JP2023132212A

JP2023132212A - 積層体

Info

Publication number: JP2023132212A
Application number: JP2022037402A
Authority: JP
Inventors: 靖久岡野; Yasuhisa Okano; 隆男野口; Takao Noguchi; 睦子中野; Mutsuko Nakano
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2022-03-10
Filing date: 2022-03-10
Publication date: 2023-09-22

Abstract

【課題】電気出力の向上を図ることができる積層体を提供する。【解決手段】正磁歪膜１１と、負磁歪膜１２と、少なくとも１以上の圧電膜２０と、少なくとも１以上の電極膜３０と、を含む積層体１ａは、圧電膜として、第１圧電膜２０ａと、第２圧電膜２０ｂとを含み、電極膜として、第１電極膜３０ａと、第２電極膜３０ｂとを含み、第１電極膜、第１圧電膜、正磁歪膜、負磁歪膜、第２圧電膜及び第２電極膜の順に積層してある。各構成膜を上記の順序で積層することで、電気出力をより増加させることができる。【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、圧電膜と磁歪膜とを含む積層体に関する。

特許文献１に示すように、圧電膜と磁歪膜とを有する積層体が知られている。この積層体では、離間したところから非接触で送信される磁場や電磁波などのエネルギー（入力信号）を電気出力に変換することができる。そのため、当該積層体を、非接触給電システムなどで用いられる磁気電気変換素子に応用することが期待されている。ただし、上記積層体を、非接触給電システムなどで実用に供するためには、出力の向上を図ることが求められている。

実全昭５８－０４０８５３号公報

本開示は、このような実情を鑑みてなされ、その目的は、電気出力の向上を図ることができる積層体を提供することである。

上記の目的を達成するために、本開示に係る積層体は、
正磁歪膜と、負磁歪膜と、少なくとも１以上の圧電膜と、少なくとも１以上の電極膜とを含む。

本開示の積層体では、外部磁場に対して相反する磁歪挙動を示す正磁歪膜および負磁歪膜を積層することで、圧電膜に生じる歪を増大させることができる。その結果、本開示の積層体では、単一の磁歪膜を積層した従来の積層体よりも、大きな電気出力を得ることができる。

好ましくは、前記積層体が、前記圧電膜として、第１圧電膜と、第２圧電膜とを含み、前記電極膜として、第１電極膜と、第２電極膜とを含み、
前記第１電極膜、前記第１圧電膜、前記正磁歪膜、前記負磁歪膜、前記第２圧電膜、および前記第２電極膜の順に積層してある。
各構成膜を上記の順序で積層することで、電気出力をより増加させることができる。

好ましくは、前記第１圧電膜、または／および、前記第２圧電膜が、エピタキシャル成長した膜である。
エピタキシャル成長した圧電膜に対して、正磁歪膜および負磁歪膜を積層することで、積層体の磁気電気変換係数をより向上させることができる。

好ましくは、非磁性体を含む中間膜が、前記正磁歪膜と前記負磁歪膜との間に積層してある。
正磁歪膜と負磁歪膜との間に中間膜を介在させることで、積層体の強度を高めることができる。また、中間膜により正磁歪と負磁歪とが打ち消しあうことを抑制することができる。

図１Ａは、本開示の一実施形態に係る積層体を示す概略断面図である。図１Ｂは、本開示の他の実施形態に係る積層体を示す概略断面図である。図１Ｃは、本開示の他の実施形態に係る積層体を示す概略断面図である。図１Ｄは、積層体の変形例を示す概略断面図である。図２Ａは、図１Ａに示す積層体を含む磁気電気変換素子の一例を示す平面図である。図２Ｂは、図２Ａに示すIIB－IIB線に沿う断面図である。

以下、本開示を、図面に示す実施形態に基づき詳細に説明する。

第１実施形態
本実施形態に係る積層体１ａは、正磁歪膜１１と、負磁歪膜１２と、少なくとも１以上の圧電膜２０と、少なくとも１以上の電極膜３０と、を含む。積層体１ａに含まれる圧電膜２０の数は、２つであることが好ましい。すなわち、積層体１ａは、図１Ａに示すように、圧電膜２０として、第１圧電膜２０ａおよび第２圧電膜２０ｂを含むことが好ましい。なお、積層体１ａは、２つの電極膜３０を含んでおり、
Ｚ軸下方の電極膜３０を第１電極膜３０ａと称し、Ｚ軸上方の電極膜３０を第２電極膜３０ｂと称する。

積層体１ａを構成する各膜は、いずれもＸ軸およびＹ軸を含む平面に沿って存在しており、Ｚ軸方向に沿って積層してある。具体的に、第１電極膜３０ａ、第１圧電膜２０ａ、正磁歪膜１１、負磁歪膜１２、第２圧電膜２０ｂ、および、第２電極膜３０ｂが、記載の順に積層してあることが好ましい。なお、積層方向の上下は反転していてもよい。つまり、図１Ａでは、Ｚ軸の最下方に第１電極膜２０ａが位置し、Ｚ軸の最上方に第２電極膜２０ｂが位置しているが、上下反転して、Ｚ軸最下方に第２電極膜２０ｂが位置し、Ｚ軸最上方に第１電極膜２０ａが位置していてもよい。なお、図１Ａにおいて、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、相互に垂直である。

図１Ａに示す積層体１ａでは、第１圧電膜２０ａが、第１電極膜３０ａの上面と接しており、正磁歪膜１１が、第１圧電膜２０ａの上面と接している。つまり、第１圧電膜２０ａが、第１電極膜３０ａと正磁歪膜１１との間に挟まれて積層してある。積層体１ａでは、第１圧電膜２０ａで生じた電荷を、第１電極膜３０ａおよび正磁歪膜１１を介して外部に取り出すことができる。また、第１電極膜３０ａおよび正磁歪膜１１を介して、第１圧電膜２０ａに対して電圧を印加することも可能である。本実施形態では、第１電極膜３０ａの下面から正磁歪膜１１の上面までの範囲を、第１積層部と称することとする。

また、積層体１ａでは、第２圧電膜２０ｂが、第２電極膜３０ｂの下面と接しており、負磁歪膜１２が、第２圧電膜２０ｂの下面と接している。つまり、第２圧電膜２０ｂが、負磁歪膜１２と第２電極膜３０ｂとの間に挟まれて積層してある。積層体１ａでは、第２圧電膜２０ｂで生じた電荷を、負磁歪膜１２および第２電極膜３０ｂを介して外部に取り出すことができる。また、負磁歪膜１２および第２電極膜３０ｂを介して、第２圧電膜２０ｂに対して電圧を印加することも可能である。本実施形態では、負磁歪膜１２の下面から第２電極膜３０ｂの上面までの範囲を、第２積層部と称することとする。

本実施形態の積層体１ａでは、負磁歪膜１２の下面が、正磁歪膜１１の上面に直に接しており、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との間に、接合界面８が存在する。

積層体１ａの平面視形状は、特に限定されず、積層体１ａの用途に応じて適宜決定すればよい。また、積層体１ａのＸ軸方向の寸法、および、Ｙ軸方向の寸法は、特に限定されず、積層体１ａの用途に応じて適宜決定すればよい。積層体１ａのＺ軸方向の厚みは、積層体１ａに含まれる各膜の厚みに依存し、各膜の厚みを所定の範囲に制御することが好ましい。

