JP7234750B2 - 物理量センサ素子、圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサおよびタッチパネル - Google Patents

Description

本発明は、物理量センサ素子およびこれを用いる圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサおよびタッチパネルに関する。

近年、スマートフォンや、車載機器、ＩоＴデバイスなどに用いるために、小型で検出精度の高い物理量センサが求められている。電気や磁気を利用した従来の物理量センサとしては、たとえば、磁歪層の歪による透磁率変化を、検出コイルにより検出する技術が提案されている（特許文献１参照）。

しかしながら、検出コイルによって磁歪層の歪による透磁率変化を検出するセンサでは、検出コイルによる検出感度が低く、小型化および検出精度の点で課題を有している。一方、ＭＲ（磁気抵抗）効果を用いたセンサ（歪検出素子）も提案されており（特許文献２参照）、このようなセンサは、薄膜技術を用いて小型化することが可能である。

しかしながら、ＭＲ（磁気抵抗）効果を用いた従来のセンサは、たとえば圧力のような、検出対象からの直接的な力によって変形する膜（メンブレン）に対して、検出素子が直接設けられる接触型であるため、検出素子が変形する、もしくは応力を受けることで、耐久性の点で課題がある。

特開平２－１０２３３号公報 特開２０１６－１６１４１０号公報

本発明は、このような実情に鑑みてなされ、感度および耐久性が良好であって、小型化可能な物理量センサ素子およびこれを用いる圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサおよびタッチパネルに関する。

上記目的を達成するために、本発明に係る物理量センサ素子は、
磁化された磁化部を有し、変形することにより膜の延在方向とは交差する方向に前記磁化部が変位する膜部と、
前記磁化部の変位による磁場の変動によって歪を生じる非接触検知部と、を有する。

本発明に係る物理量センサ素子では、振動する磁化部を有する膜部と、磁場の変動によって歪を生じる検知部とを組み合わせて物理量センサ素子を構成している。このような磁化部と、磁化部の変位を検知する検知部は検出感度が高く、小型化に適している。また、検出部が可動な磁化部に対して非接触であるため、検知部の耐久性が良好である。

また、たとえば、前記検知部は、
前記磁場の変動によって歪を生じる磁歪部と、
前記磁歪部の前記歪による応力が伝えられる圧電部と、
前記圧電部に電気的に接続する電極部と、を有してもよい。

本件の物理量センサ素子に用いられる検知部は圧電部を有しており、応力による圧電効果を電極部で検出する構造のため、検出のためのバイアス電流による電力消費を少なくするか、もしくは、無くすことができる。このため、この検知部を用いた物理量センサ素子も低消費電力になる。

また、たとえば、前記検知部は、
層状の前記磁歪部である磁歪層と、
層状の前記圧電部である圧電層と、
層状の前記電極部であって、前記圧電部に直接接触する電極層と、
を含む少なくとも３つの層が積層されてなるものであってもよい。

このような多層構造の検知素子は、磁歪層の歪を、圧電層および電極層を用いて効果的に検出することができるので、検出感度が高く、小型化に有利である。

また、たとえば、 前記磁化部は、磁化の方向が前記磁化部の変位方向に交差する磁化膜を有してもよく、
前記検知部は、前記磁化部に対して、前記変位方向に垂直な方向に配置されてもよい。

磁化の方向が変位方向と交差する磁化膜と、変位方向に垂直な方向に配置される検知部を組み合わせることにより、このような物理量センサ素子は、薄型化の観点で有利である。また、たとえば、磁化膜を挟んで、振幅方向に垂直な方向の両側に、２つの検知部を対称に配置することにより、センサの検出精度を高めることができる。

また、たとえば、前記磁化部は、磁化の方向が前記磁化部の振動の変位方向に平行な磁化膜を有してもよく、
前記検知部は、前記磁化部に対して、前記変位方向に対向するように配置されてもよい。

磁化の方向が変位方向と平行な磁化膜と、変位方向に対向するように配置される検知部を組み合わせることにより、垂直磁気異方性をもたない磁化膜を用いた場合に比べて、検出感度を高めることができる。また、たとえば、磁化膜を挟んで、変位方向に対向する両側に、２つの検知部を対称に配置することにより、センサの検出精度を高めることができる。

また、たとえば、前記検知部は、前記磁歪層と前記圧電層との間に配置される中間層をさらに含む、少なくとも４つの層が積層されてなるものであってもよく、
前記中間層は、前記磁歪層の前記歪による変形応力を前記圧電層に伝える剛性を有していてもよい。

検出素子において、このような中間層が磁歪層と圧電層の間に配置されることにより、センサの検出感度を上昇させることが可能であり、また、センサの消費電力も低減することができる。

また、たとえば、前記磁歪部は、Ｆｅ、Ｃо、Ｎｉのうちから選ばれる少なくとも１つの元素を含んでもよい。

磁歪部の材質は特に限定されないが、このような元素を含むことにより、磁歪部に生じる単位磁場変化量あたりの磁歪を大きくすることができ、センサの感度向上に資する。

また、たとえば、前記磁歪層は、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔｅのうちから選ばれる少なくとも１つの元素を含む微結晶もしくはアモルファスを含んでいてもよい。

