(57)【要約】【課題】高精度のアライメント技術を要せず、低コストで得られると共に、正確に圧力を検出する。【解決手段】貫通すると共に圧力がかかる圧力作用部２を有する基部３と、その基部３の圧力がかかる側とは反対側の表面に固着され、圧力作用部２を閉塞する箇所が圧力作用部２にかかる圧力により弾性変形するダイアフラム４となる圧力検出部５と、その圧力検出部５のダイアフラム４の外表面に設けられ、そのダイアフラム４の変形による抵抗値の変化から圧力を検出する検出磁気抵抗素子６と、圧力検出部５のダイアフラム４以外の外表面に設けられ、検出磁気抵抗素子６の抵抗値の変化から圧力を検出するとき、その抵抗値を補正する補正磁気抵抗素子７と、それら検出、補正磁気抵抗素子６、７にそれぞれほぼ同一の磁気をかける磁気発生手段８と、を備える。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通すると共に圧力がかかる圧力作用部を有する基部と、その基部の圧力がかかる側とは反対側の表面に固着され、前記圧力作用部を閉塞する箇所が圧力作用部にかかる圧力により弾性変形するダイアフラムとなる圧力検出部と、その圧力検出部のダイアフラムの外表面に設けられ、そのダイアフラムの変形による抵抗値の変化から圧力を検出する検出磁気抵抗素子と、前記圧力検出部のダイアフラム以外の外表面に設けられ、前記検出磁気抵抗素子の抵抗値の変化から圧力を検出するとき、その抵抗値を補正する補正磁気抵抗素子と、それら検出、補正磁気抵抗素子に磁気をかける磁気発生手段と、を備えたことを特徴とする圧力センサ。
【請求項２】
前記基部と前記圧力検出部とからなる構成体が、シリコン基板上に酸化膜を介してシリコン活性層を形成したＳＯＩ基板である請求項１に記載の圧力センサ。
【請求項３】
前記磁気発生手段が、前記検出、補正磁気抵抗素子上に配設されたワイヤである請求項１又は２に記載の圧力センサ。
【請求項４】
シリコン基板上に酸化膜を介してシリコン活性層を形成したＳＯＩ基板のシリコン活性層側表面に、抵抗値の変化から圧力を検出する検出磁気抵抗素子及びその抵抗値を補正する補正磁気抵抗素子をパターニングし、該ＳＯＩ基板のシリコン基板及び酸化膜のそれぞれの一部をエッチングして、前記検出磁気抵抗素子が設けられている箇所のシリコン活性層を、圧力により弾性変形するダイアフラムとして形成させた後、前記検出、補正磁気抵抗素子上に、それら検出、補正磁気抵抗素子に磁気をかけるワイヤを配設したことを特徴とする圧力センサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高精度のアライメント技術を要せず、低コストで得られると共に、正確に圧力を検出することができる圧力センサ及び圧力センサの製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧力センサとしては、例えば特開平６−１６０２２３号公報に開示されたものや特開平１０−８２７０９号公報に開示されたものが知られている。
前者の圧力センサは、図５に示すように、ガス注入口３０からケース３１内にガスが注入されることによりケース３１内の圧力が高くなると、ベローズ３２がその圧力の増加にともなって変位して、保持片３３が可動棒３４を介して電磁石３５側に移動する。保持片３３の電磁石３３側には磁性半導体３６が固定され、この磁性半導体３６が電磁石３５に近づくと、電磁石３５は、磁性半導体３６の周囲に磁界を発生する。電磁石３５と磁性半導体３６との間には、磁束密度を検出する磁気センサ３７が配設されているため、ベローズ３２の変位にともなって電磁石３５からの磁束とほぼ平行な方向に沿って磁性半導体３６が移動すると、磁気センサ３７を通過する磁束密度が変化するので磁気センサ３７がこれを検出して、ケース３１内の圧力を検出することができることになる。
【０００３】
後者の圧力センサは、図６に示すように、ガラス４０、４１とダイアフラム４２を陽極接合した静電容量型圧力センサ４３である。この圧力センサ４３は、圧力導入口４４からダイアフラム４２と下ガラス４１との間に流体が入りその間の圧力が高くなると、ダイアフラム４２が上ガラス４０側に弾性変形して湾曲する。このようにダイアフラム４２が上ガラス４０側に湾曲するため、ダイアフラム４２と上ガラス４０の中央電極４５および周辺電極４６との間の距離が変化し、その距離に応じて静電容量が変化し、これにより圧力測定を行うものである。ダイアフラム４２の変位は中央近辺が大きく、周辺部が小さいため、ダイアフラム４２と下ガラス４１の中央電極４５および周辺電極４６との間の静電容量とに差が生じるので、温度等の変化に基づく誤差を補正するとともに、ノイズ等を取り除き、より正確に圧力を検出することができる。