生命科学関連特許情報
| タイトル： | 公開特許公報(A)_湿度センサおよびその製造方法 |
| 出願番号： | 2014009674 |
| 年次： | 2015 |
| IPC分類： | G01N 27/22 |
特許情報キャッシュ
古市 喬干 村田 稔 与倉 久則 矢野 敏史 JP 2015137936 公開特許公報(A) 20150730 2014009674 20140122 湿度センサおよびその製造方法 株式会社デンソー 000004260 特許業務法人ゆうあい特許事務所 110001128 古市 喬干 村田 稔 与倉 久則 矢野 敏史 G01N 27/22 20060101AFI20150703BHJP JPG01N27/22 A 6 1 ＯＬ 11 2G060 2G060AA01 2G060AB02 2G060AE19 2G060AF10 2G060AG06 2G060AG08 2G060AG10 2G060BB09 2G060JA02 本発明は、検出電極を覆うように感湿膜が形成されていると共に、この感湿膜上に保護部材が形成された湿度センサおよびその製造方法に関するものである。 従来より、この種の湿度センサとして、例えば、特許文献１に次のものが提案されている。 すなわち、この湿度センサは、基板上に一対の検出電極が形成され、この検出電極を覆うように吸湿性の感湿膜が形成されている。そして、感湿膜上には、水蒸気（気体）を透過させて水滴（液体）を遮断するゴアテックス（登録商標）等の保護膜が形成されている。 このような湿度センサでは、感湿膜が保護膜を通過した水蒸気（水分）を吸脱着するため、湿度に応じて検出電極間の静電容量が変化する。このため、検出電極間の容量変化に基づいて湿度が検出される。また、保護膜によって水滴が遮断されるため、感湿膜に水滴が付着することを抑制でき、検出精度が低下することを抑制できる。特開２００４−２７９３７０号公報 しかしながら、上記保護膜としてゴアテックスを用いた場合、ゴアテックスは、繊維が積層されて構成されるため、加工性が低い。つまり、ゴアテックスをダイシングブレード等で切断しようとすると、ゴアテックスを構成する繊維がダイシングブレードに絡まるために所望形状に加工することが困難である。したがって、ゴアテックスを保護膜として使用する場合には、ゴアテックスの大きさに基づいて製品の外形を決定しなければならず、設計の自由度が低いという問題がある。 本発明は上記点に鑑みて、設計の自由度を向上できる湿度センサおよびその製造方法を提供することを目的とする。 上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、一面（１０ａ）を有する基板（１０）と、基板の一面側に形成され、湿度に応じたセンサ信号を出力する検出電極（３１、３２）と、検出電極を覆う感湿膜（５０）と、感湿膜のうちの検出電極を覆う部分上に配置された保護部材（６０）と、を備え、以下の点を特徴としている。 すなわち、保護部材は、複数の球状のビーズ（６１）が敷き詰められることで構成され、隣接するビーズ同士の間に構成される隙間（７０）は、水蒸気を透過しつつ、液体を遮断する大きさとされていることを特徴としている。 これによれば、保護部材をビーズを敷き詰めることで構成している。このため、ビーズの数を適宜変更することによって保護部材の大きさを任意に変更でき、設計の自由度を向上できる。 また、請求項５に記載の発明では、基板の一面側に検出電極が形成されると共に、検出電極を覆う感湿膜が形成されたものを用意する工程と、感湿膜上に、ビーズが溶剤（６２）に混入された溶液（６３）を塗布する工程と、溶液中の溶剤を蒸発させることによって保護部材を形成する工程と、を行うことを特徴としている。 これによれば、溶液を塗布する領域を適宜変更することによって保護部材の形成領域を変更でき、設計の自由度を向上させることができる。 なお、この欄および特許請求の範囲で記載した各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものである。