JP2003516538A

JP2003516538A - 絶対湿度センサ

Info

Publication number: JP2003516538A
Application number: JP2001544014A
Authority: JP
Inventors: リー，ドン・ヒー; ブー，ジョン・アク
Original assignee: エルジーエレクトロニクスインコーポレーテッド
Priority date: 1999-12-13
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2003-05-13
Also published as: KR100351810B1; US20020136664A1; KR20010055875A; AU2027901A; WO2001042775A1; EP1153284A1; CN1343308A

Abstract

(57)【要約】電子レンジ用絶対湿度センサが開示されている。絶対湿度センサは、シリコン基板、基板上に形成され、大気中に露出された水分を感知して、感知された水分の量によって抵抗値が変わる湿度感知素子；基板上に形成され、湿度感知素子の抵抗値を補う温度補償素子；温度補償素子の上を覆い、温度補償素子の抵抗値が変わらないように大気中の水分を遮断する保護膜とからなる。湿度感知素子と温度補償素子は、基板上に形成される絶縁膜；絶縁膜上に形成されて水分を吸湿するポリイミド湿度感知膜；湿度感知膜の下又は上下に各々形成される電極からなる。このように構成される本発明はセラミック系統の湿度感知材料でシリコンウェハを基板に用いて湿度に敏感な絶対湿度センサを製作するとともにシリコン工程を用いてセンサを集積化できることでセンサの量産が容易である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】（技術分野）本発明は、電子レンジ用絶対湿度センサ及びより詳細には電子レンジ用の絶対
湿度センサに関する。

【０００２】（背景技術）湿度センサは湿度計から電子レンジの飲食物料理のための湿度センサに至るま
でその用途が多様である。現在まで用いられている湿度センサの例としては容量
タイプ湿度センサ、相対湿度センサ及び絶対湿度センサがある。容量型湿度セン
サは、ポリイミドのような有機物の吸湿による誘電率変化を用いている。相対湿
度センサはＭｇＣｒ₂Ｏ₄のような半導体セラミックの抵抗変化を用い、また、絶
対湿度センサはセラミックサーミスタを用いている。

【０００３】このうち、電子レンジの飲食物調理のための湿度センサでは二つのサーミスタ
を用いた絶対湿度センサが広く用いられている。絶対湿度センサは周囲温度変化に影響を受けることがないので、安定に湿度を
検出できるという長所がある。

【０００４】電子レンジの絶対湿度センサの湿度検出の原理は飲食物調理時、飲食物から発
生した水蒸気がサーミスタの熱を奪うことによってサーミスタの温度が変化する
ことによる抵抗変化に基づいている。

【０００５】図１は従来の絶対湿度センサの構造を示す図であって、ガラス膜のような保護
膜が塗布された二つのセラミックサーミスタ１，２が白金のような貴金属導線３
によって支持ピン４に連結されて空中に浮かんでいる構造となっており、外側は
二つのサーミスタを隔離させる金属シールドケース５によってパッケージされて
いる。そのうち、サーミスタ１は金属シールドケース５に微細な孔があって水蒸気が
サーミスタ１の表面に接触できるように大機中に露出されている。サーミスタ１
はセンシングエレメントとして使用されている。他のサーミスタ２は金属シール
ドケース５によってドライＮ₂ で密閉されて水蒸気が接触できないようになって
いる。このサーミスタ２は基準エレメントとして使用される。

【０００６】従って、二つのサーミスタ１，２と外部抵抗とでブリッジ回路を構成すると飲
食物調理による水蒸気の発生時、発生した水蒸気が大機中に露出されたサーミス
タの熱を奪うことによって、露出された一つのサーミスタ１だけに抵抗変化が発
生してバイアス電圧による出力変化が発生して湿度を感知する。

【０００７】従来の絶対湿度センサは素子としてセラミックサーミスタで用いているので熱
容量が高く、感度が低く、応答時間が遅く、センサの大きさが大きくなるという
短所がある。また、サーミスタ素子を図１のように導線３と支持ピン４とを用いて空中に浮
かべ、貴金属導線３とピン４をスポット溶接し、組立時にも基準エレメント２を
ドライＮ₂ で密閉しなければならないのでその製造工程が複雑であり、工程数が
多くなって、価格が高く、大量生産し難いという短所がある。

