０の出力電圧から所定の周波数帯域の成分のみを取り出すローバスフィルタを設けても良い。
【００４２】
ここで、自己診断は以下のように実施される。
【００４３】
センサ部１００の検出電極１４１，１４２、参照電極１４３，１４４に駆動電圧（搬送波Ｐ１，Ｐ２）が印加されている状態で、例えば所定の周期ごとに、制御部４００は自己診断信号を加熱部２００に出力する。
【００４４】
加熱部２００において、自己診断信号を受けると、ヒータ電極２０１が通電されて発熱する。本実施形態においては、制御部４００から自己診断信号が出力されている期間、ヒータ電極２０１が通電されて発熱する構成となっており、これによりセンサ部１００の容量（容量差）が略０％ＲＨにおける値となるように制御される。尚、ヒータ電極２０１の発熱量により、感湿膜１６０から蒸発する水分量（感湿膜１６０中の水分量）が調整される（すなわち湿度状態が調整される）ので、略０％ＲＨ以外の湿度状態に調整することも可能である。しかしながら、通常検出時のセンサ出力に応じて、自己診断時のヒータ電極２０１の発熱量を制御する必要があるので装置構成が複雑化する。それに対し、本実施形態においては、通常検出時のセンサ出力に関係なく常に略０％ＲＨの状態になるような発熱量を与えるように設定（自己診断信号の出力時間）されており、これにより確実に自己診断を行うことができる。
【００４５】
尚、本実施形態においては、同一構成の検出電極１４１，１４２と参照電極１４３，１４４に対して、ヒータ電極２０１が配置されているので、加熱による影響（温特）を相殺することができる。
【００４６】
そして、感湿膜１６０中の水分量が調整、すなわち、湿度状態が調整された状態におけるセンサ部１００の出力が、Ｃ−Ｖ変換部３１０にて電圧に変換され、増幅部３２０にて所定感度まで増幅されて出力される。そして、この出力信号を例えばＥＣＵ（Electric Control Unit）にて所定のロジックで比較判定することで、湿度センサ装置５００に異常（例えば異物付着による特性変化、感湿膜異常、信号処理部故障等）がないかどうか自己診断を行うことができる。
【００４７】
尚、本実施形態においては、ＥＣＵにて比較判定する例を示した。しかしながら、信号処理部３００の一部として比較部（例えば比較器を有する構成）を備え、装置５００内で比較する構成としても良い。例えば、制御部４００からの自己診断信号有無により、増幅部３２０からの出力ラインを、通常検査ラインと、比較部を含む自己診断ラインとで切り替える構成とすればよい。
【００４８】
また、本実施形態において、信号処理部３００がセンサ部１００と別の基板に構成される例を示した。しかしながら、同一の基板に構成しても良い。基板には、ガラス基板等の絶縁基板を用いることが可能であるが、本実施形態に示すように絶縁膜を備える半導体基板１１０を用いることで、半導体プロセスを活用することができる。従って、製造コストを低減することができる。その際、発熱素子であるヒータ電極２０１を信号処理部３００と集積化することができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を、図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態における湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大平面図であり、第１の実施形態で示した図１（ａ）に対応している。尚、便宜上、検出電極、参照電極、及びヒータ電極を図示している。
【００５０】
第２の実施形態における湿度センサ装置は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００５１】
図４に示すように、本実施形態におけるヒータ電極２０１ａ，２０１ｂは、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４と同一平面上に構成されている。従って、ヒータ電極２０１ａ，２０１ｂを、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４の構成材料と同一の材料にて構成すると、製造工程を簡素化することができる。尚、図４において、符号２０２ａ，２０２ｂは、それぞれヒータ電極２０１ａ，２０１ｂのパッドである。
【００５２】
また、本実施形態において、ヒータ電極２０１ａは検出電極１４１，１４２間の中間部位に設けられ、ヒータ電極２０１ｂは参照電極１４３，１４４間の中間部位に設けられており、自己診断時以外（通常検出時）において、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４に印加される電圧の中間電位に保持される構成となっている。従って、通常検出時において、検出電極１４１，１４２間にヒータ電極２０１ａを配置し、参照電極１４３，１４４間にヒータ電極２０１ｂを配置した構成でありながら、検出電極１４１，１４２間の容量バランスと参照電極１４３，１４４間の容量バランスを保つことができる。また、通常検出時において発熱しないように、ヒータ電極２０１ａ，２０１ｂはブリッジ構成とされている。
【００５３】
尚、本実施形態において、検出電極１４１，１４２間にヒータ電極２０１ａを設け、参照電極１４３，１４４間にヒータ電極２０１ｂを設ける例を示した。しかしながら、１つのヒータ電極２０１にて構成しても良い。
【００５４】
また、本実施形態において、ヒータ電極２０１ａを検出電極１４１，１４２間に設け、ヒータ電極２０１ｂを参照電極１４３，１４４間に設ける例を示した。しかしながら、本構成とすると、検出電極１４１，１４２間の対向距離と、参照電極１４３，１４４間の対向距離が長くなるため、感度が低下する。そこで、検出電極１４１，１４２、参照電極１４３，１４４の周囲に、ヒータ電極２０１ａ，２０１ｂを設けた構成としても良い。この場合、各ヒータ電極２０１ａ，２０１ｂをさらに分割しても良い。
【００５５】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を、図５に基づいて説明する。図５は、本実施形態における湿度センサ装置のうち、検出部周囲の拡大断面図であり、第１の実施形態で示した図２（ａ）に対応している。
【００５６】
第３の実施形態における湿度センサ装置は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００５７】
