(57)【要約】【課題】磁気抵抗効果素子の磁気抵抗を大きくすることができ、ハード磁性層の磁界強度を高くすること。【解決手段】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ＧＭＲ素子１４を有するガラス基板１１と、ガラス基板１１の一方の主面上に接合されており、ＧＭＲ素子１４と対向するようにハード磁性層１９を有するダイヤフラム１８ａを持つシリコン基板１８と、を具備し、ＧＭＲ素子１４及びハード磁性層１９の組が少なくとも２つ形成されており、ハード磁性層１９は、その中心を含む領域でプラトー領域Ｐを含む磁場強度分布を持つために十分な着磁方向の幅を有し、ＧＭＲ素子１４は、ハード磁性層１９の着磁方向の幅よりも小さい幅を有することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、前記磁気抵抗効果素子及び前記ハード磁性層の組が少なくとも２つ形成されており、前記ハード磁性層は、その中心を含む領域でプラトー領域を含む磁場強度分布を持つために十分な着磁方向の幅を有し、前記磁気抵抗効果素子は、前記ハード磁性層の着磁方向の幅よりも小さい幅を有することを特徴とする磁気式圧力センサ。
【請求項２】
前記ハード磁性層の着磁方向の幅が５μｍ〜１５μｍであり、前記ハード磁性層と前記磁気抵抗効果素子との間の距離が１μｍ〜７μｍであることを特徴とする請求項１記載の磁気式圧力センサ。
【請求項３】
前記磁気抵抗効果素子の幅は、前記ハード磁性層による磁気抵抗変化曲線におけるプラトー領域の幅より小さ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【特許文献１】米国特許第６，５０７，１８７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記のような磁気式圧力センサにおいては、磁気抵抗効果素子による磁気抵抗の変化を利用して圧力の変化を検出するので、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗が大きいことが望ましく、また、磁気抵抗効果素子と対向するハード磁性層の磁界強度を高くする必要がある。
【０００４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗を大きくすることができ、ハード磁性層の磁界強度を高くする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。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
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、前記磁気抵抗効果素子及び前記ハード磁性層の組が少なくとも２つ形成されており、前記ハード磁性層は、その中心を含む領域でプラトー領域を含む磁場強度分布を持つために十分な着磁方向の幅を有し、前記磁気抵抗効果素子は、前記ハード磁性層の着磁方向の幅よりも小さい幅を有することを特徴とする。
【０００６】
この構成によれば、磁気抵抗効果素子及びハード磁性層の組が少なくとも２つ形成されており、ハード磁性層は、その中心を含む領域でプラトー領域を含む磁場強度分布を持つために十分な着磁方向の幅を有し、磁気抵抗効果素子は、ハード磁性層の着磁方向の幅よりも小さい幅を有するので、磁気抵抗効果素子の総抵抗を大きくすることができると共に、ハード磁性層の直下の磁界の強さを大きくすることができる。また、磁気抵抗効果素子とハード磁性層との間の位置ずれのマージンを大きくとることが可能となる。
【０００７】
本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記ハード磁性層の着磁方向の幅が５μｍ〜１５μｍであり、前記ハード磁性層と前記磁気抵抗効果素子との間の距離が１μｍ〜７μｍであることが好ましい。
【０００８】
本発明の磁気式圧力センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子の幅は、前記ハード磁性層による磁気抵抗変化曲線におけるプラトー領域の幅より小さいことが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
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、前記磁気抵抗効果素子及び前記ハード磁性層の組が少なくとも２つ形成されており、前記ハード磁性層は、その中心を含む領域でプラトー領域を含む磁場強度分布を持つために十分な着磁方向の幅を有し、前記磁気抵抗効果素子は、前記ハード磁性層の着磁方向の幅よりも小さい幅を有するので、磁気抵抗効果素子の磁気抵抗を大きくすることができ、ハード磁性層の磁界強度を高くすることができ、これにより高精度で圧力測定を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、Ｌｉ2Ｏ2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。
【００１６】
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。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。
【００１７】
ＧＭＲ素子１４は、図２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。
【００１８】
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。
【００１９】
一方、フリー磁性層１４４の磁化方向１４４ａは、例えば、図２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。
【００２０】
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。
【００２１】
図３は、本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサにおけるＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の関係を示す図であり、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示すＧＭＲ素子の平面図である。図３（ａ）において、ＧＭＲ素子１４及びハード磁性層１９の組が少なくとも２つ（図３においては２組）形成されている。図３において、Ｘ軸方向がハード磁性層１９の幅方向であり、着磁方向である。また、図３において、Ｙ軸方向はハード磁性層１９の長さ方向であり、Ｚ軸方向はハード磁性層１９の厚さ方向である。図３（ｂ）に示すように、ＧＭＲ素子１４ａ，１４ｂは、配線パターン１３ａにより接続されている。各固定磁性層の磁化固定方向１４２ａは、図３（ｂ）に示すように、着磁方向と平行又は反平行であることにより、抵抗変化率が高く効率が良い。
【００２２】
