JP2003294545A - 力検出装置 - Google Patents
力検出装置Info
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- JP2003294545A JP2003294545A JP2003039013A JP2003039013A JP2003294545A JP 2003294545 A JP2003294545 A JP 2003294545A JP 2003039013 A JP2003039013 A JP 2003039013A JP 2003039013 A JP2003039013 A JP 2003039013A JP 2003294545 A JP2003294545 A JP 2003294545A
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- H03H—IMPEDANCE NETWORKS, e.g. RESONANT CIRCUITS; RESONATORS
- H03H9/00—Networks comprising electromechanical or electro-acoustic devices; Electromechanical resonators
- H03H9/46—Filters
- H03H9/462—Microelectro-mechanical filters
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- H—ELECTRICITY
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- H03H9/02—Details
- H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
- H03H9/02259—Driving or detection means
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- H—ELECTRICITY
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- H03H9/02244—Details of microelectro-mechanical resonators
- H03H2009/02488—Vibration modes
- H03H2009/02511—Vertical, i.e. perpendicular to the substrate plane
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 振動力検知用又はフィルタとしての改良され
た、あるいは少なくとも代替の力検出装置を提供する。 【解決手段】 本発明は、電磁材料と、加えられる力に
応答して電磁材料に対し相対的に動くことが可能な磁性
素子とを有する力検出装置を提案する。電磁材料は、動
きの方向に対し平行な磁化方向を持つ磁性素子の磁界に
曝される。
た、あるいは少なくとも代替の力検出装置を提供する。 【解決手段】 本発明は、電磁材料と、加えられる力に
応答して電磁材料に対し相対的に動くことが可能な磁性
素子とを有する力検出装置を提案する。電磁材料は、動
きの方向に対し平行な磁化方向を持つ磁性素子の磁界に
曝される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、力検出装置に関す
る。特に、本発明は、それに限定はされないが、振動力
を検出する、あるいはフィルタとして応用可能な力検出
装置に関する。
る。特に、本発明は、それに限定はされないが、振動力
を検出する、あるいはフィルタとして応用可能な力検出
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の力検出装置は、一般的に、検出さ
れた機械的振動、例えば音響振動を電気信号に変換する
容量形の微小電気機械システム（Micro-Electro Mechan
ical Systems：以下、ＭＥＭＳという。）の構成を採用
している。これらの構成では、機械振動により生ずる２
枚の板の間の容量変化を検出する。
れた機械的振動、例えば音響振動を電気信号に変換する
容量形の微小電気機械システム（Micro-Electro Mechan
ical Systems：以下、ＭＥＭＳという。）の構成を採用
している。これらの構成では、機械振動により生ずる２
枚の板の間の容量変化を検出する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな容量形の検出装置は、高いＤＣバイアス電圧を必要
とする静電気検出に基づいている。また、検出装置の感
度が容量変化のみに依存するので、高感度の検出装置の
設計、製造が困難である。
うな容量形の検出装置は、高いＤＣバイアス電圧を必要
とする静電気検出に基づいている。また、検出装置の感
度が容量変化のみに依存するので、高感度の検出装置の
設計、製造が困難である。
【０００４】本発明の目的は、改良された、あるいは少
なくとも代替の振動力を検知する又はフィルタとして応
用可能な力検出装置を提供することである。
なくとも代替の振動力を検知する又はフィルタとして応
用可能な力検出装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】概括的には、本発明は電
磁材料と、印加される力に応じて電磁材料に対して相対
的に動くことができる磁性素子とを有する力検出装置を
提案する。電磁材料は、その動きの方向に対し平行な磁
化方向を持つ前記磁性素子の磁界に曝される。
磁材料と、印加される力に応じて電磁材料に対して相対
的に動くことができる磁性素子とを有する力検出装置を
提案する。電磁材料は、その動きの方向に対し平行な磁
化方向を持つ前記磁性素子の磁界に曝される。
【０００６】具体的には、本発明の提案する第１の態様
においては、加えられる力に応じてそれぞれ他方に対し
て相対的に動くことのできる磁化素子と電磁材料とを備
え、磁化素子は前記相対的な動きの方向に対し平行な磁
化方向を有する力検出装置において、電磁材料は磁化素
子の磁界の影響を受けやすいように配置され、かつ加え
られた力を示す電磁材料の電気的特性が相対的な動きに
依存して変化するように構成されることを特徴とする力
検出装置である。
においては、加えられる力に応じてそれぞれ他方に対し
て相対的に動くことのできる磁化素子と電磁材料とを備
え、磁化素子は前記相対的な動きの方向に対し平行な磁
化方向を有する力検出装置において、電磁材料は磁化素
子の磁界の影響を受けやすいように配置され、かつ加え
られた力を示す電磁材料の電気的特性が相対的な動きに
依存して変化するように構成されることを特徴とする力
検出装置である。
【０００７】本願文中における「電磁材料」とはその材
料が曝される磁界の変化に応じて電気的特性が変化する
あらゆる材料を含む。
料が曝される磁界の変化に応じて電気的特性が変化する
あらゆる材料を含む。
【０００８】好ましくは、その電磁材料は例えば異方性
磁気抵抗材料、巨大磁気抵抗（Giant Magneto Resistiv
e：以下、ＧＭＲという。）材料又はトンネル磁気抵抗
（Tunnel Magneto Resistive：以下、ＴＭＲという。）
材料等の磁気抵抗材料からなる。あるいは、その電磁材
料はホール効果材料、誘導型センサ又は磁気インピーダ
ンスセンサ等で構成されてもよい。
磁気抵抗材料、巨大磁気抵抗（Giant Magneto Resistiv
e：以下、ＧＭＲという。）材料又はトンネル磁気抵抗
（Tunnel Magneto Resistive：以下、ＴＭＲという。）
材料等の磁気抵抗材料からなる。あるいは、その電磁材
料はホール効果材料、誘導型センサ又は磁気インピーダ
ンスセンサ等で構成されてもよい。
【０００９】力検出装置は、微小電気機械システム（Mi
cro-Electro Mechanical System）であって、シリコン
ウエハなどの適当な基板から形成された単一チップ又は
ダイ上に形成されることが好ましい。この場合、磁化部
材は基板上の一部に形成された永久磁性膜からなり、か
つ電磁材料は基板上に形成された例えば磁気抵抗合金膜
等の薄膜状であることが好ましい。一般的に、永久磁性
膜はコバルト合金又は鉄合金である。適切な合金の例と
してはＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴ
ａ及びγ−Ｆｅ２Ｏ３が挙げられる。
cro-Electro Mechanical System）であって、シリコン
ウエハなどの適当な基板から形成された単一チップ又は
ダイ上に形成されることが好ましい。この場合、磁化部
材は基板上の一部に形成された永久磁性膜からなり、か
つ電磁材料は基板上に形成された例えば磁気抵抗合金膜
等の薄膜状であることが好ましい。一般的に、永久磁性
膜はコバルト合金又は鉄合金である。適切な合金の例と
してはＣｏＣｒ、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、ＣｏＣｒＴ
ａ及びγ−Ｆｅ２Ｏ３が挙げられる。
【００１０】一般的に、力検出装置はマイクロホン又は
フィルタ等として振動力を検出するためのものである。
しかしながら、加速度又は空気圧変化等の非振動力を検
知するために使用してもよい。
フィルタ等として振動力を検出するためのものである。
