JPH0153417B2 - - Google Patents
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- JPH0153417B2 JPH0153417B2 JP57034786A JP3478682A JPH0153417B2 JP H0153417 B2 JPH0153417 B2 JP H0153417B2 JP 57034786 A JP57034786 A JP 57034786A JP 3478682 A JP3478682 A JP 3478682A JP H0153417 B2 JPH0153417 B2 JP H0153417B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
- G01N27/22—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance
- G01N27/223—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity
- G01N27/225—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating capacitance for determining moisture content, e.g. humidity by using hygroscopic materials
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は半導体基板上に多孔質感湿材を用いて
構成され、かつ大気中またはガス中の湿度を静電
容量の変化分として検出する感湿素子に関する。
構成され、かつ大気中またはガス中の湿度を静電
容量の変化分として検出する感湿素子に関する。
現在使用されている小形の湿度計のほとんどは
湿度によつてそのインピーダンスが変化する感湿
材を感湿素子に使用している。この現象を利用し
た感湿素子には大きく分けると二つのタイプがあ
る。一つは湿度の変化によつて抵抗成分が変化す
る現象を利用したものであり、この現象を示す材
料としては電解質やセラミツクがある。もう一つ
はAl2O3に代表される多孔質膜を用いた静電容量
形のもので、多孔質膜に水分が吸脱着することに
より静電容量の値が変化する現象を利用したもの
である。抵抗成分の変化を利用した感湿素子にお
いては湿度が高くなると抵抗値が小さくなるとい
う現象を示し、反対に湿度の低い領域においては
非常に高い抵抗値を示す。このため微量の湿度の
検出には不向きであり、通常湿度が10〜100％の
高い領域における感湿素子として用いられてい
る。一方静電容量の変化を利用した素子としては
Si基板を覆う酸化絶縁膜上に設けられた櫛形状電
極に多孔質Al2O3膜を挾んで構成したものや、Al
基板の表面を酸化し、その上を透水性電極で覆つ
たものとがある。これらの静電容量形の感湿素子
は湿度の低い領域でも静電容量の変化量が大きく
数ppmという微量の水分をも検出できる。しかし
これらの静電容量形の感湿素子を用いて湿度を測
定するには測定回路からくる制約上ある値（例え
ば1pF）以上の容量値が必要である。しかし上記
構造の感湿素子においては単位面積当りの静電容
量値が小さいので素子面積を大きくする必要があ
る。またAl基板表面を酸化して感湿材を構成し
た構造の感湿素子は感湿材の膜厚が10μm位と厚
いため応答が遅いという欠点がある。したがつて
これらの感湿素子は時代のニーズである小形で高
速応答性を有する感湿素子としては適さない。本
発明は上記の感湿素子における欠点を克服するた
めに通常の半導体技術を用いて構成した安価で小
形、かつ高速応答性を有する感湿素子に関する。
湿度によつてそのインピーダンスが変化する感湿
材を感湿素子に使用している。この現象を利用し
た感湿素子には大きく分けると二つのタイプがあ
る。一つは湿度の変化によつて抵抗成分が変化す
る現象を利用したものであり、この現象を示す材
料としては電解質やセラミツクがある。もう一つ
