JP6226171B2 - 応力センサ - Google Patents
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Description
実施の形態に係る応力センサの動作原理であって、飽和磁場Hsよりも大きな外部磁場Hexを印加した磁化Mをもつ磁性体10の模式的断面構造は、図1(a)に示すように表され、タングステン針40によって磁性体に局所応力を印加することによって、応力誘導異方性磁場HAを発生させ、磁気バブルBUBを発生させた磁性体10の模式的断面構造は、図1(b)に示すように表され、タングステン針40をリリースした後、応力誘導異方性磁場HAによる磁化方向が保存されない(揮発性)状態の磁性体10の模式的断面構造図は、図1(c)に示すように表される。また、図1(a)に対応する磁性体10の表面状態の模式図は、図1(d)に示すように表され、図1(b)に対応する磁性体10の表面状態の模式図は、図1(e)に示すように表され、図1(c)に対応する磁性体10の表面状態の模式図、図1(f)に示すように表される。
実施の形態に係る応力センサによる局所応力の検出の説明図であって、外部磁場Hexを印加した磁化Mをもつ磁性体10の模式的断面構造は、図4(a)に示すように表され、外部磁場Hexを印加して磁化を飽和させた状態で、タングステン針40によって磁性体10に局所応力を印加することによって、応力誘導異方性磁場HAを発生させた磁性体10と、タングステン針40の接触面(応力作用部40P)と対向する磁性体10の裏面側に磁気センサ30を配置した構成の模式的断面構造は、図4(b)に示すように表され、磁性体10の表面側に磁石(磁性体薄膜)20および保護膜52を配置し、磁性体10の裏面側に磁気センサ30を配置した応力センサ60の模式的断面構造は、図4(c)に示すように表される。尚、磁性体10と磁石(磁性体薄膜)20との間には、絶縁層を介在させて、互いに絶縁されていても良い。
実施の形態に係る応力センサ60は、図6に示すように、磁性体10と、磁性体10上の応力作用部40Pと、磁性体10に隣接して配置された磁石20と、磁性体10を介して応力作用部40Pと対向して配置された磁気センサ30とを備え、応力作用部40Pに印加される局所応力により、磁性体に発生する磁区から放出される磁束を、磁気センサ30により検出する。実施の形態に係る応力センサ60においては、局所応力を定量化するために、例として、タングステン針40を用いて、応力作用部40Pに局所応力を印加しているが、局所応力を印加する手法としては、タングステン針40に限定されることはない。尚、他の針状の構成として、例えば、木製爪楊枝によっても磁区を動作できることを確認しているため、本現象は、非常に微小な領域の局所応力センサだけでなく、ヒューマンインタフェース用途の応力センサとしても用いることができる。
実施の形態の変形例1に係る応力センサ60において、磁石20と磁気センサ30は、図7に示すように、磁性体10の一方の面(裏面)に配置されている。その他の構成は、実施の形態と同様である。
実施の形態の変形例2に係る応力センサ60は、図8に示すように、磁性体10と、磁性体10上の応力作用部40Pと、磁性体10を介して応力作用部40Pと対向して配置された磁気センサ30と、磁気センサ30上に配置された絶縁層50と、絶縁層50上に配置された磁石20とを備える。
実施の形態の変形例3に係る応力センサ60は、図9に示すように、磁性体10と、磁性体10上の応力作用部40Pと、磁性体10を介して応力作用部40Pと対向して配置された磁気センサ30と、磁気センサ30上に配置された絶縁層50と、絶縁層50上に配置された磁石20とを備える。
実施の形態の変形例4に係る応力センサ60は、図10に示すように、磁性体10と、磁性体10上の応力作用部40Pと、磁性体10を介して応力作用部40Pと対向して配置された磁気センサ30と、磁気センサ30上に配置された絶縁層50と、絶縁層50上に配置された磁石20とを備える。
実施の形態の変形例5に係る応力センサ60は、図11に示すように、磁性体10と、磁性体10上の応力作用部40Pと、磁性体10を介して応力作用部40Pと対向して配置された磁気センサ30と、磁気センサ30上に配置された磁石20とを備える。
実施の形態の変形例6に係る応力センサ60は、図12に示すように、磁性体10と、磁性体10上の応力作用部40Pと、磁性体10を介して応力作用部40Pと対向して配置された磁気センサ30と、磁性体10上に、磁気センサ30を囲むように配置された磁石20とを備える。
