JP5865986B2 - Pressure sensor and microphone - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、圧力センサ及びマイクロフォンに関する。 Embodiments described herein relate generally to a pressure sensor and a microphone.
容量の変化によって音を電気信号に変換する容量型のマイクロフォンにおいては、ダイアフラム全体が電極の一部となる。したがって、マイクロフォンを小型化すると、ダイアフラムとともに電極の面積も減少し、感度が劣化する。 In a capacitive microphone that converts sound into an electric signal by changing the capacitance, the entire diaphragm becomes a part of the electrode. Therefore, when the microphone is downsized, the area of the electrode is reduced together with the diaphragm, and the sensitivity is deteriorated.
本発明の実施形態は、高感度の圧力センサ及びマイクロフォンを提供する。 Embodiments of the present invention provide a highly sensitive pressure sensor and microphone.
本発明の実施形態によれば、基体と、前記基体の上に設けられた第1センサ部と、処理回路と、を備えた圧力センサが提供される。前記第1センサ部は、第1膜面を有する可撓性の第1トランスデュース薄膜と、前記第1膜面上において前記第1膜面の重心とは異なる位置に設けられ、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた非磁性の第1中間層と、を含む第1歪検知素子と、前記第1膜面上において前記第1歪検知素子と離間し前記重心とは異なる位置に設けられ、第3磁性層と、第4磁性層と、前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた非磁性の第2中間層と、を含む第2歪検知素子と、を含む。前記第1磁性層、前記第1中間層及び前記第2磁性層は、前記第1膜面に対して垂直な方向に並ぶ。前記第3磁性層、前記第2中間層及び前記第4磁性層は、前記第1膜面に対して垂直な方向に並ぶ。前記第3磁性層の磁化方向は、前記第1磁性層の磁化方向及び前記第2磁性層の磁化方向の一方に沿う。前記第4磁性層の磁化方向は、前記第1磁性層の前記磁化方向及び前記第2磁性層の前記磁化方向の他方に沿う。前記第2歪検知素子は、前記第1歪検知素子と前記第1膜面の縁部に沿って並ぶ。前記第1歪検知素子と前記重心とを結ぶ直線は、前記第2歪検知素子と前記重心とを結ぶ直線に対して傾斜する。前記処理回路は、前記第1歪検知素子から得られる第1信号と、前記第2歪検知素子から得られる第2信号と、を加重加算する。 According to the embodiment of the present invention, there is provided a pressure sensor including a base, a first sensor unit provided on the base, and a processing circuit. The first sensor unit is provided on a flexible first transducer thin film having a first film surface, and on the first film surface at a position different from the center of gravity of the first film surface. A first strain sensing element including: a second magnetic layer; a nonmagnetic first intermediate layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer; and the first film surface. And provided at a position that is separated from the first strain sensing element and different from the center of gravity, and is provided between the third magnetic layer, the fourth magnetic layer, and the third magnetic layer and the fourth magnetic layer. A second strain sensing element including a nonmagnetic second intermediate layer. The first magnetic layer, the first intermediate layer, and the second magnetic layer are arranged in a direction perpendicular to the first film surface. The third magnetic layer, the second intermediate layer, and the fourth magnetic layer are arranged in a direction perpendicular to the first film surface. The magnetization direction of the third magnetic layer is along one of the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer. The magnetization direction of the fourth magnetic layer is along the other of the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer. The second strain sensing element is aligned with the first strain sensing element along an edge of the first film surface. A straight line connecting the first strain sensing element and the center of gravity is inclined with respect to a straight line connecting the second strain sensing element and the center of gravity. The processing circuit weights and adds the first signal obtained from the first strain sensing element and the second signal obtained from the second strain sensing element.
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
Note that the drawings are schematic or conceptual, and the size ratio between the parts is not necessarily the same as the actual one. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る圧力センサの構成を例示する模式的斜視図である。
図1では、図を見やすくするために、絶縁部分を省略し、導電部分が主に描かれている。
図2は、第1の実施形態に係る圧力センサの一部の構成を例示する模式的平面図である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic perspective view illustrating the configuration of the pressure sensor according to the first embodiment.
In FIG. 1, in order to make the drawing easier to see, the insulating portion is omitted and the conductive portion is mainly drawn.
FIG. 2 is a schematic plan view illustrating the configuration of a part of the pressure sensor according to the first embodiment.
図1に表したように、本実施形態に係る圧力センサ310は、基体71aと、センサ部72(第1センサ部72A)と、を備える。センサ部72は、基体71aの上に設けられる。センサ部72(第1センサ部72A)は、第1トランスデュース薄膜64Aと、第1固定部67Aと、第1歪検知素子50Aと、を含む。第1トランスデュース薄膜64Aは、膜面64a(第1膜面)を有する。第1トランスデュース薄膜64Aは、可撓性である。第1トランスデュース薄膜64Aは、外部から圧力が印加されたときに撓み、その上に形成された歪検知素子50に歪としてトランスデュースする機能を有する。外部圧力は、圧力そのものもあれば、音波または超音波などによる圧力も含む。音波または超音波などの場合は、圧力センサは、マイクロフォンとして機能することになる。
As shown in FIG. 1, the
トランスデュース薄膜64となる薄膜は、外部圧力によって撓む部分よりも外側に連続して形成されている場合もある。本明細書においては、固定端によって囲まれ、膜厚がある一定の厚さで固定端よりも薄く、外部圧力によって撓むようになっている部位を、トランスデュース薄膜と呼ぶ。
The thin film that becomes the transducer
第1固定部67Aは、第1トランスデュース薄膜64Aを基体71aに固定する。第1歪検知素子50Aは、第1膜面上に設けられる。第1歪検知素子50Aの構成については、後述する。
The
基体71aには、空洞部70が形成されている。基体71aにおける空洞部70以外の部分が非空洞部71に対応する。非空洞部71は、空洞部70と並置される。
A
空洞部70は、非空洞部71を形成する材料が設けられていない部分である。空洞部70内は、真空(1気圧よりも低い低圧状態)でも良く、空洞部70内に、空気や不活性ガスなどの気体が充填されていても良い。また、空洞部70内に、液体が充填されていても良い。空洞部70内には、第1トランスデュース薄膜64Aが撓むことができるように、変形可能な物質が配置されていても良い。
The
第1トランスデュース薄膜64Aに外部から圧力(音、超音波等を含む)が印加されたときに、第1トランスデュース薄膜64Aが撓む。これに伴い、第1トランスデュース薄膜64Aの上に配置された歪センサ(センサ部72)に歪が発生する。このように、第1トランスデュース薄膜64Aは、圧力の信号をセンサ部72に伝達(トランスデュース)し、センサ部72において、圧力の信号が歪の信号に変換される。
When pressure (including sound, ultrasonic waves, etc.) is applied to the first transducer
第1トランスデュース薄膜64Aは、空洞部70の上方に配置され、第1固定部67Aにより、第1トランスデュース薄膜64Aは、基体71aに固定される。
The first transducer
ここで、膜面64a(第1膜面)に対して平行な面をX−Y平面とする。膜面64aが平面で得ない場合は、膜面64aの縁部64egを含む平面をX−Y平面とする。X−Y平面に対して垂直な方向をZ軸方向とする。
Here, a plane parallel to the
図1及び図2に表したように、圧力センサ310において、基体71a、トランスデュース薄膜64(第1トランスデュース薄膜64A)、第1固定部67A(固定部67a〜67d)、第1歪検知素子50A、第1配線57(配線57a〜57d)及び第2配線58(配線58a〜58d)が設けられている。この例では、複数の歪検知素子50(歪検知素子50a〜50d)が設けられている。第1歪検知素子50Aは、複数の歪検知素子50のうちのいずれかである。例えば、第1歪検知素子50Aとして、歪検知素子50aが用いられる。ただし、実施形態において、1つの歪検知素子50(第1歪検知素子50A)が設けられても良い。
As shown in FIGS. 1 and 2, in the
すなわち、センサ部72(第1センサ部72A)は、第2歪検知素子50Bをさらに含む。第2歪検知素子50Bは、膜面64a上に設けられる。第2歪検知素子50Bとして、例えば歪検知素子50bが用いられる。この例では、第1歪検知素子50Aと第2歪検知素子50Bとを通る直線は、膜面64aの重心64bを通る。具体的には、第1歪検知素子50Aの重心と、第2歪検知素子50Bの重心と、を通る直線は、重心64bを通る。
That is, the sensor unit 72 (
この例では、4つの歪検知素子50(歪検知素子50a〜50d)が設けられている。歪検知素子50a〜50dは、膜面64a上において、直線64dにおける中心(重心64bに相当する)から−X軸方向側の部分に沿って配置されている。また、歪検知素子50は、トランスデュース薄膜64の膜面64aの重心64bの位置とは異なる位置に配置されている。
In this example, four strain sensing elements 50 (
図3(a)〜図3(d)は、第1の実施形態に係る圧力センサの一部の構成を例示する模式的平面図である。
これらの図は、トランスデュース薄膜64の膜面64aの形状を例示している。
図3(a)〜図3(d)に表したように、トランスデュース薄膜64の膜面64a(撓む部分)の形状は、円形、扁平円(楕円も含む)、正方形または長方形などである。このような場合には、膜面64aの重心は、それぞれ、円の中心、楕円の中心、正方形の対角線の中心、または、長方形の対角線の中心となる。
FIG. 3A to FIG. 3D are schematic plan views illustrating the configuration of part of the pressure sensor according to the first embodiment.
These drawings illustrate the shape of the
As shown in FIGS. 3A to 3D, the shape of the
トランスデュース薄膜64は、例えば、絶縁層で形成される。または、トランスデュース薄膜64は、例えば、金属材料で形成される。トランスデュース薄膜64は、例えば、酸化シリコンまたは窒化シリコンなどを含む。トランスデュース薄膜64の厚さは、例えば、200nm以上3μm以下である。好ましくは、300nm以上1.5μm以下である。トランスデュース薄膜64の直径は、例えば、1μm以上600μm以下である。より好ましくは、60μm以上、600μm以下である。トランスデュース薄膜64は、例えば、膜面64aに対して垂直なZ軸方向に可撓である。
The transducer
この例では、第1固定部67Aは、固定部67a〜67dを含む。
図2に表したように、この例では、固定部67a及び67cは、直線64cと、トランスデュース薄膜64の縁部64egと、の交点に配置されている。直線64cは、トランスデュース薄膜64の膜面64aの重心64bを通り、Y軸方向に対して平行である。固定部67b及び固定部67dは、直線64dと、トランスデュース薄膜64の縁部64egと、の交点に配置されている。直線64dは、トランスデュース薄膜64の膜面64aの重心64bを通り、X軸方向に対して平行である。固定部67a〜67dは、トランスデュース薄膜64を非空洞部71(基体71a)に固定している。
固定部67a〜67dには、例えば、基板材料の一部であるシリコンや、基板材料の上に成膜されたトランスデュース薄膜と同じ材料などを含む。固定部67a〜67dは、外部圧力が印加されたときにも撓みにくいように、トランスデュース薄膜64よりも厚い膜厚で形成された部分である。
In this example, the
As shown in FIG. 2, in this example, the fixing
The fixing
歪検知素子50a〜50dのそれぞれの一端は、第1配線57のそれぞれ(例えば配線57a〜57d)に接続されている。歪検知素子50a〜50dのそれぞれの他端は、第2配線58のそれぞれ(例えば58a〜58d)に接続されている。
One end of each of the
第1配線57及び第2配線58は、固定部67の上、または、固定部67の内部を通って、歪検知素子50から基体71aに向けて延在する。
The
図4は、第1の実施形態に係る圧力センサの一部の構成を例示する模式的斜視図である。
図4は、歪検知素子50の構成の例を示している。図3に示したように、歪抵抗変化部50s(歪検知素子50であり、第1歪検知素子50A)は、例えば、第1磁性層10と、第2磁性層20と、第1磁性層10と第2磁性層20との間に設けられた中間層30(第1中間層)と、を含む。中間層30は、非磁性層である。複数の歪検知素子50のそれぞれの構成も、上記と同様である。例えば、第2歪検知素子50Bは、第3磁性層10Bと、第4磁性層20Bと、第3磁性層10Bと第4磁性層20Bとの間に設けられた非磁性の第2中間層30Bと、を含む。第3磁性層10Bの構成は、第1磁性層10の構成と同様である。第4磁性層20Bの構成は、第2磁性層20の構成と同様である。第2中間層30Bの構成は、第1中間層30の構成と同様である。以下に説明する第1磁性層10、第2磁性層20及び中間層30の構成は、第3磁性層10B、第4磁性層20B及び第2中間層30Bの構成に適用できる。
FIG. 4 is a schematic perspective view illustrating the configuration of a part of the pressure sensor according to the first embodiment.