本発明の第１実施形態における湿度センサの断面模式図である。水滴の粒子径と粒子数との関係を示す図である。隙間のうちの最も面積が小さくなる断面のビーズと隙間との関係を示す図である。図１に示す湿度センサの製造方法を示す図である。本発明の第３実施形態における湿度センサの断面模式図である。本発明の第４実施形態における湿度センサの断面模式図である。 以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。 （第１実施形態） 本発明の第１実施形態について図面を参照しつつ説明する。本実施形態の湿度センサは、例えば、車室内のルームミラー近傍に取り付けられ、車室内の湿度を検出するものとして用いられると好適である。 図１に示されるように、湿度センサは、シリコン等で構成される基板１０を備えている。そして、基板１０の一面１０ａ側には、酸化膜等で構成される第１絶縁膜２０を介して一対の検出電極３１、３２が形成されている。 一対の検出電極３１、３２は、それぞれ複数本形成されており、互いに噛み合うように対向して形成された櫛歯状とされている。なお、この一対の検出電極３１、３２は、Ａｌ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｃｕ等の導電性材料を用いて構成される。 そして、この検出電極３１、３２を覆うようにシリコン窒化膜等で構成される第２絶縁膜４０が形成され、第２絶縁膜４０上には、ポリイミドや酪酸酢酸セルロース等の吸湿性を有する高分子有機材料で構成された感湿膜５０が形成されている。 また、感湿膜５０のうちの検出電極３１、３２上に位置する部分には、保護部材６０が配置されている。なお、感湿膜５０のうちの検出電極３１、３２上に位置する部分とは、感湿膜５０のうちの検出電極３１、３２の直上に位置する部分およびその周囲の部分のことである。 保護部材６０は、球状（球体）のビーズ６１が敷き詰められることで構成されている。具体的には、ビーズ６１は、ガラス、シリカ、アルミナ等の表面にバインダー樹脂が被覆された構成とされ、バインダー樹脂によって互いに接着されていると共に、感湿膜５０に接着されている。そして、各ビーズ６１は、隣接するビーズ６１同士の間に構成される隙間７０が水蒸気を透過しつつ、液体を遮断する大きさとなるように敷き詰められている。本実施形態では、ビーズ６１は、面心立法格子を構成するように配列されている。 ここで、隣接するビーズ６１の間に構成される隙間７０の大きさについて説明する。図２は、スプレーノズルで水滴（液滴）を散布したときの水滴の粒子径（直径）と粒子数との関係を示す図である。 図２に示されるように、水滴は、粒子径（直径）が５μｍより大きい場合に測定される。このため、隙間７０のうちの最も面積が小さくなる断面において、この隙間７０を構成するビーズ６１に接する球体が存在すると仮定したとき、水滴がこの隙間７０を通過しないように、この球体の直径が５μｍ以下となるようにビーズ６１の大きさが規定されている。 また、水蒸気が通過する通路は、上記ゴアテックスに形成される穴のように、１μｍ以上であれば応答性が良好であることが知られている。したがって、隙間７０のうちの最も面積が小さくなる断面において、当該断面における最も長さが長くなる部分が１μｍ以上とされている。 具体的には、本実施形態では、ビーズ６１は面心立法格子を構成するように配列されているため、図３に示されるように、隙間７０のうちの最も面積が小さくなる断面は、３つのビーズ６１の中心を通る断面（図２の断面）となる。 そして、３つのビーズ６１の中心６１ａを結ぶ三角形（正三角形）をＡ、ビーズ６１の半径をａ、三角形Ａの面積をＳとすると、面積Ｓは次式で示される。 また、三角形Ａの重心Ｇから各辺の中点に下ろした垂線の長さをｂとすると、三角形Ａの面積Ｓは次式でも示される。 したがって、上記数式１および数式２から重心Ｇから各辺の中点に下ろした垂線の長さｂは次式で示される。 