図５に示すように、本実施形態においては、ヒータ電極２０１ａを感湿膜１６０上に設けた構成としている。このような構成とすると、感湿膜１６０を直接加熱するため、感湿膜１６０中の水分子を早く蒸発させて所定の湿度状態とすることができるので、自己診断時間を短縮することができる。尚、ヒータ電極２０１ａを感湿膜１６０上に設けるので、ヒータ電極２０１を検出部１０１と参照容量部１０２とで分けた構成としている。
【００５８】
しかしながら、水分子の感湿膜１６０への侵入や感湿膜１６０からの蒸発がヒータ電極２０１ａによって阻害され、応答性が低下することも考えられる。そこで、本実施形態においては、ヒータ電極２０１ａに透湿性を持たせている。具体的には、蒸着法により金属材料を感湿膜１６０上に薄膜堆積（例えば０．１μｍ）させて、ヒータ電極２０１ａを形成している。従って、薄膜化されているヒータ電極２０１ａの金属原子間を水分子が透過することができる。
【００５９】
また、本実施形態においては、検出電極１４１，１４２の対向部分の直上にヒータ電極２０１ａを配置した構成としている。従って、ヒータ電極２０１ａを、検出電極１４１，１４２の対向部分に対して千鳥状に配置した場合と比べて、検出電極１４１，１４２間に介在し、容量変化に寄与する感湿膜１６０の領域に対して水分子の出入りがし易くなる。すなわち、応答性を向上することができる。
【００６０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を、図６に基づいて説明する。図６は、本実施形態における湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大断面図である。
【００６１】
第４の実施形態における湿度センサ装置は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００６２】
第１〜第３の実施形態においては、加熱部２００としてヒータ電極２０１（２０１ａ，２０１ｂ）を適用する例を示した。しかしながら、加熱部２００はヒータ電極２０１に限定されるものではない。半導体基板１１０においては、信号処理部３００を構成するトランジスタ、及びダイオードの少なくとも１つを適用することができる。この場合、別途ヒータ電極２０１を設けなくとも良いので、製造工程を簡素化することができる。
【００６３】
例えば、トランジスタの場合、図６に示すように拡散領域上に少なくとも検出電極１４１，１４２と参照電極１４３，１４４の対向部分を設けた構成とすれば良い。尚、図６において、符号２１０はＭＯＳトランジスタ、符号２１１は、ｐｏｌｙＳｉからなるゲート電極、符号２１２はドレイン電極、符号２１３はソース電極であり、Ｎ＋ドレイン領域上に検出電極１４１，１４２と参照電極１４３，１４４を設けた構成となっている。
【００６４】
尚、ダイオードの場合、検出電極及び参照電極の周囲にダイオードを設けた構成とすれば良い。
【００６５】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施することができる。
【００６６】
また、本実施形態において、シリコンからなる半導体基板１１０を基板として適用する例を示した。しかしながら、基板としては、ガラス基板、樹脂基板等の絶縁基板を適用することが可能である。
【００６７】
また、本実施形態においては、保護膜１５０上に感湿膜１６０が設けられた例を示した。しかしながら、保護膜１５０を形成しない場合には、第２の絶縁膜１３０上に感湿膜１６０を形成することも可能である。また、基板がガラス基板等の絶縁基板の場合には、絶縁基板上に直接感湿膜１６０を形成することも可能である。
【００６８】
また、本実施形態においては、検出電極１４１，１４２、参照電極１４３，１４４がともに櫛歯構造である例を示した。しかしながら、容量を形成する電極の構造は上記例に限定されるものではない。例えば所謂並行平板型の構造としても良い。また、検出電極１４１，１４２と参照電極１４３，１４４とで異なる構成としても良い。
【００６９】
要するに、周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部１００と、センサ部を加熱する加熱部２００と、センサ部１００の検出信号を処理して湿度に応じた信号を出力する信号処理部３００と、少なくとも自己診断を行う期間において、センサ部１００の容量が所定の湿度における値となるように、加熱部２００による加熱を制御する制御部４００とを備えた構成であれば良い。それぞれが別個に設けられた構成としても良いし、全てが同一の基板に一体的に形成された構成としても良い。
【００７０】
また、本実施形態においては、第２の絶縁膜１３０を介して、検出電極１４１，１４２（及び参照電極１４３，１４４）の直下にヒータ電極２０１が設けられた例を示した。しかしながら、図７に示すように、第２の絶縁膜１３０を介して、ヒータ電極２０１の直下に検出電極１４１，１４２（及び参照電極１４３，１４４）を設けた構成としても良い。本構成の場合、感湿膜１６０中の水分子を早く蒸発させることができるので、自己診断時間を短縮することができる。しかしながら、検出電極１４１，１４２間に介在され、容量変化に寄与する感湿膜１６０量が低減するので、感度が低下する。従って、第１の実施形態で示した構成のほうが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本実施形態の湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【図２】ヒータ電極の配置による効果を説明するための概略断面図であり、（ａ）はヒータ電極あり、（ｂ）はヒータ電極なしの図である。
【図３】自己診断を行うことができる湿度センサ装置の構成例を示す図である。
【図４】第２の実施形態における湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大平面図である。
【図５】第３の実施形態における湿度センサ装置のうち、検出部周囲の拡大断面図である。
【図６】第４の実施形態における湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大断面図である。
【図７】その他の変形例を示す検出部周囲の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１００・・・センサ部
１０１・・・検出部
１０２・・・参照容量部
１１０・・・半導体基板
１２０・・・第１の絶縁膜
１３０・・・第２の絶縁膜
１４１，１４２・・・検出電極
１４３，１４４・・・参照電極
１５０・・・保護膜
１６０・・・感湿膜
２００・・・加熱部
２０１・・・ヒータ電極（抵抗体）
３００・・・信号処理部
３１０・・・Ｃ−Ｖ変換部
