特許 6994186 半導体装置および半導体装置の設計方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-15

(45)【発行日】2022-01-14

(54)【発明の名称】半導体装置および半導体装置の設計方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/04 20060101AFI20220106BHJP

   G01N 33/24 20060101ALI20220106BHJP

   H01L 21/822 20060101ALI20220106BHJP

   H01L 27/04 20060101ALI20220106BHJP

   H01L 21/82 20060101ALI20220106BHJP

【ＦＩ】

G01N27/04 B

G01N33/24 E

H01L27/04 E

H01L21/82 P

H01L27/04 H

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2017023082

(22)【出願日】2017-02-10

(65)【公開番号】P2018128414

(43)【公開日】2018-08-16

【審査請求日】2020-02-04

(73)【特許権者】

【識別番号】308033711

【氏名又は名称】ラピスセミコンダクタ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304023318

【氏名又は名称】国立大学法人静岡大学

(74)【代理人】

【識別番号】100079049

【弁理士】

【氏名又は名称】中島 淳

(74)【代理人】

【識別番号】100084995

【弁理士】

【氏名又は名称】加藤 和詳

(74)【代理人】

【識別番号】100099025

【弁理士】

【氏名又は名称】福田 浩志

(72)【発明者】

【氏名】草野 健一郎

(72)【発明者】

【氏名】二川 雅登

【審査官】田中 洋介

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１１／０４０２４４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】実公平０４－０３０５３３（ＪＰ，Ｙ２）

【文献】特開２００８－０３９５２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／０３３８３６３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０５－０９８４８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０９０５７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】小笠原慎，低水分土壌計測を可能とするシールド電極型土壌インピーダンスセンサの開発，第33回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム論文集，2016年10月17日，24pm3-B-6，pp.1-5

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／００－Ｇ０１Ｎ ２７／２４

Ｇ０１Ｒ ２７／００－Ｇ０１Ｒ ２７／３２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられるとともに、入力された測定用信号を入力信号として出力する第１の電極と、
前記半導体基板上に設けられるとともに、前記第１の電極から出力された前記入力信号が入力されかつ前記入力信号を出力信号として出力する第２の電極と、を含み、
前記第１の電極および前記第２の電極の各々は、各々が備える第１の辺によって対向するとともに、前記第１の辺の一端に接続されかつ前記第１の辺と鋭角をなす第２の辺、および前記第１の辺の他端に接続されかつ前記第１の辺と鋭角をなす第３の辺を備える
半導体装置。

【請求項2】

前記半導体基板は４つの辺を備え、前記第２の辺は前記半導体基板の前記４つの辺のいずれかと平行である
請求項１に記載の半導体装置。

【請求項3】

前記半導体基板は４つの辺を備え、前記第１の辺は前記半導体基板の４つの辺の各々と４５度の角度をなす
請求項１または請求項２に記載の半導体装置。

【請求項4】

前記半導体装置は、前記半導体装置を備えた筐体が土壌に埋設される際の埋設方向に対し、前記半導体装置の少なくとも１辺が鋭角をなすように前記筐体に搭載される
請求項１～請求項３のいずれか１項に記載の半導体装置。

【請求項5】

半導体基板と、
前記半導体基板上に設けられるとともに、入力された測定用信号を入力信号として出力する第１の電極と、
前記半導体基板上に設けられるとともに、前記第１の電極から出力された前記入力信号が入力されかつ前記入力信号を出力信号として出力する第２の電極と、を含み、
前記第１の電極および前記第２の電極の各々は、予め定められた角度で交差する前記半導体基板の２辺の各々と平行な第１の辺および第２の辺、並びに前記第１の辺および前記第２の辺の各々と平行な第３の辺および第４の辺を備えるとともに、前記第３の辺の一端と前記第４の辺の一端とで形成される頂点が、前記第１の辺の一端と前記第２の辺の一端とで形成される頂点と、前記第１の辺の他端と前記第２の辺の他端とを結ぶ線分との間にある
半導体装置。

【請求項6】

半導体装置を搭載したセンサの土壌への埋設方向を決定するステップと、
前記埋設方向と平行な第１の辺、および前記第１の辺の一端に接続されかつ前記埋設方向に対して鋭角をなす第２の辺、および前記第１の辺の他端に接続されかつ前記第１の辺と鋭角をなす第３の辺を備えたセンサ電極をレイアウトするステップと、
を含む半導体装置の設計方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、半導体装置および半導体装置の設計方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