そして、３つのビーズ６１の間の隙間７０に侵入できる球体Ｂの半径をｃとすると、三角形Ａの１つの頂点（１つのビーズ６１の中心６１ａ）に対する底辺に下ろした垂線の長さは３（１／２）ａで示されるため、半径ｃは次式で示される。 なお、３つのビーズ６１の間の隙間７０に侵入できる球体Ｂとは、言い換えると、隙間７０を構成する各ビーズ６１に接する球体のことである。 このため、本実施形態では、球体Ｂの半径ｃはビーズ６１の半径ａに対して約１５％の半径となる。そして、上記のように、球体Ｂの直径が５μｍ以下となれば水滴が各ビーズ６１間の隙間７０を通過して感湿膜５０に到達することを抑制できる。したがって、ビーズ６１の半径ａは、２．５μｍ／０．１５である１６．６７μｍ以下とされている。 また、図２中の隙間７０における最も長くなる部分の長さはｂ＋ｃで示されるため、この部分の長さが１μｍ以上であればよい。したがって、ビーズ６１の半径ａは、１．３７μｍ以上とされている。 そして、基板１０には、図１とは別断面において、検出電極３１、３２と電気的に接続されるパッド８０が形成されている。このパッド８０は、第２絶縁膜４０に形成されたコンタクトホール４０ａおよび感湿膜５０に形成されたコンタクトホール５０ａを介して露出しており、ボンディングワイヤ９０を介して外部回路と接続されている。 以上が本実施形態における湿度センサの構成である。このような湿度センサでは、感湿膜５０が水分（水蒸気）を吸脱着するため、湿度に応じて検出電極３１、３２間の静電容量が変化する。このため、検出電極３１、３２間の容量変化（センサ信号）に基づいて湿度が検出される。 次に、上記湿度センサの製造方法について図４を参照しつつ説明する。 まず、図４（ａ）に示されるように、一般的な製造プロセスを行い、基板１０の一面１０ａ側に、第１絶縁膜２０、検出電極３１、３２、第２絶縁膜４０、感湿膜５０、パッド８０が形成されたものを用意する。なお、第２絶縁膜４０および感湿膜５０には、パッド８０を露出させるコンタクトホール４０ａ、５０ａが形成されている。 そして、図４（ｂ）および図４（ｃ）に示されるように、感湿膜５０のうちの検出電極３１、３２上に位置する部分に、ディスペンサ１００を用いて上記ビーズ６１が溶剤６２に混入された溶液６３を塗布する。 続いて、図４（ｄ）に示されるように、溶液６３中の溶剤６２を蒸発させることで保護部材６０を形成する。このとき、ビーズ６１は、表面がバインダー樹脂で被膜されているためにビーズ６１同士が接着するように密接して敷き詰められる。 なお、溶剤６２を蒸発させる方法としては、例えば、例えば１００〜１８０℃の温度で１〜６０分程度加熱したり、照射量４０〜３００ｍＪ／ｃｍｇの紫外線照射を行えばよい。また、溶液６３を囲む枠等を形成して適宜加圧しながら溶剤６２を蒸発させることにより、さらにビーズ６１同士が離間して配置されることを抑制できる。 その後は、特に図示しないが、パッド８０と外部回路とを接続するボンディングワイヤ９０を形成することにより、上記図１に示す湿度センサが製造される。 なお、ボンディングワイヤ９０は、図４（ａ）の工程において形成してもよい。また、上記では、１つの湿度センサの製造方法について説明したが、ウェハ状の基板１０を用意し、各チップ形成領域に上記製造工程を行った後にチップ単位に分割するようにしてもよい。 以上説明したように、本実施形態では、保護部材６０をビーズ６１を敷き詰めることで構成している。このため、ビーズ６１の数を適宜変更することによって保護部材６０の大きさを任意に変更でき、設計の自由度を向上できる。 また、隣接するビーズ６１同士の間の隙間７０のうちの最も面積が小さくなる断面において、当該隙間７０を構成するビーズ６１に接する球体Ｂが存在すると仮定したとき、この球体Ｂの直径が５μｍ以下となるようにしている。このため、水滴が感湿膜５０に到達することを抑制でき、検出精度が低下することを抑制できる。 そして、隣接するビーズ６１同士の間の隙間７０のうちの最も面積が小さくなる断面において、当該断面における最も長さが長くなる部分が１μｍ以上となるようにしている。