JP2008224486A - Magnetic pressure sensor - Google Patents
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Abstract
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に関する。 The present invention relates to a magnetic pressure sensor that detects pressure using magnetic force.
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。
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。 However, in the above-described magnetic pressure sensor, when the output of the magnetoresistive effect element disposed in the cavity is taken out, a lead electrode is usually provided at the joint portion of the two substrates. In this case, since the extraction electrode is present at the joint portion between the two substrates, there is a problem that the airtightness in the cavity is lowered and the reliability of pressure measurement is lowered.
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。 This invention is made | formed in view of this point, and it aims at providing the magnetic type pressure sensor which can perform a reliable pressure measurement.
本発明の磁気式圧力センサは、第1基板と、前記第1基板との間でキャビティ領域を形成するように前記第1基板上に接合されており、ダイヤフラム領域を有する第2基板と、前記ダイヤフラム領域における前記キャビティ領域の外側の主面上に設けられたハード磁性層と、前記主面のダイヤフラム領域以外の領域上に設けられた磁気抵抗効果素子と、を具備することを特徴とする。 The magnetic pressure sensor of the present invention is bonded to the first substrate so as to form a cavity region between the first substrate and the first substrate, and has a second substrate having a diaphragm region, It comprises a hard magnetic layer provided on a main surface outside the cavity region in the diaphragm region, and a magnetoresistive effect element provided on a region other than the diaphragm region on the main surface.
この構成によれば、キャビティ領域の外側のシリコン基板の同じ主面上に磁気抵抗効果素子及びハード磁性層が設けられており、接合領域を介さずに磁気抵抗効果素子の出力を引き出すことができるので、キャビティ内の気密性を確保して、信頼性の高い圧力測定を行うことができる。 According to this configuration, the magnetoresistive effect element and the hard magnetic layer are provided on the same main surface of the silicon substrate outside the cavity region, and the output of the magnetoresistive effect element can be extracted without going through the junction region. Therefore, it is possible to perform highly reliable pressure measurement while ensuring airtightness in the cavity.
本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、前記ハード磁性層を挟むような位置に一対で設けられていることが好ましい。 In the magnetic pressure sensor of the present invention, it is preferable that the magnetoresistive element is provided in a pair at a position sandwiching the hard magnetic layer.
本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記ハード磁性層は、前記ダイヤフラム領域において前記磁気抵抗効果素子に近接した位置に設けられていることが好ましい。 In the magnetic pressure sensor of the present invention, it is preferable that the hard magnetic layer is provided at a position close to the magnetoresistive effect element in the diaphragm region.
本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記ダイヤフラム領域は、前記ハード磁性層と前記磁気抵抗効果素子との間に薄肉部を有することが好ましい。この構成によれば、ダイヤフラムの変位を大きくすることができ、磁界変化の検出感度をさらに高くすることができる。 In the magnetic pressure sensor of the present invention, it is preferable that the diaphragm region has a thin portion between the hard magnetic layer and the magnetoresistive element. According to this configuration, the displacement of the diaphragm can be increased, and the detection sensitivity of the magnetic field change can be further increased.
本発明の磁気式圧力センサによれば、第1基板と、前記第1基板との間でキャビティ領域を形成するように前記第1基板上に接合されており、ダイヤフラム領域を有する第2基板と、前記ダイヤフラム領域における前記キャビティ領域の外側の主面上に設けられたハード磁性層と、前記主面のダイヤフラム領域以外の領域上に設けられた磁気抵抗効果素子と、を具備するので、キャビティ内の気密性を確保して、信頼性の高い圧力測定を行うことができる。 According to the magnetic pressure sensor of the present invention, the first substrate and the second substrate bonded to the first substrate so as to form a cavity region between the first substrate and having a diaphragm region, A hard magnetic layer provided on a main surface outside the cavity region in the diaphragm region, and a magnetoresistive effect element provided on a region other than the diaphragm region on the main surface. Therefore, it is possible to perform pressure measurement with high reliability.
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を示す図であり、(a)は断面図であり、(b)は平面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
1A and 1B are diagrams showing a magnetic pressure sensor according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view, and FIG. 1B is a plan view.
