JP4866957B2 - 磁気式圧力センサ - Google Patents

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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、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
上述した磁気式圧力センサは、磁気抵抗効果素子を用いるので、外界における非検出対象である磁場にも感応することが考えられる。すなわち、特許文献1に開示されている磁気式圧力センサにおいては、外界に磁場が発生すると、その磁場により磁気抵抗効果素子が感応して抵抗値の変化が起こり、圧力測定においてノイズとなり、正確に圧力測定を行うことができないという問題がある。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、外部磁場が発生しても、正確に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、主面を有する第1基板と、前記主面に設けられた凹部内に形成された第1シールド層と、前記第1シールド層上に絶縁層を介して形成された磁気抵抗効果素子と、前記絶縁層上に接合部材により接合されており、一方の主面上に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し、他方の主面上に第2シールド層を有するダイヤフラムを持つ第2基板と、を具備することを特徴とする。
この構成によれば、互いに対向する磁気抵抗効果素子及びハード磁性層の外側に一対のシールド層が配設されている。このため、外部磁場が発生しても、一対のシールド層でシールドされるので、磁気抵抗効果素子とハード磁性層との間の磁気的作用領域への磁気的影響をできるだけ抑えることが可能となる。その結果、この磁気式圧力センサによれば、外部磁場が発生しても、正確に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は、前記磁気抵抗効果素子及び前記ハード磁性層は、前記絶縁層と前記第2基板との間で形成されるキャビティ内に配置され、前記磁気抵抗効果素子は、前記第2基板の接合領域における前記接合部材と接触しないように前記絶縁層内に埋め込まれた埋め込み領域を有する配線により前記キャビティ外の電極と電気的に接続されていることが好ましい。
本発明の磁気式圧力サンサにおいては、前記第2基板は、他方の主面上に第2シールド層を有することが好ましい。
本発明のセンサパッケージは、上記磁気式圧力センサと、前記磁気式圧力センサを内包するパッケージ部材と、を具備し、前記パッケージ部材の側面にシールド層を有することを特徴とする。
この構成によれば、磁気式圧力センサにシールド機能を持たせるとともに、パッケージにもシールド機能を持たせることにより、外部磁場の影響をより低く抑えることができる。また、パッケージ部材の側面にシールド層を設けることにより、磁気式圧力センサで厚さ方向(鉛直方向)の外部磁場をシールドすることができ、パッケージ部材の底面にシールド層を設けることにより、水平方向の外部磁場をシールドすることができる。このため、磁気式圧力センサとパッケージ部材との組み合わせで効率よく外部磁場をシールドすることができる。
本発明の磁気式圧力センサによれば、主面を有する第1基板と、前記主面に設けられた凹部内に形成された第1シールド層と、前記第1シールド層上に絶縁層を介して形成された磁気抵抗効果素子と、前記絶縁層上に接合部材により接合されており、一方の主面上に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し、他方の主面上に第2シールド層を有するダイヤフラムを持つ第2基板と、を具備するので、外部磁場が発生しても、正確に圧力測定を行うことができる。
本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサを示す断面図である。 GMR素子を説明するための図である。 (a)〜(d)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。 本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサを用いたセンサパッケージを示す図である。 シールド厚さと磁場強度との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサの評価装置を示す図である。 (a)〜(c)は、図4に示す評価装置による評価結果を示す図である。 シールドサイズと磁界強度との間の関係を示す図である。
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る。
