JP2016014581A - 圧力センサ、並びに圧力センサを用いたマイクロフォン、血圧センサ、及びタッチパネル - Google Patents
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Abstract
Description
まず、図1等を参照して、第1の実施の形態に係る圧力センサについて説明する。
図1は、第1の実施形態に係る圧力センサ110Aおよび歪検知素子200を例示する模式的斜視図である。なお、図1においては、図を見1やすくするために歪検知素子200のうち一部のみを表示し、また絶縁部分の図示を省略し、主に導電部分を描いている。
空洞部111は、基板110に対してエッチングを施して膜部120が露出するまで基板110を加工することで形成される。
図5(a)は、歪検知素子200に引張の力tsが印加され歪が生じたときの状態(引張状態)に対応する。図5(b)は、歪検知素子200が歪を有しないときの状態(無歪状態)に対応する。図5(c)は、歪検知素子200に圧縮の力csが印加され歪が生じたときの状態(圧縮状態)に対応する。
図6は、歪検知素子200の一の構成例200Aを示す模式的な斜視図である。図6に示す通り、歪検知素子200Aは、下部電極204と、下地層205と、ピニング層206と、第2磁化固定層207と、磁気結合層208と、第1磁化固定層209(第2の磁性層202)と、中間層203と、磁化自由層210(第1の磁性層201)と、キャップ層211と、上部電極212とを下から順に積層してなる。第1磁化固定層209は、第2の磁性層202に相当する。磁化自由層210は、第1の磁性層201に相当する。また、下部電極204は、例えば配線C1(図1)に接続されており、上部電極212は、例えば配線C2(図1)に接続されている。ただし、例えば第1の磁性層201が分割されている場合には、一方の第1の磁性層201に接続された上部電極を配線C1(図1)に接続し、他方の第1の磁性層201に接続された上部電極を配線C2(図1)に接続しても良い。同様に、例えば第2の磁性層202が分割されている場合には、一方の第2の磁性層202に接続された下部電極を配線C1(図1)に接続し、他方の第2の磁性層202に接続された下部電極を配線C2(図1)に接続しても良い。
第1磁化固定層209として、Co−Fe−B合金以外に、例えば、Fe−Co合金を用いてもよい。
歪検知素子200Cの各層の材料は、歪検知素子200Aの各層の材料と同様のものを用いることができる。
歪検知素子200Dの各層の材料は、歪検知素子200Aの各層の材料と同様のものを用いることができる。
この第1の実施の形態の膜部120(振動部121、及び被支持部122)は、いずれもアルミニウム(Al)を含む酸化物(一例としては、酸化アルミニウム)により形成されている。前述のように、空洞部111は、基板110に対してエッチングを施して膜部120が露出するまで基板110を加工することで形成される。しかしその際、膜部120がエッチングされてしまうと、その度合によっては、露出した膜部120の膜厚が場所によって異なってしまい、これにより膜部120に関し所望の特性が得られず、これが圧力センサ110Aの精度の低下に繋がるという問題がある。この問題を、図13A〜図17を参照して説明する。
図17Cは膜部120に-10kPa、−5kPa、−1kPa、-0.5kPa、0kPa、0.5kPa、1、5kPa、10kPaの印加圧力80を加えた場合の図17AのB-B’断面における形状の変化をレーザ顕微鏡M3で測定した結果を示している。膜部120の重心120P1を境に左右の膜の形状が等しく、振動部121が変形した際に振動部121の端部に配置される歪検知素子200に加わる力が等しいことがわかる。
次に、第2の実施の形態に係る圧力センサを、図18を参照して説明する。この第2の実施の形態の圧力センサは、膜部120の構成が第1の実施の形態と異なっている。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。図18において、第1の実施の形態と同一の構成については同一の参照符号を付しているので、以下ではその詳細な説明は省略する。
図19では説明の簡単のため空洞部111の形成された後の状態を示しているが、残留応力σ1、σ2及びσ3はそれぞれ空洞部111形成前に第1膜131、中間膜132及び第2膜133膜に生じている残留応力である。外部からの圧力に対して歪検知素子200に大きな歪みを加え圧力センサ110Aの感度を上げるためには、膜部120の残留応力σの値は0MPaに近い事が望ましい。積層構造からなる膜部120の平均の残留応力σaveは第1膜131、中間膜132、第2膜133の膜厚h1〜h3、及び残留応力σ1〜σ3を使い以下の式で算出される。
σave=(h1*σ1+h2*σ2+h3*σ3)/(h1+h2+h3)
なお、第1膜131はその上方にある歪検知素子200の加工のためのミリングによるエッチングを受け、一方、第2膜133は、空洞部111を加工する際の深堀りRIE法によるエッチングを受ける。もし、エッチングにより第1膜131の膜厚h1、第2膜133の膜厚h3が変化してしまった場合には、数式[数1]から理解される様に膜部120の平均の残留応力値σaveが変化してしまう。
