专利名称：湿度检测传感器及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种将感湿膜用作电介质的湿度检测传感器及气制造方法。
背景技术：
用于测量湿度变化的湿度检测传感器中有将介电常数根据吸收或放出的水分量发生变化的高分子感湿膜用作电介质的静电电容型的湿度检测传感器。电容型湿度检测传感器包括静电电容根据湿度发生变化的传感器部、和与湿度无关地保持恒定的静电电容的基准部，将传感器部与基准部之间的电容差分转换为电压来输出。传感器部及基准部具有用一对电极挟持高分子感湿膜的层叠结构。作为这种湿度检测传感器，有例如专利文献I中所记载的传感器。现有技术文献专利文献专利文献1:日本特表2003-516538号公报
发明内容
(发明要解决的课题)如专利文献I所公开那样，作为湿度检测传感器的结构，有在同一平面上设置对置的一对梳齿状电极并在该一对梳齿状电极上设置感湿膜的结构、或在形成于基板上的下部电极与在该下部电极上对置地设置的上部电极(上下电极)之间设置感湿膜的结构。在上下电极之间设置感湿膜的结构中，由于依次层叠形成下部电极、感湿膜及上下电极，因此与在设置于同一平面上的梳齿状电极上设置感湿膜的情况相比，能够容易进行感湿膜的膜厚及平坦性的控制。另一方面，若是通过上下电极夹持感湿膜的平行平板结构，则成为上部电极暴露于外部的结构，产生上部电极因水分等而腐蚀等耐湿性的问题。作为其解决方法，考虑到在传感器部的上部电极上形成保护膜的方法。但是，如专利文献I中所记载那样，在上下电极之间设置感湿膜的平行平板结构中，在设置成局部去除上部电极来局部使感湿膜露出从而顺利地向感湿膜供给水分子的结构的情况下，若在整个面上形成保护膜，则无法顺利地向感湿膜供给外界的水分子。另一方面，考虑到仅在上部电极上选择性地形成保护膜的方法，但此时存在从露出的上部电极的侧面腐蚀的问题。本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的之一在于，在具有用下部电极和上部电极挟持感湿膜的结构的湿度检测传感器中，顺利地向感湿膜供给外界的水分子，并且提高上部电极的耐湿性。(用于解决课题的方案)本发明的湿度检测传感器，其包括基板、和设置在基板上且静电电容随着湿度而变化的传感器部，湿度检测传感器的特征在于，传感器部包括:下部电极，设置在基板上；上部电极，与下部电极对置地设置该上部电极；感湿膜，至少形成在下部电极与上部电极之间，且介电常数随着湿度而变化；以及保护膜，被设置成覆盖上部电极，上部电极及保护膜具有局部地向外界露出感湿膜的开口部，在开口部中，感湿膜至少设置到比保护膜的下表面的位置高的位置为止。根据该结构，即使在以覆盖上部电极的方式设置保护膜且设置局部使感湿膜露出的开口部的情况下，由于能够设置成保护膜的下表面与感湿膜相接的界面不向外界露出的结构，因此也能够抑制水分子及腐蚀成分从界面侵入，有效地提高上部电极的耐湿性。在本发明的湿度检测传感器中，优选的是，感湿膜填充开口部，且形成在保护膜的上方。在本发明的湿度检测传感器中，优选的是，形成于上部电极的开口部大于形成于保护膜的开口部，并且保护膜被设置成覆盖上部电极的侧面且一部分与感湿膜相接。在本发明的湿度检测传感器中，优选的是，感湿膜是聚酰亚胺、纤维素、PVA(聚乙烯醇)中的任一个。在本发明的湿度检测传感器中，优选的是，还包括基准部，该基准部设置在基板上，且通过一对电极夹持由与设置在传感器部中的感湿膜相同的材料形成的感湿膜而成，该基准部的静电电容与湿度无关，不发生变化，将传感器部与基准部之间的电容差分转换为电压并输出。