JP2008224437A - 磁気式圧力センサ - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性の高い圧力測定を行うことができる磁気式圧力センサを提供すること。
【解決手段】キャビティ１８の突出部１１ｂ上には、ＧＭＲ素子１３と電気的に接続するようにコンタクト層１４ａが形成されている。キャビティ１８の外側の突出部１１ａ上には電極パッド１５が形成されている。キャビティ１８の内側のガラス基板１２には、ＧＭＲ素子１３と電気的に接続にするように突出部１２ａにコンタクト層１４ｂが形成されている。キャビティ１８の外側のガラス基板１２には電極パッド１５が形成されており、突出部１２ａから突出部１２ａの外側を経て電極パッド１５までコンタクト層１４ｃが形成されている。ガラス基板１２の突出部１２ａ上には、ガラス基板１２との間でキャビティ１８を形成するようにシリコン基板１６が接合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、磁力を用いて圧力を検知する磁気式圧力センサ及びその製造方法に関する。

圧力センサとして、静電容量型圧力センサの固定電極の代わりに磁気抵抗効果素子を用い、ダイヤフラム側にハード磁性層を用いて磁石を形成した磁気式圧力センサが開発されている（特許文献１）。この磁気式圧力センサにおいては、２つの基板で形成されたキャビティ内に磁気抵抗効果素子及びハード磁性層が配設されており、ダイヤフラムに圧力が加わるとダイヤフラムが変形し、これによりダイヤフラムに設けられたハード磁性層を用いて形成した磁石と磁気抵抗効果素子との間隔が変わる。この間隔の変化により磁気抵抗効果素子に印加される磁界が変化し、この磁界の変化に基づく磁気抵抗効果素子の磁気抵抗の変化を利用して圧力の変化を検出する。
米国特許第６，５０７，１８７号

しかしながら、上述した磁気式圧力センサにおいては、キャビティ内に配設されている磁気抵抗効果素子の出力を取り出す際に、通常２つの基板の接合部分に引き出し電極を設ける。この場合、２つの基板の接合部分に引き出し電極が存在するために、キャビティ内の気密性が低下してしまい、圧力測定の信頼性が低下するという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、信頼性の高い圧力測定を行うことができる磁気式圧力センサを提供することを目的とする。

本発明の磁気式圧力センサは、絶縁性基板の一方の主面上のキャビティ形成領域に形成された磁気抵抗効果素子と、前記絶縁性基板との間でキャビティを形成するように前記絶縁性基板上に接合されており、前記磁気抵抗効果素子と対向するようにハード磁性層を有するダイヤフラムを持つ導電性基板と、前記キャビティの内側において前記磁気抵抗効果素子と前記導電性基板とを電気的に接続するコンタクト層と、を具備することを特徴とする。

この構成によれば、導電性基板を介してコンタクト層により、磁気抵抗効果素子の出力をキャビティ外に引き出しているので、キャビティ内の気密性を確保することができ、これにより圧力測定の信頼性を高めることができる。

本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記キャビティの外側の前記絶縁性基板上に導電領域が設けられており、前記導電性基板と前記導電領域とを電気的に接続するコンタクト層をさらに具備することが好ましい。

本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記絶縁性基板の他方の主面側に接合されると共に、前記キャビティの内側及び外側において前記絶縁性基板を貫通して前記一方の主面側で露出する一対の突出部を有する他の導電性基板を備え、前記キャビティの内側の前記突出部と前記磁気抵抗効果素子とを電気的に接続するコンタクト層をさらに具備することが好ましい。

この構成によれば、コンタクト層と、導電性基板の一対の突出部とにより、磁気抵抗効果素子の出力をキャビティ外に引き出しているので、キャビティ内の気密性を確保することができ、これにより圧力測定の信頼性を高めることができる。

本発明に係る構成によれば、絶縁性基板の一方の主面上のキャビティ形成領域に形成された磁気抵抗効果素子と、前記絶縁性基板との間でキャビティを形成するように前記絶縁性基板上に接合されており、前記磁気抵抗効果素子と対向するようにハード磁性層を有するダイヤフラムを持つ導電性基板と、前記キャビティの内側において前記磁気抵抗効果素子と前記導電性基板とを電気的に接続するコンタクト層と、を具備するので、信頼性の高い圧力測定を行うことができる磁気式圧力センサを実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの断面図であり、図２は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの平面図である。

図１に示す磁気式圧力センサは、絶縁性基板であるガラス基板１２を有する。絶縁性基板としては、ガラス基板以外にアルミナ基板、ＬＴＣＣ基板（低温焼成セラミック基板）、ＨＴＣＣ基板（高温焼成セラミック基板などを挙げることができる。ガラス基板１２の一方の主面上のキャビティ形成領域には、磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ（Giant MagnetoResistance）素子１３が形成されている。

