JP6173855B2 - 歪検知素子、圧力センサ、マイクロフォン、血圧センサ及びタッチパネル - Google Patents
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Description
別の実施形態によれば、変形可能な基板の上に設けられる歪検知素子であって、第1磁性層と、第2磁性層と、中間層と、を備えた歪検知素子が提供される。前記第2磁性層は、(Fe a Ni 1−a ) 1−y B y (0.8≦a<1、0<y≦0.3)を含み前記基板の変形に応じて磁化が変化する。前記中間層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられる。
別の実施形態によれば、変形可能な基板の上に設けられる歪検知素子であって、第1磁性層と、第2磁性層と、中間層と、を備えた歪検知素子が提供される。前記第2磁性層は、Fe 1−y B y (0<y≦0.3)を含む。前記中間層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられる。前記歪検知素子の電気抵抗は、前記基板の変形に応じて変化する。
別の実施形態によれば、変形可能な基板の上に設けられる歪検知素子であって、第1磁性層と、第2磁性層と、中間層と、を備えた歪検知素子が提供される。前記第2磁性層は、(Fe a Ni 1−a ) 1−y B y (0.8≦a<1、0<y≦0.3)を含む。前記中間層は、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられる。前記歪検知素子の電気抵抗は、前記基板の変形に応じて変化する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、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。
図1(a)〜図1(c)は、第1の実施形態に係る歪検知素子を例示する模式図である。
図1(a)は、歪検知素子の模式的斜視図である。図1(b)は、歪検知素子の模式的断面図である。図1(c)は、歪検知素子が用いられる圧力センサを例示する模式的断面図である。図1(b)では、説明の便宜上、第1電極および第2電極を省略している。
第1磁性層10にシングルピン構造が用いられる場合には、シングルピン構造の磁化固定層に用いる強磁性層として、上述した第2磁化固定層12の材料と同じ材料を用いても良い。
第1磁化固定層11として、Co−Fe−B合金以外に、例えば、Fe−Co合金を用いても良い。
実施形態では、第2磁性層20は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)を含む。第2磁性層20の全体が、Fe1−yBy(0<y≦0.3)により形成されていてもよい。例えば、Fe1−yBy(0<y≦0.3)は、第2磁性層20のうちで第2磁性層20と中間層30との間の境界面20sを含む領域に設けられる。
例えば、第2磁性層20は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)およびCo40Fe40B20の両方を含む。Co40Fe40B20は、境界面20sを含む領域に設けられる。あるいは、例えば、第2磁性層20は、(FeaNi1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)およびCo40Fe40B20の両方を含む。Co40Fe40B20は、境界面20sを含む領域に設けられる。
第2磁性層20は、アモルファス部分と、結晶部分と、を含んでも良い。例えば、境界面20sを含む領域が結晶状態を含み、境界面20sを含まない領域がアモルファス状態を含む。
実施形態にかかる歪検知素子100において、例えば、外部からの力に対して基板210が変形すると、歪検知素子100に歪みが生ずる。歪検知素子100は、この歪の変化を電気抵抗の変化に変換する。
図2(a)は、歪検知素子100に引張応力tsが印加されたときの状態(引張状態STt)に対応する。図2(b)は、歪検知素子100が歪を有しないときの状態(無歪状態ST0)に対応する。図2(c)は、歪検知素子100に圧縮応力csが印加されたときの状態(圧縮状態STc)に対応する。
一方、一定以上の高い磁気抵抗効果を示すためには、磁化自由層が一定の結晶構造を含むことが望ましい。
このような特性のトレードオフは、歪検知素子100および圧力センサ200の感度の向上の実現を阻むことがある。
図3(a)〜図3(c)は、実施形態に係る歪検知素子の実験結果の例を表すグラフ図である。
図3(a)〜図3(c)の実験結果の例における歪検知素子100の第2磁性層20は、Fe1−yByを含む。このときのホウ素(B)の原子量比yに関する実験結果の例は、図3(a)〜図3(c)に表した通りである。
図1(a)〜図1(c)に関して前述したように、MR効果は、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得られる効果である。高感度な歪センサを得るために、すなわち、第1磁性層10の磁化と第2磁性層20の磁化との間の相対角度の差に依存する抵抗変化を大きくするために、より高いMR変化率が望まれる。
図4(a)〜図4(c)の実験結果の例における歪検知素子100の第2磁性層20は、(FeaCo1−a)1−yByを含む。このときの鉄(Fe)の原子量比a、言い換えれば、このときのコバルト(Co)の原子量比1−aに関する実験結果の例は、図4(a)〜図4(c)に表した通りである。
