JP4150013B2 - トンネル効果素子 - Google Patents

Description

本発明は、加速度、圧力、荷重、変位等の物理量を受けて歪を生じ、上記歪に対応した抵抗変化を示すトンネル効果素子に関する

従来の微小検知素子には、磁気部材の一部に磁歪部を有するトンネル磁気抵抗効果素子を、検知対象物の圧力変化を検知するためのセンサー部に備えているものがある（例えば、特許文献１参照。）。以下、この技術を第１の従来例と呼ぶ。
また、従来のトンネル磁気抵抗効果素子を備える応力センサーには、トンネル磁気抵抗効果素子を磁気シールドによって包囲しているものもある（例えば、特許文献２参照。）。以下、この技術を第２の従来例と呼ぶ。
上記した第１及び第２の従来例によれば、抵抗変化量が数百ｍΩと小さいひずみゲージに比べて、（１）ホイートストンブリッジ回路等が不要なため回路構成が簡単である、（２）感圧に寄与する面積が小さいため微細箇所の局所的な変位を検知できる、という利点がある。
特開２００２−１４８１３２号公報（請求項１，［００２８］，［００３５］〜［００３６］、図４，図５） 特開２００３−３７３１２号公報（請求項１，［００２０］〜［００２８］、図１）

ところで、上記した第１の従来例では、（１）検知動作でトンネル磁気抵抗効果素子に一様な外部磁界を印加する必要があること、（２）センサー部として、トンネル磁気抵抗効果素子以外に、磁気抵抗効果素子、巨大磁気抵抗効果素子、磁気インピーダンス素子又は電磁誘導コイルも使用可能であること、からも分かるように、トンネル遷移確率が変化するというトンネル効果素子固有の特性を利用しているわけではない。即ち、上記した微小検知素子の動作原理は、あくまでも磁歪部材に応力が加えられることによりモーメントが回転し、これに起因してトンネル磁気抵抗効果素子の抵抗値が変化するというものである。このため、本来検知すべき圧力に応じた抵抗変化に外乱磁界に起因する抵抗変化がノイズとして加わると、安定した出力が得られないという問題がある。従って、例えば、磁気ディスク装置における加速度センサーや、車載用の衝撃センサーなど、比較的大きな外乱磁界が発生する箇所への応用が困難という問題がある。

一方、上記した第２の従来例によれば、磁気抵抗効果素子を磁気シールドによって包囲しているので、磁気ディスク装置内や自動車内のように、大きな外乱磁界が発生する環境下でも安定した出力が得られる。しかし、この第２の従来例で用いられる磁気抵抗効果素子も、トンネル磁気抵抗効果素子以外に、異方性磁気抵抗効果をもつもの、巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ効果）をもつものも使用可能とあることから、トンネル遷移確率が変化するというトンネル効果素子固有の特性を利用しているわけではない。従って、当然のことながら、検知対象物が磁性材料である場合には、適用することができず、汎用性に欠けるという課題があった。