３２０・・・増幅部
４００・・・制御部
５００・・・湿度センサ装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部と、センサ部の検出信号を処理して湿度に応じた信号を出力する信号処理部とを備える湿度センサ装置及びその自己診断方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、対向配置された一対の電極間の容量に基づいて、物理量を検出する容量式物理量検出装置として、例えば本出願人は特許文献１を開示している。
【０００３】
この容量式物理量検出装置によると、物理量（例えば加速度）の変化に応じて変位する可動電極と対向配置された固定電極との間の容量変化を、スイッチトキャパシタ構成のＣ−Ｖ変換回路にて電圧の変化とし、信号処理することにより物理量の変化に応じた信号を出力することができる。
【０００４】
また、自己診断時の信号（所定の電圧）を可動電極と固定電極との間に周期的に印加することにより、可動電極と固定電極との間に静電気力を発生させて、可動電極に擬似的に物理量が発生した状態にすることができる。すなわち、自己診断を行うことができる。
【特許文献１】特開２０００−８１４４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、物理量として湿度を検出する構成の場合、対向配置された一対の電極は固定配置であり、一対の電極間に所定の電圧を強制的に印加したとしても、擬似的に物理量が発生した状態にすることが困難である。すなわち、自己診断を行うことができない。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑み、自己診断を行うことができる湿度センサ装置及びその自己診断方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成する為に、請求項１〜１３に記載の発明は、周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部と、センサ部の検出信号を処理して湿度に応じた信号を出力する信号処理部とを備える湿度センサ装置に関するものである。
【０００８】
先ず請求項１に記載のように、センサ部を加熱する加熱部と、少なくとも自己診断を行う期間において、センサ部の容量が所定の湿度における値となるように、加熱部による加熱を制御する制御部と、をさらに備えることを特徴とする。
【０００９】
このように本発明によると、強制的に所定の湿度状態にすることができる。したがって、このときの出力値をその湿度状態で取るべき出力値と比較することにより、自己診断（センサ装置の故障診断）を行うことができる。
【００１０】
尚、所定の湿度としては、請求項２に記載のように、加熱によって湿度状態を形成しやすい略０％ＲＨとすることが好ましい。しかしながら、略０％ＲＨに限定されるものではない。
【００１１】
具体的には、例えば請求項３に記載のように、センサ部を、基板と、基板の表面上に離間して対向配置された一対の検出電極及び当該検出電極と検出電極間を覆うように基板上に設けられ、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜を有する検出部と、検出電極と同一の平面上に設けられ、検出電極と略同一構成の一対の参照電極を有する参照容量部とにより構成し、信号処理部が、検出部の容量値と参照容量部の容量値との容量差を電圧に変換するスイッチトキャパシタ構成のＣ−Ｖ変換部を備える構成において、加熱部を、基板に設けられた発熱素子とすると良い。この場合、周知の印刷技術や半導体プロセスによって加熱部を容易に形成することができる。また、センサ装置の体格を小型化することができる。尚、加熱部がセンサ部とは別体に設けられた構成としても良い。
【００１２】
請求項４に記載のように、基板が半導体基板の場合、信号処理部を半導体基板に設け、発熱素子を信号処理部の一部として構成することもできる。この場合、信号処理部を構成する素子を発熱素子として適用するので、構成を簡素化することができる。尚、基板は、ガラス基板や樹脂基板等の絶縁基板を用いることが可能であるが、絶縁膜を備える半導体基板を用いることで、半導体プロセスによってセンサ装置を形成することができる。従って、製造コストを低減することができる。
【００１３】
発熱素子としては、例えば請求項５に記載のように、通電により発熱するヒータ電極としての抵抗体を適用することができる。この場合、請求項６に記載のように、絶縁層を介して検出電極及び参照電極の下部に設けた構成としても良いし、請求項７に記載のように、感湿膜上に設けた構成としても良い。
【００１４】
感湿膜上に設けると、感湿膜中の水分子を早く蒸発させて所定の湿度状態とすることができるので、自己診断時間を短縮することができる。しかしながら、水分子の感湿膜への侵入や感湿膜からの蒸発が抵抗体によって阻害され、応答性が低下することも考えられる。従って、例えば請求項８に記載のように、抵抗体に透湿性を持たせた構成とすると良い。
【００１５】
さらには、請求項６〜８いずれかに記載の発明において、請求項９に記載のように、抵抗体の幅を、検出電極及び参照電極の対向部分の幅と略同等とし、対向部分に対応した構成とすると良い。特に検出電極及び参照電極の下部に抵抗体を設けた構成においては、上記構成の抵抗体を設けることで、検出電極の位置が高くなり、検出電極間に介在する感湿膜量が増加して、容量変化を大きくとることができる。すなわち、感度が向上される。
【００１６】
また、請求項１０に記載のように、抵抗体を、検出電極及び参照電極と同一の平面上に設けた構成とすることもできる。この場合、抵抗体を、検出電極及び参照電極の同一の材料で構成することも可能であり、製造コストを低減することができる。具体的には、請求項１１に記載のように、一対の検出電極間及び一対の参照電極間に設けた構成としても良い。それ以外にも、検出電極及び参照電極の周囲に設けた構成としても良い。
【００１７】
発熱素子としては、抵抗体に限定されるものでない。半導体基板においては、請求項１２に記載のように、発熱素子としてトランジスタ及びダイオードの少なくとも一方を適用することができる。トランジスタの場合、ゲート又はドレイン領域に対応して検出電極及び参照電極を設けた構成とすれば良い。ダイオードの場合、検出電極及び参照電極の周囲にダイオードを設けた構成とすれば良い。
【００１８】
請求項１３に記載のように、検出電極及び参照電極を覆うように基板上に形成された保護膜を備え、感湿膜は保護膜上に設けられていることが好ましい。この場合、水分から電極を確実に保護することが可能となり、各電極の水分に対する耐食性が向上される。