このため、水蒸気の透過性が低下することを抑制でき、応答性が低下することを抑制できる。すなわち、設計の自由度を向上するために、保護部材としてゲルを用いることも考えられるが、ゲルは内部の穴の径（水蒸気が通過する経路の幅）が数ｎｍ程度であるため、応答性が低い。つまり、本実施形態の湿度センサによれば、設計の自由度を向上しつつ、応答性の低下も抑制できる。 （第２実施形態） 本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してビーズ６１の構成を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。 本実施形態では、基本的な構成は第１実施形態と同様であるが、ビーズ６１は、表面が疎水性を有するバインダー樹脂にて被覆されている。疎水性を有するバインダー樹脂としては、例えば、水酸基、カルボキシ基等の親水性を示す官能基を含まない成分を持つ樹脂や、ビニル基を有するジビニルベンゼン等が用いられる。このように、ビーズ６１の表面を疎水性を有するバインダー樹脂にて被覆することにより、隣接するビーズ６１同士の隙間７０にさらに水滴が侵入することを抑制できる。 （第３実施形態） 本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して保護部材６０の形成領域を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。 本実施形態では、図５に示されるように、保護部材６０は、感湿膜５０のうちの検出電極３１、３２上に位置する部分のみだけではなく、感湿膜５０のうちの第２絶縁膜４０側と反対側の全面に配置されている。 これによれば、感湿膜５０のうちの第２絶縁膜４０側と反対側の部分の全面を保護部材６０で保護でき、ベアチップ実装することもできる。なお、この場合は、使用用途に応じてビーズ６１のヤング率を適宜変更することが好ましい。 （第４実施形態） 本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対して保護部材６０の形成領域を変更したものであり、その他に関しては第３実施形態と同様であるため、ここでは説明を省略する。 本実施形態では、図６に示されるように、パッド８０がゲル等の封止部材１００で封止されている。なお、封止部材１００は、パッド８０を覆うようにコンタクトホール４０ａ、５０ａ内に配置されていると共に、感湿膜５０のうちのコンタクトホール５０ａの周囲にも配置されている。 また、保護部材６０は、感湿膜５０のうちの第２絶縁膜４０側と反対側の部分において、封止部材１００が配置されている領域と異なる領域に配置されている。つまり、感湿膜５０のうちの第２絶縁膜４０側と反対側の部分は、保護部材６０および封止部材１００のいずれか一方が配置された状態となっている。 このような湿度センサは、図４（ａ）の工程の後に、ボンディングワイヤ９０を形成する。そして、パッド８０が封止されるように封止部材１００を配置する。このとき、封止部材１００を感湿膜５０のうちのコンタクトホール５０ａの周囲にはみ出すように形成する。その後、図４（ｂ）以降の工程を行うことにより製造される。 これによれば、図４（ｂ）の溶液６３を塗布する際、封止部材１００によって溶液６３がコンタクトホール４０ａ、５０ａ内に侵入することを抑制できる。 （他の実施形態） 本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。 例えば、上記各実施形態では、ビーズ６１が面心立法格子を構成するように配列された例を説明したが、ビーズ６１が体心立方格子を構成するように配列されていてもよい。 さらに、上記各実施形態において、ビーズ６１を１層ずつ配列するようにしてもよい。すなわち、図４（ｂ）〜図４（ｄ）の工程を繰り返し行い、層毎に溶液６３を塗布して蒸発させる工程を行ってもよい。 