はAl2O3に代表される多孔質膜を用いた静電容量
形のもので、多孔質膜に水分が吸脱着することに
より静電容量の値が変化する現象を利用したもの
である。抵抗成分の変化を利用した感湿素子にお
いては湿度が高くなると抵抗値が小さくなるとい
う現象を示し、反対に湿度の低い領域においては
非常に高い抵抗値を示す。このため微量の湿度の
検出には不向きであり、通常湿度が10〜100％の
高い領域における感湿素子として用いられてい
る。一方静電容量の変化を利用した素子としては
Si基板を覆う酸化絶縁膜上に設けられた櫛形状電
極に多孔質Al2O3膜を挾んで構成したものや、Al
基板の表面を酸化し、その上を透水性電極で覆つ
たものとがある。これらの静電容量形の感湿素子
は湿度の低い領域でも静電容量の変化量が大きく
数ppmという微量の水分をも検出できる。しかし
これらの静電容量形の感湿素子を用いて湿度を測
定するには測定回路からくる制約上ある値（例え
ば1pF）以上の容量値が必要である。しかし上記
構造の感湿素子においては単位面積当りの静電容
量値が小さいので素子面積を大きくする必要があ
る。またAl基板表面を酸化して感湿材を構成し
た構造の感湿素子は感湿材の膜厚が10μm位と厚
いため応答が遅いという欠点がある。したがつて
これらの感湿素子は時代のニーズである小形で高
速応答性を有する感湿素子としては適さない。本
発明は上記の感湿素子における欠点を克服するた
めに通常の半導体技術を用いて構成した安価で小
形、かつ高速応答性を有する感湿素子に関する。
本発明の感湿素子は半導体基板上にオーミツク
電極が設けられた拡散層と、この拡散層上に絶縁
膜を介して設けられた感湿材と、この感湿材を覆
うように設けられた透水性電極、前記透水性電極
と接続されている取出電極より構成される。
電極が設けられた拡散層と、この拡散層上に絶縁
膜を介して設けられた感湿材と、この感湿材を覆
うように設けられた透水性電極、前記透水性電極
と接続されている取出電極より構成される。
本発明の感湿素子の実施例を第１図、第２図に
示す。感湿素子は半導体基板１上の一部に拡散層
２を設け、拡散層上に絶縁膜３を設け、前記拡散
層上の一部にオーミツク電極４を設ける。この電
極は外部から拡散層に電位を与えるために使用す
る。つぎに拡散層上に絶縁膜を介して感湿膜５を
設け、前記半導体基板とは絶縁膜を介して、かつ
オーミツク電極４とは互いに分離した形で設けら
れた透水性電極６と取出電極７とから構成されて
おり、静電容量が構成されることになる。従つて
外部雰囲気中の湿度の変化分を前記両電極４，６
に挾まれた感湿膜５によつてもたらされる静電容
量の大きさの変化分として検出することを特徴と
する感湿素子である。通常感湿膜としてはAlを
陽極酸化した多孔質Al2O3膜が用いられる。
示す。感湿素子は半導体基板１上の一部に拡散層
２を設け、拡散層上に絶縁膜３を設け、前記拡散
層上の一部にオーミツク電極４を設ける。この電
極は外部から拡散層に電位を与えるために使用す
る。つぎに拡散層上に絶縁膜を介して感湿膜５を
設け、前記半導体基板とは絶縁膜を介して、かつ
オーミツク電極４とは互いに分離した形で設けら
れた透水性電極６と取出電極７とから構成されて
おり、静電容量が構成されることになる。従つて
外部雰囲気中の湿度の変化分を前記両電極４，６
に挾まれた感湿膜５によつてもたらされる静電容
量の大きさの変化分として検出することを特徴と
する感湿素子である。通常感湿膜としてはAlを
陽極酸化した多孔質Al2O3膜が用いられる。
本発明による感湿素子の製造方法を第３図に示
す。まずｎ（ｐ）形Si基板１の表面に熱酸化SiO2
膜８を堆積する。（アの状態）。次にホトエツチン
グ技術で熱酸化SiO2膜に窓をあけ、Si基板１に
拡散を行ないｐ（ｎ）拡散層２を形成する（イの
状態）。次に熱酸化SiO2膜８を除去し絶縁膜（ゲ
ート酸化SiO2膜）３をSi基板１上に堆積する
（ウの状態）。次に拡散層２上のゲート酸化SiO2
膜３の一部にホトエツチング技術で窓をあけ、真
空蒸着法等を用いて基板全面にAl蒸着を行なつ
たのちAlオーミツク電極４、取出電極７が残る