なお、本検討においては、ホウ素の原子量比yは、0.1≦y<0.3である。
図5(a)〜図5(c)の実験結果の例における歪検知素子100の第2磁性層20は、(FeaNi1−a)1−yByを含む。このときの鉄(Fe)の原子量比a、言い換えれば、このときのニッケル(Ni)の原子量比1−aに関する実験結果の例は、図5(a)〜図5(c)に表した通りである。
なお、本検討においては、ホウ素の原子量比yは、0.1≦y<0.3である。
図6(a)〜図6(c)の実験結果の例における歪検知素子100の第2磁性層20は、Fe1−yByを含む。このときのFe1−yByの厚さtに関する実験結果の例は、図6(a)〜図6(c)に表した通りである。
図7(a)〜図7(c)の実験結果の例における歪検知素子100の第2磁性層20は、Fe1−yByおよびCo40Fe40B20の両方を含む。Co40Fe40B20は、境界面20sを含む領域に設けられる。このときのFe1−yByの厚さtに関する実験結果の例は、図7(a)〜図7(c)に表した通りである。本実験では、Co40Fe20B20の厚さlを0nm、0.5nm、1nmにそれぞれ設定する。
図8(a)〜図8(c)の実験結果の例における歪検知素子100の第2磁性層20は、(FeaNi1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)およびCo40Fe40B20の両方を含む。Co40Fe40B20は、境界面20sを含む領域に設けられる。このときの(FeaNi1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)の厚さtに関する実験結果の例は、図8(a)〜図8(c)に表した通りである。本実験では、Co40Fe20B20の厚さlを0nm、0.5nm、1nmにそれぞれ設定する。
図9(a)および図9(b)は、実施形態に係る歪検知素子の別の実験結果の例を表すグラフ図である。
図9(c)および図9(d)は、比較例に係る歪検知素子の別の実験結果の例を表すグラフ図である。
図9(b)および図9(d)の縦軸は、定磁場(この例では0磁場)を表す。図9(b)および図9(d)の横軸は、歪を表す。
図9(c)および図9(d)の実験結果の例における比較例に係る歪検知素子の第2磁性層20は、Co40Fe40B20を含む。
なお、比較例に係る歪検知素子のCo40Fe40B20のGFBは、約1500程度である。
図10(a)に表した例では、素子サイズが20μm×20μmの歪検知素子100について、歪検知素子100に加わる歪を−0.8(%0)以上0.8(%0)以下の間で、0.2(%0)刻みで固定値として設定する。図10(a)は、それぞれの歪で電気抵抗の磁場依存性を測定した結果の例をそれぞれ示している。図10(a)より、印加歪の値によりR−Hループ形状が変化していることがわかる。これは、逆磁歪効果によって、磁化自由層の面内磁気異方性が変化していることを示している。
GF=(dR/R)/dε
図10(b)より、外部磁界が5Oeであるときのゲージファクターは、3086である。図10(c)より、外部磁界が2Oeであるときのゲージファクターは、4418である。図10(d)より、外部磁界が0Oeであるときのゲージファクターは、5290である。この結果より、バイアス磁界が0Oeの場合に、最大ゲージファクター(5290)が得られる。
図11(a)は、歪検知素子の模式的斜視図である。図11(b)は、歪検知素子の模式的断面図である。図11(b)では、説明の便宜上、第1電極および第2電極を省略している。
これに対して、図11(a)および図11(b)に表した歪検知素子100aでは、第1磁性層10は、磁化自由層である。
すなわち、この例では、第1磁性層10は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)を含む。または、第1磁性層10は、(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)を含む。または、第1磁性層10は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)および(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)の両方を含む。(FeaX1−a)1−yByにおいて、Xは、CoまたはNiである。
第2磁性層20は、図1(a)および図1(b)に関して前述した通りである。中間層30は、図1(a)および図1(b)に関して前述した通りである。第1電極E1は、図1(a)および図1(b)に関して前述した通りである。図2電極E2は、図1(a)および図1(b)に関して前述した通りである。
なお、第1非磁性層51と第1電極E1との間、および第2非磁性層52と第2電極E2との間の少なくともいずれかに、図1に関して前述した図示しない磁化固定層およびピニング層が設けられていてもよい。
(第2の実施形態)
実施形態は、圧力センサに係る。圧力センサにおいては、第1の実施形態の歪検知素子100、100a、及び、その変形の歪検知素子の少なくともいずれかが用いられる。以下では、歪検知素子として、歪検知素子100を用いる場合について説明する。
図12(a)は、模式的斜視図である。図12(b)は、図12(a)のA1−A2線断面図である。
図12(a)及び図12(b)に表したように、実施形態に係る圧力センサ200は、基板210と、歪検知素子100と、を含む。
図13(a)〜図13(e)は、実施形態に係る圧力センサの製造方向を例示する工程順模式的断面図である。