また、上記した第１の従来例では、絶縁性の基板上に、Ｆｅ２０−Ｎｉ８０膜等のスピン偏磁率の高い導電性磁性薄膜、酸化アルミニウム（アルミナ）（Ａｌ_２Ｏ_３）膜及びＦｅ−Ｃｏ５０膜等の磁歪定数の大きな磁性薄膜を順次積層することにより、トンネル磁気抵抗効果素子を構成している。即ち、トンネル障壁（バリア）を挟む下側薄膜と上側薄膜の材料が異なっているため、それぞれの熱膨張係数に差があると思われる。このため、検知対象物がおかれた環境で温度変動があると、トンネルバリア周辺部で熱膨張応力が発生し、サーマルドリフト等の原因となるおそれがある。なお、上記した第２の従来例では、トンネル磁気抵抗効果素子の具体的な構成及び材料については、何ら開示も示唆もされていないため、上記した課題を解決することはできない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、上述のような課題を解決することができるトンネル効果素子及び物理量／電気量変換器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係るトンネル効果素子は、
共に導電性を有する下部電極と上部電極との間に単一のトンネル障壁を形成する絶縁層が挟まれた構造と、前記絶縁層、前記下部電極及び前記上部電極からなるセンサー部を取り囲み、かつ検知対象物の表面に形成され、該検知対象物のたわみを前記センサー部に伝達する絶縁性の酸化物からなる伝達部材と、を具備することを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１記載のトンネル効果素子に係り、前記トンネル効果素子は、前記検知対象物の応力変化を電気抵抗変化として検出することを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のトンネル効果素子に係り、前記絶縁層における前記単一のトンネル障壁を形成する箇所を挟んで前記下部電極と前記上部電極とが互いに平面状に対向する構造を有することを特徴としている。
また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれかに記載のトンネル効果素子に係り、前記絶縁層における前記単一のトンネル障壁を形成する箇所の厚さが０．４〜２．５ｎｍの範囲であることを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネル効果素子に係り、抵抗値と面積との積である面積抵抗率が１００ｋΩ・μｍ^２以下であることを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載のトンネル効果素子に係り、前記下部電極及び前記上部電極は、非磁性体であることを特徴としている。
また、請求項７記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載のトンネル効果素子に係り、前記下部電極及び前記上部電極は、同一の材質であることを特徴としている。
また、請求項８記載の発明は、請求項１乃至７のいずれかに記載のトンネル効果素子に係り、内部に、応力に基づく±３％以内の歪が内在していることを特徴としている。

本発明によれば、下部電極と上部電極の熱膨張係数の違いによるドリフトの影響を受けることなく、また外来磁場からの影響を受けにくく、汎用性を有するトンネル効果素子を提供することができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るトンネル効果素子１の構成を示す外観図、図２は、図１に示すトンネル効果素子１を構成するセンサー部２の外観構成を示す斜視図、図３は、図１に示すトンネル効果素子１を検知対象物２１に実装した状態を示す一部透視斜視図である。この例のトンネル効果素子１は、センサー部２と、配線部３及び４とから構成されており、その周囲には伝達部材（充填材）５が充填されている。センサー部２は、図２に示すように、トンネルバリアを構成する絶縁層１１と、下部電極１２と、上部電極１３とから構成されている。絶縁層１１は、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等からなり、略円柱状を呈している。絶縁層１１は、直径が、例えば、約１００ｎｍ、厚さが、例えば、約１ｎｍである。下部電極１２及び上部電極１３は、いずれも、例えば、非磁性体であって、良導体であるタンタル（Ｔａ）等からなり、略円柱状を呈している。下部電極１２及び上部電極１３は、いずれも、直径が、例えば、約１００ｎｍ、厚さが、例えば、約３０ｎｍである。

また、図１において、配線部３は、例えば、銅（Ｃｕ）等からなる。配線部３は、平面より見て略Ｔ字状を呈するプレート部３ａと、略円柱状を呈する柱状部３ｂと、略円盤状を呈するパッド部３ｃとから構成されている。プレート部３ａは、幅広部３ａａと、幅狭部３ａｂとが一体に形成されている。プレート部３ａの厚さは、例えば、２００ｎｍである。幅広部３ａａの略中央上面は、下部電極１２の下面と電気的に接続されている。一方、幅狭部３ａｂの幅広部３ａａとは反対側の端部上面は、柱状部３ｂの下面と電気的に接続されている。また、柱状部３ｂの上面は、パッド部３ｃの下面と電気的に接続されている。パッド部３ｃの上面には、金（Ａｕ）等からなるプローブ６が接触されており、プローブ６の図示せぬ他端は、図示せぬ検知回路と電気的に接続されている。

また、配線部４は、例えば、銅（Ｃｕ）等からなる。配線部４は、平面より見て略Ｔ字状を呈するプレート部４ａと、略円盤状を呈するパッド部４ｂとから構成されている。プレート部４ａは、幅広部４ａａと、幅狭部４ａｂとが一体に形成されている。プレート部４ａの厚さは、例えば、２００ｎｍである。幅広部４ａａの略中央下面は、図１には示していないが、上部電極１３の上面と電気的に接続されている。一方、幅狭部４ａｂの幅広部４ａａとは反対側の端部上面は、パッド部４ｂの下面と電気的に接続されている。パッド部４ｂの上面には、金（Ａｕ）等からなるプローブ７が接触されており、プローブ７の図示せぬ他端は、図示せぬ検知回路と電気的に接続されている。

