JP6363271B2 - Sensor - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、センサに関する。 Embodiments described herein relate generally to a sensor.
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を用いた圧力センサには、例えば、ピエゾ抵抗変化型と静電容量型とがある。一方、スピン技術を用いた圧力センサが提案されている。スピン技術を用いた圧力センサにおいては、歪に応じた抵抗変化が検知される。歪に応じた抵抗変化の感度は、例えば、スピンバルブ膜の材料に依存する。例えば、スピン技術を用いた圧力センサなどに用いられる歪検知素子において、感度の向上が望まれる。 Examples of pressure sensors using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology include a piezoresistance change type and a capacitance type. On the other hand, a pressure sensor using a spin technique has been proposed. In a pressure sensor using a spin technique, a resistance change corresponding to strain is detected. The sensitivity of resistance change according to strain depends on, for example, the material of the spin valve film. For example, in a strain sensing element used for a pressure sensor using a spin technique, an improvement in sensitivity is desired.
本発明の実施形態は、感度の向上を図ることができるセンサを提供する。 Embodiments of the present invention provide a sensor capable of improving sensitivity.
実施形態によれば、センサは、プリント基板と、カバーと、前記プリント基板と前記カバーとの間に設けられた支持部と、前記プリント基板と前記カバーとの間において前記支持部に支持され変形可能な基板と、前記プリント基板と前記カバーとの間において前記基板の上に設けられた検知素子と、を含む。前記検知素子は、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、を含む。前記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。 According to the embodiment, the sensor is supported and deformed by the printed circuit board, the cover, the support unit provided between the printed circuit board and the cover, and the support unit between the printed circuit board and the cover. And a sensing element provided on the substrate between the printed circuit board and the cover. The sensing element is provided between the first magnetic layer, the second magnetic layer containing Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3), and the first magnetic layer and the second magnetic layer. And an intermediate layer. The electric resistance of the sensing element changes according to the deformation of the substrate.
以下に、本発明の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、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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. 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(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。
(First embodiment)
FIG. 1A to FIG. 1C are schematic views illustrating the strain sensing element according to the first embodiment.
FIG. 1A is a schematic perspective view of a strain sensing element. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of the strain sensing element. FIG. 1C is a schematic cross-sectional view illustrating a pressure sensor in which a strain sensing element is used. In FIG. 1B, the first electrode and the second electrode are omitted for convenience of explanation.
図1(a)に表したように、実施形態に係る歪検知素子100は、第1磁性層10と、第2磁性層20と、中間層30と、を含む。この例では、歪検知素子100は、非磁性層40と、第1電極E1と、第2電極E2と、をさらに含む。非磁性層40は、必ずしも設けられていなくともよい。 As illustrated in FIG. 1A, the strain sensing element 100 according to the embodiment includes a first magnetic layer 10, a second magnetic layer 20, and an intermediate layer 30. In this example, the strain sensing element 100 further includes a nonmagnetic layer 40, a first electrode E1, and a second electrode E2. The nonmagnetic layer 40 is not necessarily provided.
例えば、第1磁性層10から第2磁性層20に向かう方向をZ軸方向(積層方向)とする。Z軸方向に対して垂直な1つの方向をX軸方向とする。Z軸方向とX軸方向とに対して垂直な方向をY軸方向とする。 For example, the direction from the first magnetic layer 10 toward the second magnetic layer 20 is the Z-axis direction (stacking direction). One direction perpendicular to the Z-axis direction is taken as an X-axis direction. A direction perpendicular to the Z-axis direction and the X-axis direction is taken as a Y-axis direction.
この例では、第2電極E2は、積層方向において第1電極E1とは離隔して設けられる。第1電極E1と第2電極E2との間に、第1磁性層10が設けられる。第1磁性層10と第2電極E2との間に、中間層30が設けられる。中間層30と第2電極E2との間に、第2磁性層20が設けられる。第2磁性層20と第2電極E2との間に、非磁性層40が設けられる。 In this example, the second electrode E2 is provided separately from the first electrode E1 in the stacking direction. The first magnetic layer 10 is provided between the first electrode E1 and the second electrode E2. An intermediate layer 30 is provided between the first magnetic layer 10 and the second electrode E2. The second magnetic layer 20 is provided between the intermediate layer 30 and the second electrode E2. A nonmagnetic layer 40 is provided between the second magnetic layer 20 and the second electrode E2.
第1磁性層10と第2磁性層20は、中間層30を挟んで、互いに入れ替わって配置されても良い。その場合、非磁性層40は、第2磁性層20と第1電極E1との間に設けられる。 The first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20 may be interchanged with each other with the intermediate layer 30 interposed therebetween. In that case, the nonmagnetic layer 40 is provided between the second magnetic layer 20 and the first electrode E1.
第1磁性層10は、例えば参照層である。参照層として、磁化固定層、または、磁化自由層が用いられる。図1(a)および図1(b)に表した例では、第1磁性層10は、磁化固定層である。例えば、第1磁性層10には、シンセティックピン構造またはシングルピン構造が用いられる。この例では、第1磁性層10には、シンセティックピン構造が用いられている。後述するように、第1磁性層10は、磁化自由層であってもよい。 The first magnetic layer 10 is, for example, a reference layer. As the reference layer, a magnetization fixed layer or a magnetization free layer is used. In the example shown in FIGS. 1A and 1B, the first magnetic layer 10 is a magnetization fixed layer. For example, the first magnetic layer 10 has a synthetic pin structure or a single pin structure. In this example, the first magnetic layer 10 has a synthetic pin structure. As will be described later, the first magnetic layer 10 may be a magnetization free layer.
図1(a)および図1(b)に表した例では、第1磁性層10は、第1磁化固定層11と、第2磁化固定層12と、磁気結合層13と、を含む。磁気結合層13は、第1磁化固定層11と、第2磁化固定層12と、の間に設けられる。 In the example shown in FIGS. 1A and 1B, the first magnetic layer 10 includes a first magnetization fixed layer 11, a second magnetization fixed layer 12, and a magnetic coupling layer 13. The magnetic coupling layer 13 is provided between the first magnetization fixed layer 11 and the second magnetization fixed layer 12.
第2磁化固定層12には、例えば、CoxFe100−x合金(xは、0at.%以上100at.%以下)、NixFe100−x合金(xは、0at.%以上100at.%以下)、または、これらに非磁性元素を添加した材料が用いられる。第2磁化固定層12として、例えば、Co、Fe及びNiよりなる群から選択された少なくともいずれかが用いられる。第2磁化固定層12として、これらの材料から選択された少なくとも1つの材料を含む合金を用いても良い。第2磁化固定層12として、(CoxFe100−x)100−yBy合金(xは、0at.%以上100at.%以下であり、yは、0at.%以上30at.%以下)を用いることもできる。
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。
The second magnetization fixed layer 12 includes, for example, a Co x Fe 100-x alloy (x is 0 at.% Or more and 100 at.% Or less), a Ni x Fe 100-x alloy (x is 0 at.% Or more and 100 at.% Or more). Or a material obtained by adding a nonmagnetic element thereto. As the second magnetization fixed layer 12, for example, at least one selected from the group consisting of Co, Fe, and Ni is used. An alloy containing at least one material selected from these materials may be used as the second magnetization fixed layer 12. The second magnetization pinned layer 12, a (Co x Fe 100-x) 100-y B y alloys (x is, 0 atomic.% Or more 100at is at.% Or less, y is, 0 atomic.% Or more 30 at.% Or less) It can also be used.
When a single pin structure is used for the first magnetic layer 10, the same material as the material of the second magnetization fixed layer 12 described above may be used as the ferromagnetic layer used for the single pin structure magnetization fixed layer.
磁気結合層13は、第2磁化固定層12と第1磁化固定層11との間において、反強磁性結合を生じさせる。磁気結合層13として、例えば、Ruが用いられる。第1磁化固定層11と第2磁化固定層12との間に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば、磁気結合層13としてRu以外の材料を用いても良い。磁気結合層13として、例えば、0.9nmの厚さのRuが用いられる。これにより、高信頼性の結合がより安定して得られる。 The magnetic coupling layer 13 generates antiferromagnetic coupling between the second magnetization fixed layer 12 and the first magnetization fixed layer 11. For example, Ru is used as the magnetic coupling layer 13. As long as the material cause sufficient antiferromagnetic coupling between the first magnetization pinned layer 1 1 and the second magnetization pinned layer 1 2, it may be a material other than Ru as the magnetic coupling layer 13. For example, Ru having a thickness of 0.9 nm is used as the magnetic coupling layer 13. Thereby, highly reliable coupling can be obtained more stably.
第1磁化固定層11に用いられる磁性層は、磁気抵抗効果(MR効果)に直接的に寄与する。第1磁化固定層11として、例えば、Co−Fe−B合金が用いられる。具体的には、第1磁化固定層11として、(CoxFe100−x)100−yBy合金(xは、0at.%以上100at.%以下であり、yは、0at.%以上30at.%以下)を用いることもできる。
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。
The magnetic layer used for the first magnetization fixed layer 11 directly contributes to the magnetoresistance effect (MR effect). For example, a Co—Fe—B alloy is used as the first magnetization fixed layer 11. Specifically, as the first magnetization fixed layer 11, a (Co x Fe 100-x ) 100- y By alloy (x is 0 at.% Or more and 100 at.% Or less, and y is 0 at.% Or more and 30 at. .% Or less) can also be used.
For example, an Fe—Co alloy may be used as the first magnetization fixed layer 11 in addition to the Co—Fe—B alloy.
第1磁化固定層11には、上述した材料の他に、fcc構造のCo90Fe10合金、または、hcp構造のCo、または、hcp構造のCo合金が用いられる。第1磁化固定層11として、例えば、Co、Fe及びNiよりなる群から選択された少なくとも1つが用いられる。第1磁化固定層11として、これらの材料から選択された少なくとも1つの材料を含む合金が用いられる。第1磁化固定層11として、bcc構造のFeCo合金材料、50%以上のコバルト組成を含むCo合金、または、50%以上のNi組成の材料(Ni合金)を用いることで、例えば、より大きなMR変化率が得られる。 In addition to the materials described above, the first magnetization fixed layer 11 is made of a Co 90 Fe 10 alloy having an fcc structure, a Co having an hcp structure, or a Co alloy having an hcp structure. As the first magnetization fixed layer 11, for example, at least one selected from the group consisting of Co, Fe, and Ni is used. As the first magnetization fixed layer 11, an alloy containing at least one material selected from these materials is used. By using a FeCo alloy material having a bcc structure, a Co alloy containing a cobalt composition of 50% or more, or a material (Ni alloy) having a Ni composition of 50% or more as the first magnetization fixed layer 11, for example, a larger MR The rate of change is obtained.
第1磁化固定層11として、例えば、Co2MnGe、Co2FeGe、Co2MnSi、Co2FeSi、Co2MnAl、Co2FeAl、Co2MnGa0.5Ge0.5、及び、Co2FeGa0.5Ge0.5などのホイスラー磁性合金層を用いることもできる。例えば、第1磁化固定層11として、例えば、3nmの厚さのCo40Fe40B20層が用いられる。 As the first magnetization fixed layer 11, for example, Co 2 MnGe, Co 2 FeGe, Co 2 MnSi, Co 2 FeSi, Co 2 MnAl, Co 2 FeAl, Co 2 MnGa 0.5 Ge 0.5 , and Co 2 FeGa A Heusler magnetic alloy layer such as 0.5 Ge 0.5 can also be used. For example, as the first magnetization fixed layer 11, for example, a Co 40 Fe 40 B 20 layer having a thickness of 3 nm is used.
第2磁性層20は、例えば、磁化自由層である。歪検知素子100に応力が加わり、歪検知素子100に歪が生ずると、第2磁性層20の磁化が変化する。例えば、第2磁性層20の磁化の変化は、第1磁性層10の磁化の変化よりも容易である。これにより、第1磁性層10の磁化と第2磁性層10の磁化との間の相対角度は、変化する。 The second magnetic layer 20 is, for example, a magnetization free layer. When stress is applied to the strain sensing element 100 and strain occurs in the strain sensing element 100, the magnetization of the second magnetic layer 20 changes. For example, the change in magnetization of the second magnetic layer 20 is easier than the change in magnetization of the first magnetic layer 10. As a result, the relative angle between the magnetization of the first magnetic layer 10 and the magnetization of the second magnetic layer 10 changes.
第2磁性層20には、強磁性体材料が用いられる。
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。
A ferromagnetic material is used for the second magnetic layer 20.
In the embodiment, the second magnetic layer 20 includes Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3). The entire second magnetic layer 20 may be formed of Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3). For example, Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3) is provided in a region of the second magnetic layer 20 that includes the boundary surface 20 s between the second magnetic layer 20 and the intermediate layer 30.