膜部120がモーメントM1を持つため、膜部120は初期状態で撓み65aの大きな凸形状を持つ。その結果、歪検知素子200には大きな圧縮の力Psが加わる。
以上説明したように、第2の実施の形態の圧力センサ110Aは、膜部120の上面、及び下面をアルミニウムを含む酸化物により構成している。このため、上述した第1の実施の形態の効果と同様に、膜部120の膜厚の均一性を担保し、圧力センサ110Aの感度を向上させることができる。すなわち、第2膜133は、空洞部111の形成のためのエッチングにおいてストッパ膜として機能し、第1膜131は、歪検知素子200のパターニングのためのエッチングに置いてストッパ膜として機能する。
次に、第3の実施の形態に係る圧力センサを、図22を参照して説明する。この第3の実施の形態の圧力センサは、膜部120の構成が第1の実施の形態と異なっている。その他の構成は第1の実施の形態と同様である。図22において、第1の実施の形態と同一の構成については同一の参照符号を付しているので、以下ではその詳細な説明は省略する。
以上説明したように、第3の実施の形態の圧力センサ110Aは、膜部120の下面(膜133)をアルミニウムを含む酸化物により構成している。膜部120の上面にはアルミニウムを含む酸化物の膜が無いため、膜部120の上面においては平坦性が若干失われるが、膜部120の下面では、膜133が空洞部111の形成のためのエッチングにおいてストッパ膜として機能させることができる。このため、膜部120の膜厚の均一性を担保することができ、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
次に、第4の実施の形態に係る圧力センサを、図23を参照して説明する。この第4の実施の形態の圧力センサは、膜部120の構成が前述の実施の形態と異なっている。その他の構成は前述の実施の形態と同様である。図22において、前述の実施の形態と前述の構成については同一の参照符号を付しているので、以下ではその詳細な説明は省略する。
膜131は、第2の実施の形態の膜131と同様にアルミニウムを含む酸化物により構成され、膜132は、第2の実施の形態の中間膜132と同一の材料からなる。すなわち、この第4の実施の形態の膜部120は、第2の実施の形態の膜部120から第2膜133を除去した構成とされている。換言すれば、この第4の実施の形態の膜部120は、歪検知素子200の側の第2の表面のみがルミニウムを含む酸化物からなる。更に換言すれば、この第4の実施の形態の膜部120は、アルミニウムを含む酸化物を含む第2膜と、第3膜とを備え、第2膜が第3膜と歪検知素子との間に位置する。なお、膜131の膜厚は、10μm以上300μm以下、より好ましくは20nm以上200nm以下とすることができる。
以上説明したように、第4の実施の形態の圧力センサ110Aは、膜部120の上面(膜131)をアルミニウムを含む酸化物により構成している。膜部120の下面にはアルミニウムを含む酸化物の膜が無いため、膜部120の下面においては平坦性が若干失われるが、膜部120の上面では、膜131が歪検知素子200の形成のためのエッチングにおいてストッパ膜として機能させることができる。このため、膜部120の膜厚の均一性を担保することができ、第1の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
図24Aは振動部121の形状に円形を採用した場合の例で直径は530μmに設計されている。歪検知素子200の一辺の長さは10μmで、1つの振動部121上に2か所に分けて合計20個以上、図示の例では合計30個の歪検知素子が配置されている。歪検知素子200に接続される電極124は振動部121の動きの妨げにならないように可能な限り被支持部122上を通るように取回される。振動部121上の梁123の形状は歪検知素子200の配置方法に合わせて形状を変更可能で、取り除かれる場合もある。
なお、図24A、図24Bにおいては、圧力によって撓む膜部120上には梁123が設けられているが、これら梁123はなくても構わない。梁123は膜部120の上に、膜部120とは異なる材料で形成されたものである。
次に、図25を参照して、第5の実施の形態について説明する。図25は、本実施の形態に係るマイクロフォン150の構成を示す模式的な断面図である。第1〜第4の実施の形態に係る歪検知素子200を搭載した圧力センサ110Aは、例えば、マイクロフォンに搭載する事が出来る。
次に、図26及び図27を参照して、第6の実施の形態について説明する。図26は、第6の実施の形態に係る血圧センサ160の構成を示す模式図である。図27は、同血圧センサ160のH1−H2から見た模式的な断面図である。第1〜第4の実施の形態に係る歪検知素子200を搭載した圧力センサ110Aは、例えば、血圧センサ160に搭載する事が出来る。
