JP2015224902A

JP2015224902A - 圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネル

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Publication number: JP2015224902A
Application number: JP2014108501A
Authority: JP
Inventors: 桂増西; Katsura Masunishi; 福澤　英明; Hideaki Fukuzawa; 英明福澤; 慶彦藤; Yoshihiko Fuji; 亜希子湯澤; Akiko Yuzawa; 和晃岡本; Kazuaki Okamoto
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-12-14
Anticipated expiration: 2034-05-26
Also published as: US9952112B2; TW201608220A; JP6275549B2; US20150338300A1

Abstract

【課題】高感度の圧力センサを提供する。【解決手段】一実施形態に係る圧力センサは、支持部、膜部及び磁気抵抗素子を備える。膜部は、前記支持部によって支持され、可撓性を有するものであって、第１領域と、前記第１領域の剛性より低い剛性を有する第２領域と、を含む。磁気抵抗素子は、前記膜部に設けられ、第１磁性層、第２磁性層、及び前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置されたスペーサ層を含む。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルに関する。

ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた圧力センサには、例えば、圧電型、ピエゾ抵抗型、静電容量型などがある。一方、これらの型の圧力センサとは検出原理が異なる、スピン技術を用いた圧力センサが提案されている。スピン技術を用いた圧力センサにおいては、スピンバルブ歪み素子（磁気抵抗素子、ＭＲ素子などとも呼ばれる）により、外部圧力によって生じる異方性の歪みに応じた抵抗変化が検出される。スピン技術を用いた圧力センサにおいて、感度の向上が望まれている。

Patrick R. Scheeper et al., "The Design, Fabrication, and Testing of Corrugated Silicon Nitride Diaphragms", Journal of Microelectromechanical Systems, Vol.3, No.1, March 1994, p.36-42

本発明が解決しようとする課題は、高感度の圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルを提供することである。

一実施形態に係る圧力センサは、支持部、膜部及び磁気抵抗素子を備える。膜部は、前記支持部によって支持され、可撓性を有するものであって、第１領域と、前記第１領域の剛性より低い剛性を有する第２領域と、を含む。磁気抵抗素子は、前記膜部に設けられ、第１磁性層、第２磁性層、及び前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置されたスペーサ層を含む。

第１の実施形態に係る圧力センサを示す斜視図。第１の実施形態に係る圧力センサを示す上面図。第１の実施形態に係る圧力センサの断面図。図２に示したダイヤフラムの第１構造例を示す部分断面図。図２に示したダイヤフラムの第２構造例を示す部分断面図。図２に示したダイヤフラムの第３構造例を示す部分断面図。図１に示した磁気抵抗素子を示す斜視図。第２の実施形態の第１例に係る圧力センサを示す上面図。第２の実施形態の第２例に係る圧力センサを示す上面図。第３の実施形態に係る圧力センサを示す上面図。図３に示したダイヤフラムの第１構造例を示す部分断面図。図３に示したダイヤフラムの第２構造例を示す部分断面図。図３に示したダイヤフラムの第３構造例を示す部分断面図。第４の実施形態に係る圧力センサを示す上面図。第５の実施形態に係る圧力センサを示す上面図。第６の実施形態に係る圧力センサを示す上面図。第７の実施形態に係る圧力センサを示す上面図。第８の実施形態に係るマイクロフォンを示す断面図。図１４に示したマイクロフォンが組み込まれた携帯情報端末を示す正面図。第９の実施形態に係る血圧センサを示す断面図。第１０の実施形態に係るタッチパネルを示すブロック図。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。実施形態は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を用いた圧力センサ、並びに、その圧力センサを用いたマイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルに関する。なお、図面は模式的又は概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。以下の実施形態では、同一の構成要素に同一の参照符号を付して、重ねての説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１及び図２は、第１の実施形態に係る圧力センサを概略的に示す斜視図及び上面図である。図３は、図２に示したIII-III'線に沿って得られる圧力センサの断面を概略的に示している。図１、２及び３において、図を見やすくするために、絶縁部分及び導電部分などを省略している。図１に示される圧力センサは、樹脂基板１１と、樹脂基板１１上に取り付けられたＭＥＭＳチップ２０と、を備える。ＭＥＭＳチップ２０は、熱硬化樹脂などの接着剤（ダイボンド材）を使用して樹脂基板１１に接着固定される。

