Magnetic pressure sensor
专利汇可以提供Magnetic pressure sensor专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic pressure sensor capable of accurately measuring the pressure.
SOLUTION: Conductive members 12 are embedded in the through holes in the recessed region of a glass substrate 11. On the conductive members 12, a wiring pattern 13 is formed and a GMR (giant magneto resistive) element 14 is formed. On the rear principal surface of the glass substrate 11, a seed layers 15 are formed so as to connect with the exposed conductive members 12. On the seed layers 15, an electrode pads 16 are formed. On the front principal surface of the glass substrate 11, a silicon substrate 18 is connected to a hard magnetic layer 19 in an opposite direction to the GMR element 14. The silicon substrate 18 is provided with a diaphragm 18a, in the region of which a hard magnetic layer 19 is formed. This hard magnetic layer 19 is embedded so as to be flush with the silicon substrate 18.
COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT，下面是Magnetic pressure sensor专利的具体信息内容。
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。
しかしながら、ハード磁性層を設けたダイヤフラムを作製する場合、所定の厚さを持つ基板の一方の主面上にハード磁性層を設けた後に、基板の他方の主面（裏面）側から研磨処理により薄層化する。 この方法における研磨工程では、ハード磁性層を設けた主面を研磨台側に当接させた状態で裏面を研磨処理するので、ハード磁性層を有する領域とハード磁性層を有しない領域とで研磨量が異なってしまい、高い寸法精度でダイヤフラムを形成することができない。 このようにダイヤフラムが寸法精度良く作製されないと、圧力測定の精度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、高精度で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、一方の主面側に設けられた磁気抵抗効果素子を有する第１基板と、前記第１基板の前記一方の主面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第２基板と、を具備し、前記第２基板は、前記ハード磁性層を含む領域に厚膜部が形成されており、前記ハード磁性層は、前記第２基板と略面一となるように前記厚膜部に埋め込まれていることを特徴とする。
この構成によれば、ハード磁性層が第２基板の主面と略面一になるように形成されているので、ハード磁性層形成側の主面を研磨装置の載置台に当接するように第２基板を載置したときに、第２基板の被研磨面側において、ハード磁性層が形成されることに起因する隆起プロファイルが現れない。 このため、第２基板の被研磨面に対して均等に研磨処理を施すことが可能となり、精度の高い研磨処理を行うことができる。 したがって、寸法精度の高いダイヤフラムを形成することができる。 その結果、高精度で圧力測定を行うことができる磁気式圧力センサを得ることができる。
また、第２基板において、ハード磁性層を含む領域に厚膜部が形成されている。 この場合、第２基板に設けた厚膜部においては、ダイヤフラムの他の領域と比べて変形量が小さくなる。 すなわち、ダイヤフラムの変形プロファイルにフラットな領域が形成されることになる。 このようにダイヤフラムの変形プロファイルにフラットな領域が含まれることにより、磁気抵抗効果素子の抵抗変化曲線を広くカバーすることができ、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、前記厚膜部の厚さは、前記ダイヤフラムの厚さの３倍〜５倍であることが好ましい。
本発明の磁気式圧力センサにおいては、平面視において前記厚膜部が形成された領域は、前記磁気抵抗効果素子が設けられた領域とオーバラップし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、一方の主面側に設けられた磁気抵抗効果素子を有する第１基板と、前記第１基板の前記一方の主面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第２基板と、を具備し、前記第２基板は、前記ハード磁性層を含む領域に厚膜部が形成されており、前記ハード磁性層は、前記第２基板と略面一となるように前記厚膜部に埋め込まれているので、ダイヤフラムが精度良く形成されており、これにより高精度で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）は第１基板であるベース基板を示す平面図であり、（ｃ）は第２基板であるシリコン基板を接合した状態を示す平面図である。