ようにAlをエツチングする（エの状態）。次に
CVDSiO2膜を全面に堆積しホトエツチング技術
を用いて２つの電極４，７を覆うようにSiO2膜
をエツチングしSiO2膜９，１０を構成する（オ
の状態）。次に絶縁膜（ゲート酸化SiO2膜）３の
一部にホトエツチング技術で窓をあけAlを全面
に蒸着し陽極酸化法を用いてAl2O3を形成する。
次にホトエツチング技術を用いて拡散層２上に絶
縁膜（ゲート酸化SiO2膜）３を介して感湿材
（感湿膜）５を残し、それ以外のAl2O3を除去す
る（カの状態）。この工程が終ると拡散層上のAl
オーミツク電極４を覆う一部のSiO2膜、または
感湿材（感湿膜）５と取出電極７の間のSiO2膜、
取出電極７の感湿材（感湿膜）５側の一部の
SiO2膜をホトエツチングする（キの状態）。次に
全面にレジストを塗布し、ホトエツチング技術を
用いて感湿材（感湿膜）５、感湿膜５と取出電極
７の間、取出電極４，７のレジストが残らないよ
うにする。次にリフトオフ技術を用いて感湿材
（感湿膜）５を覆うように透水性電極６を形成す
る。次に前工程の取出電極７と透水性電極６の一
部が完全に導通状態になるように電解メツキ法を
用いてAu薄膜を厚くする。最後にダイシング技
術を用いてチツプ状にし、ICパツケージにマウ
ントするかたちで用いられる。
す。まずｎ（ｐ）形Si基板１の表面に熱酸化SiO2
膜８を堆積する。（アの状態）。次にホトエツチン
グ技術で熱酸化SiO2膜に窓をあけ、Si基板１に
拡散を行ないｐ（ｎ）拡散層２を形成する（イの
状態）。次に熱酸化SiO2膜８を除去し絶縁膜（ゲ
ート酸化SiO2膜）３をSi基板１上に堆積する
（ウの状態）。次に拡散層２上のゲート酸化SiO2
膜３の一部にホトエツチング技術で窓をあけ、真
空蒸着法等を用いて基板全面にAl蒸着を行なつ
たのちAlオーミツク電極４、取出電極７が残る
ようにAlをエツチングする（エの状態）。次に
CVDSiO2膜を全面に堆積しホトエツチング技術
を用いて２つの電極４，７を覆うようにSiO2膜
をエツチングしSiO2膜９，１０を構成する（オ
の状態）。次に絶縁膜（ゲート酸化SiO2膜）３の
一部にホトエツチング技術で窓をあけAlを全面
に蒸着し陽極酸化法を用いてAl2O3を形成する。
次にホトエツチング技術を用いて拡散層２上に絶
縁膜（ゲート酸化SiO2膜）３を介して感湿材
（感湿膜）５を残し、それ以外のAl2O3を除去す
る（カの状態）。この工程が終ると拡散層上のAl
オーミツク電極４を覆う一部のSiO2膜、または
感湿材（感湿膜）５と取出電極７の間のSiO2膜、
取出電極７の感湿材（感湿膜）５側の一部の
SiO2膜をホトエツチングする（キの状態）。次に
全面にレジストを塗布し、ホトエツチング技術を
用いて感湿材（感湿膜）５、感湿膜５と取出電極
７の間、取出電極４，７のレジストが残らないよ
うにする。次にリフトオフ技術を用いて感湿材
（感湿膜）５を覆うように透水性電極６を形成す
る。次に前工程の取出電極７と透水性電極６の一
部が完全に導通状態になるように電解メツキ法を
用いてAu薄膜を厚くする。最後にダイシング技
術を用いてチツプ状にし、ICパツケージにマウ
ントするかたちで用いられる。
次に本発明の実施例における感湿素子の動作原
理を第１図および第２図を用いて説明する。まず
透水性電極６と半導体基板１上に形成された拡散
層上のオーミツクAl電極４の２つの電極に電圧
を加えておく。今大気中あるいはガス中の水分が
透水性電極に接触すると水分はこの膜を透過して
Al2O3感湿材（感湿膜）５に入り込む。水分はイ
オンを含んでいるので電解質として働き、感湿材
（感湿膜）５の誘電率を変える。この変化によつ
てもたらされた静電容量の変化を検出すれば湿度
の変化を測定することができる。
理を第１図および第２図を用いて説明する。まず
透水性電極６と半導体基板１上に形成された拡散
層上のオーミツクAl電極４の２つの電極に電圧
を加えておく。今大気中あるいはガス中の水分が
透水性電極に接触すると水分はこの膜を透過して
Al2O3感湿材（感湿膜）５に入り込む。水分はイ
オンを含んでいるので電解質として働き、感湿材
