JP5429013B2 - 物理量センサ及びマイクロフォン - Google Patents

Description

本発明は、変位、速度、加速度等の物理量を検出する物理量センサ、並びに、音波を検出するマイクロフォンに関する。

従来より、外力に応じて生じる材料自身の物理的な変化を電気信号に変換して、変位、速度、加速度等を検出する物理量センサが数多く提案されている。この物理量センサは様々な分野で応用されており、例えばその応用例の１つとして、音波を検出するマイクロフォンが知られている。

このマイクロフォンとしては、音波による振動膜の変位に伴う静電容量変化を電気信号として出力するコンデンサ型が最も多く使用されている。近年、これをＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いて小型化する試みも行なわれているが、振動膜面積が小さくなるとコンデンサ容量が減少するため音波の検出感度が低下してしまう。したがって、小型化と高Ｓ／Ｎ化とを両立することができない。

このコンデンサ型のマイクロフォンに対して、振動膜とともに変位する磁気抵抗素子により磁界強度を検出する磁界検出型のマイクロフォンが提案されている（例えば特許文献１参照）。このマイクロフォンは、図２２（ａ）に示すように、傾斜磁界を形成する一対の磁石と、音波に応答して磁気抵抗素子及び磁石を相対移動させる振動膜とを備えた構成とされており、磁気抵抗素子と磁石との相対移動に伴って磁気抵抗素子周囲の磁界が変化した際に、当該磁気抵抗素子の抵抗の変動が電気信号として出力されるようになっている。

特開平８−８４３９８号公報

ところで、上記特許文献１に記載のマイクロフォンにおいて検出感度を向上させるには、磁気抵抗素子を傾斜磁界の磁界勾配が急峻な箇所に配置することが好ましい。この点、磁気抵抗素子を磁石に近接させて配置すれば、磁気抵抗素子周囲の傾斜磁界の磁界勾配が大きくなり、検出感度の向上を図ることができるとも考えられる。ところが、磁気抵抗素子を磁石に近接させると、磁気抵抗素子周囲の磁界強度の増大に伴って磁気抵抗素子の抵抗変化率が小さくなり、かえって磁界強度の検出感度が低下してしまう。一方、一対の磁石間の距離を短くすればこれら磁石近傍の磁場勾配を大きくすることはできるが、磁場勾配の大きな領域では磁界強度も大きくなり、やはり検出感度の向上を図ることはできない。また、磁気抵抗素子周囲の磁界強度があまりに大きくなれば、磁気抵抗素子が磁気的に飽和して磁界強度を検出することができなくなってしまう。さらに、磁気抵抗素子が飽和しないよう磁極から離して設置すると、磁界勾配が小さくなって感度がとれなくなってしまう。
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであって、検出感度の向上を図ることの可能な磁界検出型の物理量センサ及びマイクロフォン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、この発明は以下の手段を提案している。
即ち、本発明に係る物理量センサは、空間に被検出磁界を形成する磁界形成部と、前記被検出磁界の第１方向成分に応じた電気信号を出力する磁界検出部と、外部からの変位入力に応じて、前記第１方向と交差する第２方向に前記磁界形成部と前記磁界検出部とを相対変位させる可動部とを備えた物理量センサであって、前記磁界形成部が、前記磁界検出部の前記第２方向一方側に配置された磁極間に第１磁界を発生する第１磁界発生部と、前記磁界検出部の前記第２方向他方側に配置された磁極間に第２磁界を発生する第２磁界発生部とを備え、前記被検出磁界は、前記第１磁界発生部と前記第２磁界発生部との間における前記第１磁界と前記第２磁界との合成磁界であって、該被検出磁界における前記第１磁界及び前記第２磁界のそれぞれの前記第１方向成分が互いに逆向きとされていることを特徴とする。
このような構成の物理量センサによれば、第１磁界及び第２磁界のそれぞれの第１方向成分は、それぞれの磁界発生部から遠ざかるに従って小さくなる磁界勾配を有する傾斜磁界となる。そして、第１磁界及び第２磁界のそれぞれの第１方向成分が互いに逆向きとされているので、第１磁界と第２磁界との合成磁界である被検出磁界の第１方向成分は、各磁界発生部の近傍において磁界強度が最も大きい逆向きの磁界となる。そのため、被検出磁界の第１方向成分の磁界勾配は急峻になる。これにより、磁界検出部が変位した際に検出する磁界強度の変化量を大きくすることができる。また、第１方向成分は各磁界発生部の中間付近においてゼロとなるので、磁界強度の低い範囲に磁界検出部を配置することができ、検出感度が高い領域で磁界検出部を使用することができる。したがって、物理量センサの検出感度の向上を図ることが可能となる。

また、本発明に係る物理量センサにおいては、前記被検出磁界内に、前記第１磁界と前記第２磁界とが相殺されることにより前記被検出磁界の第１方向成分が０となる磁界ゼロ点が形成され、前記磁界検出部が前記磁界形成部に対して相対変位する際の前記磁界検出部の軌跡上に、前記磁界ゼロ点が含まれていることを特徴とする。
これにより、磁界強度が最も低い領域に磁界検出部を配置することになるため、周囲の磁界強度が高くなるに従って検出感度が低下してしまう磁界検出部を検出感度高く使用することができる。これに伴って、磁界検出部の配置箇所の磁界強度と磁界検出部が磁気的に飽和する磁界強度との差を大きくとることができるため、検出可能な磁界強度の範囲を広くすることができる。