図1に示す磁気式圧力センサは、支持基板(第1基板)であるシリコン基板11を有する。支持基板としては、シリコン基板以外にガラス基板、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。シリコン基板11の一方の主面には、接合層12を介して第2基板であるシリコン基板13が接合されている。2つのシリコン基板11,13は、両者の間でキャビティ領域17を形成するように接合層12を介して接合されている。このように、シリコン基板11とシリコン基板13とが接合層12を介して接合されることによりキャビティ領域17が形成される。
The magnetic pressure sensor shown in FIG. 1 has a
このシリコン基板13には、矩形状のダイヤフラム領域Xが設けられている。本実施の形態においては、シリコン基板13の接合面側にキャビティ領域用の凹部を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11の接合面側にキャビティ領域用の凹部を設けても良い。
The
シリコン基板11,13の接合領域には、接合層12が介在されている。この接合層12を構成する材料としては、例えば、金−スズ共晶物などを挙げることができる。この金−スズ共晶物は、金とスズとの間の共晶反応により形成される。具体的には、スズ層と金層とを接触させた状態で、真空下において加熱、加圧することにより、金とスズとの間の共晶反応を起こして金−スズ共晶物が形成される。このときの加熱温度は約300℃以下であり、磁気抵抗効果素子であるGMR素子14の耐熱温度以下であるので、GMR素子14の特性を損なうことがない。このため、精度良く磁気式圧力センサを動作させることが可能となる。
A
シリコン基板13のダイヤフラム13a上には、すなわち、ダイヤフラム領域Xにおけるキャビティ領域17の外側の主面上には、ハード磁性層16が形成されている。また、同じ主面上におけるダイヤフラム領域X以外の領域上には、磁気抵抗効果素子であるGMR素子14が形成されている。図1に示す構成においては、図1(b)に示すように、ハード磁性層16を挟むような位置に一対で設けられている。また、GMR素子14を設ける位置は、できるだけハード磁性層16からの磁界を受けられるように、ダイヤフラム領域X以外の領域であって、できるだけハード磁性層16に近い位置であることが好ましい。図1に示す構成においては、ダイヤフラム領域Xとそれ以外の領域の境界部分にGMR素子14の端部が位置するようにGMR素子14が設けられている。なお、ハード磁性層16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。
On the
GMR素子14は、図2に示すように、ダイヤフラム13a上に下から順に、IrMnやPtMnなどで形成された反強磁性層141、NiFeやCoFeなどの強磁性材料で形成された固定磁性層142、Cuなどで形成された非磁性材料層143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144の積層構造を有する。図2に示す形態においては、反強磁性層141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145が設けられているが、シード層145は必須ではない。
As shown in FIG. 2, the
また、フリー磁性層144の上には、Taなどで形成された保護層146が形成されている。GMR素子14では、反強磁性層141と固定磁性層142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141と固定磁性層142との間の界面に交換結合磁界(Hex)が生じ、固定磁性層142の磁化方向142aは一方向に固定される。図2では、磁化方向142aは図示X1方向に固定される。
A
一方、フリー磁性層144の磁化方向144aは、例えば、図2に示す形態では、固定磁性層142の磁化方向142aと反平行に揃えられている。すなわち、磁化方向144aは図示X2方向に向けられる。フリー磁性層144は、固定磁性層142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。
On the other hand, the
ハード磁性層19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2に示すように図示X1方向に作用すると、フリー磁性層144の磁化方向144aが変動し、固定磁性層142の磁化方向142aとフリー磁性層144の磁化方向144a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141、固定磁性層142、非磁性材料層143及びフリー磁性層144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14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143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。
When a horizontal magnetic field H directed in a direction parallel to the film surface of each layer constituting the magnetoresistive effect element in the external magnetic field generated from the hard
また、シリコン基板13の上記主面のダイヤフラム領域X以外の領域上には、GMR素子14と電気的に接続するように、配線パターン15が形成されている。この配線パターン15は、固定抵抗18にも電気的に接続されている。この配線パターン15の電極パッド15aは、GMR素子14の出力の引き出し電極として用いられる。
A wiring pattern 15 is formed on the main surface of the
また、図1(b)に示すように、上述のGMR素子14は2つ並べて形成されており、GMR素子14の固定磁性層142の磁化方向は、2つのGMR素子と同じ方向になっている。また、図1(b)に示すように、GMR素子14は、固定抵抗18を介して配線パターンで接続されており、いわゆるブリッジ回路を構成している。この場合、例えば、電極パッド15bの一方をGNDとし、電極パッド15b−15b間に電源電圧を印加し、電極パッド15a−15a間の出力電圧を磁気式圧力センサの出力とすることができる。
Further, as shown in FIG. 1B, the two
