JP7363556B2 - Laminates and electronic devices - Google Patents

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Description

本発明は、圧電体層と磁歪層とを有する積層体、および、当該積層体を含む電子デバイスに関する。 The present invention relates to a laminate having a piezoelectric layer and a magnetostrictive layer, and an electronic device including the laminate.

特許文献1および特許文献2に示すように、圧電体層と磁歪層とを有する積層体が知られている。この積層体は、磁電効果(Magnetoelectric (ME) effect)を有しており、離間したところから非接触で送信される磁場や、電磁波、超音波などのエネルギー(入力信号)を電気出力に変換することができる。上記の積層体では、外部磁場などが印可されると、磁歪効果により磁歪層で歪みが発生する。そして、その歪が圧電体層に伝わり、圧電体層自体が撓むことで、圧電体層の表面に電荷が発生する。 As shown in Patent Document 1 and Patent Document 2, a laminate having a piezoelectric layer and a magnetostrictive layer is known. This laminate has a magnetoelectric (ME) effect, which converts energy (input signals) such as magnetic fields, electromagnetic waves, and ultrasonic waves transmitted from a distance without contact into electrical output. be able to. In the above-mentioned laminate, when an external magnetic field or the like is applied, distortion occurs in the magnetostrictive layer due to the magnetostrictive effect. Then, the strain is transmitted to the piezoelectric layer, and the piezoelectric layer itself bends, thereby generating charges on the surface of the piezoelectric layer.

この積層体は、生体磁気を検出可能な高感度磁気センサ、またはウェアラブル端末などに組み込まれるエネルギー変換デバイスなどへの応用が期待されている。ただし、上記の用途での実用化を実現するためには、微小な入力磁場に対しても出力可能であること、すなわち、優れた応答性を有することが求められる。 This laminate is expected to be applied to highly sensitive magnetic sensors capable of detecting biomagnetism, or energy conversion devices incorporated into wearable terminals and the like. However, in order to put it to practical use in the above applications, it is required to be able to output even to a minute input magnetic field, that is, to have excellent responsiveness.

実全昭58-040853号公報Jitszen No. 58-040853 米国特許出願公開第2013/0252030(US,A1)US Patent Application Publication No. 2013/0252030 (US, A1)

本発明は、このような実情を鑑みてなされ、その目的は、磁電効果の応答性が優れる積層体、および当該磁積層体を含む電子デバイスを提供することである。 The present invention was made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a laminate with excellent magnetoelectric effect responsiveness, and an electronic device including the magnetic laminate.

上記の目的を達成するために、本発明に係る積層体は、
エピタキシャル成長した圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の上に直接または間接的に真空堆積法により形成してある軟磁性高磁歪薄膜と、を有する。
In order to achieve the above object, the laminate according to the present invention,
an epitaxially grown piezoelectric thin film,
A soft magnetic high magnetostriction thin film is formed directly or indirectly on the piezoelectric thin film by a vacuum deposition method.

上記において軟磁性高磁歪膜とは、保磁力Hやしきい磁場HTHが低い軟磁性体で構成されており、かつ、飽和磁歪λMAXが5ppm以上、より好ましくは10ppm以上の膜である。 In the above, the soft magnetic high magnetostrictive film is a film that is made of a soft magnetic material with low coercive force H C and low threshold magnetic field H TH , and has a saturation magnetostriction λ MAX of 5 ppm or more, more preferably 10 ppm or more. .

従来、磁電効果を向上させるためには、磁歪層の飽和磁歪λMAXを大きくすることによって、磁歪の磁場感度dλ/dH(以下、磁場感度と呼称する)を大きくすることが重要であると考えられてきた(特許文献2の段落0010~0018を参照)。本発明者等は、鋭意検討した結果、磁歪層の飽和磁歪λMAXを大きくしても微小な入力信号に対する応答性の向上にはあまり寄与せず、むしろ、磁歪層として、高磁歪でありながら保磁力Hやしきい磁場HTHが低い軟磁性体を用いることで、微小な入力信号に対する応答性が向上することを見出した。 Conventionally, in order to improve the magnetoelectric effect, it has been thought that it is important to increase the magnetic field sensitivity dλ/dH (hereinafter referred to as magnetic field sensitivity) of magnetostriction by increasing the saturation magnetostriction λ MAX of the magnetostrictive layer. (See paragraphs 0010 to 0018 of Patent Document 2). As a result of intensive studies, the inventors of the present invention found that increasing the saturation magnetostriction λ MAX of the magnetostrictive layer does not contribute much to improving the responsiveness to minute input signals. It has been found that the use of a soft magnetic material with a low coercive force H C and a low threshold magnetic field H TH improves responsiveness to minute input signals.

また、本発明において、上記の軟磁性高磁歪膜は、圧延などの機械加工で得られる薄板ではなく、圧電体薄膜の上に、直接または間接的に、真空堆積法で形成した膜である。機械加工で得られる薄板は、接着層を介して圧電体薄膜の上に積層するか、もしくは圧着積層する必要がある。接着層を介する場合、接着層が、磁歪層と圧電体層との間における歪みの伝達や電荷の受け渡しを阻害する。また、圧着積層する場合、薄板表面の表面酸化膜が、磁歪層と圧電体層との間における歪みの伝達や電荷の受け渡しを阻害する。本発明の積層体では、軟磁性高磁歪膜が真空堆積法で形成してあるため、上記のような阻害作用が発生せず、応答性が良好となる。また、積層体の薄型化も可能である。 Furthermore, in the present invention, the soft magnetic high magnetostrictive film is not a thin plate obtained by mechanical processing such as rolling, but is a film formed directly or indirectly on a piezoelectric thin film by a vacuum deposition method. The thin plate obtained by machining must be laminated on the piezoelectric thin film via an adhesive layer or pressure laminated. When using an adhesive layer, the adhesive layer inhibits strain transmission and charge transfer between the magnetostrictive layer and the piezoelectric layer. Furthermore, in the case of lamination by pressure bonding, the surface oxide film on the surface of the thin plates inhibits the transmission of strain and the exchange of charge between the magnetostrictive layer and the piezoelectric layer. In the laminate of the present invention, since the soft magnetic high magnetostrictive film is formed by a vacuum deposition method, the above-mentioned inhibiting effect does not occur and the response is good. Further, it is also possible to make the laminate thinner.

好ましくは、前記軟磁性高磁歪薄膜は、保磁力Hが2500A/m未満である。本発明者等の実験によれば、保磁力Hを上記の基準値よりも小さくするほど、微小な外部磁場に対する電荷の発生量がより大きくなる。 Preferably, the soft magnetic high magnetostriction thin film has a coercive force H C of less than 2500 A/m. According to experiments conducted by the present inventors, the smaller the coercive force H C is than the above reference value, the greater the amount of charge generated in response to a minute external magnetic field.

また、本発明に係る積層体では、0.1ppmの磁歪が発生する磁場を、しきい磁場HTHとし、
好ましくは、前記軟磁性高磁歪薄膜のしきい磁場HTHが、500A/m未満である。
本発明者等の実験によれば、磁歪層のしきい磁場HTHを上記の基準値よりも小さくするほど、微小な外部磁場に対する電荷の発生量がより大きくなる。
Furthermore, in the laminate according to the present invention, a magnetic field in which 0.1 ppm of magnetostriction occurs is defined as a threshold magnetic field H TH ,
Preferably, the threshold magnetic field H TH of the soft magnetic high magnetostriction thin film is less than 500 A/m.
According to experiments conducted by the present inventors, the smaller the threshold magnetic field H TH of the magnetostrictive layer is made than the above reference value, the greater the amount of charge generated in response to a minute external magnetic field.

また、本発明に係る積層体では、500A/mの直流磁場をバイアス磁場として印可した環境下における磁場感度dλ/dHが、
好ましくは、前記軟磁性高磁歪薄膜の磁場感度dλ/dHが、10ppb・m・A-1以上である。
本発明者等の実験によれば、保磁力H、または/および、しきい磁場HTHを所定の値よりも小さくしたうえで、磁場感度dλ/dHを上記の基準値よりも大きくすることで、磁電効果の応答性がより向上し、微小な外部磁場に対する電荷の発生量がさらに大きくなる。
Furthermore, in the laminate according to the present invention, the magnetic field sensitivity dλ/dH in an environment where a DC magnetic field of 500 A/m is applied as a bias magnetic field is as follows:
Preferably, the magnetic field sensitivity dλ/dH of the soft magnetic high magnetostriction thin film is 10 ppb·m·A −1 or more.
According to experiments conducted by the present inventors, it is possible to make the coercive force H C and/or the threshold magnetic field H TH smaller than a predetermined value, and then make the magnetic field sensitivity dλ/dH larger than the above reference value. This further improves the responsiveness of the magnetoelectric effect and further increases the amount of charge generated in response to a minute external magnetic field.

本発明に係る積層体は、磁気センサや、エネルギー変換デバイスなどの電子デバイスに利用することができる。本発明の積層体を磁気センサに利用した場合、当該磁気センサでは、感度特性が向上し、生体磁気を検出可能な高感度磁気センサとすることができる。一方、本発明の積層体をエネルギー変換デバイスに利用した場合、当該デバイスでは、微小な外部磁場に対しても高い電気出力が得られ、変換効率が向上する。 The laminate according to the present invention can be used in electronic devices such as magnetic sensors and energy conversion devices. When the laminate of the present invention is used in a magnetic sensor, the sensitivity characteristics of the magnetic sensor are improved, and a highly sensitive magnetic sensor capable of detecting biomagnetism can be obtained. On the other hand, when the laminate of the present invention is used in an energy conversion device, the device can obtain high electrical output even in the presence of a minute external magnetic field, and the conversion efficiency improves.

図1は、本発明の一実施形態に係る積層体の要部断面図である。FIG. 1 is a sectional view of essential parts of a laminate according to an embodiment of the present invention. 図2は、図1に示す積層体を有するME素子の一例を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing an example of the ME element having the stacked body shown in FIG. 図3は、図2に示すIII-III線に沿う断面図である。FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III shown in FIG. 2. 図4は、図2に示すIV-IV線に沿う断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV shown in FIG. 2.

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.

第1実施形態
図1に示すように、本発明の一実施形態に係る積層体2は、圧電体薄膜10と、圧電体薄膜10の上に直接または間接的に(電極膜や結晶性制御層など何らかの層を介して)形成してある磁歪層20とを有する。以下、圧電体薄膜10の特徴と、磁歪層20の特徴とを説明する。
First Embodiment As shown in FIG. 1, a laminate 2 according to an embodiment of the present invention includes a piezoelectric thin film 10 and a piezoelectric thin film 10 directly or indirectly (an electrode film or a crystallinity control layer). It has a magnetostrictive layer 20 formed (via some layer, such as, etc.). The characteristics of the piezoelectric thin film 10 and the characteristics of the magnetostrictive layer 20 will be explained below.