本发明的湿度检测传感器的制造方法，其特征在于，包括:在基板上形成下部电极的工序；在下部电极上形成介电常数随着湿度而变化的第I感湿膜的工序；在第I感湿膜上形成与下部电极对置的上部电极的工序；在上部电极上形成使第I感湿膜露出的第I开口部的工序；在上部电极上以及第I感湿膜的露出部形成保护膜的工序；在保护膜上形成使第I感湿膜露出的第2开口部的工序；以及在第2开口部中，将第2感湿膜至少设置到比保护膜的下表面与第I感湿膜的上表面相接的界面的位置高的位置为止的工序。在本发明的湿度检测传感器的制造方法中，优选的是，将第2感湿膜形成到保护膜上为止。在本发明的湿度检测传感器的制造方法中，优选的是，第I感湿膜和第2感湿膜的材料相同。在本发明的湿度检测传感器的制造方法中，优选的是，将第2开口部形成为小于第I开口部。(发明效果)根据本发明的湿度检测传感器的一个方式，在通过上下电极夹持感湿膜的平行平板结构中，以覆盖上部电极的方式设置保护膜且设置使感湿膜局部露出的开口部，并且在开口部中将感湿膜至少设置到比保护膜的下表面高的位置为止，从而能够抑制水分子及腐蚀成分从该保护膜的下表面与感湿膜相接的界面侵入。由此，能够顺利地向感湿膜供给外界的水分子，并且有效地提高上部电极的耐湿性。
图1是表示本发明的实施方式所涉及的湿度检测传感器的传感器部的一个结构例的图。图2是表示本发明的实施方式所涉及的湿度检测传感器的传感器部的其他结构例的图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的湿度检测传感器的结构的框图。图4是表示本发明的实施方式所涉及的湿度检测传感器的一个结构例的图。图5是用于说明本发明的实施方式所涉及的湿度检测传感器的制造方法的截面图。图6是说明在湿度检测传感器的传感器部中设置为用上下电极夹持感湿膜的平行平板结构时在上部电极上设置保护膜时的结构的图。
具体实施例方式发明人在将湿度检测传感器的传感器部设置为用上下电极夹持感湿膜的平行平板结构时，着眼于在上部电极上设置阻断与外界的水分授受的保护膜的结构。在设置成用上下电极夹持感湿膜的结构的情况下，为了设置成能够使水分子顺利地向感湿膜的内部通过的结构，需要局部去除形成在感湿膜上的电极及保护膜来使传感器部的感湿膜露出到外界。作为该方法，考虑到以下方法:在感湿膜上形成具有开口部的上部电极之后形成覆盖上部电极的保护膜，并通过铣削加工等干式蚀刻法局部去除该保护膜。由此，能够得到在上部电极53上设置有保护膜54且在开口部55局部使被下部电极51与上部电极53挟持的感湿膜52露出的结构(参照图6)。此外，发明人发现在该方法中，通过将形成于保护膜54的开口部55设置成小于形成于上部电极53的开口部，从而能够通过保护膜54覆盖上部电极53的端部，能够提高上部电极53的耐湿性。此外，发明人在进一步进行分析后发现，在感湿膜52露出的开口部55中，因感湿膜52与保护膜54的密接性、从上部电极53的侧面到开口部55的距离，存在水分子及腐蚀成分从感湿膜52与保护膜54的界面侵入，上部电极53腐蚀的可能性。因此，发明人对进一步提高上部电极的耐湿性进行分析的结果，考虑到了如下的湿度检测传感器，即，在具有通过下部电极和上部电极夹持感湿膜的结构的传感器部中，能够顺利地向感湿膜供给外界的水分子，并且更有效地提高上部电极的耐湿性。以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。图3是表示本发明的实施方式所涉及的湿度检测传感器的一个结构例的框图。图3所示的湿度检测传感器在基板10上具有:传感器部20，静电电容C2tl随着湿度变化；基准部30，与湿度无关地保持恒定的静电电容C3tl ；以及电路部40，与该传感器部20和基准部30电连接，将该传感器部20与基准部30之间的电容差分AC( = C20-C30)转换为电压并向外部电路输出。