この圧力センサ４３は、いわゆるゲージ圧（大気圧をゼロとしたときの、大気圧に対する差圧）センサであり、ダイアフラム４２および上ガラス４０間の空隙部分は、中央電極４５、周辺電極４６の各スルーホール４７、４８を通じて大気に開放されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前者の圧力センサは、ケース内の圧力を検出することができるが、圧力センサは設置箇所の環境が常に同じであることはなく、例えば温度が異なるため、同じ圧力を検出する場合にも環境によっては検出値が異なることがあり、正確に圧力を検出することができないことがある。
【０００５】
また、後者の圧力センサは、図６に示すように、上ガラス４０のダイアフラム４２と対向する対向面に、中央電極４５と、この中央電極４５を囲む周辺電極４６とを設けると共に、これら各電極４５、４６は、上ガラス４０の上面（対向面とは反対の面）に設けられた各信号取出部４９、５０とスルーホール４７、４８を介して導通している。このように、中央電極４５及び周辺電極４６は、上ガラス４０の上下面に配設されると共に、上ガラス４０を貫通するスルーホール４７、４８にも配設されるため、高精度のアライメント技術を必要とする。
【０００６】
また、ダイアフラム４２は、上、下ガラス４０、４１に対して間隔を開けて配置され、ダイアフラム４２の厚肉部５１を介して上、下ガラス４０、４１と陽極接合されている。つまり、圧力センサ４３は、ガラス４０、シリコン（ダイアフラム４２）、ガラス４１の３層構造となっており、これらガラス４０、４１とシリコン（ダイアフラム４２の厚肉部５１）との間の２箇所の接触面５１Ａ、５１Ｂが陽極接合されてなる。このため、ガラス４０、４１とシリコンとは接着剤なしで固着できるが、高価なものとなってしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、このような実状に鑑みなされたものであり、その目的は、高精度のアライメント技術を要せず、低コストで得られると共に、正確に圧力を検出することができる圧力センサ及び圧力センサの製造方法を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の圧力センサは、貫通すると共に圧力がかかる圧力作用部を有する基部と、その基部の圧力がかかる側とは反対側の表面に固着され、前記圧力作用部を閉塞する箇所が圧力作用部にかかる圧力により弾性変形するダイアフラムとなる圧力検出部と、その圧力検出部のダイアフラムの外表面に設けられ、そのダイアフラムの変形による抵抗値の変化から圧力を検出する検出磁気抵抗素子と、前記圧力検出部のダイアフラム以外の外表面に設けられ、前記検出磁気抵抗素子の抵抗値の変化から圧力を検出するとき、その抵抗値を補正する補正磁気抵抗素子と、それら検出、補正磁気抵抗素子に磁気をかける磁気発生手段と、を備えたものである（請求項１）。
【０００９】
このように構成することで、圧力作用部の圧力が高くなると、ダイアフラムが弾性変形して湾曲するため、ダイアフラムに設けられている検出磁気抵抗素子に加わる磁気発生手段による磁気による磁束密度が変化するので、検出磁気抵抗素子の抵抗値の変化から圧力を検出することができる。また、補正磁気抵抗素子により抵抗を測定することで、温度等の変化に基づく誤差を補正するとともに、ノイズ等を取り除き、より正確に圧力を検出することができる。また、圧力作用部の外表面のみに磁気抵抗素子が配設されているので、高精度のアライメント技術を必要としない。
したがって、高精度のアライメント技術を要せず、低コストで得られると共に、正確に圧力を検出することができる。
【００１０】
前記基部と前記圧力検出部とからなる構成体が、シリコン基板上に酸化膜を介してシリコン活性層を形成したＳＯＩ基板（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板）であることが好ましい（請求項２）。
このように、ＳＯＩ基板は安価で、汎用されているため、より低コスト化を図れることになる。
【００１１】
前記磁気発生手段が、前記検出、補正磁気抵抗素子上にそれぞれ配設されたワイヤであることが好ましい（請求項３）。
これにより、簡単な構造で磁気発生手段を構成することができるので、より一層低コスト化を図れる。
【００１２】