実施の形態の変形例7に係る応力センサ60の模式的平面パターン構成は、図13(a)に示すように表され、図13(a)のI−I線に沿う模式的断面構造は、図13(b)に示すように表される。
実施の形態の変形例8に係る応力センサ60の模式的平面パターン構成は、図14(a)に示すように表され、図14(a)のII−II線に沿う模式的断面構造は、図14(b)に示すように表される。
(磁性体の選定)
磁性体10には液相成長法により350μm厚の(100)面(CaGd)3(MgGaZr)5O12基板上へ製膜された50μm厚のBi置換ガーネットを用いた。用いた磁性体10の飽和磁化は室温で343Gである。磁性体10は大気中1000〜1200℃、6時間の熱処理を行った。
実施の形態に係るホール素子1を適用し、磁区動作のホールプローブとイメージングの同時計測が可能な電磁石102と磁気光学顕微鏡を組み合わせた測定系の模式的構成は、図18に示すように表される。
実施の形態に係る応力センサに適用される磁性体10において、熱処理温度1200℃の熱処理試料の飽和磁場印加時(Hex=Hs=560(Oe):図3対応の磁気光学顕微鏡像では紙面上向き)における模式的断面構造(磁気光学顕微鏡像は図3(a)に対応)は、図19(a)に示すように表され、タングステン針40によって磁性体10に局所応力を印加することによって、応力誘導異方性磁場HAを発生させた磁性体10の模式的断面構造(磁気光学顕微鏡像は図3(b)に対応)は、図19(b)に示すように表され、タングステン針40をリリースした後、応力誘導異方性磁場HAにより反転した磁化方向が保存された(不揮発性)状態の磁性体10の模式的断面構造(磁気光学顕微鏡像は図3(c)に対応)は、図19(c)に示すように表される。図19(a)〜図19(c)に示すように、タングステン針40の接触前は単一磁区状態であったが、局所応力を印加することでバブル磁区が生成されていることがわかる。この現象については以下のように説明できる。
HA ∝ −σλ (1)
ここで、σは面内応力 (正:引張応力、負:圧縮応力)を表し、λは磁歪定数を表す。
HA=[2K1−2σ(λ100+λ111)]/2M (2)
ここで、K1は立方晶異方性定数、λ100+λ111は磁歪定数、Mは飽和磁化を表す。(2)式において、σと(λ100+λ111)は負であるため応力誘導異方性磁場HAは負である。(λ100+λ111)が負であることは磁歪測定により確認した。したがって、負の応力誘導異方性磁場HAによりバブル磁区が発生する。
実施の形態に係る応力センサの実験例であって、熱処理温度1200℃の熱処理試料の外部磁場Hexを印加しない状態(Hex=0(Oe))の磁性体10の磁気光学顕微鏡像(タングステン針接触前)は、図20(a)に示すように表され、タングステン針40によって磁性体10に局所応力(7.79mN)を印加した状態の磁気光学顕微鏡像は、図20(b)に示すように表され、図20(a)と図20(b)の差分像は、図20(c)に示すように表される。図20(c)において、Bは、白地(磁区の磁化方向が紙面上向き)から、黒地(磁区の磁化方向が紙面下向き)に変化している部分を示す。一方、図20(c)において、Rは、黒地(磁区の磁化方向が紙面下向き)から、白地(磁区の磁化方向が紙面上向き)に変化している部分を示す。
一方、実施の形態に係る応力センサの実験例であって、熱処理温度1200℃の熱処理試料の外部磁場Hexとしてバブル磁区発生磁場(Hex=280(Oe))を印加してバブル磁区を発生させた磁性体10の磁気光学顕微鏡像(タングステン針接触前:図5(a)に対応)は、図21(a)に示すように表され、タングステン針40によって磁性体10に局所応力(1.15mN)を印加した状態の磁気光学顕微鏡像(図5(b)に対応)は、図21(b)に示すように表され、図21(a)と図21(b)の差分像(図5(c)に対応)は、図21(c)に示すように表される。図5(c)において説明したように、図21(c)において、RBは磁気バブルBUBの変位を表す。磁性体10に局所応力(1.15mN)を印加することで、磁気バブルBUBの変位:R1→B1、R2→B2、R3→B3、R4→B4、R5→B5、R6→B6、R7→B7、R8→B8が観測されている。磁性体10に磁気バブル発生磁場を印加し、かつ局所応力を印加することによって、応力分布による磁気バブルの変位を発生させ、複数の磁気センサ30により応力分布の検出も可能である。