FIG. 4 shows an example of the configuration of the
この例では、第1磁性層10は、磁化自由層である。第2磁性層20は、例えば、磁化固定層または磁化自由層である。
In this example, the first
以下では、歪検知素子50の動作の例について、第2磁性層20が磁化固定層であり、第1磁性層10が磁化自由層である場合について説明する。歪検知素子50においては、強磁性体が有する「逆磁歪効果」と、歪抵抗変化部50sで発現する「MR効果」と、が利用される。
Hereinafter, an example of the operation of the
「MR効果」は、磁性体を有する積層膜において、外部磁界が印加されたときに、磁性体の磁化の変化によって積層膜の電気抵抗の値が変化する現象である。MR効果は、例えば、GMR(Giant magnetoresistance)効果、または、TMR(Tunneling magnetoresistance)効果などを含む。歪抵抗変化部50sに電流を流すことで、磁化の向きの相対角度の変化を電気抵抗変化として読み取ることで、MR効果は発現する。例えば、歪検知素子50に加わる応力に基づいて、歪抵抗変化部50sに引っ張り応力が加わる。第1磁性層10(磁化自由層)の磁化の向きと、第2磁性層20に加わる引っ張り応力の方向と、が異なるときに、逆磁歪効果によりMR効果が発現する。低抵抗状態の抵抗をRとし、MR効果によって変化する電気抵抗の変化量をΔRとしたときに、ΔR/Rを「MR変化率」という。
The “MR effect” is a phenomenon in which, in a laminated film having a magnetic material, when an external magnetic field is applied, the value of the electric resistance of the laminated film changes due to a change in magnetization of the magnetic material. The MR effect includes, for example, a GMR (Giant magnetoresistance) effect or a TMR (Tunneling magnetoresistance) effect. By flowing a current through the strain
図5(a)〜図5(c)は、第1の実施形態に係る圧力センサの動作を例示する模式的斜視図である。
これらの図は、歪検知素子50の状態を例示している。これらの図は、歪検知素子50における磁化方向と、引っ張り応力の方向と、の関係を例示している。
FIG. 5A to FIG. 5C are schematic perspective views illustrating the operation of the pressure sensor according to the first embodiment.
These drawings illustrate the state of the
図5(a)は、引っ張り応力が印加されていない状態を示す。このとき、この例では、第2磁性層20(磁化固定層)の磁化の向きは、第1磁性層10(磁化自由層)の磁化の向きと、同じである。 FIG. 5A shows a state where no tensile stress is applied. At this time, in this example, the magnetization direction of the second magnetic layer 20 (magnetization fixed layer) is the same as the magnetization direction of the first magnetic layer 10 (magnetization free layer).
図5(b)は、引っ張り応力が印加された状態を示している。この例では、X軸方向に沿って引っ張り応力が印加されている。例えば、トランスデュース薄膜64の変形により、例えば、X軸方向に沿った引っ張り応力が印加される。すなわち、引っ張り応力は、第2磁性層20(磁化固定層)及び第1磁性層10(磁化自由層)の磁化の向き(この例では、Y軸方向)に対して直交方向に印加される。このとき、引っ張り応力の方向と同じ方向になるように、第1磁性層10(磁化自由層)の磁化が回転する。これを「逆磁歪効果」という。このとき、第2磁性層20(磁化固定層)の磁化は固定されている。よって、第1磁性層10(磁化自由層)の磁化が回転することで、第2磁性層20(磁化固定層)の磁化の向きと、第1磁性層10(磁化自由層)の磁化の向きと、の相対角度が変化する。
FIG. 5B shows a state where tensile stress is applied. In this example, tensile stress is applied along the X-axis direction. For example, due to the deformation of the transducer
この図には、第2磁性層20(磁化固定層)の磁化方向が一例として図示されており、磁化方向は、この図に示した方向でなくても良い。 In this figure, the magnetization direction of the second magnetic layer 20 (magnetization fixed layer) is shown as an example, and the magnetization direction may not be the direction shown in this figure.
逆磁歪効果においては、強磁性体の磁歪定数の符号によって磁化の容易軸が変化する。大きな逆磁歪効果を示す多くの材料は、磁歪定数が正の符号を持つ。磁歪定数が正の符号である場合には、上述のように引っ張り応力が加わる方向が磁化容易軸となる。このときには、上記のように、第1磁性層10(磁化自由層)の磁化は、磁化容易軸の方向に回転する。 In the inverse magnetostriction effect, the easy axis of magnetization changes depending on the sign of the magnetostriction constant of the ferromagnetic material. Many materials exhibiting a large inverse magnetostrictive effect have a positive sign for the magnetostriction constant. When the magnetostriction constant has a positive sign, the direction in which tensile stress is applied as described above is the easy axis of magnetization. At this time, as described above, the magnetization of the first magnetic layer 10 (magnetization free layer) rotates in the direction of the easy axis of magnetization.
例えば、第1磁性層10(磁化自由層)の磁歪定数が正である場合には、第1磁性層10(磁化自由層)の磁化方向は、引っ張り応力が加わる方向とは異なる方向に設定する。一方、磁歪定数が負である場合には、引っ張り応力が加わる方向に垂直な方向が磁化容易軸となる。 For example, when the magnetostriction constant of the first magnetic layer 10 (magnetization free layer) is positive, the magnetization direction of the first magnetic layer 10 (magnetization free layer) is set to a direction different from the direction in which tensile stress is applied. . On the other hand, when the magnetostriction constant is negative, the direction perpendicular to the direction in which the tensile stress is applied becomes the easy axis of magnetization.
図5(c)は、磁歪定数が負である場合の状態を例示している。この場合には、第1磁性層10(磁化自由層)の磁化方向は、引っ張り応力が加わる方向(この例ではX軸方向)に対して垂直な方向とは異なる方向に設定する。 FIG. 5C illustrates a state where the magnetostriction constant is negative. In this case, the magnetization direction of the first magnetic layer 10 (magnetization free layer) is set to a direction different from the direction perpendicular to the direction in which the tensile stress is applied (X-axis direction in this example).
この図には、第2磁性層20(磁化固定層)の磁化方向が一例として図示されており、磁化方向は、この図に示した方向でなくても良い。 In this figure, the magnetization direction of the second magnetic layer 20 (magnetization fixed layer) is shown as an example, and the magnetization direction may not be the direction shown in this figure.
第1磁性層10の磁化と第2磁性層20の磁化との間の角度に応じて、歪検知素子50(歪抵抗変化部50s)の電気抵抗が、例えば、MR効果によって変化する。
Depending on the angle between the magnetization of the first
磁歪定数(λs)は、外部磁界を印加して強磁性層をある方向に飽和磁化させたときの形状変化の大きさを示す。外部磁界がない状態で長さLであるときに、外部磁界が印加されたときにΔLだけ変化したとすると、磁歪定数λsは、ΔL/Lで表される。この変化量は磁界の大きさによって変わるが、磁歪定数λsは十分な磁界が印加され、磁化が飽和された状態のΔL/Lとしてあらわす。 The magnetostriction constant (λs) indicates the magnitude of the shape change when an external magnetic field is applied and the ferromagnetic layer is saturated and magnetized in a certain direction. If the length is L in the absence of an external magnetic field and changes by ΔL when an external magnetic field is applied, the magnetostriction constant λs is expressed by ΔL / L. Although the amount of change varies depending on the magnitude of the magnetic field, the magnetostriction constant λs is expressed as ΔL / L in a state where a sufficient magnetic field is applied and magnetization is saturated.
例えば、第2磁性層20が磁化固定層である場合、第2磁性層20には、Fe、Co,Niやそれらの合金材料が用いられる。また、第2磁性層20には、上記の材料に添加元素を加えた材料などが用いられる。第2磁性層20には、例えば、CoFe合金、CoFeB合金及びNiFe合金等を用いることができる。第2磁性層20の厚さは、例えば2ナノメートル(nm)以上6nm以下である。
For example, when the second
中間層30には、金属または絶縁体を用いることができる。金属としては、例えば、Cu、Au及びAg等を用いることができる。金属の場合、中間層30の厚さは、例えば1nm以上7nm以下である。絶縁体としては、例えば、マグネシウム酸化物(MgO等)、アルミ酸化物(Al2O3等)、チタン酸化物(TiO等)、及び、亜鉛酸化物(ZnO等)を用いることができる。絶縁体の場合、中間層30の厚さは、例えば1nm以上3nm以下である。
A metal or an insulator can be used for the
第1磁性層10が磁化自由層である場合、第1磁性層10には、例えば、Fe、Co及びNiの少なくともいずれか、または、それらの少なくとも含む合金材料が用いられる。上記の材料に添加元素を加えた材料が用いられる。
When the first
第1磁性層10には、磁歪が大きい材料が用いられる。具体的には、磁歪の絶対値が、10−5よりも大きい材料が用いられる。これにより、歪に対して、磁化が敏感に変化する。第1磁性層10には、正の磁歪を有する材料を用いても良く、負の磁歪を有する材料を用いても良い。
A material having a large magnetostriction is used for the first
第1磁性層10には、例えば、FeCo合金、及び、NiFe合金等を用いることができる。この他、第1磁性層10には、Fe−Co−Si−B合金、λs>100ppmを示すTb−M−Fe合金(Mは、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er)、Tb−M1−Fe−M2合金(M1は、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、M2は、Ti,Cr,Mn,Co,Cu,Nb,Mo,W,Ta)、Fe−M3−M4−B合金(M3は、Ti,Cr,Mn,Co,Cu,Nb,Mo,W,Ta、M4は、Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Dy,Er)、Ni、Al−Feやフェライト(Fe3O4、(FeCo)3O4)など)等を用いることができる。第1磁性層10の厚さは、例えば2nm以上である。
For the first
第1磁性層10は、2層構造を有することができる。この場合、第1磁性層10は、FeCo合金の層と、FeCo合金の層と積層された以下の層と、を含むことができる。FeCo合金の層と積層されるのは、Fe−Co−Si−B合金、λs>100ppmを示すTb−M−Fe合金(Mは、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er)、Tb−M1−Fe−M2合金(M1は、Sm、Eu、Gd、Dy、Ho、Er、M2は、Ti,Cr,Mn,Co,Cu,Nb,Mo,W,Ta)、Fe−M3−M4−B合金(M3は、Ti,Cr,Mn,Co,Cu,Nb,Mo,W,Ta、M4は、Ce,Pr,Nd,Sm,Tb,Dy,Er)、Ni、Al−Feやフェライト(Fe3O4、(FeCo)3O4)など)等から選択される材料の層である。
The first
例えば、中間層30が金属の場合は、GMR効果が発現する。中間層30が絶縁体の場合は、TMR効果が発現する。例えば、歪検知素子50においては、例えば、歪抵抗変化部50sの積層方向に沿って電流を流すCPP(Current Perpendicular to Plane)−GMR効果が用いられる。
For example, when the
また、中間層30として、絶縁層の一部に1nm以上5nm程度の幅(例えば径)の金属電流パスが膜厚方向に貫通して複数形成された、CCP(Current-Confined-Path)スペーサー層を用いることができる。この場合も、CCP−GMR効果が用いられる。
Further, as the
このように、本実施形態においては、歪検知素子50における逆磁歪現象が用いられる。これにより、高感度な検知が可能になる。逆磁歪効果を用いる場合、例えば、外部から加えられる歪に対して、第1磁性層10及び第2磁性層20の少なくともいずれかの磁性層の磁化方向が変化する。外部から加えられる歪(有無及びその程度など)によって、2つの磁性層の磁化の相対的な角度が変わる。外部から加えられる歪によって電気抵抗が変わるため、歪検知素子50は、圧力センサとして機能する。
Thus, in this embodiment, the inverse magnetostriction phenomenon in the
図6(a)及び図6(b)は、第1の実施形態に係る圧力センサの一部の構成を例示する模式的斜視図である。
図6(a)に示したように、歪検知素子50は、例えば、第1電極51と、第2電極52と、を含む。第1電極51と第2電極52との間に歪抵抗変化部50sが設けられている。この例では、歪抵抗変化部50sにおいては、第1電極51の側から第2電極52に向けて、バッファ層41(シード層を兼ねる場合もある。厚さは、例えば厚さ1nm以上10nm以下である。具体的には、TaまたはTiなどを含むアモルファス層を用いるまた、結晶配向促進のためのシード層となるRuまたはNiFeなどの層を用いる。これらの積層膜を用いても良い)、反強磁性層42(例えば厚さ5nm以上10nm以下)、磁性層43(例えば厚さ2nm以上6nm以下)、Ru層44、第2磁性層20(例えば厚さ2nm以上5nm以下)、中間層30(例えば厚さ1nm以上3nm以下)、第1磁性層10(例えば厚さ2nm以上5nm以下)及びキャップ層45(例えば厚さ1nm以上5nm以下)が、この順で設けられている。
FIG. 6A and FIG. 6B are schematic perspective views illustrating a partial configuration of the pressure sensor according to the first embodiment.