以下、積層体１ａに含まれる各膜の特徴について詳述する。

（磁歪膜）
正磁歪膜１１は、正の磁歪定数を有する磁性材（以下、正磁歪材と称する）で構成してある。一方、負磁歪膜１２は、負の磁歪定数を有する磁性材（以下、負磁歪材と称する）で構成してある。ここで、磁歪（磁気ひずみ）とは、磁場の印加により形状変化（歪）が生じる現象を意味する。また、正磁歪とは、磁性材が磁場の印加方向に沿って伸長することを意味し、正の磁歪定数を有する磁性材が、正磁歪を示す。一方、負磁歪とは、磁性材が磁場の印加方向に沿って収縮することを意味し、負の磁歪定数を有する磁性材が、負磁歪を示す。

具体的に、正磁歪材としては、たとえば、Ｆｅ－Ｃｏ合金、Ｆｅ－Ｇａ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｓｉ合金、Ｆｅ－Ｃｏ－Ｓｉ－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｇａ－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｇａ－Ｓｉ合金、および、Ｆｅ－Ｇａ－Ｓｉ－Ｂ合金などの金属磁性材が挙げられる。正磁歪膜１１は、上記の金属磁性材で構成することができ、上記の金属磁性材のなかでも、特に、アモルファスの軟磁性合金を含むことが好ましい。アモルファスの軟磁性合金としては、たとえば、Ｂ、Ｓｉ、Ｐなどのメタロイド元素を１種以上含むＦｅＣｏ基合金およびＦｅＧａ基合金が挙げられ、このようなＦｅＣｏ基およびＦｅＧａ基のアモルファス合金は正の磁歪定数を有する。なお、正磁歪膜１１におけるメタロイド元素の含有率は、特に限定されないが、たとえば、５０ａｔ％未満とすることが好ましい。

一方、負磁歪材としては、たとえば、Ｆｅ、Ｆｅ－Ｓｍ合金、Ｆｅ－Ｓｍ－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｓｍ－Ｓｉ合金、Ｆｅ－Ｓｍ－Ｓｉ－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｔｂ合金、Ｆｅ－Ｔｂ－Ｂ合金、Ｆｅ－Ｔｂ－Ｓｉ合金、Ｆｅ－Ｔｂ－Ｓｉ－Ｂ合金などの金属磁性材が挙げられる。負磁歪膜１２は、上記の金属磁性材で構成することができ、上記の金属磁性材のなかでも、特に、アモルファスの軟磁性合金を含むことが好ましい。アモルファスの軟磁性合金としては、たとえば、Ｂ、Ｓｉ、Ｐなどのメタロイド元素を１種以上含むＦｅ基合金、ＦｅＳｍ基合金、およびＦｅＴｂ基合金が挙げられ、このようなＦｅ基、ＦｅＳｍ基、およびＦｅＴｂ基のアモルファス合金は負の磁歪定数を有する。なお、負磁歪膜１２におけるメタロイド元素の含有率は、特に限定されないが、たとえば、５０ａｔ％未満とすることが好ましい。

ここで、アモルファスとは、結晶のような長距離秩序は有していないが、短距離秩序は存在する原子配列の状態を意味する。正磁歪膜１１および負磁歪膜１２の原子配列は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による電子線回折、ＴＥＭ像の高速フーリエ変換処理（ＦＦＴ）、ＴＥＭ像の位相コントラストに基づく画像解析、中性子線回折（ＮＤ）などにより解析することができる。Ｘ線回折（ＸＲＤ）や電子線回折において、回折ピークや回折スポットが現れる場合、結晶に起因する長距離秩序が存在すると判断でき、ハローパターンが現れる場合、アモルファスの短距離秩序が存在すると判断できる。なお、長距離秩序と短距離秩序とは併存可能である。

たとえば、ＸＲＤの２θ／θ測定により正磁歪膜１１および負磁歪膜１２の構造解析を実施した場合、各磁歪膜のＸＲＤパターンは、２θ＝３０°～６０°の範囲において、半値幅が０．５°以上のブロードなハローパターンを有することが好ましく、結晶に起因する回折ピークが観測されないことがより好ましい。ＴＥＭの電子線回折で正磁歪膜１１および負磁歪膜１２の構造解析を実施した場合には、輪郭が不鮮明な同心円状のハローパターンが観測されることが好ましく、結晶に起因する回折スポットや、多結晶の存在を示すデバイ・リングは、観測されないことがより好ましい。

なお、正磁歪膜１１または／および負磁歪膜１２がアモルファスの合金組成を有する場合であっても、アモルファス相中に僅かに結晶相が含まれていてもよい。つまり、正磁歪膜１１または／および負磁歪膜１２では、結晶相とアモルファス相とが混在していてもよい。正磁歪膜１１の非晶質化度は、８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。同様に、負磁歪膜１２の非晶質化度は、８０％以上であることが好ましく、９０％以上であることがより好ましく、９５％以上であることがさらに好ましい。

非晶質化度は、たとえば、各磁歪膜の断面に占めるアモルファス相の面積比率により算出することができる。位相コントラストによるＴＥＭ像やＨＲＴＥＭ像では、結晶質部分では、格子が規則的に配列している様子が確認でき、アモルファス部分では、規則性のないランダムな模様が確認できる。そのため、位相コントラストに基づいて、結晶相とアモルファス相とを識別して、アモルファス相の面積割合を概算することができる。

各磁歪膜（１１，１２）において、０．１ｐｐｍの正磁歪または負磁歪が発生する磁場をしきい磁場Ｈ_THとし、飽和磁歪λ_maxに達する磁場を飽和磁場Ｈ_Sとする。積層体１ａでは、正磁歪膜１１における「しきい磁場Ｈ_THから飽和磁場Ｈ_Sまでの範囲Ｒ１」と、負磁歪膜１２における「しきい磁場Ｈ_THから飽和磁場Ｈ_Sまでの範囲Ｒ２」とが、重複していることが好ましい。「Ｒ１とＲ２とが重複する」とは、Ｒ１の一部がＲ２の一部と重複している場合、Ｒ１がＲ２の範囲内に収まっている場合、Ｒ２がＲ１の範囲内に収まっている場合、および、Ｒ１とＲ２とが概ね一致する場合を含む。

正磁歪膜１１の厚みｔ_M１は、特に限定されず、たとえば、ｔ_M１の平均（平均厚み）が、３０ｎｍ～５０００ｎｍの範囲内であることが好ましく、１００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲内であることがより好ましい。面内方向におけるｔ_M１のバラツキは、±５％の範囲内であることが好ましい。また、負磁歪膜１２の厚みｔ_M２（平均厚み）は、特に限定されず、たとえば、ｔ_M１の平均が、３０ｎｍ～５０００ｎｍの範囲内であることが好ましく、１００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲内であることがより好ましい。面内方向におけるｔ_M２のバラツキは、±５％の範囲内であることが好ましい。

積層体１ａでは、ｔ_M１の平均とｔ_M２の平均とが、概ね一致していることが好ましい。具体的に、ｔ_M１の平均に対するｔ_M２の平均の比（ｔ_M２／ｔ_M１）が、０．６７～１．３３であることが好ましく、０．９～１．１であることがより好ましい。

なお、正磁歪膜１１の厚みｔ_M１、および、負磁歪膜１２の厚みｔ_M２は、いずれも、図１Ａに示すような、膜厚方向に沿う積層体１ａの断面を画像解析することで、計測すればよい。そして、平均厚みや厚みのバラツキは、ｔ_M１およびｔ_M２を、それぞれ、少なくとも３箇所で計測することで算出することが好ましい。