さらに、本発明に係る物理量センサにおいては、前記第１磁界発生部における一対の前記磁極は、前記第２方向一方側に位置する第１磁気ギャップを介して対向配置され、前記第２磁界発生部における一対の前記磁極は、前記第２方向他方側に位置する第２磁気ギャップを介して対向配置されており、前記磁界検出部が、前記第２方向矢視において、前記第１磁気ギャップ及び第２磁気ギャップのギャップ内に位置していることを特徴とする。
これにより、第１磁気ギャップからの漏洩磁界である第１磁界と第２磁気ギャップからの漏洩磁界である第２磁界とによって被検出磁界が形成され、この被検出磁界における第１方向成分の磁界勾配が急峻かつ磁界強度の小さい領域に磁界検出部を配置することになるため、検出感度をより向上させることができる。

また、本発明に係る物理量センサにおいて、前記第１方向は、前記第１磁界発生部及び前記第２磁界発生部のそれぞれの一対の前記磁極の離間方向であって、前記第２方向は、前記第１方向に直交する方向であることを特徴とする。
これにより、第１磁界及び第２磁界それぞれの第１方向成分の磁界強度を最大とすることができるため、これら第１磁界及び第２磁界が互いに相殺されることで、被検出磁界の磁界勾配をより大きくすることが可能となる。また、この磁界勾配は、第１方向に直交する第１磁界発生部及び第２磁界発生部の離間方向において最も急峻となるため、当該方向を磁界検出部が相対移動する第２方向とすることで、磁界強度の検出感度をより向上させることができる。

本発明に係るマイクロフォンは、上記いずれかに記載の物理量センサを用いたマイクロフォンであって、前記可動部は、前記磁界形成部及び前記磁界検出部のいずれか一方に対して前記第２方向に相対振動可能に張架された振動薄膜であって、前記第１磁界発生部及び第２磁界発生部は、それぞれ前記振動薄膜に沿って配置される一対の磁性体薄膜からなり、前記磁界形成部及び前記磁界検出部のいずれか他方が前記振動薄膜に固着されていることを特徴とする。
このような構成のマイクロフォンによれば、上記物理量センサを用いているため、磁界形成部と磁界検出部とが相対移動した際に、磁界検出部によって感度高く磁界変化を検出することができる。また、可動部及び磁界発生部がそれぞれ薄膜から構成されているため、ＭＥＭＳ技術を用いて容易に製造することができ、製造コストの削減や品質の安定化、製造効率向上を図ることができる。

本発明の物理量センサによれば、磁界検出部の検出対象となる被検出磁界の第１方向成分の磁界勾配を急峻なものすることで、磁界検出部が変位した際に検出する磁界強度の変化量を大きくすることができる。また、磁界検出部が配置される範囲の磁界強度を低く抑えることができるため、検出感度が高い領域で磁界検出部を使用することができる。これによって、物理量センサの検出感度を向上させることが可能となる。また、本発明のマイクロフォンによれば、磁界検出部によって感度高く磁界変化を検出することができるため、この磁界変化に基づいて高い感度で音波を検出することが可能となる。

第１実施形態のマイクロフォンの平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 第１実施形態の磁界形成部が構成する磁気回路の模式図である。 第１実施形態のマイクロフォンの製造方法を説明する図である。 第１実施形態のマイクロフォンの製造方法を説明する図である。 第１実施形態のマイクロフォンの製造方法を説明する図である。 第１磁界及び第２磁界により形成される被検出磁界を説明する図である。 磁気抵抗素子周囲の磁界強度と抵抗変化率との関係を示すグラフである。 第２実施形態のマイクロフォンの平面図である。 図９のＡ−Ａ断面図である。 第２実施形態のマイクロフォンの製造方法を説明する図である。 変形例のマイクロフォンの平面図である。 図１２のＡ−Ａ断面図である。 磁界形成部の他の構成を示す模式図である。 磁界形成部の他の構成を示す模式図である。 磁界形成部の他の構成を示す模式図である。 磁界形成部の他の構成を示す模式図である。 磁界形成部の他の構成を示す平面図である。 磁界形成部の他の構成を示す模式図である。 磁界形成部の他の構成を示す模式平面図である。 実施例の（ａ）構成を示す模式図、（ｂ）磁界勾配を示すグラフである。 比較例の（ａ）構成を示す模式図、（ｂ）磁界勾配を示すグラフである。

次に図１〜図８を参照して第１実施形態に係るマイクロフォンについて説明する。図１及び図２に示すように、本実施形態に係るマイクロフォン１は、ベースとなる支持基板２と、該支持基板２上に配置された磁界形成部１０と、該磁界形成部１０に一体に形成された振動薄膜（可動部）３と、該振動薄膜３上に固着された磁界検出部４とを備えている。即ち、このマイクロフォン１は、音波に応じた振動薄膜３の変位を磁界検出部４によって電気信号に変換することで、当該音波を検出する構成とされている。
なお、以下では、図１及び図２における左右方向を第１方向ｘ、該第１方向ｘに直交する図１の紙面奥行き方向（図２の上下方向）を第２方向ｙと称する。