このような磁歪部は、磁歪部の構造における長距離秩序が減少することに起因して、弱磁場での磁歪が生じやすくなる。このため、このような磁歪部を有する物理量センサ素子は、感度が良好であるとともに、磁歪部の周辺に形成するバイアス磁場を弱くする、もしくは、無くすことが可能であり、小型化に対して有利である。

また、たとえば、本発明に係る圧力センサは、上記いずれかの物理量センサ素子を用いる。
また、たとえば、本発明に係るマイクロフォンは、上記いずれかの物理量センサ素子を用いる。
また、たとえば、本発明に係る超音波センサは、上記いずれかの物理量センサ素子を用いる。
また、たとえば、本発明に係るタッチパネルは、上記いずれかの物理量センサ素子を用いる。

上記した物理量センサ素子を用いることにより、感度および耐久性が良好で、低消費電力の圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサおよびタッチパネルを提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る物理量センサ素子の模式外観図である。 図２は、図１に示す本発明の第１実施形態に係る物理量センサ素子のII-II線に沿う断面図である。 図３は、本発明の第２実施形態に係る物理量センサ素子の模式外観図である。 図４は、図３に示す本発明の第２実施形態に係る物理量センサ素子のIV-IV線に沿う断面図である。 図５は、本発明の第３実施形態に係るマイクロフォンの模式外観図である。 図６は、図５に示すマイクロフォンのVI-VI線に沿う断面図である。 図７は、図５に示すマイクロフォンに含まれる第１基材および第２基材などの斜視図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。なお、図面は模式的または概念的なものであり、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。また、本願明細書と各図において、既出の図によって説明したものと同様の要素には、同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する場合がある。

第１実施形態
まず、図１～図３を参照して、第１実施形態に係る検知部及びこれを搭載した物理量センサ素子１００について説明する。図１～図３は、第１実施形態に係る物理量センサ素子１００の構成を例示する模式図である。第１実施形態では、物理量センサ素子１００を例に説明を行うが、他の実施形態等で説明するように、圧力センサ、マイクロフォン、超音波センサ、タッチパネルなど、物理量センサ素子は他のセンサやデバイスなどにも利用することができる。

図１は、第１実施形態に係る物理量センサ素子１００の外観斜視図であり、図２は図１に示す物理量センサ素子１００のII-II線に沿う断面図である。

図１に示すように、物理量センサ素子１００は、基材１１０と、基材１１０の内部に設けられる膜部１２０と、膜部１２０のＸ方向両側に、それぞれ配置される検知部１５０とを有する。また、物理量センサ素子１００は、基材１１０の基材上面１１５に設けられる第１電極端子１１４、第２電極端子１１５、第１の配線１１２、第２の配線１１３などを有する。

図１に示すように、物理量センサ素子１００は、略直方体形状であり、シリコン基板などから作製された基材１１０に、後述する膜部１２０や検知部１５０が設けられている。図１に示すように、基材１１０には、基材１１０をＺ軸方向に貫通する空洞部１１１が形成されている。空洞部１１１は、基材上面１１６および基材下面１１７の両方に開口しており、開口形状は略矩形である。

図１および図２に示すように、膜部１２０と検知部１５０は、空洞部１１１における基材上面１１６側の開口を、部分的に塞ぐように設けられている。以下、膜部１２０と検知部１５０の詳細形状を、断面図である図２を用いて説明する。

膜部１２０は、磁化された磁化部としての磁化膜１２３と、基材１１０に接続する膜支持部１２１とを有しており、２層構造である。Ｘ軸方向に沿って膜部１２０を通る断面による断面図である図２に示すように、磁化膜１２３は、膜支持部１２１の上面に設けられている。

図２に示すように、膜部１２０は外力を受けて変形するようになっており、膜部１２０が変形することにより、磁化膜１２３は、膜の延在方向であるＸＹ平面方向とは交差する方向に変位するようになっている。膜部１２０の一部である膜支持部１２１は、基材１１０の上層部分である基材上層部１１０ａと、膜支持部１２１のＹ軸正方向側で一体に連続している。これにより、膜支持部１２１が接続する基材１１０は、空洞部１１１に突出する膜部１２０が、外力に応じて撓むことができるように、膜部１２０を支持する。

このように、図２に示す膜部１２０は、変形可能であり、膜部１２０が有する磁化膜１２３は、外力に応じて変位する。磁化膜１２３の変位の振幅方向は、Ｚ軸方向である。図２に示すように、物理量センサ素子１００では、基材１１０の下層部分である基材下層部１１０ｂには、Ｚ軸方向に貫通する直方体状の縦穴である空洞部１１１が形成されており、空洞部１１１の上方開口を部分的に塞ぐ膜部１２０が、基材１１０に対してカンチレバー状（片持ち梁状）に設けられている。