次に、図28を参照して、第7の実施の形態について説明する。図28は、第7の実施の形態に係るタッチパネル170の構成を示す模式的な回路図である。タッチパネル170は、図示しない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。
以上、具体例を参照しつつ、第1〜第4の実施の形態に係る歪検知素子200を搭載した圧力センサ110Aの応用例について説明した。しかし、圧力センサ110Aは、第5〜第7に示す実施の形態の他に、気圧センサやタイヤの空気圧センサ等、様々な圧力センサデバイスに応用することができる。
Claims (21)
- 支持部と、
前記支持部に支えられ、可撓性を有する膜部と、
前記膜部に形成される歪検知素子と
を備え、
前記歪検知素子は、前記膜部に形成され磁化を有する第1磁性層と、 磁化を有する第2磁性層と、前記第1磁性層及び前記第2磁性層との間に形成された中間層とを含み、前記第1磁性層の磁化及び前記第2磁性層の磁化の少なくとも一方は、前記膜部の歪に応じてその方向が他方に対し相対的に変化し、
前記膜部がアルミニウムを含む酸化物層を含む
ことを特徴とする圧力センサ。 - 前記膜部は、
前記歪検知素子が載置されアルミニウムを含む酸化物を含む第1膜と、
前記支持部の側に位置しアルミニウムを含む酸化物を含む第2膜と、
前記第1膜と前記第2膜との間に挟まれた第3膜と
を備える請求項1記載の圧力センサ。 - 前記膜部は、
アルミニウムを含む酸化物を含む第1膜と、第3膜を備え、
前記第3膜は前記第1膜と前記歪検知素子の間に位置する、
請求項1記載の圧力センサ。 - 前記膜部は、
アルミニウムを含む酸化物を含む第2膜と、記第3膜を備え、
前記第2膜は前記第3膜と歪検知素子の間に位置する、
請求項1記載の圧力センサ。
- 前記第3膜として、SiNxを含む材料で形成された膜を用いることを特徴とする、請求項2乃至4のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記第1膜の膜厚は10μm以上300μm以下である請求項2又は3記載の圧力センサ。
- 前記第2膜の膜厚は10μm以上300μm以下である請求項2又は4記載の圧力センサ。
- 前記膜部は、アルミニウムを含む酸化物を含む単一の膜からなる請求項1記載の圧力センサ。
- 前記アルミニウムを含む酸化物からなる膜部の膜厚は100μm以上2μm以下である請求項8記載の圧力センサ。
- 前記歪検知素子が、前記支持部と前記膜部との境界上の点と、前記膜部の重心と前記境界上の点とを結ぶ線分の中点との間の位置に配置される、請求項1乃至9のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 20個以上の前記歪検知素子が1つの前記膜部の上に配置されている請求項1乃至10のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記膜部は長方形の形状を有する請求項1乃至11のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記膜部の形状に外接する最小外接矩形は、
第1辺と、前記第1辺と離間する第2辺と、
前記第1辺の一端と前記第2辺の一端とに接続された第3辺と、
前記第1辺の他端と前記第2辺の他端とに接続される第4辺と、
前記最小外接矩形の重心と
を含み、
前記歪検知素子は、前記第1辺と、前記第1辺の両端と前記最小外接矩形の重心とを結ぶ線分とからなる領域と重なる前記膜部の上に、前記第1辺に平行に並べて配置される請求項1乃至9のいずれか1つに記載の圧力センサ。 - 前記可撓性を有する膜部上に配置される前記歪検知素子の周辺に、さらに硬質磁性体が隣接することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記硬質磁性体として、CoPtまたはFePtを含む材料を用いたことを特徴とする、請求項14記載の圧力センサ。
- 前記可撓性を有する膜部上に配置される前記歪検知素子が絶縁性を示すアルミを含む酸化物の層によって埋め込まれることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 請求項1〜16のいずれか1つに記載の圧力センサを備えたマイクロフォン。
- 請求項1〜16のいずれか1つに記載の圧力センサを備えた血圧センサ。
- 請求項1〜16のいずれか1つに記載の圧力センサを備えたタッチパネル。
- 支持部と、
前記支持部に支えられ、可撓性を有する膜部と、
前記膜部に形成される歪検知素子と
を備え、
前記膜部は、
アルミニウムを含む酸化物を含む第1膜と、
アルミニウムを含む酸化物を含む第2膜と、
前記第1膜と前記第2膜との間に挟まれた第3膜と、
を備え、
前記歪検知素子は、歪が印加されたときに電圧が変化する圧電素子を有することを特徴とする圧力センサ。 - 前記第3膜は、
シリコン窒化膜を含むことを特徴とする、
特徴とする請求項20記載の圧力センサ。
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