第2磁性層20は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)のうちのFeの一部がCoもしくはNiに置換された材料、すなわち、(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)を含んでいてもよい。前述した(FeaX1−a)1−yByにおいて、Xは、CoまたはNiである。つまり、第2磁性層20は、(FeaCo1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)または(FeaNi1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)を含んでいてもよい。 The second magnetic layer 20 is made of a material in which a part of Fe in Fe 1−y B y (0 <y ≦ 0.3) is replaced by Co or Ni, that is, (Fe a X 1−a ) 1 -Y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) may be included. In the above-described (Fe a X 1-a ) 1-y B y , X is Co or Ni. That is, the second magnetic layer 20 has (Fe a Co 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) or (Fe a Ni 1-a ) 1− y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) may be included.
第2磁性層20の全体が、(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)により形成されていてもよい。つまり、第2磁性層20の全体が、(FeaCo1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)により形成されていてもよい。または、第2磁性層20の全体が、(FeaNi1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)により形成されていてもよい。例えば、(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)は、境界面20sを含む領域に設けられる。 The entire second magnetic layer 20 may be formed of (Fe a X 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3). That is, the entire second magnetic layer 20 may be formed of (Fe a Co 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3). Alternatively, the entire second magnetic layer 20 may be formed of (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3). For example, (Fe a X 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) is provided in a region including the boundary surface 20s.
第2磁性層20は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)および(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)の両方を含んでいてもよい。XがCoである場合には、(FeaCo1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)が境界面20sを含む領域に設けられることがより好ましい。 The second magnetic layer 20 includes Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3) and (Fe a X 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0). .3) may be included. When X is Co, (Fe a Co 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) is provided in a region including the boundary surface 20s. Is more preferable.
第2磁性層20は、Co40Fe40B20を含んでいてもよい。この場合、Co40Fe40B20は、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。
The second magnetic layer 20 may contain Co 40 Fe 40 B 20 . In this case, Co 40 Fe 40 B 20 is provided in a region including the boundary surface 20s.
For example, the second magnetic layer 20 includes both Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3) and Co 40 Fe 40 B 20 . Co 40 Fe 40 B 20 is provided in a region including the boundary surface 20s. Alternatively, for example, the second magnetic layer 20 includes both (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) and Co 40 Fe 40 B 20 . including. Co 40 Fe 40 B 20 is provided in a region including the boundary surface 20s.
第2磁性層20は、アモルファス部分を含む。例えば、Fe1−yBy(0<y≦0.3)は、アモルファス状態を含む。例えば、(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)は、アモルファス状態を含む。
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。
The second magnetic layer 20 includes an amorphous part. For example, Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3) includes an amorphous state. For example, (Fe a X 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) includes an amorphous state.
The second magnetic layer 20 may include an amorphous part and a crystal part. For example, a region including the boundary surface 20s includes a crystalline state, and a region not including the boundary surface 20s includes an amorphous state.
中間層30は、例えば、第1磁性層10と第2磁性層20との磁気的な結合を分断する。中間層30には、例えば、金属または絶縁体または半導体が用いられる。この金属としては、例えば、Cu、AuまたはAg等が用いられる。中間層30として金属を用いる場合、中間層30の厚さは、例えば、1nm以上7nm以下程度である。この絶縁体または半導体としては、例えば、マグネシウム酸化物(Mg−O等)、アルミニウム酸化物(Al2O3等)、チタン酸化物(Ti−O等)、亜鉛酸化物(Zn−O等)、または、ガリウム酸化物(Ga−O)などが用いられる。中間層30として絶縁体または半導体を用いる場合は、中間層30の厚さは、例えば0.6nm以上2.5nm以下程度である。中間層30として、例えば、CCP(Current-Confined-Path)スペーサ層を用いても良い中間層30としてCCPスペーサ層を用いる場合には、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)の絶縁層中に銅(Cu)メタルパスが形成された構造が用いられる。例えば、中間層30として、1.5nmの厚さのMgO層が用いられる。 For example, the intermediate layer 30 breaks the magnetic coupling between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20. For the intermediate layer 30, for example, a metal, an insulator, or a semiconductor is used. For example, Cu, Au, or Ag is used as this metal. When a metal is used as the intermediate layer 30, the thickness of the intermediate layer 30 is, for example, about 1 nm to 7 nm. As this insulator or semiconductor, for example, magnesium oxide (Mg—O or the like), aluminum oxide (Al 2 O 3 or the like), titanium oxide (Ti—O or the like), zinc oxide (Zn—O or the like) Alternatively, gallium oxide (Ga—O) or the like is used. When an insulator or a semiconductor is used as the intermediate layer 30, the thickness of the intermediate layer 30 is, for example, about 0.6 nm to 2.5 nm. For example, a CCP (Current-Confined-Path) spacer layer may be used as the intermediate layer 30. When the CCP spacer layer is used as the intermediate layer 30 , for example, in an insulating layer of aluminum oxide (Al 2 O 3 ). A structure in which a copper (Cu) metal path is formed is used. For example, a 1.5 nm thick MgO layer is used as the intermediate layer 30.
非磁性層40には、例えば、酸化物、窒化物および酸窒化物の少なくともいずれかが用いられる。非磁性層40は、例えば、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)よりなる第1群から選択された少なくともいずれかの酸化物、及び、上記の第1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。 For the nonmagnetic layer 40, for example, at least one of oxide, nitride, and oxynitride is used. The nonmagnetic layer 40 includes, for example, magnesium (Mg), aluminum (Al), silicon (Si), titanium (Ti), vanadium (V), chromium (Cr), manganese (M n ), iron (Fe), cobalt (Co), nickel (Ni), copper (Cu), zinc (Zn), zirconium (Zr), niobium (Nb), molybdenum (Mo), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), palladium (Pd), silver (Ag), hafnium (Hf), tantalum (Ta), tungsten (W), tin (Sn), at least one oxide selected from the first group consisting of cadmium (Cd) and gallium (Ga), and , At least one of at least one nitride selected from the first group.
非磁性層40は、例えば、マグネシウム、チタン、バナジウム、亜鉛、錫、カドミウム及びガリウムよりなる第2群から選択された少なくともいずれかの酸化物を含んでも良い。非磁性層40には、例えば、低抵抗が得られやすい酸化マグネシウムが用いられる。 The nonmagnetic layer 40 may include, for example, at least one oxide selected from the second group consisting of magnesium, titanium, vanadium, zinc, tin, cadmium, and gallium. For the nonmagnetic layer 40, for example, magnesium oxide, which is easy to obtain low resistance, is used.
第1電極E1及び第2電極E2には、例えば、アルミニウム(Al)、アルミニウム銅合金(Al−Cu)、銅(Cu)、銀(Ag)、及び、金(Au)の少なくともいずれかが用いられる。第1電極E1及び第2電極E2として、このような電気抵抗が比較的小さい材料を用いることで、歪検知素子100に効率的に電流を流すことができる。第1電極E1には、非磁性材料を用いることができる。 For example, at least one of aluminum (Al), aluminum copper alloy (Al-Cu), copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au) is used for the first electrode E1 and the second electrode E2. It is done. By using such a material having a relatively small electric resistance as the first electrode E1 and the second electrode E2, a current can be efficiently passed through the strain sensing element 100. A nonmagnetic material can be used for the first electrode E1.
第1電極E1は、例えば、第1電極E1用の下地層(図示せず)と、第1電極E1用のキャップ層(図示せず)と、それらの間に設けられた、Al、Al−Cu、Cu、Ag、及び、Auの少なくともいずれかの層と、を含んでもよい。例えば、第1電極E1には、タンタル(Ta)/銅(Cu)/タンタル(Ta)などが用いられる。第1電極E1用の下地層としてTaを用いることで、例えば、基板210と第1電極E1との密着性が向上する。第1電極E1用の下地層として、チタン(Ti)、または、窒化チタン(TiN)などを用いてもよい。 The first electrode E1 includes, for example, an underlayer (not shown) for the first electrode E1, a cap layer (not shown) for the first electrode E1, and Al, Al− provided therebetween. And at least one layer of Cu, Cu, Ag, and Au. For example, tantalum (Ta) / copper (Cu) / tantalum (Ta) is used for the first electrode E1. By using Ta as the base layer for the first electrode E1, for example, the adhesion between the substrate 210 and the first electrode E1 is improved. As the base layer for the first electrode E1, titanium (Ti), titanium nitride (TiN), or the like may be used.
第1電極E1のキャップ層としてTaを用いることで、そのキャップ層の下の銅(Cu)などの酸化を防ぐことができる。第1電極E1用のキャップ層として、チタン(Ti)、または、窒化チタン(TiN)などを用いてもよい。 By using Ta as the cap layer of the first electrode E1, oxidation of copper (Cu) or the like under the cap layer can be prevented. As the cap layer for the first electrode E1, titanium (Ti), titanium nitride (TiN), or the like may be used.
第1電極E1と第2電極E2との間に電圧を印加することで、第1磁性層10、中間層30、第2磁性層20を含む積層体に電流を流すことができる。電流は、第1磁性層10と第2磁性層20との間において、例えば、Z軸方向に沿っている。 By applying a voltage between the first electrode E <b> 1 and the second electrode E <b> 2, a current can be passed through the stacked body including the first magnetic layer 10, the intermediate layer 30, and the second magnetic layer 20. The current is, for example, along the Z-axis direction between the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20.
第1電極Eと第1磁性層10との間に、図示しないピニング層が設けられていてもよい。ピニング層は、例えば、ピニング層の上に形成される第1磁性層10(強磁性層)に、一方向異方性(unidirectional anisotropy)を付与して、第1磁性層10の磁化を固定する。ピニング層には、例えば、反強磁性層が用いられる。ピニング層には、例えば、IrMn、PtMn、PdPtMn及びRuRhMnよりなる群から選択された少なくともいずれかが用いられる。十分な強さの一方向異方性を付与するために、ピニング層の厚さは適切に設定される。 A pinning layer (not shown) may be provided between the first electrode E and the first magnetic layer 10. The pinning layer, for example, imparts unidirectional anisotropy to the first magnetic layer 10 (ferromagnetic layer) formed on the pinning layer to fix the magnetization of the first magnetic layer 10. . For the pinning layer, for example, an antiferromagnetic layer is used. For the pinning layer, for example, at least one selected from the group consisting of IrMn, PtMn, PdPtMn, and RuRhMn is used. The thickness of the pinning layer is appropriately set in order to impart sufficient unidirectional anisotropy.
図1(c)に表したように、歪検知素子100は、圧力センサ200に用いられる。圧力センサ200は、基板210と、歪検知素子100と、を含む。基板210は、可撓性の領域を有する。歪検知素子100は、基板210の一部の上に設けられる。 As shown in FIG. 1C, the strain sensing element 100 is used for the pressure sensor 200. The pressure sensor 200 includes a substrate 210 and the strain sensing element 100. The substrate 210 has a flexible region. The strain sensing element 100 is provided on a part of the substrate 210.
本願明細書において、「上に設けられる」状態は、直接接して設けられる状態の他に、間に他の要素が挿入されて設けられる状態も含む。 In the specification of the application, the state of “provided on” includes not only the state of being provided in direct contact but also the state of being provided with another element inserted therebetween.
基板210に力801が加わると、基板210は変形する。基板210の変形に伴い、歪検知素子100に歪みが生ずる。
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。
When a force 801 is applied to the substrate 210, the substrate 210 is deformed. As the substrate 210 is deformed, the strain sensing element 100 is distorted.
In the strain sensing element 100 according to the embodiment, for example, when the substrate 210 is deformed by an external force, the strain sensing element 100 is distorted. The strain sensing element 100 converts this change in strain into a change in electrical resistance.
歪検知素子100が歪センサとして機能する動作は、「逆磁歪効果」と「磁気抵抗効果」との応用に基づく。「逆磁歪効果」は、磁化自由層に用いられる強磁性層において得られる。「磁気抵抗効果」は、磁化自由層と中間層と参照層(例えば磁化固定層)との積層膜において発現する。 The operation in which the strain sensing element 100 functions as a strain sensor is based on the application of the “inverse magnetostriction effect” and the “magnetoresistance effect”. The “inverse magnetostriction effect” is obtained in the ferromagnetic layer used for the magnetization free layer. The “magnetoresistance effect” appears in a laminated film of a magnetization free layer, an intermediate layer, and a reference layer (for example, a magnetization fixed layer).