実施の形態に係る応力センサに適用される磁性体において、磁気光学顕微鏡像の磁場依存性を磁化曲線(外部磁場Hexと磁化Mとの関係)と対応させて示した図であって、熱処理温度1200℃の例(図17(b)に対応した図)は、図22(a)に示すように表され、面直方向へ外部磁場Hexを印加し磁区構造を変化させながら、磁区動作としきい荷重の関係を調査した結果であって、外部磁場Hexとしきい力との関係を示す図は、図22(b)に示すように表される。図22(b)において、「Move」とは、外部磁場Hexをかけた状態において、タングステン針40の直下のストライプ形状の磁区若しくはバブル磁区が動き出すしきい力fを示す。また、図22(b)において、「Chop」とは、外部磁場Hexをかけた状態において、タングステン針40の直下のストライプ形状の磁区が切れるしきい力fを示す。
実施の形態に係る応力センサに適用される磁性体において、飽和磁場Hsと飽和磁場比Hs,⊥/Hs,||の熱処理温度依存性(図16に対応する図)は、図47(a)に示すように表され、外部磁場Hex(Oe)としきい力f(mN)の熱処理温度依存性であって、熱処理温度の増加(磁気異方性の低減)により、磁区動作のしきい荷重が低減されている様子は、図47(b)に示すように表される。
応力誘導磁区駆動現象を応用することで、局所磁場発生装置の作製が可能である。磁性体10と磁石20を組み合わせるのみの単純な構造で良い。
磁性体10としては、磁気バブルが発生するものであれば、材料は問わない。例えば、磁性体10としては、磁気バブル材料として古くから知られているガーネットRFe5O12、オルソフェライトRFeO3、六方晶フェライトAFe12O19(Rは希土類元素、AはBa、Sr、Pb等)の他、強相関電子材料として知られているペロブスカイトマンガン酸化物RRMnO3(Rは希土類元素またはアルカリ土類金属元素)や、スキルミオン材料として知られているらせん磁性体(MnSi、MnGe、Mn1-xFexGe、FeGe、Fe1-xCoxSi、Cu2O、SeO3)等が挙げられる。磁性体材料の選択により磁区幅、即ち、局所磁場の空間分解能を数nm−数100μmに変化させることができる。
磁石20は面外方向へバブル発生磁場を印加するために用いるため、この目的が達せられるものであれば材料は問わない。永久磁石や電磁石、もしくは、電圧や電流で磁場方向を制御できるようなマルチフェロイック材料を用いても良い。強磁性体薄膜を用いて積層構造としても良い。磁石20は、応力作用部40Pに均一磁場を印加できるように配置する。
応力誘導磁区駆動現象を応用することで、以下のような手順で局所応力センサの作製が可能である。上述のように、外部磁場Hex印加用の磁石20の配置場所は問わない。
磁性体10上へ絶縁膜を堆積した。磁性体が絶縁体である場合は絶縁膜は必須では無いが、例えば磁性体10が伝導性を有する場合は絶縁膜を介することにより、磁性体10と磁気センサ30を近接させることができる。
磁気センサ30としては例えばホール素子を用いることができる。以下、ホール素子を使用した場合について記載するが、他の磁気センサを用いた場合にも同様にして応力センサを構成することが可能であり、磁気センサ30はホール素子に限定されるものではない。例えば、トンネル磁気抵抗効果(TMR: tunnel Magneto-Resistance Effect)素子、巨大磁気抵抗効果(GMR:Giant Magneto Resistive effect)素子などを適用しても良い。
応力誘導磁区駆動現象を応用することで、応力分布センサの作製が可能である。図20および図21に示したように、磁気バブル発生磁場を印加した状態で応力を与えると、応力分布による応力誘導異方性磁場HAの面内分布、及び、静磁エネルギーと磁壁エネルギーの総和を最小化するためのバブル磁区の再構成が発生し、バブル磁区が多体的に変位する。これらのバブルの変位を、磁性体上に多数集積した磁気センサにより検出することで、応力分布を測定することができる。
実施の形態に係る応力センサの磁気センサに適用可能なホール素子1の模式的平面パターン構成は、図51に示すように表され、模式的鳥瞰構成は、図52に示すように表される。
VH=KH×IC×BO (3)
ここで、積感度KH(V/(A・T))は、材料および幾何学的寸法によって決まる定数であり、例えば、4.4(V/(A・T))である。