しかしながら、加速度又は空気圧変化等の非振動力を検
知するために使用してもよい。
【００１１】本発明が提案する第２の態様の力検出装置
は基板上に設けられた磁化部材と、磁化部材から発生さ
れる磁界に曝されるように基板上に設けられた電磁材料
と、加えられる力に応じて動くように設けられた可動部
材とからなり、可動部材の動きが電磁材料が受ける磁界
に変化を生じさせ、可動部材の動きによる電磁材料が受
ける磁界の変化に応じて電磁材料の電気特性が変化する
装置であって、磁化部材は、磁化方向が動き方向に平行
になるように膜表面に垂直に磁化される硬磁性薄膜から
なることを特徴とする装置である。
は基板上に設けられた磁化部材と、磁化部材から発生さ
れる磁界に曝されるように基板上に設けられた電磁材料
と、加えられる力に応じて動くように設けられた可動部
材とからなり、可動部材の動きが電磁材料が受ける磁界
に変化を生じさせ、可動部材の動きによる電磁材料が受
ける磁界の変化に応じて電磁材料の電気特性が変化する
装置であって、磁化部材は、磁化方向が動き方向に平行
になるように膜表面に垂直に磁化される硬磁性薄膜から
なることを特徴とする装置である。
【００１２】電磁材料の磁化容易軸は磁化部材から発生
される磁界の方向に垂直であることが好ましい。
される磁界の方向に垂直であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】図１及び図２は、機械振動に対応
した磁界の変化を検出する力検出装置の構造を模式的に
示す平面図及び側面図である。機械振動を検出する本発
明を適用した力検出装置は、容量形ＭＥＭＳ装置を使用
した従来の力検出装置よりも機械振動を検出する感度が
高いことが判った。
した磁界の変化を検出する力検出装置の構造を模式的に
示す平面図及び側面図である。機械振動を検出する本発
明を適用した力検出装置は、容量形ＭＥＭＳ装置を使用
した従来の力検出装置よりも機械振動を検出する感度が
高いことが判った。
【００１４】力検出装置１は、カンチレバー部材３を支
持する支持部２を備える。支持部２は、ベース４上に搭
載されており、このベース４上には、センサ支持部５も
設けられている。カンチレバー部材３の表面には、硬
（或いは永久）磁性膜６が形成されている。センサ支持
部５の上面には磁気抵抗（Magneto Resistive：以下、
ＭＲという。）薄膜７と、硬磁性薄６に離間して隣接さ
れ、ＭＲ薄膜７に接続された接続用の２つの電極１２と
が形成されている。ＭＲ薄膜７の代わりに、他の電磁材
料、例えばホール素子又はＭＩ（磁気インダクタンス）
素子等を用いることもできる。
持する支持部２を備える。支持部２は、ベース４上に搭
載されており、このベース４上には、センサ支持部５も
設けられている。カンチレバー部材３の表面には、硬
（或いは永久）磁性膜６が形成されている。センサ支持
部５の上面には磁気抵抗（Magneto Resistive：以下、
ＭＲという。）薄膜７と、硬磁性薄６に離間して隣接さ
れ、ＭＲ薄膜７に接続された接続用の２つの電極１２と
が形成されている。ＭＲ薄膜７の代わりに、他の電磁材
料、例えばホール素子又はＭＩ（磁気インダクタンス）
素子等を用いることもできる。
【００１５】カンチレバー部材３が矢印８のいずれかの
方向に動くと、ＭＲ薄膜７が受ける磁界が変化すること
により、ＭＲ薄膜７の抵抗に変化が生ずる。この抵抗の
変化は、電極１２を介してＭＲ薄膜７に注入されるバイ
アス電流９の変化により検出することができる。抵抗の
変化（すなわち、ＭＲ薄膜７の電極１２間の測定電圧）
は、カンチレバー部材３の動きに対応しており、したが
って、力検出装置１は、カンチレバー部材３の機械的動
作に対して電気出力を発生させる。
方向に動くと、ＭＲ薄膜７が受ける磁界が変化すること
により、ＭＲ薄膜７の抵抗に変化が生ずる。この抵抗の
変化は、電極１２を介してＭＲ薄膜７に注入されるバイ
アス電流９の変化により検出することができる。抵抗の
変化（すなわち、ＭＲ薄膜７の電極１２間の測定電圧）
は、カンチレバー部材３の動きに対応しており、したが
って、力検出装置１は、カンチレバー部材３の機械的動
作に対して電気出力を発生させる。
【００１６】感度を向上させた力検出装置の構造を図４
に示す。図４（ａ）に示すように、力検出装置２０１で
は、硬磁性膜２０６がカンチレバー部材３に貼り付けら
れ、薄膜の磁化方向は、当該硬磁性膜２０６の長手方向
に対して垂直、すなわち振動（矢印８）の方向に平行と
されている。図３（ａ）に示す磁化方向が長手方向の硬
磁性膜６を使用した力検出装置１と、図４（ａ）に示す
磁化方向が垂直の硬磁性膜２０６を使用した力検出装置
２０１との感度比較を、図３（ｂ）、図４（ｂ）にそれ
ぞれ示す。
に示す。図４（ａ）に示すように、力検出装置２０１で
は、硬磁性膜２０６がカンチレバー部材３に貼り付けら
れ、薄膜の磁化方向は、当該硬磁性膜２０６の長手方向
に対して垂直、すなわち振動（矢印８）の方向に平行と
されている。図３（ａ）に示す磁化方向が長手方向の硬
磁性膜６を使用した力検出装置１と、図４（ａ）に示す
磁化方向が垂直の硬磁性膜２０６を使用した力検出装置
２０１との感度比較を、図３（ｂ）、図４（ｂ）にそれ
ぞれ示す。
【００１７】図３（ａ）の力検出装置１において、硬磁
性膜６は長手方向の磁化を有し、すなわち、その磁界Ｍ
は図３（ａ）に示すように硬磁性膜６の長手方向に整列
されている。振動方向は、硬磁性膜６の長手方向、すな
わち磁界Ｍの方向に対して横断的すなわち垂直である。
硬磁性膜６がＭＲ薄膜（センサ）７に対し垂直に動く
と、ＭＲ薄膜（センサ）７の抵抗はこの動きに対応して
変化する。センサ抵抗の変化、すなわち硬磁性膜６の動
きは、ＭＲ薄膜（センサ）７にバイアス電流９を流して
ＭＲ薄膜（センサ）７間（両端）の電圧を測定すること
によって検出することができる。ＭＲ薄膜（センサ）７
間の測定電圧の変化は、図３（ｂ）に示すように、硬磁
性膜６がその中心位置（ｙ＝０）から移動した距離に依
存する。磁性薄膜の厚さ（ｔｍ）が２００ｎｍの場合に
おける結果を見ると、出力電圧がゼロ変位（ｙ＝０）と
きの約５０ｍＶから、硬磁性膜６がゼロ変位線（ｙ＝
０）のいずれの側へ２μｍ変位（ｙ＝２μｍ又はｙ＝−
２μｍ）したときの最小値０Ｖまで変化するのが判る。
したがって、この力検出装置１における出力電圧の最大
変化は５０ｍＶである。
性膜６は長手方向の磁化を有し、すなわち、その磁界Ｍ
は図３（ａ）に示すように硬磁性膜６の長手方向に整列
されている。振動方向は、硬磁性膜６の長手方向、すな
わち磁界Ｍの方向に対して横断的すなわち垂直である。
硬磁性膜６がＭＲ薄膜（センサ）７に対し垂直に動く
と、ＭＲ薄膜（センサ）７の抵抗はこの動きに対応して
変化する。センサ抵抗の変化、すなわち硬磁性膜６の動
きは、ＭＲ薄膜（センサ）７にバイアス電流９を流して
ＭＲ薄膜（センサ）７間（両端）の電圧を測定すること
によって検出することができる。ＭＲ薄膜（センサ）７
間の測定電圧の変化は、図３（ｂ）に示すように、硬磁
性膜６がその中心位置（ｙ＝０）から移動した距離に依
存する。磁性薄膜の厚さ（ｔｍ）が２００ｎｍの場合に
おける結果を見ると、出力電圧がゼロ変位（ｙ＝０）と
きの約５０ｍＶから、硬磁性膜６がゼロ変位線（ｙ＝
０）のいずれの側へ２μｍ変位（ｙ＝２μｍ又はｙ＝−
２μｍ）したときの最小値０Ｖまで変化するのが判る。
したがって、この力検出装置１における出力電圧の最大
変化は５０ｍＶである。
【００１８】図４（ａ）に示す力検出装置２０１は、硬
磁性膜２０６が垂直磁化を有すること、すなわちその磁
界Ｍが硬磁性膜２０６の長手方向に対して垂直方向であ
ること以外は、図３に示す力検出装置１と同様の構造を
有する。振動方向は、硬磁性膜２０６の長手方向に対し
て横断的すなわち垂直であり、すなわち硬磁性膜２０６
の磁化方向に平行である。硬磁性膜２０６がＭＲ薄膜
（センサ）２０７に対し垂直に動くと、ＭＲ薄膜（セン
サ）２０７の抵抗は、この動きに対応して変化する。セ
ンサ抵抗の変化、すなわち硬磁性膜２０６の動きは、図
３（ａ）の力検出装置１と同様にして検出される。すな
わち、ＭＲ薄膜（センサ）２０７に電流を流してＭＲ薄
膜（センサ）２０７間の電圧を測定することにより検出
される。
磁性膜２０６が垂直磁化を有すること、すなわちその磁
界Ｍが硬磁性膜２０６の長手方向に対して垂直方向であ
ること以外は、図３に示す力検出装置１と同様の構造を
有する。振動方向は、硬磁性膜２０６の長手方向に対し
て横断的すなわち垂直であり、すなわち硬磁性膜２０６
の磁化方向に平行である。硬磁性膜２０６がＭＲ薄膜
（センサ）２０７に対し垂直に動くと、ＭＲ薄膜（セン
サ）２０７の抵抗は、この動きに対応して変化する。セ
ンサ抵抗の変化、すなわち硬磁性膜２０６の動きは、図
３（ａ）の力検出装置１と同様にして検出される。すな
わち、ＭＲ薄膜（センサ）２０７に電流を流してＭＲ薄
膜（センサ）２０７間の電圧を測定することにより検出
される。
【００１９】ＭＲ薄膜（センサ）２０７の両端で測定さ
れる電圧の変化は、硬磁性膜２０６がその中心位置（ｙ
＝０）から移動した距離に依存し、図４（ｂ）にそれを
示す。磁性薄膜の厚さ（ｔｍ）が２００ｎｍの場合にお
ける結果を見ると、出力電圧がゼロ変位（ｙ＝０）とき
の略０Ｖから、ゼロ変位線（ｙ＝０）の一方側での硬磁
性膜２０６の０．５μｍ変位（ｙ＝−０．５μｍ）に対
して最大＋４１ｍＶ、及びゼロ変位線（ｙ＝０）の他方
側での硬磁性膜２０６の０．５μｍ変位（ｙ＝０．５μ
ｍ）に対して最大−４１ｍＶまで変化することが判る。