As shown in FIG. 6A, the
第2磁性層20には、例えば、磁性積層膜が用いられる。第1磁性層10は、MR変化率を大きくするための磁性積層膜10a(例えば厚さ1nm以上3nm以下。例えばCoFeを含む合金やCoFeなどが用いられる)と、磁性積層膜10aとキャップ層45との間に設けられた高磁歪磁性膜10b(例えば1nm以上5nm以下)と、を含む。
For example, a magnetic multilayer film is used for the second
第1電極51及び第2電極52には、例えば、非磁性体であるAu、Cu、Ta、Al等を用いることができる。第1電極51及び第2電極52として、軟磁性体の材料を用いることで、歪抵抗変化部50sに影響を及ぼす外部からの磁気ノイズを低減することができる。軟磁性体の材料としては、例えば、パーマロイ(NiFe合金)や珪素鋼(FeSi合金)を用いることができる。歪検知素子50は、アルミ酸化物(例えばAl2O3)やシリコン酸化物(例えばSiO2)等の絶縁体で覆われ、周囲にリーク電流が流れないようにされている。
For the
第1磁性層10及び第2磁性層20の少なくともいずれかの磁性層の磁化方向は、応力に応じて変化する。少なくともいずれかの磁性層(応力に応じて磁化方向が変化する磁性層)の磁歪定数の絶対値は、例えば、10−5以上に設定することが好ましい。これにより、逆磁歪効果によって、外部から加えられる歪みに応じて磁化方向が変化する。例えば、第1磁性層10及び第2磁性層20の少なくともいずれかには、Fe、Co及びNiなどのような金属または、それらを含む合金などが用いられる。用いる元素や添加元素などによって、磁歪定数は大きく設定される。磁歪定数の絶対値は、大きいことが好ましい。現実的なデバイスとして使用できる材料を考慮すると、磁歪定数の絶対値は、10−2程度以下が実用的である。
The magnetization direction of at least one of the first
例えば、中間層30としてMgOのような酸化物が用いられる。MgO層上の磁性層は、一般的にプラスの磁歪定数を有する。例えば、中間層30の上に第1磁性層10を形成する場合、第1磁性層10として、CoFeB/CoFe/NiFeの積層構成の磁化自由層を用いる。最上層のNiFe層をNiリッチにすると、NiFe層の磁歪定数はマイナスでその絶対値が大きくなる。酸化物層上のプラスの磁歪が打ち消されることを抑制するために、最上層のNiFe層のNi組成は、一般的に用いられるNi81Fe19のパーマロイ組成と比較して、Niリッチにしない。具体的には、最上層のNiFe層におけるNiの比率は、80原子パーセント(atomic%)未満とすることが好ましい。第1磁性層10を磁化自由層とする場合には、第1磁性層10の厚さは、例えば、1nm以上20nm以下が好ましい。
For example, an oxide such as MgO is used for the
第1磁性層10が磁化自由層である場合において、第2磁性層20は、磁化固定層でも磁化自由層でも良い。第2磁性層20が磁化固定層である場合、外部から歪が加えられても第2磁性層20の磁化方向は実質的に変化しない。そして、第1磁性層10と第2磁性層20との間での相対的な磁化の角度によって電気抵抗が変化する。電気抵抗の違いによって歪の有無が検知される。
In the case where the first
第1磁性層10及び第2磁性層20の両方が磁化自由層である場合には、例えば、第1磁性層10の磁歪定数は、第2磁性層20の磁歪定数とは異なるように設定される。
When both the first
第2磁性層20が磁化固定層である場合も磁化自由層である場合も、第2磁性層20の厚さは、例えば1nm以上20nm以下が好ましい。
Whether the second
例えば、第2磁性層20が磁化固定層である場合、例えば、第2磁性層20には、反磁性層/磁性層/Ru層/磁性層の積層構造を用いたシンセティックAF構造などを用いることができる。反磁性層には、例えばIrMnなどが用いられる。また、後述するように、ハードバイアス層を設けても良い。
For example, when the second
歪検知素子50では、磁性層のスピンが用いられる。歪検知素子50に必要な面積は、極めて小さいサイズで十分である。歪検知素子50は、例えば、正方形のサイズで考えると、一辺の長さが10nm×10nm〜20nm×20nm以上のサイズを有していれば良い。
In the
歪検知素子50の面積は、圧力によって撓むトランスデュース薄膜64の面積よりも十分に小さくする。ここで、トランスデュース薄膜とは、前述したように固定端によって囲まれ、膜厚がある一定の厚さで固定端よりも薄くなって外部圧力によって撓むようになっている部位である。具体的には、歪検知素子50の面積は、トランスデュース薄膜64の基板面内の面積の1/5以下である。一般的には、トランスデュース薄膜64のサイズは、上述のように60μm以上、600μm以下程度である。トランスデュース薄膜64の直径が60μm程度と小さい場合には、歪検知素子50の一辺の長さは、例えば、12μm以下である。トランスデュース薄膜の直径が600μmのときには、歪検知素子50の一辺の長さは、120μm以下である。この値が、例えば、歪検知素子50のサイズの上限となる。
The area of the
この上限の値と比べると、上記の、一辺の長さが10nm以上20nm以下というサイズは、極端に小さい。このため、素子の加工精度等も考慮すると、歪検知素子50を過度に小さくする必然性が生じない。そのため、歪検知素子50の一辺のサイズは、例えば、0.5μm以上20μm以下程度とすることが現実的に好ましい。極端に素子サイズが小さくなると、歪検知素子50に生じる反磁界の大きさが大きくなるため、歪検知素子50のバイアス制御が困難になるなどの問題が生じる。素子サイズが大きくなると、反磁界の問題が生じなくなるため、工学的観点で扱いやすくなる。その観点で、上述のように、0.5μm以上20μm以下が、好ましいサイズである。
Compared with the upper limit value, the above-mentioned size having a side length of 10 nm to 20 nm is extremely small. For this reason, in consideration of the processing accuracy of the element, the necessity of making the
例えば、歪検知素子50のX軸方向に沿った長さは、20nm以上10μm以下である。歪検知素子50のX軸方向に沿った長さは、200nm以上5μm以下であることが好ましい。
For example, the length along the X-axis direction of the
例えば、歪検知素子50のY軸方向(X軸方向に対して垂直で、X−Y平面に対して平行な方向)に沿った長さは、20nm以上10μm以下である。歪検知素子50のY軸方向に沿った長さは、200nm以上5μm以下であることが好ましい。
For example, the length of the
例えば、歪検知素子50のZ軸方向(X−Y平面に対して垂直な方向)に沿った長さは、20nm以上100nm以下である。
For example, the length along the Z-axis direction (direction perpendicular to the XY plane) of the
歪検知素子50のX軸方向に沿った長さは、歪検知素子50のY軸方向に沿った長さと同じでも良く、異なっても良い。歪検知素子50のX軸方向に沿った長さが、歪検知素子50のY軸方向に沿った長さと異なるときに、形状磁気異方性が生じる。これにより、ハードバイアス層で得られる作用と同様の作用を得ることもできる。
The length of the
歪検知素子50において流される電流の向きは、第1磁性層10から第2磁性層20に向かう方向でも良く、第2磁性層20から第1磁性層10に向かう方向でも良い。
The direction of the current flowing in the
図6(b)は、第1の実施形態に係る圧力センサの一部の別の構成を例示している。
図6(b)に示したように、歪検知素子50は、バイアス層55a及び55b(ハードバイアス層)を含んでもよい。バイアス層55a及び55bは、歪抵抗変化部50sに対向して設けられる。
FIG. 6B illustrates another configuration of a part of the pressure sensor according to the first embodiment.
As shown in FIG. 6B, the
この例では、第2磁性層20が磁化固定層である。バイアス層55a及び55bは、第2磁性層20に並置される。バイアス層55a及び55bの間に、歪抵抗変化部50sが配置される。バイアス層55aと歪抵抗変化部50sとの間に絶縁層54aが設けられる。バイアス層55bと歪抵抗変化部50sとの間に絶縁層54bが設けられる。
In this example, the second
バイアス層55a及び55bは、第1磁性層10にバイアス磁界を印加する。これにより、第1磁性層10の磁化方向を適正な位置にバイアスすることが可能になるとともに、単一磁区化することが可能となる。
The bias layers 55 a and 55 b apply a bias magnetic field to the first
バイアス層55a及び55bのそれぞれの大きさ(この例ではY軸方向に沿った長さ)は、例えば、100nm以上10μm以下である。 Each of the bias layers 55a and 55b (in this example, the length along the Y-axis direction) is, for example, not less than 100 nm and not more than 10 μm.
絶縁層54a及び54bのそれぞれの大きさ(この例ではY軸方向に沿った長さ)は、例えば、1nm以上5nm以下である。
The size of each of the insulating
次に、本実施形態の動作の例について説明する。
図7(a)及び図7(b)は、第1の実施形態に係る圧力センサの動作を例示する模式図である。
図7(a)は、図2の直線64dで切断したときの模式的断面図である。図6(b)は、圧力センサの動作を例示する模式図である。
Next, an example of the operation of this embodiment will be described.
