專利名稱：靜電電容傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及靜電電容傳感器，詳細(xì)地涉及能抑制處于高溫、高濕環(huán)境中特性漂移劣化的靜電電容傳感器。
背景技術(shù)：
具有高分子材料組成的濕敏膜的濕度傳感器大致可分為靜電電容式和電阻式。靜電電容式的濕度傳感器因?yàn)閷τ诃h(huán)境的濕度變化響應(yīng)性好，所以具有隨著濕度的增加減少，輸出滯后小，濕敏特性的濕度依附性小，能計(jì)測的濕度、溫度范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。
靜電電容式濕度傳感器中，主流為平行平板型電容器結(jié)構(gòu)的濕度的傳感器。這種濕度傳感器通常具有絕緣基板、絕緣基板上形成的下側(cè)電極、下側(cè)電極上形成的具有電氣絕緣性及濕敏特性的高分子材料組成的濕敏膜、及濕敏膜上形成的多孔的上側(cè)電極、即下側(cè)電極、濕敏膜、及上側(cè)電極在絕緣基板上依上述次序?qū)拥Ｈ缓髢呻姌O上連接引線。
該濕度傳感器一旦置于使用環(huán)境中，環(huán)境中的水汽，即水分子通過多孔的上側(cè)電極到達(dá)濕敏膜的內(nèi)部，吸附于濕敏膜內(nèi)。水汽的吸附一直持續(xù)到濕敏膜和環(huán)境間水汽形成平衡狀態(tài)。在平衡狀態(tài)下，產(chǎn)生濕敏膜吸附水汽及吸附氣體脫離濕敏膜，其結(jié)果，與環(huán)境中相對濕度對應(yīng)數(shù)量的水汽吸附在濕敏膜中。另外，濕度傳感器的靜電電容與濕敏膜中水汽的量成比例。因此，能根據(jù)傳感器的靜電電容測量環(huán)境的相對濕度。為了測量濕度，從濕度傳感器輸出表示傳感器靜電電容的電信號供給濕度測量裝置。
濕度測量之前，先將傳感器的濕敏特性存在濕度測量裝置中。為此，例如準(zhǔn)備將溫度25℃、并相對濕度為X0、X1、……Xn作為基準(zhǔn)環(huán)境，利用阻抗分析器等依次測量在各種基準(zhǔn)環(huán)境中的傳感器靜電電容C0、C1、……Cn。然后求出靜電電容與相對濕度間的關(guān)系即傳感器的濕敏特性，存在濕度測量裝置內(nèi)。
實(shí)際的濕度測量之際，濕度測量裝置輸入置于濕度測量對象即使用環(huán)境中的傳感器來的輸出信號，根據(jù)表示傳感器靜電電容的傳感器輸出信號、及表示靜電電容與相對濕度間關(guān)系的濕敏特性，檢測出環(huán)境的相對濕度。例如，傳感器輸出信號若是用靜電電容Cn表示，則就能檢測出相對濕度Xn。
但，平行平板型電容器結(jié)構(gòu)的靜電電容傳感器長時(shí)間置于高溫高濕的環(huán)境中，就會從傳感器輸出表示比環(huán)境中真正的相對濕度高的相對濕度的電信號，產(chǎn)生濕度測量誤差。例如，設(shè)真正的相對濕度為Xn，產(chǎn)生不正確的傳感器輸出信號Cn+ΔC，根據(jù)輸出信號Cn+ΔC可檢測出不正確的相對濕度Xn+ΔX。這樣，從置于高溫高濕的環(huán)境中的傳感器，輸出表示比實(shí)際相對濕度高的相對濕度的不正確的傳感器輸出信號，通常將上述現(xiàn)象稱為傳感器特性漂移劣化。按照本發(fā)明者所見，特性漂移劣化，將如以后詳述的那樣，是由于置于高溫高濕中的傳感器濕敏膜泡脹引起的。
另為了提高平行平板型電容器結(jié)構(gòu)的靜電電容傳感器測量的可靠性，要加大濕敏膜的膜面積。因而傳感器變大，不能滿足小型化的要求。
所述傳感雖然對于分別有極性的甲醛、丙酮、乙醇等的測量也能適用，但在這種場合也存在著傳感器特性漂移劣化、大型化的問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供能抑制特性漂移劣化的靜電電容傳感器。
按照本發(fā)明，能提供具有第1及第2電極、設(shè)置在兩電極間的氣體感應(yīng)膜、及保持兩電極和氣體感應(yīng)膜的絕緣基板的靜電電容傳感器。前述第1及第2電極互相對置，固定在前述絕緣基板一表面上，另外，還具有較前述氣體感應(yīng)膜的線熱膨脹系數(shù)小并與前述絕緣基板的線熱膨脹系數(shù)相同程度的線熱膨脹系數(shù)。
該靜電電容傳感器置于使用環(huán)境中，環(huán)境中的氣體被氣體感應(yīng)膜吸附，傳感器的靜電電容與氣體感應(yīng)膜吸附的氣體量相對應(yīng)，因而就能根據(jù)傳感器的靜電電容對環(huán)境中的氣體進(jìn)行測量。另在高溫高氣體濃度的環(huán)境下，雖然讓氣體感應(yīng)膜泡脹，但在氣體感應(yīng)膜的兩側(cè)上，利用固定在絕緣基板的表面，并且，線熱膨脹系數(shù)比氣體感應(yīng)膜小的第1及第2電極，能抑制感應(yīng)膜的泡脹(因熱膨脹及氣體吸附引起的容積增大)。抑制由于氣體感應(yīng)膜的泡脹引起的傳感器特性漂移劣化。