支持基板２は、シリコン基板から形成されており、その平面視中央には第２方向ｙに貫通する貫通孔２ａ（図２参照）が形成されている。
磁界形成部１０は、詳しくは図２に示すように、第１磁気ギャップＧ１を介して対向配置された一対の永久磁石１２Ａ，１２Ｂからなる第１磁界発生部１１と、第２磁気ギャップＧ２を介して対向配置された一対のヨーク１４Ａ，１４Ｂからなる第２磁界発生部１３と、これら第１磁界発生部１１と第２磁界発生部１３とを接続する一対の接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂとから構成されている。

永久磁石１２Ａ，１２Ｂは、平面視矩形薄膜状をなして第１方向ｘに延在するように配置されており、第１方向ｘ一方側（図１及び図２における左側）の永久磁石１２ＡはＮ極を第１磁気ギャップＧ１側に向け、第１方向ｘ他方側（図１及び図２における右側）に配置された永久磁石１２ＢはＳ極を第１磁気ギャップＧ１側に向けて配置されており、即ち、一対の磁極の対向方向が第１方向ｘに沿うように配置されている。また、これら一対の永久磁石１２Ａ，１２Ｂは、第１磁気ギャップＧ１側の端部が反対側の端部に比べて一段高くなるように屈曲して形成されている。

ヨーク１４Ａ，１４Ｂは、例えばＮｉ−Ｆｅ合金等の軟磁性体からなり、平面視にて上記永久磁石１２Ａ，１２Ｂと略同一形状の矩形薄膜状をなして、第１方向ｘに延在するように配置されている。また、これらヨーク１４Ａ，１４Ｂは、永久磁石１２Ａ，１２Ｂに対して第２方向ｙに重なるように支持基板２上に配置されている。

接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂは、上記ヨーク１４Ａ，１４Ｂと同様に例えばＮｉ−Ｆｅ合金等の軟磁性体からなる薄膜状の部材であって、一方の接続ヨーク１５Ａは、永久磁石１２Ａ及びヨーク１４Ａをその第１方向ｘ一方側において第２方向ｙに接続しており、他方の接続ヨーク１５Ｂは、永久磁石１２Ｂ及びヨーク１４Ｂをその第１方向ｘ他方側において第２方向ｙに接続している。これにより、支持基板２上には、ヨーク１４Ａ，１４Ｂ、接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂ及び永久磁石１２Ａ，１２Ｂがこの順序で積層されるように配置されている。また、接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂの厚みと上記永久磁石１２Ａ，１２Ｂの屈曲によって、第１磁気ギャップＧ１と第２磁気ギャップＧ２とが第２方向ｙに離間して配置される。

このような磁界形成部１０においては、図３に示すように、永久磁石１２Ａ，１２Ｂが生じさせる磁界が接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂ及びヨーク１４Ａ，１４Ｂを通過することにより、これら永久磁石１２Ａ，１２Ｂ、接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂ及びヨーク１４Ａ，１４Ｂを磁路とした磁気回路が構成されている。これによって、第１磁気ギャップＧ１からは、永久磁石１２ＡのＮ極と永久磁石１２ＢのＳ極との一組の磁極による第１磁界Ｈ１が漏洩磁界として発生する。また、第２磁気ギャップＧ２からは、ヨーク１４Ａに生じたＳ極とヨーク１４Ｂに生じたＮ極との一組の磁極による第２磁界Ｈ２が漏洩磁界として発生する。

振動薄膜３は、図１及び図２に示すように、例えばアルミナ等の可撓性を有する平面視円形の薄膜から構成されており、該円形の周縁一部が磁界形成部１０における一対の接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂ上面及び支持基板２の上面に固着されている。これにより、振動薄膜３は第１磁界発生部１１と第２磁界発生部１３との間において、磁界形成部１０に対して第２方向ｙに相対振動可能とされる。

磁界検出部４は、図１及び図２に示すように、特定方向の磁界強度の変化に応じて電気抵抗が変動する磁気抵抗素子４ａと、支持基板２上に形成された一対の電極パッド４ｂ，４ｂと、これら電極パッド４ｂ，４ｂと磁気抵抗素子４ａとを電気的に接続する一対のリード部４ｃ，４ｃとを備えている。磁気抵抗素子４ａとしては、ＭＲ（Ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、ＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ−ｔｙｐｅ Ｍａｇｎｅｔｏ−ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子、ホール素子等、種々のものを使用することができる。この磁気抵抗素子４ａは、振動薄膜３の第２方向ｙを向く面における第１磁気ギャップＧ１及び第２磁気ギャップＧ２に対応する箇所に固着されており、即ち、磁気抵抗素子４ａは第２方向ｙ矢視において（第２方向ｙから見た際に）第１磁気ギャップＧ１及び第２磁気ギャップＧ２のそれぞれのギャップ内に位置するように配置されている。これにより、磁気抵抗素子４ａの第２方向ｙ一方側（図２における上側）に第１磁界発生部１１の第１磁気ギャップＧ１が位置し、第２方向ｙ他方側（図２における下側）に第２磁界発生部１３の第２磁気ギャップＧ２が位置する。また、上記特定方向は第１方向ｘに一致しており、即ち、磁気抵抗素子４ａは、第１方向ｘの磁界変化によって抵抗変化率が変動するように配置されている。

