JP2008224487A - 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】本発明の磁気式圧力センサは、シリコン基板１１と、シリコン基板１１との間でキャビティ領域１７を形成するようにシリコン基板１１上に接合されており、ダイヤフラム領域Ｘを有するＳＯＩ基板１３と、ダイヤフラム領域Ｘにおけるキャビティ領域１７の外側の主面上に設けられたハード磁性層１６と、前記主面のダイヤフラム領域Ｘ以外の領域上に設けられたＧＭＲ素子１４と、を具備し、ダイヤフラム領域Ｘは、ＳＯＩ基板１３に対して薄肉部１３ｆにより揺動可能に支持されていることを特徴とする。
【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、支持基板と、前記支持基板との間でキャビティ領域を形成するように前記支持基板上に接合されており、ダイヤフラム領域を有するＳＯＩ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、を具備し、前記ダイヤフラム領域は、前記ＳＯＩ基板に対して薄肉部により揺動可能に支持されていることを特徴とする。

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。

本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記薄肉部は、前記ＳＯＩ基板のうちの１層のシリコン層で構成されていることが好ましい。

本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記ダイヤフラム領域は、絶縁層を挟持する一対のシリコン層で構成されており、前記絶縁層が前記ダイヤフラム領域よりも狭いことが好ましい。この場合において、前記絶縁層は、平面視において前記ダイヤフラム領域の少なくとも中央領域と重なっていることが好ましい。

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。

本発明の磁気式圧力センサによれば、支持基板と、前記支持基板との間でキャビティ領域を形成するように前記支持基板上に接合されており、ダイヤフラム領域を有するＳＯＩ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、を具備し、前記ダイヤフラム領域は、前記ＳＯＩ基板に対して薄肉部により揺動可能に支持されているので、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。

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。

図１に示す磁気式圧力センサは、支持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ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１３が接合されている。シリコン基板１１及びＳＯＩ基板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ＳＯＩ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。

ＳＯＩ基板１３は、第１シリコン層１３ａ、第１絶縁層１３ｂ、第２シリコン層１３ｃ、第２絶縁層１３ｄ及び第３シリコン層１３ｅがその順で積層されることにより構成されている。なお、ＳＯＩ基板１３の積層構造についてはシリコン層と絶縁層との組み合わせであれば特に制限はない。このようにＳＯＩ基板１３を用いることにより、絶縁層をシリコン層のエッチングのストッパとして用いることができ、シリコン層を絶縁層除去のストッパとして用いることができる。このため、肉厚の薄いダイヤフラム領域の加工を精度良く行うことができ、信頼性の高い磁気式圧力センサを作製することができる。

このＳＯＩ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。このダイヤフラム領域Ｘは、第２絶縁層１３ｄを挟持する一対のシリコン層１３ｃ，１３ｅで構成されている。なお、本実施の形態においては、ＳＯＩ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。

シリコン基板１１とＳＯＩ基板１３との間の接合領域には、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。

ＳＯＩ基板１３は矩形状のダイヤフラム領域Ｘを有し、図１（ｂ）に示すように、その四辺のそれぞれの辺に対応するように、第３シリコン層１３ｅのダイヤフラム領域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。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に近接した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、ダイヤフラム領域Ｘの端部にハード磁性層１６の端部が位置するようにハード磁性層１６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。

ダイヤフラム領域Ｘは、ＳＯＩ基板１３に対して薄肉部１３ｆにより揺動可能に支持されている。この薄肉部１３ｆは、ＳＯＩ基板１３の第２シリコン層１３ｃで構成されており、ＧＭＲ素子１４とハード磁性層１６との間にスリット１８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Ｄ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。

ＧＭＲ素子１４は、図２に示すように、ダイヤフラムＤ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。

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。

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。

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。

また、ＳＯＩ基板１３の第３シリコン層１３ｅ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。

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２０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。

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Ｄに圧力が加わると、ダイヤフラムＤが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラムＤ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。

この磁気式圧力センサにおいては、シリコン基板１１とＳＯＩ基板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。

次に、上記構成を有する磁気式圧力センサを製造する工程について図４を用いて説明する。まず、図４（ａ）に示すような、第１シリコン層１３ａ、第１絶縁層１３ｂ、第２シリコン層１３ｃ、第２絶縁層１３ｄ及び第３シリコン層１３ｅをその順で積層してなるＳＯＩ基板１３を準備する。次いで、図４（ｂ）に示すように、第３シリコン層１３ｅ上にフォトリソグラフィ及びエッチングによりハード磁性層１６を形成する。次いで、図４（ｃ）に示すように、第３シリコン層１３ｅ上のハード磁性層１６の外側にフォトリソグラフィ及びエッチングによりＧＭＲ素子１４を形成する。さらに、図４（ｄ）に示すように、第３シリコン層１３ｅ上のＧＭＲ素子１４の外側にフォトリソグラフィ及びエッチングにより配線パターン１５を形成する。このとき、配線パターン１５は、ＧＭＲ素子１４と電気的に接続するように形成する。