空洞部１１１の内部は、膜部１２０を変位させることが出来るように設計されている。空洞部１１１は、図２に示すように基材１１０の外部と連通していてもよいが、膜部１２０が変位できる限りにおいて、これとは異なる構造であってもよい。たとえば、空洞部１１１は密閉されていてもよく、空洞部１１１は減圧状態または真空状態であっても良い。また、空洞部１１１の内部には、空気などの気体または液体が充填されていても良い。

磁化膜１２３の厚みは特に限定されないが、膜支持部１２１への重量的負担をかけないために、かつ、磁化膜１２３の磁化容易軸を形状磁気異方性によって膜部１２０の変位の振幅方向と交差する方向に向かせるために、非常に薄く形成されることが好ましく、たとえば、膜支持部１２１より薄いことが好ましい。

膜部１２０は、基材１１０と比較して薄く形成される。膜部１２０の厚み（Ｚ軸方向の幅）は、例えば、０．１μｍ以上３μｍ以下とすることができ、０．２μｍ以上１．５μｍ以下であることが好ましい。膜支持部１２１には、たとえば、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ることができるが、これとは異なり、膜支持部１２１は均一な膜であってもよい。また、膜部１２０の１辺（平面寸法）は、５０μｍ以上１００００μｍとすることができる。

磁化膜１２３は、磁化容易軸の方向が、外力による磁化膜１２３の変位の振幅方向であるＺ軸方向に交差する方向であり、特に垂直磁化を有する膜構成としない。これに、磁化容易軸に沿って外部磁界を印加することで、磁化膜１２３に残留磁化を形成し、本実施形態における磁化膜１２３の磁化の方向は、図２に示すように、磁化膜１２３の振動の変位方向であるＺ軸方向に垂直であるＸ軸方向になる。言い換えると、磁化膜１２３の磁化の方向は、磁化膜１２３および膜部１２０の延在方向に平行であり、このような磁化膜１２３は、後述する垂直磁化を有する磁化膜（図６参照）に比べて、製造が容易である。

図２に示すように、磁化膜１２３は、磁化膜１２３の変位の振幅方向に垂直な方向に広がる磁場を形成する。検知部１５０周辺の磁場の強さは、検知部１５０が膜部１２０の磁化膜１２３に対して、磁化膜１２３の変位の振幅方向に垂直な方向に配置されることにより、磁化膜１２３の変位に伴い大きく変化する。検知部１５０は、磁化膜１２３の振動によって生じる磁場変動を検知し、この磁場変動に応じて信号（電位差）を発生する。物理量センサ素子１００は、検知部１５０が生じる信号の変化を検出することにより、膜部１２０が受ける外力を検出する。

基材１１０の材質は特に限定されないが、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、セラミックスや樹脂などの絶縁性材料などが挙げられる。また、基材１１０は、例えば、酸化シリコンや窒化シリコンなどを含んでいても良い。

膜支持部１２１の材質は、特に限定されないが、基材１１０の材質と同じであってもよく、基材１１０の材質と異なっていてもよい。また、膜支持部１２１としては、たとえば、シリコン、ＳｉＯ_ｘやＳｉＮ_ｘのようなシリコンの酸化物または窒化物、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などが挙げられる。また、膜支持部１２１の材料には、Ａｌ、Ｐｔ等の金属材料を用いても良い。また、膜支持部１２１は、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んでも良い。

磁化膜１２３の材質は、特に限定されないが、たとえば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉよりなる群から選択された少なくとも１つ以上の元素を含む材料が挙げられる。また、磁化膜１２３として、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉよりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む金属、合金、または、これらに非磁性元素を添加した材料を用いても良い。

図１に示すように、物理量センサ素子１００は、２つの検知部１５０を有しており、２つの検知部１５０は、膜部１２０およびこれに含まれる磁化膜１２３を、Ｘ軸方向両側から挟むように、対称に配置されている。検知部１５０は、図１および図２から理解できるように、Ｙ軸方向の両側で、基材上層部１１０ａを介して基材１１０に接続している。このように、検知部１５０は、両端固定梁（両持ち梁）構造により、基材１１０によって支持されている。

図２に示すように、検知部１５０は、層状の磁歪部である磁歪層１５５と、層状の圧電部である圧電層１５２と、層状の電極部である第１電極１５３および第２電極１５４と、支持層１５１とを有する。検知部１５０は、磁化膜１２３の変位による磁場の変動によって歪を生じる磁歪層１５５を有しており、膜部１２０が受けた外力を、非接触で検知する。

検知部１５０は、必ずしも多層構造でなくてもよいが、図２に示すように、磁歪層１５５、圧電層１５２および第１電極１５３を含む少なくとも３層が積層されてなる積層構造を有することが、検知部１５０の感度を向上させる観点から好ましい。Ｙ軸に沿って検知部１５０を通る断面による断面図である図２に示すように、検知部１５０の磁歪層１５５、第１電極１５３、第２電極１５４および圧電層１５２は、支持層１５１の上面に設けられている。