「逆磁歪効果」は、強磁性体の磁化が強磁性体に生じた歪によって変化する現象である。すなわち、歪検知素子100の積層体に外部歪が印加されると、磁化自由層の磁化方向が変化する。その結果、磁化自由層の磁化と参照層(例えば磁化固定層)の磁化との間の相対角度が変化する。この際に「磁気抵抗効果(MR効果)」により、電気抵抗の変化が引き起こされる。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。積層体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効果が発現する。例えば、積層体(歪検知素子100)に歪が生じ、歪によって磁化自由層の磁化の向きが変化し、磁化自由層の磁化の向きと、参照層(例えば磁化固定層)の磁化の向きと、の相対角度が変化する。すなわち、逆磁歪効果によりMR効果が発現する。 The “inverse magnetostriction effect” is a phenomenon in which the magnetization of a ferromagnetic material changes due to the strain generated in the ferromagnetic material. That is, when an external strain is applied to the laminate of the strain sensing element 100, the magnetization direction of the magnetization free layer changes. As a result, the relative angle between the magnetization of the magnetization free layer and the magnetization of the reference layer (for example, the magnetization fixed layer) changes. At this time, a change in electrical resistance is caused by the “magnetoresistance effect (MR effect)”. The MR effect includes, for example, a GMR (Giant magnetoresistance) effect or a TMR (Tunneling magnetoresistance) effect. By passing a current through the stacked body, the MR effect appears by reading the change in the relative angle of the magnetization direction as the change in electrical resistance. For example, strain is generated in the stacked body (strain sensing element 100), and the magnetization direction of the magnetization free layer changes due to the strain, and the magnetization direction of the magnetization free layer and the magnetization direction of the reference layer (for example, the magnetization fixed layer) The relative angle of, changes. That is, the MR effect is manifested by the inverse magnetostrictive effect.
磁化自由層に用いられる強磁性材料が正の磁歪定数を有する場合は、磁化の方向と引張歪の方向との角度が小さくなり、磁化の方向と圧縮歪の方向との角度が大きくなるように、磁化の方向が変化する。磁化自由層に用いられる強磁性材料が負の磁歪定数を有する場合は、磁化の方向と引張歪の方向との角度が大きくなり、磁化の方向と圧縮歪の方向との角度が小さくなるように、磁化の方向が変化する。 When the ferromagnetic material used for the magnetization free layer has a positive magnetostriction constant, the angle between the direction of magnetization and the direction of tensile strain is reduced, and the angle between the direction of magnetization and the direction of compressive strain is increased. The direction of magnetization changes. When the ferromagnetic material used for the magnetization free layer has a negative magnetostriction constant, the angle between the magnetization direction and the tensile strain direction is increased, and the angle between the magnetization direction and the compression strain direction is decreased. The direction of magnetization changes.
以下、磁化自由層と、参照層(例えば磁化固定層)と、に用いられる強磁性材料が、それぞれ正の磁歪定数を有し、磁化自由層と中間層と参照層(例えば磁化固定層)との磁化の相対角度が小さいときに抵抗が減少する場合の例に関して、磁化の変化の例について説明する。 Hereinafter, the ferromagnetic materials used for the magnetization free layer and the reference layer (for example, the magnetization fixed layer) have positive magnetostriction constants, respectively, and the magnetization free layer, the intermediate layer, and the reference layer (for example, the magnetization fixed layer) An example of the change in magnetization will be described with respect to an example in which the resistance decreases when the relative angle of the magnetization of is small.
図2(a)〜図2(c)は、第1の実施形態に係る歪検知素子の動作を例示する模式図である。
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。
FIG. 2A to FIG. 2C are schematic views illustrating the operation of the strain sensing element according to the first embodiment.
FIG. 2A corresponds to a state (tensile state STt) when a tensile stress ts is applied to the strain sensing element 100. FIG. 2B corresponds to a state when the strain sensing element 100 has no strain (no strain state ST0). FIG. 2C corresponds to a state when the compressive stress cs is applied to the strain sensing element 100 (compressed state STc).
図2(a)〜図2(c)においては、図を見やすくするために、第1磁性層10と、第2磁性層20と、中間層30と、が描かれ、非磁性層40、第1電極E1および第2電極E2は省略されている。この例では、第2磁性層20は磁化自由層であり、第1磁性層10は磁化固定層である。 In FIG. 2A to FIG. 2C, the first magnetic layer 10, the second magnetic layer 20, and the intermediate layer 30 are drawn, the nonmagnetic layer 40, The first electrode E1 and the second electrode E2 are omitted. In this example, the second magnetic layer 20 is a magnetization free layer, and the first magnetic layer 10 is a magnetization fixed layer.
図2(b)に表したように、歪が無い無歪状態ST0(例えば初期状態)においては、第2磁性層20の磁化20mと、第1磁性層10(例えば磁化固定層)の磁化10mと、間の相対角度は、所定の値に設定されている。初期状態の磁性層の磁化の方向は、例えば、外部磁場、ハードバイアス、または、磁性層の形状異方性などにより、設定される。この例では、第2磁性層20(磁化自由層)の磁化20mと、第1磁性層10(例えば磁化固定層)の磁化10mと、は交差している。 As shown in FIG. 2B, in the unstrained state ST0 (for example, the initial state) without strain, the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 and the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 (for example, the magnetization fixed layer). And the relative angle between them is set to a predetermined value. The direction of magnetization of the magnetic layer in the initial state is set by, for example, an external magnetic field, a hard bias, or the shape anisotropy of the magnetic layer. In this example, the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 (magnetization free layer) and the magnetization 10m of the first magnetic layer 10 (for example, a magnetization fixed layer) intersect each other.
図2(a)に表したように、引張状態STtにおいて、引張応力tsが印加されると、歪検知素子100に引張応力tsに応じた歪が生じる。このとき、第2磁性層20(磁化自由層)の磁化20mは、磁化20mと引張応力tsの方向との角度が小さくなるように、無歪状態ST0から変化する。図2(a)に示した例では、引張応力tsが加わった場合は、無歪状態ST0に比べて、第2磁性層20(磁化自由層)の磁化20mと、第1磁性層10(例えば磁化固定層)の磁化10mと、の間の相対角度が小さくなる。これにより、歪検知素子100における電気抵抗は、無歪状態ST0の時の電気抵抗に比べて減少する。 As shown in FIG. 2A, when a tensile stress ts is applied in the tensile state STt, a strain corresponding to the tensile stress ts is generated in the strain sensing element 100. At this time, the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 (magnetization free layer) changes from the unstrained state ST0 so that the angle between the magnetization 20m and the direction of the tensile stress ts becomes small. In the example shown in FIG. 2A, when a tensile stress ts is applied, the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 (magnetization free layer) and the first magnetic layer 10 (for example, compared to the unstrained state ST0) The relative angle between the magnetization 10m of the magnetization fixed layer) becomes small. Thereby, the electrical resistance in the strain sensing element 100 is reduced as compared with the electrical resistance in the unstrained state ST0.
図2(c)に表したように、圧縮状態STcにおいて、圧縮応力csが印加されると、第2磁性層20(磁化自由層)の磁化20mは、磁化20mと圧縮応力csの方向との角度が大きくなるように、無歪状態ST0から変化する。図2(c)に示した例では、圧縮応力csが加わった場合は、無歪状態ST0に比べて、第2磁性層20(磁化自由層)の磁化20mと、第1磁性層10(例えば磁化固定層)の磁化10mと、の間の相対角度が大きくなる。これにより、歪検知素子100における電気抵抗は、増大する。 As shown in FIG. 2C, when the compressive stress cs is applied in the compression state STc, the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 (magnetization free layer) is changed between the magnetization 20m and the direction of the compression stress cs. It changes from the unstrained state ST0 so that the angle increases. In the example shown in FIG. 2C, when compressive stress cs is applied, the magnetization 20m of the second magnetic layer 20 (magnetization free layer) and the first magnetic layer 10 (for example, compared to the unstrained state ST0) The relative angle between the magnetization 10m of the magnetization fixed layer) is increased. Thereby, the electrical resistance in the strain sensing element 100 increases.
このように、歪検知素子100においては、歪検知素子100に生じた歪の変化が、電気抵抗の変化に変換される。上記の動作において、単位歪(dε)あたりの、電気抵抗の変化量(dR/R)をゲージファクター(GF:gauge factor)という。ゲージファクターの高い歪検知素子を用いることで、高感度な歪センサが得られる。 As described above, in the strain sensing element 100, a change in strain generated in the strain sensing element 100 is converted into a change in electrical resistance. In the above operation, the amount of change (dR / R) in electrical resistance per unit strain (dε) is referred to as a gauge factor (GF). By using a strain sensing element having a high gauge factor, a highly sensitive strain sensor can be obtained.
ここで、前述したように、歪検知素子100における電気抵抗の変化は、歪検知素子100に生じた歪により、第2磁性層20(磁化自由層)の磁化20mと、第1磁性層10(例えば磁化固定層)の磁化10mと、の間の相対角度に対応する抵抗変化として検出される。よって、歪による磁化の変化を大きくすることと、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ことと、が高感度な歪センサの実現に求められる。 Here, as described above, the change in the electrical resistance in the strain sensing element 100 is caused by the magnetization 20 m of the second magnetic layer 20 (magnetization free layer) and the first magnetic layer 10 ( For example, it is detected as a resistance change corresponding to a relative angle between the magnetization 10 m of the magnetization fixed layer). Therefore, increasing the change in magnetization due to strain and increasing the resistance change depending on the difference in relative angle between the magnetization of the first magnetic layer 10 and the magnetization of the second magnetic layer 20 are highly sensitive. Required for realization of a strain sensor.
磁化自由層の磁化を動きやすくするためには、磁化自由層が強い異方性を持たない軟磁気特性を示すことが望ましい。磁化自由層の磁化を動きやすくするためには、磁化自由層が結晶磁気異方性を持たない構造を含むことが望ましい。
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。
In order to make the magnetization of the magnetization free layer easy to move, it is desirable that the magnetization free layer has a soft magnetic characteristic without strong anisotropy. In order to make the magnetization of the magnetization free layer easy to move, it is desirable that the magnetization free layer includes a structure having no magnetocrystalline anisotropy.
On the other hand, in order to exhibit a high magnetoresistive effect above a certain level, it is desirable that the magnetization free layer has a certain crystal structure.
Such a trade-off in characteristics may hinder the improvement in sensitivity of the strain sensing element 100 and the pressure sensor 200.
歪検知素子100の感度は、例えば、第1磁性層10および第2磁性層20の材料などに依存する。このため、わずかな歪でもより大きい抵抗変化を生ずる磁性材料が求められる。しかし、磁歪、軟磁気特性および磁気抵抗効果のそれぞれについて優れた特性を示す磁性材料は比較的多い一方で、磁歪、軟磁気特性および磁気抵抗効果のすべてについて優れた特性を示す磁性材料はあまり知られていない。したがって、歪検知素子の感度を向上させることが困難な場合がある。 The sensitivity of the strain sensing element 100 depends on, for example, the materials of the first magnetic layer 10 and the second magnetic layer 20. For this reason, a magnetic material that produces a larger resistance change even with a slight strain is required. However, while there are relatively many magnetic materials that exhibit excellent properties in terms of magnetostriction, soft magnetic properties, and magnetoresistive effects, there is little knowledge of magnetic materials that exhibit excellent properties in terms of magnetostriction, soft magnetic properties, and magnetoresistive effects. It is not done. Therefore, it may be difficult to improve the sensitivity of the strain sensing element.
これに対して、実施形態に係る歪検知素子100では、第2磁性層20は、Fe1−yBy(0<y≦0.3)を含む。または、第2磁性層20は、(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)を含む。または、第2磁性層20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。 On the other hand, in the strain sensing element 100 according to the embodiment, the second magnetic layer 20 includes Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3). Alternatively, the second magnetic layer 20 includes (Fe a X 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3). Alternatively, the second magnetic layer 20 includes Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3) and (Fe a X 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3). In (Fe a X 1-a ) 1-y B y , X is Co or Ni.
これによれば、磁歪、軟磁気特性および磁気抵抗効果を並立させ、歪検知素子100の感度の向上を図ることができる。この詳細については、後述する。 According to this, magnetostriction, soft magnetic characteristics, and magnetoresistance effect can be arranged side by side, and the sensitivity of the strain sensing element 100 can be improved. Details of this will be described later.
アモルファス状態は、理想的には結晶磁気異方性を持たず、優れた軟磁気特性を示す。Feベースのアモルファスは、比較的大きな磁歪を示すことが知られている。一方で、磁気抵抗効果を示すためには、第2磁性層20と中間層30との間の境界面20sにおいて結晶性が求められる。第2磁性層20のうちの境界面20sを含む領域が結晶性を有すると、より高い磁気抵抗効果を得ることができる。 The amorphous state ideally has no magnetocrystalline anisotropy and exhibits excellent soft magnetic properties. It is known that Fe-based amorphous exhibits a relatively large magnetostriction. On the other hand, in order to show a magnetoresistive effect, crystallinity is calculated | required in the interface 20s between the 2nd magnetic layer 20 and the intermediate | middle layer 30. FIG. When the region including the boundary surface 20s in the second magnetic layer 20 has crystallinity, a higher magnetoresistance effect can be obtained.