したがって、この力検出装置２０１における出力電圧の
最大変化量は８０ｍＶである。この予想外に大きい出力
電圧範囲は図３（ａ）の力検出装置１と比較して向上さ
れたこの力検出装置２０１の感度に貢献している。
れる電圧の変化は、硬磁性膜２０６がその中心位置（ｙ
＝０）から移動した距離に依存し、図４（ｂ）にそれを
示す。磁性薄膜の厚さ（ｔｍ）が２００ｎｍの場合にお
ける結果を見ると、出力電圧がゼロ変位（ｙ＝０）とき
の略０Ｖから、ゼロ変位線（ｙ＝０）の一方側での硬磁
性膜２０６の０．５μｍ変位（ｙ＝−０．５μｍ）に対
して最大＋４１ｍＶ、及びゼロ変位線（ｙ＝０）の他方
側での硬磁性膜２０６の０．５μｍ変位（ｙ＝０．５μ
ｍ）に対して最大−４１ｍＶまで変化することが判る。
したがって、この力検出装置２０１における出力電圧の
最大変化量は８０ｍＶである。この予想外に大きい出力
電圧範囲は図３（ａ）の力検出装置１と比較して向上さ
れたこの力検出装置２０１の感度に貢献している。
【００２０】また、図４の力検出装置２０１の最大電圧
出力が０．５μｍの変位におけるものであるのに対し
て、図３の力検出装置１においては２μｍの変位が必要
とされる。直接比較してみると、図３の力検出装置１の
０．５μｍ変位での出力電圧変化は僅か２１ｍＶであ
り、すなわち図４の力検出装置２０１のそれの僅か４分
の１である。
出力が０．５μｍの変位におけるものであるのに対し
て、図３の力検出装置１においては２μｍの変位が必要
とされる。直接比較してみると、図３の力検出装置１の
０．５μｍ変位での出力電圧変化は僅か２１ｍＶであ
り、すなわち図４の力検出装置２０１のそれの僅か４分
の１である。
【００２１】更に、図４（ａ）の力検出装置２０１は、
検出される電圧の方向すなわち極性が判定できるので、
図４（ａ）の力検出装置２０１を用いた場合、硬磁性膜
２０６の変位の方向がより容易に識別できる。例えば図
４（ｂ）に示すように、プラス側のｙ変位がマイナス出
力電圧を発生させるのに対し、マイナス側のｙ変位はプ
ラス出力電圧を発生させる。
検出される電圧の方向すなわち極性が判定できるので、
図４（ａ）の力検出装置２０１を用いた場合、硬磁性膜
２０６の変位の方向がより容易に識別できる。例えば図
４（ｂ）に示すように、プラス側のｙ変位がマイナス出
力電圧を発生させるのに対し、マイナス側のｙ変位はプ
ラス出力電圧を発生させる。
【００２２】図３（ａ）の力検出装置１においては、変
位の方向に拘わりなく出力電圧は常にプラス側である。
変位の方向を判定するために、薄膜６は初期オフセット
を有して配置されており、静止状態で既にセンサ７の
「下側」に変位させられている。図３（ｂ）において、
力検出装置１は、静止位置をｙ＝−１μｍに設定して使
用中は図のこの部分付近で動作させてもよいが、そうす
ることにより力検出装置１の感度を下げるという欠点が
生ずることになる。これに反し、図４（ａ）の力検出装
置２０１の垂直磁性膜２０６は、静止状態でセンサ２０
７に隣接して配置でき、０μｍ変位領域近辺での高感度
を最大限に利用することができる。使用中の振動振幅は
一般には僅か数ｎｍであり、図４（ｂ）からわかるよう
に、これはそのグラフの最も急峻な部分、すなわち力検
出装置２０１の最も感度の高い領域に対応する。
位の方向に拘わりなく出力電圧は常にプラス側である。
変位の方向を判定するために、薄膜６は初期オフセット
を有して配置されており、静止状態で既にセンサ７の
「下側」に変位させられている。図３（ｂ）において、
力検出装置１は、静止位置をｙ＝−１μｍに設定して使
用中は図のこの部分付近で動作させてもよいが、そうす
ることにより力検出装置１の感度を下げるという欠点が
生ずることになる。これに反し、図４（ａ）の力検出装
置２０１の垂直磁性膜２０６は、静止状態でセンサ２０
７に隣接して配置でき、０μｍ変位領域近辺での高感度
を最大限に利用することができる。使用中の振動振幅は
一般には僅か数ｎｍであり、図４（ｂ）からわかるよう
に、これはそのグラフの最も急峻な部分、すなわち力検
出装置２０１の最も感度の高い領域に対応する。
【００２３】垂直磁気異方性を有する磁性膜を用いて振
動方向に略平行な磁界線Ｍを発生させることにより、力
検出装置２０１の感度を大きく改善できる。こうするこ
とにより、力検出装置２０１の振動に対する感度を改善
できる、あるいは磁性膜２０６と電磁材料センサ２０７
との間の間隙Ｇを大きくとることができ、加工がし易く
なり、力検出装置２０１が安価に製造できるようにな
る。
動方向に略平行な磁界線Ｍを発生させることにより、力
検出装置２０１の感度を大きく改善できる。こうするこ
とにより、力検出装置２０１の振動に対する感度を改善
できる、あるいは磁性膜２０６と電磁材料センサ２０７
との間の間隙Ｇを大きくとることができ、加工がし易く
なり、力検出装置２０１が安価に製造できるようにな
る。
【００２４】この実施例における使用に適した垂直異方
性を持つ磁気材料２０６には、日本応用磁気学会誌２０
０１年第２５巻、４−２号、５３５〜５３８頁に記載さ
れているＣｏ／Ｐｄ多層膜、及び日本応用磁気学会誌２
００１年第２５巻、４−２号、５３９〜５４２頁に記載
されているＣｏＣｒＴａ等が挙げられる。
性を持つ磁気材料２０６には、日本応用磁気学会誌２０
０１年第２５巻、４−２号、５３５〜５３８頁に記載さ
れているＣｏ／Ｐｄ多層膜、及び日本応用磁気学会誌２
００１年第２５巻、４−２号、５３９〜５４２頁に記載
されているＣｏＣｒＴａ等が挙げられる。
【００２５】Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉは代表的な強磁性体材
料である。長手方向又は垂直方向の磁気特性を得るため
にはこれら強磁性体材料とその他の材料、及び適当なシ
ード層や蒸着の組合せが必要である。例えばＣｒ／Ｃｏ
ＣｒＰｔ（ここでＣｒは下地層）は水平膜となり、Ｔｉ
／ＣｏＣｒＮｂは垂直膜となる。理論的にはこれらは次
の関係に従う。
料である。長手方向又は垂直方向の磁気特性を得るため
にはこれら強磁性体材料とその他の材料、及び適当なシ
ード層や蒸着の組合せが必要である。例えばＣｒ／Ｃｏ
ＣｒＰｔ（ここでＣｒは下地層）は水平膜となり、Ｔｉ
／ＣｏＣｒＮｂは垂直膜となる。理論的にはこれらは次
の関係に従う。
【００２６】
Ｋｕ＞２ｐｉＭｓ２ 垂直磁性膜
Ｋｕ＜２ｐｉＭｓ２ 水平磁性膜
ここで、Ｋｕは一軸異方性定数であり、Ｍｓは飽和磁化
である。
である。
【００２７】図５（ａ）は、電磁材料（この具体例で
は、巨大磁気抵抗（Giant Magneto Resistive：以下、
ＧＭＲという。））からなるＭＲ薄膜（センサ）２０７
の構造を示し、ＭＲ薄膜（センサ）２０７は、交換層
（exchange layer）２０７ｅと、固着層（pinned laye
r）２０７ｐと、スペース層２０７ｓと、及びフリー層
２０７ｆとを備える。交換層２０７ｅは、固着層２０７
ｐと交換結合するためのものである。反強磁性膜（例え
ばＰｔＭｎ）が強磁性膜（例えばＣｏ）の隣に適切に蒸
着される場合、いわゆる交換結合が生ずる。その結果、
大きな外部磁界が加えられない限り強磁性膜の磁化方向
が整列されて固着化される。ＧＭＲ／ＴＭＲ積層構造に
おいて、その結合強磁性膜は固着層（pinned layer）と
して知られており、例えばＰｔＭｎのような反強磁性特
性を有する材料からなる。反強磁性材料においては、隣
り合う原子の磁気モーメントは異なる方向に向いている
ので、その材料中における実質的な巨視的磁気モーメン
トはゼロになる。固着層２０７ｐは交換層２０７ｅに隣
接し、Ｍ２０７ｐで示される製造時に決まる所定の固定
された磁化方向を持つ。固着層２０７ｐは、例えばＣｏ
のような磁気材料で作られる。スペース層２０７ｓは、
固着層２０７ｐが交換層２０７ｅとスペース層２０７ｓ
に挟まれるように固着層２０７ｐに隣接する。スペース
層２０７ｓは、ＭＲ薄膜（センサ）２０７の電極２１２
間を流れる電子に対して、固着層２０７ｐとフリー層２
０７ｆ間の短絡回路としての役割を果たす。スペース層
２０７ｓは、例えばＣｕ、Ａｌ２Ｏ３のような非磁性材
料で作られる。スペース層２０７ｓが採用されるのは、
そうしなければ固着層２０７ｐの強固な磁気結合により
フリー層２０７ｆの磁気モーメントが自由に回転できな
くなるからである。トンネル磁気抵抗（Tunnel Magneto
Resistive：以下、ＴＭＲという。）の電極間抵抗は、
単純にその抵抗が固着層とフリー層間のスペーサを通過
する電子の散乱に比例することに起因する。フリー層２
０７ｆは、スペース層２０７ｓがフリー層２０７ｆと固
着層２０７ｐとの間に挟まれるようにスペース層２０７
ｓに隣接する。フリー層２０７ｆは、外部から加えられ
る磁界Ｍに依存する磁化方向（Ｍ２０７ｆで示す）を有
する。フリー層２０７ｆは、例えばＣｏのような磁気材
料から作られる。
は、巨大磁気抵抗（Giant Magneto Resistive：以下、
ＧＭＲという。））からなるＭＲ薄膜（センサ）２０７
の構造を示し、ＭＲ薄膜（センサ）２０７は、交換層
（exchange layer）２０７ｅと、固着層（pinned laye
r）２０７ｐと、スペース層２０７ｓと、及びフリー層
２０７ｆとを備える。交換層２０７ｅは、固着層２０７
ｐと交換結合するためのものである。反強磁性膜（例え
ばＰｔＭｎ）が強磁性膜（例えばＣｏ）の隣に適切に蒸
着される場合、いわゆる交換結合が生ずる。その結果、
大きな外部磁界が加えられない限り強磁性膜の磁化方向
が整列されて固着化される。ＧＭＲ／ＴＭＲ積層構造に