【００１９】
請求項１４，１５に記載の湿度センサ装置の自己診断方法の作用効果は、請求項１，２に記載の湿度センサ装置の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。尚、本実施形態においては、容量式の湿度センサ装置として、所謂櫛歯電極構造の湿度センサ装置を例にとり説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態の湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。尚、図１（ａ）においては、便宜上、検出電極、参照電極、及びヒータ電極を図示している。
【００２１】
図１（ａ）に示すように、センサ部１００は、湿度に応じて容量が変化する検出部１０１と、基準容量を形成する参照容量部１０２とにより構成されている。また、本実施形態においては、加熱部２００として、発熱素子であるヒータ電極２０１がセンサ部１００と同一の基板に形成されている。尚、符号２０２はヒータ電極２０１の端部に設けられたパッドである。
【００２２】
図１（ｂ）において、符号１１０は基板としての半導体基板であり、本実施形態においてはｐ型シリコンから形成されている。そして、半導体基板１１０の上面に、第１の絶縁膜１２０（例えばＬＯＣＯＳ（local oxidation of silicon））が形成されている。そして、第１の絶縁膜１２０上の所定位置に加熱部２００としてのヒータ電極２０１が形成されている。
【００２３】
ヒータ電極２０１は、自己診断時に発熱し、センサ部１００を構成する感湿膜（後述する）中の水分子を蒸発させて感湿膜中の水分量を調整し、所定の湿度状態を作り出すことを目的として形成されたものである。従って、検出部１０１の周囲に形成されることが好ましい。本実施形態においては、加熱による影響を相殺するために、検出部１０１だけでなく参照容量部１０２にも対応してヒータ電極２０１が形成されている。尚、ヒータ電極２０１の形状については後述する。
【００２４】
ヒータ電極２０１の構成材料としては、通電により発熱するものであれば適用が可能である。しかしながら、自己診断時間を短縮するために、数Ω以上のシート抵抗値を有するものが好ましく、例えばｐｏｌｙＳｉやＣｒ−Ｓｉ等の配線材料を適用することができる。その際、第１の絶縁膜１２０上に蒸着やスパッタリング等の手法によって付着させ、フォトリソグラフィー処理により、パターニングすれば良い。本実施形態において、ヒータ電極２０１は、ｐｏｌｙＳｉを用いて形成されている。
【００２５】
ヒータ電極２０１を含む第１の絶縁膜１２０上には、第２の絶縁膜１３０（例えば酸化シリコン膜）が形成されており、一対の検出電極１４１，１４２が、第２の絶縁膜１３０上の同一平面において、離間して対向配置されている。
【００２６】
検出電極１４１，１４２の形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、図１（ａ）に示されるように、それぞれの検出電極１４１，１４２の形状として櫛歯形状を採用している。このように櫛歯形状とすると、検出電極１４１，１４２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１４１，１４２間の静電容量の変化量が大きくなり、湿度センサ装置の感度が向上する。
【００２７】
検出電極１４１，１４２は、例えばアルミ、銅、金、白金、ｐｏｌｙＳｉ等の配線材料を半導体基板１１０上に蒸着やスパッタリング等の手法によって付着させ、その後、フォトリソグラフィー処理により、櫛歯状パターンにパターニングすることによって形成される。本実施形態において、検出電極１４１，１４２はアルミを用いて形成されている。
【００２８】
また、検出電極１４１，１４２に隣接して、一対の参照電極１４３，１４４が、第２の絶縁膜１３０上の同一平面において、離間して対向配置されている。この参照電極１４３，１４４は、検出電極１４１，１４２と同一の材料を用いて、同一パターンに形成されている。尚、図１（ａ）において、符号１４５は検出電極１４１のパッド、符号１４６は検出電極１４２と参照電極１４３の共通パッド、符号１４７は、参照電極１４４のパッドを示している。
【００２９】
そして、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４を覆うように、半導体基板１１０上に保護膜１５０として窒化シリコン膜が形成される。この保護膜１５０は、例えばプラズマＣＶＤ法等により、半導体基板１１０上の各部において同じ厚さをもつように堆積形成される。但し、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４に水分に対する耐食性がある場合には、保護膜１５０を形成しなくとも良い。尚、図２（ａ）においては、便宜上、保護膜を省略している。尚、
保護膜１５０の上には、検出電極１４１，１４２及び検出電極１４１，１４２間を覆うように、例えばポリイミド系ポリマーからなる吸湿性を備えた感湿膜１６０が形成されている。感湿膜１６０は、ポリイミド系ポリマーの前駆体（ポリアミド酸）をスピンコート法や印刷法にて塗布後、加熱硬化することにより形成することができる。
【００３０】
感湿膜１６０中に水分子が浸透すると、水分子は比誘電率が大きいため、その浸透した水分量に応じて、感湿膜１６０の比誘電率が変化する。その結果、感湿膜１６０を誘電体の一部として検出電極１４１，１４２によって構成されるコンデンサの静電容量が変化する。それに対し、参照電極１４３，１４４には感湿膜１６０が設けられていないため、参照電極１４３，１４４によって構成されるコンデンサの静電容量は、変化しないか、変化しても僅かである。感湿膜１６０内に含まれる水分量は、センサ部１００の周囲の湿度に対応するため、検出電極１４１，１４２間の静電容量と参照電極１４３，１４４間の静電容量との容量差から湿度を検出することができる。尚、ヒータ電極２０１を除く上述した構成の部位が、特許請求の範囲で示したセンサ部１００であり、検出電極１４１，１４２及び感湿膜１６０を含む部位が検出部１０１、参照電極１４３，１４４を含む部位が参照容量部１０２である。
【００３１】