図５に示すように、検知部１５０の一部である支持層１５１は、基材１１０の上層部分である基材上層部１１０ａと、支持層１５１のＹ軸方向両側で一体に連続している。検知部１５０を図５に示すような両端固定梁構造とすることにより、磁場変動に伴う検知部１５０の変形をできる限り阻害しない状態で、検知部１５０を保持できる。また、検知部１５０自体がＺ軸方向に変位することを防止することができる。ただし、検知部１５０の保持構造は、両端固定梁構造に限定されず、片持ち梁構造その他の構造であってもよい。

図２に示すように、支持層１５１の上には、磁歪層１５５、第１電極１５３、圧電層１５２および第２電極１５４が、下から磁歪層１５５、第１電極１５３、圧電層１５２、第２電極１５４の順に積層されている。第１電極２０３および第２電極１５４は、圧電層１５２に電気的に接続している。本実施形態では、図２に示すように、第１電極１５３と第２電極１５４とは、圧電層１５２と同様に層状であり、間に圧電層１５２を挟んでＺ軸方向に積層している。第１電極１５３は、圧電層１５２の下面に直接接触しており、第２電極１５４は圧電層１５２の上面に直接接触している。

磁歪層１５５は、磁場の変動によって歪を生じるものであれば特に限定されないが、磁歪層１５５としては、たとえば、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、もしくは、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など、磁気と変位が線形に応答する材料を用いることが好ましい。

さらに、磁歪層１５５には、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉよりなる群から選択された少なくとも１つの材料を含む金属または合金に、非磁性元素を添加した材料を用いた薄膜でも良い。特に半金属材料、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔｅは、前述の金属及びその合金薄膜のアモルファス化を促進することが知られている。たとえば、ＦｅＣо系合金薄膜にＳｉ、Ｂを添加することで薄膜のアモルファス化が促進され、ＦｅＣｏ薄膜においてｂｃｃ構造のピークが消えてハロー化する。アモルファス化された薄膜は、低磁場応答に優れる。したがって、磁歪層１５５としては、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉよりなる群から選択された少なくとも１つの材料を含む金属または合金薄膜に、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔｅの中から選ばれる1種類以上の元素が含まれる薄膜を用いることが、特に好ましい。

図２に示す検知部１５０に含まれる圧電層１５２としては、例えば、ＰＺＴやＫＮＮ、ＡｌＮが用いられるがＰＺＴを用いることが好ましい。

第１電極１５３および第２電極１５４としては、導電性の金属や酸化物が用いられるが、Ｐｔを用いることが好ましい。

図２に示す検知部１５０が、膜部１２０の磁化膜１２３の変位による磁場変動を検知して、磁歪層１５５にＸ軸方向のひずみが生じると、磁歪層１５５の歪による応力は、第１電極１５３を介して圧電層１５２に伝えられ、圧電層１５２を含む検知部１５０が変形する。そうすると、圧電層１５２の圧電効果によって、第１電極１５３と第２電極１５４との間に電位差が生じる。

このように、検知部１５０では、圧電層１５２が第１電極１５３と第２電極１５４との間に設けられ、第１電極１５３を介して、検知部１５０下面側に磁歪層１５５が設けられる。このような検知部１５０において、磁歪層１５５が膜部１２０の磁化膜１２３の変位により生じる磁場変動を検知すると、圧電層１５２を挟む第１電極１５３と第２電極１５４との間の電位差が変化する。さらに、第１電極１５３と第２電極１５４との間の電位差の変化を、図１に示す第１の配線１１２、第２の配線１１３、第１電極端子１１４および第２電極端子１１５を介して接続される図示しない電圧計で測定する。これにより、物理量センサ素子１００は、膜部１２０の磁化膜１２３の変位に伴い検知部１５０に生じた磁場変動を検出し、膜部１２０に加えられた外力を検出することができる。出力電圧が小さい場合など必要に応じて、電極端子と電圧計の間に挿入されるチャージアンプなどの増幅器を用いてもよい。

図１に示すように、物理量センサ素子１００の基材上面１１６に設けられる第１電極端子１１４は、それぞれの検知部１５０の第１電極１５３に、第１の配線１１２を介して電気的に接続されている。また、基材上面１１６に設けられる第２電極端子１１５は、それぞれの検知部１５０の第２電極１５４に、第２の配線１１３を介して電気的に接続されている。２つの検知部１５０は第１電極１５３同士が外部電極を通じて電気的に接続しており、素子間のグラウンド電圧を安定させている。

図１～図２に示すように、２つ以上の検知部１５０を磁場の発生方向に合わせた膜部１２０の両側に配した物理量センサ素子１００は、各検知部１５０から得られる信号の差分解析を行うことでノイズ低減を行い、出力のＳＮ比を高めることができる。たとえば、検知部１５０を２つ有する物理量センサ素子１００において、それぞれの検知部１５０から２つの信号が得られた場合、各信号に同じ発生源の低周波ノイズ成分がのっていた場合でも、差分信号を取ることで、ノイズをキャンセルした信号が得られる。

ただし、物理量センサ素子１００に含まれる検知部１５０の数は、これに限定されず、１つであってもよく、３つ以上であってもよい。なお、膜部１２０の膜支持部１２１と検知部１５０の支持層１５１が、同一のＳｉＯ_２／Ｓｉ層で形成されている物理量センサ素子１００は、膜部１２０の振動に起因する低周波ノイズが、検知部の信号に乗りやすい場合がある。このため、物理量センサ素子１００は、差分解析によるノイズ低減を行い、ＳＮ比を高めることができるように、２つ以上の検知部１５０を有することが好ましい。