ＭＥＭＳチップ２０は、樹脂基板１１上に設けられた支持部２１と、支持部２１によって支持された、可撓性のある膜部としてのダイヤフラム２２と、ダイヤフラム２２上に設けられた磁気抵抗素子２３と、を含む。ダイヤフラム２２は、外部圧力が印加されたときに撓み、その上に設けられた磁気抵抗素子２３に歪みを生じさせる。外部圧力は、例えば、押圧、音波、超音波などによる圧力であり得る。磁気抵抗素子２３の電気抵抗は、磁気抵抗素子２３に生じた歪みの大きさに応じて変化する。本実施形態に係る圧力センサは、電気抵抗の変化を検出することで外部圧力をセンシングすることができる。

なお、図１には６つの磁気抵抗素子２３が設けられている例が示されているが、磁気抵抗素子２３の数は、６に限らず、１であってもよく、２〜５又は７以上であってもよい。

支持部２１は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板である。支持部２１は、例えば、図３に示される空洞部２６を有する四角筒形状に形成されている。空洞部２６は、互いに対向する２つの面において開口されている。これら２つの面のうちの一方の面は樹脂基板１１との接着面であり、他方の面側の端部にダイヤフラム２２が固定されている。空洞部２６は、樹脂基板１１及びダイヤフラム２２によって密閉されている。空洞部２６には、空気又は不活性ガスなどの気体が充填されていてもよく、逆に減圧されて真空になっていてもよく、液体が充填されていてもよい。なお、支持部２１の形状は、上述した形状に限らず、ダイヤフラム２２が外部圧力によって撓むことができるようにダイヤフラム２２を支持することができれば、任意の他の形状であってもよい。

ダイヤフラム２２は、アモルファスシリコン（ａ−Ｓｉ）膜、シリコン酸化物（ＳｉＯｘ）膜、アルミニウム酸化物（ＡｌＯｘ）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜などの薄膜によって形成される。ダイヤフラム２２を形成する薄膜は、外部圧力によって撓む部分よりも外側に連続して形成されている場合もある。ここでは、薄膜における外部圧力によって撓む部分をダイヤフラム（膜部）と呼ぶ。膜部は、薄く加工された薄膜領域である。

磁気抵抗素子２３の電気抵抗の変化は、磁気抵抗素子２３に生じる歪み（より詳細には、最大主歪みと最小主歪みとの差分である異方性歪み）が大きいほど大きくなる。このため、圧力センサの感度を高めるには、外部圧力に対してより大きな歪みが発生するようにダイヤフラム２２を形成すればよい。すなわち、圧力センサの高感度化の観点からは、ダイヤフラム２２の曲げ剛性としては低い方が好ましい。例えば、円形ダイヤフラムのばね定数ｋは、下記式（１）で表される。

ここで、Ｅはダイヤフラムのヤング率であり、ｈはダイヤフラムの厚さであり、ａはダイヤフラムの直径であり、νはポアソン比である。また、σは、膜応力を表し、膜応力が引張応力である場合に正の値をとり、膜応力が圧縮応力である場合に負の値をとる。式（１）によれば、ダイヤフラムの曲げ剛性は、ダイヤフラムの膜応力が引張であると増加し、圧縮であると低下する。従って、圧力センサの感度を高めるためには、膜応力を低減する必要がある。ただし、ダイヤフラムの膜応力として過度の圧縮応力が生じた場合、座屈による皺がダイヤフラムに形成される。この場合、ダイヤフラム上に設けられた磁気抵抗素子に適切な歪みが加えられなくなる。

本実施形態及び後述する他の実施形態に係る圧力センサでは、ダイヤフラム２２の一部に低剛性化領域が設けられる。具体的には、ダイヤフラム２２は、図２に示されるように、第１領域２２Ａと、第１領域２２Ａの剛性より低い剛性を有する第２領域２２Ｂと、を含む。第２領域２２Ｂが低剛性化領域に対応する。本実施形態及び後述する他の実施形態では、ダイヤフラム２２の一部に低剛性化領域を設けることにより、ダイヤフラム２２に生じる圧縮応力が部分的に緩和される。それにより、ダイヤフラム２２に皺が発生することを抑制することができる。その結果、圧力センサを高感度化するためにダイヤフラム２２の膜応力をより低減することができる。