おいて、その結合強磁性膜は固着層（pinned layer）と
して知られており、例えばＰｔＭｎのような反強磁性特
性を有する材料からなる。反強磁性材料においては、隣
り合う原子の磁気モーメントは異なる方向に向いている
ので、その材料中における実質的な巨視的磁気モーメン
トはゼロになる。固着層２０７ｐは交換層２０７ｅに隣
接し、Ｍ２０７ｐで示される製造時に決まる所定の固定
された磁化方向を持つ。固着層２０７ｐは、例えばＣｏ
のような磁気材料で作られる。スペース層２０７ｓは、
固着層２０７ｐが交換層２０７ｅとスペース層２０７ｓ
に挟まれるように固着層２０７ｐに隣接する。スペース
層２０７ｓは、ＭＲ薄膜（センサ）２０７の電極２１２
間を流れる電子に対して、固着層２０７ｐとフリー層２
０７ｆ間の短絡回路としての役割を果たす。スペース層
２０７ｓは、例えばＣｕ、Ａｌ２Ｏ３のような非磁性材
料で作られる。スペース層２０７ｓが採用されるのは、
そうしなければ固着層２０７ｐの強固な磁気結合により
フリー層２０７ｆの磁気モーメントが自由に回転できな
くなるからである。トンネル磁気抵抗（Tunnel Magneto
Resistive：以下、ＴＭＲという。）の電極間抵抗は、
単純にその抵抗が固着層とフリー層間のスペーサを通過
する電子の散乱に比例することに起因する。フリー層２
０７ｆは、スペース層２０７ｓがフリー層２０７ｆと固
着層２０７ｐとの間に挟まれるようにスペース層２０７
ｓに隣接する。フリー層２０７ｆは、外部から加えられ
る磁界Ｍに依存する磁化方向（Ｍ２０７ｆで示す）を有
する。フリー層２０７ｆは、例えばＣｏのような磁気材
料から作られる。
【００２８】ＭＲ薄膜（センサ）２０７の抵抗は、固着
層２０７ｐの磁化方向とフリー層２０７ｆの磁化方向と
の間の磁化角度に依存する。その抵抗は、固着層２０７
ｐとフリー層２０７ｆとの磁化方向が平行になるとき
（磁化角度＝０）に最小値になり、それらの磁化方向が
反対方向になるとき（磁化角度＝１８０度）に最大値に
なる。図５（ｂ）に示す、加えられた磁界方向対ＭＲ薄
膜（センサ）２０７抵抗のグラフにこれを示す。
層２０７ｐの磁化方向とフリー層２０７ｆの磁化方向と
の間の磁化角度に依存する。その抵抗は、固着層２０７
ｐとフリー層２０７ｆとの磁化方向が平行になるとき
（磁化角度＝０）に最小値になり、それらの磁化方向が
反対方向になるとき（磁化角度＝１８０度）に最大値に
なる。図５（ｂ）に示す、加えられた磁界方向対ＭＲ薄
膜（センサ）２０７抵抗のグラフにこれを示す。
【００２９】図６（ａ）乃至６（ｃ）は、３つの異なる
タイプのＭＲ薄膜（センサ）２０７を示す。図６（ａ）
は、面内電流通電（current in the plane：以下、ＣＩ
Ｐという。）型ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive：巨
大磁気抵抗）センサを示しており、バイアス電流が４つ
全ての層２０７ｅ、２０７ｐ、２０７ｓ、２０７ｆの両
端間を流れる。図６（ｂ）は、電流垂直通電（current
perpendicular to theplane：以下、ＣＰＰという。）
型ＧＭＲセンサを示し、バイアス電流がセンサの４つ全
ての層を垂直方向に流れる。図６（ｃ）は、ＴＭＲセン
サを示しており、バイアス電流が４つの全ての層を垂直
方向に流れる。
タイプのＭＲ薄膜（センサ）２０７を示す。図６（ａ）
は、面内電流通電（current in the plane：以下、ＣＩ
Ｐという。）型ＧＭＲ（Giant Magneto Resistive：巨
大磁気抵抗）センサを示しており、バイアス電流が４つ
全ての層２０７ｅ、２０７ｐ、２０７ｓ、２０７ｆの両
端間を流れる。図６（ｂ）は、電流垂直通電（current
perpendicular to theplane：以下、ＣＰＰという。）
型ＧＭＲセンサを示し、バイアス電流がセンサの４つ全
ての層を垂直方向に流れる。図６（ｃ）は、ＴＭＲセン
サを示しており、バイアス電流が４つの全ての層を垂直
方向に流れる。
【００３０】ＣＰＰ−ＧＭＲの動作原理はＣＩＰ−ＧＭ
Ｒと同じである。その違いはバイアス電流の方向であ
る。ＴＭＲの動作原理はＣＰＰ−ＧＭＲとは異なる。Ｔ
ＭＲは強磁性体材料／絶縁バリア（非金属）／強磁性体
材料で構成される。そのバリアが非常に薄い場合（通常
２ｎｍ未満）、電子は一方の強磁性体側から他方の強磁
性体側へ、あるいはその逆方向へと通過（トンネル）で
きる。これらセンサタイプに関するより詳細な情報は当
業者には容易に入手可能である。
Ｒと同じである。その違いはバイアス電流の方向であ
る。ＴＭＲの動作原理はＣＰＰ−ＧＭＲとは異なる。Ｔ
ＭＲは強磁性体材料／絶縁バリア（非金属）／強磁性体
材料で構成される。そのバリアが非常に薄い場合（通常
２ｎｍ未満）、電子は一方の強磁性体側から他方の強磁
性体側へ、あるいはその逆方向へと通過（トンネル）で
きる。これらセンサタイプに関するより詳細な情報は当
業者には容易に入手可能である。
【００３１】図７（ａ）及び図７（ｂ）において、フリ
ー層２０７ｆが支持部２０５に隣接し、交換層２０７ｅ
がその積層構造の上部になるように、センサ２０７はセ
ンサ支持部２０５上に設けられる。固着層２０７ｐの磁
化方向はＭ２０７ｐで示される。上述の積層構造（２０
７ｅ、２０７ｐ、２０７ｓ、２０７ｆ）は、硬磁性膜２
０６の磁界ＭがＭＲ薄膜（センサ）２０７のフリー層２
０７ｆに影響を及ぼすように、硬磁性膜２０６に近づけ
て配置される。フリー層２０７ｆから見た磁界の方向は
硬磁性膜２０６の変位とともに変化するのが判る。
ー層２０７ｆが支持部２０５に隣接し、交換層２０７ｅ
がその積層構造の上部になるように、センサ２０７はセ
ンサ支持部２０５上に設けられる。固着層２０７ｐの磁
化方向はＭ２０７ｐで示される。上述の積層構造（２０
７ｅ、２０７ｐ、２０７ｓ、２０７ｆ）は、硬磁性膜２
０６の磁界ＭがＭＲ薄膜（センサ）２０７のフリー層２
０７ｆに影響を及ぼすように、硬磁性膜２０６に近づけ
て配置される。フリー層２０７ｆから見た磁界の方向は
硬磁性膜２０６の変位とともに変化するのが判る。
【００３２】この変位の効果は、図８（ａ）、８（ｂ）
及び８（ｃ）から容易に判る。硬磁性膜２０６が上方に
変位されると、図８（ａ）に示すように、磁界Ｍの方向
はより固着層２０７ｐの磁化方向Ｍ２０７ｐと同じ方向
及び平行になる。これはＭＲ薄膜（センサ）２０７の最
小抵抗に対応する。図８（ｂ）において、硬磁性膜２０
６はその静止位置（ｙ＝０）にあり、硬磁性膜２０６の
磁界Ｍの方向は固着層２０７ｐの磁化方向Ｍ２０７ｐに
対して垂直である。これはＭＲ薄膜（センサ）２０７の
中間レベルの抵抗に対応する。図８（ｃ）において、硬
磁性膜２０６は下方に変位しており、磁界Ｍの方向はよ
り固着層２０７ｐの磁化方向Ｍ２０７ｐと平行にはなる
がその向きは反対である。これはＭＲ薄膜（センサ２０
７）の最大抵抗に対応する。
及び８（ｃ）から容易に判る。硬磁性膜２０６が上方に
変位されると、図８（ａ）に示すように、磁界Ｍの方向
はより固着層２０７ｐの磁化方向Ｍ２０７ｐと同じ方向
及び平行になる。これはＭＲ薄膜（センサ）２０７の最
小抵抗に対応する。図８（ｂ）において、硬磁性膜２０
６はその静止位置（ｙ＝０）にあり、硬磁性膜２０６の
磁界Ｍの方向は固着層２０７ｐの磁化方向Ｍ２０７ｐに
対して垂直である。これはＭＲ薄膜（センサ）２０７の
中間レベルの抵抗に対応する。図８（ｃ）において、硬
磁性膜２０６は下方に変位しており、磁界Ｍの方向はよ
り固着層２０７ｐの磁化方向Ｍ２０７ｐと平行にはなる
がその向きは反対である。これはＭＲ薄膜（センサ２０
７）の最大抵抗に対応する。
【００３３】硬磁性膜（垂直磁化膜）２０６を有する力
検出装置２０１は、音響振動を電気信号に変換するマイ
クロホン等として実現できる。更に図９に示すように、
フィルタとしても実現できる。フィルタ２９０は、共振
周波数帯を含む周波数応答を有し、その帯域でフィルタ
として使用できるものである。その共振周波数帯は、共
振器、すなわちフィルタ２９５の機械設計に依存する。
検出装置２０１は、音響振動を電気信号に変換するマイ
クロホン等として実現できる。更に図９に示すように、
フィルタとしても実現できる。フィルタ２９０は、共振
周波数帯を含む周波数応答を有し、その帯域でフィルタ
として使用できるものである。その共振周波数帯は、共
振器、すなわちフィルタ２９５の機械設計に依存する。
【００３４】フィルタ２９０は中心可動部材２９５上の
垂直硬磁性膜２９７を使用し、これに対して入力信号２
４２が加えられる。入力信号２４２の周波数が中心可動
部材２９５の共振周波数の近辺であるとき、垂直硬磁性
膜２９７の振動が起こる。垂直硬磁性膜２９７に隣り合
う固定支持部２９１、２９２上に一組のＣＩＰ−ＧＭＲ
センサ２９３ｘ、２９３ｙが、垂直硬磁性膜２９７の両
側に設けられる。もちろんその他のタイプのセンサを代
わりに使用してもよい。各ＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３
の電極２９４間の出力電圧は、垂直硬磁性膜２９７に垂
直、すなわち長手方向の変位に対応して変化する。
垂直硬磁性膜２９７を使用し、これに対して入力信号２
４２が加えられる。入力信号２４２の周波数が中心可動
部材２９５の共振周波数の近辺であるとき、垂直硬磁性
膜２９７の振動が起こる。垂直硬磁性膜２９７に隣り合
う固定支持部２９１、２９２上に一組のＣＩＰ−ＧＭＲ
センサ２９３ｘ、２９３ｙが、垂直硬磁性膜２９７の両
側に設けられる。もちろんその他のタイプのセンサを代