図1に示す磁気式圧力センサ1は、ベース基板であるガラス基板11を有する。ベース基板としては、ガラス基板以外にシリコン基板、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。ガラス基板11の一方の主面には、凹部が形成されている。凹部の深さは、後述する、接合領域に絶縁層に埋め込まれる配線の埋め込み量(ガラス基板11の主面からの深さ)大きくなりすぎないように適宜設定する。
凹部には、磁気抵抗効果素子のシールド層12が形成されている。シールド層12を構成する材料としては、パーマロイなどを挙げることができる。凹部におけるシールド層12上には、絶縁層13が形成されている。絶縁層13を構成する材料としては、アルミナ、シリコン酸化物などを挙げることができる。絶縁層13において、後述するシリコン基板との間の接合領域内で配線を埋め込むための段差部が形成されている。
絶縁層13の中央付近には、磁気抵抗効果素子としてGMR(Giant MagnetoResistance)素子17が形成されている。また、ガラス基板11の凹部の外側の主面上には、電極パッド15が形成されている。この電極パッド15とGMR素子17とは、絶縁層13の段差部内に沿って形成された配線14により電気的に接続されている。また、絶縁層13の段差部には、配線14を埋め込むようにして絶縁層16が形成されており、その絶縁層16が平坦化されている。この絶縁層16としては、アルミナ、シリコン酸化物などを用いることができる。したがって、配線14においては、段差部に沿って埋め込まれる埋め込み領域14aが形成されており、後述するシリコン基板の接合領域における接合部材と接触しないように構成されている。すなわち、GMR素子17は、後述するシリコン基板の接合領域における接合部材と接触しないように絶縁層13内に埋め込まれた埋め込み領域14aを有する配線14によりキャビティ外の電極パッド15と電気的に接続されている。
絶縁層13上には、シリコン基板20が金−スズ共晶接合により接合されている。絶縁層13とシリコン基板20との間の接合領域は、金−スズ共晶物18で構成されており、この金−スズ共晶物18で構成された接合領域がスペーサ19により区画されている。ここでは、金−スズ共晶物18で構成された接合領域がリング状であり、スペーサ19はその接合領域の内側と外側に一対で形成されている。また、スペーサ19は、金−スズ共晶反応の際に融解した材料の流れ止めの役割を果たす。このように、スペーサ19を接合領域に沿ってリング状に設けることにより、融解した材料をGMR素子17側に浸入することを防止できる。スペーサ19の材料としては、シリコン酸化物やアルミナなどの絶縁性材料を挙げることができる。
ここで、接合領域とは、絶縁層13と金−スズ共晶物18との間で接合されている領域をいう。したがって、配線14の埋め込み領域14aが接合部材である金−スズ共晶物18と接触しないようにするためには、少なくとも接合領域を含む領域Xの範囲で絶縁層13に段差部を設けて、その段差部に沿って配線14の埋め込み領域14aを設けることが好ましい。
接合領域は、上述したように金−スズ共晶物18で構成されている。この金−スズ共晶物18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18が形成される。このときの加熱温度は約300℃以下であり、GMR素子17の耐熱温度以下であるので、GMR素子17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。このようにして、絶縁層13とシリコン基板20との間にキャビティ23が形成され、このキャビティ23内にGMR素子17及び後述するハード磁性層21が配置される。
シリコン基板20のダイヤフラム20aの領域の一方の主面上には、GMR素子17と対向するように、ハード磁性層21が形成されている。このようにGMR素子17とハード磁性層21とが対面することによりGMR素子17に磁界が印加できるようになっている。なお、ハード磁性層21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。また、シリコン基板20の他方の主面上には、GMR素子17のシールド層22が形成されている。シールド層22を構成する材料としては、パーマロイなどを挙げることができる。
GMR素子17は、図2に示すように、絶縁層13上に下から順に、IrMnやPtMnなどで形成された反強磁性層171、NiFeやCoFeなどの強磁性材料で形成された固定磁性層172、Cuなどで形成された非磁性材料層173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174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171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175が設けられているが、シード層175は必須ではない。