充填材５は、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の絶縁物からなる。充填材５は、例えば、図３に示すように、検知対象物２１の上面に、トンネル効果素子１を、検知対象物２１の挙動が充填材５を介してトンネル効果素子１に効率良く伝達するように、トンネル効果素子１の周囲に固く充填する。以上説明したトンネル効果素子１及び充填材５のうち、トンネル効果素子１を構成する絶縁層１１以外は、検知対象物の上面に、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、真空蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術、リソグラフィ（lithography）技術、エッチング技術、メッキ技術等を用いて、形成する。

一方、絶縁層１１を酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）で構成する場合には、（１）金属アルミニウムを下部電極１２上に形成した後、大気中で自然酸化させる、（２）金属アルミニウムを下部電極１２上に形成した後、大気中、真空中でプラズマ酸化法によって酸化させる、（３）酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）膜をＣＶＤ法、真空蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術で形成する、いずれかの方法で形成する。

次に、センサー部２のサイズ、形状、材質等を上記したように設定した理由について説明する。まず、センサー部２は、微細箇所の局所的な変位を検知するためには、小さければ小さいほど良いことがいうまでもないが、センサー部２を小さくすると、一般的には、抵抗値が高くなるとともに、加工上の問題もある。また、センサー部２の抵抗値が高い場合（例えば、１００ＭΩ以上）、下部電極１２と上部電極１３との間に印加すべき電圧が高くなってしまい、直流電源に一般的でない回路素子を用いなければならなくなる。一方、センサー部２の抵抗値が低い場合（例えば、１０Ω以下）、絶縁層１１においてリーク電流が発生するおそれがある。従って、センサー部２の抵抗値は、１００Ω〜１ＭΩであることが好ましい。

そこで、センサー部２が小さくなってもセンサー部２の抵抗値を１００Ω〜１ＭΩに維持するためには、センサー部２の抵抗値と面積との積である面積抵抗率ＲＡ（Resistance Area Product）を低く抑える必要があり、本発明者らが鋭意検討した結果、面積抵抗率ＲＡは、１００ｋΩ・μｍ^２以下であることが好ましいことが判明した。図４は、略円柱状を呈しているセンサー部２の直径と面積抵抗率ＲＡとの関係について概算した結果を示している。図４において、ハッチングを施した範囲が実用的な範囲である。そこで、この実施の形態１では、センサー部２の直径を１００ｎｍとしている。また、センサー部２の直径が１０ｎｍ以下である微細なセンサーを設計する場合は、面積抵抗率ＲＡは、１ｋΩ・μｍ^２以下であることが好ましい。

次に、センサー部２を構成する絶縁層１１の厚さと面積抵抗率ＲＡとの関係について説明する。まず、本発明者らは、センサー部２は、以下に示す動作原理に基づいて動作しているものと考えている。
（ａ）センサー部２に加速度、圧力、荷重、変位等の物理量が印加されると、その物理量がトンネルバリアを構成する絶縁層１１に伝達され、絶縁層１１が歪む。絶縁層１１の歪みとして最も顕著なものは、絶縁層１１の厚さである。
（ｂ）絶縁層１１の厚さが変化すると、センサー部２の抵抗値が対数関数的に変化する。

従って、センサー部２は、印加される物理量に対して大きな抵抗値変化を得るためには、絶縁層１１の厚さが重要な要素である。図５は、センサー部を構成する下部電極の上面に形成されたアルミニウムの厚さと面積抵抗率ＲＡとの関係を示す一例である（小林和雄、外２名、「トンネル型巨大磁気抵抗 スピンバルブ型トンネル接合」、まてりあ、Materia Japan 第３７巻 第９号(1998)、p.736-740参照）。ここで、アルミニウムの厚さとは、センサー部を構成する絶縁層を酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）で構成する際に下部電極上に形成し、自然酸化させる前の金属アルミニウムの厚さをいう。図５から分かるように、面積抵抗率ＲＡは、アルミニウムの厚さが１．３ｎｍより薄い領域において、アルミニウムの厚さに対する依存性が大きく、センサー部として大きな抵抗変化が得られる。