(圧電体薄膜10)
圧電体薄膜10は、圧電材料で構成してあり、圧電効果または逆圧電効果を奏する。圧電効果とは、外力(応力)が加わることで電荷を発生する効果を意味し、逆圧電効果とは、電圧を加えることで歪が発生する効果を意味する。このような効果を奏する圧電材料としては、水晶、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム(AlN)、酸化亜鉛(ZnO)、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O)、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN:(K,Na)NbO)、ジルコン酸チタン酸バリウムカルシウム(BCZT:(Ba,Ca)(Zr,Ti)O)、などが例示される。
(Piezoelectric thin film 10)
The piezoelectric thin film 10 is made of a piezoelectric material and exhibits a piezoelectric effect or an inverse piezoelectric effect. The piezoelectric effect refers to the effect of generating electric charge when an external force (stress) is applied, and the inverse piezoelectric effect refers to the effect of generating strain when a voltage is applied. Piezoelectric materials that exhibit such effects include quartz, lithium niobate, aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), lead zirconate titanate (PZT:Pb(Zr,Ti)O 3 ), and potassium niobate. Examples include sodium (KNN: (K, Na) NbO 3 ), barium calcium titanate zirconate (BCZT: (Ba, Ca) (Zr, Ti) O 3 ), and the like.

本実施形態では、上記の圧電材料のうち、特に、PZT、KNN、およびBCZTなどのペロブスカイト構造を有する圧電材料を用いることが好ましい。圧電体薄膜10として、ペロブスカイト構造の圧電材料を使用することで、優れた圧電特性と、高い信頼性と、を両立して得ることができる。なお、圧電体薄膜10を構成する上記の圧電材料には、特性を改善するために、適宜他の元素が添加してあっても良い。 In this embodiment, it is particularly preferable to use a piezoelectric material having a perovskite structure, such as PZT, KNN, and BCZT, among the piezoelectric materials described above. By using a piezoelectric material with a perovskite structure as the piezoelectric thin film 10, it is possible to obtain both excellent piezoelectric properties and high reliability. Note that other elements may be appropriately added to the piezoelectric material described above constituting the piezoelectric thin film 10 in order to improve the characteristics.

圧電体薄膜10の厚みt1は、好ましくは0.5~10μmの範囲内である。厚みt1は、たとえば、図1に示すような断面写真を画像解析することで求められる。この場合、厚みt1は、面内方向で3点以上の箇所で計測を行い、その平均値として算出することが好ましい。なお、厚みt1のばらつきは、±5%以下と少ない。 The thickness t1 of the piezoelectric thin film 10 is preferably within the range of 0.5 to 10 μm. The thickness t1 is determined, for example, by image analysis of a cross-sectional photograph as shown in FIG. In this case, the thickness t1 is preferably measured at three or more points in the in-plane direction and calculated as the average value. Note that the variation in thickness t1 is as small as ±5% or less.

本実施形態において、圧電体薄膜10は、エピタキシャル成長膜であり、エピタキシャル成長膜とは、単結晶基板上でエピタキシャル成長した膜を意味する。ここで、エピタキシャル成長とは、成膜の際に、膜の結晶が、下地材料の結晶格子に整合する形で、膜厚方向(Z軸方向)および面内方向(X軸およびY軸方向)に揃いながら成長することをいう。そのため、本実施形態に係る圧電体薄膜10は、成膜中の高温状態においては、結晶が、X軸方向、Y軸方向およびZ軸方向の3軸すべての方向において揃って配向した状態の結晶構造をとり(エピタキシャル膜)、成膜後の室温状態においては、結晶粒界がほとんど形成されず、単結晶に近い(完全な単結晶ではない)結晶構造を有する(エピタキシャル成長(した)膜)。 In this embodiment, the piezoelectric thin film 10 is an epitaxially grown film, and the epitaxially grown film means a film epitaxially grown on a single crystal substrate. Here, epitaxial growth means that during film formation, the crystals of the film match the crystal lattice of the underlying material in the film thickness direction (Z-axis direction) and in-plane direction (X-axis and Y-axis directions). It means growing together. Therefore, in the piezoelectric thin film 10 according to the present embodiment, in a high temperature state during film formation, the crystals are aligned in all the three axes of the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction. (epitaxial film), and at room temperature after film formation, almost no crystal grain boundaries are formed and the crystal structure is close to single crystal (not completely single crystal) (epitaxially grown film).

エピタキシャル成長しているか否かは、薄膜形成過程において反射高速電子線回折評価(RHEED評価)を行うことで確認できる。成膜中の膜表面において、結晶配向に乱れがある場合には、RHEED像は、リング状に伸びたパターンを示す。一方で、上記のようにエピタキシャル成長している場合には、RHEED像は、スポット状またはストリーク状のシャープなパターンを示す。上記のようなRHEED像は、あくまでも成膜中の高温状態で観測される。成膜後の室温状態(すなわちエピタキシャル成長膜)において、圧電体薄膜10は、以下に示すような結晶構造を有することが好ましい。 Whether epitaxial growth has occurred can be confirmed by performing reflection high-energy electron diffraction evaluation (RHEED evaluation) during the thin film formation process. If the crystal orientation is disordered on the film surface during film formation, the RHEED image shows a ring-shaped pattern. On the other hand, in the case of epitaxial growth as described above, the RHEED image shows a sharp spot-like or streak-like pattern. The above RHEED image is observed only in a high temperature state during film formation. At room temperature after film formation (ie, epitaxially grown film), the piezoelectric thin film 10 preferably has a crystal structure as shown below.

成膜後の室温状態において、本実施形態の圧電体薄膜10は、複数の結晶相を有することが好ましく、また、少なくとも3種のドメイン(域)を含むドメイン構造を有することが好ましい。圧電体薄膜10がドメイン構造を有することで、圧電特性がより向上する。 At room temperature after film formation, the piezoelectric thin film 10 of this embodiment preferably has a plurality of crystal phases, and preferably has a domain structure including at least three types of domains. Since the piezoelectric thin film 10 has a domain structure, piezoelectric properties are further improved.

ドメイン構造の具体的な構成は、使用する圧電材料によって異なる。たとえば、圧電体薄膜10がPZTのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶と菱面体晶の少なくとも2種の結晶構造を有することが好ましい。そして、この場合、正方晶は、c軸(直方体(結晶格子)の長手方向の軸)が膜厚方向を向いたドメインと、c軸が面内方向を向いたドメインと、を有することが好ましい。すなわち、圧電体薄膜10がPZTのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶の2種のドメインと、菱面体晶のドメインとの計3種のドメインを含むことが好ましい。 The specific configuration of the domain structure varies depending on the piezoelectric material used. For example, when the piezoelectric thin film 10 is an epitaxially grown film of PZT, it is preferable that it has at least two types of crystal structures: tetragonal and rhombohedral. In this case, it is preferable that the tetragonal crystal has a domain in which the c-axis (the axis in the longitudinal direction of the rectangular parallelepiped (crystal lattice)) is oriented in the film thickness direction, and a domain in which the c-axis is oriented in the in-plane direction. . That is, when the piezoelectric thin film 10 is an epitaxially grown film of PZT, it is preferable to include a total of three types of domains: two types of tetragonal domains and a rhombohedral domain.

なお、上記において、c軸が膜厚方向を向いたドメインとは、膜厚方向に対して正方晶の(001)面が略垂直(または直交)となるように配向したドメインを意味し、以下、cドメインと呼ぶ。一方、c軸が面内方向を向いたドメインとは、膜厚方向に対して正方晶の(001)面が略平行となるように配向したドメインを意味し、以下、aドメインと呼ぶ。 In addition, in the above, a domain in which the c-axis faces the film thickness direction means a domain oriented such that the (001) plane of the tetragonal crystal is approximately perpendicular (or orthogonal) to the film thickness direction. , called the c domain. On the other hand, a domain in which the c-axis is oriented in the in-plane direction means a domain in which the (001) plane of the tetragonal crystal is oriented substantially parallel to the film thickness direction, and is hereinafter referred to as an a-domain.

一方、圧電体薄膜10がKNNのエピタキシャル成長膜である場合には、斜方晶の2種のドメインと、単斜晶の1種のドメインと(計3種のドメイン)を有することが好ましい。また、圧電体薄膜10がBCZTのエピタキシャル成長膜である場合には、正方晶の2種のドメインと、斜方晶の2種のドメインと(計4種のドメイン)を有することが好ましい。上記の場合、斜方晶の2種のドメインとは、斜方晶の(001)面が膜厚方向に対して略平行となるように配向したドメインと、斜方晶の(010)面が膜厚方向に対して略平行となるように配向したドメインとが存在し得る。なお、ペロブスカイト構造の圧電材料の場合、結晶相としては、上述したような、正方晶、菱面体晶、斜方晶、および単斜晶などの結晶構造が含まれ得る。 On the other hand, when the piezoelectric thin film 10 is an epitaxially grown KNN film, it is preferable to have two types of orthorhombic domains and one type of monoclinic domain (three types of domains in total). Further, when the piezoelectric thin film 10 is an epitaxially grown film of BCZT, it is preferable to have two types of tetragonal domains and two types of orthorhombic domains (four types of domains in total). In the above case, the two types of orthorhombic domains are a domain in which the (001) plane of the orthorhombic crystal is oriented approximately parallel to the film thickness direction, and a domain in which the (010) plane of the orthorhombic crystal is oriented so that it is approximately parallel to the film thickness direction. There may be domains oriented substantially parallel to the film thickness direction. In the case of a piezoelectric material having a perovskite structure, the crystal phase may include crystal structures such as tetragonal, rhombohedral, orthorhombic, and monoclinic as described above.

上述したような複数のドメインは、共通のドメイン境界を挟んで接しているため、各ドメインの結晶軸の向きは、膜厚方向や面内方向から最大数度程度ずれていても良い。また、上述したような複数のドメインは、少なくとも成膜時の高温状態においては、同じ結晶系の同じ方位に配向した等価なドメインであり、成膜後に室温や使用温度に冷却される過程で、より安定な結晶相やドメインに転移することで形成される。 Since the plurality of domains as described above are in contact with each other across a common domain boundary, the direction of the crystal axis of each domain may deviate from the film thickness direction or the in-plane direction by a maximum of several degrees. In addition, the plurality of domains as described above are equivalent domains of the same crystal system and oriented in the same direction, at least in the high temperature state during film formation, and in the process of cooling to room temperature or usage temperature after film formation, It is formed by transitioning to a more stable crystalline phase or domain.

なお、上述したような複数のドメインが混在して存在する様子は、圧電体薄膜10を、透過型電子顕微鏡(TEM)の電子線回折またはX線回折(XRD)などで分析することにより確認できる。たとえば、XRDを用いてCu-Kα線によるθ-2θ測定をした場合、2θ=42°~46°の範囲において、圧電体薄膜10に由来する反射ピークが確認される。圧電体薄膜10がドメイン構造を有する場合、この反射ピークは、ドメインの数に応じて複数個観測される場合がある。もしくは、各ドメインに対応する複数のピークが重なることで、半値幅が0.2°以上のブロードな反射ピークとして観測される場合もある。 Note that the presence of a plurality of domains as described above can be confirmed by analyzing the piezoelectric thin film 10 using electron beam diffraction or X-ray diffraction (XRD) using a transmission electron microscope (TEM). . For example, when measuring θ-2θ using Cu-Kα rays using XRD, a reflection peak originating from the piezoelectric thin film 10 is observed in the range of 2θ=42° to 46°. When the piezoelectric thin film 10 has a domain structure, a plurality of reflection peaks may be observed depending on the number of domains. Alternatively, when multiple peaks corresponding to each domain overlap, a broad reflection peak with a half width of 0.2° or more may be observed.