半導体装置の一例として、測定対象である土壌の電気伝導度（Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ：ＥＣ）から土壌中の水分量を測定するセンサ（以下、「ＥＣセンサ」）が知られている。ＥＣセンサは、土壌に接触させた二つの電極間に交流信号を印加し、例えば二つの電極間のインピーダンスの変化と位相の変化から土壌中の水分量を測定する。

【0003】

ＥＣセンサとしての機能を備えた半導体装置の従来技術として、特許文献１には、溶液と当接してｐＨ値を測定するｐＨ測定部と、ｐＨ測定部の直上部位の電気伝導度を検出する電気伝導度測定部（ＥＣセンサに相当）と、ｐＨ測定部近傍の温度を検出する温度測定部とを備え、測定されたｐＨ値、電気伝導度および温度に基づき、溶液のｐＨ値を検出するｐＨ検出装置であって、ｐＨ測定部、電気伝導度測定部および温度測定部を同一の半導体基板上に配置させたｐＨ検出装置が開示されている。

【0004】

特許文献１では、ＥＣセンサの電極対を、ｐＨ測定部を両側から挟む位置に配置している。このことにより、特許文献１に係るｐＨ検出装置では、ｐＨ測定部上の溶液が電気伝導度測定部の電極対に確実に接することになるので、電気伝導度測定部の出力から、ｐＨ測定部が液滴に当接しているか否かを特定することができ、その結果ｐＨ検出装置の測定精度が向上するとしている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特開２００８－３９５２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、半導体装置の半導体基板、あるいは半導体基板上に形成される半導体の積層体は極めて脆弱である。このため、例えばＥＣセンサを土壌中に埋設する際に、半導体基板に割れ、欠け等を生じる可能性がある。また、半導体基板上に形成される積層体が破損した場合には、ＥＣセンサの機能を十分に果たさなくなる恐れがある。さらに、半導体自体が筐体から剥離するという不具合を生じる場合もある。そのため、ＥＣセンサとしての半導体装置においては、電気伝導度の測定に際し直接土壌に接する電極（以下、「センサ電極」）に対する配慮が重要である。特許文献１に係るｐＨ検出装置ではかかる点について特に検討されていないので、測定対象へ接触させて配置する際に破損を生ずる可能性がある。

【0007】

一方、センサ電極の形状、大きさ等はＥＣセンサの測定感度を決定付ける要因となり得る。従って、ＥＣセンサの電極について検討する際には測定感度の維持、向上についても併せて検討する必要がある。

【0008】

さらに、センサ電極の検討に際しては、電気二重層の問題にも配慮する必要がある。電気二重層とは、一般に固体に挟まれた液体からなる系において、固体と液体の界面に形成される正負の電荷の層をいう。ＥＣセンサにおいても液体の電気伝導度を測定する際には、程度の差はあっても、電極と測定対象としての液体との界面に電気二重層が形成される。この電気二重層はコンデンサとして機能するため、液体の電気伝導度測定において、測定周波数等に影響を与え、測定精度の低下をもたらす場合もある。

【0009】

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、測定対象に対して配置させる場合において、半導体基板および半導体基板上の積層体へのダメージ、あるいは筐体からの剥離等の損傷を抑制するとともに、測定感度の向上が可能な半導体装置および半導体装置の設計方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられるとともに、入力された測定用信号を入力信号として出力する第１の電極と、前記半導体基板上に設けられるとともに、前記第１の電極から出力された前記入力信号が入力されかつ前記入力信号を出力信号として出力する第２の電極と、を含み、前記第１の電極および前記第２の電極の各々は、各々が備える第１の辺によって対向するとともに、前記第１の辺の一端に接続されかつ前記第１の辺と鋭角をなす第２の辺、および前記第１の辺の他端に接続されかつ前記第１の辺と鋭角をなす第３の辺を備えるものである。