（圧電膜）
第１圧電膜２０ａおよび第２圧電膜２０ｂは、いずれも、圧電材料で構成してあり、圧電効果または逆圧電効果を奏する。圧電効果とは、外力（応力）が加わることで電荷を発生する効果を意味し、逆圧電効果とは、電圧を加えることで歪が発生する効果を意味する。このような効果を奏する圧電材料としては、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ₃）、ジルコン酸チタン酸バリウムカルシウム（ＢＣＺＴ：（Ｂａ，Ｃａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、などが例示される。

第１圧電膜２０ａおよび第２圧電膜２０ｂは、上記の圧電材料のうち、特に、ＰＺＴ、ＫＮＮ、およびＢＣＺＴなどのペロブスカイト構造を有する圧電材料を含むことが好ましい。各圧電膜２０が、ペロブスカイト構造を有することで、優れた圧電特性と、高い信頼性と、を両立して得ることができる。なお、各圧電膜２０には、特性を改善するために、適宜副成分が添加してあってもよい。また、第１圧電膜２０ａと第２圧電膜２０ｂとは、同じ材料で構成してあってもよいし、互いに異なる材料で構成してあってもよい。

第１圧電膜２０ａまたは／および第２圧電膜２０ｂは、エピタキシャル成長した膜であることが好ましい。本実施形態の積層体１ａでは、第１圧電膜２０ａおよび第２圧電膜２０ｂが、両方とも、エピタキシャル成長した膜であることがより好ましい。ここで、エピタキシャル成長とは、成膜の際に、膜の結晶が、下地材料の結晶格子に整合する形で、膜厚方向（Ｚ軸方向）および平面方向（Ｘ軸およびＹ軸方向）に揃いながら成長することをいう。そのため、エピタキシャル成長の場合、圧電膜２０は、成膜中の高温状態において、結晶が、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の３軸すべての方向に揃って配向した状態（３軸配向）となる。

なお、３軸配向するようにエピタキシャル成長しているか否かは、薄膜形成過程において反射高速電子線回折評価（ＲＨＥＥＤ評価）を行うことで確認できる。成膜中の膜表面において、結晶配向に乱れがある場合には、ＲＨＥＥＤ像は、リング状に伸びたパターンを示す。一方で、上記のようにエピタキシャル成長している場合には、ＲＨＥＥＤ像は、スポット状またはストリーク状のシャープなパターンを示す。上記のようなＲＨＥＥＤ像は、あくまでも成膜中の高温状態で観測される。

また、エピタキシャル成長した場合、圧電膜２０は、成膜後の室温状態において、結晶粒界がほとんど形成されず、単結晶に近い（完全な単結晶ではない）結晶構造を有する。より具体的に、成膜後における圧電膜２０の結晶構造は、３軸配向したうえで、複数の結晶相を有することが好ましく、また、少なくとも３種のドメイン（域）を含むドメイン構造を有することが好ましい。圧電膜２０がドメイン構造を有することで、圧電特性がより向上する。

圧電膜２０がドメイン構造を有する場合、ドメイン構造の具体的な構成は、使用する圧電材料によって異なる。たとえば、圧電膜２０がＰＺＴのエピタキシャル成長した膜である場合には、正方晶と菱面体晶の少なくとも２種の結晶相を有することが好ましい。そして、この場合、正方晶は、ｃ軸（直方体（結晶格子）の長手方向の軸）が膜厚方向を向いたドメインと、ｃ軸が面内方向を向いたドメインと、を有する。また、菱面体晶の結晶相は、膜厚方向に対して（１００）面が平行となるように配向している。すなわち、圧電膜２０がＰＺＴのエピタキシャル成長した膜である場合には、正方晶の２種のドメインと、菱面体晶のドメインとの計３種のドメインを含むことが好ましい。

一方、圧電膜２０がＫＮＮのエピタキシャル成長した膜である場合には、斜方晶の２種のドメインと、単斜晶の１種のドメインと（計３種のドメイン）を有することが好ましい。上記の場合、斜方晶の２種のドメインとは、斜方晶の（００１）面が膜厚方向に対して略平行となるように配向したドメイン（ａドメイン）と、斜方晶の（０１０）面が膜厚方向に対して略平行となるように配向したドメイン（ｃドメイン）とが存在し得る。また、単斜晶のドメインでは、（１００）面または（０１０）面が膜厚方向に対して略平行となっていることが好ましい。

また、圧電膜２０がＢＣＺＴのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶の２種のドメインと、斜方晶の２種のドメインと（計４種のドメイン）を有することが好ましい。

上述したような複数のドメインは、共通のドメイン境界を挟んで接しているため、各ドメインの結晶軸の向きは、膜厚方向や面内方向から最大数度程度ずれていても良い。また、上述したような複数のドメインは、少なくとも成膜時の高温状態においては、同じ結晶系の同じ方位に配向した等価なドメインであり、成膜後に室温や使用温度に冷却される過程で、より安定な結晶相やドメインに転移することで形成される。

なお、上述したような複数のドメインが混在して存在する様子は、圧電膜２０を、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）の電子線回折またはＸ線回折（ＸＲＤ）などで分析することにより確認できる。たとえば、ＸＲＤを用いてＣｕ-Ｋα線によるθ－２θ測定をした場合、２θ＝４２°～４６°の範囲において、圧電膜２０に由来する反射ピークが確認される。圧電膜２０がドメイン構造を有する場合、この反射ピークは、ドメインの数に応じて複数個観測される場合がある。もしくは、各ドメインに対応する複数のピークが重なることで、半値幅が０．２°以上のブロードな反射ピークとして観測される場合もある。

第１圧電膜２０ａの厚みｔ_P１は、特に限定されず、たとえば、ｔ_P１の平均（平均厚み）が０．５μｍ～１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ～２μｍの範囲内であることがより好ましい。面内方向におけるｔ_P１のバラツキは、±５％の範囲内であることが好ましい。また、第２圧電膜２０ｂの厚みｔ_P２は、特に限定されず、たとえば、ｔ_P２の平均（平均厚み）が０．５μｍ～１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ～２μｍの範囲内であることがより好ましい。面内方向におけるｔ_P２のバラツキは、±５％の範囲内であることが好ましい。

積層体１ａでは、ｔ_P１の平均とｔ_P２の平均とが、概ね一致していることが好ましい。具体的に、ｔ_P１の平均に対するｔ_P２の平均の比（ｔ_P２／ｔ_P１）が、０．６７～１．３３であることが好ましく、０．９～１．１であることがより好ましい。

なお、第１圧電膜２０ａの厚みｔ_P１、および、第２圧電膜２０ｂの厚みｔ_P２は、いずれも、図１Ａに示すような、膜厚方向に沿う積層体１ａの断面を画像解析することで、計測すればよい。そして、平均厚みや厚みのバラツキは、ｔ_P１およびｔ_P２を、それぞれ、少なくとも３箇所で計測することで算出することが好ましい。

（電極膜）
第１電極膜３０ａおよび第２電極膜３０ｂは、いずれも、導電性材料を含む。第１電極膜３０ａと第２電極膜３０ｂとは、同じ材料で構成してあってもよいし、互いに異なる材料で構成してあってもよい。

第１圧電膜２０ａをエピタキシャル成長した膜とする場合、第１電極膜３０ａもエピタキシャル成長した膜であることが好ましい。具体的に、第１電極膜３０ａは、面心立方構造の金属膜、ペロブスカイト構造の酸化物導電体膜、もしくは、面心立方構造の金属膜とペロブスカイト構造の酸化物導電体膜とを含む積層膜であることが好ましい。第１電極膜３０ａが積層膜である場合には、第１圧電膜２０ａと接する上面側に酸化物導電体膜が位置することが好ましい。