【０００８】（発明の開示）本発明は、上記従来技術の制限と欠点による問題を解決する絶対湿度センサを
提供するものである。本発明の他の目的は水分吸収特性に優れた絶対湿度センサを提供することであ
る。本発明のさらに他の目的は、工程が簡単で大量生産が容易な絶対湿度センサを
提供することである。

【０００９】本発明の去らなく特徴と利点は以下に記述され、かつ部分的にその記載から明
らかになり、又は本発明の実行によって学ばれるであろう。本発明の目的及び他
の利点は明細書及び請求の範囲、添付した図面に記載されて特に指摘された構造
によって実現され、かつ得られるであろう。上記目的を達成するための本発明による絶対湿度センサは、シリコン基板、前
記基板上に形成され、大気中の水分を感知して、感知された水分の量によって抵
抗値が変わる湿度感知素子；基板上に形成され、湿度感知素子の抵抗値を補う温
度補償素子；温度補償素子を覆い、温度補償素子の抵抗値が変わらないように大
気中の水分を遮断する保護膜とからなる。

【００１０】また、本発明実施態様においては、湿度感知素子及び温度補償素子は、基板上
に形成された絶縁膜；その絶縁膜上に形成されて水分を吸収する湿度感知膜；ま
た、湿度感知膜の下部又は上下部に各々形成される電極からなる。

【００１１】また、絶縁膜及び保護膜はＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_XＮ_Yのうちいずれかの
一つからなり、湿度感知膜は２００〜３００℃の温度で熱処理されたポリイミド
からなり、電極は櫛形電極を用いる。

【００１２】本発明による絶対湿度センサは、シリコン基板下部に接合され、電極が形成さ
れた印刷回路基板；湿度感知素子及び温度補償素子の電極と印刷回路基板の電極
を電気的に連結させるワイヤー；湿度感知素子及び温度補償素子を含んでいる前
記印刷回路基板の全面を覆うように印刷回路基板の上部に形成される金属シール
ドケースを更に含んでいる。

【００１３】本発明の好ましい実施態様では、セラミック系統の湿度感知材料より多量の水
分を吸収できるポリイミド薄膜を湿度感知材料として用い、シリコンウェハを基
板として用いる。かくして、湿度に敏感な絶対湿度センサが製作される共にシリ
コン工程を用いてセンサを集積化することによって、センサの量産を容易にする
ことができる。

【００１４】（本発明を実施する最良の形態）以下、添付の図面を参照して本発明を更に詳細に説明する。

【００１５】第１実施形態図２ａ及び図２ｂは本発明による抵抗型絶対湿度センサの構造を示す斜視図で
ある。図２ａに示すようにシリコン基板６上にＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_XＮ_Y など
からなる絶縁膜７を形成し、絶縁膜７上にＡｌ又はＰｔのような金属膜を蒸着及
びパターニングして櫛形の一対の電極８、８’を形成する。

【００１６】電極を形成した後、電極上にポリイミド薄膜をスピンコーティング及びパター
ニングして湿度感知素子用湿度感知膜９と温度補償素子用湿度感知膜９’を形成
する。ポリイミドは約２００℃以上でイミド化される。ポリイミドは熱的分解温度が
約４５０〜５００℃程度で優れた熱的安定性を有している。ポリイミドは以下のように湿度計的特性を有している。吸湿特性は一例としてあげると、常温、８０％の相対湿度雰囲気で内部に吸収
された水分子の平行状態値が約２．３ｗｔ％であり、セラミック系統の湿度感知
材料より多量の水を吸収する。また、ポリイミド薄膜内における水分子拡散係数
は室温で５×１０^-9ｃｍ² ／ｓｅｃ程度で速い応答時間を有する。ポリイミド薄膜は約３００℃以上の高温で熱処理時、膜の組織が気密となって
膜内への水分が浸透しにくくなる。したがって、湿度感知素子としてポリイミド
膜を用いるためにはポリイミド膜の吸湿量が大きくなるように約２００〜３００
℃間の温度で熱処理するのが望ましい。