本実施形態では、ダイヤフラム２２は、長方形状に形成され、第２領域２２Ｂは、短辺側の両端部に位置し、第１領域２２Ａは、第２領域２２Ｂ間に挟まれた領域である。第１領域２２Ａは、ダイヤフラム２２の長辺側の両端部及び中央部を含む。磁気抵抗素子２３は、第１領域２２Ａの一部の上に配置される。すなわち、磁気抵抗素子２３の位置は、低剛性化領域である第２領域２２Ｂの位置と異なる。図２に示される例では、磁気抵抗素子２３は、長辺側の両端部に３つずつ配置されている。ダイヤフラム２２は、その周縁（２つの長辺及び２つの短辺）において支持部２１に固定されている。長方形のダイヤフラム２２では、長辺側の端部には、短辺側の端部や中央部よりも大きい異方性歪みが生じる。このことから、ダイヤフラム２２の長辺側の端部に磁気抵抗素子２３を配置する方が好ましい。

図４Ａ、図４Ｂ及び図４Ｃを参照して、本実施形態に係るダイヤフラム２２の構造例を説明する。
図４Ａは、図２に示したIV-IV'線に沿う圧力センサの部分断面図であって、ダイヤフラム２２の第１構造例を概略的に示している。図４Ａに示される第１構造例では、第２領域２２Ｂの厚さは、第１領域２２Ａの厚さより薄い。すなわち、ダイヤフラム２２は、第１領域２２Ａよりも第２領域２２Ｂにおいて薄くなるように形成されている。図４Ｂは、図２に示したIV-IV'線に沿う圧力センサの部分断面図であって、ダイヤフラム２２の第２構造例を概略的に示している。図４Ｂに示される第２構造例では、第１領域２２Ａにおけるダイヤフラム２２は、平坦に形成され、第２領域２２Ｂにおけるダイヤフラム２２は、コルゲート形状に形成されている。図４Ｃは、図２に示したIV-IV'線に沿う圧力センサの部分断面図であって、ダイヤフラム２２の第３構造例を概略的に示している。図４Ｃに示される第３構造例では、第２領域２２Ｂのヤング率は、第１領域２２Ａのヤング率よりも低い。具体的には、第２領域２２Ｂは、第１領域２２Ａの材料よりもヤング率の低い材料で形成されている。

なお、ダイヤフラム２２に低剛性化領域を設ける方法は、上述した３つの構造例に限らず、これら３つの構造例のうちの２つ以上を組み合わせて用いてもよく、他の構造を用いてもよい。

図５は、図１に示される６つの磁気抵抗素子２３のうちの１つを概略的に示している。図１に示される磁気抵抗素子２３のうちの残り５つは、図５に示される磁気抵抗素子２３と同様の構造を有し得る。図５では、磁気抵抗素子２３の一部が示されている。磁気抵抗素子２３は、図５に示されるように、第１磁性層５１、第２磁性層５３、及び第１磁性層５１と第２磁性層５３との間に配置された中間層（スペーサ層とも称する）５２を含む。第１磁性層５１及び第２磁性層５３の少なくとも一方は、磁化方向が可変である磁化自由層である。本実施形態では、第１磁性層５１は、磁化自由層であり、第２磁性層５３は、磁化方向が固定された磁化固定層である。中間層５２は、非磁性層である。

磁気抵抗素子２３が歪みセンサとして機能する動作は、「逆磁歪効果」と「磁気抵抗（ＭＲ；ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果」との応用に基づいている。逆磁歪効果は、磁化自由層に用いられる強磁性層において得られる。ＭＲ効果は、磁化自由層と中間層と参照層（例えば磁化固定層）とが積層された積層膜において発現する。

逆磁歪効果は、強磁性体の磁化方向が強磁性体に生じた歪みによって変化する現象である。すなわち、磁気抵抗素子２３の積層膜に外部歪みが印加されると、磁化自由層の磁化方向が変化する。その結果、磁化自由層の磁化方向と参照層の磁化方向との間の相対角度が変化する。この際にＭＲ効果により、電気抵抗の変化が引き起こされる。ＭＲ効果は、例えば、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果又はＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果などを含む。ＭＲ効果は、積層膜に電流を流すことで発現する。積層膜に電流を流すことで、磁化方向の相対角度の変化を電気抵抗変化として読み取ることができる。例えば、積層膜（磁気抵抗素子２３）に歪みが生じ、この歪みによって磁化自由層の磁化方向が変化し、磁化自由層の磁化方向と参照層の磁化方向との間の相対角度が変化する。すなわち、逆磁歪効果によりＭＲ効果が発現する。