わりに使用してもよい。各ＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３
の電極２９４間の出力電圧は、垂直硬磁性膜２９７に垂
直、すなわち長手方向の変位に対応して変化する。
【００３５】フィルタ２９０の出力の信号対雑音比を高
めるために、差動信号検出法が用いられる。雑音は電源
からの電圧供給の変動や熱雑音などにより生ずる。２つ
のＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘとＣＩＰ−ＧＭＲセン
サ２９３ｙは、硬磁性膜２９７の両側に対向して配置さ
れているので、それぞれ逆方向の磁界Ｍを検出する。各
センサ内の固着層の磁化方向は同じである。その結果、
垂直硬磁性膜２９７のプラス側変位に対しては、一方の
ＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘではプラス出力電圧が生
じ、他方のＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｙでは同じ変位
に対してはマイナス出力電圧が生ずる、あるいはその逆
の結果が生ずることとなる。これらの出力を差動検出器
２９９に供給することにより、その出力は、２つのＣＩ
Ｐ−ＧＭＲセンサ２９３ｘとＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９
３ｙの合成出力となる。差動検出器２９９は、差動アン
プからなり、差動アンプによるセンサ信号の差動的な合
成によって２つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘとＣＩ
Ｐ−ＧＭＲセンサ２９３ｙに対して共通の雑音が打ち消
されることにより、フィルタ２９０からの雑音も減少す
る。したがって、フィルタ２９０の信号対雑音比が大き
く改善される。
めるために、差動信号検出法が用いられる。雑音は電源
からの電圧供給の変動や熱雑音などにより生ずる。２つ
のＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘとＣＩＰ−ＧＭＲセン
サ２９３ｙは、硬磁性膜２９７の両側に対向して配置さ
れているので、それぞれ逆方向の磁界Ｍを検出する。各
センサ内の固着層の磁化方向は同じである。その結果、
垂直硬磁性膜２９７のプラス側変位に対しては、一方の
ＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘではプラス出力電圧が生
じ、他方のＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｙでは同じ変位
に対してはマイナス出力電圧が生ずる、あるいはその逆
の結果が生ずることとなる。これらの出力を差動検出器
２９９に供給することにより、その出力は、２つのＣＩ
Ｐ−ＧＭＲセンサ２９３ｘとＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９
３ｙの合成出力となる。差動検出器２９９は、差動アン
プからなり、差動アンプによるセンサ信号の差動的な合
成によって２つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘとＣＩ
Ｐ−ＧＭＲセンサ２９３ｙに対して共通の雑音が打ち消
されることにより、フィルタ２９０からの雑音も減少す
る。したがって、フィルタ２９０の信号対雑音比が大き
く改善される。
【００３６】図１０は、ＴＭＲセンサ２９３’が使用さ
れる場合の図９のフィルタと同様なフィルタ２９０’の
断面図を示す。一般的に、ＴＭＲセンサの抵抗比はＧＭ
Ｒセンサよりも高い。
れる場合の図９のフィルタと同様なフィルタ２９０’の
断面図を示す。一般的に、ＴＭＲセンサの抵抗比はＧＭ
Ｒセンサよりも高い。
【００３７】図１１、図１２及び図１３は、上述の差動
検出法の動作原理を説明するための図である。２つのＣ
ＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘとＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２
９３ｙは、同じ磁化方向を持つ固着層を有する。垂直硬
磁性膜２９７の磁界Ｍは、その磁性膜２９７が縦方向に
変位していない（ｙ＝０）ときだけセンサＣＩＰ−ＧＭ
Ｒ２９３に対して垂直であることが判る。垂直硬磁性膜
２９７が縦に変位すると、垂直硬磁性膜２９７からの磁
界Ｍは２つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘ、２９３ｙ
に対して異なった変化を示すことが判る。図１３に示す
ように、垂直硬磁性膜２９７を下方に変位させると、２
つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘ、２９３ｙにおける
磁界Ｍは、垂直硬磁性膜２９７側に向かって内側に傾斜
する。センサのフリー層は高い面内透磁率を持つので、
垂直硬磁性膜２９７からの磁界Ｍの水平成分に感応す
る。しかしながら、この２つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２
９３ｘ、２９３ｙは、垂直硬磁性膜２９７の両側に配置
されているので、検出された磁界の水平成分Ｍ２９３ｘ
及びＭ２９３ｙはそれぞれ反対向きであり、したがっ
て、２つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘ、２９３ｙが
異なる抵抗を持つ結果となる。
検出法の動作原理を説明するための図である。２つのＣ
ＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘとＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２
９３ｙは、同じ磁化方向を持つ固着層を有する。垂直硬
磁性膜２９７の磁界Ｍは、その磁性膜２９７が縦方向に
変位していない（ｙ＝０）ときだけセンサＣＩＰ−ＧＭ
Ｒ２９３に対して垂直であることが判る。垂直硬磁性膜
２９７が縦に変位すると、垂直硬磁性膜２９７からの磁
界Ｍは２つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘ、２９３ｙ
に対して異なった変化を示すことが判る。図１３に示す
ように、垂直硬磁性膜２９７を下方に変位させると、２
つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘ、２９３ｙにおける
磁界Ｍは、垂直硬磁性膜２９７側に向かって内側に傾斜
する。センサのフリー層は高い面内透磁率を持つので、
垂直硬磁性膜２９７からの磁界Ｍの水平成分に感応す
る。しかしながら、この２つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２
９３ｘ、２９３ｙは、垂直硬磁性膜２９７の両側に配置
されているので、検出された磁界の水平成分Ｍ２９３ｘ
及びＭ２９３ｙはそれぞれ反対向きであり、したがっ
て、２つのＣＩＰ−ＧＭＲセンサ２９３ｘ、２９３ｙが
異なる抵抗を持つ結果となる。
【００３８】図１４は、上述の差動検出法を用いるフィ
ルタ２９０と、垂直硬磁性膜２９７の一方側だけにＣＩ
Ｐ−ＧＭＲセンサ２９３を用いるフィルタとの比較を示
す。差動検出法を用いるフィルタの出力の方がより大き
く、またコモンモード雑音が打ち消されるため、より高
い信号対雑音比を持つ。このため、同じ感度の差動検出
装置についてより大きいギャップ寸法が使用できるの
で、より安価な加工法が採用できる。
ルタ２９０と、垂直硬磁性膜２９７の一方側だけにＣＩ
Ｐ−ＧＭＲセンサ２９３を用いるフィルタとの比較を示
す。差動検出法を用いるフィルタの出力の方がより大き
く、またコモンモード雑音が打ち消されるため、より高
い信号対雑音比を持つ。このため、同じ感度の差動検出
装置についてより大きいギャップ寸法が使用できるの
で、より安価な加工法が採用できる。
【００３９】図１５は、ＣＩＰ（電流面内通電型）ＧＭ
Ｒセンサの加工プロセスを示す。ステップ（ａ）はスパ
ッタリング等のような蒸着法とその後にプラズマエッチ
ング等のようなエッチング法を用いる共振器のベース加
工を示す。ステップ（ｂ）において、ＧＭＲセンサから
共振器ベースを絶縁するための絶縁膜を蒸着する。ステ
ップ（ｃ）はＧＭＲ膜蒸着とセンサパターン形成であ
る。ＧＭＲスタックがスパッタリングにより蒸着され、
フォトレジスト層を被覆し、リソグラフィによりパター
ン形成する。ステップ（ｄ）において、ＧＭＲセンサの
パターン微細化のためにドライエッチングが行われる。
ステップ（ｅ）において、硬磁性膜が蒸着されてフォト
レジストが取り除かれる。ステップ（ｆ）では硬磁性膜
の形状を面内に作製し、余分の部分をドライエッチング
によりエッチングする。ステップ（ｇ）において、ＧＭ
Ｒセンサ用電極作製のため、電極用材料（例えばＴｉ、
Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ等）を蒸着し、望ましいパターンを作
製後、エッチングする。ステップ（ｈ）において、共振
器とセンサ間に２つの間隙（ギャップ）を作製するため
に、フォトレジストを被覆してエッチング保護用のマス
クを形成する。ステップ（ｉ）において、フォトレジス
トを取り除くためのドライエッチングを実施する。
Ｒセンサの加工プロセスを示す。ステップ（ａ）はスパ