また、本実施形態においては、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４が、上述したように、同一の材料を用いて同一パターンに形成され、対応する櫛歯が同一直線上となるように隣り合って配置されている。そして、ヒータ電極２０１が、図１（ａ）に示すように、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４の対向部分（コンデンサ構成部分）の電極幅と略同等の電極幅を有し、第２の絶縁膜１３０を介して対向部分の直下に配置されるように、蛇腹状に形成されている。
【００３２】
このように、検出電極１４１，１４２の対向部分の直下にヒータ電極２０１を形成した構成（図２（ａ））とすると、同様の構成でヒータ電極２０１を形成しない構成（図２（ｂ））や、ヒータ電極２０１を検出電極１４１，１４２の対向部分の直下ではなく、検出電極１４１，１４２の対向部分に対して千鳥状に配置された場合と比べて、保護膜１５０に窪みができ、検出電極１４１，１４２間に介在される感湿膜１６０の量が増加する。すなわち、検出電極１４１，１４２の面積を増加せずに、感度を向上することができる。尚、図２は、ヒータ電極２０１の配置による効果を説明するための概略断面図であり、（ａ）はヒータ電極２０１あり、（ｂ）はヒータ電極２０１なしの図である。
【００３３】
次に、自己診断を行うことができる湿度センサ装置５００の構成例を図３を用いて説明する。本実施形態において、信号処理部３００と、加熱部２００を構成するヒータ電極２０１の加熱を制御する制御部４００は、センサ部１００とは別の基板に構成されている。
【００３４】
信号処理部３００は、少なくとも、スイッチトキャパシタ構成のＣ−Ｖ変換部３１０と、増幅部３２０とを備えている。
【００３５】
Ｃ−Ｖ変換部３１０は、演算増幅器３１１、容量値Ｃｆを有する帰還コンデンサ３１２、及びスイッチ３１３から構成される。そして、検出部１０１を構成する検出電極１４１，１４２間に生じる容量値Ｃ１に比例する電荷と、参照部１０２を構成する参照電極１４３，１４４間に生じる容量値Ｃ２に比例する電荷との差の電荷を、帰還コンデンサ３１２に蓄積し電圧に変換して出力するものである。
【００３６】
演算増幅器３１１の反転入力端子は、パッド１４６を介して検出電極１４２及び参照電極１４３に接続されており、反転入力端子と出力端子と間には、帰還コンデンサ３１２及びスイッチ３１３が並列に接続されている。また、非反転入力端子に対して、基準電圧Ｖｒを印加する基準電圧発生回路（図示せず）が接続されている。
【００３７】
また、信号処理部３００は図示されない駆動電圧発生回路を有しており、この駆動電圧発生回路はパッド１４５から一定振幅（０〜Ｖ）で周期的に変化する搬送波Ｐ１を検出部１０１の検出電極１４１に入力し、パッド１４７から、搬送波Ｐ１と位相が１８０°ずれ且つ同一振幅である搬送波Ｐ２を参照部１０２の参照電極１４４に入力する。
【００３８】
また、スイッチ３１３は駆動電圧発生回路からのクロック信号に同期して生成されるトリガ信号によりオン／オフされ、例えば搬送波Ｐ１の立ち上がりタイミング（搬送波Ｐ２の立ち下がりタイミング）で一定時間（搬送波Ｐ１の１／２周期より短い時間）だけオンするように設定される。
【００３９】
検出期間Ｔ１において、スイッチ３１３がオンされると帰還コンデンサ３１２が放電され、基準電圧Ｖｒにリセットされる。続いてスイッチ３１３をオフし、リセット動作を完了させる。次に、搬送波Ｐ１，Ｐ２を反転させると検出電極１４１，１４２間と参照電極３１４３，１４４間から電荷（Ｃ１−Ｃ２）×Ｖが放出され、この電荷が帰還コンデンサ３１２に蓄積される。従って、演算増幅器３１１の出力端子に、基準電圧Ｖｒを基準として、センサ部１００の容量差（Ｃ１−Ｃ２）と振幅Ｖに応じた電圧Ｖｓが生じる。この電圧Ｖｓは次式で示される。
【００４０】
（数１）
Ｖｓ＝（Ｃ１−Ｃ２）／Ｃｆ×Ｖ＋Ｖｒ
このとき、周囲の湿度変化に応じて、参照部６２の容量値Ｃ２は変化しないか、変化しても僅かであり、検出部６１の容量値Ｃ１は変化する。従って、数式１に示される電圧Ｖｓを検出することにより、湿度を検出することができる。
【００４１】
増幅部３２０は、Ｃ−Ｖ変換部３１０の出力電圧Ｖｓを所定の感度まで増幅する。尚、図示しないが、増幅部３２０の直前にＣ−Ｖ変換部３１０の出力電圧Ｖｓをサンプリングして一定期間保持するサンプルホールド部を設け、増幅部３２０の直後に増幅部３２０の出力電圧から所定の周波数帯域の成分のみを取り出すローバスフィルタを設けても良い。
【００４２】
ここで、自己診断は以下のように実施される。
【００４３】
センサ部１００の検出電極１４１，１４２、参照電極１４３，１４４に駆動電圧（搬送波Ｐ１，Ｐ２）が印加されている状態で、例えば所定の周期ごとに、制御部４００は自己診断信号を加熱部２００に出力する。
【００４４】
加熱部２００において、自己診断信号を受けると、ヒータ電極２０１が通電されて発熱する。本実施形態においては、制御部４００から自己診断信号が出力されている期間、ヒータ電極２０１が通電されて発熱する構成となっており、これによりセンサ部１００の容量（容量差）が略０％ＲＨにおける値となるように制御される。尚、ヒータ電極２０１の発熱量により、感湿膜１６０から蒸発する水分量（感湿膜１６０中の水分量）が調整される（すなわち湿度状態が調整される）ので、略０％ＲＨ以外の湿度状態に調整することも可能である。しかしながら、通常検出時のセンサ出力に応じて、自己診断時のヒータ電極２０１の発熱量を制御する必要があるので装置構成が複雑化する。それに対し、本実施形態においては、通常検出時のセンサ出力に関係なく常に略０％ＲＨの状態になるような発熱量を与えるように設定（自己診断信号の出力時間）されており、これにより確実に自己診断を行うことができる。
【００４５】
尚、本実施形態においては、同一構成の検出電極１４１，１４２と参照電極１４３，１４４に対して、ヒータ電極２０１が配置されているので、加熱による影響（温特）を相殺することができる。
【００４６】
そして、感湿膜１６０中の水分量が調整、すなわち、湿度状態が調整された状態におけるセンサ部１００の出力が、Ｃ−Ｖ変換部３１０にて電圧に変換され、増幅部３２０にて所定感度まで増幅されて出力される。そして、この出力信号を例えばＥＣＵ（Electric Control Unit）にて所定のロジックで比較判定することで、湿度センサ装置５００に異常（例えば異物付着による特性変化、感湿膜異常、信号処理部故障等）がないかどうか自己診断を行うことができる。
【００４７】
尚、本実施形態においては、ＥＣＵにて比較判定する例を示した。しかしながら、信号処理部３００の一部として比較部（例えば比較器を有する構成）を備え、装置５００内で比較する構成としても良い。例えば、制御部４００からの自己診断信号有無により、増幅部３２０からの出力ラインを、通常検査ラインと、比較部を含む自己診断ラインとで切り替える構成とすればよい。