このため、第2磁性層20のうちの境界面20sを含む領域が結晶性を有し、第2磁性層20のうちの境界面20sを含まない領域がアモルファス状態である場合には、磁歪、軟磁気特性および磁気抵抗効果を並立させることができる。第2磁性層20がFe1−yBy(0<y≦0.3)および(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)の両方を含む場合であって、XがCoである場合において、(FeaX1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)が境界面20sを含む領域に設けられると、一定の磁気抵抗効果を示しながら、軟磁気特性と磁歪とを並立させることができる。これによれば、歪検知素子100の感度のさらなる向上を図ることができる。 Therefore, when the region including the boundary surface 20s in the second magnetic layer 20 has crystallinity, and the region not including the boundary surface 20s in the second magnetic layer 20 is in an amorphous state, magnetostriction, Soft magnetic properties and magnetoresistance effects can be combined. The second magnetic layer 20 has Fe 1−y B y (0 <y ≦ 0.3) and (Fe a X 1−a ) 1−y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0. 3) in the case where X is Co, (Fe a X 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) is When provided in a region including the boundary surface 20s, soft magnetic characteristics and magnetostriction can be arranged side by side while exhibiting a certain magnetoresistance effect. According to this, the sensitivity of the strain sensing element 100 can be further improved.
第2磁性層20におけるホウ素(B)濃度の分布に関する情報は、SIMS分析(secondary ion mass spectrometry)により得られる。断面TEMとEDXとの組み合わせにより、この情報が得られる。EELS分析により、この情報が得られる。3次元アトムプローブ分析によっても、この情報が得られる。 Information regarding the distribution of the boron (B) concentration in the second magnetic layer 20 is obtained by secondary ion mass spectrometry. This information is obtained by the combination of the cross-section TEM and EDX. This information is obtained by EELS analysis. This information can also be obtained by three-dimensional atom probe analysis.
実施形態に係る歪検知素子100においては、第2磁性層20は、中間層30と非磁性層40との間に設けられる。非磁性層40に用いられる材料は、例えば、前述した通りである。これによれば、ホウ素(B)の拡散が抑制され、第2磁性層20におけるホウ素濃度が維持される。そのため、第2磁性層20の特性の劣化を抑制することができる。例えば、歪検知素子100において、より小さい保磁力Hcと、より大きな磁歪による磁化変化によってより高いゲージファクターと、を得ることができる。 In the strain sensing element 100 according to the embodiment, the second magnetic layer 20 is provided between the intermediate layer 30 and the nonmagnetic layer 40. The material used for the nonmagnetic layer 40 is, for example, as described above. According to this, diffusion of boron (B) is suppressed, and the boron concentration in the second magnetic layer 20 is maintained. Therefore, deterioration of the characteristics of the second magnetic layer 20 can be suppressed. For example, the strain detecting elements 100, it is possible to obtain a smaller coercive force H c, and a higher gauge factor by magnetization change by larger magnetostriction, the.
次に、実施形態に係る歪検知素子100の実験結果の例について、図面を参照しつつ説明する。
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。
Next, an example of an experimental result of the strain sensing element 100 according to the embodiment will be described with reference to the drawings.
FIG. 3A to FIG. 3C are graphs showing examples of experimental results of the strain sensing element according to the embodiment.
Figure 3 (a) ~ FIG. 3 the second magnetic layer 20 of the strain detecting elements 100 in the example of the experimental results of (c) includes Fe 1-y B y. The example of the experimental result regarding the atomic weight ratio y of boron (B) at this time is as having represented to Fig.3 (a)-FIG.3 (c).
図3(a)は、実施形態に係る歪検知素子において、MR変化率とホウ素の原子量比yとの関係の例を表す。図3(b)は、実施形態に係る歪検知素子において、保磁力Hcとホウ素の原子量比yとの関係の例を表す。図3(c)は、ゲージファクターB(GFB)とホウ素の原子量比yとの関係の例を表す。 FIG. 3A shows an example of the relationship between the MR ratio and the atomic weight ratio y of boron in the strain sensing element according to the embodiment. FIG. 3B shows an example of the relationship between the coercive force Hc and the atomic weight ratio y of boron in the strain sensing element according to the embodiment. FIG. 3C shows an example of the relationship between the gauge factor B (GFB) and the atomic weight ratio y of boron.
本発明者は、ゲージファクターB(GFB)という指標を用いて、実施形態に係る歪検知素子100の評価を行う。GFBは、MRと歪による磁化変化率の乗数で表され、ゲージファクター(GF)に比例する。つまり、GFBが相対的に大きいと、相対的に高いGFが得られる。GFBが相対的に小さいと、相対的に低いGFが得られる。図2(a)〜図2(c)に関して前述したように、ゲージファクターの高い歪検知素子を用いることで、高感度な歪センサが得られる。高感度な歪センサを得るために、より高いGF(より大きいGFB)が望まれる。 The inventor evaluates the strain sensing element 100 according to the embodiment using an index called a gauge factor B (GFB). GFB is expressed as a multiplier of the rate of change of magnetization due to MR and strain, and is proportional to the gauge factor (GF). That is, if the GFB is relatively large, a relatively high GF can be obtained. If the GFB is relatively small, a relatively low GF is obtained. As described above with reference to FIGS. 2A to 2C, a strain sensor with high sensitivity can be obtained by using a strain sensing element having a high gauge factor. In order to obtain a highly sensitive strain sensor, a higher GF (larger GFB) is desired.
保磁力Hcは、磁化回転の容易さを示す特性指標である。高感度な歪センサを得るために、より小さい保磁力Hcが望まれる。
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。
The coercive force Hc is a characteristic index indicating the ease of magnetization rotation. In order to obtain a highly sensitive strain sensor, a smaller coercive force Hc is desired.
As described above with reference to FIGS. 1A to 1C, the MR effect is an effect obtained by reading a change in the relative angle of the magnetization direction as a change in electrical resistance. In order to obtain a highly sensitive strain sensor, that is, to increase the resistance change depending on the relative angle difference between the magnetization of the first magnetic layer 10 and the magnetization of the second magnetic layer 20, a higher MR change Rate is desired.
図3(a)に表したように、ホウ素の原子量比yが0.3よりも大きくなると、MRが比較的小さくなることが分かる。図3(b)に表したように、ホウ素の原子量比yが0.3である場合には、比較的小さい保磁力Hcが得られることが分かる。図3(c)に表したように、ホウ素の原子量比yが0.3である場合には、歪による磁化変化が十分に生じ、4000以上のGFBが得られることが分かる。これにより、第2磁性層20のホウ素の原子量比yは、0.3以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 3A, it can be seen that when the atomic weight ratio y of boron is larger than 0.3, the MR becomes relatively small. As shown in FIG. 3B, it can be seen that when the atomic weight ratio y of boron is 0.3, a relatively small coercive force Hc is obtained. As shown in FIG. 3C, it can be seen that when the atomic weight ratio y of boron is 0.3, the magnetization change due to strain is sufficiently generated, and a GFB of 4000 or more can be obtained. Thereby, the atomic weight ratio y of boron in the second magnetic layer 20 is preferably 0.3 or less.
一方で、図3(a)に表したように、第2磁性層20がホウ素を含まない場合(y=0の場合)には、MRが比較的小さくなることが分かる。図3(b)に表したように、第2磁性層20がホウ素を含まない場合(y=0の場合)には、保磁力Hcが比較的大きいことが分かる。図3(c)に表したように、第2磁性層20がホウ素を含まない場合(y=0の場合)には、歪による磁化変化がほとんどなく、GFBが約0程度であることが分かる。これにより、第2磁性層20のホウ素の原子量比yは、0よりも大きいことが好ましい。 On the other hand, as shown in FIG. 3A, when the second magnetic layer 20 does not contain boron (when y = 0), it can be seen that the MR is relatively small. As shown in FIG. 3B, it can be seen that the coercive force Hc is relatively large when the second magnetic layer 20 does not contain boron (when y = 0). As shown in FIG. 3C, when the second magnetic layer 20 does not contain boron (when y = 0), there is almost no change in magnetization due to strain, and the GFB is about 0. . Thereby, it is preferable that the atomic weight ratio y of boron of the second magnetic layer 20 is larger than zero.
図3(a)〜図3(c)に表したように、第2磁性層20のホウ素の原子量比yは、0よりも大きく0.3以下であることが好ましい。図3(a)〜図3(c)に表したように、第2磁性層20のホウ素の原子量比yは、0.1以上0.3以下であることがより好ましい。 As shown in FIGS. 3A to 3C, the atomic weight ratio y of boron in the second magnetic layer 20 is preferably larger than 0 and not larger than 0.3. As shown in FIGS. 3A to 3C, the atomic weight ratio y of boron in the second magnetic layer 20 is more preferably 0.1 or more and 0.3 or less.
図4(a)〜図4(c)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。
FIG. 4A to FIG. 4C are graphs showing examples of other experimental results of the strain sensing element according to the embodiment.
Figure 4 (a) ~ 4 second magnetic layer 20 of the strain detecting elements 100 in the example of the experimental results of (c) comprises (Fe a Co 1-a) 1-y B y. Examples of the experimental results regarding the atomic weight ratio a of iron (Fe) at this time, in other words, the atomic weight ratio 1-a of cobalt (Co) at this time are as shown in FIGS. 4 (a) to 4 (c). It is.
図4(a)は、実施形態に係る歪検知素子において、MR変化率と鉄の原子量比aとの関係の例を表す。図4(b)は、実施形態に係る歪検知素子において、保磁力Hcと鉄の原子量比aとの関係の例を表す。図4(c)は、ゲージファクターB(GFB)と鉄の原子量比aとの関係の例を表す。
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。
FIG. 4A shows an example of the relationship between the MR change rate and the atomic weight ratio a of iron in the strain sensing element according to the embodiment. FIG. 4B shows an example of the relationship between the coercive force Hc and the atomic weight ratio a of iron in the strain sensing element according to the embodiment. FIG. 4C shows an example of the relationship between the gauge factor B (GFB) and the atomic weight ratio a of iron.
In the present study, the atomic weight ratio y of boron is 0.1 ≦ y <0.3.
図4(c)に表したように、鉄の原子量比aが約0.8以上である場合に、4000以上のGFBが得られることが分かる。言い換えれば、コバルトの原子量比1−aが約0.2以下である場合に、4000以上のGFBが得られることが分かる。このとき、図4(a)に表したように、比較的大きいMRが得られることが分かる。図4(b)に表したように、比較的小さい保磁力Hcが得られることが分かる。これにより、第2磁性層20の鉄の原子量比aは、0.8以上であることが好ましい。言い換えれば、第2磁性層20のコバルトの原子量比1−aは、0.2以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 4C, it can be seen that 4000 or more GFB is obtained when the atomic weight ratio a of iron is about 0.8 or more. In other words, it can be understood that 4000 or more GFB is obtained when the atomic weight ratio 1-a of cobalt is about 0.2 or less. At this time, it can be seen that a relatively large MR can be obtained as shown in FIG. As shown in FIG. 4 (b), it can be seen that a relatively small coercive force H c is obtained. Thereby, the atomic weight ratio a of iron of the second magnetic layer 20 is preferably 0.8 or more. In other words, the cobalt atomic weight ratio 1-a of the second magnetic layer 20 is preferably 0.2 or less.
図5(a)〜図5(c)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。
FIG. 5A to FIG. 5C are graphs showing examples of other experimental results of the strain sensing element according to the embodiment.
The second magnetic layer 20 of the strain sensing element 100 in the example of the experimental results of FIGS. 5A to 5C includes (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y . Examples of the experimental results regarding the atomic weight ratio a of iron (Fe) at this time, in other words, the atomic weight ratio 1-a of nickel (Ni) at this time are as shown in FIGS. 5 (a) to 5 (c). It is.
図5(a)は、実施形態に係る歪検知素子において、MR変化率と鉄の原子量比aとの関係の例を表す。図5(b)は、実施形態に係る歪検知素子において、保磁力Hcと鉄の原子量比aとの関係の例を表す。図5(c)は、ゲージファクターB(GFB)と鉄の原子量比aとの関係の例を表す。
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。
FIG. 5A shows an example of the relationship between the MR change rate and the atomic weight ratio a of iron in the strain sensing element according to the embodiment. FIG. 5B illustrates an example of a relationship between the coercive force Hc and the atomic weight ratio a of iron in the strain sensing element according to the embodiment. FIG. 5 (c) represents an example of the relationship between the gauge factor B and (GFB) and atomic weight ratio a of iron.
In the present study, the atomic weight ratio y of boron is 0.1 ≦ y <0.3.