【0011】

また、本発明に係る他の態様の半導体装置は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられるとともに、入力された測定用信号を入力信号として出力する第１の電極と、前記半導体基板上に設けられるとともに、前記第１の電極から出力された前記入力信号が入力されかつ前記入力信号を出力信号として出力する第２の電極と、を含み、前記第１の電極および前記第２の電極の各々は、予め定められた角度で交差する前記半導体基板の２辺の各々と平行な第１の辺および第２の辺、並びに前記第１の辺および前記第２の辺の各々と平行な第３の辺および第４の辺を備えるとともに、前記第３の辺の一端と前記第４の辺の一端とで形成される頂点が、前記第１の辺の一端と前記第２の辺の一端とで形成される頂点と、前記第１の辺の他端と前記第２の辺の他端とを結ぶ線分との間にあるものである。

【0012】

一方、本発明に係る半導体装置の設計方法は、半導体装置を搭載したセンサの土壌への埋設方向を決定するステップと、前記埋設方向と平行な第１の辺、および前記第１の辺の一端に接続されかつ前記埋設方向に対して鋭角をなす第２の辺、および前記第１の辺の他端に接続されかつ前記第１の辺と鋭角をなす第３の辺を備えたセンサ電極をレイアウトするステップと、を含むものである。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、測定対象に対して配置させる場合において、半導体基板および半導体基板上の積層体へのダメージ、あるいは筐体からの剥離等の損傷を抑制するとともに、測定感度の向上が可能な半導体装置および半導体装置の設計方法が提供される、という効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】（ａ）は本実施の形態に係るＥＣセンサの概観図、（ｂ）は本実施の形態に係る半導体装置の平面図、（ｃ）は断面図である。

【図2】（ａ）は本実施の形態に係るＥＣセンサの作用を説明する概観図、（ｂ）は本実施の形態に係る半導体装置の作用を説明する断面図、（ｃ）は平面図である。

【図3】実施の形態に係る半導体装置の変形例を示す平面図である。

【図4】実施の形態に係る半導体装置のバリエーションを示す平面図である。

【図5】（ａ）、（ｃ）～（ｅ）は実施の形態に係る半導体装置のＥＣ電極の構成の一例を示す平面図、（ｂ）は、本実施の形態に係るＥＣ電極の作用を説明する断面図である。

【図6】本実施の形態に係るＥＣ電極の効果を説明するグラフである。

【図7】（ａ）は比較例に係るＥＣセンサの概観図、（ｂ）は比較例に係る半導体装置の平面図、（ｃ）は断面図である。

【図8】（ａ）は比較例に係るＥＣセンサの作用を説明する概観図、（ｂ）は比較例に係る半導体装置の作用を説明する断面図、（ｃ）は平面図である。

【図9】（ａ）および（ｂ）は、比較例に係るＥＣセンサのセンサ電極剥離を説明する図、（ｃ）および（ｄ）は保護層欠損を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

【0016】

図１ないし図６を参照して、本実施の形態に係る半導体装置および半導体装置の設計方法について説明する。なお、以下では、電気伝導度の測定対象として土壌を例示し説明する。

【0017】

まず図１を参照し、本実施の形態に係るＥＣセンサ、ＥＣセンサチップとしての半導体装置、および半導体装置の設計方法について説明する。図１（ａ）は本実施の形態に係るＥＣセンサ１の概観図、図１（ｂ）は本実施の形態に係る半導体装置１０の平面図、図１（ｃ）は図１（ｂ）に示すＡ－Ａ線で切断した半導体装置１０の断面図である。

【0018】

図１（ａ）に示すように、ＥＣセンサ１は、筐体２および半導体装置１０を備えている。半導体装置１０は筐体内に配置された実装基板（図示省略）に搭載されるとともに、筐体２の一部に設けられた窓（開口部）から露出するように配置されている。そして、ＥＣセンサ１を用いた土壌の電気伝導度の測定に際しては、半導体装置１０を含む筐体２の一部を土壌中に埋設させる。

【0019】

図１（ｂ）に示すように、半導体装置１０は、１対のセンサ電極２０－１、２０－２（以下、総称する場合は「センサ電極２０」）、ｐＨセンサ２２、および温度センサ２４を備えている。