例えば、Si基板上に、SiOx/Siの薄膜242をスパッタにより形成する。薄膜242として、SiOx単層、SiN単層、または、Alなどの金属層を用いても良い。また、薄膜242として、ポリイミドまたはパラキシリレン系ポリマーなどのフレキシブルプラスティック材料を用いても良い。SOI(Silicon On Insulator)基板を、基体241及び薄膜242として用いても良い。SOIにおいては、例えば、基板の貼り合わせによってSi基板上にSiO2/Siの積層膜が形成される。
図14は、第3の実施形態に係るマイクロフォンを例示する模式的平面図である。
図14に示すように、マイクロフォン410は、前述した各実施形態に係る任意の圧力センサ(例えば、圧力センサ200)や、それらの変形に係る圧力センサを有する。以下においては、一例として、圧力センサ200を有するマイクロフォン410について例示をする。
マイクロフォン410は、圧力センサ200などを備えているので、広域の周波数に対して高感度とすることができる。
実施形態は、上記の各実施形態の圧力センサを用いた音響マイクに係る。
図15は、第4の実施形態に係る音響マイクを例示する模式的断面図である。
実施形態に係る音響マイク430は、プリント基板431と、カバー433と、圧力センサ200と、を含む。プリント基板431は、例えばアンプなどの回路を含む。カバー433には、アコースティックホール435が設けられる。音439は、アコースティックホール435を通って、カバー433の内部に進入する。
実施形態によれば、高感度な音響マイクを提供することができる。
実施形態は、上記の各実施形態の圧力センサを用いた血圧センサに係る。
図16(a)及び図16(b)は、第5の実施形態に係る血圧センサを例示する模式図である。
図16(a)は、ヒトの動脈血管の上の皮膚を例示する模式的平面図である。図16(b)は、図16(a)のH1−H2線断面図である。
本実施形態によれば、高感度な血圧センサを提供することができる。
実施形態は、上記の各実施形態の圧力センサを用いたタッチパネルに係る。
図17は、第6の実施形態に係るタッチパネルを例示する模式的平面図である。
実施形態においては、圧力センサ200が、タッチパネル450として用いられる。この圧力センサ200には、上記の各実施形態に関して説明した圧力センサのいずれか、及び、その変形が用いられる。タッチパネル450においては、圧力センサ200が、ディスプレイの内部及びディスプレイの外部の少なくともいずれかに搭載される。
例えば、制御部453は、複数の第1配線451に接続された第1配線用回路453aと、複数の第2配線452に接続された第2配線用回路453bと、第1配線用回路453aと第2配線用回路453bとに接続された制御回路455と、を含む。
Claims (32)
- 変形可能な基板の上に設けられる歪検知素子であって、
第1磁性層と、
Fe1−yBy(0<y≦0.3)を含み前記基板の変形に応じて磁化が変化する第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中間層と、
を備えた歪検知素子。 - 前記Fe1−yBy(0<y≦0.3)は、前記第2磁性層のうちで前記第2磁性層と前記中間層との間の境界面を含む領域に設けられた請求項1記載の歪検知素子。
- 前記Fe1−yBy(0<y≦0.3)の厚さは、2ナノメートル以上12ナノメートル以下である請求項1または2に記載の歪検知素子。
- 前記第2磁性層は、(FeaCo1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)をさらに含み、
前記(FeaCo1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)は、前記第2磁性層のうちで前記第2磁性層と前記中間層との間の境界面を含む領域に設けられた請求項1記載の歪検知素子。 - 前記第2磁性層は、Co40Fe40B20をさらに含み、
前記Co40Fe40B20は、前記第2磁性層のうちで前記第2磁性層と前記中間層との間の境界面を含む領域に設けられた請求項1記載の歪検知素子。 - 変形可能な基板の上に設けられる歪検知素子であって、
第1磁性層と、
(Fea Ni 1−a)1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)を含み前記基板の変形に応じて磁化が変化する第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中間層と、
を備えた歪検知素子。 - 前記(Fea Ni 1−a)1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)は、前記第2磁性層のうちで前記第2磁性層と前記中間層との間の境界面を含む領域に設けられた請求項6記載の歪検知素子。
- 前記(Fea Ni 1−a)1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)の厚さは、2ナノメートル以上12ナノメートル以下である請求項6または7に記載の歪検知素子。
- 前記第2磁性層は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)をさらに含む請求項6〜8のいずれか1つに記載の歪検知素子。
- 前記第2磁性層は、Co40Fe40B20をさらに含み、
前記Co40Fe40B20は、前記第2磁性層のうちで前記第2磁性層と前記中間層との間の境界面を含む領域に設けられた請求項6記載の歪検知素子。 - 前記Fe1−yBy(0<y≦0.3)は、アモルファス部分を含む請求項1〜5および9のいずれか1つに記載の歪検知素子。