磁化固定層に用いられる磁性層は、ＭＲ効果に直接的に寄与する。磁化固定層である第２磁性層５３には、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金が用いられる。具体的には、第２磁性層５３には、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙ合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下であり、ｙは０ａｔ．％以上３０ａｔ．％以下である。）を用いることができる。第２磁性層５３には、例えば、Ｆｅ−Ｃｏ合金などの他の材料を用いてもよい。

中間層５２は、例えば、第１磁性層５１と第２磁性層５３との磁気的な結合を分断する。中間層５２には、例えば、金属又は絶縁体又は半導体が用いられる。金属としては、例えば、Ｃｕ、Ａｕ又はＡｇなどを用いることができる。絶縁体又は半導体としては、例えば、マグネシウム酸化物（ＭｇＯなど）、アルミニウム酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３など）、チタン酸化物（ＴｉＯなど）、亜鉛酸化物（ＺｎＯなど）、又はガリウム酸化物（Ｇａ−Ｏ）などを用いることができる。中間層５２として、例えば、ＣＣＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｃｏｎｆｉｎｅｄ−Ｐａｔｈ）スペーサ層を用いてもよい。中間層５２としてＣＣＰスペーサ層を用いる場合には、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の絶縁層中に銅（Ｃｕ）メタルパスが形成された構造が用いられる。

磁化自由層である第１磁性層５１には、強磁性体材料が用いられる。具体的には、第１磁性層５１の材料として、例えば、ＦｅＣｏ合金、ＮｉＦｅ合金など、Ｆｅ及びＣｏの少なくとも一方を含む合金を用いることができる。或いは、第１磁性層５１には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金、磁歪定数λｓが大きいＦｅ−Ｇａ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｇａ合金、Ｔｂ−Ｍ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｍ１−Ｆｅ−Ｍ２合金、Ｆｅ−Ｍ３−Ｍ−Ｂ合金、Ｎｉ、Ｆｅ−Ａｌ、又はフェライトなどを用いてもよい。

本実施形態に係る圧力センサでは、ダイヤフラム２２に外部圧力が印加されると、ダイヤフラム２２が変形する。これに伴い、磁気抵抗素子２３に歪みが発生する。特に、磁気抵抗素子２３が設けられた長方形ダイヤフラム２２の長辺側の端部には、大きな異方性歪み、すなわち、長手方向の歪みと短手方向の歪みとの差分（最大主歪みと最小主歪みとの差分）が大きい歪みが生じる。さらに、低剛性化領域と異なる第１領域２２Ａに磁気抵抗素子２３を配置することにより、より大きな異方性歪みを磁気抵抗素子２３に生じさせることが可能である。その結果、外部圧力をセンシングする感度を向上することができる。

以上のように、第１の実施形態に係る圧力センサでは、ダイヤフラムの短辺側の両端部に低剛性化領域が設けられている。これにより、ダイヤフラムに皺が発生することなく、ダイヤフラムの膜応力を低減することができる。その結果、圧力をセンシングする感度を向上することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、ダイヤフラム上における低剛性化領域の配置が第１の実施形態と異なっている。具体的には、第２の実施形態では、長方形状に形成されたダイヤフラムの３辺に沿う端部に低剛性化領域が設けられている。第２の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と同様の部分についての説明は適宜省略する。

図６は、第２の実施形態の第１例に係る圧力センサを概略的に示している。図６において、図を見やすくするために、絶縁部分及び導電部分などを省略している。図６に示される圧力センサは、樹脂基板１１、樹脂基板１１上に設けられた支持部２１、支持部２１によって支持された可撓性のあるダイヤフラム２２、及びダイヤフラム２２上に設けられた少なくとも１つの（この例では３つの）磁気抵抗素子２３を備える。