【0020】

センサ電極２０は電気伝導度を測定するための電極であり、測定に際しては１対のセンサ電極２０－１、２０－２の各々を土壌の異なる部分と接触させ、センサ電極２０－１、２０－２を介して土壌の例えばインピーダンスを測定する。本実施の形態では１対のセンサ電極２０の各々は略直角三角形の形状をなし、半導体装置１０の基板１２の相対する頂点に、互いが対向する辺を有するように配置されている。

【0021】

ｐＨセンサ２２は、センサ電極２０の接した土壌の近傍のｐＨを測定する部位である。また、温度センサ２４はセンサ電極２０の接した土壌の近傍の温度を測定する部位である。本実施の形態では、ｐＨセンサ２２および温度センサ２４を２組用い、２組のｐＨセンサ２２および温度センサ２４の各々を基板１２の他の相対する頂点の位置に配置している。一方、２組のｐＨセンサ２２および温度センサ２４の各々は、センサ電極２０－１とセンサ電極２０－２との間の領域には配置されていない。なお、ｐＨセンサ２２および温度センサ２４を２組用いるのは、主として、測定精度をより高めるためである。

【0022】

一方、断面でみると、半導体装置１０は図１（ｃ）に示すように、基板１２、基板１２上に形成された絶縁層１４、絶縁層１４上に形成されたセンサ電極用配線１６、センサ電極用配線１６上に形成されたセンサ電極２０（図１（ｃ）ではセンサ電極２０－１が見えている）、絶縁層１４上に形成されセンサ電極用配線１６の一部を覆う表面保護膜１８を含んで構成されている。センサ電極用配線１６は、センサ電極２０と、センサ電極２０を外部（交流信号源、電流計等の測定系）と接続するためのパッド（図示省略）との間等を接続するための配線層である。

【0023】

本実施の形態に係る半導体装置１０では、基板１２として例えばシリコン（Ｓｉ）が用いられる。また、絶縁層１４としては、例えばＳｉによる基板１２を熱酸化して形成したシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）が用いられる。

【0024】

一方、本実施の形態に係る半導体装置１０では、センサ電極用配線１６として例えばアルミニウム（Ａｌ）、あるいはＡｌＣｕ（アルミニウム・銅）、ＡｌＳｉＣｕ（アルミニウム・シリコン・銅）が用いられ、センサ電極２０としては例えば白金（Ｐｔ）が用いられる。また、絶縁層１４とセンサ電極用配線１６との間にはバリアメタル（密着層）２６－１が、センサ電極用配線１６とセンサ電極２０との間にはバリアメタル２６－２が、各々設けられる場合もある。バリアメタル２６－１、２６－２としては、例えばチタン（Ｔｉ）膜、あるいは窒素チタン（ＴｉＮ）膜が用いられる。

【0025】

ここで、図７ないし図９を参照して、比較例に係るＥＣセンサを用いた場合の測定に際するＥＣセンサの破損について説明する。

【0026】

図７（ａ）は比較例に係るＥＣセンサ１００の概観図、図７（ｂ）は比較例に係る半導体装置１１０の平面図、図７（ｃ）は図７（ｂ）に示すＢ－Ｂ線で切断した半導体装置１１０の断面図である。

【0027】

図７（ａ）に示すように、ＥＣセンサ１００は筐体１０２、半導体装置１１０を備え、外観は本実施の形態にかかるＥＣセンサ１と同様である。

【0028】

一方、比較例に係る半導体装置１１０は半導体装置１０とは異なり、図７（ｂ）に示すように、基板１１２の相対する２辺に平行に配置された長方形のセンサ電極１２０の対を備えている。

【0029】

図７（ｃ）に示すように、半導体装置１１０の断面構造は半導体装置１０と同様である。すなわち、基板１１２、基板１１２上に形成された絶縁層１１４、絶縁層１１４上に形成されたセンサ電極用配線１１６、センサ電極用配線１１６上に形成されたセンサ電極１２０、絶縁層１１４上に形成されセンサ電極用配線１１６の一部を覆う表面保護膜１１８を含んで構成されている。

【0030】

次に、図８を参照して、ＥＣセンサ１００および半導体装置１１０の、土壌の電気伝導度を測定する際の作用について説明する。図８（ａ）に示すように、土壌の電気伝導度の測定に際し、ＥＣセンサ１００は白抜き矢印で示す方向Ｄ１に向けて土壌に差し込まれる。埋設領域ＳＡは、ＥＣセンサ１００の差し込みに際し、埋設される部分を示している。この状態において、センサ電極１２０を土壌に接触させ、土壌中の例えば水分量が測定される。