ッタリング等のような蒸着法とその後にプラズマエッチ
ング等のようなエッチング法を用いる共振器のベース加
工を示す。ステップ（ｂ）において、ＧＭＲセンサから
共振器ベースを絶縁するための絶縁膜を蒸着する。ステ
ップ（ｃ）はＧＭＲ膜蒸着とセンサパターン形成であ
る。ＧＭＲスタックがスパッタリングにより蒸着され、
フォトレジスト層を被覆し、リソグラフィによりパター
ン形成する。ステップ（ｄ）において、ＧＭＲセンサの
パターン微細化のためにドライエッチングが行われる。
ステップ（ｅ）において、硬磁性膜が蒸着されてフォト
レジストが取り除かれる。ステップ（ｆ）では硬磁性膜
の形状を面内に作製し、余分の部分をドライエッチング
によりエッチングする。ステップ（ｇ）において、ＧＭ
Ｒセンサ用電極作製のため、電極用材料（例えばＴｉ、
Ｃｒ、Ａｌ、Ｃｕ等）を蒸着し、望ましいパターンを作
製後、エッチングする。ステップ（ｈ）において、共振
器とセンサ間に２つの間隙（ギャップ）を作製するため
に、フォトレジストを被覆してエッチング保護用のマス
クを形成する。ステップ（ｉ）において、フォトレジス
トを取り除くためのドライエッチングを実施する。
【００４０】図１６は、ＣＰＰ（電流垂直通電型）ＧＭ
Ｒセンサの加工プロセスを示す。ステップ（ａ）はスパ
ッタリングのような蒸着法とその後にプラズマエッチン
グのようなエッチング法を用いる共振器のベース加工を
示す。ステップ（ｂ）において、ＴＭＲ又はＧＭＲスタ
ックをスパッタリングにより蒸着し、フォトレジストを
被覆してリソグラフィによりパターン形成する。次にド
ライエッチングを実施する。ステップ（ｃ）において、
硬磁性膜を蒸着してフォトレジストを取り除く。ステッ
プ（ｄ）では余分な部分をドライエッチングにより除去
して硬磁性膜の形状を面内に形成する。ステップ（ｅ）
において、ＴＭＲ又はＧＭＲの電極を共振器ベースから
絶縁するためにＳｉＯ２のような絶縁材が蒸着される。
次にフォトリソグラフィプロセスによるパターン形成後
にドライエッチングを実施する。ステップ（ｆ）におい
て、ＧＭＲセンサ用の電極が例えばＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、
Ｃｕ等の材料を用いて作られ、それらは蒸着され、望ま
しいパターン形成後にエッチングされる。ステップ
（ｇ）において、共振器とセンサ間のギャップが作製さ
れ、フォトレジストを被覆して、エッチング保護用マス
クを形成する。最後にステップ（ｈ）において、ドライ
エッチングを実施してフォトレジストを除去する。
Ｒセンサの加工プロセスを示す。ステップ（ａ）はスパ
ッタリングのような蒸着法とその後にプラズマエッチン
グのようなエッチング法を用いる共振器のベース加工を
示す。ステップ（ｂ）において、ＴＭＲ又はＧＭＲスタ
ックをスパッタリングにより蒸着し、フォトレジストを
被覆してリソグラフィによりパターン形成する。次にド
ライエッチングを実施する。ステップ（ｃ）において、
硬磁性膜を蒸着してフォトレジストを取り除く。ステッ
プ（ｄ）では余分な部分をドライエッチングにより除去
して硬磁性膜の形状を面内に形成する。ステップ（ｅ）
において、ＴＭＲ又はＧＭＲの電極を共振器ベースから
絶縁するためにＳｉＯ２のような絶縁材が蒸着される。
次にフォトリソグラフィプロセスによるパターン形成後
にドライエッチングを実施する。ステップ（ｆ）におい
て、ＧＭＲセンサ用の電極が例えばＴｉ、Ｃｒ、Ａｌ、
Ｃｕ等の材料を用いて作られ、それらは蒸着され、望ま
しいパターン形成後にエッチングされる。ステップ
（ｇ）において、共振器とセンサ間のギャップが作製さ
れ、フォトレジストを被覆して、エッチング保護用マス
クを形成する。最後にステップ（ｈ）において、ドライ
エッチングを実施してフォトレジストを除去する。
【００４１】図１７及び１８は、ＴＭＲセンサの加工プ
ロセスを示し、ステップ（ａ）は共振器ベースの断面を
示す。ステップ（ｂ）において、絶縁ＳｉＯ２は共振器
のブリッジ構造を確立するためにエッチング除去され
る。ステップ（ｃ）において硬磁性膜を蒸着し、フォト
レジストを被覆して、リソグラフィ法によりパターン形
成する。ステップ（ｄ）はＭＲスタックの追加を示し、
ステップ（ｅ）はレジストのリフトオフプロセスを示
す。ステップ（ｆ）において、フォトレジストマスクが
形成され、ステップ（ｇ）において硬磁性膜とセンサを
分離するためにドライエッチングが実施される。このプ
ロセスにおいて、ＧＭＲを蒸着する前にシード層として
Ｃｒを有する硬磁性膜が蒸着される。なお、これは逆に
行ってもよく、図１５（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び図１
６（ｂ）、（ｃ）においても同様である。
ロセスを示し、ステップ（ａ）は共振器ベースの断面を
示す。ステップ（ｂ）において、絶縁ＳｉＯ２は共振器
のブリッジ構造を確立するためにエッチング除去され
る。ステップ（ｃ）において硬磁性膜を蒸着し、フォト
レジストを被覆して、リソグラフィ法によりパターン形
成する。ステップ（ｄ）はＭＲスタックの追加を示し、
ステップ（ｅ）はレジストのリフトオフプロセスを示
す。ステップ（ｆ）において、フォトレジストマスクが
形成され、ステップ（ｇ）において硬磁性膜とセンサを
分離するためにドライエッチングが実施される。このプ
ロセスにおいて、ＧＭＲを蒸着する前にシード層として
Ｃｒを有する硬磁性膜が蒸着される。なお、これは逆に
行ってもよく、図１５（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）及び図１
６（ｂ）、（ｃ）においても同様である。
【００４２】本発明は望ましい実施例に基づき説明した
が、当業者に自明のその他の代替、変更も本発明の範囲
に含まれるものとする。
が、当業者に自明のその他の代替、変更も本発明の範囲
に含まれるものとする。
【００４３】
【発明の効果】本発明に係る力検出装置は、加えられる
力に応じてそれぞれ相互に相対的に動くことのできる磁
化素子と電磁材料とを備える。磁化素子は相対的な動き
の方向に対して平行な磁化方向を持つ。電磁材料は、磁
化素子の磁界に曝され、加えられる力を示す電磁材料の
電気特性が相対的な動きに依存して変化する。これによ
り、この力検出装置は、高いＤＣバイアス電圧を必要と
せず、また、高い感度を有する。
力に応じてそれぞれ相互に相対的に動くことのできる磁
化素子と電磁材料とを備える。磁化素子は相対的な動き
の方向に対して平行な磁化方向を持つ。電磁材料は、磁
化素子の磁界に曝され、加えられる力を示す電磁材料の
電気特性が相対的な動きに依存して変化する。これによ
り、この力検出装置は、高いＤＣバイアス電圧を必要と
せず、また、高い感度を有する。
【図１】カンチレバーを含む力検出装置の平面図であ
る。
る。
【図２】図１に示す力検出装置の側面図である。
【図３】長手方向硬磁性膜を備える力検出装置と、力検
出装置の出力電圧を硬磁性膜が電磁材料センサを通過す
る動きの関数として示すグラフである。
出装置の出力電圧を硬磁性膜が電磁材料センサを通過す
る動きの関数として示すグラフである。
【図４】垂直方向硬磁性膜を備える力検出装置と、力検
出装置の出力電圧を硬磁性膜が電磁材料センサを通過す
る動きの関数として示すグラフである。
出装置の出力電圧を硬磁性膜が電磁材料センサを通過す
る動きの関数として示すグラフである。
【図５】センサ構造と、このセンサの応答曲線を示す図
である。
である。
【図６】３つのタイプの電磁センサを示す図である。
【図７】本発明に係る力検出装置の平面図と断面図であ
る。
る。
【図８】センサが感応する磁界に対して磁性膜の動きが
及ぼす影響を示す図である。
及ぼす影響を示す図である。
【図９】差動検出を組み込んだ磁気ＭＥＭＳフィルタの
斜視図である。
斜視図である。
【図１０】図９のフィルタにおいて、代わりにＣＰＰ−
ＧＭＲセンサを組み込んだ同様のフィルタの断面図及び
平面図である。
ＧＭＲセンサを組み込んだ同様のフィルタの断面図及び
平面図である。
【図１１】差動検出法の動作を示す図である。
【図１２】差動検出法の動作を示す図である。
【図１３】差動検出法の動作を示す図である。
【図１４】差動検出がある場合とない場合とのセンサ出
力を比較したシミュレーション結果を示すグラフであ
る。
力を比較したシミュレーション結果を示すグラフであ
る。
【図１５】センサを用いて図９の高周波フィルタを作製
する加工法を示す図である。
する加工法を示す図である。
【図１６】センサを用いて図９の高周波フィルタを作製
する加工法を示す図である。
する加工法を示す図である。
【図１７】センサを用いて図９の高周波フィルタを作製
する加工法を示す図である。
する加工法を示す図である。
【図１８】センサを用いて図９の高周波フィルタを作製
する加工法を示す図である。
する加工法を示す図である。
１ 力検出装置、２ 支持部、３ カンチレバー部材、
４ ベース、５ センサ支持部、６ 硬磁性膜、７ Ｍ
Ｒ薄膜、９ バイアス電流、１２ 電極、２０１力検出
装置、２０５ 支持部、２０６ 硬磁性膜、２０７ Ｍ
Ｒ薄膜、２０７e 交換層、２０７ｐ 固着層、２０７
ｓ スペース層、２０７ｆ フリー層、Ｍ２０７ｐ 磁
化方向、Ｍ２０７ｆ 磁化方向、２１２ 電極、２４２
入力信号、２９０ フィルタ、２９１ 固定支持部、
２９２ 固定支持部、２９３ｘセンサ、２９３ｙ セン
サ、２９４ 電極、２９５ 中心可動部材、２９７ 磁
性膜、２９９ 差動検出器、２９０’ フィルタ、２９