理想的是，前述氣體感應(yīng)膜是濕敏膜，前述靜電電容傳感器的靜電電容根據(jù)前述濕敏膜吸附的水汽量而變化。
更理想的是，前述濕敏膜有2×10-5/℃以上的線熱膨脹系數(shù)。前述絕緣基板及前述第1、第2電極具有1×10-5/℃以下的線熱膨脹系數(shù)。
按照所述兩種理想的形態(tài)，根據(jù)傳感器靜電電容能測量環(huán)境的相對濕度，又能抑制由于濕敏膜的泡脹引起的傳感器特性漂移劣化。
理想的是，前述第1及第2電極厚度在1μm～11μm的范圍內(nèi)。按照該適宜的形態(tài)，電極的厚度以提高傳感器動作可靠性的角度考慮，要大于規(guī)定的允許下限值，同時(shí)，從降低傳感器輸出的滯后角度考慮，要小于規(guī)定的允許上限值。
理想的是，前述第1電極及第2電極的對向面間隔是0.5μm～5μm。按照這一適宜的形態(tài)，兩面間的間隔從提高傳感器動作可靠性的角度考慮，要小于規(guī)定的允許上限值，同時(shí)，從防止形成不良的濕敏膜的角度考慮，要大于規(guī)定的允許下限值。
理想的是，靜電電容傳感器還包括前述第1及第2電極、以及前述濕敏膜上形成的上部濕敏膜，前述上部濕敏膜內(nèi)形成屏蔽膜(shield)。按照這一適宜的形態(tài)，能消除由上部濕敏膜和電極構(gòu)成的電容器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的測量誤差。
理想的是，前述第1電極及第2電極在前述絕緣基板的一表面接合。按照這一適宜的形態(tài)，能增大電極在絕緣基板上的固定強(qiáng)度。


圖1表示本發(fā)明第1實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器平面圖。
圖2表示沿圖1的II-II線的靜電電容傳感器剖視圖。
圖3表示用于制造圖1及圖2示出的靜電電容傳感器的初始基板剖視圖。
圖4表示表示在圖3示出的初始基板上形成電極的狀態(tài)的剖視圖。
圖5表示表示形成濕敏膜的狀態(tài)的剖視圖。
圖6表示本發(fā)明第2實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器的剖視圖。
圖7表示本發(fā)明第3實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器的剖視圖。
圖8表示本發(fā)明第4實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器的剖視圖。
圖9表示本發(fā)明第5實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器的剖視圖。
圖10表示沿圖9的X-X線的靜電電容傳感器的剖視圖。
圖11表示表示實(shí)施例1相關(guān)的靜電電容傳感器的電極厚度與傳感器輸出的滯后間關(guān)系曲線。
圖12表示表示實(shí)施例2相關(guān)的靜電電容傳感器的制造成品率與電極面間間隔的關(guān)系曲線。
圖13表示表示實(shí)施例3相關(guān)的靜電電容傳感器的Cx/X10與相對濕度間的關(guān)系曲線。
具體實(shí)施例方式
首先說明本發(fā)明的發(fā)明理念。
靜電電容傳感器包括濕敏膜，通常濕敏膜由骨架部和自由體積部構(gòu)成。骨架部由高分子材料縮聚而形成，自由體積部在骨架部中取微孔形態(tài)呈3維分布。該靜電電容傳感器一旦放置在使用環(huán)境中，環(huán)境中的水汽就進(jìn)出濕敏膜，直到與環(huán)境的相對濕度對應(yīng)的量的水汽吸附在濕敏膜中為止。
根據(jù)本發(fā)明者的理解；所謂濕敏膜吸附水汽的現(xiàn)象實(shí)為自由體積部捕捉水汽的現(xiàn)象，傳感器與環(huán)境間水汽的平衡狀態(tài)一確立，與環(huán)境的相對濕度相對應(yīng)數(shù)量的水汽就吸附在自由體積部中。
平行平板型靜電電容傳感器，如前所述，為在絕緣基板上依次將下側(cè)電極、濕敏膜、及上側(cè)電極層迭而成，一旦置于高溫高濕環(huán)境中，濕敏膜就泡脹，隨著濕敏膜的泡脹濕敏膜的自由體積部的體積比例增加，與泡脹前比自由體積部吸附的水汽量增加，另外，所吸附的部分水汽聚集(cluster)，傳感器的靜電電容變成僅與聚集的水氣的靜電電容相當(dāng)?shù)牟糠执笮〉闹?。而且，在將傳感器從高溫高濕的環(huán)境中取出后，聚集的水汽還會滯留在自由體積部內(nèi)。其結(jié)果，在其后的濕度測定中，傳感器的輸出信號就表示出比環(huán)境的實(shí)際相對濕度高的相對濕度。即，傳感器特性發(fā)生漂移劣化。
本發(fā)明者認(rèn)為平行平板型靜電電容傳石器順其特性漂移顯著劣化主要起因于設(shè)置在上下電極間的濕敏膜過大的泡脹?；谕ㄟ^抑制濕敏膜的泡脹從而能抑制特性漂移劣化的認(rèn)識，完成了本發(fā)明。
