JP4574496B2 - センサ装置 - Google Patents

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。

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、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、基板上に下地を介して設けられたセンサエレメントを備え、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信号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、センサエレメントの外形を四角形として扱ったときセンサエレメントの周囲に沿って又はセンサエレメントに重なる部分を除いて、下地の一部が除去されて同下地に基板に達する開口部が設けられている、もしくは、センサエレメントの外形を四角形として扱ったときセンサエレメントの周囲に沿って又はセンサエレメントに重なる部分を除いて、下地の一部が除去されて同下地に肉薄部が設けら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、センサエレメントは、物理変化に応じて電気抵抗値が変化するものであ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に記載の発明によると、下地の一部が除去されている。このため、センサエレメントが下地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信号の経時変化が抑制される。従って、オフセット電圧の経時変化を抑制することができる。

尚、下地の一部が除去されて同下地に基板に達する開口部が設けられている場合には、次のような作用が得られる。つまり、この場合、基板に達する深さで下地が除去されている。このため、センサエレメントが下地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信号の経時変化を確実に抑制することができる。

一方、下地の一部が除去されて同下地に肉薄部が設けられている場合には、次のような作用が得られる。つまり、この場合、基板に達しない深さで下地が除去されている。このため、センサエレメントが下地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信号の経時変化を好適に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受ける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。

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又は請求項２に記載の発明によれば、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。そして、基板１０（土台）と絶縁膜２０（下地）とが協働して、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が設けられる基礎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、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の各々の周囲には、開口部６１が形成されている。開口部６１は、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互いに独立して設けられている。つまり、４つの磁気抵抗素子３１〜３４を有する本実施形態の磁気センサ１にあっては、合計１６個の開口部６１が互いに独立して設けられている。

これら開口部６１の各々は、基礎（基板１０、絶縁膜２０）の一部及び保護膜（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形成されたものである。本実施形態において各開口部６１の各々は、パッシベーション膜６０の上面から基板１０の上面に達する深さで設けられている。

尚、各開口部６１の各々は、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。

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の各々が設けられる基礎（基板１０、絶縁膜２０）の一部が除去されている。このため、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が基礎（基板１０、絶縁膜２０）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。従って、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の各々の周囲に沿って基礎（基板１０、絶縁膜２０）が除去されている。このため、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が基礎（基板１０、絶縁膜２０）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。

（３）基礎（基板１０、絶縁膜２０）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。

（４）下地（絶縁膜２０）の一部が除去されている。このため、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が下地（絶縁膜２０）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。従って、オフセット電圧Ｅ１２の経時変化を抑制することができる。

（５）下地（絶縁膜２０）の一部が除去されて同下地（絶縁膜２０）に基板１０に達する開口部６１が設けられている。つまり、基板１０に達する深さで下地（絶縁膜２０）が除去されている。このため、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が下地（絶縁膜２０）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。

（６）絶縁膜２０には成膜時の残留応力が存在するが、絶縁膜２０の一部を除去することによって、残留応力が磁気抵抗素子３１〜３４の各々に影響を及ぼす度合を緩和することができる。

（７）保護膜（層間絶縁膜４０、パッシベーション膜６０）の一部が除去されている。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。従って、オフセット電圧Ｅ１２の経時変化を抑制することができる。

（８）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。

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。この場合、合計８個の開口部６１が互いに独立して設けられる。

・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。この場合、合計８個の開口部６１が互いに独立して設けられる。

・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。この場合、合計１６個の開口部６１が互いに独立して設けられる。

・開口部６１の形状を任意の形状に変更してもよい。
・磁気抵抗素子３１〜３４の各々に対して開口部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や金属パッド５０に重なる部分を除いて下地（絶縁膜２０）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の各々が下地（絶縁膜２０）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、下地（絶縁膜２０）の一部がエッチングにより除去されて同下地（絶縁膜２０）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、基板１０に達しない深さで下地（絶縁膜２０）が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の各々が下地（絶縁膜２０）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。

・２層の下地を有する構成において、１層目（例えば、下層）についてはエッチングが施されておらず、２層目（例えば、上層）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層以上の下地を有する構成において、少なくとも１つの層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、基板１０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。このように構成すると、磁気抵抗素子３１〜３４の各々が基板１０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。従って、オフセット電圧Ｅ１２の経時変化を抑制することができる。

・基板１０についてはエッチングが施されておらず、絶縁膜２０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。
・絶縁膜２０についてはエッチングが施されておらず、基板１０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。

・基板１０の下面から上面側に向かってエッチングを施す構成を採用してもよい。
・基板１０の上面から下面側に向かってエッチングを施す構成を採用してもよい。
・下地（基板１０、絶縁膜２０）の一部に貫通孔を設ける構成を採用してもよい。

・コスト的なことを考えると、エッチングにより基礎（基板１０、絶縁膜２０）の一部を除去する構成が好ましいが、基礎（基板１０、絶縁膜２０）の一部にレーザを照射することで基礎（基板１０、絶縁膜２０）の一部を除去する構成を採用してもよい。

・磁気抵抗素子３１〜３４の各々を構成する材料は、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、静電容量、電圧等の変化（物理変化）に応じて電気信号が変化するセンサエレメントを有するセンサ装置に具体化してもよい。

・センサエレメントは、物理変化に応じて電気抵抗値が変化するものに限定されない。つまり、センサエレメントは、物理変化に応じて電流や電圧等の電気信号が変化するものであってもよい。

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（基礎）、２０…絶縁膜（基礎、下地）、３１〜３４…磁気抵抗素子（センサエレメント）、６１…開口部、６２…肉薄部、Ｒ１〜Ｒ４…電気抵抗値。

Claims (2)

1. 基板上に下地を介して設けられたセンサエレメントを備え、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信号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、
   センサエレメントの外形を四角形として扱ったときセンサエレメントの周囲に沿って又はセンサエレメントに重なる部分を除いて、下地の一部が除去されて同下地に基板に達する開口部が設けられている、もしくは、センサエレメントの外形を四角形として扱ったときセンサエレメントの周囲に沿って又はセンサエレメントに重なる部分を除いて、下地の一部が除去されて同下地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。
2. 請求項１に記載のセンサ装置において、
   センサエレメントは、物理変化に応じて電気抵抗値が変化するものであることを特徴とするセンサ装置。

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