FIG. 7A and FIG. 7B are schematic views illustrating the operation of the pressure sensor according to the first embodiment.
FIG. 7A is a schematic cross-sectional view taken along the
図7(a)に表したように、本実施形態に係る圧力センサ310において、トランスデュース薄膜64は、空気等の媒体から応力80を受けて撓む。例えば、膜面64aが凸状になるようにトランスデュース薄膜64が撓むことによって、トランスデュース薄膜64に応力81(例えば引っ張り応力)が加わる。この際に、トランスデュース薄膜64の膜面64a上に設けられた歪検知素子50にも応力81が加わり歪みが生じる。これにより、歪検知素子50において、逆磁歪効果によって、歪量の変化に応じて、歪検知素子50の一端と他端との間の電気抵抗が変化する。膜面64aが凹状になるようにトランスデュース薄膜64が撓む場合には、トランスデュース薄膜64に圧縮応力が加わる。
As shown in FIG. 7A, in the
図7(b)に表したように、複数の歪検知素子50のそれぞれから、上記の応力に応じた信号50sgを得ることができる。例えば、第1歪検知素子50Aから第1信号sg1が得られる。第2歪検知素子50Bから、第2信号sg2が得られる。複数の信号50sgは、処理回路113によって処理される。例えば、歪検知素子50のそれぞれから得られる複数の信号50sgは、加算処理される。
As shown in FIG. 7B, a
このとき、各信号を単純に加算するだけでなく、各位置により重みをつけて加算処理するなどを行う。これにより、応用上好ましい圧力信号を得ることが可能となる。 At this time, not only the signals are simply added, but addition processing is performed with a weight added to each position. This makes it possible to obtain a pressure signal that is favorable for application.
例えば、実施形態に係る応力センサを、音波を取得する音響マイクや超音波マイクなどに応用することができる。このとき、歪検知素子50のそれぞれから得られる信号が微弱であった場合においても、複数の歪検知素子50からの信号を加算処理することで、後段の増幅処理に適した信号を得ることが可能となる。
For example, the stress sensor according to the embodiment can be applied to an acoustic microphone or an ultrasonic microphone that acquires sound waves. At this time, even when the signal obtained from each of the
また、複数の歪検知素子50からの信号を処理することで、周波数特性を改善することも可能となる。また、加算処理するだけでなく、掛け算、引き算または差動信号処理などを行っても良い。これにより、後の増幅処理に、より適した信号を得ることができる。
Further, it is possible to improve frequency characteristics by processing signals from the plurality of
実施形態においては、歪検知素子50のサイズを小さくすることが容易であり、これにより、トランスデュース薄膜64上に複数の歪検知素子50を設けることが容易に実現できる。そして、複数の歪検知素子50が、共通の1つのトランスデュース薄膜64上に配置されることで、複数の歪検知素子50から得られる信号が、互いに相補関係にすることができる。後述するように、例えば、複数の歪検知素子50を対称な位置に配置することで、複数の歪検知素子50から得られる信号どうしが相補の特性を有するようにすることもできる。このような構成においては、例えば、複雑な信号処理を行わなくても、複数の歪検知素子50の出力を比較的簡単な加算処理を行うだけでも、所望の特性の信号を容易に得ることができる。これにより、例えば、広い周波数帯域で高感度な音波の検出が容易に実現できる。
In the embodiment, it is easy to reduce the size of the
このような、処理に適した検出信号は、容量変化型のMEMSマイクでは得ることが困難であり、実施形態に係る構成を用いることで初めて可能となるものである。 Such a detection signal suitable for processing is difficult to obtain with a capacitance change type MEMS microphone, and is only possible when the configuration according to the embodiment is used.
本実施形態に係る圧力センサ310の歪検知素子50においては、逆磁歪効果及びMR効果を利用する。磁化の変化により生じる抵抗の変化を感知しているので、微細化したときの感度の劣化を抑制することができる。
In the
これに対して、例えば、容量型の圧力センサにおいては、歪検知素子の微細化すると、電極間の面積が減少するので、感度の劣化が大きい。また、抵抗型の圧力センサにおいても、歪検知素子の微細化すると、抵抗素子の電流が減少するので、感度の劣化が大きい。よって、容量型及び抵抗型の圧力センサにおいては歪検知素子の微細化が困難である。 On the other hand, in a capacitive pressure sensor, for example, when the strain sensing element is miniaturized, the area between the electrodes decreases, so that the sensitivity is greatly deteriorated. Also in the resistance type pressure sensor, when the strain sensing element is miniaturized, the current of the resistance element is decreased, so that the sensitivity is greatly deteriorated. Therefore, it is difficult to miniaturize the strain sensing element in capacitive and resistance type pressure sensors.
実施形態に係る圧力センサ310においては、歪検知素子を微細化しても感度の劣化が抑制される。すなわち、高感度の応力センサが提供できる。
In the
さらに、実施形態においては、微細化しても感度の劣化が抑制されるため、例えばトランスデュース薄膜64上に複数の歪検知素子50を配置することもできる。これにより、圧力の測定の精度を向上させることができる。
Furthermore, in the embodiment, since the deterioration of sensitivity is suppressed even if the size is reduced, for example, a plurality of
例えば、歪検知素子50a〜50dのそれぞれは、重心64bを通る直線64d上にあり、重心64bからの距離がそれぞれ異なっている。歪検知素子50a〜50dのそれぞれの位置における、トランスデュース薄膜64の歪みの量は、互いに異なる。例えば、歪検知素子50a〜50dのそれぞれから得られる複数の信号50sgを加算処理することによって、歪検知素子50は、広い周波数領域のトランスデュース薄膜64の振動に応答することができる。
For example, each of the
さらに、複数の歪検知素子50a〜50dから得られた信号50sgを処理して、周波数特性を補正することができる。
Furthermore, the frequency characteristics can be corrected by processing the signal 50sg obtained from the plurality of
後述するように、トランジスタが形成された基板の上方に、歪検知素子50を形成しても良い。これにより、圧力センサの小型化が可能になり、微小領域で歪を高感度に検知することができる。
トランジスタ112の上方にトランスデュース薄膜64を設ける場合、現実的に得られる可動範囲(Z軸方向に沿った距離)は、10μm以下である。実際には、さらに小さい可動範囲のほうが形成しやすい。このような小さい可動範囲の場合でも歪を正確に測定するためには、圧力センサとして非常に高感度なものが必要となる。また、微小点接触状態においても圧力を正確に測定するために、トランスデュース薄膜の面積も小さいことが望ましい。トランスデュース薄膜が小さくなると、トランスデュース薄膜の膜厚を薄くしなければ、たわみ量も小さくなってしまい、感度良く測定することができない。外部環境で壊れにくい状態で圧力センサとして使用するためには、トランスデュース薄膜の膜厚もあまり薄くすることはできないため、トランスデュース薄膜径が小さくなると、圧力センサの感度も悪くなってしまう。
As will be described later, the
When the transducer
以上のように、トランスデュース薄膜の上下可動範囲が小さいこと、および、トランスデュース薄膜の直径が小さい状態で使うこと、の2つの状況を実現しようとすると、歪センサとしては感度が高いものが望まれる。実施形態に係る歪検知素子50は、この要求を満たすため、このようなことが可能になる。
As described above, a strain sensor having high sensitivity is desired to achieve the two situations of the transducing thin film having a small vertical movable range and the use of the transducing thin film with a small diameter. It is. This is possible because the
実施形態に係る歪検知素子50においては、実質的に素子サイズの大きさに依存せず、小さい素子面積でも高い歪感度αを実現することができる。歪感度αは、例えば、α=(ΔR/Rmin)/εで表される。Rminは、低い状態の抵抗であり、ΔRは、抵抗変化量である。εは、歪であり、Δl/lで表される。ここで、lは初期の長さであり、Δlは変位量である。
In the
例えば、Siを用いたピエゾ抵抗型歪センサの場合には、歪感度αは用いる材料で決まり、例えば歪感度αは、約130である。また、Siを用いたピエゾ抵抗型歪センサの場合には、一辺が100μm程度の素子の面積が必要である。単位面積あたりの歪感度αは、例えば130/100μm2であり、約1010となる。 For example, in the case of a piezoresistive strain sensor using Si, the strain sensitivity α is determined by the material used. For example, the strain sensitivity α is about 130. In the case of a piezoresistive strain sensor using Si, an element area of about 100 μm per side is required. The strain sensitivity α per unit area is, for example, 130/100 μm 2 and is about 10 10 .
一方、本実施形態に係る歪検知素子50(スピン歪センサ)の場合には、歪感度αに上限はなく、1000程度のものは容易に実現できる。この歪感度αを実現するために必要な素子面積は、一辺が20nm程度である。このため、例えば、単位面積あたりの歪感度αは、約1017となる。このように、実施形態においては、従来のSiを用いたMEMS構造(Si−MEMS:Micro Electro Mechanical Systems)の圧力センサの場合と比較して、約7桁の単位面積あたりの感度向上が可能になる。 On the other hand, in the case of the strain sensing element 50 (spin strain sensor) according to the present embodiment, there is no upper limit on the strain sensitivity α, and a strain sensitivity of about 1000 can be easily realized. The element area necessary for realizing the strain sensitivity α is about 20 nm on a side. For this reason, for example, the strain sensitivity α per unit area is about 10 17 . As described above, in the embodiment, the sensitivity per unit area can be improved by about 7 digits as compared with the pressure sensor of the conventional MEMS structure (Si-MEMS: Micro Electro Mechanical Systems) using Si. Become.
(第2の実施形態)
図8は、第2の実施形態に係る圧力センサの構成を例示する模式的平面図である。
図8に表したように、本実施形態に係る圧力センサ320においても、センサ部72(第1センサ部72A)が設けられる。センサ部72は、基体71a(図8においては、省略されている)の上に設けられる。この例でも、センサ部72は、第1トランスデュース薄膜64Aと、第1固定部67Aと、第1歪検知素子50Aと、を含む。この例でも複数の歪検知素子50(歪検知素子50a〜50d)が設けられている。
(Second Embodiment)
FIG. 8 is a schematic plan view illustrating the configuration of the pressure sensor according to the second embodiment.