また、フリー磁性層174の上には、Taなどで形成された保護層176が形成されている。GMR素子17では、反強磁性層171と固定磁性層172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171と固定磁性層172との間の界面に交換結合磁界(Hex)が生じ、固定磁性層172の磁化方向172aは一方向に固定される。図2では、磁化方向172aは図示X1方向に固定される。
一方、フリー磁性層174の磁化方向174aは、例えば、図2の形態では、固定磁性層172の磁化方向172aと反平行に揃えられている。すなわち、磁化方向174aは図示X2方向に向けられる。フリー磁性層174は、固定磁性層172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21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174の磁化方向174aが変動し、固定磁性層172の磁化方向172aとフリー磁性層174の磁化方向174a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171、固定磁性層172、非磁性材料層173及びフリー磁性層174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17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173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21によりGMR素子17に磁界が印加されている。ダイヤフラム20aに圧力が加わると、ダイヤフラム20aが圧力に応じて可動する。これにより、ダイヤフラム20aが変位して、ハード磁性層21とGMR素子17との間隔が変わる。このとき、GMR素子17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17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、互いに対向するGMR素子17及びハード磁性層21の外側にシールド層12,22が配設されている。このため、外部磁場が発生しても、シールド層12,22でシールドされるので、GMR素子17とハード磁性層21との間の磁気的作用領域への磁気的影響をできるだけ抑えることが可能となる。その結果、この磁気式圧力センサによれば、外部磁場が発生しても、正確に圧力測定を行うことができる。
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3(a)〜(d)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(a)に示すように、ガラス基板11の一方の主面のセンサ形成領域を含む部分に凹部11aを形成する。凹部11aは、イオンミリングなどの方法により形成する。次いで、図3(b)に示すように、凹部11aにシールド層12を形成し、その上に絶縁層13を形成する。その後、絶縁層13に段差部を形成する。シールド層12はメッキなどにより形成し、絶縁層13はスパッタリングなどにより形成する。また、絶縁層13の段差部はイオンミリングなどにより形成する。
次いで、絶縁層13の中央付近にGMR素子17を形成する。GMR素子12は、絶縁層13に凹部を形成した後に、その凹部に、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、ガラス基板11の主面から絶縁層13のGMR素子17にわたって配線14を形成する。配線14は、ガラス基板11及び段差部を有する絶縁層13に配線材料をスパッタリング法などにより被着し、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。
その後、図3(c)に示すように、配線14を埋め込むようにして段差部に絶縁層16を形成する。この絶縁層16は、例えばアルミナをスパッタリング法などにより被着することで形成する。これにより、配線14の埋め込み領域14aが形成される。次いで、ガラス基板11の主面上に、配線14と電気的に接続するように電極パッド15を形成する。電極パッド15は、ガラス基板11の主面上にフォトリソグラフィ及びメッキを行うことにより形成する。
次いで、図3(c)に示すように、ガラス基板11の絶縁層13,16上に環状のスペーサ19を形成する。この場合、スペーサ19は、絶縁層13,16上にスペーサ材料を被着し、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、図3(c)に示すように、一対のスペーサ19の内側に、接合部材用のスズ製柱18aを形成する。このスズ製柱18aは、まず、全面にスパッタリングにより薄いスズ層を形成し、その後に、レジスト膜を形成し、接合領域に開口部を有するようにレジスト膜をパターニングし、このパターンを用いてスズメッキを施し、最後に、ミリングにより不要なスズ層を除去する。