(磁歪層20)
本実施形態の磁歪層20は、軟磁性高磁歪膜で構成してあり、外部から磁場や電磁波、超音波などが印可されると磁歪効果により歪みを発生させる。軟磁性高磁歪膜とは、保磁力Hやしきい磁場HTHが低い軟磁性体で構成されており、かつ、飽和磁歪λMAXが5ppm以上の膜であることが好ましい。飽和磁歪λMAXは、より好ましくは10ppm以上である。なお、軟磁性体は、飽和磁歪λMAXが1ppm以下の低磁歪材料であることが一般的であるが、本実施形態の磁歪層20は、軟磁性体であり、かつ、高磁歪特性を有することが重要である。
(Magnetostrictive layer 20)
The magnetostrictive layer 20 of this embodiment is made of a soft magnetic high magnetostrictive film, and when a magnetic field, electromagnetic waves, ultrasonic waves, etc. are applied from the outside, distortion is generated due to the magnetostrictive effect. The soft magnetic high magnetostriction film is preferably a film that is made of a soft magnetic material with low coercive force H C and low threshold magnetic field H TH and has a saturation magnetostriction λ MAX of 5 ppm or more. The saturation magnetostriction λ MAX is more preferably 10 ppm or more. Note that the soft magnetic material is generally a low magnetostrictive material with a saturation magnetostriction λ MAX of 1 ppm or less, but the magnetostrictive layer 20 of this embodiment is a soft magnetic material and has high magnetostrictive characteristics. This is very important.

上記のような特徴を有する軟磁性体としては、たとえば、鉄(Fe)-コバルト(Co)-ケイ素(Si)-ホウ素(B)合金、Fe-Si-B合金、Fe-Co-B合金、Fe-クロム(Cr)-Si-B合金、Fe-ニッケル(Ni)-モリブデン(Mo)-B合金、Fe-Si-B-銅(Cu)-ニオブ(Nb)合金、Co-Fe-Ni-Si-B―Mo合金などが挙げられる。上記の軟磁性体は、結晶磁気異方性が、硬磁性体に比べて遥かに小さい。 Examples of soft magnetic materials having the above characteristics include iron (Fe)-cobalt (Co)-silicon (Si)-boron (B) alloy, Fe-Si-B alloy, Fe-Co-B alloy, Fe-chromium (Cr)-Si-B alloy, Fe-nickel (Ni)-molybdenum (Mo)-B alloy, Fe-Si-B-copper (Cu)-niobium (Nb) alloy, Co-Fe-Ni- Examples include Si-B-Mo alloy. The above-mentioned soft magnetic material has much smaller magnetocrystalline anisotropy than that of the hard magnetic material.

また、本実施形態において、軟磁性高磁歪膜の保磁力Hは、2500A/m未満とすることが好ましい。保磁力Hが低ければ低いほど、後述するように、磁電効果の応答性が向上する。ただし、保磁力Hを0A/mとすることは困難であり、保磁力Hの下限値は、製造時に使用する成膜装置の仕様にも依存する。軟磁性高磁歪膜の保磁力Hは、5A/m以上、2500A/m未満とすることがより好ましく、5A/m以上、1500A/m以下とすることがさらに好ましい。なお、軟磁性高磁歪膜の保磁力Hは、振動試料型磁力計(VSM)により測定することができる。 Further, in this embodiment, the coercive force H C of the soft magnetic high magnetostrictive film is preferably less than 2500 A/m. The lower the coercive force HC , the better the responsiveness of the magnetoelectric effect, as will be described later. However, it is difficult to set the coercive force H C to 0 A/m, and the lower limit value of the coercive force H C also depends on the specifications of the film forming apparatus used during manufacturing. The coercive force H C of the soft magnetic high magnetostrictive film is more preferably 5 A/m or more and less than 2500 A/m, and even more preferably 5 A/m or more and 1500 A/m or less. Note that the coercive force H C of the soft magnetic high magnetostrictive film can be measured using a vibrating sample magnetometer (VSM).

さらに、軟磁性高磁歪膜のしきい磁場HTHは、500A/m未満とすることが好ましい。本実施形態において、しきい磁場HTHとは、磁歪層20に0.1ppmの磁歪が発生する磁場を意味する。しきい磁場HTHについても、保磁力Hと同様に、値が低ければ低いほど磁電効果の応答性が向上するが、0A/mとすることは困難である。軟磁性高磁歪膜のしきい磁場HTHは、2A/m以上、500A/m未満とすることがより好ましく、2A/m以上、350A/m以下とすることがさらに好ましい。 Furthermore, the threshold magnetic field H TH of the soft magnetic high magnetostrictive film is preferably less than 500 A/m. In this embodiment, the threshold magnetic field H TH means a magnetic field that generates 0.1 ppm magnetostriction in the magnetostrictive layer 20 . As for the threshold magnetic field H TH , similarly to the coercive force H C , the lower the value, the better the responsiveness of the magnetoelectric effect, but it is difficult to set it to 0 A/m. The threshold magnetic field H TH of the soft magnetic high magnetostrictive film is more preferably 2 A/m or more and less than 500 A/m, and even more preferably 2 A/m or more and 350 A/m or less.

なお、軟磁性高磁歪膜のしきい磁場HTHは、たとえば以下に示す方法で測定できる。しきい磁場HTHの測定では、バイアス磁場として500A/mの直流磁場を印可した環境下において、積層体2に対して、外部より0~6400A/mの回転磁場(外部磁場)を印加し、積層体2に発生するひずみを測定する。この際、ひずみは、回転磁場を印可した際の積層体2の反りを、レーザー変位計で計測することで得る。そして、0.1ppmの磁歪λに相当する正磁歪方向のひずみが発生した際の外部磁場の大きさを、軟磁性高磁歪膜のしきい磁場HTHとする。 Note that the threshold magnetic field H TH of the soft magnetic high magnetostrictive film can be measured, for example, by the method shown below. In the measurement of the threshold magnetic field HTH , a rotating magnetic field (external magnetic field) of 0 to 6400 A/m was externally applied to the laminate 2 in an environment in which a DC magnetic field of 500 A/m was applied as a bias magnetic field, The strain generated in the laminate 2 is measured. At this time, the strain is obtained by measuring the warpage of the laminate 2 with a laser displacement meter when a rotating magnetic field is applied. The magnitude of the external magnetic field when a strain in the positive magnetostrictive direction corresponding to magnetostriction λ of 0.1 ppm is generated is defined as the threshold magnetic field H TH of the soft magnetic high magnetostrictive film.

加えて、軟磁性高磁歪膜の磁場感度dλ/dHは、10ppb・m・A-1以上であることが好ましく、15ppm・m・A-1以上であることがより好ましい。本実施形態において、磁場感度dλ/dHは、バイアス磁場として500A/mの直流磁場を印可した環境下における磁歪の変化量を意味する。磁場感度dλ/dHが大きければ大きいほど、磁電効果の応答性が向上する傾向となる。ただし、磁場感度dλ/dHが大きすぎると、磁歪層20が剥離することがあり、積層体2の耐久性が悪化する恐れがある。そのため、軟磁性高磁歪膜の磁場感度dλ/dHの上限値は、60ppb・m・A-1以下であることが好ましく、30ppb・m・A-1以下であることがより好ましい。磁場感度の上限値を上記の範囲とすることで、磁電効果の応答性が向上するとともに、積層体2の耐久性を十分に確保することができる。 In addition, the magnetic field sensitivity dλ/dH of the soft magnetic high magnetostrictive film is preferably 10 ppb·m·A −1 or more, more preferably 15 ppm·m·A −1 or more. In this embodiment, the magnetic field sensitivity dλ/dH means the amount of change in magnetostriction in an environment where a DC magnetic field of 500 A/m is applied as a bias magnetic field. The larger the magnetic field sensitivity dλ/dH, the more responsive the magnetoelectric effect tends to be. However, if the magnetic field sensitivity dλ/dH is too large, the magnetostrictive layer 20 may peel off, and the durability of the laminate 2 may deteriorate. Therefore, the upper limit of the magnetic field sensitivity dλ/dH of the soft magnetic high magnetostrictive film is preferably 60 ppb·m·A −1 or less, more preferably 30 ppb·m·A −1 or less. By setting the upper limit value of the magnetic field sensitivity within the above range, the responsiveness of the magnetoelectric effect is improved and the durability of the laminate 2 can be sufficiently ensured.

なお、磁場感度dλ/dHは、しきい磁場HTHと同様の方法で測定できる。具体的には、上記と同様に、バイアス磁場環境下において、積層体2に対して回転磁場を変化させて印可し、その際の積層体2の反りをレーザー変位計で測定することでひずみ量を得る。そして、磁場感度dλ/dHは、上記の測定により得られたひずみ量から磁場-磁歪曲線を計算して、得られた曲線の傾きを微分法等で算出することで得られる。 Note that the magnetic field sensitivity dλ/dH can be measured in the same manner as the threshold magnetic field HTH . Specifically, similarly to the above, a rotating magnetic field is applied to the laminate 2 under a bias magnetic field environment, and the warpage of the laminate 2 at that time is measured using a laser displacement meter to determine the amount of strain. get. The magnetic field sensitivity dλ/dH is obtained by calculating a magnetic field-magnetostriction curve from the amount of strain obtained by the above measurement, and calculating the slope of the obtained curve using a differential method or the like.

本実施形態において、軟磁性高磁歪膜で構成される磁歪層20は、非晶質相22と、当該非晶質相22の厚み方向に延びる結晶相24とを含む結晶構造を有することが好ましい。図1に示すように、結晶相24は、磁歪層20の厚み方向に延びており、磁歪層20を貫通するように延びる結晶相24と、薄膜20の下面から延びて上面には届かない結晶相24と、薄膜20の上面から延びて下面には届かない結晶相24とが存在し得る。特に、上記の結晶構造を有する場合、含まれる結晶相24のほとんどが、面心立方構造(fcc)を有することがより好ましい。ただし、この場合でも、少なくとも一部の結晶相24に、体心立方構造(bcc)の結晶相が混じっていてもよい。 In this embodiment, the magnetostrictive layer 20 made of a soft magnetic high magnetostrictive film preferably has a crystal structure including an amorphous phase 22 and a crystalline phase 24 extending in the thickness direction of the amorphous phase 22. . As shown in FIG. 1, the crystal phase 24 extends in the thickness direction of the magnetostrictive layer 20, and includes a crystal phase 24 that extends through the magnetostrictive layer 20 and a crystal phase that extends from the bottom surface of the thin film 20 but does not reach the top surface. There may be a phase 24 and a crystalline phase 24 extending from the top surface of the thin film 20 but not reaching the bottom surface. In particular, when having the above crystal structure, it is more preferable that most of the included crystal phases 24 have a face-centered cubic structure (fcc). However, even in this case, at least a portion of the crystal phase 24 may include a body-centered cubic structure (BCC) crystal phase.