次いで、図４（ｅ）に示すように、ＳＯＩ基板１３の第１シリコン層１３ａ（パターン形成側と反対側の面）をエッチングしてキャビティ領域用の凹部を形成する。さらに、図４（ｆ）に示すように、第１シリコン層１３ａをマスクとして第１絶縁層１３ｂをエッチングする。次いで、図４（ｇ）に示すように、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、ＳＯＩ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。その後、ＧＭＲ素子１４とハード磁性層１６との間にスリット１８を形成することにより、図１に示す磁気式圧力センサを作製することができる。

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。

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。

図３に示す磁気式圧力センサは、ダイヤフラム領域Ｘに複数の貫通穴１９が形成されており、ダイヤフラム領域Ｘは、第２絶縁層１３ｄを挟持する一対のシリコン層１３ｃ，１３ｅで構成されている。そして、この第２絶縁層１３ｄがダイヤフラム領域Ｘよりも狭くなっており、この狭い領域の第２絶縁層１３ｄがコンタクト部１３ｇを構成している。特に、コンタクト部１３ｇを構成する第２絶縁層１３ｄは、平面視においてダイヤフラム領域Ｘの少なくとも中央領域と重なっていること、すなわち、ハード磁性層１６の下部に第２絶縁層１３ｄが存在しない（空隙が存在する）ことが好ましい。このような構成によれば、ダイヤフラム領域Ｘが容易に揺動することができるので、ダイヤフラムＤの変位量を大きくとることが可能となる。

ここで、コンタクト部１３ｇのサイズ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、コンタクト部１３ｇのサイズを５０μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、６００μｍ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５に示す。

図５から分かるように、コンタクト部１３ｇのサイズが小さくなればなるほど変位量が大きくなる。この結果より、コンタクト部１３ｇのサイズが１００μｍ〜３００μｍであることが好ましい。

このような構成の磁気式圧力センサは、図４（ａ）〜（ｇ）に示す工程を行った後に、図４（ｈ）に示すように、ＳＯＩ基板１３の第３シリコン層１３ｅのダイヤフラム領域Ｘに複数の貫通穴１９をエッチングにより形成する。その後、図４（ｉ）に示すように、貫通穴１９から絶縁層用のエッチング液を流し込んで第２絶縁層１３ｄをエッチングしてコンタクト部１３ｇを形成する。このようにして図３に示す磁気式圧力センサを作製することができる。あるいは、あらかじめＳＯＩ基板１３にエッチングを施して貫通穴１９コンタクト部１３ｇを形成し、その後図４（ａ）〜（ｇ）に示す工程と同様の工程を行ってＧＭＲ素子などを形成しても良い。

このような構成においても、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。

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、シリコン基板とＳＯＩ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、シリコン基板とＳＯＩ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。

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。 ＧＭＲ素子を説明するための図である。 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。 （ａ）〜（ｉ）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。 図３に示す磁気式圧力センサにおけるコンタクト部のサイズと変位量との間の関係を示す図である。

符号の説明

１１ シリコン基板
１２ 接合層
１３ ＳＯＩ基板
１３ａ，１３ｃ，１３ｅ シリコン層
１３ｂ，１３ｄ 絶縁層
１３ｆ 薄肉部
１３ｇ コンタクト部
１４ ＧＭＲ素子
１５ 配線パターン
１５ａ，１５ｂ 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 スリット
１９ 貫通穴
２０ 固定抵抗
Ｄ ダイヤフラム

Claims (5)

1. 支持基板と、前記支持基板との間でキャビティ領域を形成するように前記支持基板上に接合されており、ダイヤフラム領域を有するＳＯＩ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、を具備し、前記ダイヤフラム領域は、前記ＳＯＩ基板に対して薄肉部により揺動可能に支持されていることを特徴とする磁気式圧力センサ。
2. 前記薄肉部は、前記ＳＯＩ基板のうちの１層のシリコン層で構成されてい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. 前記ダイヤフラム領域は、絶縁層を挟持する一対のシリコン層で構成されており、前記絶縁層が前記ダイヤフラム領域よりも狭い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。
4. 前記絶縁層は、平面視において前記ダイヤフラム領域の少なくとも中央領域と重なっていることを特徴とする請求項３記載の磁気式圧力センサ。
5. 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を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の磁気式圧力センサ。

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