この磁気抵抗素子４ａには一定のバイアス電流が通電されており、この際の磁気抵抗素子４ａの出力電圧がリード部４ｃ，４ｃ及び電極パッド４ｂ，４ｂを介して電気信号として外部に取り出される。そして、磁気抵抗素子４ａ周囲の第１方向ｘの磁界強度が変化した際には、磁気抵抗素子４ａの抵抗変化率が変動し、当該抵抗変化率の変動が出力電圧として取り出されることで磁界強度の変化を検出することとしている。また、磁気抵抗素子４ａは、図３に示すように、詳細は後述する磁界ゼロ点Ｐに配置されており、第１磁界発生部１１と第２磁界発生部１３との間における磁界を被検出磁界として、該被検出磁界の第１方向成分Ｈｘを検出する。

次にマイクロフォン１のＭＥＭＳ技術による製造方法を図４〜図６を参照して説明する。なお、図４〜図６の各図において、上図は平面図を下図は縦断面図を示している。初めに、シリコン基板からなる支持基板２を準備し（図４（ａ））、該支持基板２上面にＤｅｅｐ−ＲＩＥによってエッチングを施すことにより凹部２ｂを形成する（図４（ｂ））。その後、凹部２ｂ内にＦｅ−Ｎｉ合金からなる軟磁性体薄膜（磁性体薄膜）の一対のヨーク１４Ａ，１４Ｂを形成し（図４（ｃ））、これらヨーク１４Ａ，１４Ｂ上に接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂを形成する（図４（ｄ））。次いで、凹部２ｂ内に平面視円形をなす第１犠牲膜２１をＣｕにて形成し（図４（ｅ））、該第１犠牲膜２１及び接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂの上面に平坦化研磨を施す（図４（ｆ））。

そして、第１犠牲膜２１上にこれよりも大径の円形をなす振動薄膜３をアルミナにて形成する（図５（ａ））。この際、振動薄膜３の下面の一部は接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂ上に固着される。次いで、Ｃｕ−Ａｕ合金からなる電極パッド４ｂ，４ｂ及びリード部４ｃ，４ｃを形成し（図５（ｂ））、振動薄膜３上面中央にスピンバルブ型の磁気抵抗素子４ａを形成する（図５（ｃ））。その後、接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂ上面にレジスト膜２２を形成した後、上面全体にメッキ下地用スパッタＣｕ２３ａを形成し（図５（ｄ））、上面全体にＣｕにて第２犠牲膜２３を形成する（図５（ｅ））。

続いて、レジスト膜２２を除去して、第２犠牲膜２３上面に平坦化研磨を施す（図６（ａ））。その後、接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂ及び第２犠牲膜２３上に、ＣｏＣｒＰｔからなる薄膜状の一対の強磁性体薄膜（磁性体薄膜）２４をスパッタリングにより形成し（図６（ｂ））、第１方向ｘに磁界を印加することにより、強磁性体薄膜２４に着磁を施して一対の永久磁石１２Ａ，１２Ｂとする（図６（ｃ））。次いで、支持基板２の下面からＤｅｅｐ−ＲＩＥによってエッチングを施すことにより貫通孔２ａを形成し（図６（ｄ））、その後、第１犠牲膜２１及び第２犠牲膜２３を除去する（図６（ｅ））。これにより、本実施形態のマイクロフォン１を得ることができる。なお、マイクロフォン１は、上述したＭＥＭＳ技術を用いた製造方法により支持基板２上に単一の磁界形成部１０及び磁界検出部４が製造されてもよいが、同じくＭＥＭＳ技術を用いて１つの支持基板２上において磁界形成部１０及び磁界検出部４を多数連ねた状態で製造することもできる。これにより、製造コストの削減や製造効率向上を図ることができる。

上記構成のマイクロフォン１においては、音波が振動薄膜３に伝達されると該振動薄膜３が第２方向ｙに振動する。この際、振動薄膜３の振動に伴って磁界検出部４の磁気抵抗素子４ａが第２方向ｙに変位する。そして、被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの磁界強度に基づく磁気抵抗素子４ａの抵抗変化率の変動が、出力電圧として電極パッド４ｂ，４ｂから取り出され、この出力電圧に基づいて音波の検出が行なわれる。

ここで、上記磁気抵抗素子４ａにより検出される被検出磁界の第１方向成分Ｈｘについて、図７を用いて説明する。図７（ａ）に示すように、第１磁界Ｈ１の第１方向成分Ｈ１ｘと第２磁界Ｈ２の第１方向成分Ｈ２ｘとは互いに逆向きとなる。また、第１磁界Ｈ１の第１方向成分Ｈ１ｘは、第１磁気ギャップＧ１中において最大となり、第２方向ｙ他方側（図７における下方側）に向かうに従って磁界強度が小さくなる傾斜磁界となる。同様に、第２磁界Ｈ２の第１方向成分Ｈ２ｘは、第２磁気ギャップＧ２中において最大となり、第２方向ｙ一方側（図７における上側）に向かうに従って磁界強度が小さくなる傾斜磁界となる。即ち、第１磁界Ｈ１の第１方向成分Ｈ１ｘと第２磁界Ｈ２の第１方向成分Ｈ２ｘとは、磁界勾配及び磁界の方向が互いに逆向きとなる。