【0031】

一方、ＥＣセンサに１００の埋設に伴い、図８（ｂ）に示すように、半導体装置１１０も方向Ｄ１に向けて土壌中に進入するので、相対的に方向Ｄ２から土壌が押し寄せる。この状態を平面方向から見ると図８（ｃ）のようになる。すなわち、基板１１２の、ＥＣセンサ１００の差し込み方向Ｄ１と直交する方向の１辺である領域Ａ１、およびセンサ電極１２０の各々の方向Ｄ１と直交する方向の辺である領域Ａ２が押し寄せる土壌Ｓと対向する。半導体装置１１０の基板１１２、センサ電極１２０、表面保護膜１１８、つまり半導体装置１１０の積層体は方向Ｄ２と垂直な段差面を有するため、押し寄せる土壌Ｓに押し付けられ損傷を受ける可能性がある。

【0032】

図９を参照し、上記の半導体装置１１０の損傷についてより詳細に説明する。以下、比較例に係る半導体装置１１０で発生し得る損傷モードのうち、センサチップ剥離、センサ電極剥離、および保護層欠損の３つの損傷モードを例示して説明する。

【0033】

センサチップ剥離とは、半導体装置１１０の端面が土壌Ｓに押し付けられることにより、半導体装置１１０自体が筐体１０２内に配置された実装基板から剥離する損傷である。センサチップ剥離により、半導体装置１１０と実装基板の配線との間の電気的接続に不具合を生じ、また筐体１０２からの半導体装置１１０の脱落を生じる場合もある。

【0034】

センサ電極剥離とは、図９（ａ）に示すように、押し寄せる土壌Ｓによってセンサ電極１２０が圧力を受け、剥離する損傷をいう。センサ電極１２０が剥離すると、ＥＣセンサ１００の測定精度の低下を生じる可能性がある。また、図９（ｂ）に示すように、本来土壌Ｓに接触しないセンサ電極用配線１１６が土壌に接触することにより腐食Ｇが発生する場合もある。腐食Ｇは長期の使用においてセンサチップの信頼性低下を招く場合もある。

【0035】

保護層欠損とは、図９（ｃ）に示すように、押し寄せる土壌Ｓによって表面保護膜１１８の一部に欠損を生ずる損傷である。表面保護膜１１８の一部が欠損すると、図９（ｄ）に示すように、本来土壌に接触しないセンサ電極用配線１１６が土壌Ｓに接触し、腐食Ｇを生じる場合がある。腐食Ｇは長期の使用においてセンサチップの信頼性低下を招く場合もある。また、表面保護膜１１８の欠損に伴いセンサ電極１２０が剥離すると、ＥＣセンサ１００の測定精度の低下を生じる。

【0036】

次に、図２を参照して、本実施の形態に係るＥＣセンサ１、および半導体装置１０の作用について説明する。

【0037】

図２（ａ）に示すように、ＥＣセンサ１も半導体装置１０を紙面下方に向け、方向Ｄ１に向けて土壌中に差し込まれる。図２（ｂ）に示すように、半導体装置１０でも、方向Ｄ１に向けて土壌中に進入させると、方向Ｄ２から土壌が押し寄せる。

【0038】

図２（ｃ）は、ＥＣセンサ１を土壌Ｓ中に差し込んだ際の、土壌Ｓと半導体装置１０との接触の様子を示している。以下、理解の容易さから、半導体装置１０の外形が正方形であるとして説明する。しかしながら、半導体装置１０の外形は正方形に限定されるものではなく、他の外形、例えばひし形、多角形等であってもよい。また、センサ電極２０の形状も直角三角形に限定されず、例えば頂角が鋭角あるいは鈍角の三角形であってもよい。