即，本發(fā)明的靜電電容傳感器中，將兩電極及濕敏膜(更一般的為氣體感應(yīng)膜)設(shè)在絕緣基板上，從俯視的兩側(cè)起用第1及第2電極挾住濕敏膜，同時(shí)，使第1及第2電極固定在絕緣基板上。再用具有比構(gòu)成濕敏膜的高分子材料的線熱膨脹系數(shù)小，并與構(gòu)成絕緣基板的材料的線熱膨脹系數(shù)相同程度線熱膨脹系數(shù)的導(dǎo)電材料構(gòu)成各電極。
利用如此構(gòu)成的靜電電容傳感器，將傳感器置于高溫高濕環(huán)境中產(chǎn)生的濕敏膜的泡脹，通過緊密地分布在濕敏膜的兩側(cè)，并且熱膨脹量小的第1及第2電極從而被強(qiáng)制地抑制。另一方面，絕緣基板的熱膨脹因?yàn)楹碗姌O的熱膨脹程度相同故電極與絕緣基板間的位置關(guān)系不變。
本發(fā)明的靜電電容傳感器基本上是立足于以上的發(fā)明理念而創(chuàng)立的。還有，下述實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器的構(gòu)成也考慮到制造方便、確保傳感器動作的可靠性等因素。
以下，參照圖1及圖2，說明本發(fā)明第1實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器。
本實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10包括；俯視為正方形的絕緣基板11、及固定在該絕緣基板11表面11a的第1、第2電極21、22，兩電極21、22互相相向?qū)χ?。?電極21包括；從絕緣基板11的角上向中央延伸的第1電極本體21a、及從第1電極本體21a內(nèi)部端面向絕緣基板11的中央延伸的多個(gè)例如4個(gè)的第1梳齒電極部21b。同樣，第2電極22包括；從絕緣基板11的對向角上向中央部延伸的第2電極本體22a、及從第2電極本體22a的內(nèi)部端面向絕緣基板11的中央延伸的多個(gè)例如5個(gè)的第2梳齒電極部22b。第1、第2電極本體21a、22a各有三角形和方形組成的復(fù)合形狀。第1、第2梳齒電極部21b、22b保持規(guī)定的面間間隔交叉配置，構(gòu)成梳形電極結(jié)構(gòu)(梳狀結(jié)構(gòu))。
靜電電容傳感器10還包括覆蓋電極21、22設(shè)在絕緣基板11的表面11a上的濕敏膜(更一般的為氣體感應(yīng)膜)30。濕敏膜30由緊密地設(shè)置在第1、第2梳齒電極部21b、22b周圍及兩電極間的第1濕敏膜31、及設(shè)置在電極21、22的上面以及第1濕敏膜31、及設(shè)置在電極21、22的上面以及第1濕敏膜31的上面的第2濕敏膜(上部濕敏膜)32組成，第1、第2濕敏膜31、32做成一體。而且，利用第1濕敏膜31和梳齒電極部21b、22b，絕緣基板11上形成多個(gè)(在圖中示例為8個(gè))立式電容器結(jié)構(gòu)C。
電極本體21a、22a例如用導(dǎo)電粘接劑與引線(圖中未示出)的一端連接，用靜電電容傳感器10測量環(huán)境的相對濕度之際(更一般的為進(jìn)行環(huán)境中的氣體測量之際)，引線的另一端例如接阻抗分析器(圖中未示出)。
以下，說明靜電電容傳感器10的構(gòu)成材料。
絕緣基板11由電氣絕緣材料構(gòu)成。絕緣基板11的構(gòu)成材料只要是具有和電極21、22的構(gòu)成材料相同程度的線熱膨脹系數(shù)、并比濕敏膜30的構(gòu)成材料的線熱膨脹系數(shù)小的熱膨脹系數(shù)的材料，則都可以。絕緣基板11的構(gòu)成材料能從例如玻璃、石英、硅、氮化硅、氮化鋁、氧化鋯、硅鋁氧氮耐熱陶瓷(例如；Si、SiO2、Al2O3、及AlN的反應(yīng)混合物)那樣的陶瓷、以及蘭寶石組成的組中選擇。它們中玻璃基板由于其價(jià)格低、易加工等諸多優(yōu)點(diǎn)，故適于用作絕緣基板11。
濕敏膜30只要是具有電氣絕緣及濕敏特性的材料，則均可。例如，濕敏膜30的構(gòu)成材料可從交聯(lián)型高分子材料；及聚亞胺、聚砜、聚酯磺、聚脂亞胺、聚脂、聚酰胺亞胺、對聚苯氧、聚碳酸酯、有機(jī)玻璃、聚丁烯酮醚、聚酮醚、醋酸丁酸纖維素、醋酸纖維等有機(jī)高分子材料組成的組中選擇。它們之中，即使在腐蝕性的環(huán)境里也不易變性，在要求濕敏特性長期穩(wěn)定方面，則交聯(lián)型聚亞胺適合作為濕敏膜30的構(gòu)成材料。