磁歪層20は、圧電体薄膜10の上に直接または間接的に形成されるが、下層の圧電体薄膜10が結晶配向性に優れたエピタキシャル成長膜である場合、通常、磁歪層20も結晶化し易くなる。特に、磁歪層20に鉄が含まれる場合には、体心立方構造で結晶化されることが通常である。本実施形態では、磁歪層20の形成において、成膜するための装置と、成膜条件と、を適切に選択することで、非晶質相22と面心立方構造を有する結晶相24とを混在させることができる。 The magnetostrictive layer 20 is formed directly or indirectly on the piezoelectric thin film 10, but if the lower piezoelectric thin film 10 is an epitaxially grown film with excellent crystal orientation, the magnetostrictive layer 20 is usually also easily crystallized. Become. In particular, when the magnetostrictive layer 20 contains iron, it is usually crystallized in a body-centered cubic structure. In the present embodiment, in forming the magnetostrictive layer 20, the amorphous phase 22 and the crystalline phase 24 having a face-centered cubic structure are formed by appropriately selecting a film-forming device and film-forming conditions. Can be mixed.

磁歪層20の結晶構造は、TEMの電子線回折またはX線回折(XRD)などにより確認できる。たとえば、磁歪層20が非晶質相22のみで構成される場合、XRDを用いてCu-Kα線によるθ-2θ測定を行うと、ブロードで幅が広いハローパターンのみが検出される。一方、磁歪層20が結晶相24のみで構成された場合には、半値幅が狭い極めてシャープな反射ピークのみが検出される。また、磁歪層20が非晶質相22と結晶相24とを混在して有する場合、非晶質相22の存在を示すブロードな盛り上がり(ハロー)部分と、結晶相24の存在を示すシャープなピーク部分とを共に有する反射ピークが検出される。 The crystal structure of the magnetostrictive layer 20 can be confirmed by TEM electron beam diffraction or X-ray diffraction (XRD). For example, when the magnetostrictive layer 20 is composed of only the amorphous phase 22, when θ-2θ measurement using Cu-Kα rays is performed using XRD, only a broad halo pattern is detected. On the other hand, when the magnetostrictive layer 20 is composed of only the crystalline phase 24, only an extremely sharp reflection peak with a narrow half-width is detected. Further, when the magnetostrictive layer 20 has a mixture of the amorphous phase 22 and the crystalline phase 24, there is a broad bulge (halo) indicating the presence of the amorphous phase 22 and a sharp portion indicating the presence of the crystalline phase 24. A reflection peak having a peak portion is detected.

また、非晶質相22と結晶相24との割合は、電子線回折もしくはXRDで得られた反射ピークに対して、プロファイルフィッティングを行い、結晶化度を算出することで確認できる。具体的には、結晶相部分(ピーク部分)と非晶質相部分(ハロー部分)のフィッティングを行い、各部分の積分強度(面積)を測定する。そして、結晶化度(%)は、結晶相部分の積分強度(Ic)と非晶質相部分の積分強度(Ia)との和(すなわち全ピーク面積)に対する、結晶相部分の積分強度(Ic)の比(Ic/(Ic+Ia)×100)で表される。本実施形態において、磁歪層20が非晶質相22と結晶相24とを混在して有する場合、結晶化度は、好ましくは、1%~50%、より好ましくは、5%~20%である。 Further, the ratio of the amorphous phase 22 to the crystalline phase 24 can be confirmed by performing profile fitting on a reflection peak obtained by electron beam diffraction or XRD and calculating the degree of crystallinity. Specifically, a crystalline phase portion (peak portion) and an amorphous phase portion (halo portion) are fitted, and the integrated intensity (area) of each portion is measured. The degree of crystallinity (%) is the integrated intensity (Ic) of the crystalline phase portion relative to the sum of the integrated intensity (Ic) of the crystalline phase portion and the integrated intensity (Ia) of the amorphous phase portion (i.e., the total peak area). ) is expressed as the ratio (Ic/(Ic+Ia)×100). In this embodiment, when the magnetostrictive layer 20 has a mixture of the amorphous phase 22 and the crystalline phase 24, the degree of crystallinity is preferably 1% to 50%, more preferably 5% to 20%. be.

磁歪層20の厚みt2は、好ましくは0.1~5μmの範囲内である。なお、厚みt2は、厚みt1と同様にして測定される。この厚みt2も、面内方向のばらつきが小さく、厚みt1と同程度のばらつきである。本実施形態では、厚みt1に対する厚みt2の比率(t2/t1)は、好ましくは、1/10~10の範囲内である。 The thickness t2 of the magnetostrictive layer 20 is preferably within the range of 0.1 to 5 μm. Note that the thickness t2 is measured in the same manner as the thickness t1. This thickness t2 also has small variations in the in-plane direction, and the variations are about the same as the thickness t1. In this embodiment, the ratio of the thickness t2 to the thickness t1 (t2/t1) is preferably within the range of 1/10 to 10.

また、磁歪層20が非晶質相22と結晶相24とを混在して有する場合、磁歪層20の厚みt2は、結晶相24の平均粒径D2よりも大きい。好ましくは、D2/t2は、1未満であり、さらに好ましくは0.01~0.7である。ここで、結晶相24の平均粒径D2は、断面写真(BF像)を画像解析することで求められる。より具体的には、平均粒径D2は、少なくとも3個以上の結晶相24のそれぞれについて、厚み方向で3点以上の箇所で粒径を測定し、その平均値として算出することが好ましい。 Further, when the magnetostrictive layer 20 has a mixture of the amorphous phase 22 and the crystalline phase 24, the thickness t2 of the magnetostrictive layer 20 is larger than the average grain size D2 of the crystalline phase 24. Preferably, D2/t2 is less than 1, more preferably from 0.01 to 0.7. Here, the average grain size D2 of the crystal phase 24 is determined by image analysis of a cross-sectional photograph (BF image). More specifically, the average grain size D2 is preferably calculated as the average value of the grain sizes measured at three or more points in the thickness direction for each of the at least three crystal phases 24.

(その他の機能膜)
なお、図1では図示していないが、積層体2には、圧電体薄膜10と磁歪層20の他に、その他の機能膜が形成してあっても良い。たとえば、圧電体薄膜10の下層、および上層(すなわち圧電体薄膜10と磁歪層20との間)には、導電性の電極膜が形成してあっても良い。導電性の電極膜が形成してあることで、圧電体薄膜10から電気出力を効率よく取り出すことができる。この場合、電極膜としては、白金(Pt)、イリジウム(Ir)、金(Au)などの面心立方構造の金属薄膜や、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO:SRO)やニッケル酸リチウム(LiNiO)などのペロブスカイト構造の酸化物導電体薄膜などを形成することが好ましい。
(Other functional membranes)
Although not shown in FIG. 1, other functional films may be formed in the laminate 2 in addition to the piezoelectric thin film 10 and the magnetostrictive layer 20. For example, a conductive electrode film may be formed on the lower layer and the upper layer of the piezoelectric thin film 10 (that is, between the piezoelectric thin film 10 and the magnetostrictive layer 20). By forming the conductive electrode film, electrical output can be efficiently extracted from the piezoelectric thin film 10. In this case, the electrode film may be a metal thin film with a face-centered cubic structure such as platinum (Pt), iridium (Ir), or gold (Au), or strontium ruthenate (SrRuO 3 :SRO) or lithium nickel oxide (LiNiO 3 ). It is preferable to form an oxide conductor thin film having a perovskite structure such as.

また、圧電体薄膜10と磁歪層20との間に電極膜を形成する場合、当該電極膜は、面心立方構造の多結晶膜、または非晶質相と面心立方構造の結晶相とからなる膜であることが好ましい。このような電極膜は、磁歪層20の結晶性を制御するための結晶性制御層としても機能し得る。すなわち、結晶性制御層を介して圧電体薄膜10の上に磁歪層20を形成することで、非晶質相22と結晶相24とを混在して有する磁歪層20が得られ易くなる。 Further, when an electrode film is formed between the piezoelectric thin film 10 and the magnetostrictive layer 20, the electrode film is formed of a polycrystalline film with a face-centered cubic structure, or an amorphous phase and a crystalline phase with a face-centered cubic structure. It is preferable that the film is Such an electrode film can also function as a crystallinity control layer for controlling the crystallinity of the magnetostrictive layer 20. That is, by forming the magnetostrictive layer 20 on the piezoelectric thin film 10 via the crystallinity control layer, the magnetostrictive layer 20 having both the amorphous phase 22 and the crystalline phase 24 can be easily obtained.

さらに、積層体2の最下層には、エピタキシャル成長を効率よく促すために、バッファ層が形成してあっても良い。バッファ層としては、酸化ジルコニウム(ZrO2)、もしくは、希土類元素(ScおよびYを含む)により安定化された酸化ジルコニウム(安定化ジルコニア)を主成分とすることが好ましい。さらに、磁歪層20の上方には、絶縁性の保護層などが形成してあっても良い。 Furthermore, a buffer layer may be formed at the bottom layer of the stacked body 2 in order to efficiently promote epitaxial growth. The buffer layer preferably contains zirconium oxide (ZrO2) or zirconium oxide (stabilized zirconia) stabilized with rare earth elements (including Sc and Y) as a main component. Furthermore, an insulating protective layer or the like may be formed above the magnetostrictive layer 20.

(積層体2の製造方法)
続いて、図1に示す積層体2の製造方法の一例について説明する。
(Method for manufacturing laminate 2)
Next, an example of a method for manufacturing the laminate 2 shown in FIG. 1 will be described.

積層体2は、図1では図示しない基板上に作製される。使用する基板は、Si、MgO、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)などの各種単結晶から選択することができるが、特に、表面がSi(100)面の単結晶となっているシリコン基板(ウェハ)を使用することが好ましい。上記の単結晶基板を用いることで、圧電体薄膜10をエピタキシャル成長させることができる。なお、圧電体薄膜10の下方(磁歪層の反対側)にバッファ層や電極膜を形成する場合には、これらのバッファ層および電極膜もエピタキシャル成長させて成膜することが好ましい。 The laminate 2 is manufactured on a substrate not shown in FIG. The substrate to be used can be selected from various single crystals such as Si, MgO, strontium titanate (SrTiO3), and lithium niobate (LiNbO3). It is preferable to use a silicon substrate (wafer) that is By using the above single crystal substrate, the piezoelectric thin film 10 can be grown epitaxially. Note that when forming a buffer layer and an electrode film below the piezoelectric thin film 10 (on the opposite side of the magnetostrictive layer), it is preferable that these buffer layers and electrode films are also formed by epitaxial growth.

圧電体薄膜10は、各種薄膜作製法により形成する。薄膜作製法としては、蒸着法、スパッタリング法、ゾルゲル法、CVD法、PLD法などの物理的または化学的な方法を用いることができる。本実施形態において、圧電体薄膜10の薄膜作製法は、特に限定されないが、特に、スパッタリング法を選択することが好ましい。スパッタリング法では、圧電特性の高い膜を、大面積に安定的に作製することができる。 The piezoelectric thin film 10 is formed by various thin film manufacturing methods. As a thin film manufacturing method, a physical or chemical method such as a vapor deposition method, a sputtering method, a sol-gel method, a CVD method, or a PLD method can be used. In this embodiment, the thin film manufacturing method of the piezoelectric thin film 10 is not particularly limited, but it is particularly preferable to select a sputtering method. With the sputtering method, a film with high piezoelectric properties can be stably produced over a large area.