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16によりGMR素子14に磁界が印加されている。ダイヤフラム13aに圧力が加わると、ダイヤフラム13aが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラム13aが変位して、ハード磁性層16とGMR素子14との間隔が変わる。このとき、GMR素子14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14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。
In the magnetic pressure sensor having such a configuration, a magnetic field is applied to the
この磁気式圧力センサにおいては、シリコン基板11,13との間の接合を確保しつつ、GMR素子14の出力を引き出しているので、キャビティ領域17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。
In this magnetic pressure sensor, since the output of the
上記構成を有する磁気式圧力センサを製造する場合、シリコン基板13の一方の主面側をエッチングしてキャビティ領域用の凹部を形成し、他方の主面側にGMR素子14、ハード磁性層16及び配線パターン15をフォトリソグラフィ及びエッチングにより形成する。その後、凹部がシリコン基板11側に向くようにして、すなわちキャビティ領域17が形成されるようにして、シリコン基板13をシリコン基板11上に接合層12を介して接合する。
When manufacturing the magnetic pressure sensor having the above configuration, one main surface side of the
このように、本発明に係る磁気式圧力センサは、キャビティ領域17の外側のシリコン基板13の同じ主面上にGMR素子14及びハード磁性層16が設けられており、接合領域を介さずにGMR素子14の出力を引き出すことができるので、キャビティ内の気密性を確保して、信頼性の高い圧力測定を行うことができる。
As described above, in the magnetic pressure sensor according to the present invention, the
図3は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの他の例を示す図であり、(a)は断面図であり、(b)は平面図である。図3において、図1と同じ部分には図1と同じ符号を付してその詳細な説明は省略する。 3A and 3B are diagrams showing another example of the magnetic pressure sensor according to the embodiment of the present invention. FIG. 3A is a cross-sectional view, and FIG. 3B is a plan view. 3, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals as those in FIG. 1, and detailed description thereof will be omitted.
図3に示す磁気式圧力センサは、図3(b)に示すように、矩形状のダイヤフラム領域Xを有し、その四辺のそれぞれの辺に対応するように、ダイヤフラム領域X以外の領域にGMR素子14が設けられている。また、そのうちの2つのGMR素子14に近接した位置のダイヤフラム領域Xにハード磁性層16が設けられている。このようにGMR素子14とハード磁性層16とを近接させて配置することにより、磁界変化の検出感度を高くすることができる。なお、GMR素子14に近接させるハード磁性層16の数は2つに限定されず、それ以外の数でも良い。
The magnetic pressure sensor shown in FIG. 3 has a rectangular diaphragm region X as shown in FIG. 3B, and a GMR is formed in a region other than the diaphragm region X so as to correspond to each of the four sides. An
ダイヤフラム領域Xは、シリコン基板13に対して薄肉部13bにより揺動可能に支持されている。この薄肉部13bは、GMR素子14とハード磁性層16との間にスリット19を形成することにより設けることができる。これにより、ダイヤフラム13aの変位を大きくすることができ、磁界変化の検出感度をさらに高くすることができる。また、このような構成にすることにより、相対的に厚いシリコン基板13上にGMR素子14、配線パターン15及びハード磁性層16を形成した後に、スリット19を形成するための加工を行うことができる。その結果、シリコン基板13の工程内での破損を防止することができる。このような構成の磁気式圧力センサは、上述したような方法によりシリコン基板13をシリコン基板11上に接合層12を介して接合した後に、GMR素子14とハード磁性層16との間にスリットを設けることにより作製することができる。
Diaphragm region X is supported to be swingable with respect to
ここで、薄肉部13bの寸法(厚さ、幅)によるダイヤフラムの変位量についてのシミュレーションを行った。シミュレーションは、素子外形を1000μmとし、ダイヤフラム領域の外形を700μm角とし、印加圧力を110kPaとして行った。このような条件下において、薄肉部13bの幅を50μm、100μm、150μmに変え、薄肉部13bの厚さを1μm、3μm、5μmに変えてそれぞれダイヤフラムの変位量を求めた。その結果を図4(a),(b)に示す。図4(a)は、薄肉部幅とダイヤフラムの変位量との間の関係を示す図であり、図4(b)は、薄肉部厚さとダイヤフラムの変位量との間の関係を示す図である。
Here, the simulation about the displacement amount of the diaphragm by the dimension (thickness, width) of the
図4(a)から分かるように、薄肉部13bの幅が大きくなればなるほど変位量が大きくなる。これは、薄肉部13bの厚さが変っても同様の傾向であった。特に、薄肉部13bの厚さが薄いほど顕著であった。また、図4(b)から分かるように、薄肉部13bの厚さが薄いほど変位量が大きくなる。これは、薄肉部13bの幅が変っても同様の傾向であった。特に、薄肉部13bの幅が広いほど顕著であった。これらの結果より、薄肉部13bの幅が100μm〜150μmであり、薄肉部13bの厚さが1μm〜3μmであることが好ましい。