図5(c)に表したように、鉄の原子量比aが約0.8以上である場合に、4000以上のGFBが得られることが分かる。言い換えれば、ニッケルの原子量比1−aが約0.2以下である場合に、4000以上のGFBが得られることが分かる。このとき、図5(a)に表したように、比較的大きいMRが得られることが分かる。図5(b)に表したように、比較的小さい保磁力Hcが得られることが分かる。これにより、第2磁性層20の鉄の原子量比aは、0.8以上であることが好ましい。言い換えれば、第2磁性層20のニッケルの原子量比1−aは、0.2以下であることが好ましい。 As shown in FIG. 5C, it can be seen that 4000 or more GFB is obtained when the atomic weight ratio a of iron is about 0.8 or more. In other words, it is understood that 4000 or more GFB is obtained when the atomic weight ratio 1-a of nickel is about 0.2 or less. At this time, it can be seen that a relatively large MR can be obtained as shown in FIG. As shown in FIG. 5 (b), it can be seen that a relatively small coercive force H c is obtained. Thereby, the atomic weight ratio a of iron of the second magnetic layer 20 is preferably 0.8 or more. In other words, the nickel atomic weight ratio 1-a of the second magnetic layer 20 is preferably 0.2 or less.
図6(a)〜図6(c)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。
FIG. 6A to FIG. 6C are graphs showing examples of other experimental results of the strain sensing element according to the embodiment.
FIG 6 (a) ~ 6 second magnetic layer 20 of the strain detecting elements 100 in the example of the experimental results of (c) includes Fe 1-y B y. Examples of Fe 1-y B Experiment on the thickness t y result at this time is as shown in FIG. 6 (a) ~ FIG 6 (c).
図6(a)は、実施形態に係る歪検知素子において、MR変化率とFe1−yByの厚さtとの関係の例を表す。図6(b)は、実施形態に係る歪検知素子において、保磁力HcとFe1−yByの厚さtとの関係の例を表す。図6(c)は、ゲージファクターB(GFB)とFe1−yByの厚さtとの関係の例を表す。 6 (a) is in the strain detecting element according to the embodiment represents an example of the relationship between the thickness t of the MR ratio and the Fe 1-y B y. 6 (b) is in the strain detecting element according to the embodiment represents an example of the relationship between the thickness t of the coercive force H c and Fe 1-y B y. FIG. 6 (c) represents an example of the relationship between the gauge factor B (GFB) and the thickness t of Fe 1-y B y.
図6(a)に表したように、Fe1−yByの厚さtが2ナノメートル(nm)以上である場合に、比較的大きいMRが得られることが分かる。Fe1−yByの厚さtが2nmよりも小さくなると、MRが減少する。すると、十分な磁気特性が得られない場合がある。図6(b)に表したように、Fe1−yByの厚さtが2nm以上である場合に、比較的小さい保磁力Hcが得られることが分かる。図6(c)に表したように、Fe1−yByの厚さtが2nm以上である場合に、4000以上のGFBが得られることが分かる。これにより、Fe1−yByの厚さtは、2nm以上であることが好ましい。 As shown in FIG. 6A, it can be seen that a relatively large MR is obtained when the thickness t of Fe 1-y B y is 2 nanometers (nm) or more. When the thickness t of Fe 1-y B y is smaller than 2 nm, MR decreases. As a result, sufficient magnetic properties may not be obtained. As shown in FIG. 6B, it can be seen that a relatively small coercive force Hc is obtained when the thickness t of Fe 1-y B y is 2 nm or more. As shown in FIG. 6C, it can be seen that when the thickness t of Fe 1-y B y is 2 nm or more, GFB of 4000 or more can be obtained. Thereby, the thickness t of Fe 1-y B y is preferably 2 nm or more.
Fe1−yByの厚さtが2nm以上である場合には、第2磁性層20のうちの境界面20sを含む領域が結晶性を有することを維持し、第2磁性層20のうちの境界面20sを含まない領域がアモルファス状態であることを維持することができる。 If Fe 1-y B y having a thickness of t is 2nm or more, a region including a boundary surface 20s of the second magnetic layer 20 is maintained to have a crystallinity, of the second magnetic layer 20 It can be maintained that the region not including the boundary surface 20s is in an amorphous state.
一方で、図6(c)に表したように、Fe1−yByの厚さtが12nmよりも厚くなると、GFBが4000よりも小さくなり、比較的小さい値となることが分かる。これにより、Fe1−yByの厚さtは、12nm以下であることがより好ましい。 On the other hand, as shown in FIG. 6C, it can be seen that when the thickness t of Fe 1-y B y is greater than 12 nm, the GFB is smaller than 4000, which is a relatively small value. Thereby, the thickness t of Fe 1-y B y is more preferably 12 nm or less.
図6(a)〜図6(c)に表したように、Fe1−yByの厚さtは、2nm以上であることが好ましい。図6(a)〜図6(c)に表したように、Fe1−yByの厚さtは、2nm以上12nm以下であることがより好ましい。 As shown in FIG. 6 (a) ~ FIG 6 (c), the thickness t of Fe 1-y B y is preferably 2nm or more. As shown in FIGS. 6A to 6C, the thickness t of Fe 1-y B y is more preferably 2 nm or more and 12 nm or less.
図7(a)〜図7(c)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。
FIG. 7A to FIG. 7C are graphs showing examples of other experimental results of the strain sensing element according to the embodiment.
The second magnetic layer 20 of the strain sensing element 100 in the example of the experimental results of FIGS. 7A to 7C includes both Fe 1- y By and Co 40 Fe 40 B 20 . Co 40 Fe 40 B 20 is provided in a region including the boundary surface 20s. Examples of Fe 1-y B Experiment on the thickness t y result at this time is as shown in FIG. 7 (a) ~ FIG 7 (c). In this experiment, the thickness l of Co 40 Fe 20 B 20 is set to 0 nm, 0.5 nm, and 1 nm, respectively.
図7(a)は、実施形態に係る歪検知素子において、MR変化率とFe1−yByの厚さtとの関係の例を表す。図7(b)は、実施形態に係る歪検知素子において、保磁力HcとFe1−yByの厚さtとの関係の例を表す。図7(c)は、ゲージファクターB(GFB)とFe1−yByの厚さtとの関係の例を表す。 7 (a) is in the strain detecting element according to the embodiment represents an example of the relationship between the thickness t of the MR ratio and the Fe 1-y B y. FIG. 7 (b), the strain detecting element according to the embodiment represents an example of the relationship between the thickness t of the coercive force H c and Fe 1-y B y. FIG. 7 (c) represents an example of the relationship between the gauge factor B (GFB) and the thickness t of Fe 1-y B y.
図7(c)に表したように、数nmのCo40Fe40B20を境界面20sに設けた場合でも、4000以上のGFBが得られることがわかる。これは、図7(a)に表したように、FeBのみの場合よりも大きなMRが得られ、図7(b)に表したように、比較的小さい保磁力Hcが得られるためである。これより、Fe1−yByおよびCo40Fe40B20の両方が第20磁性層に含まれる場合、Co40Fe40B20は、境界面20sを含む領域に設けられるのが望ましい。結晶化しやすいCo40Fe40B20を境界面に設けることでMRを増大させ、スピンの向きの変化に敏感な歪センサを実現することが可能となる。 As shown in FIG. 7C, it can be seen that even when Co 40 Fe 40 B 20 of several nm is provided on the boundary surface 20s, 4000 or more GFB can be obtained. This is because, as shown in FIG. 7A, a larger MR is obtained than in the case of FeB alone, and a relatively small coercive force Hc is obtained as shown in FIG. 7B. Than this, if both Fe 1-y B y and Co 40 Fe 40 B 20 is included in the 20 magnetic layer, Co 40 Fe 40 B 20 is desirably provided in a region including a boundary surface 20s. By providing Co 40 Fe 40 B 20 that is easily crystallized at the interface, MR can be increased, and a strain sensor that is sensitive to changes in the direction of spin can be realized.
図8(a)〜図8(c)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。
FIG. 8A to FIG. 8C are graphs showing examples of other experimental results of the strain sensing element according to the embodiment.
8A to 8C, the second magnetic layer 20 of the strain sensing element 100 has (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1). , 0 <y ≦ 0.3) and Co 40 Fe 40 B 20 . Co 40 Fe 40 B 20 is provided in a region including the boundary surface 20s. Examples of the experimental results regarding the thickness t of (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) at this time are shown in FIGS. This is as shown in FIG. In this experiment, the thickness l of Co 40 Fe 20 B 20 is set to 0 nm, 0.5 nm, and 1 nm, respectively.
図8(a)は、実施形態に係る歪検知素子において、MR変化率と(FeaNi1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)の厚さtとの関係の例を表す。図8(b)は、実施形態に係る歪検知素子において、保磁力Hcと(FeaNi1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)の厚さtとの関係の例を表す。図8(c)は、ゲージファクターB(GFB)と(FeaNi1−a)1−yBy(0.8≦a<1、0<y≦0.3)の厚さtとの関係の例を表す。 FIG. 8A shows an MR change rate and (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) in the strain sensing element according to the embodiment. Represents an example of the relationship with the thickness t. FIG. 8B shows the coercive force H c and (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) in the strain sensing element according to the embodiment. ) Represents an example of the relationship with the thickness t. FIG. 8C shows the gauge factor B (GFB) and the thickness t of (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3). Represents an example relationship.
図8(c)に表したように、数nmのCo40Fe40B20を境界面20sに設けた場合でも、4000以上のGFBが得られ、(FeaNi1-a)1−yByのみの構成を上回ることも可能なことがわかる。これは、図8(a)に表したように、(FeaNi1-a)1−yByのみの場合よりも大きなMRが得られ、図8(b)に表したように、比較的小さい保磁力Hcを維持できる。言い換えれば、保磁力Hcの微増分をMRの増加分で購うことが可能なためである。これより、(FeaNi1-a)1−yByおよびCo40Fe40B20の両方が第2磁性層20に含まれる場合、Co40Fe40B20は、境界面20sを含む領域に設けられるのが望ましい。結晶化しやすいCo40Fe40B20を境界面に設けることでMRを増大させ、スピンの向きの変化に敏感な歪センサを実現することが可能となる。 As shown in FIG. 8C, even when Co 40 Fe 40 B 20 of several nm is provided on the boundary surface 20s, 4000 or more GFB is obtained, and (Fe a Ni 1-a ) 1-y B It can be seen that it is possible to exceed the y- only configuration. This is because, as shown in FIG. 8A, a larger MR is obtained than in the case of (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y alone, and as shown in FIG. A small coercive force Hc can be maintained. In other words, it is because it is possible to purchase a small increment of the coercive force Hc with an increase in MR. For longer, contained in (Fe a Ni 1-a) 1-y B y and Co 40 Fe 40 both B 20 and the second magnetic layer 20, Co 40 Fe 40 B 20, a region including a boundary surface 20s It is desirable to be provided. By providing Co 40 Fe 40 B 20 that is easily crystallized at the interface, MR can be increased, and a strain sensor that is sensitive to changes in the direction of spin can be realized.
図9(a)〜図9(d)は、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(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。
Fig.9 (a)-FIG.9 (d) are graphs showing the example of another experimental result of a strain sensing element.
FIG. 9A and FIG. 9B are graphs showing examples of other experimental results of the strain sensing element according to the embodiment.
FIG. 9C and FIG. 9D are graphs showing examples of other experimental results of the strain sensing element according to the comparative example.
図9(a)および図9(c)の縦軸は、磁気膜厚(飽和磁化Bsと厚さtとの積(Bs・t))を表す。図9(a)および図9(c)の横軸は、磁場を表す。つまり、図9(a)および図9(c)は、いわゆるB−H曲線(B−Hループ)を表す。
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。
The vertical axis in FIGS. 9A and 9C represents the magnetic film thickness (the product of the saturation magnetization Bs and the thickness t (Bs · t)). The horizontal axis of Fig.9 (a) and FIG.9 (c) represents a magnetic field. That is, FIG. 9A and FIG. 9C represent so-called BH curves (BH loops).
The vertical axis in FIGS. 9B and 9D represents a constant magnetic field (in this example, 0 magnetic field). The horizontal axis in FIG. 9B and FIG. 9D represents strain.
図9(a)および図9(b)の実験結果の例における実施形態に係る歪検知素子100の第2磁性層20は、Fe1−yByを含む。
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。
The second magnetic layer 20 of the strain sensing element 100 according to the embodiment in the example of the experimental results of FIGS. 9A and 9B includes Fe 1-y B y .
Figure 9 (c) and 9 strain detecting second magnetic layer 20 of the device according to the comparative example in the example of the experimental results of (d) includes Co 40 Fe 40 B 20.