【００４８】
また、本実施形態において、信号処理部３００がセンサ部１００と別の基板に構成される例を示した。しかしながら、同一の基板に構成しても良い。基板には、ガラス基板等の絶縁基板を用いることが可能であるが、本実施形態に示すように絶縁膜を備える半導体基板１１０を用いることで、半導体プロセスを活用することができる。従って、製造コストを低減することができる。その際、発熱素子であるヒータ電極２０１を信号処理部３００と集積化することができる。
【００４９】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を、図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態における湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大平面図であり、第１の実施形態で示した図１（ａ）に対応している。尚、便宜上、検出電極、参照電極、及びヒータ電極を図示している。
【００５０】
第２の実施形態における湿度センサ装置は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００５１】
図４に示すように、本実施形態におけるヒータ電極２０１ａ，２０１ｂは、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４と同一平面上に構成されている。従って、ヒータ電極２０１ａ，２０１ｂを、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４の構成材料と同一の材料にて構成すると、製造工程を簡素化することができる。尚、図４において、符号２０２ａ，２０２ｂは、それぞれヒータ電極２０１ａ，２０１ｂのパッドである。
【００５２】
また、本実施形態において、ヒータ電極２０１ａは検出電極１４１，１４２間の中間部位に設けられ、ヒータ電極２０１ｂは参照電極１４３，１４４間の中間部位に設けられており、自己診断時以外（通常検出時）において、検出電極１４１，１４２及び参照電極１４３，１４４に印加される電圧の中間電位に保持される構成となっている。従って、通常検出時において、検出電極１４１，１４２間にヒータ電極２０１ａを配置し、参照電極１４３，１４４間にヒータ電極２０１ｂを配置した構成でありながら、検出電極１４１，１４２間の容量バランスと参照電極１４３，１４４間の容量バランスを保つことができる。また、通常検出時において発熱しないように、ヒータ電極２０１ａ，２０１ｂはブリッジ構成とされている。
【００５３】
尚、本実施形態において、検出電極１４１，１４２間にヒータ電極２０１ａを設け、参照電極１４３，１４４間にヒータ電極２０１ｂを設ける例を示した。しかしながら、１つのヒータ電極２０１にて構成しても良い。
【００５４】
また、本実施形態において、ヒータ電極２０１ａを検出電極１４１，１４２間に設け、ヒータ電極２０１ｂを参照電極１４３，１４４間に設ける例を示した。しかしながら、本構成とすると、検出電極１４１，１４２間の対向距離と、参照電極１４３，１４４間の対向距離が長くなるため、感度が低下する。そこで、検出電極１４１，１４２、参照電極１４３，１４４の周囲に、ヒータ電極２０１ａ，２０１ｂを設けた構成としても良い。この場合、各ヒータ電極２０１ａ，２０１ｂをさらに分割しても良い。
【００５５】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を、図５に基づいて説明する。図５は、本実施形態における湿度センサ装置のうち、検出部周囲の拡大断面図であり、第１の実施形態で示した図２（ａ）に対応している。
【００５６】
第３の実施形態における湿度センサ装置は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００５７】
図５に示すように、本実施形態においては、ヒータ電極２０１ａを感湿膜１６０上に設けた構成としている。このような構成とすると、感湿膜１６０を直接加熱するため、感湿膜１６０中の水分子を早く蒸発させて所定の湿度状態とすることができるので、自己診断時間を短縮することができる。尚、ヒータ電極２０１ａを感湿膜１６０上に設けるので、ヒータ電極２０１を検出部１０１と参照容量部１０２とで分けた構成としている。
【００５８】
しかしながら、水分子の感湿膜１６０への侵入や感湿膜１６０からの蒸発がヒータ電極２０１ａによって阻害され、応答性が低下することも考えられる。そこで、本実施形態においては、ヒータ電極２０１ａに透湿性を持たせている。具体的には、蒸着法により金属材料を感湿膜１６０上に薄膜堆積（例えば０．１μｍ）させて、ヒータ電極２０１ａを形成している。従って、薄膜化されているヒータ電極２０１ａの金属原子間を水分子が透過することができる。
【００５９】
また、本実施形態においては、検出電極１４１，１４２の対向部分の直上にヒータ電極２０１ａを配置した構成としている。従って、ヒータ電極２０１ａを、検出電極１４１，１４２の対向部分に対して千鳥状に配置した場合と比べて、検出電極１４１，１４２間に介在し、容量変化に寄与する感湿膜１６０の領域に対して水分子の出入りがし易くなる。すなわち、応答性を向上することができる。
【００６０】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を、図６に基づいて説明する。図６は、本実施形態における湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大断面図である。
【００６１】
第４の実施形態における湿度センサ装置は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００６２】
第１〜第３の実施形態においては、加熱部２００としてヒータ電極２０１（２０１ａ，２０１ｂ）を適用する例を示した。しかしながら、加熱部２００はヒータ電極２０１に限定されるものではない。半導体基板１１０においては、信号処理部３００を構成するトランジスタ、及びダイオードの少なくとも１つを適用することができる。この場合、別途ヒータ電極２０１を設けなくとも良いので、製造工程を簡素化することができる。
【００６３】
例えば、トランジスタの場合、図６に示すように拡散領域上に少なくとも検出電極１４１，１４２と参照電極１４３，１４４の対向部分を設けた構成とすれば良い。尚、図６において、符号２１０はＭＯＳトランジスタ、符号２１１は、ｐｏｌｙＳｉからなるゲート電極、符号２１２はドレイン電極、符号２１３はソース電極であり、Ｎ＋ドレイン領域上に検出電極１４１，１４２と参照電極１４３，１４４を設けた構成となっている。