ダイヤフラム２２は、第１領域２２Ａと、第１領域２２Ａの剛性より低い剛性を有する第２領域２２Ｂと、を含む。図６に示される圧力センサでは、ダイヤフラム２２は、長方形状に形成され、第２領域２２Ｂは、ダイヤフラム２２の短辺側の両端部と長辺側の一端部とにわたって位置する。磁気抵抗素子２３は、第１領域２２Ａである長辺側の他端部に配置されている。

図７は、第２の実施形態の第２例に係る圧力センサを概略的に示している。図７において、図を見やすくするために、絶縁部分及び導電部分などを省略している。図７に示される圧力センサでは、第２領域２２Ｂは、ダイヤフラム２２の長辺側の両端部と短辺側の一端部とにわたって位置する。磁気抵抗素子２３は、第１領域２２Ａである短辺側の他端部に配置されている。

第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、圧力センサの感度を向上することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、ダイヤフラム上における低剛性化領域の配置が第１の実施形態と異なっている。具体的には、第３の実施形態では、長方形状に形成されたダイヤフラムの中心部に低剛性化領域が設けられている。第３の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と同様の部分についての説明は適宜省略する。

図８は、第３の実施形態に係る圧力センサを概略的に示している。図８において、図を見やすくするために、絶縁部分及び導電部分などを省略している。図８に示される圧力センサは、樹脂基板１１、樹脂基板１１上に設けられた支持部２１、支持部２１によって支持された可撓性のあるダイヤフラム２２、及びダイヤフラム２２上に設けられた少なくとも１つの（この例では６つの）磁気抵抗素子２３を備える。

ダイヤフラム２２は、第１領域２２Ａと、第１領域２２Ａの剛性より低い剛性を有する第２領域２２Ｂと、を含む。本実施形態では、第２領域２２Ｂは、ダイヤフラム２２の中心部に位置し、円形状である。磁気抵抗素子２３は、第１領域２２Ａである長辺側の両端部に３つずつ配置されている。

図９Ａは、図８に示したIX-IX'線に沿う圧力センサの部分断面図であって、ダイヤフラム２２の第１構造例を概略的に示している。図９Ａに示される第１構造例では、第２領域２２Ｂの厚さは、第１領域２２Ａの厚さより薄い。図９Ｂは、図８に示したIX-IX'線に沿う圧力センサの部分断面図であって、ダイヤフラム２２の第２構造例を概略的に示している。図９Ｂに示される第２構造例は、第２領域２２Ｂにおけるダイヤフラム２２は、コルゲート形状に形成されている。図９Ｃは、図８に示したIX-IX'線に沿う圧力センサの部分断面図であって、ダイヤフラム２２の第３構造例を概略的に示している。図９Ｃに示される第３構造例では、第２領域２２Ｂのヤング率は、第１領域２２Ａのヤング率よりも低い。

第３の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、圧力センサの感度を向上することができる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態は、ダイヤフラム上における低剛性化領域の配置が第１の実施形態と異なっている。具体的には、第４の実施形態は、第１の実施形態と第３の実施形態の組み合わせに対応し、すなわち、長方形に形成されたダイヤフラムの短辺側の両端部と中心部とに低剛性化領域が設けられている。第４の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と同様の部分についての説明は適宜省略する。

図１０は、第４の実施形態に係る圧力センサを概略的に示している。図１０において、図を見やすくするために、絶縁部分及び導電部分などを省略している。図１０に示される圧力センサは、樹脂基板１１、樹脂基板１１上に設けられた支持部２１、支持部２１によって支持された可撓性のあるダイヤフラム２２、及びダイヤフラム２２上に設けられた少なくとも１つの（この例では６つの）磁気抵抗素子２３を備える。

ダイヤフラム２２は、第１領域２２Ａと、第１領域２２Ａの剛性より低い剛性を有する第２領域２２Ｂと、を含む。本実施形態では、第２領域２２Ｂは、ダイヤフラム２２の短辺側の両端部と中心部とに位置する。磁気抵抗素子２３は、第１領域２２Ａである長辺側の両端部に３つずつ配置されている。

第４の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、圧力センサの感度を向上することができる。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、ダイヤフラムの形状及び磁気抵抗素子の配置が第１の実施形態と異なっている。具体的には、第５の実施形態では、ダイヤフラムは円形状に形成されている。第５の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と同様の部分についての説明は適宜省略する。