ガラス基板１２の他方の主面側には、導電性基板としてシリコン基板１１が接合されている。シリコン基板１１は、キャビティ１８の内側及び外側においてガラス基板１２を貫通して一方の主面側で露出する一対の突出部１１ａ，１１ｂが形成されている。キャビティ１８の内側の突出部１１ｂ上には、ＧＭＲ素子１３と電気的に接続するようにコンタクト層１４ａが形成されており、ＧＭＲ素子１３と突出部１１ｂとがコンタクト層１４ａを介して電気的に接続されている。また、キャビティ１８の外側の突出部１１ａ（導電領域）上には電極パッド１５が形成されている。したがって、キャビティ１８内のＧＭＲ素子１３は、コンタクト層１４ａを介して突出部１１ｂと電気的に接続され、突出部１１ｂと一体である突出部１１ａを介してキャビティ１８外の電極パッド１５と電気的に接続されている。すなわち、ＧＭＲ素子１３の引き出しラインがコンタクト層１４ａ、突出部１１ｂ、シリコン基板１１及び突出部１１ａである。

ガラス基板１２は、キャビティ１８の領域を形成するためのリング状の突出部１２ａを有する。この突出部１２ａの頂面と後述するシリコン基板１６とが接合される。なお、ここでは、キャビティ１８の領域を形成するための突出部１２ａをガラス基板１２側に設けた場合について説明しているが、本発明においては、シリコン基板１６側にキャビティ１８の領域を形成するための突出部を設けても良い。

キャビティ１８の内側のガラス基板１２の一方の主面上には、ＧＭＲ素子１３と電気的に接続にするように突出部１２ａの頂面の一部にわたってコンタクト層１４ｂが形成されている。また、キャビティ１８の外側のガラス基板１２の一方の主面上には電極パッド１５（導電領域）が形成されており、突出部１２ａの頂面の一部から突出部１２ａの外側を経て電極パッド１５までコンタクト層１４ｃが形成されている。突出部１２ａの頂面は、後述する導電性基板であるシリコン基板１６と接合されるので、シリコン基板１６とコンタクト層１４ｂ，１４ｃとが電気的に接続される。したがって、シリコン基板１６は、キャビティ１８の内側のＧＭＲ素子１３とコンタクト層１４ｂを介して電気的に接続されており、キャビティ１８の外側の電極パッド１５とコンタクト層１４ｃを介して電気的に接続されている。すなわち、ＧＭＲ素子１３の引き出しラインがコンタクト層１４ｂ、シリコン基板１６、及びコンタクト層１４ｃである。なお、コンタクト層１４ｂ，１４ｃは、突出部１２ａの頂面全面（接合領域Ｘ）に形成されておらず、突出部１２ａが露出する領域があるので、その露出領域とシリコン基板１６との間で接合が行われる。

ガラス基板１２の突出部１２ａ上には、ガラス基板１２との間でキャビティ１８を形成するようにシリコン基板１６が接合されている。ガラス基板１２とシリコン基板１６との間の接合においては、ＧＭＲ素子１３の耐熱温度を考慮して、加熱温度を約３００℃以下で行うことが好ましい。例えば、Ｌｉ₂Ｏ₂を含有したガラスを用いて、低温陽極接合を行う。

シリコン基板１６は、ＧＭＲ素子１３と対向する位置にハード磁性層１７を有するダイヤフラム１６ａを持つ。ハード磁性層１７を構成する材料としては、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金などを挙げることができる。このようにガラス基板１２とシリコン基板１６とが接合されることにより、ガラス基板１２とシリコン基板１６との間にキャビティ１８が形成され、このキャビティ１８内に互いに対向してＧＭＲ素子１３及びハード磁性層１７が配置される。これにより、ＧＭＲ素子１３に磁界が印加できるようになっている。

ＧＭＲ素子１３は、図３に示すように、ガラス基板１２上に下から順に、ＩｒＭｎやＰｔＭｎなどで形成された反強磁性層１３１、ＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの強磁性材料で形成された固定磁性層１３２、Ｃｕなどで形成された非磁性材料層１３３及びＮｉＦｅやＣｏＦｅなどの強磁性材料で形成されたフリー磁性層１３４の積層構造を有する。図３に示す形態においては、反強磁性層１３１の下に結晶配向を整えるためにＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒで形成されたシード層１３５が設けられているが、シード層１３５は必須ではない。