ビスマス電極層140は典型的な金属の中で最大のホール係数を有し、蒸着等により作製可能であるため、ホール素子1においては、下地の材料に依らず高感度なホール素子の作製が可能である。
BZ=MZ[(α+1)/{(α+1)2+β2}1/2−(α−1)/{(α−1)2+β2}1/2] (4)
ホール素子1を適用した磁気センサにおいては、高さZの増加・ドメイン幅dの減少・磁性体厚さtの減少と共に、磁場BZは減少する。
ホール素子1を適用し、磁区動作のホールプローブとイメージングの同時計測が可能な電磁石と磁気光学顕微鏡を組み合わせた測定系の模式的構成は、図18と同様に表される。磁区動作のイメージングの測定結果が、例えば、図57(a)および図57(b)に示された写真である。
ホール素子1を適用した磁気センサの製造方法の説明図であって、磁性体100上にアラインメント電極層170を形成後、絶縁層120を形成する工程を示す模式的断面構造は、図59(a)に示すように表される。
(b−1)すなわち、絶縁層120上に、Cr(3nm)層を、電子ビーム蒸着法により、パターン形成する。
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
10、100…磁性体
20…磁石(磁性体薄膜)
30、301、302、303、3011、3012、…、301n、…30m1、30m2、…、30mn…磁気センサ(MS11、MS12、…、MS1n、…MSm1、MSm2、…、MSmn)
40…タングステン針
40P…応力作用部
42…微小力センサ
44…ピエゾ昇降ステージ
50…絶縁層
52…保護膜
60…応力センサ
106…検光子
108…CCDカメラ
110…偏光子
120…絶縁層
140…(ビスマス)電極層
160、180、P1、P2、P3、P4…ホールプローブパッド電極
160H、180H…コンタクトホール(開口部)
170…アラインメント電極層
200…パッシベーション膜
2201、2202…ボンディングワイヤ
Hex…外部磁場
HA…飽和磁場
M…磁化
Ms…飽和磁化
BUB…磁気バブル
DM、DM(+)、DM(−)…ドメイン
B…印加磁場
BO…出力磁場
f…しきい力
Claims (7)
- 磁性体と、
前記磁性体上の応力作用部と、
前記磁性体に隣接して配置された磁石と、
前記磁性体を介して前記応力作用部と対向して配置された磁気センサと
を備え、
前記応力作用部に印加される局所応力により、前記磁性体に発生する磁区から放出される磁束を、前記磁気センサにより検出し、
前記磁性体には前記磁石により飽和磁場が印加され、前記磁石による外部磁場と逆方向の応力誘導異方性磁場が前記局所応力により印加されることで、前記磁性体には単一の磁気バブルが発生し、前記磁気バブルから放出される磁束を磁気センサにより検出することで、前記局所応力を検出可能であることを特徴とする応力センサ。 - 磁性体と、
前記磁性体の応力作用部と、
前記磁性体に隣接して配置された磁石と、
前記磁性体を介して前記応力作用部と対向して配置された磁気センサと
を備え、
応力分布による磁区の変位を、前記磁区から放出される磁束を前記磁気センサにより検出することにより、検出し、
前記磁性体には前記磁石により磁気バブル発生磁場が印加され、前記応力分布により応力誘導異方性磁場が印加されることで、前記磁気バブルの変位が発生し、前記磁気バブルから放出される磁束を磁気センサにより検出することで、応力分布を検出可能であることを特徴とする応力センサ。 - 前記磁気センサは複数配置されていることを特徴とする請求項1または2に記載の応力センサ。
- 前記磁気センサはホール素子で構成され、前記ホール素子は前記磁性体上に接して配置されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の応力センサ。
- 前記ホール素子の材料はビスマス(Bi)であることを特徴とする請求項4に記載の応力センサ。
- 前記磁気センサ上に配置された絶縁膜を備え、
前記磁石は前記絶縁膜上に配置されることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の応力センサ。 - 前記磁石は、磁性体薄膜で形成されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の応力センサ。
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