図9(a)のグラフ図と、図9(c)のグラフ図と、を比較すると、第2磁性層20がFe1−yByを含む場合において、歪が加わったときのB−Hが大きく変化する。これにより、図9(b)のグラフ図と、図9(d)のグラフ図と、を比較すると、第2磁性層20がFe1−yByを含む場合において、定磁場でのBを歪により大きく変化させることができる。したがって、この磁性材料(Fe1−yByを含む材料)によれば、一定のホウ素量を含む条件の下で、高い感度を持つ歪センサを実現することが可能となる。
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。
And graph of FIG. 9 (a), the graph of FIG. 9 (c), when comparing the second magnetic layer 20 is in the case of containing a Fe 1-y B y, B -H when strain is applied Changes significantly. Accordingly, when the graph of FIG. 9B and the graph of FIG. 9D are compared, when the second magnetic layer 20 includes Fe 1-y B y , B in a constant magnetic field is It can be greatly changed by strain. Therefore, according to the magnetic material (Fe 1-y B material containing y), under conditions including a constant amount of boron, it is possible to realize a strain sensor with high sensitivity.
Note that the GFB of Co 40 Fe 40 B 20 of the strain sensing element according to the comparative example is about 1500.
図10(a)〜図10(d)は、実施形態の歪検知素子の歪センサ特性の結果の例を示すグラフ図である。
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。
FIG. 10A to FIG. 10D are graphs showing examples of results of strain sensor characteristics of the strain sensing element of the embodiment.
In the example shown in FIG. 10A, for the strain sensing element 100 having an element size of 20 μm × 20 μm, the strain applied to the strain sensing element 100 is −0.8 (% 0) or more and 0.8 (% 0) or less. In between, it is set as a fixed value in increments of 0.2 (% 0). FIG. 10A shows an example of the result of measuring the magnetic field dependence of electrical resistance at each strain. FIG. 10A shows that the RH loop shape changes depending on the value of applied strain. This indicates that the in-plane magnetic anisotropy of the magnetization free layer is changed by the inverse magnetostriction effect.
図10(b)〜図10(d)は、歪検知素子100について、外部磁場は固定し、歪を−0.8(%0)以上0.8(%0)以下の間で連続的に掃引する場合の電気抵抗の変化を示す。歪については、−0.8(%0)から0.8(%0)へ掃引させ、続いて、0.8(%0)から−0.8(%0)へ掃引させる。これらの結果が、歪センサ特性を示している。図10(b)では、5Oeの外部磁場を加えて評価を行う。図10(c)では、2Oeの外部磁場を加えて評価を行う。図10(d)では、0Oeで評価を行う。 10 (b) to 10 (d) show that the external magnetic field of the strain sensing element 100 is fixed and the strain is continuously between −0.8 (% 0) and 0.8 (% 0). It shows the change in electrical resistance when sweeping. The distortion is swept from −0.8 (% 0) to 0.8 (% 0), and then from 0.8 (% 0) to −0.8 (% 0). These results show the strain sensor characteristics. In FIG. 10B, the evaluation is performed by applying an external magnetic field of 5 Oe. In FIG. 10C, the evaluation is performed by applying an external magnetic field of 2 Oe. In FIG. 10D, the evaluation is performed at 0 Oe.
実施形態の歪検知素子100では、適切なバイアス磁界を加えることで高いゲージファクターを得ることができる。外部磁界については、ハードバイアスを歪検知素子の側壁に設けたり、磁化自由層の上部にインスタックバイアスを設けることによっても加えることができる。実施形態の歪検知素子100では、簡易的に外部磁場をコイルによって与えて評価する。図10(b)〜図10(d)より、ゲージファクターを、歪に対する電気抵抗の変化から見積もる。 In the strain sensing element 100 of the embodiment, a high gauge factor can be obtained by applying an appropriate bias magnetic field. The external magnetic field can be applied by providing a hard bias on the side wall of the strain sensing element or by providing an in-stack bias on the upper part of the magnetization free layer. In the strain sensing element 100 of the embodiment, an external magnetic field is simply applied by a coil for evaluation. 10 (b) to 10 (d), the gauge factor is estimated from the change in electrical resistance with respect to strain.
ゲージファクターは、次式で表される。
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。
The gauge factor is expressed by the following equation.
GF = (dR / R) / dε
From FIG. 10B, the gauge factor when the external magnetic field is 5 Oe is 3086. From FIG. 10C, the gauge factor when the external magnetic field is 2 Oe is 4418. From FIG. 10D, the gauge factor when the external magnetic field is 0 Oe is 5290. From this result, the maximum gauge factor (5290) is obtained when the bias magnetic field is 0 Oe.
図11(a)および図11(b)は、第1の実施形態に係る別の歪検知素子を例示する模式図である。
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。
FIG. 11A and FIG. 11B are schematic views illustrating another strain sensing element according to the first embodiment.
FIG. 11A is a schematic perspective view of a strain sensing element. FIG. 11B is a schematic cross-sectional view of the strain sensing element. In FIG. 11B, the first electrode and the second electrode are omitted for convenience of explanation.
図11(a)に表したように、実施形態に係る歪検知素子100aは、第1磁性層10と、第2磁性層20と、中間層30と、を含む。この例では、歪検知素子100aは、第1非磁性層51と、第2非磁性層52と、第1電極E1と、第2電極E2と、をさらに含む。第1非磁性層51および第2非磁性層52は、必ずしも設けられていなくともよい。 As illustrated in FIG. 11A, the strain sensing element 100 a according to the embodiment includes a first magnetic layer 10, a second magnetic layer 20, and an intermediate layer 30. In this example, the strain sensing element 100a further includes a first nonmagnetic layer 51, a second nonmagnetic layer 52, a first electrode E1, and a second electrode E2. The first nonmagnetic layer 51 and the second nonmagnetic layer 52 are not necessarily provided.
図1(a)および図1(b)に関して前述した歪検知素子100では、第1磁性層10は、磁化固定層である。
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。
In the strain sensing element 100 described above with reference to FIGS. 1A and 1B, the first magnetic layer 10 is a magnetization fixed layer.
In contrast, in the strain sensing element 100a illustrated in FIGS. 11A and 11B, the first magnetic layer 10 is a magnetization free layer.
この例では、第2電極E2は、積層方向において第1電極E1とは離隔して設けられる。第1電極E1と第2電極E2との間に、第1非磁性層51が設けられる。第1非磁性層51と第2電極E2との間に、第1磁性層10が設けられる。第1磁性層10と第2電極E2との間に、中間層30が設けられる。中間層30と第2電極E2との間に、第2磁性層20が設けられる。第2磁性層20と第2電極E2との間に、第2非磁性層52が設けられる。 In this example, the second electrode E2 is provided separately from the first electrode E1 in the stacking direction. A first nonmagnetic layer 51 is provided between the first electrode E1 and the second electrode E2. The first magnetic layer 10 is provided between the first nonmagnetic layer 51 and the second electrode E2. An intermediate layer 30 is provided between the first magnetic layer 10 and the second electrode E2. The second magnetic layer 20 is provided between the intermediate layer 30 and the second electrode E2. A second nonmagnetic layer 52 is provided between the second magnetic layer 20 and the second electrode E2.
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には、強磁性体材料が用いられる。第1磁性層10は、図1(a)および図1(b)に関して前述した第2磁性層20と同じ材料を含む。
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。
In the strain sensing element 100a shown in FIGS. 11A and 11B, the first magnetic layer 10 is made of a ferromagnetic material. The first magnetic layer 10 includes the same material as the second magnetic layer 20 described above with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b).
That is, in this example, the first magnetic layer 10 includes Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3). Alternatively, the first magnetic layer 10 includes (Fe a X 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3). Alternatively, the first magnetic layer 10 includes Fe 1−y B y (0 <y ≦ 0.3) and (Fe a X 1−a ) 1−y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3). In (Fe a X 1-a ) 1-y B y , X is Co or Ni.
第1非磁性層51は、図1(a)および図1(b)に関して前述した非磁性層40と同じ材料を含む。第2非磁性層52は、図1(a)および図1(b)に関して前述した非磁性層40と同じ材料を含む。
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。
The first nonmagnetic layer 51 includes the same material as the nonmagnetic layer 40 described above with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). The second nonmagnetic layer 52 includes the same material as the nonmagnetic layer 40 described above with reference to FIGS. 1A and 1B.
The second magnetic layer 20 is as described above with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). The intermediate layer 30 is as described above with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). The first electrode E1 is as described above with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b). The electrode E2 in FIG. 2 is as described above with reference to FIGS. 1 (a) and 1 (b).
実施形態に係る歪検知素子100aにおいても、実施形態に係る歪検知素子100と同様に、磁歪、軟磁気特性および磁気抵抗効果を並立させ、歪検知素子100aの感度の向上を図ることができる。
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。
Also in the strain sensing element 100a according to the embodiment, similarly to the strain sensing element 100 according to the embodiment, magnetostriction, soft magnetic characteristics, and magnetoresistance effect can be arranged side by side, and the sensitivity of the strain sensing element 100a can be improved.
Note that the magnetization pinned layer and pinning (not shown) described above with reference to FIG. 1 are provided at least between the first nonmagnetic layer 51 and the first electrode E1 and between the second nonmagnetic layer 52 and the second electrode E2. A layer may be provided.
(Second Embodiment)
The embodiment relates to a pressure sensor. In the pressure sensor, at least one of the strain sensing elements 100 and 100a of the first embodiment and the deformation strain sensing element thereof are used. Hereinafter, a case where the strain sensing element 100 is used as the strain sensing element will be described.
図12(a)及び図12(b)は、第2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。
12A and 12B are schematic perspective views illustrating the pressure sensor according to the second embodiment.
FIG. 12A is a schematic perspective view. FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG.
As illustrated in FIG. 12A and FIG. 12B, the pressure sensor 200 according to the embodiment includes a substrate 210 and a strain sensing element 100.
図12(a)および図12(b)に表したように、実施形態に係る圧力センサ200は、支持部201と、基板210と、歪検知素子100と、を含む。 As illustrated in FIGS. 12A and 12B, the pressure sensor 200 according to the embodiment includes a support unit 201, a substrate 210, and a strain sensing element 100.
基板210は、支持部201に支持される。基板210は、例えば、可撓性領域を有する。基板210は、例えば、ダイアフラムである。基板210は、支持部201と一体的でも良く、別体でも良い。基板210には、支持部201と同じ材料を用いても良く、支持部201とは異なる材料を用いても良い。支持部201の一部を除去して、支持部201のうちの厚さが薄い部分が基板210となっても良い。 The substrate 210 is supported by the support unit 201. The substrate 210 has, for example, a flexible region. The substrate 210 is, for example, a diaphragm. The substrate 210 may be integrated with the support portion 201 or may be a separate body. The substrate 210 may be made of the same material as that of the support portion 201, or may be made of a material different from that of the support portion 201. A part of the support part 201 may be removed, and the thin part of the support part 201 may be the substrate 210.
基板210の厚さは、支持部201の厚さよりも薄い。基板210と支持部201とに同じ材料が用いられ、これらが一体的である場合は、厚さが薄い部分が基板210となり、厚い部分が支持部201となる。 The thickness of the substrate 210 is thinner than the thickness of the support portion 201. In the case where the same material is used for the substrate 210 and the support portion 201 and they are integrated, the thin portion becomes the substrate 210 and the thick portion becomes the support portion 201.
支持部201が、支持部201を厚さ方向に貫通する貫通孔201hを有しており、貫通孔201hを覆うように基板210が設けられても良い。このとき、例えば、基板210となる材料の膜が、支持部201の貫通孔201h以外の部分の上にも延在している場合がある。このとき、基板210となる材料の膜のうちで、貫通孔201hと重なる部分が基板210となる。 The support part 201 may have a through hole 201h that penetrates the support part 201 in the thickness direction, and the substrate 210 may be provided so as to cover the through hole 201h. At this time, for example, the film of the material to be the substrate 210 may also extend on a portion other than the through hole 201h of the support portion 201. At this time, the portion of the material film that becomes the substrate 210 that overlaps the through-hole 201 h becomes the substrate 210.
基板210は、外縁210rを有する。基板210と支持部201とに同じ材料が用いられ、これらが一体的である場合は、厚さが薄い部分の外縁が、基板210の外縁210rとなる。支持部201が、支持部201を厚さ方向に貫通する貫通孔201hを有しており、貫通孔201hを覆うように基板210が設けられている場合は、基板210となる材料の膜のうちで、貫通孔201hと重なる部分の外縁が基板210の外縁210rとなる。 The substrate 210 has an outer edge 210r. In the case where the same material is used for the substrate 210 and the support portion 201 and they are integrated, the outer edge of the thin portion becomes the outer edge 210r of the substrate 210. When the support part 201 has the through-hole 201h which penetrates the support part 201 in thickness direction, and the board | substrate 210 is provided so that the through-hole 201h may be covered, out of the film | membrane of the material used as the board | substrate 210 Thus, the outer edge of the portion overlapping with the through hole 201 h becomes the outer edge 210 r of the substrate 210.
支持部201は、基板210の外縁210rを連続的に支持しても良く、基板210の外縁210rの一部を支持しても良い。 The support unit 201 may continuously support the outer edge 210r of the substrate 210, or may support a part of the outer edge 210r of the substrate 210.