【００６４】
尚、ダイオードの場合、検出電極及び参照電極の周囲にダイオードを設けた構成とすれば良い。
【００６５】
以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施することができる。
【００６６】
また、本実施形態において、シリコンからなる半導体基板１１０を基板として適用する例を示した。しかしながら、基板としては、ガラス基板、樹脂基板等の絶縁基板を適用することが可能である。
【００６７】
また、本実施形態においては、保護膜１５０上に感湿膜１６０が設けられた例を示した。しかしながら、保護膜１５０を形成しない場合には、第２の絶縁膜１３０上に感湿膜１６０を形成することも可能である。また、基板がガラス基板等の絶縁基板の場合には、絶縁基板上に直接感湿膜１６０を形成することも可能である。
【００６８】
また、本実施形態においては、検出電極１４１，１４２、参照電極１４３，１４４がともに櫛歯構造である例を示した。しかしながら、容量を形成する電極の構造は上記例に限定されるものではない。例えば所謂並行平板型の構造としても良い。また、検出電極１４１，１４２と参照電極１４３，１４４とで異なる構成としても良い。
【００６９】
要するに、周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部１００と、センサ部を加熱する加熱部２００と、センサ部１００の検出信号を処理して湿度に応じた信号を出力する信号処理部３００と、少なくとも自己診断を行う期間において、センサ部１００の容量が所定の湿度における値となるように、加熱部２００による加熱を制御する制御部４００とを備えた構成であれば良い。それぞれが別個に設けられた構成としても良いし、全てが同一の基板に一体的に形成された構成としても良い。
【００７０】
また、本実施形態においては、第２の絶縁膜１３０を介して、検出電極１４１，１４２（及び参照電極１４３，１４４）の直下にヒータ電極２０１が設けられた例を示した。しかしながら、図７に示すように、第２の絶縁膜１３０を介して、ヒータ電極２０１の直下に検出電極１４１，１４２（及び参照電極１４３，１４４）を設けた構成としても良い。本構成の場合、感湿膜１６０中の水分子を早く蒸発させることができるので、自己診断時間を短縮することができる。しかしながら、検出電極１４１，１４２間に介在され、容量変化に寄与する感湿膜１６０量が低減するので、感度が低下する。従って、第１の実施形態で示した構成のほうが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本実施形態の湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。
【図２】ヒータ電極の配置による効果を説明するための概略断面図であり、（ａ）はヒータ電極あり、（ｂ）はヒータ電極なしの図である。
【図３】自己診断を行うことができる湿度センサ装置の構成例を示す図である。
【図４】第２の実施形態における湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大平面図である。
【図５】第３の実施形態における湿度センサ装置のうち、検出部周囲の拡大断面図である。
【図６】第４の実施形態における湿度センサ装置のうち、センサ部及び加熱部を説明するための拡大断面図である。
【図７】その他の変形例を示す検出部周囲の拡大断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１００・・・センサ部
１０１・・・検出部
１０２・・・参照容量部
１１０・・・半導体基板
１２０・・・第１の絶縁膜
１３０・・・第２の絶縁膜
１４１，１４２・・・検出電極
１４３，１４４・・・参照電極
１５０・・・保護膜
１６０・・・感湿膜
２００・・・加熱部
２０１・・・ヒータ電極（抵抗体）
３００・・・信号処理部
３１０・・・Ｃ−Ｖ変換部
３２０・・・増幅部
４００・・・制御部
５００・・・湿度センサ装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部と、
前記センサ部の検出信号を処理して前記湿度に応じた信号を出力する信号処理部と、を備える湿度センサ装置であって、
前記センサ部を加熱する加熱部と、
少なくとも自己診断を行う期間において、前記センサ部の容量が所定の湿度における値となるように、前記加熱部による加熱を制御する制御部と、をさらに備えることを特徴とする湿度センサ装置。
【請求項２】
前記所定の湿度とは、略０％ＲＨであることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ装置。
【請求項３】
前記センサ部は、基板と、前記基板の表面上に離間して対向配置された一対の検出電極及び当該検出電極と検出電極間を覆うように前記基板上に設けられ、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜を有する検出部と、前記検出電極と同一の平面上に設けられ、前記検出電極と略同一構成の一対の参照電極を有する参照容量部と、により構成され、
前記信号処理部は、前記検出部の容量値と前記参照容量部の容量値との容量差を電圧に変換するスイッチトキャパシタ構成のＣ−Ｖ変換部を備え、
前記加熱部は、前記基板に設けられた発熱素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の湿度センサ装置。
【請求項４】
前記基板は半導体基板であり、
前記信号処理部は前記半導体基板に設けられ、
前記発熱素子は、前記信号処理部の一部として構成されていることを特徴とする請求項３に記載の湿度センサ装置。
【請求項５】
前記発熱素子は、通電により発熱するヒータ電極としての抵抗体であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の湿度センサ装置。
【請求項６】
前記抵抗体は、絶縁層を介して前記検出電極及び前記参照電極の下部に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の湿度センサ装置。
【請求項７】
前記抵抗体は、前記感湿膜上に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の湿度センサ装置。
【請求項８】
前記抵抗体は、透湿性を有していることを特徴とする請求項７に記載の湿度センサ装置。