本発明者らは、アルミニウムの厚さが上記図５に示すものよりさらに薄い領域について、アルミニウムの厚さと面積抵抗率ＲＡとの関係を実験的に求めた。図６は、その実験的に求めたアルミニウムの厚さと面積抵抗率ＲＡとの関係の一例を示している。図６に示す実験結果は、下部電極及び上部電極として、厚さ３０ｎｍを有するタンタル（Ｔａ）膜を用いている。図６では、アルミニウムの厚さが１０％変化すると、面積抵抗率ＲＡが７０％だけ線形的に変化していることが分かる。つまり、面積抵抗率ＲＡは、アルミニウムの厚さが１．３ｎｍ以下の領域において、アルミニウムの厚さに対する依存性が大きく、センサー部２として大きな抵抗変化が得られる。１．３ｎｍのアルミニウムは２．０ｎｍ〜２．５ｎｍの酸化アルミニウム膜となるので、本実施の形態１では、絶縁層１１の厚さを約１ｎｍとしている。面積抵抗率ＲＡが線形的に変化する上限の厚さは、その材質が変わっても大きく変化するものではない。絶縁層１１の厚さの下限は、均一な成膜が可能な０.４ｎｍ程度である。

また、絶縁層１１、下部電極１２及び上部電極１３がいずれも略円柱状を呈し、トンネル接合部分が円形状としているのは、加工のしやすさを重視したためであり、絶縁層１１、下部電極１２及び上部電極１３の形状及びトンネル接合の形状は、これらの加工上問題がなければ略四角柱状及び矩形状等、どのような形状でも良い。次に、センサー部２を構成する下部電極１２及び上部電極１３は、いずれも、非磁性体であって、良導体であるタンタル（Ｔａ）等から構成されている。従って、下部電極１２及び上部電極１３の熱膨張係数は同一であるため、熱膨張係数の違いによるドリフトの影響を受けることはない。下部電極１２及び上部電極１３は、タンタル（Ｔａ）等の非磁性体から構成されているため、外来磁場からの影響を受けにくい。

次に、上記した構成を有するトンネル効果素子１を検知対象物に実装した場合に得られる抵抗変化率について説明する。図７に示すように、例えば、ＡｌＴｉＣ等からなる略角柱状の検知対象物２２の正面に所定間隔で複数のトンネル効果素子１を形成するとともに、充填材５を充填する（図示略）。検知対象物２２の幅は、約０．２５ｍｍである。図７では、１個のトンネル効果素子１だけを示している。図８は、図７のＡの部分の拡大図である。検知対象物２２の中心Ｏから０．１ｍｍだけオフセットしたところにトンネル効果素子１を構成するセンサー部２が位置するようにトンネル効果素子１を実装する。そして、検知対象物２２の上面に４０ｍｍの間隔（支点間距離）を開けて支持部材２３及び２４で支持しつつ、検知対象物２２下面を下方より上方に向けて押し込んで、１ｍｍ程度、検知対象物２２を下方にたわませる。この時、各トンネル効果素子１の２つのパッド３ｃ及び４ｂに各１対のプローブを同時に接触させて抵抗値を測定する。これにより、図９に示すように、０．２％（無負荷抵抗：約３００Ω）の抵抗変化を確認することができた。なお、トンネル効果素子１の内部には、その製造の過程で生じる応力に起因して、最大±３％の歪が内在することがあるが、この内在歪は、トンネル効果素子１の構成要素の弾性変形の範囲内である。従って、トンネル効果素子１による応力変化の検出は、その内在歪を前提として行われる。