【００１７】湿度感知膜９、９’を形成した後、温度補償素子用湿度感知膜９’の上部に水
分が湿度感知膜９’に浸透できないようにＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_XＮ_Yのよ
うなセラミック薄膜を蒸着及びパターニングして保護膜１０を形成する。

【００１８】このように製作された抵抗型絶対湿度センサは図２ｂに示すように、湿度感知
素子と温度補償素子が同一シリコン基板６上に形成されていることが分かる。

【００１９】第２実施形態図３ａ及び図３ｂは本発明による容量型絶対湿度センサの構造を示す斜視図で
ある。図３ａに示すようにシリコン基板１１上にＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_XＮ_Y な
どからなる絶縁膜１２を形成し、絶縁膜１２上にＡｌ又はＰｔのような金属膜を
蒸着及びパターニングして湿度感知素子用の下部電極１３と温度補償素子用の下
部電極１３’を形成する。次に、下部電極１３、１３’の上にポリイミド薄膜をスピンコーティング及び
パターニングして湿度感知素子用湿度感知膜１４と温度補償素子用湿度感知膜１
４’を形成し、約２００〜３００℃間の温度で熱処理する。

【００２０】また、ポリイミド湿度感知膜１４、１４’上に前記下部電極１３、１３’と同
じ材質の金属膜を蒸着及びパターニングして櫛形の湿度感知素子用上部電極１５
と温度補償素子用上部電極１５’を形成することによって、上部電極と下部電極
間にポリイミド湿度感知膜が形成された平行板キャパシタ構造が形成される。

【００２１】上部電極１５、１５’を下部電極１３、１３’と異なり櫛形に形成する理由は
上部電極が櫛形で形成されるとポリイミド薄膜が部分的に露出されるため、水分
子が円滑にポリイミド湿度感知膜の内部に通過できるからである。従って、水蒸気は上部電極の間に露出されたポリイミド湿度感知膜と直接接触
して薄膜内部に浸透する。ポリイミドは室温で比誘電率が３〜４の間であり、１ｋＨｚ周波数で誘電損失
値が０．００１〜０．００３程度であるので安定な誘電体性質を有する。

【００２２】本発明において、ポリイミド湿度感知膜がキャパシタの誘電体の役割を果たす
から比誘電率８０の水分子がポリイミド薄膜の内部に浸透するとポリイミド薄膜
の内部に水分子が拡散して異なる誘電常数を有する誘電体混合物が形成される。従って、周囲湿度変化によって誘電体混合物の比誘電常数が変わることになっ
て湿度変化が検出できる。

【００２３】最後に温度補償素子湿度感知膜１４’と上部電極１５’の上に水分が湿度感知
膜１４’内部に浸透できないようにＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_XＮ_Yのようなセ
ラミック薄膜を蒸着及びパターニングして保護膜１６を形成する。このように製作された容量型絶対湿度センサは図３ｂに示すように湿度感知素
子と温度補償素子が同一シリコン基板１１上に形成されていることが分かる。

【００２４】図４ａ及び図４ｂは高分子絶対湿度センサのパッケージを示すもので、第１実
施形態の抵抗型絶対湿度センサの一例を示す図である。図４ａに示すように、第１実施形態の方法で作成された湿度感知素子１７と温
度補償素子１８を備えた絶対湿度センサ素子１９を印刷回路基板２０に接合し、
素子の電極８、８’を印刷回路基板２０の電極２１にワイヤーボンディングした
後、図４ｂに示すようにシールドワイヤー２２を印刷回路基板２０に連結し、水
分が浸透できるように孔が形成された金属シールドケース２３に封止してパッケ
ージを完了させる。

【００２５】図５は本発明の抵抗型絶対湿度センサを用いて周囲湿度変化を検出するための
回路であって、湿度感知素子１７、温度補償素子１８、固定抵抗Ｒ１、可変抵抗
ＶＲからなるブリッジ回路とそのブリッジ回路に加えられる電源Ｖとで構成され
ている。

【００２６】一例として、電子レンジに絶対湿度センサと前記回路を用いて飲食物調理時、
飲食物から発生した水蒸気による湿度変化を検出する方法を以下に説明する。電子レンジにおいて飲食物を加熱すると、水蒸気が発生し、発生した水蒸気は
センサ金属ケース２１に形成されている孔を通って金属ケース２３内部に入り込
み湿度感知素子１７と温度補償素子１８とに接触する。この時湿度感知素子１７はポリイミドに水分を吸収して抵抗が変化するが、温
度補償素子１８は保護膜１０によって水分が吸収されず抵抗変化が発生すること
はない。