また、フリー磁性層１３４の上には、Ｔａなどで形成された保護層１３６が形成されている。ＧＭＲ素子１３では、反強磁性層１３１と固定磁性層１３２とが接して形成されているため、磁場中で熱処理を施すことにより反強磁性層１３１と固定磁性層１３２との間の界面に交換結合磁界（Ｈｅｘ）が生じ、固定磁性層１３２の磁化方向１３２ａは一方向に固定される。図３では、磁化方向１３２ａは図示Ｘ１方向に固定される。

一方、フリー磁性層１３４の磁化方向１３４ａは、例えば、図３に示す形態では、固定磁性層１３２の磁化方向１３２ａと反平行に揃えられている。すなわち、磁化方向１３４ａは図示Ｘ２方向に向けられる。フリー磁性層１３４は、固定磁性層１３２のように磁化固定されておらず外部磁場により磁化方向は変動する。

ハード磁性層１７から発せられる外部磁場のうち、磁気抵抗効果素子を構成する各層の膜面と平行な方向に向く水平磁場Ｈが図３に示すように図示Ｘ１方向に作用すると、フリー磁性層１３４の磁化方向１３４ａが変動し、固定磁性層１３２の磁化方向１３２ａとフリー磁性層１３４の磁化方向１３４ａの関係で電気抵抗が変化する。これはスピンバルブ型の巨大磁気抵抗（Giant MagnetoResistance）効果と呼ばれ、巨大磁気抵抗効果を発現させるには、上記のような反強磁性層１３１、固定磁性層１３２、非磁性材料層１３３及びフリー磁性層１３４の４層基本構造が必要となる。また、磁気抵抗効果素子として、ＧＭＲ素子１３でなく、トンネル磁気抵抗効果を有するトンネル磁気抵抗（Tunnel MagnetoResistance : ＴＭＲ）素子を用いても良い。ＴＭＲ素子の場合には、非磁性材料層１３３がトンネル障壁の材料である酸化アルミニウムや酸化マグネシウムなどの非磁性絶縁材料に置き換えられる。

このような構成を有する磁気式圧力センサにおいては、ハード磁性層１７によりＧＭＲ素子１３に磁界が印加されている。ダイヤフラム１６ａに圧力が加わると、ダイヤフラム１６ａが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラム１６ａが変位して、ハード磁性層１７とＧＭＲ素子１３との間隔が変わる。このとき、ＧＭＲ素子１３に印加される磁界が変化する。したがって、この磁界の変化に基づくＧＭＲ素子１３の磁気抵抗の変化をパラメータとして、その変化を圧力変化とすることができる。

この磁気式圧力センサにおいては、ガラス基板１２とシリコン基板１６との間の接合を確保しつつ、すなわち、コンタクト層１４ａと、シリコン基板１１の一対の突出部１１ａ，１１ｂとにより、あるいは、コンタクト層１４ｂ、シリコン基板１６及びコンタクト層１４ｃにより、ＧＭＲ素子１３の出力をキャビティ１８外に引き出しているので、キャビティ１８内の気密性を確保することができ、これにより圧力測定の信頼性を高めることができる。

次に、本実施の形態の磁気式圧力センサの製造方法について説明する。図４（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの製造方法を説明するための図である。

まず、不純物をドーピングして低抵抗化したシリコン基板１１を準備する。不純物としては、ｎ型不純物でも良く、ｐ型不純物でも良い。抵抗率としては、例えば０．０１Ω・ｃｍ程度とする。そして、図４（ａ）に示すように、このシリコン基板１１の一方の主面をエッチングして、突出部１１ａ，１１ｂを形成する。この場合、シリコン基板１１上にレジスト膜を形成し、突出部１１ａ，１１ｂ形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとしてシリコンをエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。このようにして突出部１１ａ，１１ｂを設ける。このように、一つの部材であるシリコン基板１１にエッチングなどにより突出部１１ａ，１１ｂを形成するので、突出部１１ａ，１１ｂとの間の距離を自由に設定することが可能となり、設計上の自由度を高めることができる。

次いで、突出部１１ａ，１１ｂを形成したシリコン基板１１上にガラス基板１２を置く。さらに、真空下で、このシリコン基板１１及びガラス基板１２を加熱し、シリコン基板１１をガラス基板１２に押圧して突出部１１ａ，１１ｂをガラス基板１２の主面（他方の主面）に押し込んで、シリコン基板１１とガラス基板１２とを接合する。このときの温度は、シリコンの融点以下であって、ガラスが変形可能である温度（例えば、ガラスの軟化点温度以下）が好ましい。例えば加熱温度は約８００℃である。次いで、図４（ｂ）に示すように、ガラス基板１２の主面（一方の主面）を研磨処理して、シリコン基板１１の突出部１１ａ，１１ｂを露出させる。

