JP2007046920A

JP2007046920A - センサ装置

Info

Publication number: JP2007046920A
Application number: JP2005228847A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Ishizaki; 洋一石崎; Katsuya Ogiso; 克也小木曽; Toru Minagawa; 亨皆川; Fumihiro Suzuki; 文浩鈴木
Original assignee: Tokai Rika Co Ltd
Current assignee: Tokai Rika Co Ltd
Priority date: 2005-08-05
Filing date: 2005-08-05
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2025-08-05
Also published as: US20070030000A1; US7786726B2; JP4276645B2; EP1750097A3; EP1750097A2; EP1750097B1

Abstract

【課題】低コストでありながら、オフセット電圧の経時変化を抑制することが可能なセンサ装置を提供すること。
【解決手段】磁気センサ１は、磁気の変化に応じて磁気抵抗素子３１〜３４の各々の電気抵抗値が変化することに基づいて磁気の変化を検出する。磁気抵抗素子３１〜３４の各々は、保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）により覆われている。保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）の一部がエッチングにより除去されて開口部６１が形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、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、４つの磁気抵抗素子３１〜３４によりホイートストーンブリッジが構成されたものである。そして、磁気センサ１に対して磁界の方向が所定方向の時、磁気抵抗素子３１，３２間のノードＮ１と、磁気抵抗素子３３，３４間のノードＮ２との間の電圧（ブリッジの各中点電位Ｅ１，Ｅ２の差であるオフセット電圧Ｅ１２）が０Ｖに近いもの程、磁気センサ１として高性能であることが知られている。即ち、磁気抵抗素子３１の電気抵抗値をＲ１、磁気抵抗素子３２の電気抵抗値をＲ２、磁気抵抗素子３３の電気抵抗値をＲ３、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最も好ましい。

ここで、磁気センサ１は、オフセット電圧Ｅ１２を０Ｖに近づけるために、つまり前記関係式を成り立たせるために、磁気抵抗素子３１〜３４の各々において、電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の各々が互いに等しくなるような所要のパターンが予め設定されている。しかしながら、磁気抵抗素子３１〜３４の個々が有する電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４のバラツキは、成膜精度やパターンのエッチング精度に起因しているが、それらの精度の向上だけでは前記関係式を成り立たせることは困難である。

そこで、磁気センサ１を製造するのに際して、磁気抵抗素子３１〜３４の一部を切断することで電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４を微調整するトリミングの手法が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開平０５−０３４２２４号公報（段落番号００１９〜００２３、図４、図５）

ところが、前記関係式を成り立たせる目的でトリミングを施しても、磁気抵抗素子３１〜３４の各々において、電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の各々が、トリミング直後のものから互いに異なる度合で経時変化する。このため、ホイートストーンブリッジの平衡が時間の経過に伴って維持されなくなって、オフセット電圧Ｅ１２がレーザトリミング直後の０Ｖから、やがて磁気センサ１の性能を決定する上で無視できない程のレベルにまで達する。

そこで、トリミングに先立って、磁気抵抗素子３１〜３４の各々に対してレーザを照射して熱を付与することで同磁気抵抗素子３１〜３４の各々を物理的に安定化させることが考えられる。しかしながら、このようにトリミングとは別の工程（熱処理工程）でレーザーを用いる手法を採用した場合、レーザを照射するための装置が必要となる。その結果、磁気センサ１の製造コストが高騰する。

本発明は、このような問題点に着目してなされたものであって、その目的は、低コストでありながら、オフセット電圧の経時変化を抑制することが可能なセンサ装置を提供することにある。

上記の目的を達成するために、請求項１に記載の発明では、物理変化に応じて複数のセンサエレメントの各々の電気抵抗値が変化することに基づいて物理変化を検出するセンサ装置において、センサエレメントを覆う保護膜の少なくとも一部がエッチングにより除去されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載のセンサ装置において、センサエレメントが露出されない態様で保護膜が除去されていることを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項２に記載のセンサ装置において、センサエレメントの周囲に沿って保護膜が除去されていることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のセンサ装置において、センサエレメントに重なる部分を除いて保護膜が全て除去されていることを特徴とする。

請求項５に記載の発明では、物理変化に応じて複数のセンサエレメントの各々の電気抵抗値が変化することに基づいて物理変化を検出するセンサ装置において、センサエレメントを覆う複数層の保護膜の少なくとも１層の少なくとも一部がエッチングにより除去されていることを特徴とする。

請求項６に記載の発明では、基板と、絶縁膜を介して基板上に設けられたセンサエレメントと、センサエレメントを覆う保護膜とを備え、物理変化に応じて複数のセンサエレメントの各々の電気抵抗値が変化することに基づいて物理変化を検出するセンサ装置において、保護膜の少なくとも一部がエッチングにより除去されて同保護膜に絶縁膜に達する開口部が設けられていることを特徴とする。