第１実施形態の説明で述べたように、物理量センサ素子１００は、変位する磁化膜１２３を有する膜部１２０と、磁場の変動によって歪を生じる検知部１５０とを組み合わせて構成されている。このような磁化膜１２３と、磁化膜１２３の振動による磁歪を用いた検知部１５０は検出感度が高く、小型化に適している。また、検知部１５０が磁化膜１２３に対して非接触であるため、検知部１５０の耐久性が良好である。また、カンチレバー状の膜部１２０は、構造が単純で生産性が高く、また、耐久性が高いため、物理量センサ素子１００は良好な信頼性を有する。

また、検知部１５０が圧電層１５２を有しており、応力による圧電効果を第１および第２電極１５３、１５４が検出することにより、このような物理量センサ素子１００は、検出のためのバイアス電流などによる電力消費を無くすか、あるいは低減することが可能であり、低消費電力である。また、検知部１５０は、磁歪層１５５、第１電極１５３、第２電極１５４および圧電層１５２を積層した構造であり、磁場の変化を効率的に電気信号に変化することが可能であり、感度が良好である。

また、検知部１５０に含まれる磁歪層１５５は、アモルファスを含むことが好ましく、このような検知部１５０は、磁歪層１５５の周辺に形成するバイアス磁場を弱くするか、あるいはバイアス磁場を無くすことが可能であり、小型化および省電力化に対して、特に有利である。

第２実施形態
図３～図４を参照して、第２の実施形態に係る物理量センサ素子２００について説明する。図３～図４は、第２の実施形態に係る物理量センサ素子２００の構成を例示する模式図である。第２の実施形態に係る物理量センサ素子２００の説明は、主に第１の実施形態にかかる物理量センサ素子１００との相違点について行い第１実施形態に係る物理量センサ素子１００との共通点については、説明を省略する。

図３は第２実施形態に係る物理量センサ素子２００の外観斜視図であり、図４は図３に示す第２実施形態に係る物理量センサ素子２００のIV-IV線に沿う断面図である。

第２の実施形態にかかる物理量センサ素子２００では、図４に示すように、磁化膜２２３が、第１の実施形態にかかる物理量センサ素子１００における磁化膜１２３に対し、膜支持部２２１の下面、すなわち基材２１０の下面である基材下面２１７側に配置されている点で図２に示す第１の実施形態にかかる物理量センサ素子１００とは異なるが、図３～図４に示すように、基材上層部２１０ａおよび基材下層部２１０ｂからなる基材２１０に対して、カンチレバー状（片持ち梁状）に設けられている点は、第１の実施形態にかかる物理量センサ素子１００と同様である。

また、図４に示すように、第２の実施形態にかかる物理量センサ素子２００の検知部２５０において、第１電極２５３と支持層２５１を介して、検知部２５０下面側に磁歪層２５５が設けられる点が第１の実施形態にかかる物理量センサ素子１００と異なるが、圧電層２５２が第１電極２５３と第２電極２５４との間に設けられる点は同様である。

第２の実施形態にかかる物理量センサ素子２００の検知部２５０の支持層２５１は、磁歪層２５５と圧電層２５２との間に配置されており、磁歪層２５５の歪による応力を圧電層２５２に伝える剛性を有する。このように、第２の実施形態にかかる物理量センサ素子２００の検知部２５０は、磁歪層２５５、支持層２５１、第１電極２５３、圧電層２５２を含む少なくとも４つの層が積層されてなることが好ましい。磁歪層２５５と圧電層２５２との間に支持層２５１が配置されていることにより、第１の実施形態にかかる物理量センサ素子１００に比して検知部２５０の感度が向上する。

第３実施形態
図５～図７を参照して、第３の実施形態に係るマイクロフォン３００について説明する。図５は、第３の実施形態に係るマイクロフォン３００の構成を例示する模式図である。第３実施形態では、物理量センサ素子１００をマイクロフォン３００に用いる場合を例に説明を行うが、超音波センサ、タッチパネルなど、物理量センサ素子は他のセンサやデバイスなどにも利用することができる。

図５は、第３の実施形態に係るマイクロフォン３００の外観斜視図である。図６は、図５のVI-VI線に沿う断面図である。図７は、マイクロフォン３００の筐体３８０に収容される第１基材３１０および第２基材３３０およびこれに設けられる膜部３２０および検知部３５０などを示す斜視図である。

図５および図７に示すように、マイクロフォン３００は、第１基材３１０と、第２基材３３０と、第１基材３１０の中央部に設けられる検知部３５０と、第２基材３３０の内部に設けられる膜部３２０と、プリント基板３６０と、プリント基板３６０を貫通する貫通配線３６２と、貫通配線３６２と電気的に接続するＡＳＩＣ３６１と、筐体３８０と、筐体３８０に設けられた音響孔３８２と、を有する。また、マイクロフォン３００は、第１基材３１０の基材上面３１６に設けられる第１電極端子３１４、第２電極端子３１５、第１の配線３１２、第２の配線３１３、第1のワイヤー配線３６３、第２のワイヤー配線３６４、などを有する。