また、本発明の圧力センサの製造方法は、シリコン基板上に酸化膜を介してシリコン活性層を形成したＳＯＩ基板のシリコン活性層側表面に、抵抗値の変化から圧力を検出する検出磁気抵抗素子及びその抵抗値を補正する補正磁気抵抗素子をパターニングし、該ＳＯＩ基板のシリコン基板及び酸化膜のそれぞれの一部をエッチングして、前記検出磁気抵抗素子が設けられている箇所のシリコン活性層を、圧力により弾性変形するダイアフラムとして形成させた後、前記検出、補正磁気抵抗素子上に、それら検出、補正磁気抵抗素子に磁気をかけるワイヤを配設したものである（請求項４）。
【００１３】
このように構成することで、磁気抵抗素子（及び配線）のパターニング、ダイアフラムの形成、ワイヤの形成の単純な工程のみであると共に、安価で汎用されているＳＯＩ基板を用いるので、圧力センサを容易に低コストで製造することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１及び図２は本発明の圧力センサの一例を示す図である。図１及び図２において、１は圧力センサを示し、この圧力センサ１は、貫通すると共に圧力がかかる圧力作用部２を有する基部３と、その基部３の圧力がかかる側とは反対側の表面に固着され、前記圧力作用部２を閉塞する箇所が圧力作用部２にかかる圧力により弾性変形するダイアフラム４となる圧力検出部５と、その圧力検出部５のダイアフラム４の外表面に設けられ、そのダイアフラム４の変形による抵抗値の変化から圧力を検出する検出磁気抵抗素子６と、前記圧力検出部５のダイアフラム４以外の外表面に設けられ、前記検出磁気抵抗素子６の抵抗値の変化から圧力を検出するとき、その抵抗値を補正する補正磁気抵抗素子７と、それら検出、補正磁気抵抗素子６、７にそれぞれほぼ同一の磁気をかける磁気発生手段８と、を備えてなる。
【００１５】
基部３と圧力検出部５とは、どのように形成してもよく、例えば、基部３と圧力検出部５とからなる構成体としてＳＯＩ基板（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ基板）９を用いてもよい。
ＳＯＩ基板９は、例えば、シリコン基板１０上に酸化膜１１を介してシリコン活性層１２を形成したものであり、シリコン基板１０と酸化膜１１とが基部３として構成されると共に、シリコン活性層１２が圧力検出部５として構成される。
【００１６】
シリコン基板１０は、いわゆる半導体基板であり、どのようなものを用いてもよく、例えば単結晶シリコンである。また、酸化膜１１は、例えばＳｉＯ２である。
基部３（シリコン基板１０と酸化膜１１と）は、圧力を測定する流体（被測定流体）例えば気体の圧力が作用しても湾曲しない厚さに形成されている。
【００１７】
基部３には、基部３を貫通すると共に圧力がかかる圧力作用部２が設けられている。
圧力作用部２は、例えば、断面ほぼ矩形状、円形状、多角形状等、どのような形状に形成してもよいし、また、その大きさは、被測定流体の圧力を検出することができる範囲から任意に選択される。
圧力作用部２は、どのように形成してもよく、例えば、シリコン基板１０の一部をウェットエッチングしてから酸化膜１１をドライエッチングして形成するようにしてもよい。ウェットエッチングとしては、例えば、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ　ａｍｍｏｎｉｕｍ　ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を用いて行うようにしてもよい。
【００１８】
シリコン活性層１２は、どのように形成してもよいが、被測定流体の圧力が作用したとき、その圧力が作用した側とは反対側に弾性変形して湾曲する厚さに形成するようにする。これにより、圧力作用部２を閉塞する部分（シリコン活性層１２）がダイアフラム４として形成されることになる。
【００１９】
圧力検出部５（シリコン活性層１２）の外表面（酸化膜１１とは反対側の表面）には、磁気抵抗素子６、７と配線１３、１４、１５、１６とが設けられている。
磁気抵抗素子６、７は、磁気による抵抗値を測定するものであり、例えばほぼ矩形状のものが２つ設けられている。１つがダイアフラム４の外表面に配設されて、そのダイアフラム４の変形による抵抗値の変化から圧力を検出する検出磁気抵抗素子６である。残りが圧力検出部５のダイアフラム４以外の外表面（圧力作用部２に被測定流体の圧力が作用したとき弾性変形しない箇所の外表面）に設けられて、検出磁気抵抗素子６の抵抗値の変化から圧力を検出するとき、その抵抗値を補正する補正磁気抵抗素子７である。これら検出、補正磁気抵抗素子６、７は、圧力検出部５（シリコン活性層１２）の外表面に並列に配置されている。