図１に示す磁気式圧力センサは、ベース基板（第１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。凹部はキャビティを構成するので、キャビティの深さに応じて適宜設定する。
ガラス基板１１の凹部領域には、他方の主面まで延在する貫通穴が形成されており、その貫通穴には導電部材１２が埋め込まれている。 導電部材１２は、ガラス基板１１の両主面で露出している。 この導電部材１２を構成する材料としては、シリコン、金属などを用いることができる。 導電部材１２をシリコンで構成する場合には、導電部材用の突起を設けたシリコン基板をガラス基板に加熱・加圧下で押圧して突起をガラス基板に押し込み、その後基板の両面を研磨する。
凹部の底面上には、露出した導電部材１２と電気的に接続するように、配線パターン１３が形成されている。 また、凹部の底面上には、配線パターン１３と電気的に接続するように、磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ（Giant MagnetoResistance）素子１４が形成されている。 図１（ｂ）において、参照符号１７は固定抵抗を示す。
ガラス基板１１の他方の主面上には、露出した導電部材１２と電気的に接続するようにシード層１５が形成されており、シード層１５上には、電極パッド１６が形成されている。 この電極パッド１６は、ＧＭＲ素子１４の出力の引き出し電極として用いられる。
ガラス基板１１の一方の主面上には、第２基板であるシリコン基板１８が、後述するハード磁性層１９をＧＭＲ素子１４に対向するようにして接合されている。 ガラス基板１１とシリコン基板１８との間の接合については、ＧＭＲ素子１４の耐熱温度以下で行うことが好ましい。 例えば、Ｌｉ 2 Ｏ 2を含有したガラスを用いた低温陽極接合などを用いることができる。 このように、ガラス基板１１とシリコン基板１８とが接合されることによりキャビティ２０が形成される。 このキャビティ２０内に、ＧＭＲ素子１４及びハード磁性層１９が配置され、圧力測定領域を構成する。
このシリコン基板１８は、ダイヤフラム１８ａを有しており、このダイヤフラム１８ａの領域にハード磁性層１９が形成されている。 このハード磁性層１９は、シリコン基板１８と略面一となるように埋め込まれている。 すなわち、シリコン基板１８にハード磁性層１９用の凹部が形成され、その凹部内にハード磁性層１９が埋め込まれており、そのハード磁性層１９がシリコン基板１８の主面と略面一になるように形成されている。 なお、ハード磁性層１９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。
ダイヤフラムを形成するために行われる研磨処理の際には、ハード磁性層形成側の主面が研磨装置の載置台に当接する。 上記のようにハード磁性層１９がシリコン基板１８の主面と略面一になるように形成されていると、ハード磁性層形成側の主面を研磨装置の載置台に当接するようにシリコン基板１８を載置したときに、シリコン基板１８の被研磨面側において、ハード磁性層１９が形成されることに起因する隆起プロファイルが現れない。 このため、シリコン基板１８の被研磨面に対して均等に研磨処理を施すことが可能となり、精度の高い研磨処理を行うことができる。 したがって、寸法精度の高いダイヤフラムを形成することができる。 その結果、高精度で圧力測定を行うことができる磁気式圧力センサを得ることができる。
また、シリコン基板１８において、ハード磁性層１９を含む領域に厚膜部１８ｂが形成されている。 すなわち、ハード磁性層１９は、厚膜部１８ｂに埋め込まれている。 シリコン基板１８に設けた厚膜部１８ｂにおいては、ダイヤフラム１８ａの他の領域と比べて変形量が小さくなる。 すなわち、ダイヤフラムの変形プロファイルにフラットな領域が形成されることになる。 このようにダイヤフラムの変形プロファイルにフラットな領域が含まれることにより、ＧＭＲ素子の抵抗変化曲線を広くカバーすることができ、圧力測定の信頼性を高めることができる。
ここで、厚膜部によるダイヤフラムの変形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、ヤング率１５０ＧＰａ、ポアソン比０．１７であるシリコン基板とし、センサチップサイズを１０００μｍ×１０００μｍ×２００μｍとし、ダイヤフラム径をφ８００μｍとし、ダイヤフラム厚さを１０μｍとし、印加圧力５０ｋＰａ、７５ｋＰａ、１１０ｋＰａについて行った。 また、厚膜部１８ｂのサイズは、径φ２００μｍ、高さ３０μｍとした。 シミュレーション結果を図２、図３に示す。
図２は、印加圧力とダイヤフラムの最大変形量との間の関係を示す図である。 図２中、特性曲線ａは厚膜部を有するダイヤフラムの変形を示す、特性曲線ｂは厚膜部を有しないダイヤフラムの変形を示す。 図２から分かるように、厚膜部を有しないダイヤフラムの方が相対的に圧力に対する最大変位量の変化が大きい。 また、図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、厚膜部を有するダイヤフラム（特性曲線ａ）は、いずれの印加圧力においても、変形プロファイルにフラットな領域を含んでいた。
また、ヤング率１５０ＧＰａ、ポアソン比０．１７であるシリコン基板とし、センサチップサイズを１０００μｍ×１０００μｍ×２００μｍとし、ダイヤフラム径をφ８００μｍとし、ダイヤフラム厚さを１０μｍとし、厚膜部１８ｂの径をφ２００μｍとし、厚膜部１８ｂの高さを０μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍとし、印加圧力１１０ｋＰａについて行った。 シミュレーション結果を図４、図５に示す。
図４は、厚膜部の厚さと最大変位との間の関係を示す図である。 図４から分かるように、厚膜部の厚さが厚いと厚膜部の剛性が高まり、最大変位が小さくなる。 この結果を最大変形量で表すと図５に示すようになる。 図５から分かるように、厚膜部を有しないダイヤフラム（特性曲線ｂ）は相対的に最大変形が大きく、変形プロファイルにフラットな領域を含んでいない。 一方、厚膜部を有するダイヤフラムは相対的に最大変形が小さく、厚膜部の高さが２０μｍ以上では同じような変形プロファイルを示し（特性曲線ａ）、いずれの高さにおいても、フラットな領域を含んでいた。