３’ｘ センサ、２９３’ｙ センサ、２９７’ 磁性
膜
４ ベース、５ センサ支持部、６ 硬磁性膜、７ Ｍ
Ｒ薄膜、９ バイアス電流、１２ 電極、２０１力検出
装置、２０５ 支持部、２０６ 硬磁性膜、２０７ Ｍ
Ｒ薄膜、２０７e 交換層、２０７ｐ 固着層、２０７
ｓ スペース層、２０７ｆ フリー層、Ｍ２０７ｐ 磁
化方向、Ｍ２０７ｆ 磁化方向、２１２ 電極、２４２
入力信号、２９０ フィルタ、２９１ 固定支持部、
２９２ 固定支持部、２９３ｘセンサ、２９３ｙ セン
サ、２９４ 電極、２９５ 中心可動部材、２９７ 磁
性膜、２９９ 差動検出器、２９０’ フィルタ、２９
３’ｘ センサ、２９３’ｙ センサ、２９７’ 磁性
膜
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 高田 昭夫
シンガポール国 117684 シンガポール
サイエンス パーク セカンド ジ アル
ファ ナンバー03−08 サイエンス パー
ク ロード 10 ソニー エレクトロニク
ス （シンガポール） プライベート リ
ミテッド シンガポール リサーチ ラボ
ラトリ内
(72)発明者 五十嵐 実
シンガポール国 117684 シンガポール
サイエンス パーク セカンド ジ アル
ファ ナンバー03−08 サイエンス パー
ク ロード 10 ソニー エレクトロニク
ス （シンガポール） プライベート リ
ミテッド シンガポール リサーチ ラボ
ラトリ内
Claims (31)
- 【請求項１】 加えられる力に応じてそれぞれ相互に相
対的に動くことのできる磁化素子と電磁材料とを備え、
該磁化素子は該相対的な動きの方向に対して平行な磁化
方向を持つ力検出装置において、 上記電磁材料は、上記磁化素子の磁界に曝され、上記加
えられる力を示す電磁材料の電気特性が上記相対的な動
きに依存して変化するように構成される力検出装置。 - 【請求項２】 上記磁化素子は、膜面に垂直な磁化方向
を持つ磁性薄膜からなることを特徴とする請求項１に記
載の力検出装置。 - 【請求項３】 上記電磁材料の磁化容易軸は、上記磁化
方向に対し垂直であることを特徴とする請求項１又は２
に記載の力検出装置。 - 【請求項４】 上記電磁材料は、面内電流通電型巨大磁
気抵抗、電流垂直通電型巨大磁気抵抗、トンネル磁気抵
抗のタイプから選ばれたいずれかのタイプのセンサ形状
であることを特徴とする請求項１又は２に記載の力検出
装置。 - 【請求項５】 上記電磁材料は、面内電流通電型巨大磁
気抵抗、電流垂直通電型巨大磁気抵抗、トンネル磁気抵
抗のタイプから選ばれたいずれかのタイプのセンサ形状
であることを特徴とする請求項３に記載の力検出装置。 - 【請求項６】 上記電磁材料が２つ設けられ、上記相対
的な動きがそれぞれの電磁材料の電気特性に異なる変化
を生じさせるように、該２つの電磁材料が上記磁化素子
に対して異なる位置に配置され、加えられた力が電気特
性の変化の相違により判定されることを特徴とする請求
項１又は２に記載の力検出装置。 - 【請求項７】 上記電磁材料が２つ設けられ、上記相対
的な動きがそれぞれの電磁材料の電気特性に異なる変化
を生じさせるように、該２つの電磁材料が上記磁化素子
に対して異なる位置に配置され、加えられた力が電気特
性の変化の相違により判定されることを特徴とする請求
項３に記載の力検出装置。 - 【請求項８】 上記電磁材料が２つ設けられ、上記相対
的な動きがそれぞれの電磁材料の電気特性に異なる変化
を生じさせるように、該２つの電磁材料が上記磁化素子
に対して異なる位置に配置され、加えられた力が電気特
性の変化の相違により判定されることを特徴とする請求
項４に記載の力検出装置。 - 【請求項９】 上記電磁材料が２つ設けられ、上記相対
的な動きがそれぞれの電磁材料の電気特性に異なる変化
を生じさせるように、該２つの電磁材料が上記磁化素子
に対して異なる位置に配置され、加えられた力が電気特
性の変化の相違により判定されることを特徴とする請求
項５に記載の力検出装置。 - 【請求項１０】 上記電磁材料及び磁化素子は、１つの
基板上に設けられ、該磁化素子は可動部材上に形成さ
れ、該磁化素子と該電磁材料は静止状態において相互に
隣接して配置されることを特徴とする請求項１又は２に
記載の力検出装置。 - 【請求項１１】 上記電磁材料及び磁化素子は、１つの
基板上に設けられ、該磁化素子は可動部材上に形成さ
れ、該磁化素子と該電磁材料は静止状態において相互に
隣接して配置されることを特徴とする請求項３に記載の
力検出装置。 - 【請求項１２】 上記電磁材料及び磁化素子は、１つの
基板上に設けられ、該磁化素子は可動部材上に形成さ
れ、該磁化素子と該電磁材料は静止状態において相互に
隣接して配置されることを特徴とする請求項４に記載の
力検出装置。 - 【請求項１３】 上記電磁材料及び磁化素子は、１つの
基板上に設けられ、該磁化素子は可動部材上に形成さ
れ、該磁化素子と該電磁材料は静止状態において相互に
隣接して配置されることを特徴とする請求項５に記載の
力検出装置。 - 【請求項１４】 上記電磁材料及び磁化素子は、１つの
基板上に設けられ、該磁化素子は可動部材上に形成さ
れ、該磁化素子と該電磁材料は静止状態において相互に
隣接して配置されることを特徴とする請求項６に記載の
力検出装置。 - 【請求項１５】 上記電磁材料及び磁化素子は、１つの
基板上に設けられ、該磁化素子は可動部材上に形成さ
れ、該磁化素子と該電磁材料は静止状態において相互に
隣接して配置されることを特徴とする請求項７に記載の
力検出装置。 - 【請求項１６】 上記電磁材料及び磁化素子は、１つの
基板上に設けられ、該磁化素子は可動部材上に形成さ
れ、該磁化素子と該電磁材料は静止状態において相互に
隣接して配置されることを特徴とする請求項８に記載の
力検出装置。 - 【請求項１７】 上記電磁材料及び磁化素子は、１つの
基板上に設けられ、該磁化素子は可動部材上に形成さ
れ、該磁化素子と該電磁材料は静止状態において相互に
隣接して配置されることを特徴とする請求項９に記載の
力検出装置。 - 【請求項１８】 上記２つの電磁材料は互いに磁化され
た上記可動部材の反対側に設けられることを特徴とする
請求項１４に記載の力検出装置。 - 【請求項１９】 上記２つの電磁材料は互いに磁化され
た上記可動部材の反対側に設けられることを特徴とする
請求項１５に記載の力検出装置。 - 【請求項２０】 上記２つの電磁材料は互いに磁化され
た上記可動部材の反対側に設けられることを特徴とする
請求項１６に記載の力検出装置。 - 【請求項２１】 上記２つの電磁材料は互いに磁化され
た上記可動部材の反対側に設けられることを特徴とする
請求項１７に記載の力検出装置。 - 【請求項２２】 上記可動部材は、カンチレバー部材か
らなることを特徴とする請求項１０に記載の力検出装
置。 - 【請求項２３】 上記可動部材は、カンチレバー部材か
らなることを特徴とする請求項１１に記載の力検出装
置。 - 【請求項２４】 上記可動部材は、カンチレバー部材か
らなることを特徴とする請求項１２に記載の力検出装
置。 - 【請求項２５】 上記可動部材は、カンチレバー部材か
らなることを特徴とする請求項１３に記載の力検出装
置。 - 【請求項２６】 上記可動部材は、カンチレバー部材か
らなることを特徴とする請求項１４に記載の力検出装
置。 - 【請求項２７】 上記可動部材は、カンチレバー部材か
らなることを特徴とする請求項１５に記載の力検出装
置。 - 【請求項２８】 上記該可動部材は、カンチレバー部材
からなることを特徴とする請求項１６に記載の力検出装
置。 - 【請求項２９】 上記可動部材は、カンチレバー部材か
らなることを特徴とする請求項１７に記載の力検出装
置。 - 【請求項３０】 請求項１０に記載の力検出装置からな
る周波数フィルタにおいて、 上記可動部材は、共振振動数を有することを特徴とする
周波数フィルタ。 - 【請求項３１】 請求項１又は２に記載の力検出装置か
らなることを特徴とするマイクロホン。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SG2002-00806-8 | 2002-02-15 | ||
| SG200200806A SG103845A1 (en) | 2002-02-15 | 2002-02-15 | Improved force sensing device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003294545A true JP2003294545A (ja) | 2003-10-15 |
Family
ID=29247027
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003039013A Withdrawn JP2003294545A (ja) | 2002-02-15 | 2003-02-17 | 力検出装置 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6883384B2 (ja) |
| JP (1) | JP2003294545A (ja) |
| SG (1) | SG103845A1 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2012078186A (ja) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Toshiba Corp | 歪検知素子、および血圧センサ |