配線１３、１４、１５、１６は、磁気抵抗素子６、７の抵抗値を測定するための抵抗配線１３と、磁気抵抗素子６、７に磁気をかけるための磁気配線（電極を含む）１４、１５、１６とからなり、例えば、Ａｌ配線により形成される。
磁気抵抗素子６、７と配線１３、１４、１５、１６とは、どのように配設してもよく、例えば、フォトリソグラフィにより圧力検出部５（シリコン活性層１２）の外表面にパターニングして配設されている。
【００２０】
また、圧力検出部５（シリコン活性層１２）の外表面には、検出、補正磁気抵抗素子６、７にそれぞれほぼ同一の磁気をかける磁気発生手段８が設けられている。
磁気発生手段８は、検出、補正磁気抵抗素子６、７にそれぞれほぼ同一の磁気をかけることができるならばどのように構成してもよく、例えば、検出、補正磁気抵抗素子６、７上にワイヤを配設するようにしてもよい。ワイヤは、１本で検出、補正磁気抵抗素子６、７の両方に磁気をかけるように配設してもよいが、好ましくは、検出、補正磁気抵抗素子６、７にそれぞれ個別にほぼ同一の磁気をかけるように個々に配設することがよい。また、検出、補正磁気抵抗素子６、７個々にワイヤを配設する場合のワイヤの数は、１本でも、２本以上でもよく、例えば、図示例では２本である。
【００２１】
ワイヤ１７、１８は、どのように形成してもよく、例えば、ワイヤボンディングにより形成することが好ましい。ワイヤボンディングにより形成されるワイヤとしては、例えばＡｌワイヤ、Ａｕワイヤ等が用いられる。
ワイヤ１７、１８は、例えば、図示するように、圧力検出部５の検出、補正磁気抵抗素子６、７を挟持する箇所にそれぞれ設けられた磁気配線（電極を含む）１４、１５、１６を接続することにより、検出、補正磁気抵抗素子６、７上に配設することが好ましい。
【００２２】
具体的には例えば、検出、補正磁気抵抗素子６、７の並列方向にある検出、補正磁気抵抗素子６、７の対向する一対の側部（その並列方向とほぼ直交する方向に沿って延在する側部）６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂの近傍にそれぞれ磁気配線１４、１５、１６を配設する。検出、補正磁気抵抗素子６、７間の２つの磁気配線（第１配線）１４、１４は、近傍の側部６ｂ、７ａと長さがほぼ同じ長さに形成されたほぼ矩形状に形成され、これら第１配線１４、１４と検出、補正磁気抵抗素子６、７とが並列に配設されている。残りの２つの磁気配線１５、１６は、近傍の側部６ａ、７ｂに沿ってその側部６ａ、７ｂの一方の端部側と他方の端部側とに配置された２つの第２配線１５、第３配線１６とからそれぞれなる。
【００２３】
これら第２配線１５、第３配線１６と第１配線１４とを各磁気抵抗素子６、７を跨ぐようにそれぞれワイヤボンディングによりワイヤ（第１、第２ワイヤ）１７、１８で接続されている。これらワイヤ（４つのワイヤ）１７、１８は、前記並列方向とほぼ平行であって、ほぼ同形状の湾曲状に磁気抵抗素子６、７（圧力検出部５の外表面）から離間して配置されており、ワイヤ１７、１８に電流が流れると、磁気が発生し、磁気抵抗素子６、７に磁束密度が加わるようになっている。つまり、４つのワイヤ１７、１８は、図３（ａ）に示すように、例えば磁気抵抗素子６に加わる磁束密度がほぼ同じになるように磁気抵抗素子６、７を跨ぐように湾曲状に配設されている。
【００２４】
さて、この圧力センサ１を製造するには、まず、図４（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板９のシリコン活性層１２（圧力検出部５）の外表面に、磁気抵抗素子（検出、補正磁気抵抗素子）６、７と配線（Ａｌ配線）１３、１４、１５、１６とをフォトリソグラフィによりパターニングする。パターニング後、図４（ｂ）に示すように、シリコン活性層１２（圧力検出部５）の外表面を酸化膜等の第１保護膜１９で保護する。これは、ダイアフラム４を形成するときに磁気抵抗素子６、７等を保護するためのものである。
【００２５】
ＳＯＩ基板９の裏面（基部３の表面（シリコン基板１０の外表面））に、図４（ｃ）に示すように、所定の箇所に圧力作用部２が形成されるように第２保護膜２０をパターニングする。パターニング後、ＴＭＡＨを用いてウェットエッチングし、図４（ｄ）に示すように、シリコン基板１０の一部を除去する。ウェットエッチングは、酸化膜１１で止まるので、ウェットエッチング後、露出した部分の酸化膜１１をドライエッチングする。ドライエッチング後、図４（ｅ）に示すように、第１、第２保護膜１９、２０を除去する。これにより、第２保護膜２０のパターンに沿って基部３（シリコン基板１０及び酸化膜１１）の一部が除去されて、圧力作用部２が形成されると共に、その圧力作用部２に連通するシリコン活性層１２の一部がダイアフラム４として形成される。