図１１は、第５の実施形態に係る圧力センサを概略的に示している。図１１において、図を見やすくするために、絶縁部分及び導電部分などを省略している。図１１に示される圧力センサは、樹脂基板１１、樹脂基板１１上に設けられた支持部２１、支持部２１によって支持された可撓性のあるダイヤフラム２２、及びダイヤフラム２２上に設けられた少なくとも１つの（この例では６つの）磁気抵抗素子２３を備える。

ダイヤフラム２２は、第１領域２２Ａと、第１領域２２Ａの剛性より低い剛性を有する第２領域２２Ｂと、を含む。本実施形態では、第２領域２２Ｂは、円形の領域であり、ダイヤフラム２２の中心部に位置する。磁気抵抗素子２３は、ダイヤフラム２２の周縁に沿って配置されている。具体的には、第２領域２２Ｂを介して対向する２つの端部に３つずつ配置されている。

（第６の実施形態）
第６の実施形態は、ダイヤフラムの形状が第１の実施形態と異なっている。第６の実施形態は、第５の実施形態と同様にダイヤフラムが円形状に形成されているが、ダイヤフラム上における低剛性化領域の配置が第５の実施形態と異なっている。具体的には、第６の実施形態では、円形状に形成されたダイヤフラムの周縁部の少なくとも一部分に低剛性化領域が設けられている。第５の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と同様の部分についての説明は適宜省略する。

図１２は、第６の実施形態に係る圧力センサを概略的に示している。図１２において、図を見やすくするために、絶縁部分及び導電部分などを省略している。図１２に示される圧力センサは、樹脂基板１１、樹脂基板１１上に設けられた支持部２１、支持部２１によって支持された可撓性のあるダイヤフラム２２、及びダイヤフラム２２上に設けられた少なくとも１つの（この例では６つの）磁気抵抗素子２３を備える。

ダイヤフラム２２は、第１領域２２Ａと、第１領域２２Ａの剛性より低い剛性を有する第２領域２２Ｂと、を含む。本実施形態では、第２領域２２Ｂは、ダイヤフラム２２の周縁部における２つの部分に位置する。これら２つの部分は、ダイヤフラム２２の中心を介して互いに対向している。磁気抵抗素子２３は、第１領域２２Ａ上においてダイヤフラム２２の周縁に沿って配置されている。具体的には、磁気抵抗素子２３は、ダイヤフラム２２の周縁部のうち、第２領域２２Ｂと異なる２つの部分に３つずつ配置されている。ダイヤフラム２２の周縁部は、第２領域２２Ｂの２つの部分と、これら２つの部分の間に位置する第１領域２２Ａの２つ部分と、を含む。

第６の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、圧力センサの感度を向上することができる。

（第７の実施形態）
第７の実施形態は、ダイヤフラムの形状が第１の実施形態と異なっている。第７の実施形態は、第５の実施形態と第６の実施形態の組み合わせに対応し、円形状に形成されたダイヤフラムの中心部と周縁部の少なくとも一部とに低剛性化領域が設けられている。第７の実施形態では、第１の実施形態と異なる部分について説明し、第１の実施形態と同様の部分についての説明は適宜省略する。

図１３は、第７の実施形態に係る圧力センサを概略的に示している。図１３において、図を見やすくするために、絶縁部分及び導電部分などを省略している。図１３に示される圧力センサは、樹脂基板１１、樹脂基板１１上に設けられた支持部２１、支持部２１によって支持された可撓性のあるダイヤフラム２２、及びダイヤフラム２２上に設けられた少なくとも１つの（この例では６つの）磁気抵抗素子２３を備える。

ダイヤフラム２２は、第１領域２２Ａと、第１領域２２Ａの剛性より低い剛性を有する第２領域２２Ｂと、を含む。本実施形態では、第２領域２２Ｂは、ダイヤフラム２２の中心部と周縁部における２つの部分とに位置する。これら２つの部分は、ダイヤフラム２２の中心部を介して互いに対向している。磁気抵抗素子２３は、ダイヤフラム２２の周縁部のうち、第２領域２２Ｂと異なる２つの部分に３つずつ配置されている。