請求項７に記載の発明では、基板と、絶縁膜を介して基板上に設けられたセンサエレメントと、センサエレメントを覆う保護膜とを備え、物理変化に応じて複数のセンサエレメントの各々の電気抵抗値が変化することに基づいて物理変化を検出するセンサ装置において、保護膜の少なくとも一部がエッチングにより除去されて同保護膜に肉薄部が設けられていることを特徴とする。

以下、本発明の「作用」について説明する。
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の発明によると、センサエレメントを覆う保護膜の少なくとも一部がエッチングにより除去されている。このため、センサエレメントが保護膜から受ける応力の度合が緩和される。そして、これにより、該応力に起因する電気抵抗値の経時変化が抑制される。言い換えると、オフセット電圧の経時変化が抑制される。ここに、保護膜の少なくとも一部を除去するのに際して、レーザを照射する装置を必要としないエッチングが採用されている。このため、製造コストが低廉なものとなる。従って、低コストでありながら、オフセット電圧の経時変化を抑制することができる。

請求項２に記載の発明によると、センサエレメントが露出されない態様で保護膜が除去されている。つまり、センサエレメントは、保護膜により保護された状態で維持されている。ここに、センサエレメントが保護膜により保護されていない場合、同センサエレメントに対する外乱により電気抵抗値が経時変化することが考えられるが、請求項２に記載の発明によると、このようなことはない。従って、センサ装置としての機能を大いに発揮させることができる。

請求項３に記載の発明によると、センサエレメントの周囲に沿って保護膜が除去されている。このため、センサエレメントが保護膜から受ける応力の度合が好適に緩和される。従って、該応力に起因する電気抵抗値の経時変化を好適に抑制することができる。

請求項４に記載の発明によると、センサエレメントに重なる部分を除いて保護膜が全て除去されている。このため、センサエレメントが保護膜から受ける応力の度合が確実に緩和される。従って、該応力に起因する電気抵抗値の経時変化を確実に抑制することができる。

請求項５に記載の発明によると、センサエレメントを覆う複数層の保護膜の少なくとも１層の少なくとも一部がエッチングにより除去されている。このため、センサエレメントが保護膜から受ける応力の度合が緩和される。従って、該応力に起因する電気抵抗値の経時変化を抑制することができる。

請求項６に記載の発明によると、保護膜の少なくとも一部がエッチングにより除去されて同保護膜に絶縁膜に達する開口部が設けられている。つまり、絶縁膜に達する深さでエッチングが行われている。このため、センサエレメントが保護膜から受ける応力の度合が確実に緩和される。従って、該応力に起因する電気抵抗値の経時変化を確実に抑制することができる。

請求項７に記載の発明によると、保護膜の少なくとも一部がエッチングにより除去されて同保護膜に肉薄部が設けられている。つまり、絶縁膜に達しない深さでエッチングが行われている。このため、センサエレメントが保護膜から受ける応力の度合が好適に緩和される。従って、該応力に起因する電気抵抗値の経時変化を好適に抑制することができる。

本発明は、以上のように構成されているため、次のような効果を奏する。
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の発明によれば、低コストでありながら、オフセット電圧の経時変化を抑制することができる。

以下、本発明を自動車のステアリングアングルセンサとして用いられる磁気センサに具体化した一実施形態を説明する。
図１及び図２に示すように、磁気センサ１は、基板１０を備えている。基板１０は、半導体（本実施形態ではシリコン）により構成されている。基板１０の上面には、絶縁膜２０が設けられている。絶縁膜２０は、基板１０の上面の略全体を覆うように設けられている。絶縁膜２０は、酸化膜（本実施形態では二酸化珪素）により構成されている。絶縁膜２０の上面には、磁気抵抗素子３１〜３４が設けられている。磁気抵抗素子３１〜３４の各々は、薄膜により所要のパターンに形成されている。磁気抵抗素子３１〜３４の各々は、ニッケルコバルトにより構成されている。ニッケルコバルトは、負の磁気特性を有する強磁性体である。

絶縁膜２０の上面には、層間絶縁膜４０が設けられている。層間絶縁膜４０は、絶縁膜２０の上面の略全体を覆うように設けられている。層間絶縁膜４０は、磁気抵抗素子３１〜３４の全体を覆うように設けられている。層間絶縁膜４０は、窒化膜（本実施形態では窒化珪素）により構成されている。層間絶縁膜４０の上面には、金属パッド５０が設けられている。金属パッド５０の下面は、磁気抵抗素子３１〜３４の各々の始端及び終端に対して電気的に接続されている。金属パッド５０の上面の一部は、露出されている。金属パッド５０は、アルミニウムにより構成されている。