| KR102241302B1 (ko) * | 2019-11-11 | 2021-04-16 | 재단법인대구경북과학기술원 | 힘 센서 |
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|---|---|---|---|---|
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| DE102005010338B4 (de) * | 2005-03-07 | 2007-01-25 | Infineon Technologies Ag | Kraftsensoranordnung mit magnetostriktiven Magnetowiderstandssensoren und Verfahren zur Ermittlung einer auf den Träger einer Kraftsensoranordnung wirkenden Kraft |
| US8494195B2 (en) * | 2007-02-07 | 2013-07-23 | Starkey Laboratories, Inc. | Electrical contacts using conductive silicone in hearing assistance devices |
| US8385573B2 (en) * | 2007-09-19 | 2013-02-26 | Starkey Laboratories, Inc. | System for hearing assistance device including receiver in the canal |
| CA2639555A1 (en) | 2008-08-11 | 2008-12-15 | Hyman Ngo | High definition litho applique and emblems |
| US8049490B2 (en) * | 2008-08-19 | 2011-11-01 | Infineon Technologies Ag | Silicon MEMS resonator devices and methods |
| US8781141B2 (en) | 2008-08-27 | 2014-07-15 | Starkey Laboratories, Inc. | Modular connection assembly for a hearing assistance device |
| US8798299B1 (en) | 2008-12-31 | 2014-08-05 | Starkey Laboratories, Inc. | Magnetic shielding for communication device applications |
| DK2278828T3 (da) * | 2009-07-23 | 2017-11-27 | Starkey Labs Inc | Fremgangsmåde og apparat til en isoleret elektromagnetisk afskærmning til anvendelse i høreapparater |
| US8638965B2 (en) | 2010-07-14 | 2014-01-28 | Starkey Laboratories, Inc. | Receiver-in-canal hearing device cable connections |
| US9049526B2 (en) | 2011-03-19 | 2015-06-02 | Starkey Laboratories, Inc. | Compact programming block connector for hearing assistance devices |
| EP2663095B1 (en) | 2012-05-07 | 2015-11-18 | Starkey Laboratories, Inc. | Hearing aid with distributed processing in ear piece |
| US9913052B2 (en) | 2013-11-27 | 2018-03-06 | Starkey Laboratories, Inc. | Solderless hearing assistance device assembly and method |
| US9906879B2 (en) | 2013-11-27 | 2018-02-27 | Starkey Laboratories, Inc. | Solderless module connector for a hearing assistance device assembly |
| CN112995871B (zh) * | 2021-03-01 | 2022-11-22 | 歌尔微电子股份有限公司 | Mems传感器及电子设备 |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0641815B2 (ja) * | 1985-04-11 | 1994-06-01 | 松下電器産業株式会社 | 超音波マイク付き電子レンジ |
| US5198740A (en) * | 1989-10-04 | 1993-03-30 | University Of Utah Research Foundation | Sliding contact mechanical/electrical displacement transducer |
| US5702592A (en) * | 1995-10-20 | 1997-12-30 | Western Filter Corporation | Filter monitoring device which monitors differential pressure and temperature |
| DE19623741A1 (de) * | 1996-06-14 | 1997-12-18 | Wittenstein Motion Contr Gmbh | Einrichtung zur Erfassung und Auswertung der auf einen Spindeltrieb einwirkenden Betriebskraft |
| US6217995B1 (en) * | 1997-11-28 | 2001-04-17 | Mitsubishi Chemical Corporation | Optical sheet and optical part made of transparent resin, and method of fabricating thereof |
| US6111390A (en) * | 1998-01-20 | 2000-08-29 | Kokusan Kenki Co., Ltd. | Magneto-equipped power device |
| US6026694A (en) * | 1998-03-30 | 2000-02-22 | Serena Industries Incorporated | Linear force sensing device |
-
2002
- 2002-02-15 SG SG200200806A patent/SG103845A1/en unknown
-
2003
- 2003-02-13 US US10/366,209 patent/US6883384B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2003-02-17 JP JP2003039013A patent/JP2003294545A/ja not_active Withdrawn
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|---|---|---|---|---|
| JP2012078186A (ja) * | 2010-09-30 | 2012-04-19 | Toshiba Corp | 歪検知素子、および血圧センサ |
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| US9066661B2 (en) | 2010-09-30 | 2015-06-30 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Strain sensor element and blood pressure sensor |
| US9131856B2 (en) | 2010-09-30 | 2015-09-15 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Strain sensor element and blood pressure sensor |
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| KR102241302B1 (ko) * | 2019-11-11 | 2021-04-16 | 재단법인대구경북과학기술원 | 힘 센서 |
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|---|---|
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