【0039】

本実施の形態では、半導体装置１０の差し込み方向Ｄ１を、センサ電極２０の対が配置されていない頂点同士を結ぶ対角線の方向としている。換言すれば、センサ電極２０の対は、差し込み方向Ｄ１と略直交する対角線の両端のコーナ部に配置させる。そして、略直角三角形をなすセンサ電極２０の各々は、その頂角が差し込み方向Ｄ１と略直交する対角線の両端の頂点近傍に位置するように、頂角を挟む２辺（第２の辺）が基板１２の辺に沿うように（平行になるように）配置させる。従って、センサ電極２０の直角を挟む２辺（第２の辺）は差し込み方向Ｄ１と鋭角をなし、センサ電極２０の斜辺（第１の辺）同士は互いに対向するとともに基板１２の４つの辺と４５°の角度をなす。換言すると、本実施の形態に係る半導体装置１０は、半導体装置１０の少なくとも１辺が差し込み方向Ｄ１と鋭角をなすように筐体２に実装される。

【0040】

以上のように半導体装置１０を配置させることにより、図２（ｃ）に示すように、方向Ｄ２から押し寄せる土壌Ｓは、半導体装置１０の頂点Ｐ１において紙面正面視４５°の角度をもって左右（頂点Ｐ１を挟む２辺の方向）に振り分けられる。この土壌Ｓの振り分けによって土壌Ｓが半導体装置１０に及ぼす圧力が分散され、半導体装置１０自体の剥離（センサチップ剥離）が生じにくくなっている。また、土壌Ｓはセンサ電極２０の辺に沿って進行するので、土壌Ｓがセンサ電極２０に及ぼす圧力も緩和され、センサ電極剥離や保護層欠損の発生も抑制されている。

【0041】

また、本実施の形態に係る半導体装置１０によれば、土壌Ｓへの差し込み方向Ｄ１と直交する方向、すなわち、測定対象である地面と水平な方向にセンサ電極２０の対が配置されるので、地面に対して水平な分布を有する水分の正確な測定が可能となる。さらに、センサ電極の面積の拡大が可能となるため、センサ感度がより向上するという効果を得ることが可能となる。加えて、半導体基板１２の頂点に配置させたことによってセンサ電極２０とセンサ電極２０との間の間隔も比較例に係る半導体装置１１０と比較して１．４（２の平方根）倍程度拡大することができ、チップサイズを変えることなく測定範囲を広げることができる。

【0042】

＜変形例＞
図３を参照して、本実施の形態に係る半導体装置の変形例について説明する。図３は、変形例に係る半導体装置１０ａの平面図を示している。

【0043】

半導体装置１０ａは、半導体装置１０においてセンサ電極２０をセンサ電極２０ａに変えたものである。センサ電極２０が略直角三角形をなしていたのに対し、センサ電極２０ａは一定の幅の長方形がＬ字状に折り曲げられた形状をなしている。そして、Ｌ字状の折り曲げ点の頂点Ｐ２が、基板１２の１つの頂点の位置近傍に配置されている。そのため、センサ電極２０と比較して、センサ電極２０ａ同士の距離が長くなる領域が大きくなるので、本変形例に係るセンサ電極２０ａはセンサ電極間の間隔を拡大したい場合に有利な構成である。センサ電極２０ａを有する半導体装置１０ａによっても、半導体装置１０と同様の原理で、土壌中に埋設させて測定する際の半導体装置１０ａの破損を抑制することが可能となる。

【0044】

なお、上記各実施の形態では、センサ電極の形状としてセンサ電極２０、２０ａを挙げ説明したが、これに限られず、図４に示すような形状としてもよい。すなわち、センサ電極２０、２０ａの差し込み方向Ｄ１に沿う両端における角部を切り落とし、平坦部Ｆを設けるようにしてもよい。

【0045】

図４（ａ）は、センサ電極２０において、差し込み方向Ｄ１に沿う両端に平坦部Ｆを設けた半導体装置１０ｂを示している。また、図４（ｂ）は、センサ電極２０ａにおいて、差し込み方向Ｄ１に沿う両端に平坦部Ｆを設けた半導体装置１０ｃを示している。平坦部Ｆを設けることによって、センサ電極に電源を印加した場合の電界の集中がより緩和される。

【0046】

なお、１対のセンサ電極２０は必ずしも同じ形状をなしている必要もなく、例えばセンサ電極のレイアウト等を勘案し、上記実施の形態、変形例で挙げた電極の形状を組み合わせ、別々の形状としてもよい。