層間絶縁膜４０の上面には、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、層間絶縁膜４０の上面の略全体を覆うように設けられている。パッシベーション膜６０は、金属パッド５０の略全体を覆うように設けられている。パッシベーション膜６０は、窒化膜（本実施形態では窒化珪素）により構成されている。

次に、磁気センサ１を構成する基板１０、絶縁膜２０、磁気抵抗素子３１〜３４、層間絶縁膜４０、金属パッド５０、パッシベーション膜６０が果たす役目について説明する。
基板１０は、磁気抵抗素子３１〜３４の各々を設けるための土台としての役目を果たす。絶縁膜２０は、基板１０と磁気抵抗素子３１〜３４の各々との間に必要な絶縁レベルを確保するための絶縁層としての役目を果たす。言い換えると、絶縁膜２０は、基板１０上に磁気抵抗素子３１〜３４の各々を設ける際の下地としての役目を果たす。磁気抵抗素子３１〜３４は、磁気センサ１により磁気の変化を検出するべく、磁気の変化に応じて電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が変化するセンサエレメントとしての役目を果たす。層間絶縁膜４０は、磁気抵抗素子３１〜３４の各々を外乱から保護するための保護膜としての役目を果たす。金属パッド５０は、図３に示す態様で磁気抵抗素子３１〜３４間をワイヤーボンディングにより電気的に接続するための媒体としての役目を果たす。パッシベーション膜６０は、磁気抵抗素子３１〜３４の各々を外乱から保護するための保護膜としての役目を果たす。

次に、本実施形態の磁気センサ１の特徴的な構成について説明する。
さて、磁気抵抗素子３１〜３４の各々を覆う保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）には、開口部６１が設けられている。開口部６１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る。開口部６１は、絶縁膜２０に達している。開口部６１は、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が露出されない態様で設けられている。つまり、磁気抵抗素子３１〜３４の各々は、上面全体が保護膜により覆われている。そして、磁気抵抗素子３１〜３４の各々の周囲に沿って開口部６１が設けられている。詳述すると、磁気抵抗素子３１〜３４の各々の外形形状を四角形（長方形）として扱ったとき、長方形を構成する四辺に沿って４つの開口部６１が互いに独立して設けられている。

以上、詳述したように本実施形態によれば、次のような作用、効果を得ることができる。
（１）磁気抵抗素子３１〜３４の各々を覆う保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）の一部がエッチングにより除去されている。このため、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）から受ける応力の度合が緩和される。そして、これにより、該応力に起因する電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の経時変化が抑制される。言い換えると、オフセット電圧Ｅ１２の経時変化が抑制される。ここに、保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）の一部を除去するのに際して、レーザを照射する装置を必要としないエッチングが採用されている。このため、製造コストが低廉なものとなる。従って、低コストでありながら、オフセット電圧Ｅ１２の経時変化を抑制することができる。

（２）磁気抵抗素子３１〜３４の各々が露出されない態様で保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）が除去されている。つまり、磁気抵抗素子３１〜３４の各々は、保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）により保護された状態で維持されている。ここに、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）により保護されていない場合、同磁気抵抗素子３１〜３４の各々に対する外乱により電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４が経時変化することが考えられるが、本実施形態の構成によると、このようなことはない。従って、磁気センサ１としての機能を大いに発揮させることができる。

（３）磁気抵抗素子３１〜３４の各々の周囲に沿って保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）が除去されている。このため、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）から受ける応力の度合が好適に緩和される。従って、該応力に起因する電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の経時変化を好適に抑制することができる。

（４）保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）の一部がエッチングにより除去されて同保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）に絶縁膜２０に達する開口部６１が設けられている。つまり、絶縁膜２０に達する深さでエッチングが行われている。このため、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）から受ける応力の度合が確実に緩和される。従って、該応力に起因する電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の経時変化を確実に抑制することができる。

尚、前記実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・図４に示すように、磁気抵抗素子３１〜３４の各々の外形形状を四角形（長方形）として扱ったとき、長方形を構成する四辺に沿って２つの平面視Ｌ字状の開口部６１が互いに独立して設けられている構成を採用してもよい。

・図５に示すように、磁気抵抗素子３１〜３４の各々の外形形状を四角形（長方形）として扱ったとき、長方形を構成する四辺のうちの二辺（例えば、２つの長辺）に沿って２つの開口部６１が互いに独立して設けられている構成を採用してもよい。

・図６に示すように、磁気抵抗素子３１〜３４の各々の外形形状を四角形（長方形）として扱ったとき、長方形を構成する四辺に沿って４つの短い開口部６１が互いに独立して設けられている構成を採用してもよい。