また、上記第１〜第３実施形態において、ビーズ６１を１つずつ配列するようにしてもよい。 そして、上記各実施形態では、隣接するビーズ６１同士の間の隙間７０のうちの最も面積が小さくなる断面において、当該断面における最も長さが長くなる部分が１μｍ以上とされていなくてもよい。このような湿度センサとしても、設計の自由度を向上できる湿度センサとできる。 １０ 基板 １０ａ 一面 ３１、３２ 検出電極 ５０ 感湿膜 ６０ 保護部材 ６１ ビーズ ７０ 隙間 一面（１０ａ）を有する基板（１０）と、 前記基板の一面側に形成され、湿度に応じたセンサ信号を出力する検出電極（３１、３２）と、 前記検出電極を覆う感湿膜（５０）と、 前記感湿膜のうちの前記検出電極を覆う部分上に配置された保護部材（６０）と、を備え、 前記保護部材は、複数の球状のビーズ（６１）が敷き詰められることで構成され、 隣接する前記ビーズ同士の間に構成される隙間（７０）は、水蒸気を透過しつつ、液体を遮断する大きさとされていることを特徴とする湿度センサ。 前記保護部材は、前記隙間のうちの最も面積が小さくなる断面において、当該断面における最も長さが長くなる部分が１μｍ以上であり、かつ、前記隙間を構成するそれぞれの前記ビーズに接する球体（Ｂ）が存在すると仮定したとき、前記球体の直径が５μｍ以下となるように敷き詰められていることを特徴とする請求項１に記載の湿度センサ。 前記保護部材は、前記感湿膜のうちの前記基板側と反対側の全面に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の湿度センサ。 前記基板の一面側には、前記検出電極と電気的に接続されるパッド（８０）が形成され、 前記感湿膜には、前記パッドを露出させるコンタクトホール（５０ａ）が形成され、 前記パッドを封止すると共に、前記感湿膜のうちの前記コンタクトホールの周囲に配置された封止部材（１００）を有し、 前記保護部材は、前記感湿膜のうちの前記封止部材が配置された領域と異なる領域に配置されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１つに記載の湿度センサ。 一面（１０ａ）を有する基板（１０）と、 前記基板の一面側に形成され、湿度に応じたセンサ信号を出力する検出電極（３１、３２）と、 前記検出電極を覆う感湿膜（５０）と、 前記感湿膜のうちの前記検出電極を覆う部分上に配置された保護部材（６０）と、を備え、 前記保護部材は、複数の球状のビーズ（６１）が敷き詰められることで構成され、 隣接する前記ビーズ同士の間に構成される隙間（７０）は、水蒸気を透過しつつ、液体を遮断する大きさとされている湿度センサの製造方法において、 前記基板の一面側に前記検出電極が形成されると共に、前記検出電極を覆う前記感湿膜が形成されたものを用意する工程と、 前記感湿膜上に、前記ビーズが溶剤（６２）に混入された溶液（６３）を塗布する工程と、 前記溶液中の溶剤を蒸発させることによって前記保護部材を形成する工程と、を行うことを特徴とする湿度センサの製造方法。 前記用意する工程では、前記基板の一面側に前記検出電極と電気的に接続されたパッド（７０）が形成されていると共に、前記感湿膜に前記パッドを露出させるコンタクトホール（５０ａ）が形成されたものを用意する工程と、 前記塗布する工程の前に、前記パッドを封止する封止部材（１００）を前記感湿膜のうちの前記コンタクトホールの周囲にもはみ出すように形成することを特徴とする請求項５に記載の湿度センサの製造方法。 【課題】応答性を向上しつつ、設計の自由度を向上できる湿度センサを提供する。【解決手段】保護部材６０を複数の球状のビーズ６１を敷き詰められることで構成する。そして、隣接するビーズ６１同士の間に構成される隙間７０を水蒸気を透過しつつ、液体を遮断する大きさとする。これによれば、ビーズ６１の数を適宜変更することによって保護部材６０の大きさを任意に変更でき、設計の自由度を向上できる。【選択図】図１