JP5015498B2 - センサ装置 - Google Patents

Description

この発明は、物理変化を検出するセンサ装置に関する。

従来、自動車においては、ステアリングホイールの回転角度を検出するステアリングアングルセンサとして磁気センサが用いられている。
図３に示すように、磁気センサ１は、四つの磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４をホイートストンブリッジ状に接続した回路を備えている。磁気センサ１は、被検出体であるステアリングシャフト等の回転に起因して生ずる磁界の変化（正確には、磁束の方向の変化）を第一の磁気抵抗素子３１と第二の磁気抵抗素子３２との間のノードＮ１と、第三の磁気抵抗素子３３と第四の磁気抵抗素子３４との間のノードＮ２との電位差Ｅ１２の変化として検出する。この検出値に基づいて、被検出体の回転角度が求められる。このため、磁気センサ１は、磁気センサ１に対する磁界の方向がその方向変化の検出基準となる所定方向のとき、電位差Ｅ１２が０Ｖに近いものほど磁気センサとして高性能であることが知られている。すなわち、第一の磁気抵抗素子３１の電気抵抗値をＲ１、第二の磁気抵抗素子３２の電気抵抗値をＲ２、第三の磁気抵抗素子３３の電気抵抗値をＲ３、第四の磁気抵抗素子３４の電気抵抗値をＲ４としたとき、「Ｒ１×Ｒ４＝Ｒ２×Ｒ３」の関係式が成り立つことが好ましい。ここで、磁気センサ１は、電位差Ｅ１２を０Ｖに近づけるために、すなわち前記関係式を成り立たせるために、四つの磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４の各々は、電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が等しくなるように予め設定されたパターンで基板上に形成されている。そして、四つの磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４の各々は、それらを保護するための保護膜により覆われている。

保護膜は、例えばＣＶＤ法により形成される。このため、上記保護膜には、それを形成するときの熱等による応力が残留応力として内在する。これら磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４は、磁界の変化だけでなく応力によっても抵抗変化が発生する。そのため、この残留応力によって四つの磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４の電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４のばらつきが現れ、電位差Ｅ１２が０Ｖから磁気センサの性能上無視できない程にまで達するおそれがある。なお、磁気センサだけでなく、圧力、熱、光等の物理変化を検出する他のセンサについても保護膜の残留応力に起因する電気的特性の変化が発生するおそれがある。

この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化を抑制したセンサ装置を提供することにある。

以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について説明する。
請求項１に記載の発明は、基板と、同基板上に設けられるセンサエレメントと、同センサエレメントを覆うように同基板上全体に設けられる保護膜とを備え、物理変化を同センサエレメント各々を通じて変換される電気信号の変化として検出するセンサ装置において、前記保護膜の一部に、上方に開口する開口部が設けられ、前記開口部の隅は、円弧形状又は面取りされた形状に形成され、前記開口部の隅が面取りされた形状の場合、面取りされた隅を構成する直線及び曲線の少なくとも一方を組み合わせた前記開口部の隅の内側の角度が鈍角となることをその要旨としている。

保護膜には、成膜時の応力が残留応力として内在する。この残留応力がセンサエレメントの電気的特性に影響を与えることがある。上記構成によれば、保護膜のうち一部に上方に開口する開口部を設けることによって、保護膜の残留応力がセンサエレメントに与える影響を低減することができるため、センサ装置における保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化を抑制することができる。また、開口部の隅は、円弧形状又は面取りされた形状に形成され、開口部の隅が面取りされた形状の場合、面取りされた隅を構成する直線及び曲線の少なくとも一方を組み合わせた開口部の隅の内側の角度が鈍角であるため、直角や鋭角によって形成されるものと比較して応力集中が緩和される。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のセンサ装置において、前記保護膜は複数層に形成され、前記開口部は、少なくとも最上層の一部に設けられることをその要旨としている。

同構成によれば、保護膜が複数層であってこの複数層のうち最上層の一部に開口部を設けることによって、複数層であっても保護膜の残留応力がセンサエレメントに与える影響を低減することができるため、保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化を抑制することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のセンサ装置において、前記開口部は、前記保護膜を貫通するように形成されることをその要旨としている。
同構成によれば、開口部が保護膜を貫通するように形成されるため、保護膜の残留応力がセンサエレメントに与える影響を更に低減することができ、センサ装置における保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化を更に抑制することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ装置において、
前記開口部は、前記センサエレメントが露出しない態様で形成されることをその要旨としている。