図５に示すように、マイクロフォン３００は、シリコン基板などから作製された第１基材３１０と第２基材３３０とがそれぞれプリント基板３６０、筐体３８０へ接合され、上下（Ｚ軸方向）に対向するように、組上げ、接合された略直方体形状を有する。図７に示すように、マイクロフォン３００の第１基材３１０および第２基材３３０には、第１基材３１０および第２基材３３０をＺ軸方向に第１基材空洞部３１１、第２基材空洞部３３１が形成されている。第１基材空洞部３１１は、基材上面３１６から基材下面３１７へ貫通、両方に開口しており、開口形状は略長方形である。第２基材空洞部３３１は基材上面３３２にだけ開口しており、開口形状は略長方形であるが、筐体３８０の壁面との間に密閉されている（図６）。

図７に示すように、第２基材空洞部３３１の内部は、膜部３２０を変位させることが出来るように設計されている。第２基材空洞部３３１は、第２基材３３０のうち、基材上層部３３０ｂに形成されている。第２基材空洞部３３１は、第２基材３３０と筐体３８０が接合されることにより、密閉されており、第２基材空洞部３３１は減圧状態または真空状態であっても良い。また、第２基材空洞部３３１の内部には、空気などの気体または液体が充填されていても良い。また、膜部３２０が変位できる限りにおいて、これとは異なる構造であってもよい。たとえば、第２基材空洞部３３１は、第２基材３３０の基材下面３３３側から筐体空洞部３８１と連通していてもよい。

図７に示すように、検知部３５０は、第１基材空洞部３１１における基材上面３１６側の開口を部分的に塞ぐように設けられており、膜部３２０は、第２基材空洞部３３１における基材下面３３３側を塞ぐように設けられている。

図５に示すように、筐体３８０には、筐体空洞部３８１、音響孔３８２が設けられており、音響孔３８２から筐体空洞部３８１に音波が入射する。音波が筐体空洞部３８１内に入射すると、筐体空洞部３８１内で音波が反響し、図７に示す膜部３２０および磁化膜３２３を変位させる。マイクロフォン３００は、物理量センサ素子１００と同様に検知部３５０からの出力を得ることにより、音波を検出することができる。

また、図５に示すように、マイクロフォン３００には、プリント基板３６０内の貫通配線３６２と接触する位置に、ＡＳＩＣ３６１が実装されている。さらに、ＡＳＩＣ３６１へ第1のワイヤー配線３６３、第２のワイヤー配線３６４が第１電極端子３１４、第２電極端子３１５（図７）から配線されており、検知部３５０で検出した音波の信号がＡＳＩＣ３６１で信号の増幅などの処理された形で貫通配線３６２から出力されることで、マイクロフォンとして動作する。なお、マイクロフォン３００の実装形態は、図５に示す例に限定されない。

膜部３２０は、磁化された磁化部としての磁化膜３２３と、第２基材３３０に接続する膜支持部３２１とを有しており、２層構造である。Ｘ軸方向に沿って膜部３２０を通る断面による断面図である図６に示すように、磁化膜３２３は、膜支持部３２１の下面に設けられている。

図６に示す膜部３２０は、図２に示す膜部１２０と同様に変形可能であり、外力(音波)を受けて変形するようになっており、膜部３２０が変形することにより、磁化膜３２３は、膜の延在方向であるＸＹ平面方向とは交差する方向に変位するようになっている。膜部３２０の一部である膜支持部３２１は、第２基材３３０の下層部分である基材下層部３３０ａに対して連続している。これにより、膜部３２０が、外力に応じて撓むことができる。

図６に示すように、磁化膜３２３は、第１実施形態に係る磁化膜１２３（図２参照）とは異なり、磁化容易軸の方向が、外力による磁化膜３２３の変位の振幅方向であるＺ軸方向に平行であり、垂直磁気異方性を有する膜構成とする。垂直磁気異方性を有する構成の磁化膜３２３に、Ｚ軸方向に平行な外部磁化を印加することにより、磁化膜３２３の磁化の方向もＺ軸方向に平行になる。磁化の方向がＺ軸方向の磁化膜３２３を用いることにより、これに対向するように配置される検知部３５０の磁歪層３５５を通過する磁場を強めることが可能である。したがって、このような磁化膜３２３を有するマイクロフォン３００は、小型化および感度向上の観点で有利である。

磁化膜３２３の材質は、特に限定されないが、たとえば、Ｔａ、Ｃｒ、ＮｉＣｒ、Ｒｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｃｕのグループから選ばれた少なくとも１種を含む非磁性材料もしくは積層膜から構成される下地層と、Ｃｏ、Ｃｏ／非磁性層積層膜、ＣｏＣｒ系合金、Ｃｏ多層膜、ＣｏＣｒＰｔ系合金、ＦｅＰｔ系合金、希土類を含むＳｍＣｏ系合金、ＴｂＦｅＣｏ合金、Mn系合金、ホイスラー合金の積層構造により構成される。