以下においては、検知対象物２２をたわませることよりセンサー部２で生じるひずみを算出して、これに基づくセンサー部２の抵抗変化率について概算する。図１０は、センサー部２の抵抗変化率を概算するための模式図である。図１０において、ｈは、上記支点間距離の半分であり、今の場合、２０ｍｍである。また、ａは、検知対象物２２をたわませるために押し込んだ量（押し込み量）であり、今の場合、１ｍｍである。さらに、ｒは、検知対象物２２の中心線Ｏを円周とした曲率半径である。従って、ｈ、ａ及びｒの間には、式（１）の関係がある。
ｒ^２＝ｈ^２＋（ｒ−ａ）^２・・・（１）
式（１）に、ｈ＝２０ｍｍ、ａ＝１ｍｍを代入すると、曲率半径ｒは２００．５ｍｍとなる。

ここで、図８に示すように、センサー部２は、検知対象物２２の中心Ｏから０．１ｍｍだけオフセットしているので、センサー部２の曲率半径は、２００．４ｍｍとなる。従って、センサー部２における横圧縮率は、式（２）で示すように、０．０４９％となる。
｛（２００．５−２００．４）／２００．５｝×１００＝０．０４９（％）・・・（２）
センサー部２を横方向から押圧した場合における絶縁層１１の膜厚の変化率は、絶縁層１１を酸化アルミニウムで構成した場合、酸化アルミニウムのポアッソン比が０．２４であることから、式（３）で表される。
０．２４×０．０４９＝０．１１７６≒０．０１２（％）・・・（３）

図６に示すアルミニウムの厚さと面積抵抗率ＲＡとの関係より、アルミニウムの厚さが１０％変化すると面積抵抗率ＲＡが７０％変化することが経験的にわかっている。今の場合、絶縁層１１の厚さが０．０１２％だけ変化しているので、抵抗変化率は、式（４）に示すように、０．０８４％と概算することができる。
０．０１２×７０／１０＝０．０８４（％）・・・（４）
この概算値「０．０８４％」と、実測値「０．２％」とを比較すると、概算値が若干小さい。しかし、測定誤差や概算する際に考慮しなかった要素、例えば、センサー部２の周辺の立体構造等の影響など、様々な要因が考えられるので、上記概算値は、妥当であると考えられる。

次に、図１１に示すように、略角柱状の検知対象物３１の正面に所定間隔で複数のトンネル効果素子１を形成するとともに、充填材５を充填する（図示略）。図１１の検知対象物３１の幅は、図７に示す検知対象物２２と同様に、約０．２５ｍｍであり、同じく検知対象物３１の中心Ｏから０．１ｍｍだけオフセットしたところに図示しないトンネル効果素子が実装されている。そして、検知対象物３１に何ら外力を加えない状態を初期状態（ＳＳ）とした後、上方湾曲（ＵＢ）、リリース状態（ＲＥ）、下方湾曲（ＤＢ）及びリリース状態（ＲＥ）を１サイクルとして、２サイクルだけ実行しつつ、各トンネル効果素子１の２つのパッド３ｃ及び４ｂに各１対のプローブ２５を同時に接触させて抵抗値を測定する。

ここで、上方湾曲（ＵＢ）とは、図１２（ａ）に示すように、検知対象物３１の下面に４０ｍｍの間隔（支点間距離）を開けて支持部材３２及び３３で支持しつつ、検知対象物２２上面を上方より下方により押し込んで、２ｍｍ程度、検知対象物３１を上方にたわませることをいう。一方、下方湾曲とは、図１２（ｂ）に示すように、検知対象物３１の上面に４０ｍｍの間隔（支点間距離）を開けて支持部材３２及び３３で支持しつつ、検知対象物２２下面を下方より上方により押し込んで、２ｍｍ程度、検知対象物３１を下方にたわませることをいう。

図１３に測定結果の一例を示す。図１３において、折れ線ａは、図１１に示す領域ａにおける抵抗変化率の特性、折れ線ｂは、図１１に示す外力が何ら印加されない領域ｂにおける抵抗変化率の特性、折れ線ｃは、図１１に示す外力が何ら印加されない領域ｃにおける抵抗変化率の特性を示している。図１３から、上方湾曲（ＵＢ）と下方湾曲（ＤＢ）とでは、ほぼ逆の特性を示していることが分かる。即ち、このトンネル効果素子１は、検知対象物３１の湾曲方向をも検知することができる。