したがって、第１磁界Ｈ１の第１方向成分Ｈ１ｘと第２磁界Ｈ２の第１方向成分Ｈ２ｘとの合成磁界である被検出磁界の第１方向成分Ｈｘは、逆向きの磁界勾配を有する磁界が互いに干渉し合うことにより、第１磁界Ｈ１単独又は第２磁界Ｈ２単独の場合よりも、被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの第２方向ｙにおける磁界勾配を急峻なものとすることができる。

また、第１磁界Ｈ１の第１方向成分Ｈ１ｘと第２磁界Ｈ２の第１方向成分Ｈ２ｘとが互いに相殺されることにより、これらの合成磁界である被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの絶対値は、第１磁界Ｈ１単独あるいは第２磁界Ｈ２単独の場合と比較して小さくなる。さらに、第１磁気ギャップＧ１と第２磁気ギャップＧ２との間には、第１磁界Ｈ１の第１方向成分Ｈ１ｘと第２磁界Ｈ２の第１方向成分Ｈ２ｘが互いに等しく打ち消し合うことにより、被検出磁界の第１方向成分Ｈｘが０となる磁界ゼロ点Ｐが形成される。

以上のように、マイクロフォン１においては、被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの磁界勾配を急峻なものとすることができる。これにより、磁気抵抗素子４ａが単位長さだけ変位した際における磁界強度の変化量を大きくすることができるため、音波の検出感度を向上させることが可能となる。
また、一般に磁気抵抗素子４ａは、例えば図８に示すように、周囲の磁界強度の絶対値が増大するに連れて抵抗変化率が小さくなるため検出感度が低下し、磁界強度があまりに大きくなれば磁気的に飽和して磁界強度を検出することができなくなってしまう。これに対して、マイクロフォン１においては、上記のように被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの磁界強度の絶対値を低く抑えることができるため、磁気抵抗素子４ａを検出感度の高い領域で使用することができ、音波の検出感度を向上させることが可能となる。また、磁気抵抗素子４ａが磁気的に飽和しにくくなるため、検出可能な磁界強度の範囲を広くすることができる。

また、特に本実施形態においては、磁気抵抗素子４ａを被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの磁界強度が０となる磁界ゼロ点Ｐ上に配置したので、磁気抵抗素子４ａが振動薄膜３とともに変位する際に印加される磁界強度を最小限に抑えることができる。これにより、磁気抵抗素子４ａの抵抗変化率を高く維持することができるため、磁界検出感度をより向上させることが可能となる。また、磁気抵抗素子４ａの配置箇所の磁界強度と磁気抵抗素子４ａが磁気的に飽和する磁界強度との差を大きくとることができるため、検出可能な磁界強度の範囲をより広くすることができる。

さらに、第１磁界発生部１１において第１磁気ギャップＧ１を介して対向する一対の磁極の離間方向が第１方向ｘと一致し、さらに、第２磁界発生部１３において第２磁気ギャップＧ２を介して対向する一対の磁極の離間方向が第１方向ｘと一致しているため、第１磁界Ｈ１及び第２磁界Ｈ２それぞれの第１方向成分Ｈ１ｘ，Ｈ２ｘの磁界強度を最大とすることができる。また、この場合、磁界勾配は第１方向ｘに直交する第２方向ｙにおいて最も急峻となるため、磁気抵抗素子４ａが変位する第２方向ｙを第１方向ｘに直交する方向とすることで、磁界強度の検出感度をより向上させることができる。
また、振動薄膜３や磁界形成部１０がそれぞれ薄膜から構成されているため、ＭＥＭＳ技術を用いてマイクロフォン１を容易に製造することができ、製造コストの削減や製造効率向上を図ることができる。

次に、図９から図１１を参照して、第２実施形態に係るマイクロフォンについて説明する。なお、この第２実施形態においては第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
図９及び図１０に示すように、第２実施形態のマイクロフォン３０における磁界形成部４０は、一対の永久磁石１２Ａ，１２Ｂからなる第１磁界発生部１１と、一対のヨーク１４Ａ，１４Ｂからなる第２磁界発生部１３が、直接的に第２方向ｙに積層された構成とされている。これにより、第１磁気ギャップＧ１と第２磁気ギャップＧ２とは永久磁石１２Ａ，１２Ｂの上記屈曲のみによって第２方向ｙに離間して配置される。

また、磁界形成部４０は、平面視中央に貫通孔３２ａを備えたヨーク土台３２を介して支持基板２上に配置されており、支持基板２とヨーク土台３２との間に周縁部を挟み込むようにして振動薄膜（可動部）３３が設けられている。この振動薄膜３３は平面視円形をなしており、その中央部には、第２方向ｙ一方側（図１０における上側）に円錐台状に盛り上がるようにして素子載置部３３ａが設けられている。この素子載置部３３ａの第２方向ｙ一方側の面に磁気抵抗素子４ａが載置される。

次に上記構成のマイクロフォン３０の製造方法の一例について図１１を参照して説明する。初めに、シリコン基板からなる支持基板２を準備し、該支持基板２上にＣｕからなる円錐台状をなす第１犠牲膜４１を形成し、支持基板２及び第１犠牲膜４１上全域にアルミナからなる振動薄膜３３を形成する（図１１（ａ））。次いで、振動薄膜３３上にヨーク土台３２を積層して、振動薄膜３３の素子載置部３３ａ上に磁気抵抗素子４ａを設け、さらに電極パッド４ｂ，４ｂ及びリード部４ｃ，４ｃを形成する（図１１（ｂ））。