膜部３２０および磁化膜３２３の厚みについては、第１実施形態に係る物理量センサ素子１００に含まれる膜部１２０および磁化膜１２３と同様である。図６に示す第２基材３３０および膜支持部３２１の材質についても、第１実施形態に係る基材１１０と同様とすることができる。なお、第２基材３３０の基材下層部３３０ａおよび膜支持部３２１としては、アルティック（Ａｌ_２Ｏ_３・ＴｉＣ）、カーボン（Ｃ）、酸化マグネシウムなども採用可能である。

図６に示すように、マイクロフォン３００において、検知部３５０は、第１基材空洞部３１１のＸ軸方向中央部に配置されている。マイクロフォン３００の検知部３５０は、図２に示す検知部１５０と同様に、磁歪層３５５と、第１電極３５３と、圧電層３５２と、第２電極３５４とを有する。マイクロフォン３００の検知部３５０は、磁歪層３５５がＺ軸正方向側に積層配置される点でも、図２に示す検出部１５０と同様である。

また、支持層３５１は、第１基材３１０の上層部分である基材上層部３１０ａと、支持層３５１のＹ軸方向両側で一体に連続している。したがって、検知部３５０は、第１実施形態と同様に、両端固定梁構造により、基材上層部３１０ａおよび基材下層部３１０ｂからなる第１基材３１０に支持されている。

図６に示すように、検知部３５０は、膜部３２０に対してＺ軸方向に対向するように配置され、検知部３５０の磁歪層３５５は、膜部３２０の磁化膜３２３に第１電極３５３と、圧電層３５２と、第２電極３５４とを介して対向する。

図６に示す磁化膜３２３は、Ｚ軸方向に磁化されているため、磁化膜３２３の変位の振幅方向に平行な方向（Ｚ軸方向）に広がる磁場を形成する。マイクロフォン３００において、磁化膜３２３に対して対向する検知部３５０周辺の磁場の強さは、磁化膜３２３の振動に伴い大きく変化する。検知部３５０は、磁化膜３２３の振動によって生じる磁場変動を検知し、この磁場変動に応じて信号（電位差）を発生する。マイクロフォン３００は、検知部３５０が生じる信号の変化から、膜部３２０が受ける外力（音圧）を検出する。

これにより、第３実施形態に係るマイクロフォン３００も、第１実施形態に係る物理量センサ素子１００と同様に、第１電極３５３と第２電極３５４との間の電位差の変動から、膜部３２０が受ける圧力を検出することができる。

膜部３２０と検知部３５０による物理量センサ素子は高感度であるため、マイクロフォン３００は、高感度の音波検出を可能とする。図１に示す物理量センサ素子１００、および図６に示すマイクロフォン３００は、空洞部３８１で超音波が反響して膜部３２０を変位させるように、空洞部３８１の形状を変更することにより、超音波を検出する超音波センサとすることもできる。

そのほか、第３実施形態に係るマイクロフォン３００は、第１実施形態に係る物理量センサ素子１００との共通部分については、第１実施形態に係る物理量センサ素子１００と同様の効果を奏する。

第４実施形態
本発明の第４実施形態に係るタッチパネルについて説明する。タッチパネルは、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。

タッチパネルは、マトリクス状に配置された複数の物理量センサ素子と、所定の間隔を空けて配列される複数の配線とを有する。タッチパネルに含まれる各物理量センサ素子は、配線に、それぞれ接続している。

また、タッチパネルは、複数の制御回路を有する。物理量センサ素子は、第１～第３の実施形態に係る物理量センサ素子のいずれかと同様である。

たとえば、制御回路は、複数の配線を介して、物理量センサ素子からの出力を受け取る。ここで、タッチ面が押圧された場合、その周辺の物理量センサ素子は、タッチによる圧力を検知して、出力（電位差）を変化させる。制御回路は、配線を介して物理量センサ素子の出力の変化を受け取ることにより、タッチされた場所やタッチの強さなどを特定することができる。

このように、第１、第２もしくは第３の実施形態に係る検知部１５０、２５０もしくは３５０と膜部１２０もしくは３２０を搭載した物理量センサ素子は高感度であるため、タッチパネルは、感度良く押圧による圧力を検出する事が可能である。物理量センサ素子は小型であるため、これを用いて解像度の高いタッチパネルを製造する事が可能である。

なお、タッチパネルは、物理量センサ素子の他に、物理量センサ素子と併せてタッチを検出する、静電容量方式などの他の検出要素を備えていても良い。

そのほか、第４実施形態に係るタッチパネルは、第１、第２の実施形態に係る物理量センサ素子１００、２００や第３実施形態に係るマイクロフォン３００との共通部分については、物理量センサ素子１００、２００マイクロフォン３００と同様の効果を奏する。

検知部１５０、２５０、３５０と膜部１２０、３２０を搭載した物理量センサ素子は、物理量センサ素子１００、２００、マイクロフォン３００、超音波センサ、タッチパネル５７０以外にも、気圧センサやタイヤの空気圧センサ等、様々な圧力センサデバイスに応用することができる。