・開口部６１の形状を任意の形状に変更してもよい。
・開口部６１がバランス良く配置されている構成が好ましい。
・図７及び図８に示すように、磁気抵抗素子３１〜３４に重なる部分を除いて保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）がエッチングにより全て除去されている構成を採用してもよい。このように構成すると、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）から受ける応力の度合が確実に緩和される。従って、該応力に起因する電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の経時変化を確実に抑制することができる。

・図９に示すように、層間絶縁膜４０についてはエッチングが施されておらず、パッシベーション膜６０については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。或いは、３層以上の保護膜により磁気抵抗素子３１〜３４の各々が覆われている構成において、少なくとも１層の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。

・図１０に示すように、保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）の一部がエッチングにより除去されて同保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）に肉薄部６２が設けられている構成を採用してもよい。つまり、絶縁膜２０に達しない深さでエッチングが行われている構成を採用してもよい。このように構成すると、磁気抵抗素子３１〜３４が保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）から受ける応力の度合が好適に緩和される。従って、該応力に起因する電気抵抗値Ｒ１〜Ｒ４の経時変化を好適に抑制することができる。

・磁気抵抗素子３１〜３４の各々を構成する材料は、ニッケルコバルトに限定されない。即ち、磁気抵抗素子３１〜３４の各々を構成する材料として、パーマロイ等の負の磁気特性を有する強磁性体を採用してもよい。

・磁気抵抗素子３１〜３４の各々を構成する材料は、負の磁気特性を有する強磁性体に限定されない。即ち、磁気抵抗素子３１〜３４の各々を構成する材料として、正の磁気特性を有する半導体を採用してもよい。このように正の磁気特性を有する半導体としては、インジウムアンチモン、ガリウムヒ素等が挙げられる。

・絶縁膜２０を窒化膜（例えば、窒化珪素）により構成してもよい。
・層間絶縁膜４０を酸化膜（例えば、二酸化珪素）により構成してもよい。
・パッシベーション膜６０を酸化膜（例えば、二酸化珪素）により構成してもよい。

・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する一方でパッシベーション膜６０を酸化膜により構成してもよい。

・磁気センサ以外のセンサ装置に具体化してもよい。例えば、磁気以外に、光、熱、圧力等の変化（物理変化）を検出するセンサ装置に具体化してもよい。

本実施形態の磁気センサの平面図。本実施形態の磁気センサの要部断面図。磁気センサの電気回路図。他の実施形態の磁気センサの要部平面図。他の実施形態の磁気センサの要部平面図。他の実施形態の磁気センサの要部平面図。他の実施形態の磁気センサの平面図。他の実施形態の磁気センサの要部断面図。他の実施形態の磁気センサの要部断面図。他の実施形態の磁気センサの要部断面図。

符号の説明

１…磁気センサ（センサ装置）、１０…基板、２０…絶縁膜、３１〜３４…磁気抵抗素子（センサエレメント）、４０…層間絶縁膜（保護膜）、６０…パッシベーション膜（保護膜）、６１…開口部、６２…肉薄部、Ｒ１〜Ｒ４…電気抵抗値。

Claims

物理変化に応じて複数のセンサエレメントの各々の電気抵抗値が変化することに基づいて物理変化を検出するセンサ装置において、
センサエレメントを覆う保護膜の少なくとも一部がエッチングにより除去されていることを特徴とするセンサ装置。
請求項１に記載のセンサ装置において、
センサエレメントが露出されない態様で保護膜が除去されていることを特徴とするセンサ装置。
請求項２に記載のセンサ装置において、
センサエレメントの周囲に沿って保護膜が除去されていることを特徴とするセンサ装置。
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のセンサ装置において、
センサエレメントに重なる部分を除いて保護膜が全て除去されていることを特徴とするセンサ装置。
物理変化に応じて複数のセンサエレメントの各々の電気抵抗値が変化することに基づいて物理変化を検出するセンサ装置において、
センサエレメントを覆う複数層の保護膜の少なくとも１層の少なくとも一部がエッチングにより除去されていることを特徴とするセンサ装置。
基板と、絶縁膜を介して基板上に設けられたセンサエレメントと、センサエレメントを覆う保護膜とを備え、物理変化に応じて複数のセンサエレメントの各々の電気抵抗値が変化することに基づいて物理変化を検出するセンサ装置において、
保護膜の少なくとも一部がエッチングにより除去されて同保護膜に絶縁膜に達する開口部が設けられていることを特徴とするセンサ装置。
基板と、絶縁膜を介して基板上に設けられたセンサエレメントと、センサエレメントを覆う保護膜とを備え、物理変化に応じて複数のセンサエレメントの各々の電気抵抗値が変化することに基づいて物理変化を検出するセンサ装置において、
保護膜の少なくとも一部がエッチングにより除去されて同保護膜に肉薄部が設けられていることを特徴とするセンサ装置。