【0047】

＜センサ電極の構成例＞
次に、図５および図６を参照して、本実施の形態に係るセンサ電極の構成例について説明する。本構成例は、センサ電極の表面積を拡大し、上述した電気二重層の問題に対応した形態である。

【0048】

まず、ＥＣセンサ１を用いて電気伝導度を測定する場合の測定系の一例について説明する。ＥＣセンサ１を用いた測定に際しては、図示しないパッドを介してセンサ電極２０－１に交流信号源を接続し、図示しないパッドを介してセンサ電極２０－２に電流計を接続する。むろん、この接続関係は逆であってもよい、すなわち、センサ電極２０－２に交流信号源を接続し、センサ電極２０－１に電流計を接続してもよい。電気伝導度の測定対象である液体は、センサ電極２０－１および２０－２に接触させて配置する。

【0049】

ＥＣセンサ１を用いて分散系である測定対象の水分量を特定する方法は特に限定されない。一例として、電気信号の位相変化θを検出することにより水分量を特定する方法について説明する。上記測定系において、半導体装置１０の出力は、水分量およびイオン濃度に比例し、イオン濃度が特定されれば、電気伝導度により土壌中の水分量を特定することができる。

【0050】

上記測定系における交流信号源、電流計は図示しない制御部の一部を構成しており、交流信号源、電流計は該制御部により制御される。測定が開始されると、制御部が交流信号源を制御し、センサ電極２０－１に所定の周波数の交流信号（測定用信号）を入力信号として印加する。センサ電極２０－１は、入力信号を測定対象に向けて出力する。センサ電極２０－１から出力された交流信号は測定対象を経由した後、センサ電極２０－２に入力される。制御部は、センサ電極２０－１に入力された交流信号の位相と、センサ電極２０－２から出力された交流信号の位相とを比較する。制御部は、以上の測定を交流信号源の周波数を掃引して行う。

【0051】

比較対象の具体例としては、両者の位相差（位相変化θ）を検出し比較することが挙げられる。位相変化θを検出した場合、検出した位相変化θによりイオン濃度を特定する。なお、位相変化θと、イオン濃度とは予め対応付けられている。さらに、特定されたイオン濃度を基準にして、測定された電気伝導度により土壌の水分量を特定することができる。

【0052】

上記の測定系において、例えば液体の電気伝導度を測定する場合には、センサ電極２０－１と測定対象としての液体の間、およびセンサ電極２０－２と液体との間に上述した電気二重層の形成が想定される。電気二重層が形成されると、絶縁体として機能する電荷の存在しない領域に起因して、センサ電極２０－１と２０－２との間に直列に容量が接続されたのと等価な状態になる。本来、液体の抵抗成分を測定し、電気伝導度を算出するのが上記測定系の目的であるので、この電気二重層に起因する容量は液体の電気伝導度の測定に際し測定周波数上の制約を与え、延いては測定精度に影響する。

【0053】

一方、センサ電極２０－１と２０－２とにより、両者を電極板とするコンデンサが形成されるが、この容量を上記の電気二重層に起因する容量も含めてＣとすると、容量Ｃによるインピーダンスは１／Ｃに比例する。従って、１／Ｃを小さく、すなわちＣを大きくすることによって、液体のインピーダンスの測定値における容量Ｃの影響が無視でき、抵抗成分が支配的となるようにすることができる。

【0054】

図５（ａ）は、上記実施の形態に係る半導体装置１０のセンサ電極用配線１６、センサ電極２０、表面保護膜１８の部分を模式的に示す、半導体装置１０を上面から見た平面図である。図５（ａ）に示す電極構造３０では、センサ電極用配線１６、センサ電極２０を積層しただけで、センサ電極用配線１６はいわゆるベタ形状であり、特に容量を増加させる工夫はしていない。なお、本例では、一例として、センサ電極用配線１６をＡｌ、センサ電極２０をＰｔとしている。

【0055】

図５（ｂ）は、容量を増加させるための電極構成の一例を示している。本例は、電極板の表面積を広くして容量の増加を図る例である。本例では、図５（ｂ）に示すように、製造工程においてセンサ電極用配線１６に凹凸を形成する。センサ電極２０はこのセンサ電極用配線１６の凹凸に沿って形成されるので、図５（ｂ）に示すように、センサ電極２０の表面積を拡大することができる。