第1、第2電極21、22有強(qiáng)制抑制濕敏膜30尤其是抑制第1濕敏膜31泡脹的作用。因此，電極21、22由具有比濕敏膜30的線熱膨脹系數(shù)小、并與絕緣基板11相同程度線熱膨脹系數(shù)的導(dǎo)電材料構(gòu)成。通常濕敏膜50的構(gòu)成材料線熱膨脹系數(shù)大致為2×10-5/℃以上，絕緣基板11的構(gòu)成材料線熱膨脹系數(shù)大致為1×10-5/℃以下。所以電極21、22的構(gòu)成材料為線熱膨脹系數(shù)1×10-5/℃以下的導(dǎo)電材料，例如可從Si、SiC、GaAs、多晶硅組成的組中選擇。它們之中，從易制造、易得到等方面來評價(jià)，則Si適合用作電極21、22的構(gòu)成材料。
另從提高傳感器動作可靠性、減少傳感器輸出滯后、及防止形成不良的濕敏膜30等角度考慮，靜電電容傳感器10的電極21、22的厚度及間隔設(shè)定成規(guī)定范圍內(nèi)的某一值。
即電極21、22的厚度(特別是梳齒電極部21b、22b的厚度t)設(shè)在1～11μm的范圍內(nèi)，另外，電極21、22的間隔(特別是與第1濕敏膜31一起形成立式電容器結(jié)構(gòu)C(在圖2中用虛線表示)的梳齒電極部21b、22b的面間間隔d)設(shè)在0.5～5μm的范圍內(nèi)。其理由如下；若電極厚度t做成比1μm薄、面間間隔d比5μm寬，則立式電容器結(jié)構(gòu)C的容量變得過小，靜電電容傳感器10的輸出信號變?nèi)?，阻抗分析器的傳感器的靜電電容(環(huán)境的相對濕度)的測量值可靠性下降。為了能以1％的精度測量相對濕度，厚度t要設(shè)在1μm以上，面間間隔d要設(shè)在5μm以下。
另一方面，若電極的面間間隔d做成比0.5μm還窄，則在形成濕敏膜31時(shí)，濕敏膜材料難以填充入梳齒電極部21b、22b之間，同時(shí)，其后的交聯(lián)聚合不能充分進(jìn)行，結(jié)果就難以形成具有良好濕敏特性的濕敏膜31。即不合格品率增高。
另外，若將電極厚度做成比11μm還厚，則水汽被濕敏膜31吸附及從濕敏膜31脫離就變得困難，結(jié)果，傳感器輸出滯后特性急劇惡化，測定值之可靠性大大下降。
以下，參照圖3至圖5，對靜電電容傳感器10的一制造方法示例予以說明。
首先，準(zhǔn)備已接合絕緣基板11和導(dǎo)電基板的接合基板?？梢杂美缭诓ＡЩ宓囊幻娼雍蟂i單晶片的市售SOI(Silicon On Insulator)基板作為該接合基板。
接著，對導(dǎo)電基板施以研磨處理或腐蝕處理制成規(guī)定厚度t的導(dǎo)電薄膜51，得到圖3所示的初始基板50。進(jìn)而，對導(dǎo)電薄膜51作光刻和蝕刻或ICP蝕刻，如圖4所示；在絕緣基板11上形成第1及第2電極21、22。
此后，將濕敏膜材料充填在第1、第2電極21、22之間及電極周圍形成第1濕敏膜31。再用同樣的材料在電極21、22及第1濕敏膜31上形成第2濕敏膜(上部濕敏膜)32。
具體為；將由規(guī)定的高分子材料組成、并調(diào)整成規(guī)定粘度的樹脂液作為濕敏膜材料，用旋涂法涂布在第1、第2電極21、22之間及電極周圍以及電極上后，進(jìn)行熱處理、干燥，再交聯(lián)聚合得到濕敏膜30。
最后，除去電極21、22上部分濕敏膜30，使電極21、22本體的表面露出一部分，把引線接合在露出表面上，得到靜電電容傳感器10。
以下，參照圖6，說明本發(fā)明第2實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器。圖6為和表示沿圖1的II-II線的靜電電容傳感器10的斷面的圖2同樣的剖視圖。
第2實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10A試圖提高根據(jù)傳感器靜電電容的相對濕度測量精度。該傳感器10A在第2濕敏膜(上部濕敏膜)32內(nèi)形成屏蔽膜40，這一點(diǎn)與圖1及圖2所示的靜電電容傳感器10不同，但在其它方面則和靜電電容傳感器10的構(gòu)成基本相同。
該屏蔽膜40由多孔結(jié)構(gòu)或網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電材料組成，如圖6所示；在第1、第2電極21、22的梳齒電極部21b、22b的上方及附近，埋在上部濕敏膜32內(nèi)。
在圖1及圖2所示的第1實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10中，由濕敏膜31和梳齒電極部21b、22b形成立式電容器結(jié)構(gòu)C，另外，在其上，利用上部濕敏膜32和梳齒電極部21b、22b形成臥式電容器結(jié)構(gòu)。因此，靜電電容傳感器10的輸出就成為立式電容器結(jié)構(gòu)C的靜電電容及臥式電容器結(jié)構(gòu)的靜電電容兩者的綜合反映。