在电路部40上设置有用于与外部电路连接的连接用焊盘(pad)40a。在经由焊盘40a与湿度检测传感器连接的外部电路中，根据湿度检测传感器的输出(与电容差分AC对应的电压)检测湿度变化(相对湿度)。图1是表示本发明的实施方式所涉及的湿度检测传感器的传感器部20的结构的图。在图1中，图1 (a)表不传感器部20的俯视不意图，图1 (b)表不图1 (a)中的A-A间的截面示意图。此外，在图1(a)中，省略了基板10和保护膜24。传感器部20具有在基板10上层叠了下部电极21、感湿膜22、上部电极23及保护膜24的结构，在上部电极23及保护膜24上设置有用于使感湿膜22局部向外界露出的开口部25。此外，保护膜24形成为覆盖上部电极23，在开口部25，感湿膜22至少设置到比保护膜24的下表面的位置高的位置。由此，能够设置成保护膜24的下表面与感湿膜22相接的界面不会露出的结构。另外，在此所说的“位置”是指与基板10的表面垂直的方向上的位置。这样，在通过上下电极夹持感湿膜22的平行平板结构中，以覆盖上部电极23的方式设置保护膜24、且设置局部使感湿膜22露出的开口部25时，以保护膜24的下表面与感湿膜22相接的界面不向外界露出的方式在开口部25内设置感湿膜22，从而能够抑制水分子及腐蚀成分从该界面侵入。其结果，能够顺利地向感湿膜22供给外界的水分子，并且能够有效地提高上部电极23的耐湿性。此外，在传感器部20中，从进一步有效地提高上部电极23的耐湿性的观点出发，优选的是，设置成用感湿膜22填充开口部25并在保护膜24上也设置感湿膜22的结构(参照图2(a))。此时，由于能够设置成在设置有开口部25的区域由感湿膜22覆盖保护膜24的表面的结构，因此能够有效地减小从保护膜24与感湿膜22的界面侵入的水分子及腐蚀成分对上部电极23带来的影响。作为基板10，可以使用表面被绝缘体保护的基板(例如硅基板)等。作为构成下部电极21及上部电极23的材料，例如可以使用Al、AlCu、Ta、T1、NiFe、Ni等金属薄膜。作为构成感湿膜22的材料，例如可以使用聚酰亚胺、纤维素、PVA(聚乙烯醇)等高分子感湿膜。此外，作为保护膜24，例如可以使用氮化硅(SiNx)膜、SiO2膜、八1203/^02层叠膜、SiO2/SiN层叠膜等。在上部电极23及保护膜24上形成有用于使感湿膜22局部向外界露出的I个以上的开口部25。在上部电极23和保护膜24上分别形成有开口部，形成于上部电极23的开口部和形成于保护膜24的开口部被设置为至少一部分重叠。此外，如图1所示，开口部25可以设置成在左右 上下方向上隔着规定间隔而并排的结构，开口部25的数量、平面形状及形成位置是任意的。此外，在本实施方式中，开口部25的形状只要是使感湿膜22露出的形状即可，还包括梳齿形状等图案形状。此外，作为形成于上部电极23的开口部和形成于保护膜24的开口部的形状，设置成形成于上部电极23的开口部25a大于形成于保护膜24的开口部25b (参照图2 (b))。由此，即使设置使感湿膜22局部向外界露出的开口部25，也能够设置成由保护膜24覆盖上部电极23的端部(侧面)的结构。另外，此时，向外界露出感湿膜22的开口部25的大小为形成于保护膜24的开口部25b的大小。图4是表示本发明的实施方式所涉及的湿度检测传感器的传感器部20及基准部30的示意图。图4(a)表示湿度检测传感器的俯视示意图，图4(b)表示图4(a)中的B-B间的截面示意图。此外，在图4中，右侧为传感器部20，左侧为基准部30。此外，在图4(a)中省略了基板10和保护膜24。传感器部20及基准部30具有层叠了下部电极、感湿膜、上部电极及保护膜的结构。即，传感器部20及基准部30具有通过一对电极(下部电极及上部电极)挟持介电常数随着湿度而变化的感湿膜而构成的平行平板结构。