その後、ヨーク土台３２と同様の高さまでＣｕからなる第２犠牲膜４２を形成するとともにヨーク土台３２上に軟磁性体薄膜（磁性体薄膜）のヨーク１４Ａ，１４Ｂを形成し、これらヨーク１４Ａ，１４Ｂ上にレジスト４３を形成した状態で、上面全域にＣｕにて第３犠牲膜４４を形成する（図１１（ｃ））。かかる後、レジスト４３を除去してから第３犠牲膜４４上に平坦化研磨を施し、ＣｏＣｒＰｔからなる一対の強磁性体薄膜（磁性体薄膜）４５をスパッタリングにより形成する（図１１（ｄ））。

そして、支持基板２の下面からＤｅｅｐ−ＲＩＥによってエッチングを施すことにより貫通孔２ａを形成し、第１方向ｘに磁界を印加することにより、強磁性体薄膜４５に着磁を施して一対の永久磁石１２Ａ，１２Ｂとし、第１犠牲膜４１、第２犠牲膜４２及び第３犠牲膜４４を除去する（図１１（ｅ））。これにより、本実施形態のマイクロフォン３０を得ることができる。
このような構成の第２実施形態のマイクロフォン３０においても、第１実施形態と同様、被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの磁界勾配を大きくしながら磁界強度の絶対値を低く抑えることができるため、磁気抵抗素子４ａによる磁界検出感度を高めて、音波の検出感度を向上させることができる。

以上、実施形態のマイクロフォン１，３０について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、変形例として、図１２及び図１３に示すように磁界形成部６０（図１３参照）が磁気抵抗素子４ａに対して変位する構成とされたマイクロフォン５０であってもよい。このマイクロフォン５０においては、支持基板２上にヨークメッキ５１が形成されており、該ヨークメッキ５１上面に平面視円形をなす振動薄膜５２の周縁が固着され、この振動薄膜５２の第２方向ｙ他方側を向く面の中央に磁界形成部６０が固着されている。磁界形成部６０は、第２実施形態と同様、一対の永久磁石１２Ａ，１２Ｂからなる第１磁界発生部１１と一対のヨーク１４Ａ，１４Ｂからなる第２磁界発生部１３が直接的に上下に積層された構成とされている。また、支持基板２の中央には磁気抵抗素子４ａを載置するための素子載置部２ｂが形成されており、これにより磁界形成部６０における第１磁気ギャップＧ１と第２磁気ギャップＧ２との間の領域に磁気抵抗素子４ａが位置することになる。

このマイクロフォン５０においては、音波により振動薄膜５２が第２方向ｙに振動するのに伴って、磁界形成部６０が第２方向ｙに変位する。すると、支持基板２側に設けられた磁気抵抗素子４ａの周囲の磁界が変化して、電気抵抗変動に基く電圧変化が電気信号として取り出される。これによっても、実施形態のマイクロフォン１，３０と同様、磁気抵抗素子４ａによる磁界検出感度を高めて、音波の検出感度を向上させることができる。

なお、実施形態においては、第２方向ｙが第１方向ｘに直交する方向とされていたが、第２方向ｙは少なくとも第１方向ｘに交差している方向であればよい。
さらに、磁気抵抗素子４ａは必ずしも磁界ゼロ点Ｐに配置されてなくともよいが、磁気抵抗素子４ａ周囲の磁界強度を最小限に抑えるには、磁気抵抗素子４ａの振幅の範囲内に、即ち、磁気抵抗素子４ａが磁界形成部１０に対して変位する際の該磁気抵抗素子４ａの軌跡上に磁界ゼロ点Ｐが含まれるように配置されていることが好ましい。

また、磁界形成部１０の構成としては、図１４に示すような種々の構成を採用することができる。即ち、図１４（ａ）に示すように、第１磁界発生部１１が一対の永久磁石７１，７１から構成され、第２磁界発生部が一対のヨーク７２，７２から構成されていてもよい。また、図１４（ｂ）に示すように、第１磁界発生部１１及び第２磁界発生部１３が一対の永久磁石７１，７１から構成されていてもよい。さらに、図１４（ｃ）に示すように、第１磁界発生部１１が一対の永久磁石７１，７１からなり、第２磁界発生部１３が永久磁石７１及びヨーク７２からなるものであってもよい。また、図１４（ｄ），（ｅ）に示すように、第１磁界発生部１１及び第２磁界発生部１３それぞれが永久磁石７１とヨーク７２とからなるものであってもよい。さらにまた、図１４（ｆ）に示すように、第１磁界発生部１１が永久磁石７１及びヨーク７２からなり、第２磁界発生部１３が一対のヨーク７２，７２からなるものであってもよい。

また、磁界形成部１０においては、図１５に示すように接続ヨーク１５Ａ，１５Ｂを設けずに、永久磁石７１やヨーク７２を離間させて配置した構成であってもよい。即ち、図１５（ａ）に示すように、第１磁界発生部１１及び第２磁界発生部１３がそれぞれ一対の永久磁石７１，７１からなる構成であってもよい。また、図１５（ｂ）に示すように、第１磁界発生部１１が一対の永久磁石７１からなり、第２磁界発生部１３が永久磁石７１及びヨーク７２からなる構成であってもよい。さらに、図１５（ｃ）に示すように、第１磁界発生部１１及び第２磁界発生部１３それぞれが永久磁石７１及びヨーク７２からなるものであってもよい。