As can be seen from FIG. 4A, the displacement amount increases as the width of the
このような構成であっても、キャビティ領域17の外側のSOI基板13の同じ主面上にGMR素子14及びハード磁性層16が設けられており、接合領域を介さずにGMR素子14の出力を引き出すことができるので、キャビティ内の気密性を確保して、信頼性の高い圧力測定を行うことができる。
Even in such a configuration, the
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、上記実施の形態においては、第1基板と第2基板との間の接合を、接合層を介して行った場合について説明しているが、本発明においては、第1基板と第2基板との間の接合を、接合層を用いずに行っても良い。また、上記実施の形態で説明した数値や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。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and can be implemented with various modifications. For example, in the above embodiment, the case where the bonding between the first substrate and the second substrate is performed through the bonding layer is described. In the present invention, the first substrate and the second substrate are described. Bonding may be performed without using a bonding layer. Moreover, there is no restriction | limiting in particular about the numerical value and material which were demonstrated by the said embodiment. Further, the process described in the above embodiment is not limited to this, and the process may be performed by changing the order as appropriate. Other modifications may be made as appropriate without departing from the scope of the object of the present invention.
11,13 シリコン基板
12 接合層
13a ダイヤフラム
13b 薄肉部
14 GMR素子
15 配線パターン
15a 電極パッド
16 ハード磁性層で形成した磁石
17 キャビティ領域
18 固定抵抗
19 スリット
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017519995A (en) * | 2014-07-10 | 2017-07-20 | エプコス アクチエンゲゼルシャフトEpcos Ag | Sensor |
CN109883456A (en) * | 2019-04-02 | 2019-06-14 | 江苏多维科技有限公司 | A kind of magneto-resistor inertial sensor chip |
US10788545B2 (en) | 2017-09-20 | 2020-09-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Sensor having deformable film portion and magnetic portion and electronic device |
CN114739541A (en) * | 2022-04-11 | 2022-07-12 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Flexible touch sensor and application thereof |
CN109883456B (en) * | 2019-04-02 | 2024-06-28 | 江苏多维科技有限公司 | Magnetoresistive inertial sensor chip |
-
2007
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Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017519995A (en) * | 2014-07-10 | 2017-07-20 | エプコス アクチエンゲゼルシャフトEpcos Ag | Sensor |
US10788545B2 (en) | 2017-09-20 | 2020-09-29 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Sensor having deformable film portion and magnetic portion and electronic device |
CN109883456A (en) * | 2019-04-02 | 2019-06-14 | 江苏多维科技有限公司 | A kind of magneto-resistor inertial sensor chip |
EP3954972A4 (en) * | 2019-04-02 | 2022-12-14 | MultiDimension Technology Co., Ltd. | Magnetoresistive inertial sensor chip |
US11940299B2 (en) | 2019-04-02 | 2024-03-26 | MultiDimension Technology Co., Ltd. | Magnetoresistive inertial sensor chip |
CN109883456B (en) * | 2019-04-02 | 2024-06-28 | 江苏多维科技有限公司 | Magnetoresistive inertial sensor chip |
CN114739541A (en) * | 2022-04-11 | 2022-07-12 | 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 | Flexible touch sensor and application thereof |
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