JP2012078186A - 歪検知素子、および血圧センサ - Google Patents
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Abstract
サを提供することができる。
【解決手段】 磁化方向が変化可能で外部歪が印加されていない状態では磁化が膜面垂
直方向を向いている磁化自由層と、磁化を有する参照層と、前記磁化自由層と前記参照層
との間に設けられたスペーサー層と、を備えた積層膜と、前記積層膜の積層面に対して垂
直方向に通電する一対の電極と、前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、前記
基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なる
ことを特徴とする歪検知素子。
【選択図】図1A
Description
しかしながら、一般的に外部から圧力が印加されたとき、各部位によって応力状態は異なる。つまり、ある箇所では圧縮応力となり、ある箇所では引っ張り応力となる。すると、あるスピンバルブ膜を用いたときに、圧縮応力か引っ張り応力かのいずれかひとつのみしか、外部応力を敏感に検知することができない。これは、歪検知素子、圧力検知素子として考えたときに、感度良く検知することの実現を大きく阻むものである。
また、垂直磁気異方性の磁化自由層を用いる理由が従来のMRAMなどと異なることによって、さらに構成の違いが生じる。その詳細を以下に説明する。
磁気弾性エネルギーと静磁エネルギーとのエネルギーバランスで、以下の式のように記載される。
(第1の実施形態)
(技術説明)
(発明の効果)
(第1の変形例)
(第2の変形例)
(第3の変形例)
(第4の変形例)
(第5の変形例)
(第2の実施形態)
(第3の実施形態)
状態では膜面垂直の磁化方向を有する磁化自由層と、磁化を有する参照層と、前記磁化自
由層と前記参照層との間に設けられたスペーサー層と、を備えた積層膜と、前記積層膜の
積層面に対して垂直方向に通電する一対の電極と、前記一対の電極の何れか一方に設けら
れた基板と、前記基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の
回転角度が異なることを特徴とする。
20と、スペーサー層30と、磁化自由層40とを備えたスピンバルブ膜構造が形成され
ている。参照層20、および磁化自由層40は磁性材料で形成される。スペーサー層30
は、基本的には非磁性材料からなる。しかし、後述するように、磁性材料もスペーサーと
して機能するものに関して用いることができる。スピンバルブ膜に電流を流すために、一
対の電極が用いられる。CIP(Current−in−plane)配置では、図1A
のように一対の電極501、502が用いられる。CPP(Current−perpe
ndicular−to−plane)配置では、図1Bのように一対の電極511、5
12が用いられる。スピンバルブ膜から基板への電流を絶縁する目的や、基板表面の荒れ
を緩和するために、コーティング層150がCIP配置とCPP配置の両方に用いられる
。参照層20/スペーサー層30/磁化自由層40の積層膜の下地として、下地層70を
用いる。以下、それぞれの部分について詳細に説明する。積層膜は参照層20、スペーサ
ー層30、及び磁化自由層40で定義される。
している。MR現象としてTMR効果を用いる場合、MgOような材料が、典型的な材料
として用いられる。Al、Ti、Zn、Si、Hf、Ta、Mo、Wo、Nb、Cr、M
g、又はZrに基づく酸化物、窒化物、または酸窒化物も用いることができる。MR現象
としてGMR効果を用いる場合、CIP配置でもCPP配置でもスペーサー層30は、C
u、Au、Ag、Au、又はCrのような金属材料を用いることができる。このような単
純金属層だけでなく、CPP配置の場合には、電流狭窄(CCP: Current−C
onfined−Path)スペーサーを用いることもできる。CCPスペーサーには、
絶縁層を上下に貫通する複数のナノオーダーのメタルパスが用いられる。CCPスペーサ
ーを用いることの利点は、MR効果を高めるだけでなく、抵抗の大きさも制御することが
可能なことである。CCPスペーサーのメタルパス材料としては、単純金属スペーサーの
材料群と同じCu、Au、Ag、Al、又はCrなどであり、絶縁層はAl、Ti、Zn
、Si、Hf、Ta、Mo、Wo、Nb、Cr、Mg、又はZrに基づく酸化物、窒化物
、又は酸窒化物からなる。
方性を用いることの効果は全く異なる。前述したように、メンブレン内の歪検知素子が受
ける実際の歪みは、配置位置によっても異なり、非常に複雑である。圧縮応力か引っ張り
応力かという、極性の違いさえ、メンブレンの位置に依存して生じうる。このような状態
では、面内磁化を有する磁化自由層では抵抗の変化として検知できない場合もあり、検知
に関するSNR(Signal to Noise Ratio)劣化を引き起こす原因
になる。一方、膜面垂直磁化を有する磁化自由層40の場合、図1C、図1Dに示すよう
に抵抗変化を検知することができる。つまり、理想的な測定環境のみでしか測定できなか
ったのに対し、測定環境に対して高感度でロバストな、歪検知素子、圧力検知素子を実現
することができる。つまり、引っ張り応力、圧縮応力いずれの場合においても、膜面垂直
方向の磁化を有する磁化自由層を用いれば、歪を検知可能となる。これは、膜面内に磁化
を有する磁化自由層を用いている場合には実現できない。また、この効果は、MRAM、
STOにおいて膜面垂直方向の磁化を有する磁性層を用いる理由とは全く異なる。
磁性材料とは異なり、磁気異方性の大きさは大きい。その理由は、大きな磁気異方性を有
しないと、膜面内に磁化が向くことが有利な、形状異方性に打ち勝つことができないため
である。このような大きな磁気異方性をもつ磁性層を用いるということは、(1)式にお
けるHkが大きい材料を用いるということを意味する。つまり、外部歪が印加されていな
い状態において大きなHkをもつ磁化自由層のHkを外部歪によって変化させて検知する
には、ΔHkの値として、充分大きな変化量を発生させないと、変化量として検知できな
いことになる。つまり、ΔHkを通常の膜面内に磁化を有する磁化自由層を用いる場合よ
りもさらに大きなΔHkを発生させる必要がでてくる。すなわち、(1)式からわかるよ
うに、より大きなλの磁化自由層を用いることが必須となる。小さな磁歪定数λが求めら