なお、面心立方構造の金属膜としては、たとえば、Ｐｔ膜、Ｉｒ膜、Ａｕ膜、および、当該金属元素を１種以上含む合金膜などが挙げられる。また、ペロブスカイト構造の酸化物導電体膜としては、たとえば、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ₃：以下ＳＲＯと略す）膜、および、ニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ₃）膜などが挙げられる。

第２圧電膜２０ｂをエピタキシャル成長した膜とする場合、第２電極膜３０ｂも、エピタキシャル成長した膜であることが好ましい。具体的に、第２電極膜３０ｂは、面心立方構造の金属膜、ペロブスカイト構造の酸化物導電体膜、もしくは、面心立方構造の金属膜とペロブスカイト構造の酸化物導電体膜とを含む積層膜であることが好ましい。第２電極膜３０ｂが積層膜である場合には、第２圧電膜２０ｂと接する下面側に酸化物導電体膜が位置することが好ましい。

第１電極膜３０ａの厚みｔ_E１は、特に限定されず、たとえば、ｔ_E１の平均（平均厚み）は、３ｎｍ～２００ｎｍであることが好ましい。第２電極膜３０ｂの厚みｔ_E２は、特に限定されず、たとえば、ｔ_E２の平均（平均厚み）は、３ｎｍ～２００ｎｍであることが好ましい。また、ｔ_E１の平均とｔ_E２の平均とが、概ね一致していることが好ましい。具体的に、ｔ_E１の平均に対するｔ_E２の平均の比（ｔ_E２／ｔ_E１）が、０．６７～１．３３であることが好ましく、０．９～１．１であることがより好ましい。

積層体１ａにおいて、第１積層部の平均厚みをＴ_U１とし、第２積層部の平均厚みをＴ_U２とすると、Ｔ_U１とＴ_U２とが概ね一致することが好ましい。具体的に、Ｔ_U１に対するＴ_U２の比（Ｔ_U２／Ｔ_U１）は、０．６７～１．３３であることが好ましく、０．９～１．１であることがより好ましい。

正磁歪膜と負磁歪膜とが直に接していると、磁場を印加していない状態で、積層体に反りが生じる場合がある。このように磁場負荷のない状態で積層体に本有的な反りが生じていると、磁場を印加した際において、本有的な反りが、Ｚ軸方向の変位を阻害する恐れがある。本実施形態の積層体１ａでは、正磁歪膜１１の下方、および、負磁歪膜１２の上方に、所定の厚みを有する圧電膜２０を積層している。このような積層順において、第１積層部の厚みと第２積層部の厚みとを概ね等しくすることで、本有的な反りの発生を抑制することができる。その結果、積層体１ａでは、Ｚ軸方向の変位をより大きくすることができ、電気出力をより大きくすることができる。

なお、積層体１ａでは、第１積層部と第２積層部とが後述する熱圧着により接合されている。つまり、正磁歪膜１１の上面と負磁歪膜１２の下面とが熱圧着により接合されて、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との間に接合界面８が形成されている。正磁歪膜と負磁歪膜とが直に接している場合、磁歪膜間の密着が弱いと、正磁歪と負磁歪とが打ち消しあう場合がある。熱圧着により正磁歪膜１１と負磁歪膜１２とを強固に密着させることで、正磁歪と負磁歪とが打ち消しあうことを抑制できる。

積層体１ａに含まれる各膜の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分析（ＥＤＳ）、波長分散型Ｘ線分析（ＷＤＳ）、誘導結合プラズマ発光分光分析（ＩＣＰ）、蛍光Ｘ線分析（ＸＲＦ）、もしくは、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）などを用いて分析することができる。また、上記の分析法を併用して、各膜の組成を分析してもよい。

次に、図１Ａに示す積層体１ａの製造方法の一例について説明する。

まず、第１積層部を形成する第１基板と、第２積層部を形成する第２基板とを準備する。第１基板の材質、および、第２基板の材質は、特に限定されないが、たとえば、単結晶の基板であることが好ましい。単結晶基板としては、Ｓｉ、ＭｇＯ、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ₃）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）などが挙げられる。特に、第１基板および第２基板は、いずれも、表面がＳｉ（１００）面の単結晶となっているシリコン基板（ウェハ）もしくはＳＯＩウェハ（Silicon on Insulator）であることがより好ましい。上記のような単結晶基板を用いることで、圧電膜２０および電極膜３０を、エピタキシャル成長させることができる。

第１基板の表面には、まず、第１電極膜３０ａを形成する。第１電極膜３０ａは、第１電極膜３０ａの材質に応じて公知の成膜方法で形成すればよいが、エピタキシャル成長させることが好ましい。第１電極膜３０ａをエピタキシャル成長させることで、第１電極膜３０ａもエピタキシャル成長させることができる。

次に、第１電極膜３０ａの上に、第１圧電膜２０ａを形成する。第１圧電膜２０ａの成膜方法としては、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、ＣＶＤ法、ＰＬＤ法などの物理的または化学的な方法を用いることができ、特に、スパッタリング法を採用することが好ましい。スパッタリング法では、圧電特性の高い膜を、大面積に安定的に作製することができる。

たとえば、スパッタリング法により第１圧電膜２０ａを形成する場合、安定的にエピタキシャル成長をさせるためには、スパッタリングターゲットの組成、基板温度、成膜速度、ガス組成、真空度、基板－ターゲット間距離などを適正に制御することが好ましい。また、第１圧電膜２０ａがドメイン構造を有するためには、特に、スパッタリングターゲットの組成、基板温度、もしくは、積層する正磁歪膜１１の応力などを制御することが好ましい。

たとえば、スパッタリングターゲットの組成は、圧電材料の材質に応じて、複数のドメインや結晶相が形成されやすい組成を選択すると共に、蒸気圧の高い元素を、化学量論的組成の２０～１２０％増しとすることが好ましい。ＰＺＴを例にとると、Ｐｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表される原子比が、１．２～２．２であることが好ましく、Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表される原子比が、１～１．５となるように制御することが好ましい。

また、基板温度については、５５０～６５０℃となるように制御することが好ましく、正磁歪膜１１の応力は、圧縮応力とすることが好ましい。なお、第１圧電膜２０ａの結晶構造をドメイン構造とする場合、成膜後に、酸化雰囲気において３００℃～５００℃の温度でアニール処理することも効果的である。

正磁歪膜１１は、真空堆積法により、第１圧電膜２０ａの上に形成する。真空堆積法としては、スパッタリング法、真空蒸着法、ＰＬＤ法、イオンビーム蒸着法（ＩＢＤ法）などが挙げられ、特に、スパッタリング法を選択することが好ましい。また、スパッタリング法でアモルファスの正磁歪膜１１を得るためには、真空度、基板温度、不活性ガスの流量、および、成膜圧力などの成膜条件を所定の範囲に制御することが好ましい。

具体的に、成膜時の真空度は、０．１Ｐａ以下とすることが好ましく、０．０５Ｐａ以下であることがより好ましく、０．０２Ｐａ～０．０５Ｐａの範囲内であることがさらに好ましい。成膜時の真空度とは、成膜中における成膜室内のプロセスガスと残留ガス等その他のガスによる圧力の合計を意味しており、値が低いほど真空度が高いことを意味する。一方、成膜前の成膜室内の圧力は、１．０×１０^-5 Ｐａ以下とすることが好ましく、５．０×１０^-6Ｐａ以下であることがより好ましく、１×１０^-6Ｐａ～５．０×１０^-6Ｐａの範囲内であることがさらに好ましい。また、正磁歪膜１１を成膜する前には、プリスパッタを十分に長く実施し、成膜室内に残留する酸素や窒素などの残留ガスを低減することが好ましい。なお、プリスパッタとは、製品への成膜直前にダミー基板へスパッタすることを意味する。