（感湿膜）５の誘電率を変える。この変化によつ
てもたらされた静電容量の変化を検出すれば湿度
の変化を測定することができる。
次に本発明による感湿素子を用いて構成した湿
度検出装置の一実施例にいて第４図を用いて説明
する。まず本発明による静電容量値が変化する感
湿素子と抵抗器１１によつて積分回路を構成す
る。次に装置内に別の比較用積分回路１２をけ
る。この二つの回路には、パルス発生回路１３で
発生させた矩形パルス信号を加えておき、２つの
回路の差信号を差動増幅器１４を用いて検出す
る。今水分が透水性電極６を通過して感湿素子内
に入つて来ると感湿素子の静電容量を変化させて
差動増幅器１４の出力の差信号を変化させる。こ
の差信号の変化の最大値を検出し湿度に対応させ
れば湿度測定をすることができる。上記差信号の
最大値を保持するには最大値保持回路１５は前記
パルス信号の周期に同期させたリセツトパルス回
路１６で動作させる。このような回路を用いれば
湿度の変化を検出することができる。また前記の
回路を用いれば断続的に湿度測定を行なうことが
でき、電池などの有限微小電力でも動作させるこ
とができる。
度検出装置の一実施例にいて第４図を用いて説明
する。まず本発明による静電容量値が変化する感
湿素子と抵抗器１１によつて積分回路を構成す
る。次に装置内に別の比較用積分回路１２をけ
る。この二つの回路には、パルス発生回路１３で
発生させた矩形パルス信号を加えておき、２つの
回路の差信号を差動増幅器１４を用いて検出す
る。今水分が透水性電極６を通過して感湿素子内
に入つて来ると感湿素子の静電容量を変化させて
差動増幅器１４の出力の差信号を変化させる。こ
の差信号の変化の最大値を検出し湿度に対応させ
れば湿度測定をすることができる。上記差信号の
最大値を保持するには最大値保持回路１５は前記
パルス信号の周期に同期させたリセツトパルス回
路１６で動作させる。このような回路を用いれば
湿度の変化を検出することができる。また前記の
回路を用いれば断続的に湿度測定を行なうことが
でき、電池などの有限微小電力でも動作させるこ
とができる。
以上図面に従つて本発明の感湿素子の原理と実
施例について説明を行なつた。本発明の感湿素子
は拡散層と透水性電極に挾まれた感湿材によつて
構成される静電容量だけを湿度検出に使用し、取
出電極部によつてもたらされる浮遊容量が小さく
なる構造としたので高感度の感湿素子を作ること
ができる。また、プレーナー形の素子なので半導
体基板上においてAl配線だけで他の回路と続で
きる。例えば測定回路と感湿素子を同一基板上に
設けAl配線で接続することが容易にできる。こ
のため検出部と測定回路部を同一基板上に設けれ
ば一体化された集積化センサとすることができ
る。また、本発明の感湿素子は感湿材の厚さを
0.2μm程度まで薄くでき、このため感湿素子を従
来のものより非常に小形化することができ、しか
も高速応答の感湿素子を作ることができる。さら
に半導体製作技術を用いて製作するため再現性が
よく、安価な感湿素子を作ることができる。以上
のように本発明は工業的価値の大きいものであ
る。
施例について説明を行なつた。本発明の感湿素子
は拡散層と透水性電極に挾まれた感湿材によつて
構成される静電容量だけを湿度検出に使用し、取
出電極部によつてもたらされる浮遊容量が小さく
なる構造としたので高感度の感湿素子を作ること
ができる。また、プレーナー形の素子なので半導
体基板上においてAl配線だけで他の回路と続で
きる。例えば測定回路と感湿素子を同一基板上に
設けAl配線で接続することが容易にできる。こ
のため検出部と測定回路部を同一基板上に設けれ
ば一体化された集積化センサとすることができ
る。また、本発明の感湿素子は感湿材の厚さを
0.2μm程度まで薄くでき、このため感湿素子を従
来のものより非常に小形化することができ、しか
も高速応答の感湿素子を作ることができる。さら
に半導体製作技術を用いて製作するため再現性が
よく、安価な感湿素子を作ることができる。以上
のように本発明は工業的価値の大きいものであ
る。
第１図は本発明の実施例における構成の正面
図、第２図は第１図のＸ−X′断面図、第３図は