なお、本明細書において、「電気的に接続」には、直接接触して接続される場合の他に、他の導電性部材などを介して接続される場合も含む。また、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、磁化膜、第１電極、第２電極、磁歪層および圧電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。

たとえば、図２に示す検知部１５０は、磁歪層１５５、圧電層１５２、電極１５３、１５４による積層構造を有しているが、検知部１５０としては、積層構造を有するもののみに限定されない。たとえば、アーム状（層状でない）の伝達部材を介して、磁歪層１５５の歪による変形応力を圧電層１５２に伝えるものなども、検知部の一例に含まれる。

また、本明細書における異なる実施形態に含まれる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。

その他、本発明の実施の形態として上述した圧力センサ、マイクロフォン、超音波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圧力センサ、マイクロフォン、超音波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。

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。

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。

１００、２００…物理量センサ素子
３００…マイクロフォン
１１０、２１０…基材
３１０…第１基材
３３０…第２基材
１１０ａ、２１０ａ、３１０ａ、３３０ｂ…基材上層部
１１０ｂ、２１０ｂ、３１０ｂ、３３０ａ…基材下層部
１１６、３１６、３３２…基材上面
１１７、２１７、３１７、３３３…基材下面
１１１、３１１、３３１…空洞部
１２０、３２０…膜部
１２１、２２１、３２１…膜支持部
１２３、２２３、３２３…磁化膜
１５０、２５０、３５０…検知部
１５１、２５１…支持層
１５２、２５２、３５２…圧電層
１５３、２５３、３５３…第１電極
１５４、２５４、３５４…第２電極
１５５、２５５、３５５…磁歪層
１１２、３１２…第１の配線
１１３、３１３…第２の配線
１１４、３１４…第１電極端子
１１５、３１５…第２電極端子
３６０…プリント基板
３６１…ＡＳＩＣ
３６２…貫通配線
３６３、３６４…ワイヤー配線
３８０…筐体
３８１…筐体空洞部
３８２…音響孔

Claims (12)

1. 磁化された磁化部を有し、変形することにより膜の延在方向とは交差する方向に前記磁化部が変位する膜部と、
   前記磁化部の変位による磁場の変動によって歪を生じる非接触検知部と、を有する物理量センサ素子であって、
   前記検知部は、前記磁化部が磁化されている方向に前記磁化部を延長した延長方向と交差する位置に配置されている物理量センサ素子。
2. 磁化された磁化部を有し、変形することにより膜の延在方向とは交差する方向に前記磁化部が変位する膜部と、
   前記磁化部の変位による磁場の変動によって歪を生じる非接触検知部と、を有し、
   前記磁化部は、磁化の方向が前記磁化部の変位方向に交差する磁化膜を有し、
   前記検知部は、前記磁化部に対して、前記変位方向に垂直な方向に配置される物理量センサ素子。
3. 磁化された磁化部を有し、変形することにより膜の延在方向とは交差する方向に前記磁化部が変位する膜部と、
   前記磁化部の変位による磁場の変動によって歪を生じる非接触検知部と、を有し、
   前記磁化部は、磁化の方向が前記磁化部の変位方向に平行な磁化膜を有し、
   前記検知部は、前記磁化部に対して、前記変位方向に対向するように配置される物理量センサ素子。
4. 前記検知部は、
   前記磁場の変動によって歪を生じる磁歪部と、
   前記磁歪部の前記歪による応力が伝えられる圧電部と、
   前記圧電部に電気的に接続する電極部と、
   を有する請求項１～３のいずれかに記載の物理量センサ素子。
5. 前記検知部は、
   層状の前記磁歪部である磁歪層と、
   層状の前記圧電部である圧電層と、
   層状の前記電極部であって、前記圧電部に直接接触する電極層と、
   を含む少なくとも３つの層が積層されてなる請求項４に記載の物理量センサ素子。
6. 前記検知部は、前記磁歪層と前記圧電層との間に配置される中間層をさらに含む、少なくとも４つの層が積層されてなり、
   前記中間層は、前記磁歪層の前記歪による応力を前記圧電層に伝える剛性を有する請求項５に記載の物理量センサ素子。
7. 前記磁歪部は、Ｆｅ、Ｃо、Ｎｉのうちから選ばれる少なくとも１つの元素を含む請求項４～６のいずれかに記載の物理量センサ素子。
8. 前記磁歪層は、Ｂ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ａｓ、Ｓｂ、Ｔｅのうちから選ばれる少なくとも１つの元素を含むアモルファスを含む請求項７に記載の物理量センサ素子。
9. 請求項１から請求項８までのいずれかに記載の物理量センサ素子を用いる圧力センサ。
10. 請求項１から請求項８までのいずれかに記載の物理量センサ素子を用いるマイクロフォン。
11. 請求項１から請求項８までのいずれかに記載の物理量センサ素子を用いる超音波センサ。
12. 請求項１から請求項８までのいずれかに記載の物理量センサ素子を用いるタッチパネル。
    
    

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