成膜時における第１基板の温度は、２００℃以下であることが好ましく、６０℃未満であることがより好ましく、２５℃（室温）～４０℃の範囲内であることがさらに好ましい。また、供給源であるターゲットから第１基板までの距離は、１００ｍｍ以上であることが好ましい。当該距離の上限は、成膜可能な範囲であればよく、特に限定されない。

また、成膜時には、Ａｒなどの不活性ガスを導入するが、その不活性ガスの流量を多くして、成膜圧力を高くすることが好ましい。具体的に、不活性ガスの流量は３０ｓｃｃｍ超過であることが好ましく、６０ｓｃｃｍ以上であることがより好ましい。不活性ガスの流量の上限は、たとえば、１００ｓｃｃｍ以下である。また、成膜圧力は、０．０１６Ｐａ超過であることが好ましく、０．０３Ｐａ以上であることがより好ましい。成膜圧力の上限は、たとえば、０．０５Ｐａ以下である。なお、単位：ｓｃｃｍは、１ａｔｍ（１０１３ｈＰａ）で２５℃の条件に換算（標準状態換算）した場合の流量ｃｍ³／ｍｉｎを意味する。

上述した方法で、第１電極膜３０ａ、第１圧電膜２０ａ、および、正磁歪膜１１を成膜することで、第１積層部が形成された第１基板が得られる。第２積層部については、第１積層部と同様の方法で、第２基板の上に形成すればよい。つまり、第２基板のうえに、第２電極膜３０ｂ、第２圧電膜２０ｂ、および、負磁歪膜１２を、記載の順に成膜すればよい。この際、第２電極膜３０ｂおよび第２圧電膜２０ｂは、エピタキシャル成長させることが好ましく、負磁歪膜１２はアモルファスが得られる条件で成膜することが好ましい。

次に、第１積層部の表面と、第２積層部の表面とを、向かい合わせて、熱圧着する。具体的に、第１積層部における正磁歪膜１１の表面、および、第２積層部における負磁歪膜１２の表面を、洗浄して、清浄な面とする。そして、正磁歪膜１１の表面に対して負磁歪膜１２の表面を面接触させて、熱および圧力を加えることで、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２とを接合する。当該熱圧着により、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との間に接合界面８が形成される。

上記のように、第１積層部と第２積層部とを接合した後、反応性イオンエッチングなどのドライエッチング、もしくは、異方性ウェットエッチングにより第１基板および第２基板を除去する。この際、第１基板もしくは第２基板のいずれか一方の一部を残存させ、残存させた基板の上に積層体１ａの一部を固定してもよい。もしくは、第１基板および第２基板を完全に除去してもよい。以上の工程により、図１Ａに示す積層体１ａが得られる。

積層体１ａは、基板上に固定せずともよく、基板に固定されていない積層体１ａ自体を磁気電気変換素子として用いることができる。この場合、積層体１ａの端縁において、各電極膜３０および各磁歪膜（１１，１２）に配線を接続するための引出部を設ければよい。たとえば、各磁歪膜に対して配線を接続するためには、電極膜３０の一部を除去し、圧電膜２０を貫通して磁歪膜と電気的に接続するビアホール電極を形成すればよい。

（第１実施形態のまとめ）
第１実施形態に係る積層体１ａは、第１電極膜３０ａ、第１圧電膜２０ａ、正磁歪膜１１、負磁歪膜１２、第２圧電膜２０ｂ、および、第２電極膜３０ｂを含み、これらの膜が記載の順に積層してある。

積層体１ａでは、正磁歪膜１１および負磁歪膜１２が、外部からの磁場（外部磁場）に対して相反する伸縮挙動を示す。たとえば、図１Ａに示す積層体１ａに対して、Ｘ軸方向に沿って特定の直流磁場を印加した場合、正磁歪膜１１はＸ軸方向の外側に向かって伸長し、負磁歪膜１２はＸ軸方向の内側に向かって収縮する。この場合、積層体１ａは、Ｘ軸方向の中央がＺ軸下方に向かって凹むように、大きく変形する。なお、外部磁場を印加する方向は特に限定されず、外部磁場は交流磁場であってもよい。積層体１ａに対して交流磁場を印加した場合は、磁場の周期に従って積層体１ａが振動する。

積層体１ａでは、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２の組合せにより、単一の磁歪膜よりも、磁気歪定数を大きくすることができ、各圧電膜２０（２０ａ，２０ｂ）に生じる歪を増大させることができる。その結果、積層体１ａでは、単一の磁歪膜を積層した従来の積層体よりも、大きな電気出力を得ることができる。

また、積層体１ａでは、基板などによる変形抑制作用を軽減させることができる。特に、積層体１ａは、固定用の基板を完全に除去した状態で、磁気電気変換素子として利用することができる。圧電膜と単一の磁歪膜とを含む従来の積層体の場合、基板を完全に除去すると、電気出力が低下する場合がある。基板と積層体との間に生じる表面張力が消失することで、Ｚ軸方向の変位（反り）が発生し難くなるためと考えられる。本実施形態の積層体１ａでは、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との間の接合界面８において、十分な表面張力を発生させることができ、従来の積層体よりもＺ軸方向の変位をより大きくすることができる。そのため、積層体１ａでは、基板の厚みを薄くするほど、磁歪による変位が増加する傾向となる。そのうえ、積層体１ａでは、積層方向の下方に基板を残存させた場合よりも、基板を完全に除去した場合のほうが、磁歪による変位をより増大させることができ、電気出力をより向上させることができる。

また、積層体１ａでは、正磁歪膜１１の下方に第１圧電膜２０ａおよび第１電極膜３０ａが積層してあると共に、負磁歪膜１２の上方においても第２圧電膜２０ｂおよび第２電極膜３０ｂが積層してある。つまり、２つの圧電膜２０と２つの電極膜３０とが、Ｚ軸方向において、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との界面を中心として、対称的に配置してある。このような積層構造とすることで、磁場負荷がない状態で積層体１ａに本有的な反りが生じることを抑制できる。その結果、磁歪による変位をより増大させることができ、電気出力をより向上させることができる。

正磁歪膜１１と負磁歪膜１２とが直に接していると、正磁歪と負磁歪とが打ち消しあうことがあるが、密着力を向上させた場合、このような相殺現象を抑制できる。つまり、積層体１ａにおいて、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との間に強固な接合界面８を形成することで、正磁歪と負磁歪とが打ち消しあうことを抑制できる。その結果、磁歪による変位をより増大させることができ、電気出力をより向上させることができる。

また、積層体１ａでは、第１圧電膜２０ａまたは／および第２圧電膜２０ｂが、エピタキシャル成長した膜であり、より好ましくは、第１圧電膜２０ａと第２圧電膜２０ｂの両方がエピタキシャル成長した膜である。各圧電膜２０をエピタキシャル成長させて形成することで、圧電特性の改善が図れ、磁気電気変換係数をより向上させることができる。

本実施形態の積層体１ａでは、エピタキシャル成長させた圧電体膜２０ａ上に、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２をエピタキシャル成長で形成し、その上に圧電体膜２０ｂをエピタキシャル成長させて積層構造体を形成してもよい。

第２実施形態
第２実施形態では、図１Ｂに示す積層体１ｂについて説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と共通の構成に関しては、同じ符号を使用し、説明を省略する。