本発明による感湿素子の製造方法の一実施例を示
す説明図、第４図は本発明による感湿素子を使用
した湿度検出装置の一実施例を示す回路図であ
る。 １……半導体基板、２……拡散層、３……絶縁
膜、４……オーミツク電極、５……感湿材、６…
…透水性電極、７……取出電極、８……熱酸化
SiO2膜、９……CVDSiO2膜、１０……CVDSiO2
膜、１１……抵抗器、１２……比較用積分回路、
１３……パルス発生回路、１４……差動増幅器、
１５……最大値保持回路、１６……リセツトパル
ス回路。
図、第２図は第１図のＸ−X′断面図、第３図は
本発明による感湿素子の製造方法の一実施例を示
す説明図、第４図は本発明による感湿素子を使用
した湿度検出装置の一実施例を示す回路図であ
る。 １……半導体基板、２……拡散層、３……絶縁
膜、４……オーミツク電極、５……感湿材、６…
…透水性電極、７……取出電極、８……熱酸化
SiO2膜、９……CVDSiO2膜、１０……CVDSiO2
膜、１１……抵抗器、１２……比較用積分回路、
１３……パルス発生回路、１４……差動増幅器、
１５……最大値保持回路、１６……リセツトパル
ス回路。
Claims (1)
- １ 半導体基板１と；該半導体基板上の一部に設
けられた拡散層２と；該拡散層上の一部に設けら
れたオーミツク電極４と；該拡散層を覆つて前記
半導体基板上に設けられた絶縁膜３と；該拡散層
上に前記絶縁膜を介して設けられた感湿材５と；
該オーミツク電極が設けられた拡散層との間で該
絶縁膜および該感湿材とを挾さんで静電容量を形
成するように該感湿材を覆つて設けられた透水性
電極６と；該絶縁膜の上に設けられ、かつ透水性
電極と接続されている取出電極７とからなる静電
容量形感湿素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57034786A JPS58151549A (ja) | 1982-03-04 | 1982-03-04 | 静電容量形感湿素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP57034786A JPS58151549A (ja) | 1982-03-04 | 1982-03-04 | 静電容量形感湿素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58151549A JPS58151549A (ja) | 1983-09-08 |
| JPH0153417B2 true JPH0153417B2 (ja) | 1989-11-14 |
Family
ID=12423952
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP57034786A Granted JPS58151549A (ja) | 1982-03-04 | 1982-03-04 | 静電容量形感湿素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58151549A (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63134944A (ja) * | 1986-11-27 | 1988-06-07 | Anarogu Debaisezu Kk | 湿度検出装置 |
| JP4501320B2 (ja) * | 2001-07-16 | 2010-07-14 | 株式会社デンソー | 容量式湿度センサ |
| JP2013057616A (ja) * | 2011-09-09 | 2013-03-28 | Azbil Corp | 環境センサ |
-
1982
- 1982-03-04 JP JP57034786A patent/JPS58151549A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58151549A (ja) | 1983-09-08 |
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