上記シミュレーション結果を考慮して、厚膜部１８ｂの厚さｔ 2 （図７（ｃ）参照）は、ダイヤフラム１８ａの厚さｔ 1の３倍〜５倍であることが好ましい。 また、ダイヤフラム１８ａにおいて厚膜部１８ｂが形成された領域は、平面視においてＧＭＲ素子１４が設けられた領域とオーバラップしていることが好ましい。
ＧＭＲ素子１４は、図６に示すように、ガラス基板１１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６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６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６の形態では、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６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、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１７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１６ａの一方をＧＮＤとし、電極パッド１６ａ−１６ａ間に電源電圧を印加し、電極パッド１６ｂ−１６ｂ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１９によりＧＭＲ素子１４に磁界が印加されている。 ダイヤフラム１８ａに圧力が加わると、ダイヤフラム１８ａが圧力に応じて可動する。 これにより、ダイヤフラム１８ａが変位して、ハード磁性層１９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のシリコン基板１８においては、ハード磁性層１９が厚膜部１８ｂに埋め込まれている。 シリコン基板１８に設けた厚膜部１８ｂにおいては、ダイヤフラム１８ａの他の領域と比べて変形量が小さくなる。 すなわち、ダイヤフラムの変形プロファイルにフラットな領域が形成されることになる。 このようにダイヤフラムの変形プロファイルにフラットな領域が含まれることにより、ＧＭＲ素子の抵抗変化曲線を広くカバーすることができ、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７（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサのダイヤフラムの作製方法を説明するための図である。
図７（ａ）に示すように、シリコン基板１８の一方の主面のハード磁性層形成領域に凹部１８ｃを形成する。 この凹部１８ｃはエッチングなどにより形成する。 次いで、凹部１８ｃ内にハード磁性層で形成した磁石（ハード磁性層）１９を埋め込むように形成する。 例えば、ハード磁性層１９は、シリコン基板１８上にハード磁性材料を被着し、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し、その後表面を平坦化する。 これにより、図７（ｂ）に示すように、ハード磁性層１９がシリコン基板１８の主面と略面一になるように形成される。 その後、図７（ｃ）に示すように、シリコン基板１８の他方の主面側から研磨処理を施してシリコン基板１８を薄層化して厚膜部１８ｂを形成する。 次いで、図７（ｄ）に示すように、シリコン基板１８の他方の主面にエッチングなどを施すことによりダイヤフラム１８ａを形成する。
厚膜部１８ｂを形成するために行われる研磨処理の際には、ハード磁性層形成側の主面が研磨装置の載置台に当接する。 上記のようにハード磁性層１９がシリコン基板１８の主面と略面一になるように形成されていると、ハード磁性層形成側の主面を研磨装置の載置台に当接するようにシリコン基板１８を載置したときに、シリコン基板１８の被研磨面側において、ハード磁性層１９が形成されることに起因する隆起プロファイルが現れない。 このため、シリコン基板１８の被研磨面に対して均等に研磨処理を施すことができる。 これにより、寸法精度の高いダイヤフラムを形成することができ、高精度で圧力測定を行うことができる磁気式圧力センサを得ることができる。
図８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）は第１基板であるベース基板を示す平面図であり、（ｃ）は第２基板であるシリコン基板を接合した状態を示す平面図である。 図８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８に示す構成においては、ダイヤフラム１８ａに厚膜部を設けずに、ハード磁性層１９をシリコン基板１８の主面と略面一になるように形成している。 このような場合においても、ハード磁性層形成側の主面を研磨装置の載置台に当接するようにシリコン基板１８を載置したときに、シリコン基板１８の被研磨面側において、ハード磁性層１９が形成されることに起因する隆起プロファイルが現れない。 このため、シリコン基板１８の被研磨面に対して均等に研磨処理を施すことができる。 これにより、寸法精度の高いダイヤフラムを形成することができ、高精度で圧力測定を行うことができる磁気式圧力センサを得ることができる。 この場合、研磨処理はシリコン基板１８の他方の主面全面に行う。
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。
１１ ガラス基板 １２ 導電部材 １３ 配線パターン １４ ＧＭＲ素子 １５ シード層 １６，１６ａ，１６ｂ 電極パッド １７ 固定抵抗 １８ シリコン基板 １８ａ ダイヤフラム １８ｂ 厚膜部 １８ｃ 凹部 １９ ハード磁性層で形成した磁石 ２０ キャビティ
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