図１Ｂの積層体１ｂは、第１実施形態の積層体１ａと同様に、第１電極膜３０ａ、第１圧電膜２０ａ、正磁歪膜１１、負磁歪膜１２、第２圧電膜２０ｂ、および、第２電極膜３０ｂを含む。そのうえ、積層体１ｂは、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との間に介在する樹脂層４１を含む。第１実施形態では、熱圧着により第１積層部と第２積層部とを接合しているが、第２実施形態の積層体１ｂでは、樹脂層４１が、第１積層部と第２積層部とを接合している。

樹脂層４１は、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２とを接合できる材質で構成してあればよく、樹脂層４１の材質は、特に限定されない。たとえば、樹脂層４１は、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、ユリア樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド、またはレジスト材料などを含むことができ、特に、ポリイミド、またはレジスト材料を含むことが好ましい。また、樹脂層４１の厚みｔ_Rは、特に限定されず、たとえば、ｔ_Rの平均（平均厚み）が、１μｍ～１００μｍであることが好ましく、５μｍ～３０μｍであることがより好ましい。

積層体１ｂの製造では、第１実施形態と同様の方法で、第１基板の上に第１積層部を形成し、第２基板の上に第２積層部を形成する。そして、正磁歪膜１１の表面または／および負磁歪膜１２の表面に、樹脂層４１を構成する樹脂を塗布し、正磁歪膜１１の表面と負磁歪膜１２の表面とを貼り合わせる。その後、第１実施形態と同様に、第１基板および第２基板を除去することで、積層体１ｂが得られる。積層体１ｂの樹脂を用いた製造方法は、熱圧着法を用いた積層体１ａの製造方法よりも、工数を減らすことができ、簡便である。

積層体１ｂでは、熱圧着法を用いる場合よりも、正磁歪膜１１に対する負磁歪膜１２の密着性（接合強度）を高めることができる。そのため、積層体１ｂは、積層体１ａよりも耐久性が優れる。また、積層体１ａでは、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との間に樹脂層４１を介在させることで、正磁歪と負磁歪とが打ち消しあうことをより効果的に抑制することができる。

積層体１ｂの構成は、樹脂層４１が存在すること以外は、積層体１ａの構成と同様であり、積層体１ｂでは、第１実施形態と同様の作用効果が得られる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、図１Ｃに示す積層体１ｃについて説明する。なお、第３実施形態において、第１実施形態と共通の構成に関しては、同じ符号を使用し、説明を省略する。

第１実施形態および第２実施形態では、２つの成膜用基板を準備し、各基板に形成した積層膜を貼り合わせることで、図１Ａおよび図１Ｂに示す積層体（１ａ，１ｂ）を得た。一方、第３実施形態の積層体１ｃは、一連の真空プロセスにより単一の基板上に各膜を積層することで製造する。

第３実施形態の積層体１ｃは、第１電極膜３０ａ、第１圧電膜２０ａ、正磁歪膜１１、中間膜４２、および、負磁歪膜１２を含み、これらの膜が記載の順に積層してある。積層体１ｃに含まれる第１電極膜３０ａ、第１圧電膜２０ａ、正磁歪膜１１、および負磁歪膜１２は、それぞれ、第１実施形態と同様の構成とすることができ、第１実施形態で述べた材質および厚みを有していればよい。積層体１ｃでも、積層体１ａおよび積層体１ｃと同様に、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２とを含むため、単一の磁歪膜を積層した従来の積層体よりも、大きな電気出力を得ることができる。

中間膜４２は、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との間に介在しており、非磁性材で構成してある。たとえば、中間膜４２は、非磁性材として、Ａｌ₂Ｏ₃、ZnO、ZrO₂、TiO₂、AlN、もしくは、Si₃N₂などの無機材料を含むことができ、樹脂よりもヤング率が大きい酸化物を含むことが好ましい。中間膜４２の厚みｔ_Iは、特に限定されないが、ｔ_Iの平均（平均厚み）が、３０ｎｍ～２０００ｎｍであることが好ましく、５０ｎｍ～５００ｎｍであることがより好ましい。

一連の真空プロセスで積層体を製造する場合、正磁歪膜１１の上に直に負磁歪膜１２を成膜すると、正磁歪と負磁歪とが打ち消しあう相殺現象が生じ易くなる。積層体１ｃのように、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との間に非磁性の中間膜４２を介在させることで、相殺現象を効果的に抑制することができる。また、中間膜４２としてヤング率の大きい酸化物膜を積層することで、第１圧電膜２０ａに生じる歪を増加させることができる。そのため、積層体１ｃでは、基板を除去した状態でも、従来よりも大きい電気出力を得ることができる。

積層体１ｃの製造では、第１電極膜３０ａ、第１圧電膜２０ｂ、および正磁歪膜１１は、第１実施形態と同様の方法で成膜すればよく、第１圧電膜２０ｂはエピタキシャル成長させて成膜することが好ましい。中間膜４２は、スパッタリング法などの公知の方法で、正磁歪膜１１の上に形成すればよい。また、負磁歪膜１１は、第１実施形態と同様の方法で、中間膜４２の上に形成すればよい。このように積層体１ｃは、一連の真空プロセス（たとえばスパッタリング法）で製造することができ、第１実施形態および第２実施形態で示す製造方法よりも、工数を削減することができる。

なお、積層体１ｃにおいて、負磁歪膜１２の上に第２圧電膜２０ｂおよび第２電極膜３０ｂを積層してもよい。ただし、一連の真空プロセスで負磁歪膜１２の上に第２圧電膜２０ｂを成膜する場合、当該第２圧電膜２０ｂはエピタキシャル成長させることはできず、等方的な膜となる。

以上、本開示の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々に改変することができる。

（変形例）
たとえば、積層体には、図１Ａ～図１Ｃで図示していない他の膜が含まれていてもよい。上述した各実施形態では、正磁歪膜１１が第１圧電膜２０ａの表面と接していたが、正磁歪膜１１と第１圧電膜２０ｂとの間には他の電極膜が介在していてもよい。同様に、負磁歪膜１２と第２圧電膜２０ｂとの間にも他の電極膜が介在していてもよい。

磁歪膜（１１，１２）と圧電膜２０との間に積層する他の電極膜は、電極膜３０と同様に、Ｐｔ膜、Ｉｒ膜、Ａｕ膜などの金属膜、もしくはＳＲＯなどの酸化物導電体膜とすることができ、金属膜と酸化物導電体膜との積層膜としてもよい。他の電極膜を積層膜とする場合には、圧電膜２０と接する側に酸化物導電体膜を積層することが好ましい。また、上記の他の電極膜の平均厚みは、３ｎｍ～２００ｎｍであることが好ましい。

また、第１電極膜３０ａのＺ軸下方には、バッファ層を積層してもよい。同様に、第２電極膜３０ｂのＺ軸上方にバッファ層を積層してもよい。つまり、成膜用基板の表面にバッファ層を形成し、その後、バッファ層の表面に電極膜３０を積層してもよい。バッファ層は、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、もしくは、１種以上の希土類元素により安定化された酸化ジルコニウム（安定化ジルコニア）を主成分とすることが好ましく、バッファ層がエピタキシャル成長した膜であることが好ましい。バッファ層は、電極膜３０や圧電膜２０の結晶性を制御する機能を有し、バッファ層を形成することで、電極膜３０および圧電膜２０をエピタキシャル成長させ易くすることができる。