As shown in FIG. 8, the sensor unit 72 (
本実施形態においては、歪検知素子50a〜50dの配置が、第1実施形態における配置とは異なる。これ以外は、第1実施形態における構成と同様なので説明を省略する。
In the present embodiment, the arrangement of the
また、図8では、図を見やすくするために省略されているが、複数の歪検知素子50のそれぞれに接続された第1配線57及び第2配線58が設けられる。この場合もこれらの配線は、固定部67の上、または、固定部67の内部を通って、歪検知素子50から基体71aに向けて延在する。以下に説明する実施形態に係る種々の圧力センサにおいても、第1配線57及び第2配線58が設けられるが、図示を省略する。
Although omitted in FIG. 8 for the sake of clarity, the
本実施形態においては、複数の歪検知素子50a〜50dは、トランスデュース薄膜64の縁部64egに沿って配置されている。
In the present embodiment, the plurality of
圧力センサ320において、トランスデュース薄膜64の重心64bの位置から等距離の位置に、複数の歪検知素子50が配置されている。これにより、トランスデュース薄膜64の撓みに起因した複数の歪検知素子50における歪の大きさが同じになる。ただし、実施形態においては、複数の歪検知素子50が、重心64bから等距離の位置に配置されていたとしても、磁化変化の方向は各位置によって異なる。このため、歪検知素子50のそれぞれにおける位相反応が異なり、その結果、得られる信号も互いに異なる。そのため、互いに異なる位相反応を示す複数の歪検知素子50からの信号を加算処理することによって、実施形態に係る特有の効果を発揮することができる。
In the
このように、圧力センサ320においては、第1センサ部72Aは、膜面64a上(第1膜面)に設けられた第2歪検知素子50Bをさらに含む。この場合も、第2歪検知素子50Bは、第3磁性層10Bと、第4磁性層20Bと、第3磁性層10Bと第4磁性層20Bとの間に設けられた非磁性の第2中間層30Bと、を含む。第2歪検知素子50Bは、第1歪検知素子50Aと膜面64aの縁部64egに沿って並ぶ。第1歪検知素子50Aと重心64bとの距離は、第2歪検知素子50Bと重心64bとの距離と同じである。ここで、第1歪検知素子50Aと重心64bとの距離は、第1歪検知素子50Aの重心と、膜面64aの重心64bと、の間の距離である。第2歪検知素子50Bと重心64bとの距離は、第2歪検知素子50Bの重心と、膜面64aの重心64bと、の間の距離である。
As described above, in the
例えば、第2歪検知素子50Bの第3磁性層10Bの磁化方向は、第1歪検知素子50Aの第1磁性層10の磁化方向及び第2磁性層20の磁化方向の一方に沿い、第2歪検知素子50Bの第4磁性層20Bの磁化方向は、第1歪検知素子50Aの第1磁性層10の磁化方向及び第2磁性層20の磁化方向の他方に沿う。
For example, the magnetization direction of the third
この例では、歪検知素子50a〜50dは、重心64bよりも+X方向側の部分及び重心64bよりも+Y方向側の部分とで囲まれた、膜面64a上の縁部64egに沿って配置されている。歪検知素子50a〜50dのそれぞれにおける第1磁性層10及び第2磁性層20の磁化方向は、共通の1つの方向である。例えば、第1磁性層10の磁化方向及び第2磁性層20の磁化方向は、ともに+X方向である。
In this example, the
固定部67a及び67cは、直線64cと、トランスデュース薄膜64の縁部64egと、の交点に配置されている。固定部67b及び固定部67dは、直線64dと、トランスデュース薄膜64の縁部64egと、の交点に配置されている。このように、固定部は、トランスデュース薄膜64の縁部65egのうちで、第1歪検知素子72Aと第2歪検知素子72Bとを通る直線上に位置する部分を、基体71aに固定する。
The fixing
この例では、固定部67の数は、歪検知素子50の数と同じである。歪検知素子50に接続される第1配線57及び第2配線58は、歪検知素子50のそれぞれに対応する固定部67の上、または、その内部を通って、基体71aに向けて延在する。
In this example, the number of fixing
圧力センサ320においては、歪検知素子50aにおける第1磁性層10及び第2磁性層20の磁化方向と、応力81の方向と、の角度は、歪検知素子50bにおける第1磁性層10及び第2磁性層20の磁化方向と、応力81の方向と、の角度と異なる。
In the
図9は、第2の実施形態に係る別の圧力センサの構成を例示する模式的平面図である。 図9に表したように、圧力センサ321においても、複数の歪検知素子50は、トランスデュース薄膜の縁部64egに沿って配置されている。この例では、重心64bから歪検知素子50のそれぞれまでの距離は、実質的に等しい。例えば、トランスデュース薄膜64に応力81が印加されていないときの歪検知素子50a〜50dのそれぞれにおける第1磁性層10の磁化方向11及び第2磁性層20の磁化方向21は、共通の方向を向いている。例えば、第1磁性層10の磁化方向11及び第2磁性層20の磁化方向21は、ともに+X方向である。この例では、固定部67の形状は、リング状であり、固定部67は、トランスデュース薄膜64の縁部64egに沿ってトランスデュース薄膜64を固定する。トランスデュース薄膜64の縁部64egを連続的に固定している。
FIG. 9 is a schematic plan view illustrating the configuration of another pressure sensor according to the second embodiment. As shown in FIG. 9, also in the
トランスデュース薄膜64の撓み量は、重心64bからの距離に依存する。トランスデュース薄膜64において、トランスデュース薄膜64の縁部64egに沿って、互いに異なる方向(応力の方向63)の応力81が印加される。
The amount of deflection of the transducer
歪検知素子50aは、重心64bから+X方向側に配置されている。歪検知素子50aにおける第2磁性層20の磁化方向21は、応力81の方向63と、同じである。歪検知素子50aにおいては、第2磁性層の磁化方向22は、応力81を印加しても変化せず、初期の磁化方向21のままである。この場合には、歪検知素子50aにおける第1磁性層10の磁化方向11と、第2磁性層20の磁化方向22(磁化方向21)と、の間の角度は0度である。
The
歪検知素子50bは、歪検知素子50aを基準にして、X軸方向から重心64bを中心にして例えば角度θ(例えば22.5度)回転した位置に配置されている。歪検知素子50bにおける第2磁性層20の磁化方向21と、応力81の方向63と、の間の角度は例えば角度θである。この場合には、応力が印加されたときの第2磁性層20の磁化方向22は、初期の磁化方向21から例えば角度θで回転し、磁化方向22となる。歪検知素子50bにおける第1磁性層10の磁化方向11と、第2磁性層20の磁化方向22と、の間の角度が、例えば角度θとなる。
The
同様に、トランスデュース薄膜64の縁部64egに沿って配置された複数の歪検知素子50における第1磁性層10の磁化方向11と、応力印加ときの第2磁性層20の磁化方向22と、の間の角度は、応力81の方向63に依存して変化する。歪検知素子50のそれぞれから得られるそれぞれの信号50sgの位相が、互いに異なる。それぞれの信号50sgは、第1磁性層10の磁化方向11と第2磁性層20の磁化方向22と、の間の角度に依存して変化する。
Similarly, the
例えば、図7(b)に関して説明したように、複数の歪検知素子50a〜50dから得られる信号50sg(第1信号sg1及び第2信号sg2など)を、処理回路113によって、例えば、加算処理する。
For example, as described with reference to FIG. 7B, the signal 50sg (the first signal sg1, the second signal sg2, etc.) obtained from the plurality of
この例においても、各位置により重みをつけて加算処理するなどを行っても良い。これにより、応用上好ましい圧力信号を得ることが可能となる。 Also in this example, addition processing may be performed with weighting depending on each position. This makes it possible to obtain a pressure signal that is favorable for application.
例えば、歪検知素子50のそれぞれから得られる信号が微弱であった場合においても、複数の歪検知素子50からの信号を加算処理することで、後段の増幅処理に適した信号を得ることが可能となる。
For example, even when the signal obtained from each of the
また、周波数特性を改善することも可能となる。また、加算処理するだけでなく、掛け算、引き算または差動信号処理などを行っても良い。これにより、後の増幅処理に、より適した信号を得ることができる。 It is also possible to improve frequency characteristics. In addition to addition processing, multiplication, subtraction, differential signal processing, or the like may be performed. Thereby, a signal more suitable for the subsequent amplification processing can be obtained.
実施形態においては、複数の歪検知素子50を、共通の1つのトランスデュース薄膜64上に設けることで、例えば、複雑な信号処理を行わなくても、所望の特性の信号を容易に得ることができる。これにより、例えば、広い周波数帯域で高感度な音波の検出が容易に実現できる。
In the embodiment, by providing a plurality of
圧力センサ320及び321によれば、複数の歪検知素子50どうしの間の位相差を用いて、フィルタ処理を行うことができる。これにより、周波数特性の制御性を高くすることができる。
According to the
また、トランスデュース薄膜の形状及び構造は、周波数応答性に直接関わるので、一般に、広い周波数帯域において高い感度を得ようとすると、トランスデュース薄膜構造が非常に複雑になる場合がある。 In addition, since the shape and structure of the transducer thin film are directly related to the frequency response, in general, when obtaining high sensitivity in a wide frequency band, the transducer thin film structure may become very complicated.
これに対して、実施形態に係る圧力センサ320及び321においては、トランスデュース薄膜の形状を複雑にすることなく、単純なトランスデュース薄膜の構造を用いて、広域の周波数特性を向上させることができる。
On the other hand, in the
これは、実施形態においては、歪検知素子50における面積あたりの感度が高いため、1つのトランスデュース薄膜64に複数の歪検知素子50を設けることができ、さらに、歪検知素子50の配置の自由度が高いことによって得られる独特の効果である。
In the embodiment, since the sensitivity per area in the
(第3の実施形態)
図10は、第3の実施形態に係る別の圧力センサの構成を例示する模式的平面図である。
図10に表したように、圧力センサ330においては、複数の歪検知素子50は、直線64c及び直線64dに沿って、実質的に等間隔に配置されている。例えば、直線64cにおける中心(重心64bに対応する)の両側に、4個ずつ歪検知素子50が配置されている。直線64dにおける中心(重心64bに対応する)の両側に、4個ずつ歪検知素子50が配置されている。この例では、歪検知素子50は、重心64bに対して実質的に対称な位置に配置されている。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a schematic plan view illustrating the configuration of another pressure sensor according to the third embodiment.
As shown in FIG. 10, in the
すなわち、本実施形態に係る圧力センサ330においても、複数の歪検知素子50が設けられている。例えば、センサ部72(第1センサ部72A)は、第1歪検知素子50Aに加えて第2歪検知素子50Bをさらに含む。
That is, the
例えば、第1歪検知素子50Aを歪検知素子50aとし、第2歪検知素子50Bを歪検知素子50bとする。第2歪検知素子50Bは、第1歪検知素子50Aと膜面64aの縁部egに沿って並ぶ。
For example, the first
例えば、第1歪検知素子50Aを歪検知素子50aとし、第2歪検知素子50Bを歪検知素子50cとする。第1歪検知素子50A(歪検知素子50a)と第2歪検知素子50B(歪検知素子50c)とを結ぶ直線(直線64d)は、重心64bを通る。
For example, the first
これに対して、実施形態に係る圧力センサ330においては、歪みに対して異なる反応をする複数の歪検知素子を設ける。これにより、周波数特性が補正できる。
On the other hand, in the
例えば、トランスデュース薄膜64の重心64bに対して対称の位置にある歪検知素子50a〜50dにおいて、応力が印加される前の歪検知素子50a〜50dの第1磁性層10及び第2磁性層20の磁化方向を、例えばX軸方向とする。トランスデュース薄膜64に応力が印加されると、トランスデュース薄膜64の膜面64aの重心64bから縁部64egへ向かう方向に応力81(例えば引っ張り応力)が発生する。歪検知素子50a〜50dどうしにおいて、磁化方向と応力81の方向63との角度が互いに異なる。例えば、この例では、歪検知素子50a〜50dにおける磁化方向と応力81の方向63との角度は、それぞれ、0度、90度、180度、90度となる。それらの信号は処理回路において加算処理される。これにより、広域の周波数特性が得られる。
For example, in the
圧力センサ330においては、固定部67a及び67cは、直線64cと、トランスデュース薄膜64の縁部64egと、の交点に配置されている。固定部67b及び固定部67dは、直線64dと、トランスデュース薄膜64の縁部64egと、の交点に配置されている。
In the
図11は、第3の実施形態に係る別の圧力センサの構成を例示する模式的平面図である。
図11に表したように、本実施形態に係る圧力センサ331においては、固定部67の形状は、リング状である。固定部67は、トランスデュース薄膜64の縁部64egに沿う。固定部67は、トランスデュース薄膜64の縁部64egを連続的に固定している。トランスデュース薄膜64の縁部64egを連続的に固定しているので、トランスデュース薄膜64の撓み量は、重心64bからの距離に依存するようにすることができる。
FIG. 11 is a schematic plan view illustrating the configuration of another pressure sensor according to the third embodiment.