このように、本発明の実施の形態１によれば、抵抗変化量が数百ｍΩと小さいひずみゲージに比べて、（１）ホイートストンブリッジ回路等が不要なため回路構成が簡単である、（２）感圧に寄与する面積が小さいため微細箇所の局所的な変位を検知できる、というトンネル効果素子一般の効果はもちろん得られる。さらに、本発明の実施の形態１によれば、下部電極１２及び上部電極１３は、いずれも、非磁性体であって、良導体であるタンタル（Ｔａ）等から構成されている。従って、下部電極１２及び上部電極１３の熱膨張係数は同一であるため、熱膨張係数の違いによるドリフトの影響を受けることはなく、また外来磁場からの影響を受けにくい。このため、磁気ディスク装置内や自動車内のように、大きな外乱磁界が発生する環境下においても、安定した出力が得られる。さらに、検知対象物が磁性材料であっても適用することができるので、十分に汎用性がある。

実施の形態２．
図１４は、本発明の実施の形態２に係るトンネル効果素子を構成するセンサー部４１の外観構成を示す平面図である。この例のセンサー部４１は、トンネルバリアを構成する絶縁層４２ｘ及び４２ｙと、下部電極４３と、上部電極４４ｘ及び４４ｙとから構成されている。絶縁層４２ｘ及び４２ｙは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等からなり、略直方体状を呈している。絶縁層４２ｘ及び４２ｙは、厚さが、例えば、約１ｎｍである。絶縁層４２ｘは、図示しない検知対象物の矩形状の一区画上に、検知対象物の挙動を絶縁層に伝達する伝達部材４６を介して、図中ｘ方向に平行に形成されている。一方、絶縁層４２ｙは、図示しない検知対象物の矩形状の一区画上に、上記伝達部材４６を介して、図中ｙ方向に平行に形成されている。

下部電極４３、上部電極４４ｘ及び４４ｙは、いずれも、例えば、非磁性体であって、良導体であるタンタル（Ｔａ）等からなり、略直方体状を呈している。下部電極４３、上部電極４４ｘ及び４４ｙは、いずれも、厚さが、例えば、約３０ｎｍである。下部電極４３は、図示しない検知対象物の矩形状の一区画のほぼ全面を覆うように形成されている。上部電極４４ｘは、図示しない検知対象物の矩形状の一区画上に、図中ｘ方向に平行に形成されている。一方、上部電極４４ｙは、図示しない検知対象物の矩形状の一区画上に、図中ｙ方向に平行に形成されている。なお、下部電極４３の上面のうち、絶縁層４２ｘ、４２ｙと、配線用領域４３ａを除いた領域には、絶縁材層４５が形成されている。以上説明したセンサー部４１を構成する絶縁層４２ｘ、４２ｙ、下部電極４３、上部電極４４ｘ及び４４ｙの形成方法については、上記した実施の形態１の場合と同様である。そして、このような構成を有する検知器を検知対象物上に所定間隔で設ける。なお、絶縁材層４５は絶縁層４２ｘ、４２ｙと同様に酸化物等の絶縁材料からなるが、トンネル障壁を形成する必要はない。このように、本発明の実施の形態２によれば、検知対象物のＸ軸方向及びＹ軸方向の物理量の変化の２次元分布が容易に得られる。

以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、上述の実施の形態１及び２では、センサー部を取り付ける検知対象物の材質については、特に言及していない。検知対象物の材質は、極薄いガラス基板、プラスティックフィルム等、たわませ得るものであればどのようなものでも良い。
また、上述の実施の形態１では、検知対象物２２の正面にトンネル効果素子１を取り付け、検知対象物２２の上下方向のたわみを検知する例を示したが、これに限定されない。例えば、検知対象物２２の上面にセンサー部２を形成し、平面方向のたわみを検知する場合には、センサー部２を図１に示す形成方向に対して検知対象物２２の長手方向を軸として９０度だけ回転させて形成するとともに、配線部の形成方向を変更すれば良い。
また、上述の実施の形態２では、センサー部４１の下面側だけに検知対象物がある例を示したが、これに限定されるものではない。例えば、センサー部４１の上面側にも検知対象物がある場合は、絶縁層４２ｘ、４２ｙ、絶縁材層４５等の上面に別の伝達部材を形成すれば良い。
また、上述の各実施の形態では、トンネル効果素子を検知対象物に直接形成する例を示したが、これに限定されず、上記した従来のひずみゲージと同様に、例えば、ダイヤフラム等の起歪体上に形成した後、検知対象物に取り付けても良い。
また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用することができる。