たとえば、スパッタリング法により圧電体薄膜10を形成する場合、安定的にエピタキシャル成長をさせるためには、スパッタリングターゲットの組成、基板温度、成膜速度、ガス組成、真空度、基板-ターゲット間距離などを適正に制御する。また、圧電体薄膜10がドメイン構造を有するためには、特に、スパッタリングターゲットの組成、基板温度、もしくは、積層する磁歪層20の応力などを制御する。 For example, when forming the piezoelectric thin film 10 by sputtering, in order to achieve stable epitaxial growth, the composition of the sputtering target, substrate temperature, film formation rate, gas composition, degree of vacuum, substrate-target distance, etc. must be adjusted appropriately. to control. Furthermore, in order for the piezoelectric thin film 10 to have a domain structure, the composition of the sputtering target, the substrate temperature, the stress of the stacked magnetostrictive layer 20, etc. are particularly controlled.

たとえば、スパッタリングターゲットの組成は、圧電材料の材質に応じて、複数のドメインや結晶相が形成されやすい組成を選択すると共に、蒸気圧の高い元素を、化学量論的組成の20~120%増しとすることが好ましい。PZTを例にとると、Pb/(Zr+Ti)で表される原子比が、1.2~2.2であることが好ましく、Zr/(Zr+Ti)で表される原子比が、1~1.5となるように制御することが好ましい。 For example, depending on the material of the piezoelectric material, the composition of the sputtering target is selected such that multiple domains and crystal phases are likely to be formed, and the elements with high vapor pressure are added at a rate of 20 to 120% higher than the stoichiometric composition. It is preferable that Taking PZT as an example, the atomic ratio expressed by Pb/(Zr+Ti) is preferably 1.2 to 2.2, and the atomic ratio expressed by Zr/(Zr+Ti) is preferably 1 to 1.2. It is preferable to control it so that it becomes 5.

また、基板温度については、550~650℃となるように制御することが好ましく、磁歪層20の応力は、圧縮応力とすることが好ましい。なお、圧電体薄膜10の結晶構造をドメイン構造とする場合、成膜後に、酸化雰囲気において300℃~500℃の温度でアニール処理することも効果的である。 Further, the substrate temperature is preferably controlled to be 550 to 650° C., and the stress of the magnetostrictive layer 20 is preferably compressive stress. Note that when the crystal structure of the piezoelectric thin film 10 is a domain structure, it is also effective to perform annealing treatment at a temperature of 300° C. to 500° C. in an oxidizing atmosphere after film formation.

圧電体薄膜10を成膜した後、圧電体薄膜10の上に直接または間接的に磁歪層20を形成する。軟磁性高磁歪膜で構成される磁歪層20は、スパッタリング法、真空蒸着法、PLD法、イオンビーム蒸着法(IBD法)などといった真空堆積法により形成する。特に、スパッタリング法を選択することが好ましい。 After forming the piezoelectric thin film 10, the magnetostrictive layer 20 is formed directly or indirectly on the piezoelectric thin film 10. The magnetostrictive layer 20 made of a soft magnetic high magnetostrictive film is formed by a vacuum deposition method such as a sputtering method, a vacuum evaporation method, a PLD method, or an ion beam evaporation method (IBD method). In particular, it is preferable to select a sputtering method.

前述したように本実施形態の磁歪層20は、保磁力H、しきい磁場HTH、磁場感度dλ/dHを所定の範囲に制御している。これらの特性は、成膜する軟磁性体の組成によっても制御し得るが、成膜時の真空度により制御することが好ましい。具体的に、成膜時の真空度は、1.0×10-4Pa以下とすることが好ましく、1.0×10-5Pa以下とすることがより好ましい。なお、成膜時の真空度とは、成膜中における成膜室内の最高到達圧力を意味しており、値が低いほど真空度が高いことを意味する。また、成膜前の成膜室内の圧力は、上記の数値範囲よりも低く設定することが好ましい。さらに、スパッタリング法で成膜する場合、製品への成膜を行う直前に、プリスパッタを十分長く実施し、成膜室内に残留する酸素や窒素などの残留ガスを低減することが好ましい。なお、プリスパッタとは、製品への成膜直前にダミー基板へスパッタすることを意味する。 As described above, the magnetostrictive layer 20 of this embodiment controls the coercive force H C , the threshold magnetic field H TH , and the magnetic field sensitivity dλ/dH within predetermined ranges. Although these characteristics can also be controlled by the composition of the soft magnetic material to be formed, it is preferable to control them by the degree of vacuum during film formation. Specifically, the degree of vacuum during film formation is preferably 1.0×10 −4 Pa or less, more preferably 1.0×10 −5 Pa or less. Note that the degree of vacuum during film formation means the maximum pressure reached within the film formation chamber during film formation, and the lower the value, the higher the degree of vacuum. Further, it is preferable that the pressure in the film forming chamber before film forming is set lower than the above numerical range. Furthermore, when forming a film by a sputtering method, it is preferable to carry out pre-sputtering for a sufficiently long time immediately before forming a film on a product to reduce residual gases such as oxygen and nitrogen remaining in the film forming chamber. Note that pre-sputtering means sputtering onto a dummy substrate immediately before film formation on a product.

また、非晶質相22と結晶相24とを混在させるためには、基板温度、ガス組成、ガス圧力、パワー、供給源から基板までの距離などの成膜条件を適切に制御すればよい。たとえば、スパッタリング法の場合、基板温度は、20℃~200℃とすることが好ましい。特に、結晶相24を面心立方構造とするためには、基板加熱を行わずに、供給源と基板との距離を100mm以上に離すことで、成膜時の基板温度を200℃以下に保つことが好ましい。また、磁歪層20の結晶性を制御するためには、前述したように、圧電体薄膜10と磁歪層20との間に、結晶性制御層を形成することも効果的である。 Further, in order to mix the amorphous phase 22 and the crystalline phase 24, film forming conditions such as substrate temperature, gas composition, gas pressure, power, and distance from the supply source to the substrate may be appropriately controlled. For example, in the case of sputtering, the substrate temperature is preferably 20°C to 200°C. In particular, in order to make the crystal phase 24 have a face-centered cubic structure, the substrate temperature during film formation is kept below 200°C by separating the supply source and the substrate at a distance of 100 mm or more without heating the substrate. It is preferable. Furthermore, in order to control the crystallinity of the magnetostrictive layer 20, it is also effective to form a crystallinity control layer between the piezoelectric thin film 10 and the magnetostrictive layer 20, as described above.

上記の方法により、積層体2が形成された基板が得られる。なお、得られた基板については、適宜パターニング加工などを施し、所定の形状に加工することで、積層体2を含むME素子(Magnetoelectric (ME) element)となる。このME素子の製造においては、上記のパターニング加工後に、当該基板の一部または全部をエッチングなどにより除去してもよい。なお、ME素子の構成に関しては、第2実施形態で詳細を説明する。 By the method described above, a substrate on which the laminate 2 is formed is obtained. Note that the obtained substrate is subjected to appropriate patterning processing and processed into a predetermined shape, thereby becoming an ME element (Magnetoelectric (ME) element) including the laminate 2. In manufacturing this ME element, after the patterning process described above, part or all of the substrate may be removed by etching or the like. Note that the configuration of the ME element will be explained in detail in the second embodiment.

(第1実施形態のまとめ)
本実施形態の積層体2では、圧電体薄膜10がエピタキシャル成長膜から成り、圧電体薄膜10の内部に結晶粒界がほとんど存在しない。すなわち、積層体2に含まれる圧電体薄膜10は、優れた結晶配向性を有する。そのため、本実施形態の圧電体薄膜10では、結晶粒界による物理量の攪乱が抑制され、優れた圧電特性を示す。
(Summary of the first embodiment)
In the laminate 2 of this embodiment, the piezoelectric thin film 10 is made of an epitaxially grown film, and there are almost no grain boundaries inside the piezoelectric thin film 10. That is, the piezoelectric thin film 10 included in the laminate 2 has excellent crystal orientation. Therefore, the piezoelectric thin film 10 of this embodiment suppresses disturbance of physical quantities due to grain boundaries and exhibits excellent piezoelectric properties.

また、本実施形態において、圧電体薄膜10の上に直接または間接的に形成してある磁歪層20は、保磁力Hやしきい磁場HTHが低い軟磁性高磁歪膜である。 Further, in this embodiment, the magnetostrictive layer 20 directly or indirectly formed on the piezoelectric thin film 10 is a soft magnetic high magnetostrictive film with a low coercive force H C and a low threshold magnetic field H TH .

従来、磁電効果を向上させるためには、磁歪層の飽和磁歪λMAXを大きくすることが重要であって、磁歪層として軟磁性体よりも飽和磁歪λMAXが大きい硬磁性体を用いることが良いと考えられていた。本発明者等は、鋭意検討した結果、磁歪層の飽和磁歪λMAXを大きくしても磁電効果の応答性はあまり向上せず、むしろ、磁歪層20として保磁力Hやしきい磁場HTHが低い軟磁性の高磁歪膜を用いることで、磁電効果の応答性が向上することを見出した。 Conventionally, in order to improve the magnetoelectric effect, it is important to increase the saturation magnetostriction λ MAX of the magnetostrictive layer, and it is better to use a hard magnetic material with a larger saturation magnetostriction λ MAX than a soft magnetic material as the magnetostrictive layer. It was thought that As a result of intensive studies, the inventors of the present invention found that even if the saturation magnetostriction λ MAX of the magnetostrictive layer is increased, the responsiveness of the magnetoelectric effect does not improve much . We have found that the responsiveness of the magnetoelectric effect can be improved by using a soft magnetic, high magnetostrictive film with low magnetic flux.

ここで「磁電効果の応答性」とは、外部から送信される入力信号に対して確実に出力が得られることを意味する。すなわち、本実施形態において、「磁電効果の応答性が優れる」とは、微小な外部磁場(たとえば、1kHz,0.8A/m以下の交流磁場)であったとしても、圧電体薄膜10で電荷が発生し、出力(電圧)が得られること意味する。また、微小な外部磁場に対して得られる出力の大きさが大きいほど、応答性が良いと判断する。 Here, "responsiveness of magnetoelectric effect" means that an output can be reliably obtained in response to an input signal transmitted from the outside. In other words, in this embodiment, "excellent responsiveness of the magnetoelectric effect" means that even if there is a minute external magnetic field (for example, an alternating current magnetic field of 1 kHz, 0.8 A/m or less), the piezoelectric thin film 10 will not be charged. occurs and an output (voltage) is obtained. Furthermore, it is determined that the larger the output obtained in response to a minute external magnetic field, the better the responsiveness.