なお、磁界形成部１０においては、図１６に示すように、永久磁石７１をその分極方向が第２方向ｙに沿うように配置した構成であってもよい。
即ち、図１６（ａ）に示すように、第１磁界発生部１１及び第２磁界発生部１３がそれぞれ分極方向を第２方向ｙに沿わせて対向配置した一対の永久磁石７１，７１から構成されていてもよい。また、この際、図１６（ｂ）に示すように、第１磁界発生部１１の永久磁石７１と第２磁界発生部１３の永久磁石７１同士が接続ヨーク７３により連結されていてもよい。さらに、図１６（ｃ）のように、一部の永久磁石７１に代えてヨーク７２を配置してもよい。
図１４〜図１６の各図に示した構成の場合であっても、方向及び磁界勾配が互いに逆向きの第１磁界Ｈ１の第１方向成分Ｈ１ｘ及び第２磁界Ｈ２の第２方向成分Ｈ２ｘを形成することができ、磁界勾配が急峻かつ磁界強度の絶対値の小さい被検出磁界の第１方向成分Ｈｘを形成することが可能となる。

さらに、第１磁気ギャップＧ１及び第２磁気ギャップＧ２のそれぞれにおける磁極間距離（第１磁気ギャップＧ１及び第２磁気ギャップＧ２のそれぞれの第１方向ｘの寸法）と、第１磁気ギャップＧ１及び第２磁気ギャップＧ２の第２方向ｙの離間距離とは、同一寸法に設定されていることがより好ましい。これにより、被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの磁界勾配を最も急峻なものとすることができる。
また、実施形態のマイクロフォン１，３０においては、磁界形成部１０，４０に永久磁石１２Ａ，１２Ｂを用いたが、これに代えて電磁石を用いた構成であってもよい。

さらに、例えば図１７に示すように、第１磁界発生部１１の永久磁石１２Ａ，１２Ｂにおける第１磁気ギャップＧ１に臨む先端、及び、第２磁界発生部１３のヨーク１４Ａ，１４Ｂにおける第２磁気ギャップＧ２に臨む先端が、磁気抵抗素子４ａに向かって尖った形状をなしているものであってもよい。この場合、第１磁界Ｈ１及び第２磁界Ｈ２が集中することで磁界強度が大きくなるため、被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの磁界勾配をより大きくすることができる。

さらにまた、例えば図１８に示すように、第１磁界発生部１１の永久磁石１２Ａ，１２Ｂにおける第１磁気ギャップＧ１に臨む先端を、平面視にて幅狭とした構成であってもよい。また、同様に第２磁界発生部１３のヨーク１４Ａ，１４Ｂにおける第２磁気ギャップＧ２に臨む端部を幅狭した構成であってもよい。これによっても、磁界を集中させることで被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの磁界勾配を大きくすることができる。
また、例えば図１９に示すように、磁界形成部１０において、第１磁界発生部１１及び第２磁界発生部１３それぞれが単一の永久磁石７１からなり、これら永久磁石７１が分極方向を互いに逆向きとして配置された構成であってもよい。この場合であっても、図１９（ａ）に示すように、永久磁石７１，７１の外部に互いに方向及び磁界勾配が逆向きの第１磁界Ｈ１の第１方向成分Ｈ１ｘ及び第２磁界Ｈ２の第２方向成分Ｈ２ｘを形成することができる。したがって、図１９（ｂ）に示すように、磁界勾配が大きく、かつ、磁界強度の絶対値の低い被検出磁界の第１方向成分Ｈｘを形成することができる。

さらに、例えば図２０に示すように、第１磁気ギャップＧ１の対向方向と第２磁気ギャップＧ２の対向方向とが平面視において交差していてもよい。この場合であっても、第１磁界Ｈ１の第１方向成分Ｈ１ｘ及び第２磁界Ｈ２の第２方向成分Ｈ２ｘは、それぞれ方向及び磁界勾配が逆向きとなる。したがって、被検出磁界の第１方向成分Ｈｘの磁界勾配を大きくすることができる。
さらに、磁界検出部４における磁気抵抗素子４ａに代えてホール素子やフラックスゲート等の磁気センサを用いてもよい。そして、本発明はマイクロフォン１，３０，５０に限らず、加速度センサ、角速度センサ、圧力センサ、振動センサ、変位センサ等のあらゆる物理量センサに広く適用することが可能である。

本発明のマイクロフォンの効果について評価シミュレーションを行った。
（実施例）
図２１（ａ）に示すように、永久磁石８１ａ，８１ｂの磁極（一方のＮ極と他方のＳ極）間距離を２ｘｄμｍとして第１方向ｘに対向配置し、第１磁界発生部８１を構成した。また、第１磁界発生部８１の第２方向ｙ（ｙ方向）他方側に２ｙｄμｍ離間した箇所に、一対の永久磁石８２ａ，８２ｂの磁極（一方のＳ極と他方のＮ極）を第１方向ｘに対向配置させて第２磁界発生部８２を構成し、接続ヨーク８３により第１磁界発生部８１と接続した。そして、磁気抵抗素子８４を第２方向ｙに変位させた際の第１方向ｘの磁界強度を測定した。その結果を図２１（ｂ）に示す。