本発明の実施の形態１に係るトンネル効果素子の外観構成を示す一部透視斜視図である。 図１に示すトンネル効果素子を構成するセンサー部の外観構成を示す斜視図である。 図１に示すトンネル効果素子を検知対象物に実装した状態を示す一部透視斜視図である。 トンネル効果素子を構成するセンサー部の直径と面積抵抗率ＲＡとの関係についての概算結果例を示す図である。 センサー部を構成するアルミニウムの厚さと面積抵抗率ＲＡとの関係についての一例を示す図である。 センサー部を構成するアルミニウムの厚さと面積抵抗率ＲＡとの関係についての一例を示す図である。 図１に示すトンネル効果素子を検知対象物に実装した場合に得られる抵抗変化率を測定するための概念図である。 図７のＡの部分の拡大図である。 抵抗変化率に対する頻度の関係の一例を示す図である。 図１に示すトンネル効果素子を構成するセンサー部の抵抗変化率を概算するための模式図である。 図１に示すトンネル効果素子を検知対象物に実装した場合に得られる抵抗変化率を測定するための概念図である。 （ａ）は上方湾曲（ＵＢ）の意味を説明するための概念図であり、（ｂ）は下方湾曲（ＤＢ）の意味を説明するための概念図である。 上方湾曲（ＵＢ）及び下方湾曲（ＤＢ）を繰り返した場合に得られる抵抗変化率の一例を示す図である。 本発明の実施の形態２に係るトンネル効果素子を構成するセンサー部の外観構成を示す平面図である。

符号の説明

１ トンネル効果素子
２，４１ センサー部
３，４ 配線部
３ａ，４ａ プレート部
３ａａ，４ａａ 幅広部
３ａｂ，４ａｂ 幅狭部
３ｂ 柱状部
３ｃ，４ｂ パッド部
５，４６ 伝達部材（充填材）
６，７，２５ プローブ
１１，４２ｘ，４２ｙ 絶縁層
１２，４３ 下部電極
１３，４４ｘ，４４ｙ 上部電極
２１，２２，３１ 検知対象物
２３，２４，３２，３３ 支持部材
４３ａ 配線用領域
４５ 絶縁材層

Claims (8)

1. 共に導電性を有する下部電極と上部電極との間に単一のトンネル障壁を形成する絶縁層が挟まれた構造と、
   前記絶縁層、前記下部電極及び前記上部電極からなるセンサー部を取り囲み、かつ検知対象物の表面に形成され、該検知対象物のたわみを前記センサー部に伝達する絶縁性の酸化物からなる伝達部材と、
   を具備することを特徴とするトンネル効果素子。
2. 前記トンネル効果素子は、前記検知対象物の応力変化を電気抵抗変化として検出することを特徴とする請求項１記載のトンネル効果素子。
3. 前記絶縁層における前記単一のトンネル障壁を形成する箇所を挟んで前記下部電極と前記上部電極とが互いに平面状に対向する構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のトンネル効果素子。
4. 前記絶縁層における前記単一のトンネル障壁を形成する箇所の厚さが０．４〜２．５ｎｍの範囲であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のトンネル効果素子。
5. 抵抗値と面積との積である面積抵抗率が１００ｋΩ・μｍ^２以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のトンネル効果素子。
6. 前記下部電極及び前記上部電極は、非磁性体であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のトンネル効果素子。
7. 前記下部電極及び前記上部電極は、同一の材質であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載のトンネル効果素子。
8. 内部に、応力に基づく±３％以内の歪が内在していることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載のトンネル効果素子。

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