磁歪効果の応答性が向上する理由は、必ずしも明らかではないが、以下の事由が考えられる。エピタキシャル成長した圧電体薄膜10と、軟磁性高磁歪膜とを組み合わせた積層体2では、外部磁場を受けて容易に磁歪層20の磁区構造が変化し、均一な膜質から同一方向の磁歪が一斉に発生する。そのため、外部磁場の大きさが微小であったとしても、圧電体薄膜10に発生する変位ノイズよりも大きな歪みを発生させることができると考えられる。すなわち、本発明の積層体構造では、微小な外部磁場(入力信号)であったとしても、圧電体薄膜10を十分に振動させることができると考えられる。 Although the reason why the responsiveness of the magnetostrictive effect improves is not necessarily clear, the following reasons are considered. In the laminated body 2 which is a combination of an epitaxially grown piezoelectric thin film 10 and a soft magnetic high magnetostrictive film, the magnetic domain structure of the magnetostrictive layer 20 easily changes when subjected to an external magnetic field, and the magnetostriction in the same direction changes all at once due to the uniform film quality. Occur. Therefore, even if the magnitude of the external magnetic field is minute, it is thought that it is possible to generate a strain larger than the displacement noise generated in the piezoelectric thin film 10. That is, it is considered that in the laminate structure of the present invention, the piezoelectric thin film 10 can be sufficiently vibrated even with a minute external magnetic field (input signal).

また、本実施形態において、軟磁性高磁歪膜(磁歪層20)の保磁力Hは、2500A/m未満であることが好ましい。本発明者等の実験によれば、保磁力Hが低ければ低いほど、磁電効果の応答性が向上し、微小な外部磁場に対する電荷の発生量がより大きくなる。 Further, in this embodiment, the coercive force H C of the soft magnetic high magnetostrictive film (magnetostrictive layer 20) is preferably less than 2500 A/m. According to experiments conducted by the present inventors, the lower the coercive force H C , the better the responsiveness of the magnetoelectric effect, and the greater the amount of charge generated in response to a minute external magnetic field.

さらに、本実施形態において、軟磁性高磁歪膜(磁歪層20)のしきい磁場HTHは、500A/m未満であることが好ましい。本発明者等の実験によれば、磁歪層のしきい磁場HTHが低ければ低いほど、磁電効果の応答性が向上し、微小な外部磁場に対する電荷の発生量がより大きくなる。 Furthermore, in this embodiment, the threshold magnetic field H TH of the soft magnetic high magnetostrictive film (magnetostrictive layer 20) is preferably less than 500 A/m. According to experiments conducted by the present inventors, the lower the threshold magnetic field H TH of the magnetostrictive layer, the better the responsiveness of the magnetoelectric effect, and the greater the amount of charge generated in response to a minute external magnetic field.

加えて、本実施形態において、軟磁性高磁歪膜(磁歪層20)の磁場感度dλ/dHは、10ppb・m・A-1以上であることが好ましく、15ppb・m・A-1以上であることがより好ましい。本発明者等の実験によれば、磁場感度dλ/dHが上記の基準値よりも大きい場合、より微小な外部磁場(たとえば、1kHz,800μA/m以下の交流磁場)に対しても応答可能となる。また、磁場感度dλ/dHが大きくなるほど、微小な外部磁場に対する電荷の発生量がさらに大きくなる。 In addition, in this embodiment, the magnetic field sensitivity dλ/dH of the soft magnetic high magnetostrictive film (magnetostrictive layer 20) is preferably 10 ppb·m·A −1 or more, and preferably 15 ppb·m·A −1 or more. It is more preferable. According to experiments conducted by the present inventors, when the magnetic field sensitivity dλ/dH is larger than the above reference value, it is possible to respond to a smaller external magnetic field (for example, an alternating current magnetic field of 1 kHz, 800 μA/m or less). Become. Furthermore, as the magnetic field sensitivity dλ/dH increases, the amount of charge generated in response to a minute external magnetic field increases.

なお、本実施形態において、軟磁性高磁歪膜で構成される磁歪層20は、圧延などの機械加工で得られる薄板ではなく、圧電体薄膜の上に、直接または間接的に、真空堆積法で形成してある。機械加工で得られる薄板は、接着層を介して圧電体薄膜の上に積層するか、もしくは圧着積層する必要がある。しかしながら、接着層を介在させる場合、接着層が、磁歪層と圧電体層との間における歪みの伝達や電荷の受け渡しを阻害する。また、圧着積層する場合、薄板の表面に発生する表面酸化膜が、磁歪層と圧電体層との間における歪みの伝達や電荷の受け渡しを阻害する。本実施形態の積層体2では、磁歪層20が真空堆積法で形成してあるため、上記のような阻害作用が発生せず、応答性が良好となる。また、積層体2の薄型化も可能である。 In this embodiment, the magnetostrictive layer 20 made of a soft magnetic high magnetostrictive film is not a thin plate obtained by mechanical processing such as rolling, but is formed directly or indirectly on a piezoelectric thin film by vacuum deposition. It has been formed. The thin plate obtained by machining must be laminated on the piezoelectric thin film via an adhesive layer or pressure laminated. However, when an adhesive layer is interposed, the adhesive layer inhibits strain transmission and charge transfer between the magnetostrictive layer and the piezoelectric layer. Furthermore, in the case of lamination by pressure bonding, a surface oxide film generated on the surface of the thin plate inhibits the transmission of strain and the exchange of charge between the magnetostrictive layer and the piezoelectric layer. In the laminate 2 of this embodiment, since the magnetostrictive layer 20 is formed by a vacuum deposition method, the above-mentioned inhibiting effect does not occur, and responsiveness is improved. Further, it is also possible to make the laminate 2 thinner.

第2実施形態
第2実施形態では、図2~図4を参照して、第1実施形態の積層体2を含むME素子30について説明する。このME素子30は、電源や電気/電子回路と接続され、回路基板に搭載するかパッケージされることにより、エネルギー変換デバイスや磁気センサなどの電子デバイスを構成する。
Second Embodiment In a second embodiment, an ME element 30 including the laminate 2 of the first embodiment will be described with reference to FIGS. 2 to 4. The ME element 30 is connected to a power source and an electric/electronic circuit, and is mounted on a circuit board or packaged to constitute an electronic device such as an energy conversion device or a magnetic sensor.

図2に示すように、第2実施形態に係るME素子30は、全体として略矩形の平面視形状を有する。ME素子30の寸法は、特に限定されず、電子デバイスの用途に応じて適宜決定すればよい。そして、ME素子30は、機能膜が積層された膜積層部32と、平面視において膜積層部32の外側を取り囲む外周部34と、を有する。 As shown in FIG. 2, the ME element 30 according to the second embodiment has a generally rectangular shape in plan view. The dimensions of the ME element 30 are not particularly limited, and may be determined as appropriate depending on the use of the electronic device. The ME element 30 includes a film stacking section 32 in which functional films are stacked, and an outer peripheral section 34 surrounding the outside of the film stacking section 32 in plan view.

膜積層部32は、X軸とY軸とを含む平面に沿って形成してあり、略矩形の平面視形状を有する。そして、膜積層部32は、X軸と平行な縁辺と、Y軸と平行な縁辺とを有し、膜積層部32の長手方向が、X軸と一致する。なお、図2~4において、X軸、Y軸およびZ軸は、相互に略垂直であり、Z軸が膜の積層方向に一致する。 The film stack portion 32 is formed along a plane including the X axis and the Y axis, and has a substantially rectangular shape in plan view. The membrane laminated portion 32 has an edge parallel to the X-axis and an edge parallel to the Y-axis, and the longitudinal direction of the membrane laminated portion 32 coincides with the X-axis. Note that in FIGS. 2 to 4, the X-axis, Y-axis, and Z-axis are substantially perpendicular to each other, and the Z-axis coincides with the stacking direction of the films.

図3に示すように、Z軸方向の最下層には、基板40が存在する。この基板40は、X-Y平面の略中央部、すなわち膜積層部32の部分において、開口部42を有している。つまり、基板40は、実質的に素子30の外周部34にのみ存在している。開口部42のZ軸上方に位置する膜積層部32には、下部電極膜50と、圧電体薄膜10と、磁歪層20とが、この順で積層してある。すなわち、膜積層部32には、第1実施形態で説明した積層体2が含まれている。 As shown in FIG. 3, the substrate 40 is present at the bottom layer in the Z-axis direction. This substrate 40 has an opening 42 approximately at the center of the XY plane, that is, at the film stack 32 portion. In other words, the substrate 40 exists substantially only on the outer peripheral portion 34 of the element 30. A lower electrode film 50, a piezoelectric thin film 10, and a magnetostrictive layer 20 are laminated in this order in the film lamination section 32 located above the Z-axis of the opening 42. That is, the film stack section 32 includes the stack 2 described in the first embodiment.

下部電極膜50は、端部50aと中央部分50bとを一体的に有する。図2に示す平面視において、下部電極膜50の中央部分50bは、開口部42の開口面よりも小さい略矩形の形状を有する。また、下部電極膜50の端部50aは、中央部分50bのX軸方向の両端に位置し、図2に示す平面視において、中央部分50bよりもY軸方向の幅が小さい略矩形の形状を有する。下部電極膜50は、上記のような形状を有するため、図3に示す断面において、開口部42のZ軸方向の上部開口面を、X軸方向に掛け渡すように存在している。そして、下部電極膜50の端部50aのみが、ME素子30の外周部34に位置する基板40の表面に存在している。 The lower electrode film 50 integrally has an end portion 50a and a central portion 50b. In the plan view shown in FIG. 2, the central portion 50b of the lower electrode film 50 has a substantially rectangular shape smaller than the opening surface of the opening 42. As shown in FIG. Furthermore, the end portions 50a of the lower electrode film 50 are located at both ends of the central portion 50b in the X-axis direction, and have a substantially rectangular shape with a smaller width in the Y-axis direction than the central portion 50b in plan view shown in FIG. have Since the lower electrode film 50 has the above shape, it exists so as to span the upper opening surface of the opening 42 in the Z-axis direction in the X-axis direction in the cross section shown in FIG. Only the end portion 50a of the lower electrode film 50 is present on the surface of the substrate 40 located at the outer peripheral portion 34 of the ME element 30.

一方で、図4に示す断面(図2のIII-III線に沿う断面)においては、下部電極膜50の中央部分50bの断面のみが現れ、端部50aが存在しない。そのため、図4に示す断面においては、下部電極膜50を含む膜積層部32が、開口部42のZ軸上方において、浮遊しているように見える。開口部42の上方で浮遊している膜積層部32は、積層されている各膜の応力の不均衡によって、反りが発生し易いが、膜積層部32の下部電極膜50の下面と、基板40に接触している下部電極膜50の端部50aの下面とで、Z軸方向の高さがおおよそ一致していることが好ましい。 On the other hand, in the cross section shown in FIG. 4 (the cross section along line III-III in FIG. 2), only the cross section of the central portion 50b of the lower electrode film 50 appears, and the end portion 50a does not exist. Therefore, in the cross section shown in FIG. 4, the film stack 32 including the lower electrode film 50 appears to be floating above the Z-axis of the opening 42. The film stack 32 floating above the opening 42 is likely to warp due to unbalanced stress among the stacked films, but the lower surface of the lower electrode film 50 of the film stack 32 and the substrate It is preferable that the heights in the Z-axis direction of the lower surface of the end portion 50a of the lower electrode film 50 that are in contact with the lower electrode film 40 are approximately the same.