相反，第2實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10A，屏蔽膜40起看阻止上部濕敏膜32和梳齒電極部21b、22b形成臥式電容器結(jié)構(gòu)的作用，因而，靜電電容傳感器10A的輸出成為僅反映由濕敏膜31和梳齒電極部21b、22b形成的立式電容器結(jié)構(gòu)C的靜電電容，由此，能提高根據(jù)傳感器靜電電容即傳感器輸出的相對濕度測量精度。
靜電電容傳感器10A基本上能利用與靜電電容傳感器10同樣的工藝過程(圖3～圖5所示)制造。在靜電電容傳感器10A制造過程中，在圖5示出的上部濕敏膜32上，形成厚數(shù)百～數(shù)千的多孔結(jié)構(gòu)或網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的屏蔽膜40，還可在其上形成外套膜。
以下，參照圖7，說明本發(fā)明第3實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器。
第3實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10B與第1實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10比第1、第2電極21、22的形狀不同，但其它構(gòu)成相同。
靜電電容傳感器10B包括；俯視為方形的絕緣基板11、配置在絕緣基板11的角上具有園形的第1電極本體21a的第1電極21、及配置在絕緣基板11的對角上具有園形的第2電極本體22a的第2電極22。和靜電電容傳感器10一樣，靜電電容傳感器10B的電極21、22固定在絕緣基板11的表面，厚1～11μm。
第1電極21具有從基本體21a向第2電極本體22a延伸的第1直線電極部21c、和從該直線電極部21c延伸的多個(gè)例如3個(gè)的第1環(huán)形電極部21b。同樣，第2電極22具有從基本體22a向第1電極本體21a延伸的第2直線電極部22c、及從該直線電極22c延伸的多個(gè)例如兩個(gè)第2環(huán)狀電極部22b。第1、第2環(huán)形電極部21b、22b互相交叉并對于絕緣基板11的中心配置成同心園狀。和靜電電容傳感器10的梳形電極部21b、22b的情形一樣，靜電電容傳感器10B的第1＝第2環(huán)形電極部21b、22b保持0.5～5μm的面間間隔、互相相向?qū)χ谩?br> 靜電電容傳感器10B包括與圖2所示的濕敏膜30對應(yīng)的濕敏膜、及連接電極本體21a、22a的引線。濕敏膜緊密地配置在第1、第2環(huán)形電極部21b、22b之間，和兩電極部一起構(gòu)成多個(gè)立式電容器結(jié)構(gòu)。該傳感器10B通過引線和連接電極21、22的阻抗分析器一起動作測量環(huán)境的相對濕度。
和靜電電容傳感器10的情形一樣，靜電電容傳感器10B的電極21、22用具有比濕敏膜的線熱膨脹系數(shù)小，并與絕緣基板11的線熱膨脹系數(shù)相同程度的線熱膨脹系數(shù)的導(dǎo)電材料構(gòu)成。由此，能抑制靜電電容傳感器10B的特性漂移劣化。
以下，參照圖8，說明本發(fā)明第4實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器。
第4實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10C與第1實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10比，第1、第2電極21、22的形狀不同，其它的構(gòu)成相同。
靜電電容傳感器10C包括固定在絕緣基板11上并互相相向?qū)χ玫牡?、第2電極21、22。第1電極21具有由三角形的部分和方形的部分組成的復(fù)合形狀的第1電極本體21a、及從本體21a的內(nèi)部端面向第2電極22的本體22a延伸的一個(gè)以上例如兩個(gè)的第1直線電極部21c，從各直線電極21c起，多個(gè)例如兩個(gè)第1齒形電極部21b和直線電極部21c正交并延伸。
同樣，第2電極22，具有復(fù)合形狀的第2電極本體22a、及從其內(nèi)部端面向第1電極本體21a延伸的多個(gè)例如3個(gè)的第2直線電極部22c，從各直線電極部22c起兩個(gè)第2齒形電極部22b和直線電極部22c正交并延伸。
每一個(gè)第1直線電極部21c及第1齒形電極21b對于第2直線電極部22c及第2齒形電極部22b中相鄰的電極均保持0.5～5μm的面間間隔相向?qū)χ?。另外，在電極部21c、21b、22b的相鄰電極之間緊密地配置濕敏膜，與相鄰的電極部一起構(gòu)成多個(gè)立式電容器結(jié)構(gòu)。
靜電電容傳感器10C的其它構(gòu)成和靜電電容傳感器10相同，故不再另述。
以下，參照圖9、圖10，說明本發(fā)明第5實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器。