【請求項９】
前記抵抗体は、前記検出電極及び前記参照電極の対向部分と略同等の幅を有し、前記対向部分に対応して設けられていることを特徴とする請求項６〜８いずれか１項に記載の湿度センサ装置。
【請求項１０】
前記抵抗体は、前記検出電極及び前記参照電極と同一の平面上に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の湿度センサ装置。
【請求項１１】
前記抵抗体は、一対の前記検出電極間及び一対の前記参照電極間に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の湿度センサ装置。
【請求項１２】
前記発熱素子は、トランジスタ及びダイオードの少なくとも一方であることを特徴とする請求項４に記載の湿度センサ装置。
【請求項１３】
前記検出電極及び前記参照電極を覆うように前記基板上に形成された保護膜を備え、
前記感湿膜は前記保護膜上に設けられていることを特徴とする請求項３〜１２いずれか１項に記載の湿度センサ装置。
【請求項１４】
周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部と、前記センサ部の検出信号を処理して前記湿度に応じた信号を出力する信号処理部とを備える湿度センサ装置の自己診断方法であって、
前記センサ部の容量が所定の湿度における値となるように前記センサ部を加熱して、自己診断を行うことを特徴とする湿度センサ装置の自己診断方法。
【請求項１５】
前記所定の湿度とは、略０％ＲＨであることを特徴とする請求項１４に記載の湿度センサ装置の自己診断方法。
【請求項１】
周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部と、
前記センサ部の検出信号を処理して前記湿度に応じた信号を出力する信号処理部と、を備える湿度センサ装置であって、
前記センサ部を加熱する加熱部と、
少なくとも自己診断を行う期間において、前記センサ部の容量が所定の湿度における値となるように、前記加熱部による加熱を制御する制御部と、をさらに備えることを特徴とする湿度センサ装置。
【請求項２】
前記所定の湿度とは、略０％ＲＨであることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ装置。
【請求項３】
前記センサ部は、基板と、前記基板の表面上に離間して対向配置された一対の検出電極及び当該検出電極と検出電極間を覆うように前記基板上に設けられ、湿度に応じて比誘電率が変化する感湿膜を有する検出部と、前記検出電極と同一の平面上に設けられ、前記検出電極と略同一構成の一対の参照電極を有する参照容量部と、により構成され、
前記信号処理部は、前記検出部の容量値と前記参照容量部の容量値との容量差を電圧に変換するスイッチトキャパシタ構成のＣ−Ｖ変換部を備え、
前記加熱部は、前記基板に設けられた発熱素子であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の湿度センサ装置。
【請求項４】
前記基板は半導体基板であり、
前記信号処理部は前記半導体基板に設けられ、
前記発熱素子は、前記信号処理部の一部として構成されていることを特徴とする請求項３に記載の湿度センサ装置。
【請求項５】
前記発熱素子は、通電により発熱するヒータ電極としての抵抗体であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の湿度センサ装置。
【請求項６】
前記抵抗体は、絶縁層を介して前記検出電極及び前記参照電極の下部に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の湿度センサ装置。
【請求項７】
前記抵抗体は、前記感湿膜上に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の湿度センサ装置。
【請求項８】
前記抵抗体は、透湿性を有していることを特徴とする請求項７に記載の湿度センサ装置。
【請求項９】
前記抵抗体は、前記検出電極及び前記参照電極の対向部分と略同等の幅を有し、前記対向部分に対応して設けられていることを特徴とする請求項６〜８いずれか１項に記載の湿度センサ装置。
【請求項１０】
前記抵抗体は、前記検出電極及び前記参照電極と同一の平面上に設けられていることを特徴とする請求項５に記載の湿度センサ装置。
【請求項１１】
前記抵抗体は、一対の前記検出電極間及び一対の前記参照電極間に設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の湿度センサ装置。
【請求項１２】
前記発熱素子は、トランジスタ及びダイオードの少なくとも一方であることを特徴とする請求項４に記載の湿度センサ装置。
【請求項１３】
前記検出電極及び前記参照電極を覆うように前記基板上に形成された保護膜を備え、
前記感湿膜は前記保護膜上に設けられていることを特徴とする請求項３〜１２いずれか１項に記載の湿度センサ装置。
【請求項１４】
周囲の湿度に応じて容量が変化するセンサ部と、前記センサ部の検出信号を処理して前記湿度に応じた信号を出力する信号処理部とを備える湿度センサ装置の自己診断方法であって、
前記センサ部の容量が所定の湿度における値となるように前記センサ部を加熱して、自己診断を行うことを特徴とする湿度センサ装置の自己診断方法。
【請求項１５】
前記所定の湿度とは、略０％ＲＨであることを特徴とする請求項１４に記載の湿度センサ装置の自己診断方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００６−２３４５７６（Ｐ２００６−２３４５７６Ａ）
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４９５９８（Ｐ２００５−４９５９８）
【出願日】平成１７年２月２４日（２００５．２．２４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年９月７日（２００６．９．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月２４日（２００５．２．２４）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【出願人】（０００００４６９５）株式会社日本自動車部品総合研究所 (1,981)
【Ｆターム（参考）】
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