また、バッファ層は、エッチングにより成膜用基板（第１基板および第２基板）を除去する際に、エッチングストッパ層としても機能する。バッファ層の平均厚みは、５ｎｍ～１００ｎｍとすることが好ましい。

図１Ａおよび図１Ｂに示す積層体（１ａ，１ｂ）の製造過程では、正磁歪膜１１の表面と負磁歪膜１２の表面とを接合したが、基板側を接合してもよい。たとえば、図１Ｄに示す積層体１ｄでは、正磁歪膜１１、第１圧電膜２０ａ、第１電極膜３０ａ、第２電極膜３０ｂ、第２圧電膜２０ｂ、および、負磁歪膜１２が、記載の順に積層してある。そして、第１積層部と第２積層部の間、すなわち、第１電極膜３０ａと第２電極膜３０ｂとの間には、第１基板５１、樹脂層４１、および第２基板５２が介在している。

つまり、積層体１ｄでは、第１基板５１の下面と第２基板５２の下面とを、第樹脂層４１により接合している。具体的に、第１積層部および第２積層部を形成した後に、エッチングもしくは研削加工などを実施して、第１基板５１および第２基板５２を、それぞれ、所望の厚みとなるまで薄くする。そして、樹脂（樹脂層４１）により第１基板５１の下面と第２基板５２の下面とを貼り合わせる。なお、基板の下面とは、第１積層部または第２積層部が形成してある基板表面の反対側の面を意味する。上記の工程により積層体１ｄを得ることができる。

積層体１ｄにおいて、第１基板５１の平均厚みｔ_S１、および、第２基板５２の平均厚みｔ_S２は、それぞれ、３５０ｎｍ～１０００ｎｍであることが好ましい。積層体１ｄにおいても、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との組み合わせにより、単一の磁歪膜よりも、磁気歪定数を大きくすることができる。ただし、積層体１ｄでは、各積層部よりも剛性が強い基板（５１，５２）を含むため、積層体１ａや積層体１ｂよりも、変形が生じ難い場合がある。

なお、第１基板５１および第２基板５２を除去して、第１電極膜３０ａの表面と第２電極膜３０ｂの表面とを、熱圧着により接合してもよい。この場合、電極膜間の接合界面は、基板同士の結合よりも強固な溶融結合となるため、図１Ｄの積層体１ｄよりも電気出力をより大きくすることができる。

積層体（１ａ，１ｂ，１ｃ，または１ｄ）を含む磁気電気変換素子は、たとえば、エアブリッジ構造（両持ち梁型の構造）やカンチレバー型の構造を有していてもよい。たとえば、図２Ａおよび図２Ｂに示す磁気電気変換素子１００が、積層体１ａを含むエアブリッジ構造の素子の一例である。

磁気電気変換素子１００の基板５０は、Ｘ－Ｙ平面の略中央において、空洞である開口部５５を有する。そして、磁気電気変換素子１００では、積層体１ａが、基板５０の上に形成してあり、開口部５５の上部開口面に跨るようにして存在している。積層体１ａにおいて、開口部５５と対向する部分、すなわち、開口部５５の上方に位置する部分を本体部１０１と称する。図２Ａに示す平面視において、本体部１０１の外周縁と、開口部５５の内周縁とは、互いに接触しておらず、本体部１０１の外周縁と開口部５５の内周縁との間には、隙間が存在する。

積層体１ａのＸ軸方向の両端は、それぞれ固定部（１０２ａ，１０２ｂ）となっており、当該固定部が基板５０の表面に接続してある。また、積層体１ａは、２つの支持部１０３を有し、各支持部１０３が、Ｘ軸方向に沿って、本体部１０１と固定部（１０２ａ，１０２ｂ）とを連結している。

各固定部は、正磁歪膜１１、負磁歪膜１２、および各電極膜３０に対して配線を接続できる構造とすることが好ましい。各固定部の具体的な構造は特に限定されない。たとえば、固定部１０２ａでは、負磁歪膜１２に対して配線を接続できるように、取出電極３ａおよびビアホール電極６が形成してある。固定部１０２ｂでは、第１積層部に存在する正磁歪膜１１および第１電極膜３０ａに対して配線を接続できるように、第２積層部の一部が除去してある。そして、第１圧電膜２０ａを貫通するビアホール電極（図示せず）と、取出電極３ｂとが形成してあり、ビアホール電極を介して第１電極膜３０ａと取出電極３ｂとが導通している。

磁気電気変換素子１００に対して、交流磁場を印加すると、正磁歪膜１１および負磁歪膜１２に磁歪が発生し、積層体１ａの本体部１０１が振動する。つまり、本体部１０１が振動子として機能する。本体部１０１が振動することで、圧電効果により各圧電膜２０（２０ａおよび２０ｂ）に電荷が発生する。このような機構により、外部磁場などの入力信号を電気出力に変換することができる。

なお、積層体（１ａ，１ｂ，１ｃ，または１ｄ）を含む磁気電気変換素子の構造は、特に限定されない。たとえば、磁気電気変換素子は、図２Ａに示すようなエアブリッジ構造が単一の基板上に複数形成されたアレー素子であってもよい。

以下、実施例および比較例を用いて、本開示をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

実施例１
実施例１では、以下に示す手順で、図１Ａに示す構造の積層体試料を製造した。まず、第１基板として単結晶のシリコン基板を用い、当該第１基板の上に第１積層部を形成した。具体的に、第１積層部における第１電極膜３０ａは、Ｐｔ膜と、ＳＲＯ膜の積層構造とし、第１基板の上にＰｔ膜をエピタキシャル成長させた後に、Ｐｔ膜の上にＳＲＯ膜をエピタキシャル成長させた。そして、ＳＲＯ膜の上にエピタキシャル成長させたＰＺＴ膜（第１圧電膜２０ａ）を形成した。なお、Ｐｔ膜、ＳＲＯ膜、およびＰＺＴ膜の成膜時には、ＲＨＥＥＤ評価を行い、各膜がエピタキシャル成長していることを確認した。次に、ＰＺＴ膜の上に、正磁歪膜１１として、アモルファスのＦｅＣｏＳｉＢ合金膜を形成した。当該ＦｅＣｏＳｉＢ合金膜の組成は、Ｆｅが６４ａｔ％、Ｃｏが１６ａｔ％、Ｓｉが８ａｔ％、Ｂが１２ａｔ％であった。なお、上記の各膜はスパッタリング法により形成した。

また、第２基板として単結晶のシリコン基板を用い、当該第２基板の上に第２積層部を形成した。第２積層部における第２電極膜３０ｂは、Ｐｔ膜と、ＳＲＯ膜の積層構造とし、第２基板の上にＰｔ膜をエピタキシャル成長させた後に、Ｐｔ膜の上にＳＲＯ膜をエピタキシャル成長させた。そして、ＳＲＯ膜の上にエピタキシャル成長させたＰＺＴ膜（第２圧電膜２０ｂ）を形成した。なお、Ｐｔ膜、ＳＲＯ膜、およびＰＺＴ膜の成膜時には、ＲＨＥＥＤ評価を行い、各膜がエピタキシャル成長していることを確認した。次に、ＰＺＴ膜の上に、負磁歪膜１２として、アモルファスのＦｅＳｍＳｉ合金膜を形成した。当該ＦｅＳｍＳｉ合金膜の組成は、Ｆｅが６４ａｔ％、Ｓｍが１６ａｔ％、Ｓｉが２０ａｔ％であった。なお、上記の各膜はスパッタリング法により形成した。