第5實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10D與第1實(shí)施形態(tài)的靜電電容傳感器10相比第1、第2電極21、22的構(gòu)成不同，其它的構(gòu)成相同。
靜電電容傳感器10D包括第1電極本體21a、及有從本體21a的內(nèi)部端面向第2電極22的本體22a延伸的下側(cè)電極部21c的第1電極21。第1電極本體21a及下側(cè)電極部21c固定在絕緣基板11上，從下側(cè)電極部21的上面起多個(gè)例如7個(gè)第1齒形電極部21b向上、并對下側(cè)電極部21垂直延伸。第1齒形電極部21b以等間隔形式配置，和下側(cè)電極部21c一起構(gòu)成下側(cè)梳齒電極。
另一方面，靜電電容傳感器10D的第2電極22具有第2電極本體22a、及從本體22a的內(nèi)部端面向第1電極本體21a延伸的上側(cè)電極部22c。上側(cè)電極部22c有上壁及左右側(cè)壁，左右側(cè)壁在底面上固定于絕緣基板11的表面。從上側(cè)電極部22c的上壁起多個(gè)例如6個(gè)第2齒形電極部22b向下并對于上壁垂直延伸。第2齒形電極部22b以等間隔形式配置，和上側(cè)電極部22c一起構(gòu)成上梳齒電極。
上側(cè)梳齒電極及下側(cè)梳齒電極保持0.5～5μm的面間間隔d交叉配置，構(gòu)成梳形電極結(jié)構(gòu)。上側(cè)梳齒電極和下側(cè)梳齒電極間形成與圖2的濕敏膜31對應(yīng)的濕敏膜，由此，形成多個(gè)(本形態(tài)為14個(gè))立式電容器結(jié)構(gòu)。
再者，就在第1齒形電極部21b的上面，上側(cè)電極部22c的上壁上，形成開口22e，水汽通過開口22e，在靜電電容傳感器10D及該傳感器所配置的環(huán)境間進(jìn)出，就吸附在濕敏膜內(nèi)、或脫離濕敏膜。
靜電電容傳感器10D其它構(gòu)成均與靜電電容傳感器10相同，故不再另述。
實(shí)施例1實(shí)施例1的靜電電容傳感器與圖1、圖2所示的傳感器10對應(yīng)，如下所述制造多個(gè)。
首先準(zhǔn)備多片SOI基板。各SOI基板為在作為絕緣基板11的玻璃基板的一面，接合作為導(dǎo)電基板的Si單晶片。然后研磨各個(gè)SOI基板的Si單晶片，得到多片具有不同厚度(電極厚度t)Si薄膜的初臺基板50(參照圖3)。接著，對各初始基板50的Si薄膜施以ICP蝕刻，在絕緣基板11上形成面間間隔d為5μm的梳齒電極部21b、22b的電極21、22(參照圖4)。再在電極21、22上涂布作為濕敏材料的聚亞胺系樹脂液后，在300℃下熱處理進(jìn)行樹脂的交聯(lián)聚合，在電極間及電極周圍形成濕敏膜30。還有，Si的線熱膨脹系數(shù)為3.3×10-6/℃、聚亞胺濕敏膜的線熱膨脹系數(shù)為5×10-5/℃。最后，除去一部分濕敏膜中覆蓋電極本體21a、22a的部分，用導(dǎo)電粘接劑將銅引線與露出的電極本體接合，由此，制造出多個(gè)電極厚度各異的實(shí)施例1的靜電電容傳感器。
然后，將這些靜電電容傳感器置于溫度25℃相對濕度10％的低溫低濕環(huán)境中，用LCZ計(jì)以頻率100KHz、外加電壓1.0V的測量條件測量傳感器的靜電電容C1(PF)。接著將靜電電容傳感器在溫度40℃相對濕度90％的高溫高濕環(huán)境中放置20小時(shí)后，再回到上述低溫低濕的環(huán)境中，測量此時(shí)的靜電電容C2(PF)。
如上所述，一部分被置于高溫高濕環(huán)境中的靜電電容傳感器濕敏膜吸附的水汽聚集，聚集的水汽回到低溫低濕的環(huán)境后因?yàn)槿詺埩粼跐衩裟ぶ?，所以與在低溫低濕環(huán)境中最初測量到的傳感器的靜電電容C1比，從高溫高濕環(huán)境回到低溫低濕環(huán)境后測量的靜電電容C2變大。因此，將靜電電容差(C2-C1)稱為靜電電容傳感器的濕敏滯后。
圖11表示根據(jù)實(shí)施例1相關(guān)的各個(gè)靜電電容傳感器的電極厚度t和濕敏滯后(C2-C1)求得的電極厚度t和濕敏滯后間的關(guān)系。從圖11可知，電極厚度t大于11μm，濕敏滯后急劇增大，因而靜電電容傳感器測量值可靠性大幅下降。
實(shí)施例2和實(shí)施例1的情形一樣，制造多個(gè)實(shí)施例2相關(guān)的靜電電容傳感器(對應(yīng)于圖1及圖2所示的傳感器10)。這些靜電電容傳感器制造過程中，設(shè)電極厚度t固定為5μm，另一方面，梳齒電極部21b、22b的兩間間隔d在0.3～5μm的范圍內(nèi)變化。間隔d約為0.3、0.5、1、1.2、2、3、4及5μm。
將制成的靜電電容傳感器按面間間隔d分組，另外，對濕敏膜分為無缺陷的合格品和有缺陷的不合格品。然后，從對于各傳感器組的傳感器總數(shù)的合格品數(shù)之比求出各傳感器組的制造成品率。圖12表示設(shè)面間間隔d是3mm的傳感器制造成品率為100時(shí)，每種面間間隔d的相對制造成品率。