同構成によれば、センサエレメントが露出しない態様で開口部が形成されるため、センサエレメントが保護膜に覆われた状態を維持することができ、保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化を抑制することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ装置において、 前記開口部は、前記センサエレメントの周囲に形成されることをその要旨としている。
同構成によれば、センサエレメントの周囲に開口部が形成されるため、保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化を好適に抑制することができる。

前記開口部の形成方法としては、請求項６に記載の発明によるように、エッチングによって形成することができる。或いは、請求項７に記載の発明によるように、レーザによって形成することができる。

請求項８に記載の発明は、基板と、同基板上に設けられるセンサエレメントと、同センサエレメントを覆うように設けられる保護膜とを備え、物理変化を同センサエレメント各々を通じて変換される電気信号の変化として検出するセンサ装置において、前記保護膜の隅は、円弧形状又は面取りされた形状に形成され、前記保護膜の隅が面取りされた形状の場合、面取りされた隅を構成する直線及び曲線の少なくとも一方を組み合わせた前記保護膜の隅の内側の角度が鈍角に形成されることをその要旨としている。

同構成によれば、センサエレメントのみに保護膜が形成されるため、保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化を最適に抑制することができる。

本発明によれば、保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化を抑制したセンサ装置を提供することができる。

以下、本発明の一実施形態について図１〜３を参照して説明する。
図１は、磁気センサの要部平面図である。図２は、図１に示される磁気センサのＡ−Ａ断面図である。図３は、磁気センサの電気回路図である。

図３に示されるように、磁気センサ１は、四つの磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４をホイートストンブリッジ状に接続された回路を備えている。四つの磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４は、磁気センサ１に対する磁界の方向変化に応じて電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４が変化するセンサエレメントである。磁気センサ１は、第一の磁気抵抗素子３１と第二の磁気抵抗素子３２との間のノードＮ１と、第三の磁気抵抗素子３３と第四の磁気抵抗素子３４との間のノードＮ２との電位差Ｅ１２の変化を検出することによって磁界の変化を検出する。

次に、磁気センサ１の構成を図１及び図２を参照して詳細に説明する。ここでは、四つの磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４のうち、第一の磁気抵抗素子３１について説明する。磁気センサ１は、珪素等の半導体により構成される基板１０を備えている。基板１０の上面には、その全面を覆うように絶縁膜２０が設けられている。絶縁膜２０は、二酸化珪素等の酸化膜により構成され、四つの磁気抵抗素子３１，３２，３３，３４の各々との間の必要な絶縁レベルを確保している。絶縁膜２０の上面には、図２の左側に示されるように、第一の磁気抵抗素子３１が設けられている。磁気抵抗素子３１は、図１に示されるように、ニッケルコバルト等の磁気抵抗効果を有する材料により所定のパターンで形成されている。磁気抵抗素子３１の上面には、その全面を覆うように層間絶縁膜４０が設けられている。この層間絶縁膜４０は、図２の右側に示されるように、磁気抵抗素子３１が存在しない部分では、絶縁膜２０の上面を覆うように設けられている。層間絶縁膜４０は、窒化珪素等の窒化膜により構成され、第一の磁気抵抗素子３１の保護膜としても機能する。図１に示されるように、層間絶縁膜４０の上面において、第一の磁気抵抗素子３１の両端に対応する部位には、金属パッド５０，５１が設けられ、それら金属パッド５０，５１は、層間絶縁膜４０に形成されたコンタクトホール５０ａ，５１ａを介して第一の磁気抵抗素子３１の両端に接続されている。第一の磁気抵抗素子３１は、金属パッド５０，５１に接続された図示しない配線を介して、他の磁気抵抗素子と接続されている。層間絶縁膜４０の上面には、その全面を覆うようにパッシベーション膜６０が設けられている。パッシベーション膜６０は、金属パッド５０，５１も覆っている。パッシベーション膜６０は、窒化珪素等の窒化膜により構成され、層間絶縁膜４０と共に磁気抵抗素子３１を保護する保護膜として機能する。