【００２７】かかる湿度感知素子１７の抵抗変化でブリッジ回路の出力変化が発生し、湿度
変化を検出することができる。従って、センサ周辺の湿度変化を絶対湿度センサと回路から容易に感知でき、
これを用いて電子レンジのような調理機器で飲食物調理時、加熱によって飲食物
から発生する水蒸気を検出して飲食物の自動料理などに応用できる。

【００２８】工業的利用性以上説明したように、本発明の高分子絶対湿度センサは以下のような効果を有
する。セラミック系統の湿度感知材料より多量の水分を吸収できるポリイミド薄膜を
湿度感知材料として用いたので、シリコンウェハを基板に用いて湿度に敏感な絶
対湿度センサを作成することができ、同時にシリコン工程を用いてセンサを集積
化できる。

【００２９】そのため、パッケージ工程が簡単であり、かつセンサの量産を容易にする。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術による絶対湿度センサを示す構造断面図である。

【図２】本発明による抵抗型絶対湿度センサを示す構造斜視図である。

【図３】本発明による容量型絶対湿度センサを示す構造斜視図である。

【図４】本発明による絶対湿度センサのパッケージの構造を示す図である。

【図５】本発明による抵抗型絶対湿度センサを用いた湿度検出回路図である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者ブー，ジョン・アク大韓民国・463−010・キョンギ−ド・ソンナム−シ・パンダン−ク・チョンジャ−ドン・（番地なし）・ハンジンアパートメント 701−1303 Ｆターム(参考） 2G046 AA09 BA01 BA09 BB02 BB04 BC03 BC05 BF01 BJ02 BJ08 DC02 DC13 EB07 FA01 FE03 FE31 FE38 2G060 AB02 AC01 AE19 AF10 AF11 AG10 AG11 BA09 BB10 FA05 HA02 HC02 HC10 HE03 KA01 KA05

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン基板、前記基板上に形成され、大気中の水分を感知して、前記感知した水分の量によ
って抵抗値が変わる湿度感知素子；前記基板上に形成され、前記湿度感知素子の抵抗値を補う温度補償素子；前記温度補償素子を覆い、前記温度補償素子の抵抗値が変わらないように前記
大気中の水分を遮断する保護膜とからなることを特徴とする絶対湿度センサ。
【請求項２】前記湿度感知素子及び温度補償素子は、前記基板上に形成される絶縁膜；前記絶縁膜上に形成されて水分を吸収する湿度感知膜；また、前記湿度感知膜の下又は上下に各々形成される電極からなることを特徴とする請求項１に記載の絶対湿度センサ。
【請求項３】前記絶縁膜はＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_XＮ_Yのうちいずれ
かの一つからなることを特徴とする請求項２に記載の絶対湿度センサ。
【請求項４】前記湿度感知膜はポリイミドからなることを特徴とする請求
項２に記載の絶対湿度センサ。
【請求項５】前記電極は櫛形であることを特徴とする請求項２に記載の絶
対湿度センサ。
【請求項６】電極が前記湿度感知膜の上下に形成される場合は、前記湿度
感知膜の上に形成される電極だけ櫛形であることを特徴とする請求項２に記載の
絶対湿度センサ。
【請求項７】前記保護膜はＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ_XＮ_Yのうちいずれ
かの一つからなるを特徴とする請求項１に記載の絶対湿度センサ。
【請求項８】前記シリコン基板下に接合され、電極が形成された印刷回路
基板；前記湿度感知素子及び温度補償素子の電極と前記印刷回路基板の電極を電気的
に連結させるワイヤー；前記湿度感知素子及び温度補償素子を含んでいる前記印刷回路基板の全面を覆
うように前記印刷回路基板の上に形成される金属シールドケースを更に含んでい
ることを特徴とする請求項１に記載の絶対湿度センサ。
【請求項９】前記金属シールドケースは外部の水分が浸透する孔が形成さ
れていることを特徴とする請求項８に記載の絶対湿度センサ。