そして、圧電体薄膜10は、下部電極膜50のZ軸方向の上方に位置し、下部電極膜50と同等の平面視形状を有する。図2では、圧電体薄膜10の平面寸法(X-Y平面上の面積)が、下部電極膜50の平面寸法よりも小さくなっているが、下部電極膜50と同程度の大きさであってもよい。また、圧電体薄膜10のZ軸方向の上方には、磁歪層20が存在し、この磁歪層20も、略矩形の平面視形状を有する。そして、磁歪層20の平面寸法は、圧電体薄膜10の平面寸法よりも小さくなっている。磁歪層20の平面寸法を、圧電体薄膜10よりも小さくすることで、ME素子30の耐久性が向上する傾向となる。 The piezoelectric thin film 10 is located above the lower electrode film 50 in the Z-axis direction, and has the same shape in plan view as the lower electrode film 50. In FIG. 2, the planar dimension (area on the XY plane) of the piezoelectric thin film 10 is smaller than the planar dimension of the lower electrode film 50, but it is about the same size as the lower electrode film 50. Good too. Further, above the piezoelectric thin film 10 in the Z-axis direction, there is a magnetostrictive layer 20, and this magnetostrictive layer 20 also has a substantially rectangular shape in plan view. The planar dimension of the magnetostrictive layer 20 is smaller than the planar dimension of the piezoelectric thin film 10. By making the planar dimension of the magnetostrictive layer 20 smaller than that of the piezoelectric thin film 10, the durability of the ME element 30 tends to improve.

また、図3に示すように、下部電極膜50の一方の端部50aには、第1取出電極51の先端が接続してある。この第1取出電極膜51の後端には、第1電極パッド51aが基板40の表面に形成してあり、第1電極パッド51aを介して、図示しない外部回路が接続可能になっている。 Further, as shown in FIG. 3, the tip of the first extraction electrode 51 is connected to one end 50a of the lower electrode film 50. At the rear end of the first extraction electrode film 51, a first electrode pad 51a is formed on the surface of the substrate 40, and an external circuit (not shown) can be connected via the first electrode pad 51a.

さらに、下部電極膜50の他方の端部50aは、圧電体薄膜10の表面の一部と共に、絶縁層54で覆われている。そして、絶縁膜54の上をX軸方向に掛け渡すように、第2取出電極53が形成してあり、第2取出電極53の先端は、磁歪層20に接続してある。この第2取出電極膜53の後端には、第2電極パッド53aが基板40の表面に形成してあり、第2電極パッド部53aを介して、図示しない外部回路が接続可能になっている。なお、絶縁膜54があるため、第2取出電極53は、下部電極膜50に対して絶縁されている。 Furthermore, the other end 50a of the lower electrode film 50 is covered with an insulating layer 54 along with a portion of the surface of the piezoelectric thin film 10. A second lead-out electrode 53 is formed so as to span over the insulating film 54 in the X-axis direction, and the tip of the second lead-out electrode 53 is connected to the magnetostrictive layer 20 . At the rear end of the second extraction electrode film 53, a second electrode pad 53a is formed on the surface of the substrate 40, and an external circuit (not shown) can be connected via the second electrode pad portion 53a. . Note that because of the insulating film 54, the second extraction electrode 53 is insulated from the lower electrode film 50.

上記のように、第2実施形態のME素子30では、膜積層部32において、圧電体薄膜10が下部電極膜50と磁歪層20とで挟まれた状態で積層してある。そのため、圧電体薄膜10には、下部電極膜50と磁歪層20とを介して、電圧の印可が可能である。もしくは、圧電体薄膜10で発生した電荷を、下部電極膜50と磁歪層20とを介して、取り出し可能となっている。なお、図示していないが、圧電体薄膜10と磁歪層20との間には上部電極膜が形成してあってもよい。 As described above, in the ME element 30 of the second embodiment, the piezoelectric thin film 10 is sandwiched and stacked between the lower electrode film 50 and the magnetostrictive layer 20 in the film stacking section 32 . Therefore, a voltage can be applied to the piezoelectric thin film 10 via the lower electrode film 50 and the magnetostrictive layer 20. Alternatively, charges generated in the piezoelectric thin film 10 can be taken out via the lower electrode film 50 and the magnetostrictive layer 20. Although not shown, an upper electrode film may be formed between the piezoelectric thin film 10 and the magnetostrictive layer 20.

第2実施形態において、基板40は、少なくとも膜積層部32を支持できる絶縁物であればよい。ただし、圧電体薄膜10をエピタキシャル成長させる際に使用する単結晶基板を、基板40として利用してもよい。つまり、基板40の材質は、Si、MgO、チタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)などの各種単結晶から選択することができ、特に、表面がSi(100)面の単結晶となっているシリコン基板とすることが好ましい。 In the second embodiment, the substrate 40 may be any insulator as long as it can support at least the film stack 32. However, the single crystal substrate used when epitaxially growing the piezoelectric thin film 10 may be used as the substrate 40. That is, the material of the substrate 40 can be selected from various single crystals such as Si, MgO, strontium titanate (SrTiO3), and lithium niobate (LiNbO3), and in particular, a single crystal with a Si (100) surface. It is preferable to use a silicon substrate that is

また、下部電極膜50は、Pt、Ir、Auなどの面心立方構造の金属薄膜か、SrRuO(SRO)やLaNiOなどのペロブスカイト型構造の酸化物導電体膜とすることが好ましい。上記の金属薄膜および酸化物導電体薄膜は、単結晶の基板上にエピタキシャル成長させることができ、第2実施形態では、下部電極膜50もエピタキシャル成長膜とする。また、下部電極膜50は、上記の金属薄膜と上記の酸化物導電体膜とを積層して構成してもよい(例えば、Pt電極/SrRuOなど)。この場合(複数積層の場合)、下部電極膜50の圧電体薄膜10側(すなわちZ軸方向の上方)には、酸化物導電体膜が存在することが好ましい。そして、下部電極膜50の平均厚みは、全体として、3nm~200nmとすることが好ましい。 Further, the lower electrode film 50 is preferably a thin metal film with a face-centered cubic structure such as Pt, Ir, or Au, or an oxide conductor film with a perovskite structure such as SrRuO 3 (SRO) or LaNiO 3 . The metal thin film and oxide conductor thin film described above can be epitaxially grown on a single crystal substrate, and in the second embodiment, the lower electrode film 50 is also an epitaxially grown film. Further, the lower electrode film 50 may be formed by laminating the above metal thin film and the above oxide conductor film (for example, Pt electrode/SrRuO 3 etc.). In this case (in the case of multiple lamination), it is preferable that an oxide conductor film exists on the piezoelectric thin film 10 side of the lower electrode film 50 (ie, above in the Z-axis direction). The average thickness of the lower electrode film 50 as a whole is preferably 3 nm to 200 nm.

なお、圧電体薄膜10と磁歪層20との間に上部電極膜を形成する場合、この上部電極膜は、下部電極膜50と同様の構成とすることができる。ただし、上部電極膜は、エピタキシャル成長膜である必要はなく、面心立方構造の多結晶膜、または非晶質相と面心立方構造の結晶相とからなる膜とすることが好ましい。これらの膜は、第1実施形態でも述べたように、結晶性制御層としても機能し得る。 Note that when an upper electrode film is formed between the piezoelectric thin film 10 and the magnetostrictive layer 20, this upper electrode film can have the same structure as the lower electrode film 50. However, the upper electrode film does not need to be an epitaxially grown film, and is preferably a polycrystalline film with a face-centered cubic structure or a film consisting of an amorphous phase and a crystalline phase with a face-centered cubic structure. These films can also function as a crystallinity control layer, as described in the first embodiment.

なお、圧電体薄膜10と磁歪層20とは、第1実施形態と同様の構成とすればよく、説明を省略する。 Note that the piezoelectric thin film 10 and the magnetostrictive layer 20 may have the same configuration as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

また、第1取出電極膜51および第2取出電極膜53については、導電性を有していればよく、その材質や厚みは特に限定されない。たとえば、Ptのほか、Ag、Cu、Au、Alなどの導電性金属を含むことができる。また、絶縁層54については、電気絶縁性を有していればよく、その材質や厚みは特に限定されない。たとえば、絶縁膜54として、SiO2、Al2O3、ポリイミドなどが適用できる。 Further, the first extraction electrode film 51 and the second extraction electrode film 53 only need to have conductivity, and their material and thickness are not particularly limited. For example, in addition to Pt, conductive metals such as Ag, Cu, Au, and Al can be included. Further, the insulating layer 54 only needs to have electrical insulation properties, and its material and thickness are not particularly limited. For example, the insulating film 54 can be made of SiO2, Al2O3, polyimide, or the like.

なお、図示していないが、下部電極膜50のZ軸方向の下方(すなわち、基板40と下部電極膜50との間)には、バッファ層が形成してあってもよい。第1実施形態でも述べたように、バッファ層が形成してあることで、バッファ層より上層に位置する膜のエピタキシャル成長が促進される(高品質となる)。また、バッファ層は、開口部42を形成する際に、エッチングストッパ層としても機能する。バッファ層を形成する場合、その厚みは、5nm~100nmとすることが好ましい。 Although not shown, a buffer layer may be formed below the lower electrode film 50 in the Z-axis direction (that is, between the substrate 40 and the lower electrode film 50). As described in the first embodiment, the formation of the buffer layer promotes epitaxial growth of the film located above the buffer layer (results in high quality). Further, the buffer layer also functions as an etching stopper layer when forming the opening 42. When forming a buffer layer, its thickness is preferably 5 nm to 100 nm.

また、ME素子30の最上層では、少なくとも膜積層部32の表面を覆うように保護層が形成してあってもよい。保護層としては、絶縁性の膜が好ましいが、たとえば、SiO、Al、ポリイミドなどの絶縁膜のほか、TiやTaなどの金属膜を使用することができ、その厚みは、特に制限されず、少なくとも10nm程度あればよい。 Further, a protective layer may be formed on the uppermost layer of the ME element 30 so as to cover at least the surface of the film stack 32. As the protective layer, an insulating film is preferable, but in addition to insulating films such as SiO 2 , Al 2 O 3 , and polyimide, metal films such as Ti and Ta can also be used, and the thickness thereof may be determined depending on the There is no limitation, and the thickness may be at least about 10 nm.

ME素子30は、上記の構成を有することで、膜積層部32が、特定の周波数の振動モードを有する振動子としても機能する。第2実施形態においては、膜積層部32は、特に面内方向で伸縮振動が可能である。ここで、面内伸縮とは、X-Y平面に沿って膜積層部32が伸縮することを意味し、面外伸縮とは、Z軸方向において膜積層部32が伸縮することを意味する。本実施形態のように面内伸縮が可能である場合、膜積層部32は、面外方向においても伸縮振動が可能である。 Since the ME element 30 has the above-mentioned configuration, the membrane laminated portion 32 also functions as a vibrator having a vibration mode of a specific frequency. In the second embodiment, the membrane laminated portion 32 is capable of expanding and contracting vibrations, especially in the in-plane direction. Here, in-plane expansion and contraction means that the membrane stack 32 expands and contracts along the XY plane, and out-of-plane expansion and contraction means that the membrane stack 32 expands and contracts in the Z-axis direction. When in-plane expansion and contraction is possible as in this embodiment, the membrane laminated portion 32 is also capable of expansion and contraction vibration in the out-of-plane direction.

振動子としての機能に着目した場合、下部電極膜50の端部50aと圧電体薄膜10の端部が積層してある部分(特に、開口部42の上方で膜積層部32を支持している部分)が支持部36となる。 When focusing on the function as a vibrator, the portion where the end portion 50a of the lower electrode film 50 and the end portion of the piezoelectric thin film 10 are laminated (in particular, the portion where the end portion 50a of the lower electrode film 50 and the end portion of the piezoelectric thin film 10 are laminated) portion) becomes the support portion 36.