歪検知素子100は、基板210の上に設けられる。例えば、歪検知素子100は、基板210の一部の上に設けられる。この例では、基板210上に、複数の歪検知素子100が設けられる。膜部上に設けられる歪検知素子の数は、1でも良い。 The strain sensing element 100 is provided on the substrate 210. For example, the strain sensing element 100 is provided on a part of the substrate 210. In this example, a plurality of strain sensing elements 100 are provided on the substrate 210. The number of strain sensing elements provided on the film part may be one.
図12に表した圧力センサ200においては、第1配線221及び第2配線222が設けられている。第1配線221は、歪検知素子100に接続される。第2配線222は、歪検知素子100に接続される。例えば、第1配線221と第2配線222との間には、層間絶縁膜が設けられ、第1配線221と第2配線222とが電気的に絶縁される。第1配線221と第2配線222との間に電圧が印加され、この電圧が、第1配線221及び第2配線222を介して、歪検知素子100に印加される。圧力センサ200に圧力が加わると、基板210が変形する。歪検知素子100においては、基板210の変形に伴って電気抵抗Rが変化する。電気抵抗Rの変化を第1配線221及び第2配線222を介して検知することで、圧力を検知できる。 In the pressure sensor 200 illustrated in FIG. 12, a first wiring 221 and a second wiring 222 are provided. The first wiring 221 is connected to the strain sensing element 100. The second wiring 222 is connected to the strain sensing element 100. For example, an interlayer insulating film is provided between the first wiring 221 and the second wiring 222, and the first wiring 221 and the second wiring 222 are electrically insulated. A voltage is applied between the first wiring 221 and the second wiring 222, and this voltage is applied to the strain sensing element 100 via the first wiring 221 and the second wiring 222. When pressure is applied to the pressure sensor 200, the substrate 210 is deformed. In the strain sensing element 100, the electrical resistance R changes with the deformation of the substrate 210. By detecting the change in the electric resistance R through the first wiring 221 and the second wiring 222, the pressure can be detected.
支持部201には、例えば、板状の基板を用いることができる。基板の内部には、例えば、空洞部(貫通孔201h)が設けられている。 For the support part 201, for example, a plate-like substrate can be used. For example, a cavity (through hole 201h) is provided inside the substrate.
支持部201には、例えば、シリコンなどの半導体材料、金属などの導電材料、または、絶縁性材料を用いることができる。支持部201は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコンなどを含んでも良い。空洞部(貫通孔201h)の内部は、例えば減圧状態(真空状態)である。空洞部(貫通孔201h)の内部に、空気などの気体、または、液体が充填されていても良い。空洞部(貫通孔201h)の内部は、基板210が撓むことができるように設計される。空洞部(貫通孔201h)の内部は、外部の大気とつながっていてもよい。 For the support portion 201, for example, a semiconductor material such as silicon, a conductive material such as metal, or an insulating material can be used. The support unit 201 may include, for example, silicon oxide or silicon nitride. The inside of the cavity (through hole 201h) is, for example, in a reduced pressure state (vacuum state). The cavity (through hole 201h) may be filled with a gas such as air or a liquid. The interior of the cavity (through hole 201h) is designed so that the substrate 210 can be bent. The inside of the hollow portion (through hole 201h) may be connected to the outside atmosphere.
空洞部(貫通孔201h)の上には、基板210が設けられている。基板210には、例えば、支持部201の一部が薄く加工され部分が用いられる。基板210の厚さ(Z軸方向の長さ)は、支持部201の厚さ(Z軸方向の長さ)よりも薄い。 A substrate 210 is provided on the cavity (through hole 201h). For the substrate 210, for example, a part of the support portion 201 is thinly processed and used. The thickness of the substrate 210 (length in the Z-axis direction) is thinner than the thickness of the support portion 201 (length in the Z-axis direction).
基板210に圧力が印加されると、基板210は変形する。この圧力は、圧力センサ200が検知すべき圧力に対応する。印加される圧力は、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による圧力を検知する場合は、圧力センサ200は、マイクロフォンとして機能する。 When pressure is applied to the substrate 210, the substrate 210 is deformed. This pressure corresponds to the pressure that the pressure sensor 200 should detect. The applied pressure includes pressure by sound waves or ultrasonic waves. In the case where pressure due to sound waves or ultrasonic waves is detected, the pressure sensor 200 functions as a microphone.
基板210には、例えば、絶縁性材料が用いられる。基板210は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン及び酸窒化シリコンの少なくともいずれかを含む。基板210には、例えば、シリコンなどの半導体材料を用いても良い。基板210には、例えば、金属材料を用いても良い。 For example, an insulating material is used for the substrate 210. The substrate 210 includes, for example, at least one of silicon oxide, silicon nitride, and silicon oxynitride. For the substrate 210, for example, a semiconductor material such as silicon may be used. For example, a metal material may be used for the substrate 210.
基板210の厚さは、例えば、0.1マイクロメートル(μm)以上3μm以下である。この厚さは、0.2μm以上1.5μm以下であることが好ましい。基板210には、例えば、厚さが0.2μmの酸化シリコン膜と、厚さが0.4μmのシリコン膜と、の積層体を用いても良い。 The thickness of the substrate 210 is, for example, not less than 0.1 micrometer (μm) and not more than 3 μm. This thickness is preferably 0.2 μm or more and 1.5 μm or less. For the substrate 210, for example, a stacked body of a silicon oxide film having a thickness of 0.2 μm and a silicon film having a thickness of 0.4 μm may be used.
以下、実施形態に係る圧力センサの製造方法の例について説明する。以下は、圧力センサの製造方法の例である。
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。
Hereinafter, an example of the manufacturing method of the pressure sensor according to the embodiment will be described. The following is an example of a method for manufacturing a pressure sensor.
FIG. 13A to FIG. 13E are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating the manufacturing direction of the pressure sensor according to the embodiment.
図13(a)に表したように、基体241(例えばSi基板)の上に薄膜242を形成する。基体241は、支持部201となる。薄膜242は、基板210となる。
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。
As shown in FIG. 13A, a thin film 242 is formed on a base 241 (for example, a Si substrate). The base 241 serves as the support unit 201. The thin film 242 becomes the substrate 210.
For example, a thin film 242 of SiO x / Si is formed on a Si substrate by sputtering. As the thin film 242, a SiO x single layer, a SiN single layer, or a metal layer such as Al may be used. As the thin film 242, a flexible plastic material such as polyimide or paraxylylene-based polymer may be used. An SOI (Silicon On Insulator) substrate may be used as the base 241 and the thin film 242. In SOI, for example, a laminated film of SiO 2 / Si is formed on a Si substrate by bonding the substrates.
図13(b)に表したように、第2配線222を形成する。この工程においては、第2配線222となる導電膜を形成し、その導電膜を、フォトリソグラフィー及びエッチングにより加工する。第2配線222の周辺を絶縁膜で埋め込む場合、リフトオフ処理を適用しても良い。リフトオフ処理においては、例えば、第2配線222のパターンのエッチング後、レジストを剥離する前に、絶縁膜を全面に成膜して、その後レジストを除去する。 As shown in FIG. 13B, the second wiring 222 is formed. In this step, a conductive film to be the second wiring 222 is formed, and the conductive film is processed by photolithography and etching. When the periphery of the second wiring 222 is embedded with an insulating film, a lift-off process may be applied. In the lift-off process, for example, after the pattern of the second wiring 222 is etched, before the resist is peeled off, an insulating film is formed on the entire surface, and then the resist is removed.
図13(c)に表したように、歪検知素子100を形成する。この工程においては、歪検知素子100となる積層体を形成し、その積層体を、フォトリソグラフィー及びエッチングにより加工する。歪検知素子100の積層体の側壁を絶縁層で埋め込む場合、リフトオフ処理を適用しても良い。リフトオフ処理において、例えば、積層体の加工後、レジストを剥離する前、絶縁層を全面に成膜して、その後レジストを除去する。 As shown in FIG. 13C, the strain sensing element 100 is formed. In this step, a laminated body that becomes the strain sensing element 100 is formed, and the laminated body is processed by photolithography and etching. In the case where the sidewall of the laminate of the strain sensing element 100 is embedded with an insulating layer, a lift-off process may be applied. In the lift-off process, for example, after processing the laminated body, before peeling off the resist, an insulating layer is formed over the entire surface, and then the resist is removed.
図13(d)に表したように、第1配線221を形成する。この工程においては、第1配線221となる導電膜を形成し、その導電膜を、フォトリソグラフィー及びエッチングにより加工する。第1配線221の周辺を絶縁膜で埋め込む場合、リフトオフ処理を適用しても良い。リフトオフ処理において、第1配線221の加工後、レジストを剥離する前に、絶縁膜を全面に成膜して、その後レジストを除去する。 As shown in FIG. 13D, the first wiring 221 is formed. In this step, a conductive film to be the first wiring 221 is formed, and the conductive film is processed by photolithography and etching. When the periphery of the first wiring 221 is embedded with an insulating film, a lift-off process may be applied. In the lift-off process, an insulating film is formed over the entire surface after the first wiring 221 is processed and before the resist is removed, and then the resist is removed.
図13(e)に表したように、基体241の裏面からエッチングを行い、空洞部201aを形成する。これにより、基板210及び支持部201が形成される。例えば、基板210となる薄膜242として、SiOx/Siの積層膜を用いる場合は、薄膜242の裏面(下面)から表面(上面)へ向かって、基体241の深堀加工を行う。これにより、空洞部201aが形成される。空洞部201aを形成においては、例えば両面アライナー露光装置を用いることができる。これにより、表面の歪検知素子100の位置に合わせて、レジストのホールパターンを裏面にパターニングできる。 As shown in FIG. 13E, etching is performed from the back surface of the base 241 to form the cavity 201a. Thereby, the board | substrate 210 and the support part 201 are formed. For example, when a SiO x / Si laminated film is used as the thin film 242 to be the substrate 210, the base 241 is deeply drilled from the back surface (lower surface) to the front surface (upper surface) of the thin film 242. Thereby, the cavity part 201a is formed. In forming the cavity 201a, for example, a double-sided aligner exposure apparatus can be used. Thus, the hole pattern of the resist can be patterned on the back surface according to the position of the strain detection element 100 on the front surface.
Si基板のエッチングにおいて、例えばRIEを用いたボッシュプロセスが用いることができる。ボッシュプロセスでは、例えば、SF6ガスを用いたエッチング工程と、C4F8ガスを用いた堆積工程と、を繰り返す。これにより、基体241の側壁のエッチングを抑制しつつ、基体241の深さ方向(Z軸方向)に選択的にエッチングが行われる。エッチングのエンドポイントとして、例えば、SiOx層が用いられる。すなわち、エッチングの選択比がSiとは異なるSiOx層を用いてエッチングを終了させる。エッチングストッパ層として機能するSiOx層は、基板210の一部として用いられても良い。SiOx層は、エッチングの後に、例えば、無水フッ化水素及びアルコールなどの処理などで除去されても良い。 In etching the Si substrate, for example, a Bosch process using RIE can be used. In the Bosch process, for example, an etching process using SF 6 gas and a deposition process using C 4 F 8 gas are repeated. Thereby, etching is selectively performed in the depth direction (Z-axis direction) of the base 241 while suppressing the etching of the side wall of the base 241. For example, a SiO x layer is used as an etching end point. That is, the etching is terminated using an SiO x layer having a different etching selectivity than Si. The SiO x layer that functions as an etching stopper layer may be used as a part of the substrate 210. The SiO x layer may be removed after the etching, for example, by treatment with anhydrous hydrogen fluoride and alcohol.
このようにして、実施形態に係る圧力センサ200が形成される。実施形態に係る他の圧力センサも同様の方法により製造できる。 In this way, the pressure sensor 200 according to the embodiment is formed. Other pressure sensors according to the embodiment can be manufactured by the same method.
(第3の実施形態)
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。
(Third embodiment)
FIG. 14 is a schematic plan view illustrating a microphone according to the third embodiment.
As illustrated in FIG. 14, the microphone 410 includes an arbitrary pressure sensor (for example, the pressure sensor 200) according to each of the above-described embodiments and a pressure sensor according to a modification thereof. In the following, a microphone 410 having the pressure sensor 200 is illustrated as an example.
マイクロフォン410は、携帯情報端末420の端部に組み込まれている。マイクロフォン410に設けられた圧力センサ200の基板210は、例えば、携帯情報端末420の表示部421が設けられた面に対して実質的に平行とすることができる。なお、基板210の配置は例示をしたものに限定されるわけではなく、適宜変更することができる。
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。
Microphone 410 is incorporated at the end of portable information terminal 420. For example, the substrate 210 of the pressure sensor 200 provided in the microphone 410 can be substantially parallel to the surface of the portable information terminal 420 on which the display unit 421 is provided. Note that the arrangement of the substrate 210 is not limited to that illustrated, but can be changed as appropriate.