層間絶縁膜４０及びパッシベーション膜６０からなる保護膜には、複数個（本例では四つ）の開口部６１，６２，６３，６４が第一の磁気抵抗素子３１を囲むように独立して設けられている。すなわち、開口部６１，６２，６３，６４は、第一の磁気抵抗素子３１の平面視の外形形状を四角形として扱ったとき、四角形を構成する四辺に沿うように延びる直方形状に形成されている。また、開口部６１，６２，６３，６４の各々は、第一の磁気抵抗素子３１が露出しない態様で形成されている。図２に示されるように、開口部６１，６２，６３，６４は、保護膜の一部がエッチングにより除去されて形成されたものであり、層間絶縁膜４０及びパッシベーション膜６０を貫通して絶縁膜２０まで達している。図１に示されるように、平面視において略長方形の開口部６１，６２，６３，６４の四隅は、円孤状に形成されている。なお、第一の磁気抵抗素子３１について説明したが、第二、第三、第四の磁気抵抗素子３２，３３，３４についても同様である。

以上、説明した実施形態によれば、以下の作用効果を奏することができる。
（１）層間絶縁膜４０及びパッシベーション膜６０からなる保護膜の一部に開口部６１，６２，６３，６４を設けることによって、保護膜の残留応力が磁気抵抗素子３１に与える影響を低減することができる。そのため、各磁気抵抗素子の電気抵抗値Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４の保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化、ここでは抵抗変化を抑制することができる。また、開口部６１，６２，６３，６４の四隅は円弧状に形成されるため、直角や鋭角によって形成されるものと比較して応力集中が緩和される。

（２）磁気抵抗素子３１が露出しない態様で開口部６１，６２，６３，６４が形成されるため、磁気抵抗素子３１が層間絶縁膜４０及びパッシベーション膜６０からなる保護膜に覆われた状態を維持することができ、保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化、ここでは抵抗変化を抑制することができる。

（３）磁気抵抗素子３１の周囲に開口部６１，６２，６３，６４が形成されるため、層間絶縁膜４０及びパッシベーション膜６０からなる保護膜の残留応力に起因するセンサ装置の電気的特性の変化、ここでは抵抗変化を好適に抑制することができる。

なお、上記実施形態は、これを適宜変更した以下の形態にて実施することができる。
・図４に示されるように、磁気抵抗素子３１の外形形状を四角形として扱ったとき、四角形を構成する四辺のうちの隣り合う二辺に沿って二つの平面視Ｌ字状の開口部６５，６６が独立して設けられ、この開口部６５，６６の隅は円弧状に形成される構成を採用してもよい。また、開口部は、なるべく連続して形成するのがよい。

・開口部を形成する辺のうち隣り合う辺同士が作る内角は、平面視において、全て鈍角となるような構成を採用してもよい。例えば、図５に示されるように、磁気抵抗素子３１の外形形状を四角形として扱ったとき、四角形を構成する四辺に沿って四つの開口部６７，６８，６９，７０が各々設けられ、これら開口部６７，６８，６９，７０の各々は平面視において略長方形で四隅が面取りされた形状である構成を採用してもよい。

・図６に示されるように、磁気抵抗素子３１の外形形状を四角形として扱ったとき、四角形を構成する四辺のうちの隣り合う二辺に沿って二つの平面視Ｌ字状の開口部７１，７２が独立して設けられ、この開口部７１，７２の隅の角度θ１，θ２が鈍角となるように面取りされた形状である構成を採用してもよい。また、開口部は、なるべく連続して形成するのがよい。

・図７に示されるように、磁気抵抗素子３１のみが層間絶縁膜４０及びパッシベーション膜６０からなる保護膜に覆われるようにエッチングによって形成されている構成を採用してもよい。この保護膜の隅は、図８に示されるように、隅の角度θ３，θ４が鈍角となるように面取りされた形状である。このような構成によれば、保護膜によって発生する物理変化を最適に抑制することができる。なお、エッチングに限らずレーザトリミングによって形成してもよい。面取りではなく円弧状に形成してもよい。

・上記実施形態において、開口部を直線及び曲線を組み合わせた形状とし、互いに交わる二つの直線又は曲線のなす角度が鈍角となるような構成にしてもよい。
・上記実施形態において、開口部を曲線を組み合わせた形状とし、互いに交わる二つの曲線のなす角度が鈍角となるような構成にしてもよい。