れる従来の応用と比較すると、歪検知素子として用いる本発明の場合には、少なくとも磁
歪定数の絶対値が10−6よりも大きなλは必須となる。より好ましくは、磁化自由層の
磁歪定数の絶対値は10−5よりも大きな値を有することが必要とされる。
(参照層が下側に存在しているので「ボトムタイプ」と呼ばれる)又は磁化自由層40/
スペーサー層30/参照層20(参照層が上側に存在しているので「トップタイプ」と呼
ばれる)のどちらでも用いることができる。図1A,図1Bにおいてはボトム型における
実施例を示しているが、本発明の本質的な効果としては、ボトム型でもトップ型でも違い
は発生せず、同等である。
サー層30/参照層20のトップ型のいずれの場合でも下地層70が用いられる。本明細
書において「下地層」という言葉は、広い概念を含んで用いる。「下地層」はバッファ層
、シード層、又はピニング層(図示せず)のような多層からなる。いくつかのこれらの層
は特有の膜構造に依存して省略されていてもよい。バッファ層は、フレキシブル基板から
生じる荒れのような予期せぬ効果を避けるために用いられる。コーティング層150でバ
ッファ効果が充分な場合は、下地層におけるバッファ層は省略できる。シード層は、参照
層20/スペーサー層30/磁化自由層40又は磁化自由層40/スペーサー層30/参
照層20の結晶配向性を制御するために用いられる。ピニング層は必要であれば参照層の
磁化を固定するために用いられる。
、(Co/Pd)多層膜、(Co/Pt)多層膜、又は(Co/Ir)多層膜を用いるこ
とができる。既に述べた、TbFe及び(Co/Ni)多層膜もMpの機能を有する材料
群という位置づけである。多層膜は、2層から10層程度積層したものである。
に回転する。それゆえに、磁気抵抗の変化が検知できる。一方で、位置(a)、(c)の
場合では、磁化自由層の磁化は回転しない。なぜなら、磁化自由層40の磁化の向きは既
に歪みの方向に向いているからである。つまり、外部歪が印加されたことによる抵抗の変
化は生じないため、外部歪を全く検知できていないことになる。これはセンサ全体として
みたときに、検知できる箇所が限られているということになり、SNRとして非常に望ま
しくない。
るデータの平均出力を向上させるためである。この構造は異方性の歪みの方向に関係なく
基板15の様々な場所で動作する歪検知素子10に利用できる。よって多くの歪検知素子
10を用いることができる。個々に接続している歪検知素子10のように、機能に依存し
て他の代わりとなる回路配列も用いることができる。ゆえに、制御部とは別にアクセスす
ることができ、制御部の結果を処理することができ、他の接続された出力システムの処理
をすることができる。
Claims (11)
- 磁化方向が変化可能で外部歪が印加されていない状態では磁化方向が膜面垂直方向を向いている磁化自由層と、
磁化を有する参照層と、
前記磁化自由層と前記参照層との間に設けられたスペーサー層と、
を備えた積層体と、
前記積層体の膜面垂直方向に通電する一対の電極と、
前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、
前記基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なることを特徴とする歪検知素子または圧力検知素子。 - 磁化方向が変化可能で外部歪が印加されていない状態では磁化方向が膜面垂直方向を向いている磁化自由層と、
磁化を有する参照層と、
前記磁化自由層と前記参照層との間に設けられたスペーサー層と、
を備えた積層体と、
前記積層体の膜面積層面に対して平行方向に通電する一対の電極と、
前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、
前記基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なることを特徴とする歪検知素子または圧力検知素子。 - 前記磁化自由層の磁歪定数の絶対値が10−6以上であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
- 前記磁化自由層は磁性層Mp及び磁性層Mlの少なくとも二つの磁性層の積層膜から形成され、前記磁性層Mpは垂直磁気異方性を示し、前記磁性層Mlの磁歪定数の絶対値が10−4より大きな磁歪定数を示すことを特徴とする請求項1乃至請求項3の何れか1項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
- 前記参照層の磁化方向は外部歪が印加された状態においても固定されていることを特徴とする請求項1乃至請求項4の何れか1項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
- 前記磁性層MpはCoPt−SiO2のグラニュラ膜、TbFe、FePt、CoPt、(Co/Ni)多層膜、(Co/Pd)多層膜、(Co/Pt)多層膜、又は(Co/Ir)多層膜から選択されるいずれかひとつであることを特徴とする請求項4に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
- 前記磁性層MlはTbFe、SmFe、DyFe、FeSiB、FeOx、CoOx、NiOx(0<x<80)、及びNiを含む合金などから選択される、いずれかひとつの材料を含むことを特徴とする請求項4に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
- 前記磁性層Mp、前記磁性層Mlに加え、前記スペーサー層界面に、CoFeB層、またはCoFe層を磁化自由層として有することを特徴とする、
請求項4に記載の歪検知素子または圧力検知素子。 - 前記基板が、Siで形成され、一部薄膜化されたメンブレン構造を有することを特徴とする、前記請求項1〜7記載のいずれか一項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
- 前記基板が、ポリマー材料で形成されていることを特徴とする、前記請求項1〜7記載のいずれか一項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
- 請求項1〜9記載の圧力検知素子を用いた、血圧センサ。
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