從圖12可知；面間間隔d一小于0.5μm，靜電電容傳感器的制造成品率就急劇下降。
實(shí)施例3實(shí)施例3的靜電電容傳感器與圖6所示的傳感器10A相對應(yīng)，使用SOI基板之同時(shí)，還用聚亞胺作濕敏材料來制造。該靜電電容傳感器其梳形電極部厚度t及面間間隔d為5μm，上部濕敏膜厚3μm，上部濕敏膜中配置著由Cr組成的厚2000的屏蔽膜。
準(zhǔn)備好例如溫度25℃，并相對濕度10％、25％、45％、70％、90％的第1至第5基準(zhǔn)環(huán)境。然后，將實(shí)施例3的靜電電容傳感器配置于第1基準(zhǔn)環(huán)境中，測量此時(shí)的靜電電容C10，接著，將傳感器在溫度40℃、相對濕度90％的高溫高濕環(huán)境下放置200小時(shí)后，再回到第1基準(zhǔn)環(huán)境，測量傳感器的靜電電容Cx。對于第2至第5基準(zhǔn)環(huán)境也進(jìn)行同樣的測量，求出與靜電電容C10對應(yīng)并在圖13中分別用黑色園形標(biāo)記表示的靜電電容、和在圖13中分別用黑色方形標(biāo)記表示的靜電電容Cx。
計(jì)算對靜電電容C10的第1至第5基準(zhǔn)環(huán)境相關(guān)的各靜電電容Cx的比Cx/10。圖13表示比Cx/C10和相對濕度的關(guān)系。從圖13可知，比Cx/C10在相對濕度低于70％的范圍隨著相對濕度的增大而成比例增大。即實(shí)施例3的傳感器比Cx/C10具有良好的線性，即便長時(shí)間暴露在高溫高濕的環(huán)境中特性漂移變化不大。
從上述可知，本發(fā)明的靜電電容傳感器能將濕敏膜緊密地配置在由比濕敏膜的線熱膨脹系數(shù)小的線熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成的電極間，靠兩電極抑制濕敏膜的泡脹。這種傳感器因?yàn)楸M管在高溫高濕的環(huán)境中特性漂移依舊不易劣化，能輸出可靠性高的靜電電容信號(濕度信號)，故適于用作濕度傳感器。
另外，本發(fā)明的靜電電容傳感器與平行平板型電容器結(jié)構(gòu)相比，大多數(shù)亦即全體，具有能在小面積的基板上設(shè)置大容量電容器結(jié)構(gòu)的立式電容器結(jié)構(gòu)，從而不會降低檢測靈敏度，傳感器做得更小。
本發(fā)明并不限于上述適用的形態(tài)，可作各種變形。
例如，在實(shí)施形態(tài)中曾對靜電電容傳感器作為測量環(huán)境濕度的濕度傳感器使用的情形進(jìn)行說明，但本發(fā)明也能適用于這樣的靜電電容傳感器，它利用在高分子膜上的吸附·脫離，檢測出使高分子膜的靜電電容變化的氣體。尤其是本發(fā)明因?yàn)槟芤种聘邷馗邼癍h(huán)境下的傳感器特性漂移劣化，故特別適合某些要求形成極高濕度環(huán)境的領(lǐng)域，例如燃料電池、載培設(shè)施等。
權(quán)利要求
1.一種靜電電容傳感器，具有第1、第2電極、設(shè)置在兩電極間的氣體感應(yīng)膜、及保持兩電極和氣體感應(yīng)膜的絕緣基板，其特征在于，所述第1、第2電極互相相向?qū)χ?、固定在所述絕緣基板的一表面上，此外具有比所述氣體感應(yīng)膜的線熱膨脹系數(shù)小并與所述絕緣基板的線熱膨脹系數(shù)程度相同的線熱膨脹系數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述氣體感應(yīng)膜為濕敏膜，所述靜電電容傳感器的靜電電容根據(jù)所述濕敏膜吸附的水汽量而變化。
3.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述濕敏膜有2×10-5/℃以上的線熱膨脹系數(shù)，所述絕緣基板及所述第1、第2電極有1×10-5/℃以下的線熱膨脹系數(shù)。
4.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述絕緣基板由從玻璃、石英、陶瓷及蘭寶石組成的組中選出的材料構(gòu)成，所述濕敏膜由從有機(jī)高分子材料及交聯(lián)高分子材料組成的組中選出的材料構(gòu)成，所述第1、第2電極由Si、SiC、GaAs及聚硅組成的組中選出的材料構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述第1、第2電極的厚度為1μm以上、11μm以下。
6.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述第1、第2電極的面間間隔為0.5μm以上、5μm以下。