As shown in FIG. 11, in the
図12は、第3の実施形態に係る別の圧力センサの構成を例示する模式的平面図である。
図12に表したように、本実施形態に係る別の圧力センサ332においては、複数の歪検知素子50は、直線64c及び直線64dに沿って実質的に等間隔に配置されている。直線64cにおける重心64bの両側に4個ずつの歪検知素子50が配置され、直線64dにおける重心64bの両側に4個ずつの歪検知素子50が配置されている。
FIG. 12 is a schematic plan view illustrating the configuration of another pressure sensor according to the third embodiment.
As shown in FIG. 12, in another
複数の歪検知素子50は、直線64e及び直線64fに沿って実質的に等間隔に配置されている。直線64eにおける中心(重心64bに相当する)の両側に4個ずつの歪検知素子50が配置され、直線64fにおける中心(重心64bに相当する)の両側に4個ずつの歪検知素子50が配置されている。歪検知素子50は、重心64bに対して対称な位置に配置されている。
The plurality of
(第4の実施形態)
図13は、第4の実施形態の係る圧力センサの構成を例示する模式的平面図である。
図13に表したように、圧力センサ340は、複数のセンサ部72を含む。例えば、圧力センサ340は、上記の基体71aと、第1センサ部72Aに加えて第2センサ部72Bをさらに備える。
(Fourth embodiment)
FIG. 13 is a schematic plan view illustrating the configuration of the pressure sensor according to the fourth embodiment.
As illustrated in FIG. 13, the
既に説明したように、第1センサ部72Aは、第1トランスデュース薄膜64Aと、第1固定部67Aと、第1歪検知素子50Aと、を含む。この例では、第1センサ部72Aは、第2歪検知素子50Bをさらに含む。これらの構成については上記の通りである。
As already described, the
第2センサ部72Bは、基体71aの上に設けられる。第2センサ部72Bは、第2トランスデュース薄膜64Bと、第2固定部67Bと、第3歪検知素子50Cと、をさらに含む。第2トランスデュース薄膜64Bは、第2膜面64Baを有し、可撓性である。第2固定部67Bは、第2トランスデュース薄膜64Bを基体71aに固定する。第3歪検知素子50Cは、第2膜面64Ba上に設けられる。
The second sensor unit 72B is provided on the
第3歪検知素子50Cの構成は、例えば、第1歪検知素子50Aの構成と同様である。すなわち、図3に例示したように、第3歪検知素子50Cは、第5磁性層10Cと、第6磁性層20Cと、第5磁性層10Cと第6磁性層20Cとの間に設けられた非磁性の第3中間層30Cと、を含む。
The configuration of the third
第2トランスデュース薄膜64Bの第2膜面64Baの重心64Bbを通り第2膜面64Baに対して平行な方向に沿った第2トランスデュース薄膜64の幅w2は、第1トランスデュース薄膜(トランスデュース薄膜64)の膜面64a(第1膜面)の重心64bを通り第1膜面に対して平行な方向に沿った第1トランスデュース薄膜64の幅w1とは異なる。この例では、幅w2は、幅w1よりも広い。
The width w2 of the second transducer
このように、圧力センサ340においては、直径が異なる複数のトランスデュース薄膜64がアレイ状に配置されている。直径が異なると、共振する周波数が異なる。これにより、複数の共振周波数において、感度を向上させることができる。
Thus, in the
(第5の実施形態)
本実施形態は、圧力センサ(例えば第1〜第4の実施形態に係る圧力センサ)の製造方法に係る。
図14は、第5の実施形態に係る圧力センサの製造方法を例示するフローチャート図である。
図15(a)〜図15(d)は、第5の実施形態に係る圧力センサの製造方法を例示する工程順模式的斜視図である。
これらの図は、圧力センサ310の製造方法の例である。図14(a)〜図14(d)においては、図を見やすくするために、各要素の形状やサイズを、図1から適宜変更して示している。
(Fifth embodiment)
The present embodiment relates to a method for manufacturing a pressure sensor (for example, a pressure sensor according to the first to fourth embodiments).
FIG. 14 is a flowchart illustrating the method for manufacturing the pressure sensor according to the fifth embodiment.
FIG. 15A to FIG. 15D are schematic perspective views in order of the processes, illustrating the method for manufacturing the pressure sensor according to the fifth embodiment.
These drawings are examples of a manufacturing method of the
図14に表したように、トランスデュース膜を形成する(ステップS101)。
例えば、図15(a)に表したように、基板70sの上にトランスデュース薄膜64となるトランスデュース膜64fmを形成する。基板70sには、例えばシリコン基板が用いられる。トランスデュース膜64fmには、例えばシリコン酸化膜が用いられる。トランスデュース薄膜64の縁部64egを断続的に保持する固定部67(例えば固定部67a〜67dなど)を形成する場合は、この工程で、トランスデュース膜64fmを加工して、固定部67となる部分を形成しても良い。
As shown in FIG. 14, a transducer film is formed (step S101).
For example, as shown in FIG. 15A, a transducer film 64fm to be the transducer
図14に表したように、第1導電層を形成する(ステップS102)。
例えば、図15(b)に表したように、トランスデュース膜64fm(または、トランスデュース薄膜64)の上に、導電膜を形成し、この導電膜を所定の形状に加工して第1導電層(導電層61f)を形成する。この導電層は、例えば、第1配線57の少なくとも一部となることができる。
As shown in FIG. 14, the first conductive layer is formed (step S102).
For example, as shown in FIG. 15B, a conductive film is formed on the transducer film 64fm (or the transducer thin film 64), and the conductive film is processed into a predetermined shape to form the first conductive layer. (
図14に表したように、歪検知素子50を形成する(ステップS103)。
例えば、図15(c)に表したように、導電層61fの上の一部に、歪検知素子50となる積層膜を形成する。この積層膜は、例えば、この順で積層された、バッファ層、シード層、反強磁性層、磁性層、磁気結合層、磁性層、中間層、磁性層、高磁歪膜、及び、キャップ膜などを含む。この積層膜を所定の形状に加工して、歪検知素子50(例えば、歪検知素子50a〜50dなど)を形成する。
As shown in FIG. 14, the
For example, as shown in FIG. 15C, a laminated film that becomes the
図14に表したように、第2導電層を形成する(ステップS104)。
例えば、図15(d)に表したように、歪検知素子50を覆うように、図示しない絶縁膜を形成し、この絶縁膜の一部を除去して歪検知素子50の上面を露出させる。この上に導電膜を形成し、所定の形状に加工して第2導電層(導電層62f)が得られる。
As shown in FIG. 14, the second conductive layer is formed (step S104).
For example, as shown in FIG. 15D, an insulating film (not shown) is formed so as to cover the
図14に表したように、第1導電層に接続された配線(例えば第1配線57)、及び、第2導電層に接続された配線(例えば第2配線58)を形成する(ステップS105)。上記の第1導電層の形成及び第2導電層の形成の少なくともいずれかにより、配線が形成されても良い。すなわち、また、配線の加工のための少なくとも一部の工程は、第1導電層の形成、第2導電層の形成及び歪検知素子の形成の少なくとも一部と同時に行われても良い。すなわち、ステップS102〜S105の少なくとも一部は、技術的に可能な範囲で、同時に実施されても良く、また、順序が入れ替わっても良い。 As shown in FIG. 14, a wiring (for example, the first wiring 57) connected to the first conductive layer and a wiring (for example, the second wiring 58) connected to the second conductive layer are formed (step S105). . The wiring may be formed by at least one of the formation of the first conductive layer and the formation of the second conductive layer. That is, at least a part of the process for processing the wiring may be performed simultaneously with at least a part of the formation of the first conductive layer, the formation of the second conductive layer, and the formation of the strain sensing element. That is, at least a part of steps S102 to S105 may be performed simultaneously within the technically possible range, and the order may be changed.
図14に表したように、基板70sの裏面(下面)からのエッチングを行う(ステップS106)。この加工には、例えば、Deep−RIEなどが用いられる。このとき、ボッシュプロセスを実施しても良い。
これにより、図15(d)に表したように、基板70sに、空洞部70が形成される。空洞部70が形成されていない部分が非空洞部71となる。これにより、トランスデュース薄膜64が形成される。
As shown in FIG. 14, etching is performed from the back surface (lower surface) of the
As a result, as shown in FIG. 15D, the
なお、トランスデュース薄膜64の縁部64egを連続的に保持する固定部67(例えば圧力センサ321など)を形成する場合は、基板70sの裏面からのエッチングを行うことで、トランスデュース薄膜64と同時に固定部67が形成される。
In addition, when forming the fixing | fixed part 67 (for example,
このように、この製造方法では、半導体基板上にトランスデュース薄膜64となる膜(トランスデュース膜64fm)を成膜し、その上に歪検知素子50(歪抵抗変化部)となる膜を成膜し、素子の形状にパターニングする。素子が形成され、通電可能とした後に、基板裏面からトランスデュース膜64fmまでエッチングして、トランスデュース薄膜64を形成する本実施形態によれば、高感度の圧力センサが製造できる。
As described above, in this manufacturing method, a film to be the transducer thin film 64 (transducer film 64fm) is formed on the semiconductor substrate, and a film to be the strain sensing element 50 (strain resistance changing portion) is formed thereon. Then, it is patterned into the shape of the element. According to the present embodiment, after the element is formed and energization is enabled, etching is performed from the back surface of the substrate to the transducer film 64fm to form the transducer
(第6の実施形態)
図16は、第6の実施形態に係る圧力センサを例示する模式的斜視図である。
図16に表したように、本実施形態に係る圧力センサ360には、基体71a及びセンサ部72(第1センサ部72A)に加え、半導体回路部110が設けられる。半導体回路部110の上に、基体71aが設けられ、基体71aの上にセンサ部72が設けられる。
(Sixth embodiment)
FIG. 16 is a schematic perspective view illustrating a pressure sensor according to the sixth embodiment.
As shown in FIG. 16, the
半導体回路部110は、例えば、半導体基板111と、トランジスタ112と、を含む。
The
半導体基板111は、半導体基板111の主面111aを含む。半導体基板111は、主面111aに設けられた素子領域111bを含む。トランジスタ112は、素子領域111bに設けられる。
The
半導体回路部110は、処理回路113を含んでも良い。処理回路113は、素子領域111bに設けられても良く、それ以外の領域に設けられても良い。処理回路113は半導体回路部110の任意の場所に設けられる。処理回路113は、素子領域111bに設けられるトランジスタ112を含んでも良い。
The
基体71aは、例えば、半導体回路部110の上方に設けられる。基体71aには、空洞部70が形成されている。空洞部70は、トランジスタ112の上方に形成されている。空洞部70は、少なくとも、素子領域111bの上方に形成される。基体71aにおける空洞部70以外の部分が非空洞部71である。非空洞部71は、主面111aに対して平行な平面内で空洞部70と並置される。
The
この例では、トランジスタ112が形成された基板の上方に、歪検知素子50が形成されている。トランジスタ112と、歪検知素子50とは、実装工程で用いられるようなワイヤではなく、ウェーハ製造工程で一貫して形成される配線層で接続されている。これにより、圧力センサの小型化が可能になり、微小領域で歪を高感度に検知することができる。
In this example, the
トランジスタ112と歪検知素子50とを共通の基板上に形成することで、例えば、演算回路、増幅回路及び通信回路などの、センサで得られた情報を処理する回路(処理回路113など)を歪検知素子50と同じ基板上に形成することができる。高感度なセンサを演算回路と一体として形成することで、システム全体としてみたときに、小型化が実現できる。また、低消費電力化を実現することができる。
By forming the
本実施形態においては、例えば、高感度のセンサを用い、さらに、そのセンサで得られた信号を演算処理する回路が、共通の基板上にシステムオンチップとして実現される。 In the present embodiment, for example, a high-sensitivity sensor is used, and a circuit that performs arithmetic processing on a signal obtained by the sensor is realized as a system-on-chip on a common substrate.
