JP2023500083A - 電気的に隔絶されたトンネル磁気抵抗応力感知素子を利用した水素ガス・センサ - Google Patents
電気的に隔絶されたトンネル磁気抵抗応力感知素子を利用した水素ガス・センサ Download PDFInfo
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Abstract
Description
変形可能な基板上に位置する磁気抵抗ブリッジ応力センサ、磁気抵抗ブリッジ応力センサを覆う電気的隔絶層、および電気的隔絶層上に位置する磁気シールド層と、
変形可能な基板の上方に位置する水素感知層と、を含み、水素感知層は、電気的隔絶層を覆う基板の変形に直角な平面内に位置し、水素感知層は、水素ガスを吸収または放出して膨張変形または収縮変形を生じさせ、それによって変形可能な基板の応力変化を引き起こすために使用され、磁気抵抗ブリッジ応力センサは、変形可能な基板の応力変化を利用して水素ガス濃度を測定するために使用される、水素ガス・センサを提供する。
ただし、λsは磁歪係数であり、Msは飽和磁化であり、引張応力σが0よりも大きいとき、Hσは、引張応力σの方向に位置し、圧縮応力σが0よりも小さいとき、Hσは、圧縮応力σに直角な方向に位置する。
一座標系において、0よりも大きい引張応力σは、X軸方向に沿った等価磁場Hσに等価であり、0よりも小さい圧縮応力σは、Y軸方向に沿った別の等価磁場Hσに等価である。自由層の磁気モーメントMfおよびY軸が、異なる初期たわみ角度を有するとき、異方性磁場Hkが存在し、自由層の磁気モーメントは、反磁場および他のバイアス磁場の影響を考慮に入れないとき、ある角度で回転させられた後に異方性磁場Hefを有し、ただし、Hefは、磁場HkおよびHσのベクトル和であり、Hefは、自由層の磁気モーメントの最終的な磁気モーメントの向きである。一例として、図9Aに示されるように、自由層の磁気モーメントの回転角β、および自由層の初期磁気モーメントのたわみ角度αをとると、計算は、
X:Hσ+Hk*sinα=Hef*sin(α+β)
Y:Hk*cosα=Hef*cos(α+β) (6)
X:Hk*sinα=Hef*sin(α-β1)
Y:Hσ+Hk*cosα=Hef*cos(α-β1) (8)
プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットの自由層の磁気モーメントおよびプル磁気抵抗センサ・ユニットの自由層の磁気モーメントが、異なる方向におよび同じ角度だけ回転させられるとき、各プル磁気抵抗センサ・ユニットの自由層の初期磁気モーメントがY軸から逸れる角度は、αもしくは180+αであり、αの値の範囲は、0°から360°までであり、自由層が正の磁歪係数を有する材料で作製されて引張応力に耐えるとき、または負の磁歪係数を有する材料で作製されて圧縮応力に耐えるとき、αは0°または180°ではなく、自由層が正の磁歪係数を有する材料で作製されて圧縮応力に耐えるとき、または負の磁歪係数を有する材料で作製されて引張応力に耐えるとき、αは90°または270°ではない。
Claims (13)
- 電気的に隔絶されたトンネル磁気抵抗応力感知素子を利用した水素ガス・センサであって、
変形可能な基板と、
該変形可能な基板上に位置する磁気抵抗ブリッジ応力センサ、該磁気抵抗ブリッジ応力センサを覆う電気的隔絶層、および該電気的隔絶層上に位置する磁気シールド層と、
該変形可能な基板の上方に位置する水素感知層と、を備え、該水素感知層は、該電気的隔絶層を覆う該基板の変形に直角な平面内に位置し、該水素感知層は、水素ガスを吸収または放出して膨張変形または収縮変形を生じさせ、それによって該変形可能な基板の応力変化を引き起こすために使用され、該磁気抵抗ブリッジ応力センサは、該変形可能な基板の該応力変化を利用して水素ガス濃度を測定するために使用される、水素ガス・センサ。 - 前記変形可能な基板は、片持ち梁であり、または
前記変形可能な基板は膜アセンブリであり、該膜アセンブリはフレーム、および該フレームに取り囲まれた膜を備え、前記磁気抵抗ブリッジ応力センサは該膜上に配設される、請求項1記載の水素ガス・センサ。 - 前記変形可能な基板の長さ方向はX軸方向であり、前記変形可能な基板の幅方向はY軸方向であり、前記磁気抵抗ブリッジ応力センサは複数の磁気抵抗センサ・ユニットを備え、その各々は平面X-Yに平行なマルチ・フィルム層スタック構造を備え、該マルチ・フィルム層は順にスタックされているピン止め層、基準層、バリア層、自由層、およびバイアス層を少なくとも備える、請求項2記載の水素ガス・センサ。
- 前記変形可能な基板は、Z軸方向に沿って配置された第1の面および第2の面を有し、
前記磁気抵抗ブリッジ応力センサは、プッシュ・プル・ブリッジ構造を有し、プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットおよびプル磁気抵抗センサ・ユニットを備え、
該プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットは、該第1の面に配設され、該プル磁気抵抗センサ・ユニットは、該第2の面に配設され、該プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットおよび該プル磁気抵抗センサ・ユニットは、同じ大きさで反対方向の応力に耐える、請求項3記載の水素ガス・センサ。 - 各プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の初期磁気モーメントが前記Y軸から逸れる角度はαであり、
前記プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の磁気モーメントおよび前記プル磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の磁気モーメントが、前記ピン止め層の対応する磁気モーメントを得るように同じ角度だけ時計回りまたは反時計回りに同時に回転させられるとき、各プル磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の初期磁気モーメントが前記Y軸から逸れる角度は、90-αもしくは270-αであり、または