如上所述，静电电容随着湿度而变化的传感器部20在基板10上隔着绝缘膜形成有下部电极21。在下部电极21上形成有介电常数随着湿度而变化的感湿膜22，在感湿膜22上局部地形成有上部电极23，并形成有用于保护上部电极23的保护膜24。进一步，在上部电极23和保护膜24上形成有开口部25，并且填充该开口部25的同时与保护膜24上方相接地设置有感湿膜22。在静电电容与湿度无关地不变的基准部30中，在基板10上形成有下部电极21。在下部电极21上覆盖整个下部电极21而形成有感湿膜32。在感湿膜32上覆盖整个感湿膜32而形成有上部电极33。在整个基准部30中形成有用于保护上部电极33的保护膜24。在本实施方式所涉及的湿度检测传感器中，如图4所示，可以设置成在传感器部20和基准部30中共同设置了下部电极21的结构。此时，优选设置成以下结构:相对于下部电极21，从传感器部20与基准部30之间的大致中间位置引出下部电极布线，该下部电极布线与电路部40的电极焊盘40a相连。通过这样从传感器部20与基准部30之间的大致中间位置引出下部电极布线，传感器部20和基准部30的电对称性良好，能够减小传感器电容C2tl与基准电容C3tl的偏差。作为构成上部电极33的材料，可以使用与上部电极23相同的材料，例如可以使用Al、AlCu, Ta、T1、NiFe, Ni等。此外，优选的是，上部电极23和上部电极33通过同一工序同时形成。此外，在图4中表示了在上部电极33上没有设置开口部的情况，但也可以是在上部电极33上与传感器部20的上部电极23同样地设置有开口部的结构。作为构成感湿膜32的材料，可以使用与感湿膜22相同的材料，例如可以使用容易形成图案的聚酰亚胺等高分子感湿膜。此外，如图4所示，在传感器部20和基准部30中单独设置了感湿膜22、32及上部电极23、33。在上部电极23、33上分别设置有将上部电极23、33与电路部40的电极焊盘40a连接的上部电极布线。上部电极布线是从一对上部电极23、33分别以恒定的宽度尺寸延伸的布线图案，该宽度尺寸被调整为在传感器部20和基准部30中产生的寄生电容相同。由此，能够减小寄生电容引起的传感器电容C2tl与基准电容C3tl的偏差。在具有上述结构的湿度检测传感器中，按照如下方式检测湿度。首先，在传感器部20中，感湿膜22经由开口部25向外界露出。因此，感湿膜22中，根据环境中的湿度(水分量)，吸收或放出的水分量发生变化，介电常数e发生变化。由此，下部电极21与上部电极23之间的静电电容C2tl发生变化。另一方面，在基准部30中，由于感湿膜32没有向外界露出，因此即使环境中的湿度(水分量)发生变化，感湿膜32中的水分量也不会发生变化，介电常数e也不会变化。因此，在下部电极21与上部电极33之间保持恒定的静电电容(:3(|。并且，通过求出传感器部20的静电电容C2tl与基准部30的静电电容C3tl之间的电容差分，能够测量随着湿度变化的静电电容(差分值)。在本实施方式的湿度检测传感器中，构成为将该差分值转换为电压后输出。接着，说明湿度检测传感器的制造方法。图5(a) (e)是用于说明本发明的实施方式所涉及的湿度检测传感器的制造方法的截面图。首先，如图5(a)所示，在覆盖基板10的绝缘层(未图示)上形成下部电极21。下部电极21例如在基板10的整个面上利用AlCu等电极材料成膜，并用光刻技术进行图案化。具体地说，在成膜的电极材料上形成抗蚀剂层之后，将该抗蚀剂层图案化后作为掩模，隔着该掩模对电极材料进行蚀刻。下部电极21在传感器部20及基准部30中可以是共通的。另外，在形成该下部电极21时，也可以同时形成电路部40的布线导体和焊盘40a。接着，如图5(b)所示，在下部电极21上以覆盖该下部电极21的方式形成感湿膜22a。此时，同时在基准部30的下部电极21上也形成感湿膜(图4中的感湿膜32)。感湿膜22a例如在基板10的整个面上涂布高分子材料(例如聚酰亚胺、纤维素、PVA(聚乙烯醇)等)并通过热处理而固化之后，采用光刻技术进行图案化。具体地说，在固化后的高分子材料上形成抗蚀剂层之后，将该抗蚀剂层图案化后作为掩模，并隔着该掩模对高分子材料进行蚀刻。另外，在传感器部20及基准部30中分别独立地形成感湿膜。接着，如图5(c)所示，在感湿膜22a上以覆盖该感湿膜22a的方式形成上部电极