・上記実施形態において、開口部を円形状や楕円形状としてもよい。
・図９に示されるように、層間絶縁膜４０はエッチングが行われず、パッシベーション膜にのみエッチングが行われる構成を採用してもよい。或いは、三層以上の保護膜により磁気抵抗素子３１が覆われている構成において、最上層から複数層に亘って保護膜の一部がエッチングにより除去されている構成を採用してもよい。また、全ての層を貫通するように保護膜の一部がエッチングにより除去されている構成を採用してもよい。

・磁気抵抗素子３１を構成する材料は、ニッケルコバルトに限定されない。
・上記実施形態では、絶縁膜２０を構成する材料は、二酸化珪素等の酸化膜であったが、窒化珪素等の窒化膜を採用してもよい。

・上記実施形態では、層間絶縁膜４０を構成する材料は、窒化珪素等の窒化膜であったが、二酸化珪素等の酸化膜を採用してもよい。
・上記実施形態では、パッシベーション膜６０を構成する材料は、窒化珪素等の窒化膜であったが、二酸化珪素等の酸化膜を採用してもよい。

・層間絶縁膜４０とパッシベーション膜６０とを互いに異なる材料により構成してもよい。例えば、層間絶縁膜４０を窒化膜により構成し、一方、パッシベーション膜６０は酸化膜により構成する。

・上記実施形態では、開口部をエッチングにより形成したが、レーザによるトリミングによって形成してもよい。
・上記実施形態では、センサエレメントとして磁気抵抗素子を採用したが、磁気以外に光、熱、圧力等の物理変化を検出するフォトダイオード、サーミスタ、圧電素子等を採用してもよい。

磁気センサの要部平面図。 磁気センサのＡ−Ａ断面図。 磁気センサの電気回路図。 磁気センサの要部平面図。 磁気センサの要部平面図。 磁気センサの要部平面図。 磁気センサの要部平面図。 図７の磁気センサの要部の拡大図。 磁気センサの断面図。

符号の説明

１…磁気センサ、１０…基板、２０…絶縁膜、３１，３２，３３，３４…磁気抵抗素子、４０…層間絶縁膜、５０，５１…金属パッド、５０ａ，５１ａ…コンタクトホール、６０…保護膜、６１，６２，６３，６４，６５，６６，６７，６８，６９，７０，７１，７２…開口部、Ｎ１，Ｎ２…ノード、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４…電気抵抗値、θ１，θ２，θ３，θ４…角度。

Claims (8)

1. 基板と、同基板上に設けられるセンサエレメントと、同センサエレメントを覆うように同基板上全体に設けられる保護膜とを備え、物理変化を同センサエレメント各々を通じて変換される電気信号の変化として検出するセンサ装置において、
   前記保護膜の一部に、上方に開口する開口部が設けられ、
   前記開口部の隅は、円弧形状又は面取りされた形状に形成され、
   前記開口部の隅が面取りされた形状の場合、面取りされた隅を構成する直線及び曲線の少なくとも一方を組み合わせた前記開口部の隅の内側の角度が鈍角に形成される
   ことを特徴とするセンサ装置。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   前記保護膜は複数層に形成され、前記開口部は、少なくとも最上層の一部に設けられる
   ことを特徴とするセンサ装置。
3. 請求項１又は２に記載のセンサ装置において、
   前記開口部は、前記保護膜を貫通するように形成される
   ことを特徴とするセンサ装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のセンサ装置において、
   前記開口部は、前記センサエレメントが露出しない態様で形成される
   ことを特徴とするセンサ装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載のセンサ装置において、
   前記開口部は、前記センサエレメントの周囲に形成される
   ことを特徴とするセンサ装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ装置において、
   前記開口部は、エッチングによって形成する
   ことを特徴とするセンサ装置。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ装置において、
   前記開口部は、レーザによって形成する
   ことを特徴とするセンサ装置。
8. 基板と、同基板上に設けられるセンサエレメントと、同センサエレメントを覆うように設けられる保護膜とを備え、物理変化を同センサエレメント各々を通じて変換される電気信号の変化として検出するセンサ装置において、
   前記保護膜の隅は、円弧形状又は面取りされた形状に形成され、
   前記保護膜の隅が面取りされた形状の場合、面取りされた隅を構成する直線及び曲線の少なくとも一方を組み合わせた前記保護膜の隅の内側の角度が鈍角に形成される
   ことを特徴とするセンサ装置。

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