前記プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の該磁気モーメントおよび前記プル磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の該磁気モーメントが、異なる方向におよび同じ角度だけ回転させられるとき、各プル磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の該初期磁気モーメントが前記Y軸から逸れる角度は、90+αもしくは270+αであり、
αの値の範囲は、0°から360°までであり、
前記自由層が正の磁歪係数を有する材料で作製されて引張応力に耐えるとき、または負の磁歪係数を有する材料で作製されて圧縮応力に耐えるとき、αは0°または180°ではなく、前記自由層が正の磁歪係数を有する材料で作製されて圧縮応力に耐えるとき、または負の磁歪係数を有する材料で作製されて引張応力に耐えるとき、αは90°または270°ではない、請求項4記載の水素ガス・センサ。 - 前記変形可能な基板は、Z軸方向に沿って配置された第1の面および第2の面を有し、
前記磁気抵抗ブリッジ応力センサは、プッシュ・プル・ブリッジ構造を有し、プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットおよびプル磁気抵抗センサ・ユニットを備え、
該プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットおよび該プル磁気抵抗センサ・ユニットは、同時に該第1の面または該第2の面に配設され、該プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットおよび該プル磁気抵抗センサ・ユニットは、同じ大きさで同じ方向の応力に耐える、請求項3記載の水素ガス・センサ。 - 各プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の初期磁気モーメントが前記Y軸から逸れる角度は、αであり、
前記プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の磁気モーメントおよび前記プル磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の磁気モーメントが、前記ピン止め層の対応する磁気モーメントを得るように90°だけ時計回りまたは反時計回りに同時に回転させられるとき、各プル磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の初期磁気モーメントが前記Y軸から逸れる角度は、180-αもしくは360-αであり、または
前記プッシュ磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の該磁気モーメントおよび前記プル磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の該磁気モーメントが、異なる方向におよび同じ角度だけ回転させられるとき、各プル磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の該初期磁気モーメントが前記Y軸から逸れる角度は、αもしくは180+αであり、
αの値の範囲は、0°から360°までであり、
前記自由層が正の磁歪係数を有する材料で作製されて引張応力に耐えるとき、または負の磁歪係数を有する材料で作製されて圧縮応力に耐えるとき、αは0°または180°ではなく、前記自由層が正の磁歪係数を有する材料で作製されて圧縮応力に耐えるとき、または負の磁歪係数を有する材料で作製されて引張応力に耐えるとき、αは90°または270°ではない、請求項6記載の水素ガス・センサ。 - 前記水素感知層と同じ層内に非水素感知層をさらに備え、
前記片持ち梁は固定部ならびに該固定部の2つの辺にそれぞれ配設されている基準片持ち梁および感知片持ち梁を備え、該基準片持ち梁は基準エリアを備え、該感知片持ち梁は感知エリアを備え、または
前記膜アセンブリは前記フレームに取り囲まれた基準膜および感知膜を備え、該基準膜は基準エリアを備え、該感知膜は感知エリアを備え、
前記水素感知層は該感知エリア内の前記磁気シールド層上に配設され、前記非水素感知層は該基準エリア内の前記磁気シールド層上に配設される、請求項3記載の水素ガス・センサ。 - 前記変形可能な基板の基準エリアおよび感知エリアは、同じ平面上に位置し、
前記磁気抵抗ブリッジ応力センサは、基準ブリッジ構造を有し、基準磁気抵抗センサ・ユニットおよび感知用磁気抵抗センサ・ユニットを備え、
該基準磁気抵抗センサ・ユニットは、該基準エリア内に配設され、該感知用磁気抵抗センサ・ユニットは、該感知エリア内に配設される、請求項8記載の水素ガス・センサ。 - 各基準磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の初期磁気モーメントが前記Y軸から逸れる角度はαであり、各感知用磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の初期磁気モーメントが前記Y軸から逸れる角度はαであり、
前記基準磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の磁気モーメントおよび前記感知用磁気抵抗センサ・ユニットの前記自由層の磁気モーメントは、前記ピン止め層の対応する磁気モーメントを得るように同じ角度だけ時計回りまたは反時計回りに同時に回転させられ、
αの値の範囲は、0°から360°までであり、
前記自由層が正の磁歪係数を有する材料で作製されて引張応力に耐えるとき、または負の磁歪係数を有する材料で作製されて圧縮応力に耐えるとき、αは0°または180°ではなく、前記自由層が正の磁歪係数を有する材料で作製されて圧縮応力に耐えるとき、または負の磁歪係数を有する材料で作製されて引張応力に耐えるとき、αは90°または270°ではない、請求項9記載の水素ガス・センサ。 - 前記磁気抵抗ブリッジ応力センサは、電気伝達ポート・アセンブリを備え、該電気伝達ポート・アセンブリは、前記変形可能な基板と直接接続され、封止材によって前記変形可能な基板上で封止される、請求項1記載の水素ガス・センサ。
- 前記水素感知層は、AB5、AB3、AB2、AB、およびA2B型金属間化合物の少なくとも1つを含み、Aは強金属水素化物形成元素を表し、Bは遷移金属元素を表す、請求項1記載の水素ガス・センサ。
- 前記Aは、希土類金属Ca、Mg、Zr、またはTiとすることができ、前記Bは、Ni、Co、Fe、Mn、またはCrとすることができる、請求項12記載の水素ガス・センサ。
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