23。此时，同时在基准部30的感湿膜32上也形成上部电极(图4中的上部电极33)。上部电极23例如在基板10的整个面上利用Al、AlCu、Ta、T1、NiFe、Ni等电极材料成膜，并采用光刻技术图案化。具体地说，在成膜的电极材料上形成抗蚀剂层之后，将该抗蚀剂层图案化后作为掩模，隔着该掩模对电极材料进行蚀刻。此外，此时，在上部电极33上形成开口部。另外，在传感器部20及基准部30中分别独立地形成上部电极。基准部30中的上部电极33可以是没有设置开口部的结构，也可以是设置有与上部电极23相同的开口部的结构。接着，如图5(d)所示，在上部电极23上以覆盖该上部电极23的方式选择性地形成保护膜24。此时，同时在基准部30的上部电极23上也形成保护膜24。保护膜24例如在基板10的整个面上使氮化硅(SiNx)膜、SiO2膜、Al203/Si02层叠膜、Si02/SiN层叠膜等绝缘材料成膜，并采用光刻技术进行图案化。具体地说，在成膜后的绝缘材料上形成抗蚀剂层之后，将该抗蚀剂层图案化后作为掩模，隔着该掩模对电极材料进行蚀刻。此外，此时，在保护膜的区域中蚀刻与上部电极23的开口部重叠的区域而形成开口部25。在形成开口部25的情况下，当使用铣削加工的情况下，无法仅去除上部电极23，如图6所示，有时感湿膜22a也会被去除一部分。此外，通过将形成在保护膜24上的开口部形成为小于形成在上部电极23上的开口部，从而能够设置成用保护膜24覆盖上部电极23的端部的结构。另外，在基准部30的上部电极33上设置的保护膜上没有设置开口部。接着，如图5(e)所示，在开口部25内形成感湿膜22b。感湿膜22b至少在开口部25中形成到比保护膜24的下表面与感湿膜22a的上表面相接的界面的位置高的位置。此夕卜，从减小湿度检测传感器的灵敏度偏差的观点出发，优选的是，作为感湿膜22b的材料，使用与感湿膜22a相同的材料。此时，例如，在基板10的整个面上涂布高分子材料(例如聚酰亚胺、纤维素、PVA(聚乙烯醇)等)并通过热处理固化之后，采用光刻技术进行图案化。另外，通过由同一材料形成感湿膜22a和感湿膜22b，能够将感湿膜22a及感湿膜22b看作一个感湿膜22。此外，在图5(e)中，从进一步有效地提高上部电极23的耐湿性的观点出发，优选的是，如上述图2(a)所示，设置成感湿膜22b填充开口部25且还设置在保护膜24上的结构。另外，在基准部30的保护膜上既可以设置感湿膜22b，也可以不设置感湿膜22b。这样，在通过上下电极夹持感湿膜22a的平行平板结构中，即使在上部电极23上设置保护膜24且设置使感湿膜22a局部露出的开口部25的情况下，通过以不使保护膜24的下表面与感湿膜22a的上表面相接的界面向外界露出的方式另行设置感湿膜22b，也能够抑制水分子及腐蚀成分从该界面侵入，有效地提高上部电极23的耐湿性。本发明并不限于上述实施方式，能够适当变更后进行实施。在上述实施方式中，说明了包括传感器部和基准部的湿度检测传感器，但本发明并不限于此，在仅由传感器部构成的湿度检测传感器中也同样能够适用。此外，上述实施方式中的材料、各层的配置位置、厚度、大小、制法等能够适当变更后进行实施。除此之外，在不脱离本发明的范围内，本发明能够适当变更后进行实施。本申请基于2010年10月4日申请的日本申请特愿2010-224660。其内容全部包含在此。