スズ製柱18aの高さや幅は、シリコン基板20との間に隙間が生じず、金−スズ共晶結合により十分な接合強度が得られるように設定する。したがって、シリコン基板20に形成した金層とスズ製柱18aとが確実に当接した状態で金−スズの共晶反応を起こさせるように、スズ製柱18aの高さは、スペーサ19の厚さよりも高く設定することが好ましい。また、スズ製柱18aは共晶反応の際に融解するので、融解物が所望しない領域に浸入しないように、スズ製柱18aの周りに所定の流れ込みスペースを確保することが好ましい。例えば、スズ製柱18aは、接合領域の幅の約2倍の高さで、接合領域の約半分の面積で設けることが好ましい。なお、スズ製柱18aの材料は、スズ単体でも良く、AuSn合金などのスズ合金でも良い。
次いで、図3(d)に示すように、あらかじめ研磨などにより数十μm程度の所定の厚さに形成したシリコン基板20のダイヤフラム20aの一方の主面上にハード磁性層で形成した磁石(ハード磁性層)21を形成する。ハード磁性層21は、シリコン基板20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。また、シリコン基板20の他方の主面にシールド層22を形成する。シールド層22は、メッキなどにより形成する。また、シリコン基板20の一方の主面側の接合領域には金層をスパッタリングなどで形成する。
次いで、ハード磁性層21がGMR素子17と所定の間隔をおいて位置するようにして、絶縁層13,16側にシリコン基板20を載置してスズ製柱18aとシリコン基板20に形成した金層との間で共晶接合する。すなわち、スズ製柱18aの上面と金層とを当接させ、真空下において、所定の圧力をシリコン基板20に加えながら、約280℃で加熱する。これにより、金とスズとの間で共晶反応が起こり、スズ製柱18aが金−スズ共晶物18に変わる。このようにして、金−スズ共晶物18とシリコン基板20との間で強固な接合がなされる。このとき、スズ製柱18aは融解して流れ出すが、スペーサ19が設けられているので、GMR素子17側への浸入が防止される。このようにして図1に示す構成の磁気式センサ1が作製される。
図4は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサを用いたセンサパッケージを示す図である。図4に示すセンサパッケージ2は、上記磁気式圧力センサ1がパッケージ部材31に内包されて構成されている。ガラス基板11及びパッケージ部材31には、連続して貫通する貫通穴が設けられており、この貫通穴には導電部材37が充填されている。この導電部材37と電極パッド15との間はボンディングワイヤ36で電気的に接続されている。また、パッケージ部材31の底面において、導電部材37上に電気的に接続するように引き出し電極38が形成されている。
また、パッケージ部材31の側面には、シールド層32が形成されている。また、パッケージ部材31の上面及び底面には、それぞれシールド層33,34が形成されている。なお、パッケージ部材31の底面のシールド層34は、引き出し電極38及びその周辺領域以外の領域に設けられている。したがって、パッケージ2は、引き出し電極38及びその周辺領域以外の領域にシールド層32〜34が形成されている。このように、磁気式圧力センサ1にシールド機能を持たせるとともに、パッケージにもシールド機能を持たせることにより、外部磁場の影響をより低く抑えることができる。また、図4に示すように、パッケージ部材31の側面にシールド層32を設けることにより、磁気式圧力センサ1で厚さ方向(鉛直方向)の外部磁場をシールドすることができ、パッケージ部材31の上面及び底面にそれぞれシールド層33,34を設けることにより、水平方向の外部磁場をシールドすることができる。このため、磁気式圧力センサ1とパッケージ部材31との組み合わせで効率よく外部磁場をシールドすることができる。
次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
上述したような方法により、図1に示すような、一対のシールド層12,22を有する磁気式圧力センサ(実施例1)を準備した。このとき、一対のシールド層12,22をパーマロイで構成し、透磁率3000、飽和磁束密度1.62T、1辺1000μmの正方形でシールド厚t(1μm,3μm,5μm,10μm)、シールド間隔d(30μm,50μm,100μm、300μm)とした。これらの磁気式圧力センサに磁場強度10Oe(×103/4π A/m)の磁場を水平方向に印加してGMR素子の感度方向の磁場強度をシミュレーションした。そのシミュレーション結果を図5に示す。図5から分かるように、シールド厚tを増加させるとGMR素子の感磁界を低減でき、シールド間隔を狭めるとGMR素子の感磁界を低減できる。