7.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，還包括所述第1、第2電極、及所述濕敏膜上形成的上部濕敏膜，在所述上部濕敏膜內(nèi)形成屏蔽膜。
8.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述第1、第2電極在所述絕緣基板的表面接合。
9.如權(quán)利要求8所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述第1、第2電極通過研磨或蝕刻與所述絕緣基板接合的導(dǎo)電基板而形成。
10.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述第1電極有第1電極本體和從該第1電極本體延伸的多個(gè)第1梳齒電極部，所述第2電極有第2電極本體和從該第2電極本體延伸的多個(gè)第2梳齒電極部，所述第1及第2梳齒電極部保持規(guī)定的面間間隔交叉配置，所述濕敏膜緊密地配置在所述第1、第2梳齒電極部間、與兩所述梳齒電極部一起構(gòu)成多個(gè)立式電容器結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的靜電電容傳感器，其特征在于，還包括在所述第1、第2電極及所述濕敏膜上形成的上部濕敏膜，在所述第1、第2梳齒電極部的上方并附近，在所述上部濕敏膜內(nèi)形成屏蔽膜。
12.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述第1電極具有第1電極本體、從該第1電極本體延伸的第1直線電極部、及從該第1直線電極部延伸的多個(gè)第1環(huán)形電極部，所述第2電極具有第2電極本體、從該第2電極本體延伸的第2直線電極部、及從該第2直線電極部延伸的多個(gè)第2環(huán)形電極部，所述第1、第2環(huán)形電極部保持規(guī)定的面間間隔交叉并配置成同心園狀，所述濕敏膜緊密配置在所述第1及第2環(huán)形電極部間，與兩所述環(huán)形電極一起構(gòu)成多個(gè)立式電容器結(jié)構(gòu)。
13.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述第1電極具有第1電極本體、從該第1電極本體延伸的至少1個(gè)的第1直線電極部、及從該第1直線電極部開始正交延伸的多個(gè)第1齒形電極部，所述第2電極具有第2電極本體、從該第2電極本體延伸的多個(gè)第2直線電極部、及從各個(gè)該第2直線電極部開始正交延伸的多個(gè)第2齒形電極部，所述第1直線電極、第1齒形電極部、第2直線電極部及第2齒形電極部相鄰的電極之間保持規(guī)定的面間間隔相向?qū)χ?，所述濕敏膜緊密地配置在所述第1直線電極部、第1齒形電極部、第2直線電極部、及第2齒形電極部相鄰的電極之間，與該相鄰的電極部一起構(gòu)成多個(gè)立式電容器結(jié)構(gòu)。
14.如權(quán)利要求2所述的靜電電容傳感器，其特征在于，所述第1電極具有第1電極本體、及從該第1電極本體延伸并且多個(gè)第1齒形電極部設(shè)置成等間隔的下側(cè)電極部，所述多個(gè)第1齒形電極部從所述下側(cè)電極部的上面向上并垂直延伸，和所述下側(cè)電極部一起構(gòu)成下側(cè)梳齒電極，所述第2電極具有第2電極本體、及從該第2電極本體延伸的上側(cè)電極部，所述上側(cè)電極部具有多個(gè)第2齒形電極部設(shè)置成等間隔的上壁、及在底面上固定于所述絕緣基板的側(cè)壁，所述多個(gè)第2齒形電極部從所述上側(cè)電極部的所述上壁向下并垂直延伸，與所述上側(cè)電極部一起構(gòu)成上側(cè)梳齒電極，所述上側(cè)梳齒電極及所述下側(cè)梳齒電極保持規(guī)定的面間間隔相向?qū)χ?，所述濕敏膜緊密地配置在所述上側(cè)梳齒電極和所述下側(cè)梳齒電極之間，與該上側(cè)及下側(cè)梳齒電極一起構(gòu)成多個(gè)立式電容器結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明揭示一種靜電電容傳感器(10)，包括一對在絕緣基板(11)的表面對向配置的電極(21、22)、及緊密地配置在兩電極間的濕敏膜(30)。兩電極由具有比濕敏膜的線熱膨脹系數(shù)小，并與絕緣基板的線熱膨脹系數(shù)相同程度的線熱膨脹系數(shù)的導(dǎo)電材料構(gòu)成，傳感器置于高溫高濕的環(huán)境下能抑制濕敏膜的泡脹，其結(jié)果，能抑制靜電電容傳感器特性漂移劣化。
文檔編號G01N27/22GK1484020SQ0315226
公開日2004年3月24日 申請日期2003年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月29日
發(fā)明者小倉勉 申請人:株式會社山武