权利要求
1.一种湿度检测传感器，其包括基板、和设置在所述基板上且静电电容随着湿度而变化的传感器部，所述湿度检测传感器的特征在于， 所述传感器部包括: 下部电极，其设置在所述基板上； 上部电极，与所述下部电极对置地设置该上部电极； 感湿膜，其至少形成在所述下部电极与所述上部电极之间，且介电常数随着湿度而变化；以及 保护膜，其被设置成覆盖所述上部电极， 所述上部电极及所述保护膜具有局部地向外界露出所述感湿膜的开口部，在所述开口部中，所述感湿膜至少被设置到比所述保护膜的下表面的位置高的位置为止。
2.根据权利要求1所述的湿度检测传感器，其特征在于， 所述感湿膜填充所述开口部，且形成在所述保护膜上。
3.根据权利要求1或2所述的湿度检测传感器，其特征在于， 形成于所述上部电极的开口部大于形成于所述保护膜的开口部，并且所述保护膜被设置成覆盖所述上部电极的侧面且一部分与所述感湿膜相接。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的湿度检测传感器，其特征在于， 所述感湿膜是聚酰亚胺、纤维素、PVA中的任一个。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的湿度检测传感器，其特征在于， 所述湿度检测传感器还包括:基准部，其设置在所述基板上，且通过一对电极挟持由与设置在所述传感器部中的所述感湿膜相同的材料形成的感湿膜而成，并且该基准部的静电电容与湿度无关，不发生变化， 所述湿度检测传感器将所述传感器部与所述基准部之间的电容差分转换为电压并输出。
6.一种湿度检测传感器的制造方法，其特征在于，包括: 在基板上形成下部电极的工序； 在所述下部电极上形成介电常数随着湿度而变化的第I感湿膜的工序； 在所述第I感湿膜上形成与所述下部电极对置的上部电极的工序； 在所述上部电极上形成使所述第I感湿膜露出的第I开口部的工序； 在所述上部电极上以及所述第I感湿膜的露出部中形成保护膜的工序； 在所述保护膜上形成使所述第I感湿膜露出的第2开口部的工序；以及在所述第2开口部中，将第2感湿膜至少设置到比所述保护膜的下表面与所述第I感湿膜的上表面相接的界面的位置高的位置为止的工序。
7.根据权利要求6所述的湿度检测传感器的制造方法，其特征在于， 将所述第2感湿膜形成到所述保护膜上为止。
8.根据权利要求6或7所述的湿度检测传感器的制造方法，其特征在于， 所述第I感湿膜和所述第2感湿膜的材料相同。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的湿度检测传感器的制造方法，其特征在于， 将所述第2开口部形成得小于所述第I开口部。
全文摘要
本发明的目的之一是，在通过下部电极和上部电极挟持感湿膜的湿度检测传感器中，使水分子顺利地通过感湿膜的内部，并且提高上部电极的耐湿性。包括下部电极(21)，设置在基板(10)上；上部电极(23)，与下部电极(21)对置地设置；感湿膜(22)，至少形成在下部电极(21)与上部电极(23)之间，且介电常数随着湿度发生变化；以及保护膜(24)，设置成覆盖上部电极(23)，上部电极(23)及保护膜(24)具有局部地向外界露出感湿膜(22)的开口部(25)，在开口部(25)中，将感湿膜(22)至少设置到比保护膜(24)的下表面的位置高的位置为止。
文档编号G01N27/22GK103154715SQ201180048230
公开日2013年6月12日 申请日期2011年8月8日 优先权日2010年10月4日
发明者遁所淳, 和贺聪, 佐藤崇, 横山进矢, 森田澄人 申请人:阿尔卑斯电气株式会社