次いで、磁気式圧力センサ1にシールド層12,22を設けないこと以外は図3と同じ構成の磁気式圧力センサ(比較例)と、磁気式圧力センサ1にシールド層22を設けないこと以外は図3と同じ構成の磁気式圧力センサ(実施例2)とを準備し、磁気式圧力センサ1にシールド層12が存在する場合の効果についてシミュレーションを行った。
このとき、磁気式圧力センサ1は、2500μm×2500μmの正方形で厚さ850μmとした。また、磁気抵抗効果素子であるGMR素子は500μm×500μmの正方形内に収めることを想定している。パッケージにおけるシールド層32,33,34及び磁気式圧力センサ1内のシールド層12をいずれもパーマロイとし、透磁率3000、飽和磁束密度1.62Tとした。また、シールド層32及び33の厚さを150μmとし、シールド層34の厚さを100μmとし、シールド層12の厚さを5μmとし、シールド層34とシールド層12との間の距離を390μmとした。また、シールド層34は、GMR素子から外部への端子引き出しを考慮し、シールド33より小さい1500μm×1500μmの大きさとした。
これらの磁気式圧力センサを図6に示す評価装置41内にそれぞれ載置し、また、GMR素子17からシールド層34までの距離(395μm,397μm,399μm,401μm,403μm,405μm)を変え、かつ磁場強度50Oe(×103/4π A/m)を、印加角度(0°,45°,90°)を変えて印加して、GMR素子の感度方向の磁場強度をシミュレーションした。その結果を図7(a)〜(c)に示す。図7(a)は、図6に示す0°方向(水平方向)に磁場を印加した場合の結果を示し、図7(b)は、図6に示す45°方向に磁場を印加した場合の結果を示し、図7(c)は、図6に示す90°方向(鉛直方向)に磁場を印加した場合の結果を示す。
図7(a)〜(c)から分かるように、本発明に係る磁気式圧力センサ、すなわちGMR素子及びハード磁性層の外側にシールド層が配置された構成を持つ磁気式圧力センサ(実施例2)は、いずれの角度から磁場を印加しても、感度方向の磁場強度は非常に低いレベルであった。シールド層12を有しない構成の磁気式圧力センサ(比較例)は、0°方向や45°方向から磁場を印加した場合に、感度方向の磁場強度が高かった。GMR素子の感度方向は水平であるので、90°方向から磁場を印加した場合には、シールド層12を有しない構成の磁気式圧力センサ(比較例)であっても外界からの非検出対象磁界をシールドすることができるが、0°方向や45°方向から磁場が印加されてしまうとシールドすることができないことがある。本発明の構成のようにシールド層12を導入することで、磁気抵抗効果素子の近傍に磁気抵抗効果素子の感度方向と平行なシールドが形成され、一対のシールド層33,34の内側に進入した磁場を低減できる。これにより、外部磁場が発生しても、正確に圧力測定を行うことができる。
また、上記実施例2と同じ条件でシールド層34の平面形状(500μm×500μm、1000μm×1000μm、1500μm×1500μm、2000μm×2000μm)を変えた磁気式圧力センサ(実施例3)についてシミュレーションを行った。その結果を図8に示す。図8から分かるように、磁気抵抗効果素子近傍のシールド層12の平面形状は1000μm×1000μmであるので、外界からの非検出対象磁界をシールドするにはシールド層34はシールド層12以上であることが好ましく、よりシールド効果を高めるためには、シールド層34の1辺はシールド層12の1辺の1.5倍以上あることが好ましい。
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。

Claims (3)

  1. 主面を有する第1基板と、前記主面に設けられた凹部内に形成された第1シールド層と、前記第1シールド層上に絶縁層を介して形成された磁気抵抗効果素子と、前記絶縁層上に接合部材により接合されており、一方の主面上に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第2基板と、を具備し、前記磁気抵抗効果素子及び前記ハード磁性層は、前記絶縁層と前記第2基板との間で形成されるキャビティ内に配置され、前記磁気抵抗効果素子は、前記第2基板の接合領域における前記接合部材と接触しないように前記絶縁層内に埋め込まれた埋め込み領域を有する配線により前記キャビティ外の電極と電気的に接続されていることを特徴とする磁気式圧力センサ。
  2. 前記第2基板は、他方の主面上に第2シールド層を有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. 請求項1記載の磁気式圧力センサと、前記磁気式圧力センサを内包するパッケージ部材と、を具備し、前記パッケージ部材の側面にシールド層を有することを特徴とするセンサパッケージ。
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