- 前記(Fea Ni 1−a)1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)は、アモルファス部分を含む請求項6〜9のいずれか1つに記載の歪検知素子。
- 前記第1磁性層は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)を含み、
前記第1磁性層の磁化は、前記基板の変形に応じて変化する請求項1〜12のいずれか1つに記載の歪検知素子。 - 前記第1磁性層の前記Fe1−yBy(0<y≦0.3)は、前記第1磁性層のうちで前記第1磁性層と前記中間層との間の境界面を含む領域に設けられた請求項13記載の歪検知素子。
- 前記第1磁性層の前記Fe1−yBy(0<y≦0.3)の厚さは、2ナノメートル以上12ナノメートル以下である請求項13または14に記載の歪検知素子。
- 前記第1磁性層は、(Fea Ni 1−a)1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)をさらに含み、
前記第1磁性層の前記(Fea Ni 1−a)1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)は、前記第1磁性層のうちで前記第1磁性層と前記中間層との間の境界面を含む領域に設けられた請求項13記載の歪検知素子。 - 前記第1磁性層は、(Fea Ni 1−a)1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)を含み、
前記第1磁性層の磁化は、前記基板の変形に応じて変化する請求項1〜12のいずれか1つに記載の歪検知素子。 - 前記第1磁性層の前記(Fea Ni 1−a)1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)は、前記第1磁性層のうちで前記第1磁性層と前記中間層との間の境界面を含む領域に設けられた請求項17記載の歪検知素子。
- 前記第1磁性層の前記(Fea Ni 1−a)1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)の厚さは、2ナノメートル以上12ナノメートル以下である請求項17または18に記載の歪検知素子。
- 前記第1磁性層は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)をさらに含む請求項17〜19のいずれか1つに記載の歪検知素子。
- 前記第1磁性層の前記Fe1−yBy(0<y≦0.3)は、アモルファス部分を含む請求項13〜16および20のいずれか1つに記載の歪検知素子。
- 前記第1磁性層の前記(Fea Ni 1−a ) 1−yBy (0.8≦a<1、0<y≦0.3)は、アモルファス部分を含む請求項16〜20のいずれか1つに記載の歪検知素子。
- 非磁性層をさらに備え、
前記第2磁性層は、前記中間層と前記非磁性層との間に配置され、
前記非磁性層は、マグネシウム(Mg)、アルミニウム(Al)、シリコン(Si)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、マンガン(Mn)、鉄(Fe)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)、亜鉛(Zn)、ジルコニウム(Zr)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)、パラジウム(Pd)、銀(Ag)、ハフニウム(Hf)、タンタル(Ta)、タングステン(W)、錫(Sn)、カドミウム(Cd)及びガリウム(Ga)よりなる群から選択された少なくともいずれかの酸化物、及び、前記群から選択された少なくともいずれかの窒化物、の少なくともいずれかを含む、請求項1〜22のいずれか1つに記載の歪検知素子。 - MgOを含む層をさらに備え、
前記第2磁性層は、前記中間層と前記MgOを含む前記層との間に配置された、請求項1〜22のいずれか1つに記載の歪検知素子。 - ハードバイアス層をさらに備えた、請求項1〜24のいずれか1つに記載の歪検知素子。
- 変形可能な基板の上に設けられる歪検知素子であって、
第1磁性層と、
Fe1−yBy(0<y≦0.3)を含む第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中間層と、
を備え、
前記歪検知素子の電気抵抗は、前記基板の変形に応じて変化する、歪検知素子。 - 変形可能な基板の上に設けられる歪検知素子であって、
第1磁性層と、
(FeaNi1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)を含む第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中間層と、
を備え、
前記歪検知素子の電気抵抗は、前記基板の変形に応じて変化する、歪検知素子。 - 支持部と、
前記支持部に支持され変形可能な基板と、
前記基板の上に設けられた請求項1〜27のいずれか1つに記載の歪検知素子と、
を備えた圧力センサ。 - 前記歪検知素子は、前記基板の上に複数設けられた、請求項28記載の圧力センサ。
- 請求項28または29に記載の圧力センサを備えたマイクロフォン。
- 請求項28または29に記載の圧力センサを備えた血圧センサ。
- 請求項28または29に記載の圧力センサを備えたタッチパネル。
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