ただし、既に説明したように、半導体回路部110は、基体71a及びセンサ部72とは別に設けられても良い。この場合には、例えば、パッケージ工程において、1つのパッケージ内に、基体71aとセンサ部72と半導体回路部110とが配置される。
However, as already described, the
図17(a)〜図17(c)は、第6の実施形態に係る圧力センサの構成を例示する模式図である。
図17(a)は、模式的斜視図であり、図17(b)及び図17(c)は、圧力センサを例示するブロック図である。
FIG. 17A to FIG. 17C are schematic views illustrating the configuration of a pressure sensor according to the sixth embodiment.
FIG. 17A is a schematic perspective view, and FIG. 17B and FIG. 17C are block diagrams illustrating pressure sensors.
図17(a)に表したように、本実施形態に係る圧力センサ361は、基体71a、センサ部72及び半導体回路部110に加え、アンテナ115と、電気配線116と、をさらに含む。アンテナ115は、電気配線116を介して、半導体回路部110と接続される。圧力センサ361のセンサ部72は、例えば、図1及び図2に例示した圧力センサ310におけるセンサ部72と同様の構成を有する。すなわち、例えば、基体71aと、第1センサ部72Aと、が設けられる。第1センサ部72Aは、第1トランスデュース薄膜64Aと、第1固定部67Aと、第1歪検知素子50Aと、を含む。この例では、第1センサ部72Aは、第2歪検知素子50Bをさらに含む。これらの構成については上記の通りである。
As illustrated in FIG. 17A, the
図17(b)に表したように、送信回路117が圧力センサ361に設けられる。送信回路117は、歪検知素子50に流れる電気信号に基づくデータを無線で送信する。送信回路117の少なくとも一部は、半導体回路部110に設けることができる。半導体回路部110は、歪検知素子50に流れる電気信号に基づくデータを無線で送信する送信回路117を含むことができる。
As shown in FIG. 17B, the
図17(c)に表したように、圧力センサ361と組み合わせて用いられる電子機器118dには、受信部118が設けられる。電子機器118dとして、例えば、携帯端末などの電子装置が用いられる。
例えば、送信回路117を含む圧力センサ361と、受信部118を含む電子機器118dと、を組み合わせて用いることで、より便利になる。
As illustrated in FIG. 17C, the
For example, it becomes more convenient to use a
この例では、図17(b)に表したように、圧力センサ361には、電子機器118dからの制御信号を受信する受信回路117rが設けられている。例えば、受信回路117rの少なくとも一部は、半導体回路部110に設けることができる。受信回路117rを設けることにより、例えば、電子機器118dを操作することで、圧力センサ361の動作を制御することができる。
In this example, as shown in FIG. 17B, the
図17(b)に表したように、この例では、圧力センサ361には、送信回路117として、例えば、歪検知素子50に接続されたADコンバータ117aと、マンチェスター符号化部117bと、が設けられる。さらに、切替部117cが設けられ、送信と受信を切り替える。タイミングコントローラ117dによりこの切り替えが制御される。そして、受信回路117rとして、データ訂正部117eと、同期部117fと、判定部117gと、が設けられる。さらに、電圧制御発振器117h(VCO)が設けられている。
As illustrated in FIG. 17B, in this example, the
一方、図17(c)に表したように、電子機器118dには、マンチェスター符号化部117b、切替部117c、タイミングコントローラ117d、データ訂正部117e、同期部117f、判定部117g及び電圧制御発振器117hが設けられ、さらに記憶部118a及び中央演算部118b(CPU)が設けられている。
On the other hand, as shown in FIG. 17C, the
(第7の実施形態)
本実施形態は、実施形態に係る圧力センサの製造方法に係る。以下では、1つの例として、圧力センサ360の製造方法について説明する。
(Seventh embodiment)
The present embodiment relates to a method for manufacturing a pressure sensor according to the embodiment. Below, the manufacturing method of the
図18(a)、図18(b)、図19(a)、図19(b)、図20(a)、図20(b)、図21(a)、図21(b)、図22(a)、図22(b)、図23(a)、図23(b)、図24(a)、図24(b)、図25(a)、図25(b)、図26(a)、図26(b)、図27(a)、図27(b)、図28(a)、図28(b)、図29(a)及び図29(b)は、第7の実施形態に係る圧力センサの製造方法を例示する模式図である。 18 (a), 18 (b), 19 (a), 19 (b), 20 (a), 20 (b), 21 (a), 21 (b), 22 (A), 22 (b), 23 (a), 23 (b), 24 (a), 24 (b), 25 (a), 25 (b), 26 (a) ), FIG. 26 (b), FIG. 27 (a), FIG. 27 (b), FIG. 28 (a), FIG. 28 (b), FIG. 29 (a), and FIG. It is a schematic diagram which illustrates the manufacturing method of the pressure sensor which concerns on.
図18(a)〜図29(a)は、模式的平面図であり、図18(b)〜図29(b)は、模式的断面図である。 FIGS. 18A to 29A are schematic plan views, and FIGS. 18B to 29B are schematic cross-sectional views.
図18(a)及び図18(b)に表したように、半導体基板111の表面部分に半導体層112Mが設けられている。半導体層112Mの上面に素子分離絶縁層112Iを形成する。半導体層112Mの上に、図示しない絶縁層を介して、ゲート112Gを形成する。ゲート112Gの両側に、ソース112Sとドレイン112Dとを形成し、トランジスタ112が形成される。この上に層間絶縁膜114aを形成し、さらに層間絶縁膜114bを形成する。
As shown in FIGS. 18A and 18B, the
非空洞部71となる領域において、層間絶縁膜114a及び114bの一部に、トレンチ及び孔を形成する。孔に導電材料を埋め込んで、接続ピラー114c〜114eを形成する。この例では、接続ピラー114cは、1つのトランジスタのソース112Sに接続され、接続ピラー114dはドレイン112Dに接続されている。接続ピラー114eは、別のトランジスタのソース112Sに接続されている。トレンチに導電材料を埋め込んで、配線部114f及び配線部114gを形成する。配線部114fは、接続ピラー114c及び接続ピラー114dに接続される。配線部114gは、接続ピラー114eに接続される。層間絶縁膜114bの上に、層間絶縁膜114hを形成する。
In the region to be the non-cavity 71, a trench and a hole are formed in a part of the interlayer insulating
図19(a)及び図19(b)に表したように、層間絶縁膜114hの上に層間絶縁膜114iとなるSiO2を例えばCVDで形成する。層間絶縁膜114iの所定の位置に孔を形成し、導電材料(金属材料)を埋め込み、上面をCMPで平坦化する。これにより、配線部114fに接続された接続ピラー114jと、配線部114gに接続された接続ピラー114kと、が形成される。
As shown in FIGS. 19A and 19B, SiO 2 to be the interlayer insulating
図20(a)及び図20(b)に表したように、層間絶縁膜114iの空洞部70となる領域に凹部を形成し、その凹部に犠牲層114lを埋め込む。犠牲層114lには、例えば、SiGeなどが用いられる。犠牲層114lには、低温で成膜できる材料が用いられる。
As shown in FIGS. 20A and 20B, a recess is formed in a region to be the
図21(a)及び図21(b)に表したように、層間絶縁膜114i及び犠牲層114lの上に、トランスデュース薄膜64となる絶縁膜61bf(SiO2など)を形成する。絶縁膜61bfに孔を設け、その孔に導電材料(金属)を埋め込み、接続ピラー61fa及び接続ピラー62faを形成する。接続ピラー61faは接続ピラー114kと接続され、接続ピラー62faは接続ピラー114jと接続されている。
As shown in FIGS. 21A and 21B, an insulating film 61bf (SiO 2 or the like) to be the transducer
図22(a)及び図22(b)に表したように、絶縁膜61bf、接続ピラー61fa及び接続ピラー62faの上に、第1配線層61となる導電層61fを形成する。
As shown in FIGS. 22A and 22B, a
図23(a)及び図23(b)に表したように、導電層61fの上に、歪検知素子50となる積層膜50fを形成する。
As shown in FIGS. 23A and 23B, a
図24(a)及び図24(b)に表したように、積層膜50fを所定の形状に加工し、その上に、絶縁層65となる絶縁膜65f(SiO2など)を形成する。
As shown in FIGS. 24A and 24B, the
図25(a)及び図25(b)に表したように、絶縁膜65fの一部を除去し、導電層61fを所定の形状に加工する。これにより、第1配線層61の形状が形成される。このとき、導電層61fの一部は、接続ピラー62faに接続された接続ピラー62fbとなる。さらに、この上に、絶縁層66となる絶縁膜66fを形成する。
As shown in FIGS. 25A and 25B, a part of the insulating
図26(a)及び図26(b)に表したように、絶縁膜66fに開口部66pを形成する。これにより、接続ピラー62fbが露出する。
As shown in FIGS. 26A and 26B, an
図27(a)及び図27(b)に表したように、この上に、第2配線層62となる導電層62fを形成する。導電層62fの一部は、接続ピラー62fbと接続される。
As shown in FIGS. 27A and 27B, a
図28(a)及び図28(b)に表したように、導電層62fを所定の形状に加工する。これにより、第2配線層62が形成される。第2配線層62は、接続ピラー62fbに接続されている。
As shown in FIGS. 28A and 28B, the
図29(a)及び図29(b)に表したように、絶縁膜66fに所定の形状の開口部66oを形成する。開口部66oを介して、絶縁膜61bfを加工し、さらに、犠牲層114lを除去する。これにより、空洞部70が形成される。犠牲層114lの除去においては、例えば、犠牲層114lの上面(犠牲層114lの半導体基板111とは反対側の面)から犠牲層114lを除去(例えばエッチング)する。
これにより、本実施形態に係る圧力センサ360が形成できる。
As shown in FIGS. 29A and 29B, an opening 66o having a predetermined shape is formed in the insulating
Thereby, the
なお、リング状の固定部67を形成するためには、例えば、この後に、空洞部70の上方における非空洞部71の縁とトランスデュース薄膜64との間を絶縁膜で埋める。
In order to form the ring-shaped fixing
図30は、第7の実施形態に係る圧力センサの製造方法を例示するフローチャート図である。
図30に表したように、本実施形態に係る圧力センサの製造方法においては、半導体基板111の上にトランジスタ112を形成する(ステップS110)。例えば、図18(a)及び図18(b)に関して説明した処理を行う。
FIG. 30 is a flowchart illustrating the method for manufacturing the pressure sensor according to the seventh embodiment.