ハード磁性層１９は、その中心を含む領域でプラトー領域を含む磁場強度分布を持つために十分な着磁方向の幅を有する。また、ＧＭＲ素子１４はハード磁性層１９の着磁方向の幅Ｌ1よりも小さい幅Ｌ2を有する。
【００２３】
ここで、ハード磁性層１９の着磁方向の幅による磁場強度分布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、ハード磁性層１９として、長さ２５μｍ、厚さ２００ｎｍのＣｏＰｔ磁石を用い、着磁方向の幅Ｌ1を変えて、さらにそれぞれの幅に対してＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の最短距離（Ｚ軸方向の距離）を変えて行った。シミュレーション結果を図４（ａ）〜（ｅ）に示す。図４（ａ）は幅Ｌ1が５μｍである場合を示し、図４（ｂ）は幅Ｌ1が１０μｍである場合を示し、図４（ｃ）は幅Ｌ1が１５μｍである場合を示し、図４（ｄ）は幅Ｌ1が５０μｍである場合を示し、図４（ｅ）は幅Ｌ1が８０μｍである場合を示す。
【００２４】
図４から分かるように、ハード磁性層１９の幅Ｌ1が大きくなるにつれて磁場強度が小さくなっている。これは、磁化方向の幅は全体的な磁気モーメント（磁場強度分布の規模）には影響するが、磁化を持つ断面積は一定であり、電気力線の絶対数は変わらないままに、より遠距離へ分布を広げようとするために部分的な磁束密度が小さくなるためであると考えられる。また、図４から分かるように、ハード磁性層１９の幅Ｌ1が大きくなると、磁場強度分布に落ち込み領域Ａが広くなる。このような落ち込み領域Ａが広く存在すると、感度良く磁気抵抗を検出できるダイヤフラム１８ａの中央領域で検出ができなくなってしまうので好ましくない。このため、磁場強度分布において、図４（ａ）〜（ｃ）に示すようなプラトー領域（略平坦領域）Ｐを有するように幅Ｌ1やＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の最短距離（Ｚ軸方向の距離）を設定する。例えば、ハード磁性層１９の着磁方向の幅Ｌ1は、５μｍ〜１５μｍであることが好ましい。なお、本発明において、プラトー領域とは、略平坦な領域をいい、完全に平坦でなくても、実質的に圧力検出を行うことができる範囲において略平坦な領域を含むものとする。
【００２５】
このように、本発明においては、ハード磁性層１９の着磁方向の幅を最適にすることにより、ハード磁性層１９直下の磁場強度を大きくして、ＧＭＲ素子１４の抵抗変化を大きくとることができる。これにより、圧力検出感度を高くすることができ、精度の高い圧力検出を行うことが可能となる。
【００２６】
次に、ＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の距離による抵抗についての原理実験を行った。原理実験は、ハード磁性層１９の着磁方向の幅Ｌ1を２０μｍとし、ＧＭＲ素子１４の幅Ｌ2を６μｍとして行った。まず、図５（ａ）に示すＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の位置関係において、両者の中心を合わせた状態で両者間の距離を広くしていくと、図５（ｂ）に示すように、抵抗Ｒは、距離１．０μｍあたりから上昇し、距離７．０μｍあたりから飽和する。このような結果から、ＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の距離に最適な範囲があることが分かる。したがって、ＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の距離（Ｚ軸方向の距離）は、１μｍ〜７μｍであることが好ましい。
【００２７】
また、図５（ａ）に示すＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の位置関係において、Ｘ軸方向に両者の位置をずらしていくと、図５（ｃ）に示すような抵抗変化を示す。したがって、図５（ｃ）に示すように、ハード磁性層１９によるＧＭＲ素子１４の磁気抵抗変化曲線におけるプラトー領域Ｑの幅と略等しくＧＭＲ素子の幅Ｌ2を設定することが好ましい。このように設定することにより、ＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の位置ずれのマージンを向上することが可能となる。
【００２８】
このように、本発明においては、ハード磁性層１９の着磁方向の幅が５μｍ〜１５μｍであり、ハード磁性層１９とＧＭＲ素子１４との間の距離が１μｍ〜７μｍであることが好ましい。
【００２９】
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。なお、この場合、ＧＭＲ素子１４は、それぞれ２つあるために（合計４つ）、４つのＧＭＲ素子１４を、固定抵抗１７を介して配線パターンで接続してブリッジ回路を構成する。
【００３０】
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。
【００３１】
この磁気式圧力センサにおいては、ＧＭＲ素子１４及びハード磁性層１９の組が少なくとも２つ形成されており、ハード磁性層１９は、その中心を含む領域でプラトー領域Ｐを含む磁場強度分布を持つために十分な着磁方向の幅を有し、ＧＭＲ素子１４は、ハード磁性層１９の着磁方向の幅よりも小さい幅を有するので、ＧＭＲ素子１４の総抵抗を大きくすることができると共に、ハード磁性層１９の直下の磁界の強さを大きくすることができる。また、ＧＭＲ素子１４とハード磁性層１９との間の位置ずれのマージンを大きくとることが可能となる。
【００３２】
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、材質、部材構成については特に制限はない。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。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】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２】ＧＭＲ素子を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る磁気式圧力センサにおけるＧＭＲ素子とハード磁性層との間の関係を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｅ）は、ハード磁性層の着磁方向の幅を変えたときの磁場強度分布を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、ＧＭＲ素子とハード磁性層との間の距離を変えたときの抵抗変化を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３４】
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
１９  ハード磁性層で形成した磁石
２０  キャビティ
【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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