Since the microphone 410 includes the pressure sensor 200 and the like, the microphone 410 can be highly sensitive to a wide range of frequencies.
なお、マイクロフォン410が携帯情報端末420に組み込まれている場合を例示したがこれに限定されるわけではない。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などにも組み込むことができる。 In addition, although the case where the microphone 410 was incorporated in the portable information terminal 420 was illustrated, it is not necessarily limited to this. The microphone 410 can be incorporated into, for example, an IC recorder or a pin microphone.
(第4の実施形態)
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。
(Fourth embodiment)
The embodiment relates to an acoustic microphone using the pressure sensor of each of the above embodiments.
FIG. 15 is a schematic cross-sectional view illustrating an acoustic microphone according to the fourth embodiment.
The acoustic microphone 430 according to the embodiment includes a printed circuit board 431, a cover 433, and the pressure sensor 200. The printed circuit board 431 includes a circuit such as an amplifier. The cover 433 is provided with an acoustic hole 435. The sound 439 enters the cover 433 through the acoustic hole 435.
圧力センサ200として、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。 As the pressure sensor 200, any of the pressure sensors described in relation to the above embodiments and modifications thereof are used.
音響マイク430は、音圧に対して感応する。高感度な圧力センサ200を用いることにより、高感度な音響マイク430が得られる。例えば、圧力センサ200をプリント基板431の上に搭載し、電気信号線を設ける。圧力センサ200を覆うように、プリント基板431の上にカバー433を設ける。
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。
The acoustic microphone 430 is sensitive to sound pressure. By using the highly sensitive pressure sensor 200, a highly sensitive acoustic microphone 430 can be obtained. For example, the pressure sensor 200 is mounted on the printed board 431 and an electric signal line is provided. A cover 433 is provided on the printed circuit board 431 so as to cover the pressure sensor 200.
According to the embodiment, a highly sensitive acoustic microphone can be provided.
(第5の実施形態)
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。
(Fifth embodiment)
The embodiment relates to a blood pressure sensor using the pressure sensor of each of the above embodiments.
FIG. 16A and FIG. 16B are schematic views illustrating the blood pressure sensor according to the fifth embodiment.
FIG. 16A is a schematic plan view illustrating the skin over a human arterial blood vessel. FIG. 16B is a cross-sectional view taken along the line H1-H2 of FIG.
実施形態においては、圧力センサ200は、血圧センサ440として応用される。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。 In the embodiment, the pressure sensor 200 is applied as the blood pressure sensor 440. For the pressure sensor 200, any one of the pressure sensors described in relation to the above embodiments and modifications thereof are used.
これにより、小さいサイズの圧力センサで高感度な圧力検知が可能となる。圧力センサ200を動脈血管441の上の皮膚443に押し当てることで、血圧センサ440は、連続的に血圧測定を行うことができる。
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。
Thereby, highly sensitive pressure detection is possible with a small size pressure sensor. By pressing the pressure sensor 200 against the skin 443 above the arterial blood vessel 441, the blood pressure sensor 440 can continuously measure blood pressure.
According to this embodiment, a highly sensitive blood pressure sensor can be provided.
(第6の実施形態)
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。
(Sixth embodiment)
The embodiment relates to a touch panel using the pressure sensor of each of the above embodiments.
FIG. 17 is a schematic plan view illustrating the touch panel according to the sixth embodiment.
In the embodiment, the pressure sensor 200 is used as the touch panel 450. For the pressure sensor 200, any one of the pressure sensors described in relation to the above embodiments and modifications thereof are used. In the touch panel 450, the pressure sensor 200 is mounted on at least one of the inside of the display and the outside of the display.
例えば、タッチパネル450は、複数の第1配線451と、複数の第2配線452と、複数の圧力センサ200と、制御部453と、を含む。 For example, the touch panel 450 includes a plurality of first wires 451, a plurality of second wires 452, a plurality of pressure sensors 200, and a control unit 453.
この例では、複数の第1配線451は、Y軸方向に沿って並ぶ。複数の第1配線451のそれぞれは、X軸方向に沿って延びる。複数の第2配線452は、X軸方向に沿って並ぶ。複数の第2配線452のそれぞれは、Y軸方向に沿って延びる。 In this example, the plurality of first wirings 451 are arranged along the Y-axis direction. Each of the plurality of first wirings 451 extends along the X-axis direction. The plurality of second wirings 452 are arranged along the X-axis direction. Each of the plurality of second wirings 452 extends along the Y-axis direction.
複数の圧力センサ200のそれぞれは、複数の第1配線451と複数の第2配線452とのそれぞれの交差部に設けられる。圧力センサ200の1つは、検出のための検出要素200eの1つとなる。ここで、交差部は、第1配線451と第2配線452とが交差する位置及びその周辺の領域を含む。 Each of the plurality of pressure sensors 200 is provided at each intersection of the plurality of first wirings 451 and the plurality of second wirings 452. One of the pressure sensors 200 is one of detection elements 200e for detection. Here, the intersection includes a position where the first wiring 451 and the second wiring 452 intersect and a region around the position.
複数の圧力センサ200のそれぞれの一端261は、複数の第1配線451のそれぞれと接続される。複数の圧力センサ200のそれぞれの他端262は、複数の第2配線452のそれぞれと接続される。 One end 261 of each of the plurality of pressure sensors 200 is connected to each of the plurality of first wirings 451. The other end 262 of each of the plurality of pressure sensors 200 is connected to each of the plurality of second wirings 452.
制御部453は、複数の第1配線451と複数の第2配線452とに接続される。
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。
The control unit 453 is connected to the plurality of first wirings 451 and the plurality of second wirings 452.
For example, the control unit 453 includes a first wiring circuit 453a connected to the plurality of first wirings 451, a second wiring circuit 453b connected to the plurality of second wirings 452, and a first wiring circuit 453a. And a control circuit 455 connected to the second wiring circuit 453b.
圧力センサ200は、小型で高感度な圧力センシングが可能である。そのため、高精細なタッチパネルを実現することが可能である。 The pressure sensor 200 is capable of pressure sensing with a small size and high sensitivity. Therefore, a high-definition touch panel can be realized.
上記の各実施形態に係る圧力センサは、上記の応用の他に、気圧センサ、または、タイヤの空気圧センサなどのように、様々な圧力センサデバイスに応用することができる。 The pressure sensor according to each of the above embodiments can be applied to various pressure sensor devices such as an air pressure sensor or a tire air pressure sensor in addition to the above applications.
実施形態によれば、高感度の歪検知素子、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を提供することができる。 According to the embodiment, a highly sensitive strain sensing element, pressure sensor, microphone, blood pressure sensor, and touch panel 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、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、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に含まれる基板、歪検知素子、第1磁性層、第2磁性層、中間層および非磁性層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, the present invention is not limited to these specific examples. For example, regarding a specific configuration of each element such as a strain sensing element, a pressure sensor, a microphone, a blood pressure sensor, a substrate included in the touch panel, a strain sensing element, a first magnetic layer, a second magnetic layer, an intermediate layer, and a nonmagnetic layer Are included in the scope of the present invention as long as those skilled in the art can implement the present invention in the same manner by appropriately selecting from the well-known ranges and obtain similar effects.
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 strain detection elements, pressure sensors, and microphones that can be appropriately modified and implemented by those skilled in the art based on the strain detection elements, pressure sensors, microphones, blood pressure sensors, and touch panels described above as embodiments of the present invention. The blood pressure sensor and the touch panel also belong to the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention.
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. .
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とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the 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 invention described in the claims and the equivalents thereof.
10…第1磁性層、 10m…磁化、 11…第1磁化固定層、 12…第2磁化固定層、 13…磁気結合層、 20…第2磁性層、 20m…磁化、 20s…境界面、 30…中間層、 40…非磁性層、 51…第1非磁性層、 52…第2非磁性層、 100、100a…歪検知素子、 200…圧力センサ、 200e…検出要素、 201…支持部、 201a…空洞部、 201h…貫通孔、 210…基板、 210r…外縁、 221…第1配線、 222…第2配線、 241…基体、 242…薄膜、 261…一端、 262…他端、 410…マイクロフォン、 420…携帯情報端末、 421…表示部、 430…音響マイク、 431…プリント基板、 433…カバー、 435…アコースティックホール、 439…音、 440…血圧センサ、 441…動脈血管、 443…皮膚、 450…タッチパネル、 451…第1配線、 452…第2配線、 453…制御部、 453a…第1配線用回路、 453b…第2配線用回路、 455…制御回路、 801…力、 E1…第1電極、 E2…第2電極、 Hc…保磁力、 R…電気抵抗、 ST0…無歪状態、 STc…圧縮状態、 STt…引張状態、 a…原子量比、 cs…圧縮応力、 t…厚さ、 ts…引張応力、 y…原子量比 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... 1st magnetic layer, 10m ... Magnetization, 11 ... 1st magnetization fixed layer, 12 ... 2nd magnetization fixed layer, 13 ... Magnetic coupling layer, 20 ... 2nd magnetic layer, 20m ... Magnetization, 20s ... Interface, 30 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Intermediate layer, 40 ... Nonmagnetic layer, 51 ... 1st nonmagnetic layer, 52 ... 2nd nonmagnetic layer, 100, 100a ... Strain sensing element, 200 ... Pressure sensor, 200e ... Detection element, 201 ... Support part, 201a ... hollow portion, 201h ... through hole, 210 ... substrate, 210r ... outer edge, 221 ... first wiring, 222 ... second wiring, 241 ... base, 242 ... thin film, 261 ... one end, 262 ... other end, 410 ... microphone, 420 ... portable information terminal 421 ... display unit 430 ... acoustic microphone 431 ... printed circuit board 433 ... cover 435 ... acoustic hole 439 ... sound 440 ... blood pressure sensor 4 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Arterial blood vessel, 443 ... Skin, 450 ... Touch panel, 451 ... 1st wiring, 452 ... 2nd wiring, 453 ... Control part, 453a ... Circuit for 1st wiring, 453b ... Circuit for 2nd wiring, 455 ... Control circuit , 801 ... power, E1 ... first electrode, E2 ... second electrode, H c ... coercivity, R ... resistance, ST0 ... no strain state, STc ... compressed state, STt ... tension, a ... atomic weight ratio, cs ... compressive stress, t ... thickness, ts ... tensile stress, y ... atomic weight ratio
Claims (14)
カバーと、
前記プリント基板と前記カバーとの間に設けられた支持部と、
前記プリント基板と前記カバーとの間において前記支持部に支持され変形可能な基板と、
前記プリント基板と前記カバーとの間において前記基板の上に設けられた検知素子と、
を備え、
前記検知素子は、
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、
を含み、
前記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、センサ。 A printed circuit board,
A cover,
A support provided between the printed circuit board and the cover;
A deformable substrate supported by the support portion between the printed circuit board and the cover;
A sensing element provided on the substrate between the printed circuit board and the cover;
With
The sensing element is
A first magnetic layer;
A second magnetic layer containing Fe 1-y B y (0 <y ≦ 0.3);
An intermediate layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer;
Including
The sensor, wherein the electrical resistance of the sensing element changes according to deformation of the substrate.
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記載のセンサ。 The second magnetic layer further includes (Fe a Co 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3),
The (Fe a Co 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3) is the second magnetic layer and the intermediate layer among the second magnetic layers. The sensor according to claim 1, wherein the sensor is provided in a region including a boundary surface between the two.
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記載のセンサ。 The second magnetic layer further includes Co 40 Fe 40 B 20 ,
2. The sensor according to claim 1, wherein the Co 40 Fe 40 B 20 is provided in a region of the second magnetic layer including a boundary surface between the second magnetic layer and the intermediate layer.
カバーと、
前記プリント基板と前記カバーとの間に設けられた支持部と、
前記プリント基板と前記カバーとの間において前記支持部に支持され変形可能な基板と、
前記プリント基板と前記カバーとの間において前記基板の上に設けられた検知素子と、
を備え、
前記検知素子は、
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、
を含み、
前記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、センサ。 A printed circuit board,
A cover,
A support provided between the printed circuit board and the cover;
A deformable substrate supported by the support portion between the printed circuit board and the cover;
A sensing element provided on the substrate between the printed circuit board and the cover;
With
The sensing element is
A first magnetic layer;
A second magnetic layer comprising (Fe a Ni 1-a ) 1-y B y (0.8 ≦ a <1, 0 <y ≦ 0.3);
An intermediate layer provided between the first magnetic layer and the second magnetic layer;
Including
The sensor, wherein the electrical resistance of the sensing element changes according to deformation of the substrate.
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記載のセンサ。 The second magnetic layer further includes Co 40 Fe 40 B 20 ,
The sensor according to claim 6, wherein the Co 40 Fe 40 B 20 is provided in a region including a boundary surface between the second magnetic layer and the intermediate layer in the second magnetic layer.
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