As shown in FIG. 30, in the method for manufacturing the pressure sensor according to the present embodiment, the
本製造方法においては、半導体基板111の上に層間絶縁層を形成し、トランジスタ112の上に犠牲層114lを形成する(ステップS120)。例えば、図19(a)〜図20(b)に関して説明した処理を行う。この層間絶縁層は、例えば、層間絶縁膜114iを含む。
In this manufacturing method, an interlayer insulating layer is formed on the
層間絶縁層(例えば層間絶縁膜114i)と犠牲層114lとの上に、トランスデュース薄膜64となる薄膜(例えばトランスデュース膜64f)を形成する(ステップS121)。なお、場合によっては、以下の第1導電層がトランスデュース薄膜64を兼ねる場合もある。この場合は、ステップS121は省略される。
A thin film (for example, a
そして、第1配線層61となる第1導電層(導電層61f)を形成する(ステップS130)。例えば、図22(b)及び図22(b)に関して説明した処理を行う。
Then, a first conductive layer (
犠牲層114lの上の第1導電層(導電層61f)の上に、第1磁性層10を含む歪検知素子50を形成する(ステップS140)。例えば、図23(a)〜図24(b)に関して説明した処理を行う。
The
歪検知素子50の上に第2配線層62となる第2導電層(導電層62f)を形成する(ステップS150)。例えば、図27(a)〜図28(b)に関して説明した処理を行う。
A second conductive layer (
層間絶縁層の中に、第1導電層(導電層61f)を半導体基板111と電気的に接続する第1配線61cと、第2導電層(導電層62f)を半導体基板111と電気的に接続する第2配線62cと、を形成する(ステップS160)。例えば、図18(a)、図18(b)、図19(a)、図19(b)、図21(a)、図21(b)、図25(a)及び図25(b)に関して説明した処理を行う。ステップS160は、例えば、上記のステップS110〜ステップS150の間、及び、ステップS150の後、の少なくともいずれかの工程において、1回、または、複数の処理により実施される。
In the interlayer insulating layer, a first wiring 61c that electrically connects the first conductive layer (
そして、犠牲層114lを除去する(ステップS170)。例えば、図29(a)及び図29(b)に関して説明した処理を行う。
本実施形態によれば、高感度の圧力センサの製造方法を提供できる。
Then, the sacrificial layer 114l is removed (step S170). For example, the processing described with reference to FIGS. 29A and 29B is performed.
According to this embodiment, a method for manufacturing a highly sensitive pressure sensor can be provided.
上記の犠牲層114lを除去する工程(ステップS170)は、例えば、犠牲層114lの上面(犠牲層114lの半導体基板111とは反対側の面)から犠牲層114lを除去(例えばエッチング)することを含む。 In the step of removing the sacrificial layer 114l (step S170), for example, the sacrificial layer 114l is removed (for example, etched) from the upper surface of the sacrificial layer 114l (the surface of the sacrificial layer 114l opposite to the semiconductor substrate 111). Including.
(第8の実施形態)
図31は、第8の実施形態に係るマイクロフォンの構成を例示する模式図である。
図31に表したように、本実施形態に係るマイクロフォン410は、実施形態に係る任意の圧力センサ及びそれの変形の圧力センサを含む。この例では、圧力センサ310が用いられている。マイクロフォン410は、携帯情報端末510の端部に組み込まれている。マイクロフォン410の内部の圧力センサ360におけるトランスデュース薄膜64は、例えば、携帯情報端末510における表示部420が設けられた面に対して実質的に平行である。ただし、実施形態はこれに限らず、トランスデュース薄膜64の配置は任意である。
(Eighth embodiment)
FIG. 31 is a schematic view illustrating the configuration of a microphone according to the eighth embodiment.
As shown in FIG. 31, the
本実施形態によれば、マイクロフォン410は、広域の周波数に対して高感度となる。
According to the present embodiment, the
マイクロフォン410は携帯情報端末510に組み込まれているが、実施形態はこれに限らない。マイクロフォン410は、例えば、ICレコーダーやピンマイクロフォン等に組み込まれてもよい。
The
実施形態によれば、高感度の圧力センサ及びマイクロフォンを提供することができる。 According to the embodiment, a highly sensitive pressure sensor and microphone can be provided.
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、圧力センサ及びマイクロフォンに含まれる基体、センサ部、トランスデュース薄膜、固定部、歪検知素子、磁性層、中間層、及び、処理回路などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, regarding a specific configuration of each element such as a base, a sensor unit, a transducer thin film, a fixed unit, a strain sensing element, a magnetic layer, an intermediate layer, and a processing circuit included in a pressure sensor and a microphone, those skilled in the art The present invention is similarly implemented by appropriately selecting from known ranges, and is included in the scope of the present invention as long as similar effects can be obtained.
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。 Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.
その他、本発明の実施の形態として上述した圧力センサ及びマイクロフォンを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての圧力センサ及びマイクロフォンも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。 In addition, all pressure sensors and microphones that can be implemented by those skilled in the art based on the pressure sensors and microphones described above as embodiments of the present invention are also included in the present invention as long as they include the gist of the present invention. Belongs to the range.
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。 In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。 As mentioned above, although some embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalents thereof. Further, the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
10…第1磁性層、 10B…第3磁性層、 10C…第5磁性層、 10a…磁性積層膜、 10b…高磁歪磁性膜、 11…磁化方向、 20…第2磁性層、 20B…第4磁性層、 20C…第6磁性層、 21、22…磁化方向、 30…中間層(第1中間層)、 30B…第2中間層、 30C…第3中間層、 41…バッファ層、 42…反強磁性層、 43…磁性層、 44…Ru層、 45…キャップ層、 50、50a〜50d…歪検知素子、 50A…第1歪検知素子、 50B…第2歪検知素子、 50C…第3歪検知素子、 50f…積層膜、 50s…歪抵抗変化部、 50sg…信号、 51…第1電極、 52…第2電極、 54a、54b…絶縁層、 55a、55b…バイアス層、 57…第1配線、 57a〜57d…配線、 58…第2配線、 58a〜58d…配線、 61…第1配線層、 61bf…絶縁膜、 61f…導電層、 61fa…接続ピラー、 62…第2配線層、 62f…導電層、 62fa、62fb…接続ピラー、 63…方向、 64…トランスデュース薄膜、 64A…第1トランスデュース薄膜、 64B…第2トランスデュース薄膜、 64Ba…第2膜面、 64Bb…重心、 64a…膜面(第1膜面)、 64b…重心、 64c、64d、64e、64f…直線、 64eg…縁部、 64fm…トランスデュース膜、 65…絶縁層、 65f…絶縁膜、 66…絶縁層、 66f…絶縁膜、 66o、66p…開口部、 67、67a〜67d…固定部、 67A…第1固定部、 67B…第2固定部、 70…空洞部、 70s…基板、 71…非空洞部、 71a…基体、 72…センサ部、 72A…第1センサ部、 72B…第2センサ部、 80、81…応力、 110…半導体回路部、 111…半導体基板、 111a…主面、 111b…素子領域、 112…トランジスタ、 112D…ドレイン、 112G…ゲート、 112I…素子分離絶縁層、 112M…半導体層、 112S…ソース、 113…処理回路、 114a、114b、114h、114i…層間絶縁膜、 114c、114d、114e、114j、114k…接続ピラー、 114f、114g…配線部、 114l…犠牲膜、 115…アンテナ、 116…電気配線、 117…送信回路、 117a…ADコンバータ、 117b…マンチェスター符号化部、 117c…切替部、 117d…タイミングコントローラ、 117e…データ訂正部、 117f…同期部、 117g…判定部、 117h…電圧制御発振器、 117r…受信回路、 118…受信部、 118a…記憶部、 118b…中央演算部、 118d…電子機器、 310、320、321、330、331、332、340、360、361…圧力センサ、 410…マイクロフォン、 420…表示部、 510…携帯情報端末、 sg1、sg2…第1、第2信号、 w1、w2…幅
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記基体の上に設けられた第1センサ部と、
処理回路と、
を備え、
前記第1センサ部は、
第1膜面を有する可撓性の第1トランスデュース薄膜と、
前記第1膜面上において前記第1膜面の重心とは異なる位置に設けられ、第1磁性層と、第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた非磁性の第1中間層と、を含む第1歪検知素子と、
前記第1膜面上において前記第1歪検知素子と離間し前記重心とは異なる位置に設けられ、第3磁性層と、第4磁性層と、前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた非磁性の第2中間層と、を含む第2歪検知素子と、
を含み、
前記第1磁性層、前記第1中間層及び前記第2磁性層は、前記第1膜面に対して垂直な方向に並び、
前記第3磁性層、前記第2中間層及び前記第4磁性層は、前記第1膜面に対して垂直な方向に並び、
前記第3磁性層の磁化方向は、前記第1磁性層の磁化方向及び前記第2磁性層の磁化方向の一方に沿い、
前記第4磁性層の磁化方向は、前記第1磁性層の前記磁化方向及び前記第2磁性層の前記磁化方向の他方に沿い、
前記第2歪検知素子は、前記第1歪検知素子と前記第1膜面の縁部に沿って並び、
前記第1歪検知素子と前記重心とを結ぶ直線は、前記第2歪検知素子と前記重心とを結ぶ直線に対して傾斜し、
前記処理回路は、前記第1歪検知素子から得られる第1信号と、前記第2歪検知素子から得られる第2信号と、を加重加算する圧力センサ。 A substrate;
A first sensor unit provided on the substrate;
A processing circuit;
With
The first sensor unit includes:
A flexible first transducer thin film having a first membrane surface;
Provided on the first film surface at a position different from the center of gravity of the first film surface, and provided between the first magnetic layer, the second magnetic layer, and the first magnetic layer and the second magnetic layer. A first non-magnetic first intermediate layer, and a first strain sensing element,
The third magnetic layer, the fourth magnetic layer, the third magnetic layer, and the fourth magnetic layer are provided on a position different from the center of gravity and spaced from the first strain sensing element on the first film surface. A second non-magnetic second intermediate layer provided between the second strain sensing element,
Including
The first magnetic layer, the first intermediate layer, and the second magnetic layer are arranged in a direction perpendicular to the first film surface,
The third magnetic layer, the second intermediate layer, and the fourth magnetic layer are arranged in a direction perpendicular to the first film surface,
The magnetization direction of the third magnetic layer is along one of the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer,
The magnetization direction of the fourth magnetic layer is along the other of the magnetization direction of the first magnetic layer and the magnetization direction of the second magnetic layer,
The second strain sensing elements are arranged along an edge of the first strain sensing element and the first film surface,
A straight line connecting the first strain sensing element and the center of gravity is inclined with respect to a straight line connecting the second strain sensing element and the center of gravity;
The processing circuit is a pressure sensor that weights and adds a first signal obtained from the first strain sensing element and a second signal obtained from the second strain sensing element.
前記第2センサ部は、
第2膜面を有する可撓性の第2トランスデュース薄膜と、
前記第2膜面上に設けられ、第5磁性層と、第6磁性層と、前記第5磁性層と前記第6磁性層との間に設けられた非磁性の第3中間層と、を含む第3歪検知素子と、
を含み、
前記第5磁性層、前記第3中間層及び前記第6磁性層は、前記第2膜面に対して垂直な方向に並び、
前記第2トランスデュース薄膜の前記第2膜面の重心を通り前記第2膜面に対して平行な方向に沿った前記第2トランスデュース薄膜の幅は、前記第1トランスデュース薄膜の前記第1膜面の前記重心を通り前記第1膜面に対して平行な方向に沿った前記第1トランスデュース薄膜の幅とは異なる請求項1〜4のいずれか1つに記載の圧力センサ。 A second sensor unit provided on the base at a position different from the first sensor unit;
The second sensor unit is
A flexible second transducer thin film having a second membrane surface;
A fifth magnetic layer, a sixth magnetic layer, and a nonmagnetic third intermediate layer provided between the fifth magnetic layer and the sixth magnetic layer, provided on the second film surface; A third strain sensing element including:
Including
The fifth magnetic layer, the third intermediate layer, and the sixth magnetic layer are arranged in a direction perpendicular to the second film surface,
The width of the second transducer thin film along the direction parallel to the second film surface passing through the center of gravity of the second film surface of the second transducer thin film is the first width of the first transducer thin film. 5. The pressure sensor according to claim 1, wherein the first transducer thin film has a width different from a width of the first transducer thin film along a direction parallel to the first film surface through the center of gravity of the film surface.
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