（比較例）
図２２（ａ）に示すように、永久磁石８５，８６を第１方向ｘに２ｘｄμｍの間隔をあけて配置した。そして、磁気抵抗素子８４を永久磁石８５，８６の磁極面から第２方向ｙにｙｄμｍ離間させて磁気抵抗素子８４を配置し、第２方向ｙに磁気抵抗素子８４を変位させた際の第１方向ｘの磁界強度を測定した。その結果を図２２（ｂ）に示す。なお、この比較例及び上記実施例においては、（ｘｄ，ｙｄ）＝（１．５μｍ，１．５μｍ），（２．５μｍ，２．５μｍ）として測定を行なった。

（実施例及び比較例の評価）
図２１（ｂ）及び図２２（ｂ）から、実施例の方が比較例に比べて磁界勾配が大きくなったことが分かる。また、磁気抵抗素子８４の周囲の磁界勾配の絶対値は、比較例に比べて実施例の方が非常に小さい値を示すことが分かる。さらに、比較例では永久磁石８５，８６間の距離を短くした場合でも磁気抵抗素子８４の配置箇所の磁界強度は大きいが、実施例においては永久磁石８１ａ，８１ｂ、８２ａ，８２ｂ間の距離に関わらず磁気抵抗素子８４の配置箇所の磁界強度は０となった。したがって、本発明に対応する実施例においては、磁界勾配の増大及び磁界強度の低減を両立できることが判明した。これにより、実施形態において前述した作用効果を立証することができた。

１…マイクロフォン、３…振動薄膜（可動部）、４…磁界検出部、４ａ…磁気抵抗素子、１０…磁界形成部、１１…第１磁界発生部、１２Ａ…永久磁石、１２Ｂ…永久磁石、１３…第２磁界発生部、１４Ａ…ヨーク、１４Ｂ…ヨーク、１５Ａ…接続ヨーク、１５Ｂ…接続ヨーク、３０…マイクロフォン、３３…振動薄膜（可動部）、４０…磁界形成部、５０…マイクロフォン、５２…振動薄膜（可動部）、６０…磁界形成部、７１…永久磁石、７２…ヨーク、７３…接続ヨーク、８１…第１磁界発生部、８１ａ…永久磁石、８１ｂ…永久磁石、８２…第２磁界発生部、８２ａ…永久磁石、８２ｂ…永久磁石、８３…接続ヨーク、８４…磁気抵抗素子、８５…永久磁石、８６…永久磁石、Ｇ１…第１磁気ギャップ、Ｇ２…第２磁気ギャップ、Ｈ１…第１磁界、Ｈ１ｘ…第１磁界の第１方向成分、Ｈ２…第２磁界、Ｈ２ｘ…第２磁界の第１方向成分、Ｈｘ…被検出磁界の第１方向成分、Ｐ…磁界ゼロ点、ｘ…第１方向、ｙ…第２方向

Claims (5)

1. 空間に被検出磁界を形成する磁界形成部と、
   前記被検出磁界の第１方向成分に応じた電気信号を出力する磁界検出部と、
   外部からの変位入力に応じて、前記第１方向と交差する第２方向に前記磁界形成部と前記磁界検出部とを相対変位させる可動部とを備えた物理量センサであって、
   前記磁界形成部が、
   前記磁界検出部の前記第２方向一方側に配置された磁極間に第１磁界を発生する第１磁界発生部と、
   前記磁界検出部の前記第２方向他方側に配置された磁極間に第２磁界を発生する第２磁界発生部とを備え、
   前記被検出磁界は、前記第１磁界発生部と前記第２磁界発生部との間における前記第１磁界と前記第２磁界との合成磁界であって、該被検出磁界における前記第１磁界及び前記第２磁界のそれぞれの前記第１方向成分が互いに逆向きとされていることを特徴とする物理量センサ。
2. 前記被検出磁界内に、前記第１磁界と前記第２磁界とが相殺されることにより前記被検出磁界の第１方向成分が０となる磁界ゼロ点が形成され、
   前記磁界検出部が前記磁界形成部に対して相対変位する際の前記磁界検出部の軌跡上に、前記磁界ゼロ点が含まれていることを特徴とする請求項１に記載の物理量センサ。
3. 前記第１磁界発生部における一対の前記磁極は、前記第２方向一方側に位置する第１磁気ギャップを介して対向配置され、
   前記第２磁界発生部における一対の前記磁極は、前記第２方向他方側に位置する第２磁気ギャップを介して対向配置されており、
   前記磁界検出部が、前記第２方向矢視において、前記第１磁気ギャップ及び前記第２磁気ギャップのギャップ内に位置していることを特徴とする請求項１又は２に記載の物理量センサ。
4. 前記第１方向は、前記第１磁界発生部及び前記第２磁界発生部のそれぞれにおける一対の前記磁極の離間方向であって、
   前記第２方向は、前記第１方向に直交する方向であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の物理量センサ。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の物理量センサを用いたマイクロフォンであって、
   前記可動部は、前記磁界形成部及び前記磁界検出部のいずれか一方に対して前記第２方向に相対振動可能に張架された振動薄膜であって、
   前記第１磁界発生部及び第２磁界発生部は、それぞれ前記振動薄膜に沿って配置される一対の磁性体薄膜からなり、
   前記磁界形成部及び前記磁界検出部のいずれか他方が前記振動薄膜に固着されていることを特徴とするマイクロフォン。

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