第７の実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、圧力センサの感度を向上することができる。

なお、ダイヤフラム２２の平面形状は、第１から第７の実施形態において例示した形状（長方形、円形）に限らず、他の形状、例えば、楕円形であってもよい。さらに、ダイヤフラム２２上における第２領域（低剛性化領域）２２Ｂの位置及び磁気抵抗素子２３の配置は、第１から第７の実施形態において説明した例に限らず、適宜変更することができる。ダイヤフラム２２上における第２領域（低剛性化領域）２２Ｂの形状についても、例示した円形に限らず、他の形状、例えば、正方形、長方形、楕円形であってもよい。また、ＭＥＭＳチップ２０が実装される基板は、樹脂基板に限らず、セラミック基板などであってもよい。

（第８の実施形態）
図１４は、第８の実施形態に係るマイクロフォン１４０を概略的に示している。マイクロフォン１４０は、圧力センサ１４１を備える。圧力センサ１４１は、第１から第７の実施形態において説明した圧力センサのいずれか又はその変形であり得る。本実施形態の圧力センサ１４１は、第１の実施形態に係る圧力センサである。

圧力センサ１４１は、樹脂基板１１及びこの樹脂基板１１に実装されたＭＥＭＳチップ２０を含む。樹脂基板１１は、例えば、アンプなどの回路を含む。樹脂基板１１には、ＭＥＭＳチップ２０を覆うように、カバー１４３が設けられている。カバー１４３には、開口１４２が形成されている。音波１４４は、開口１４２を通ってカバー１４３の内部に進入する。

マイクロフォン１４０は、音波１４４の音圧に対して感応する。高感度の圧力センサを用いることにより、広域の周波数に対して感度の高いマイクロフォン１４０が得られる。ダイヤフラムに生じる圧縮応力を緩和させる方法として、ダイヤフラムにスリット又は貫通孔を設ける手法が考えられる。しかしながら、圧力センサをマイクロフォンに利用する場合、スリット又は貫通孔は、低周波領域において音波の周り込みによる感度低下（Ｒｏｌｌ−ｏｆｆ）を招く。本実施形態の圧力センサ１４１では、音波の周り込みによる感度低下（Ｒｏｌｌ−ｏｆｆ）が生じることがなく、低周波領域においても感度が高い。

なお、音波１４４は、可聴域の信号に限らず、超音波であってもよい。ダイヤフラム２２の共振周波数が超音波の周波数帯になるようにダイヤフラム２２を設計することで、マイクロフォン１４０は超音波センサとして機能することができる。さらに好ましくは、超音波では音波１４４の直進性が増すため、開口１４２の位置を圧力センサ１４１のダイヤフラム（図１４には示されていない）の直上に配置する、或いはダイヤフラム直下の樹脂基板１１に開口１４２を設ける。さらに、開口１４２には、防塵用のメッシュを設けることが望ましい。

図１５は、マイクロフォン１４０を携帯情報端末１５０に適用した例を概略的に示している。図１５に示されるように、マイクロフォン１４０は、携帯情報端末１５０の端部に組み込まれている。例えば、マイクロフォン１４０は、圧力センサ１４１に含まれるダイヤフラム２２が携帯情報端末１５０の表示部１５１が設けられた面に対して実質的に平行になるように配置される。なお、ダイヤフラム２２の配置は、図１４に示される配置例に限らず、適宜変更することができる。

なお、マイクロフォン１４０は、図１５に示されるような携帯情報端末１５０に適用される例に限らず、ＩＣレコーダやピンマイクロフォンなどに適用されてもよい。

（第９の実施形態）
図１６は、第９の実施形態に係る血圧センサ１６０を概略的に示している。図１６に示される血圧センサ１６０は、人間の血圧を測定するものであって、圧力センサ１６１を備える。圧力センサ１６１は、第１から第７の実施形態において説明した圧力センサのいずれか又はその変形であり得る。本実施形態の圧力センサ１６１は、第１の実施形態に係る圧力センサであり、小型で高感度な圧力センシングが可能である。
血圧センサ１６０は、圧力センサ１６１を動脈血管１６２の上の皮膚１６３に押し当てることで、連続的に血圧測定を行うことができる。本実施形態によれば、高感度の血圧センサ１６０が提供される。