【0056】

本例において、凹凸を形成するためのセンサ電極用配線１６の平面形状（パターン）に特に制限はない。図５（ｃ）ないし図５（ｅ）は、凹凸を形成するためのセンサ電極用配線１６の平面パターンの一例を示している。なお、図５（ｃ）ないし図５（ｅ）では、表面保護膜１８の図示を省略している。

【0057】

図５（ｃ）は、センサ電極用配線１６のパターンを梯子状パターンとした電極構造３０ａを示している。また、図５（ｄ）は、センサ電極用配線１６のパターンを網目状パターンとした電極構造３０ｂを示している。さらに、図５（ｅ）は、センサ電極用配線１６のパターンをドットパターンとした電極構造３０ｃを示している。センサ電極２０の面積は、電極構造３０ａ、３０ｂ、３０ｃの順で大きくなっていく。特に、電極構造３０ｃによれば、電極構造３０と比較して、センサ電極２０の表面積を１．５倍程度とすることができる。

【0058】

図６を参照して、本例の電極構造を用いた場合の効果について説明する。図６に示す曲線Ｃ２は、従来の電極構造（電極構造３０）を用いて測定対象のインピーダンスを実測した例を示している。センサ電極間に測定対象を配置した測定系は、測定対象の抵抗成分と測定系に付随する容量成分とが直列に接続された等価回路でおおまかに表すことができる。そのため、曲線Ｃ２で表わされたインピーダンスの周波数特性は、直流に近い低周波数から周波数が大きくなるにつれて領域Ａ２で示すように漸減し、ある周波数（図６において符号ｆ２で示されている周波数。以下、「切替周波数」）から領域Ａ１で示すようにほぼ一定となるような特性となる。電気伝導度を算出する場合に用いるインピーダンス（抵抗成分）は、曲線Ｃ２の領域Ａ１のように、切替周波数ｆ２以上の周波数領域で平坦になった部分のインピーダンスを用いる。曲線Ｃ２で示された従来の電極構造による実測例では、電気二重層の容量の影響によって、周波数ｆ２が比較的高い周波数となっている。

【0059】

曲線Ｃ２に対し、電極の表面積を拡大した電極構造（電極構造３０ａ、３０ｂ、３０ｃ）を用いた場合には、図６中の矢印Ｅ１で示すように、インピーダンス曲線が下方（インピーダンスの低い方向）にシフトし、例えば曲線Ｃ１のように変化する。このシフトに伴い、図６中の矢印Ｅ２で示すように、切替周波数が切替周波数ｆ２から切替周波数ｆ１（＜ｆ２）に変化する。この切替周波数の変化に伴い、抵抗成分を測定可能な領域Ａ１も拡大する。

【0060】

例えば海水相当の塩分濃度の液体は電気伝導度が高い（インピーダンスが低い）ため、インピーダンスの周波数特性における切替周波数が高周波領域にシフトする。このため、低い電気伝導度の測定対象ほど測定が困難になるが、本例のように切替周波数を下げることによって、低い電気伝導度の測定対象であっても容易に測定が可能となる。

【0061】

インピーダンスの周波数特性における切替周波数が低域化することによって、以下のような効果もある。すなわち、電気伝導度の測定系に用いる上述の交流信号源の周波数を下げることができる。一般に周波数の高い信号源ほど価格が高く、また取り扱いも難しいが、測定周波数を下げることができればコスト削減、取り扱いの簡素化等の効果がある。

【符号の説明】

【0062】

１ ＥＣセンサ
２ 筐体
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ 半導体装置
１２ 基板
１４ 絶縁層
１６ センサ電極用配線
１８ 表面保護膜
２０、２０－１、２０－２、１２０ センサ電極
２２ ｐＨセンサ
２４ 温度センサ
２６－１、２６－２ バリアメタル
３０、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ 電極構造
１００ ＥＣセンサ
１０２ 筐体
１１０ 半導体装置
１１２ 基板
１１４ 絶縁層
１１６ センサ電極用配線
１１８ 表面保護膜
Ａ１、Ａ２ 領域
Ｄ１、Ｄ２ 方向
Ｆ 平坦部
Ｇ 腐食
Ｐ１、Ｐ２ 頂点
Ｓ 土壌
ＳＡ 埋設領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】