次に、熱圧着により第１積層部と第２積層部とを接合した。この際、第１積層部のＦｅＣｏＳｉＢ合金膜と、第２積層部のＦｅＳｍＳｉ合金膜とを面接触させ、この状態で熱と圧力を加えて、ＦｅＣｏＳｉＢ合金膜とＦｅＳｍＳｉ合金膜とを接合した。その後、ＲＩＥエッチングにより、第１基板および第２基板をすべて除去し、実施例１に係る積層体試料を得た。

実施例１の積層体試料において、第１電極膜３０ａの平均厚みは１２０ｎｍ、第１圧電膜２０ａであるＰＺＴ膜の平均厚みは１０００ｎｍ、ＦｅＣｏＳｉＢ合金膜の平均厚みは５００ｎｍ、ＦｅＳｍＳｉ合金膜の平均厚みは６００ｎｍ、第２圧電膜２０ｂであるＰＺＴ膜の平均厚みは１０００ｎｍ、第２電極膜３０ｂの平均厚みは１２０ｎｍであった。また、第１電極膜３０ａにおけるＰｔ膜の平均厚みは１００ｎｍ、ＳＲＯ膜の平均厚みは２０ｎｍであった。同様に、第２電極膜３０ｂにおけるＰｔ膜の平均厚みは１００ｎｍ、ＳＲＯ膜の平均厚みは２０ｎｍであった。

実施例２
実施例２では、図１Ｂに示す構造の積層体試料を製造した。まず、実施例１と同様の方法で、第１積層部と第２積層部とを製造した。実施例２において、第１積層部および第２積層部に含まれる各膜の材質および平均厚みは、実施例１と同じであった。第１積層部および第２積層部を製造した後、ＦｅＣｏＳｉＢ合金膜の表面にポリイミドを塗布し、ＦｅＣｏＳｉＢ合金膜の表面とＦｅＳｍＳｉ合金膜の表面とを当該樹脂により接合した。この樹脂接合により、ＦｅＣｏＳｉＢ合金膜とＦｅＳｍＳｉ合金膜との間に樹脂層４１が形成され、当該樹脂層４１の平均厚みは１２μｍであった。上記以外の実験条件は、実施例１と同様として、実施例２に係る積層体試料を得た。

実施例３
実施例３では、図１Ｃに示す構造の積層体試料を製造した。まず、実施例１と同様の方法で、単結晶のシリコン基板の上に、Ｐｔ膜、ＳＲＯ膜、ＰＺＴ膜、およびＦｅＣｏＳｉＢ合金膜を記載の順に形成した。これらの各膜の平均厚みは実施例１と同様であり、Ｐｔ膜、ＳＲＯ膜、および、ＰＺＴ膜は、いずれもエピタキシャル成長させて成膜した。次に、スパッタリング法によりＰＺＴ膜の表面に、平均厚みが１００ｎｍのＡｌ₂Ｏ₃膜を形成した。そして、このＡｌ₂Ｏ₃膜の表面に、実施例１と同様の方法で、アモルファスのＦｅＳｍＳｉ合金膜を形成した。当該ＦｅＳｍＳｉ合金膜の平均厚みも、実施例１と同様であった。その後、ＲＩＥエッチングによりシリコン基板を除去し、実施例３に係る積層体試料を得た。

比較例１
比較例１では、負磁歪膜１２を含まない積層体試料を製造した。具体的に、単結晶のシリコン基板の上に、Ｐｔ膜、ＳＲＯ膜、ＰＺＴ膜、およびＦｅＣｏＳｉＢ合金膜を記載の順に形成した。比較例１における各膜の平均厚みは、実施例１と同様であった。また、比較例１においても、Ｐｔ膜、ＳＲＯ膜、および、ＰＺＴ膜は、いずれもエピタキシャル成長させて成膜した。比較例１では、シリコン基板を除去せずに、Ｐｔ膜の下方に残存させたままとし、残存しているシリコン基板の平均厚みは３００μｍであった。

比較例２
比較例２では、基板の厚みを比較例１よりも薄くした積層体試料を製造した。比較例２では、成膜用の基板として単結晶のＳＯＩ基板を用い、当該ＳＯＩ基板の上に、Ｐｔ膜、ＳＲＯ膜、ＰＺＴ膜、およびＦｅＣｏＳｉＢ合金膜を記載の順に形成した。そして、ＲＩＥエッチングにより、ＳＯＩ基板の下面側を削り、ＳＯＩ基板の表面に存在するＳｉＯ₂層のみを残存させた。残存したＳｉＯ₂層（基板）の平均厚みは１μｍであった。基板の厚みを変更したこと以外の製造条件は、比較例１と同様とし、比較例２に係る積層体試料を得た。

評価
各実施例および各比較例で製造した積層体試料の磁気電気変換素子としての性能を評価した。具体的に、積層体試料に対して、１ＭＨｚ，±２３８７Ａ／ｍ（±３０Ｏｅ）の交流磁場を印加して、積層体試料に発生する出力電圧をロックインアンプにより測定した。当該評価では、３．０ｍＶ以上の出力が得られた試料を良好と判断した。評価結果を表１に示す。

表１に示すように、単一の磁歪膜を積層した比較例１では、出力電圧が３．０ｍＶ未満であった。比較例２では、基板の厚みを比較例１よりも薄くすることで、出力電圧が、比較例１より僅かに増加したが、比較例２の出力電圧も３．０ｍＶ未満であり、十分な出力向上効果が得られなかった。なお、比較例１および比較例２の積層構造の場合、基板を全て除去すると、出力電圧が比較例１よりも低下してしまった。

一方、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２とを積層した実施例１～３では、比較例１および比較性２よりも出力電圧が向上し、３．０ｍＶ以上となった。特に、実施例１において最も大きい出力電圧が得られた。

以上の結果から、正磁歪膜１１と負磁歪膜１２との組み合わせにより、出力電圧の向上が図れることがわかった。また、実施例１および実施例２のように、第１電極膜３０ａ、第１圧電膜２０ａ、正磁歪膜１１、負磁歪膜１２、第２圧電膜２０ｂ、第２電極膜３０ｂを記載の順に積層することで、より大きい出力電圧が得られることがわかった。また、正磁歪膜１１および負磁歪膜１２を含む積層体では、基板を全て除去することで、基板を残存させる場合よりも、出力電圧の向上効果をより高められることがわかった。

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ … 積層体
１１ … 正磁歪膜
１２ … 負磁歪膜
２０ … 圧電膜
２０ａ … 第１圧電膜
２０ｂ … 第２圧電膜
３０ … 電極膜
３０ａ … 第１電極膜
３０ｂ … 第２電極膜
４１ … 樹脂層
４２ … 中間膜
５１ … 第１基板
５２ … 第２基板
１００ … 磁気電気変換素子

Claims

正磁歪膜と、負磁歪膜と、少なくとも１以上の圧電膜と、少なくとも１以上の電極膜とを含む積層体。
前記積層体が、前記圧電膜として、第１圧電膜と、第２圧電膜とを含み、前記電極膜として、第１電極膜と、第２電極膜とを含み、
前記第１電極膜、前記第１圧電膜、前記正磁歪膜、前記負磁歪膜、前記第２圧電膜、および前記第２電極膜の順に積層してある請求項１に記載の積層体。
前記第１圧電膜、または／および、前記第２圧電膜が、エピタキシャル成長した膜である請求項２に記載の積層体。
非磁性体を含む中間膜が、前記正磁歪膜と前記負磁歪膜との間に積層してある請求項１に記載の積層体。
前記圧電膜がエピタキシャル成長した膜である請求項４に記載の積層体。