（第１０の実施形態）
図１７は、第１０の実施形態に係るタッチパネル１７０を概略的に示している。タッチパネル１７０は、図１７に示されるように、複数の第１配線１７４、複数の第２配線１７５、複数の圧力センサ１７１、及び制御部１７６を備える。圧力センサ１７１の各々は、第１から第７の実施形態に係る圧力センサのいずれか又はその変形であり得る。圧力センサ１７１は、ディスプレイの内部及びディスプレイの外部の少なくともいずれかに搭載される。

複数の第１配線１７４は、第１方向に沿って並ぶ。複数の第１配線１７４のそれぞれは、第１方向と交差する第２方向に沿って延びる。複数の第２配線１７５は、第２方向に沿って並ぶ。複数の第２配線１７５のそれぞれは、第１方向に沿って延びる。

複数の圧力センサ１７１のそれぞれは、複数の第１配線１７４と複数の第２配線１７５とのそれぞれの交差部に設けられる。圧力センサ１７１の各々は、検出のための検出要素１７１ｅの１つとなる。ここで、交差部は、第１配線１７４と第２配線１７５とが交差する位置及びその周辺の領域を含む。

複数の圧力センサ１７１のそれぞれの一端１７２は、複数の第１配線１７４のそれぞれと接続される。複数の圧力センサ１７１のそれぞれの他端１７３は、複数の第２配線１７５のそれぞれと接続される。

制御部１７６は、複数の第１配線１７４と複数の第２配線１７５とに接続される。制御部１７６は、複数の第１配線１７４に接続された第１配線用回路１７６ａと、複数の第２配線１７５に接続された第２配線用回路１７６ｂと、第１配線用回路１７６ａと第２配線用回路１７６ｂとに接続された制御回路１７７と、を含む。

圧力センサ１７１は、小型で高感度な圧力センシングが可能である。そのため、高精細なタッチパネルを実現することが可能である。

第１から第７の実施形態に係る圧力センサについては、上記の応用の他に、気圧センサやタイヤの空気圧センサなど、様々な圧力センサデバイスに用いることができる。

実施形態によれば、高感度の圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ及びタッチパネルを提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１１…樹脂基板、２０…ＭＥＭＳチップ、２１…支持部、２２…ダイヤフラム、２２Ａ…領域、２２Ｂ…領域（低剛性化領域）、２３…磁気抵抗素子、２６…空洞部、５１…第１磁性層、５２…中間層、５３…第２磁性層、１４０…マイクロフォン、１４１…圧力センサ、１４２…開口、１４３…カバー、１４４…音波、１５０…携帯情報端末、１５１…表示部、１６０…血圧センサ、１６１…圧力センサ、１７０…タッチパネル、１７１…圧力センサ、１７１ｅ…検出要素、１７４，１７５…配線、１７６…制御部、１７６ａ…配線用回路、１７６ｂ…配線用回路、１７７…制御回路。

Claims

支持部と、
前記支持部によって支持された可撓性のある膜部であって、第１領域と、前記第１領域の剛性より低い剛性を有する第２領域と、を含む膜部と、
前記膜部に設けられ、第１磁性層、第２磁性層、及び前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に配置されたスペーサ層を含む磁気抵抗素子と、
を具備することを特徴とする圧力センサ。
前記第２領域の厚さは、前記第１領域の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記第２領域の前記膜部は、コルゲート形状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記第２領域のヤング率は、前記第１領域のヤング率より低いことを特徴とする請求項１に記載の圧力センサ。
前記磁気抵抗素子は、前記膜部の前記第１領域に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサ。
前記膜部は、長方形状に形成されており、前記第２領域は、前記膜部の短辺側の両端部に位置し、前記磁気抵抗素子は、前記膜部の長辺側の端部に設けられることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
前記膜部は、長方形状に形成されており、前記第２領域は、前記膜部の３辺に沿う端部に位置し、前記磁気抵抗素子は、前記膜部の他の辺に沿う端部に設けられることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
前記第２領域は、前記膜部の中心部に位置する請求項５に記載の圧力センサ。
前記膜部は、長方形状に形成されており、前記第２領域は、前記膜部の短辺側の両端部及び中心部に位置し、前記磁気抵抗素子は、前記膜部の長辺側の端部に設けられることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
前記膜部は、円形状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサ。
前記磁気抵抗素子を複数具備すること特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の圧力センサ。
請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の圧力センサを具備するマイクロフォン、超音波センサ、血圧センサ又はタッチパネル。