次いで、図４（ｃ）に示すように、ガラス基板１２及び突出部１１ａ，１１ｂを、例えばミリング加工して、キャビティ１８用の凹部１２ｂを形成する。次いで、図４（ｄ）に示すように、凹部１２ｂ内にＧＭＲ素子１３を形成する。ＧＭＲ素子１３は、例えばスパッタリング、リフトオフにより形成する。次いで、図４（ｅ）に示すように、シリコン基板１１の突出部１１ａ上にコンタクト層１４ａを形成して、コンタクト層１４ａとＧＭＲ素子１３とを電気的に接続させる。また、ＧＭＲ素子１３から突出部１２ａ（図面において右側の突出部）の頂面の一部まで延在するようにコンタクト層１４ｂを形成して、コンタクト層１４ｂとＧＭＲ素子１３とを電気的に接続させる。また、突出部１２ａ（図面において右側の突出部）の頂面の一部からキャビティ形成領域の外側の電極パッド形成領域まで延在するようにコンタクト層１４ｃを形成する。コンタクト層１４ａ，１４ｂ，１４ｃの形成は一工程において行う。すなわち、ガラス基板１２上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、コンタクト層形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。コンタクト層１４ａ，１４ｂ，１４ｃを構成する材料としては、Ｔｉ，Ｃｒ，Ａｌなどを挙げることができる。

次いで、図４（ｆ）に示すように、シリコン基板１１の突出部１１ａ上及びキャビティ形成領域外のガラス基板１２上に電極パッド１５を形成する。この場合、突出部１１ａ上及びガラス基板１２上に電極材料を被着し、その上にレジスト膜を形成し、電極パッド形成領域にレジスト膜が残るように、そのレジスト膜をパターニング（フォトリソグラフィー）し、そのレジスト膜をマスクとして電極材料をエッチングし、その後残存したレジスト膜を除去する。これにより、電極パッド１５とコンタクト層１４ｃとが電気的に接続される。

次いで、あらかじめエッチングして数十μｍ程度の所定の厚さのシリコン基板１６を作製する。次いで、そのシリコン基板１６のダイヤフラム１６ａ上にハード磁性層で形成した磁石（ハード磁性層）１７を形成する。ハード磁性層１７は、シリコン基板１６上にハードバイアス材料を被着し、フォトリソグラフィ及びエッチングを行うことにより形成する。次いで、ハード磁性層１７がＧＭＲ素子１３と所定の間隔をおいて位置するようにして、ガラス基板１２の突出部１２ａにシリコン基板１６を接合する。このようにして図１に示す構成の磁気式圧力センサが作製される。

このようにして得られた磁気式圧力センサおいては、コンタクト層１４ａと、シリコン基板１１の一対の突出部１１ａ，１１ｂとにより、あるいは、コンタクト層１４ｂ、シリコン基板１６及びコンタクト層１４ｃにより、ＧＭＲ素子１３の出力をキャビティ１８外に引き出しているので、キャビティ内の気密性を確保することができ、これにより圧力測定の信頼性を高めることができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態で説明した素子構造、寸法、材質については特に制限はない。また、上記実施の形態で説明したプロセスについてはこれに限定されず、工程間の適宜順序を変えて実施しても良い。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの断面図である。 本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの平面図である。 ＧＭＲ素子を説明するための図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１１，１６ シリコン基板
１１ａ，１１ｂ，１２ａ，１２ｂ 突出部
１３ ＧＭＲ素子
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ コンタクト層
１５ 電極パッド
１６ａ ダイヤフラム
１７ ハード磁性層で形成した磁石
１８ キャビティ

Claims (3)

1. 絶縁性基板の一方の主面上のキャビティ形成領域に形成された磁気抵抗効果素子と、前記絶縁性基板との間でキャビティを形成するように前記絶縁性基板上に接合されており、前記磁気抵抗効果素子と対向するようにハード磁性層を有するダイヤフラムを持つ導電性基板と、前記キャビティの内側において前記磁気抵抗効果素子と前記導電性基板とを電気的に接続するコンタクト層と、を具備することを特徴とする磁気式圧力センサ。
2. 前記キャビティの外側の前記絶縁性基板上に導電領域が設けられており、前記導電性基板と前記導電領域とを電気的に接続するコンタクト層をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の磁気式圧力センサ。
3. 前記絶縁性基板の他方の主面側に接合されると共に、前記キャビティの内側及び外側において前記絶縁性基板を貫通して前記一方の主面側で露出する一対の突出部を有する他の導電性基板を備え、前記キャビティの内側の前記突出部と前記磁気抵抗効果素子とを電気的に接続するコンタクト層をさらに具備することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気式圧力センサ。

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