【００２６】
そして、検出、補正磁気抵抗素子６、７上に第１、第２ワイヤ１７、１８をそれぞれ配設する。つまり、第２配線１５、第３配線１６と第１配線１４とを各磁気抵抗素子６、７を跨ぐようにそれぞれワイヤボンディングにより第１、第２ワイヤ１７、１８で接続する。これにより、圧力センサ１が得られる。このように圧力センサ１は、両面のアライメント技術を要するが、ダイアフラム４上に磁気抵抗素子６、７が配置されていればセンシングできるため、高精度なアライメント技術を必要としない。また、磁気抵抗素子６、７及び配線１３、１４、１５、１６のパターニング、ダイアフラム４の形成、ワイヤ１７、１８の形成の単純な工程のみであるので、圧力センサ１を容易に低コストで製造することができる。
【００２７】
この圧力センサ１を用いて圧力を検出するには、圧力作用部２に被測定流体例えば気体の圧力が作用する位置に圧力センサ１を設置する。すると、圧力作用部２内の圧力が高くなり、ダイアフラム４が圧力作用部２とは反対側に弾性変形して湾曲するため、ダイアフラム４に設けられている検出磁気抵抗素子６に加わる磁束密度が変化するので、検出磁気抵抗素子６の抵抗値の変化から圧力を検出することができる。つまり、第１、第２ワイヤ１７、１８に電流を流すと、ダイアフラム４に圧力が作用していない状態では、図３（ａ）に示すように、検出磁気抵抗素子６に磁気が加わり、ダイアフラム４に圧力が作用すると、ダイアフラム４がワイヤ１７側（磁気が加わる方向）に湾曲するため、検出磁気抵抗素子６に加わる磁束密度が変化する。このため、検出磁気抵抗素子６の抵抗値を測定すれば抵抗値が変化するので、圧力を検出することができる。
【００２８】
また、補正磁気抵抗素子７により抵抗を測定することで、温度等の変化に基づく誤差を補正するとともに、ノイズ等を取り除き、より正確に圧力を検出することができる。つまり、抵抗は、温度による影響が大きく、温度に応じて抵抗値が変わるため、この変動を補正することができ、より正確に圧力を検出することができることになる。
【００２９】
したがって、本発明の圧力センサ１は、高精度のアライメント技術を要せず、低コストで得られると共に、正確に圧力を検出することができる。
また、ＳＯＩ基板９を用いることにより、ＳＯＩ基板９は安価で、汎用されているため、より低コスト化を図れることになる。
また、ワイヤボンディングによりワイヤ１７、１８を磁気抵抗素子６、７上に配設して、磁気抵抗素子６、７に磁気を加えることにより、簡単な構造で磁気発生手段８を構成することができるので、より一層低コスト化を図れる。
【００３０】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、高精度のアライメント技術を要せず、低コストで得られると共に、正確に圧力を検出することができる。
【００３１】
請求項２に記載の発明によれば、ＳＯＩ基板は安価で、汎用されているため、より低コスト化を図れる。
【００３２】
請求項３に記載の発明によれば、簡単な構造で磁気発生手段を構成することができるので、より一層低コスト化を図れる。
【００３３】
請求項４に記載の発明によれば、磁気抵抗素子のパターニング、ダイアフラムの形成、ワイヤの形成の単純な工程のみであると共に、安価で汎用されているのＳＯＩ基板を用いるので、圧力センサを容易に低コストで製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧力センサの一例を示す概略側面図である。
【図２】本発明の圧力センサの一例を示す概略平面図である。
【図３】本発明の圧力センサの圧力状態を示す図で、その（ａ）は圧力なしの状態を示す概略側面図、（ｂ）は圧力ありの状態を示す概略側面図である。
【図４】本発明の圧力センサを製造するプロセスを示す図である。
【図５】従来の圧力センサを示す断面図である。
【図６】従来の圧力センサを示す一部切欠正面図である。
【符号の説明】
１　　圧力センサ
２　　圧力作用部
３　　基部
４　　ダイアフラム
５　　圧力検出部
６　　検出磁気抵抗素子
７　　補正磁気抵抗素子
８　　磁気発生手段
９　　ＳＯＩ基板（構成体）
１０　シリコン基板
１１　酸化膜
１２　シリコン活性層
１４　第１配線（電極）
１５　第２配線（電極）
１６　第３配線（電極）
１７　第１ワイヤ
１８　第２ワイヤ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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