この支持部36は、膜積層部32(振動子)の面内伸縮を妨げないように、膜積層部32に対して剛性の低い形態であることが好ましい。たとえば、支持部36のY軸方向幅は、膜積層部32のY軸方向幅に対して狭くする。あるいは、支持部36のZ軸方向厚みは、膜積層部32のZ軸方向厚みに対して小さくする。支持部36の厚みと幅の積は、膜積層部32のそれに対して90%よりも小さいことが好ましく、75%よりも小さいことがより好ましい。このように構成することによって、大きな振幅の面内伸縮振動を誘起でき、ME素子30の出力をより大きくすることができる。 This support portion 36 is preferably of a form having lower rigidity than the membrane lamination portion 32 so as not to impede in-plane expansion and contraction of the membrane lamination portion 32 (vibrator). For example, the width of the support portion 36 in the Y-axis direction is made narrower than the width of the membrane stacked portion 32 in the Y-axis direction. Alternatively, the thickness of the support portion 36 in the Z-axis direction is made smaller than the thickness of the membrane stacked portion 32 in the Z-axis direction. The product of the thickness and width of the support portion 36 is preferably smaller than 90%, and more preferably smaller than 75%, of that of the membrane laminated portion 32. With this configuration, it is possible to induce large-amplitude in-plane stretching vibrations, and the output of the ME element 30 can be further increased.

また、支持部36のX軸方向の長さは、膜積層部32に伝わる振動波長の1/4程度であることが好ましい。このような長さとすることで、エネルギーが膜積層部32に効率的に閉じ込められ、ME素子30の出力より大きくできるとともに、アレー化(素子30を複数個組み合わせること)した場合の素子間の干渉を抑制することができる。 Further, it is preferable that the length of the support portion 36 in the X-axis direction is approximately 1/4 of the vibration wavelength transmitted to the film laminated portion 32. By having such a length, energy is efficiently confined in the film stack 32, which allows the output to be larger than that of the ME element 30, and also reduces interference between elements when arrayed (combining a plurality of elements 30). can be suppressed.

また、膜積層部32の表面(図2~4の場合、下部電極膜50の下面および磁歪層20の上面)は、平坦であることが好ましい。より具体的に、表面粗さは、算術平均粗さ(Ra)または要素の平均長さ(Rms)で、1μmよりも小さいことが好ましく、膜積層部32を伝わる振動波長の1/10以下となることがより好ましい。 Further, the surface of the film stack 32 (in the case of FIGS. 2 to 4, the lower surface of the lower electrode film 50 and the upper surface of the magnetostrictive layer 20) is preferably flat. More specifically, the surface roughness is preferably smaller than 1 μm in terms of arithmetic mean roughness (Ra) or average length of elements (Rms), and is 1/10 or less of the vibration wavelength transmitted through the membrane stack 32. It is more preferable that

第2実施形態のME素子30では、膜積層部32および支持部36が上記の構成を有することで、振動の鋭さを表す特性であるQが大きくなる。第2実施形態のME素子30では、Qが100より大きくなることが好ましい。 In the ME element 30 of the second embodiment, since the membrane laminated portion 32 and the support portion 36 have the above configuration, Q, which is a characteristic representing the sharpness of vibration, becomes large. In the ME element 30 of the second embodiment, it is preferable that Q be larger than 100.

以下、図2~4に示すME素子30の製造方法について、説明する。 A method for manufacturing the ME element 30 shown in FIGS. 2 to 4 will be described below.

ME素子30の製造では、まず、シリコン基板などの成膜用基板の上に、下部電極膜50と、圧電体薄膜10と、磁歪層20とを、成膜する。圧電体薄膜10と磁歪層20の成膜方法は、第1実施形態で述べたとおりである。下部電極膜50は、エピタキシャル成長させるが、その成膜条件は、公知の条件を適用すればよい。 In manufacturing the ME element 30, first, the lower electrode film 50, the piezoelectric thin film 10, and the magnetostrictive layer 20 are formed on a film-forming substrate such as a silicon substrate. The method of forming the piezoelectric thin film 10 and the magnetostrictive layer 20 is as described in the first embodiment. The lower electrode film 50 is grown epitaxially, and known conditions may be applied to the film formation conditions.

機能膜を積層した基板については、図2に示すようなパターンとなるように、パターニング加工を施す。パターニング加工は、フォトエッチングやレーザードライエッチングなどの各種エッチング法、もしくは、リフトオフ法で行うことができる。 The substrate on which the functional film is laminated is patterned to form a pattern as shown in FIG. The patterning process can be performed using various etching methods such as photo etching and laser dry etching, or a lift-off method.

パターニング加工を施した後には、第1取出電極膜51および第2取出電極膜53と、絶縁膜54とを、図2に示すような所定のパターンで形成する。また、成膜用基板の一部を、Deep-RIE法などのドライエッチングや、異方性ウェットエッチングなどの方法により除去し、開口部42を有する基板40を形成する。なお、上記のエッチングにより成膜用基板をすべて除去してもよい。この場合、成膜用基板から剥がされた膜積層部32(支持部36を含む)を、別部材として用意した基板40に固定すればよい。 After the patterning process, the first extraction electrode film 51, the second extraction electrode film 53, and the insulating film 54 are formed in a predetermined pattern as shown in FIG. Further, a part of the film-forming substrate is removed by dry etching such as Deep-RIE or anisotropic wet etching to form a substrate 40 having an opening 42. Note that the entire film-forming substrate may be removed by the above-described etching. In this case, the film stacking section 32 (including the supporting section 36) that has been peeled off from the film-forming substrate may be fixed to a substrate 40 prepared as a separate member.

上記の手順により、積層体2を含むME素子30が得られる。 Through the above procedure, the ME element 30 including the laminate 2 is obtained.

(第2実施形態のまとめ)
第2実施形態のME素子は、電源や電気/電子回路を接続し、回路基板に搭載するか、もしくはパッケージすることにより、エネルギー変換デバイスや磁気センサなどの電子デバイスを構成する。
(Summary of second embodiment)
The ME element of the second embodiment configures an electronic device such as an energy conversion device or a magnetic sensor by connecting a power source and an electric/electronic circuit and mounting it on a circuit board or packaging it.

たとえば、ME素子30に、増幅器と整流回路とを接続しパッケージすれば、磁気センサが得られる。当該磁気センサは、磁電効果の応答性が優れる積層体2を含んでいるため、優れた感度特性を示す。具体的に、磁気センサの検出限界値がより小さくなり、生体磁気などの微小な外部磁場を検出することができる。 For example, a magnetic sensor can be obtained by connecting and packaging an amplifier and a rectifier circuit to the ME element 30. The magnetic sensor exhibits excellent sensitivity characteristics because it includes the laminate 2 that has excellent responsiveness of the magnetoelectric effect. Specifically, the detection limit value of the magnetic sensor becomes smaller, and minute external magnetic fields such as biomagnetism can be detected.

また、ME素子30に、蓄電素子と整流電力管理回路とを接続すれば、外部からの磁場や振動から電力を発電するエネルギー変換デバイスが得られる。当該エネルギー変換デバイスは、磁電効果の応答性が優れる積層体2を含んでいるため、微小な外部磁場に対しても高い電気出力が得られ、優れた変換効率を示す。当該エネルギー変換デバイスは、イヤホン/ヒアラブルデバイス、スマートウォッチ、スマートグラス(眼鏡)、スマートコンタクトレンズ、人工内耳、心臓ペースメーカーなどのウェアラブル端末や、電源システムに組み込んで利用することができる。 Further, by connecting a power storage element and a rectifying power management circuit to the ME element 30, an energy conversion device that generates power from an external magnetic field or vibration can be obtained. Since the energy conversion device includes the laminate 2 with excellent magnetoelectric effect responsiveness, a high electrical output can be obtained even in response to a minute external magnetic field, and exhibits excellent conversion efficiency. The energy conversion device can be incorporated into wearable terminals such as earphones/hearable devices, smart watches, smart glasses, smart contact lenses, cochlear implants, and cardiac pacemakers, as well as power supply systems.

なお、ME素子30は、上記の用途の他に、インクジェットプリンタヘッド、マイクロアクチュエータ、ジャイロスコープなどの圧電デバイスとしても利用可能である。 In addition to the above-mentioned uses, the ME element 30 can also be used as a piezoelectric device such as an inkjet printer head, a microactuator, and a gyroscope.

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲内で種々に改変することができる。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the embodiments described above, and can be variously modified within the scope of the present invention.

たとえば、第2実施形態のME素子30では、膜積層部32が略矩形の平面視形状を有していたが、膜積層部32の形態は、これに限定されず、楕円形状、円形状、ミアンダ状、もしくは渦巻き状の平面視形状であってもよい。 For example, in the ME element 30 of the second embodiment, the film stacking section 32 has a substantially rectangular shape in plan view, but the shape of the film stacking section 32 is not limited to this, and may include an elliptical shape, a circular shape, It may have a meandering or spiral shape in plan view.

また、第2実施形態のME素子30は、膜積層部32の両端が基板40に支持されており、両端固定型の構造を有しているが、ME素子30は、膜積層部の一端が自由端となったカンチレバー型の構造であってもよい。また、ME素子30は、図2~4に示すような単一素子であってもよいが、複数の単一素子が共通の基板40上に一体的に形成されたアレー素子であってもよい。 Further, the ME element 30 of the second embodiment has a structure in which both ends of the film stack 32 are supported by the substrate 40 and both ends are fixed, but in the ME element 30, one end of the film stack is It may be a cantilever type structure with a free end. Further, the ME element 30 may be a single element as shown in FIGS. 2 to 4, or may be an array element in which a plurality of single elements are integrally formed on a common substrate 40. .

以下、実施例および比較例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be explained in more detail using Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited to the following examples.

(実施例1)
実施例1では、以下に示す手順で、本発明の積層体2を有する基板試料を作製した。まず、成膜用基板として、表面がSi(100)面の単結晶となっているシリコン基板を準備した。準備したシリコン基板のサイズは、6インチとし、このシリコン基板の上に、以下に示す積層膜を形成した。
(Example 1)
In Example 1, a substrate sample having the laminate 2 of the present invention was produced using the procedure shown below. First, a silicon substrate having a single crystal surface with an Si (100) plane was prepared as a substrate for film formation. The size of the prepared silicon substrate was 6 inches, and the following laminated film was formed on this silicon substrate.

まず、ZrOとYからなる下地酸化物薄膜(バッファ層)と、Pt下部電極膜と、SROからなる導電性酸化物膜とを、上記の順番でシリコン基板の上に、エピタキシャル成長させた。なお、上記の各膜は、いずれもスパッタリング法により成膜した。また、下地酸化物薄膜を形成する際の基板温度は、700℃~900℃とし、成膜終了時の基板温度は、成膜開始時の基板温度よりも低温となるように調整した。さらに、Pt下部電極膜を形成する際の基板温度は、600℃~800℃とし、下地酸化物薄膜の成膜終了時よりも低い温度となるように調整した。 First, a base oxide thin film (buffer layer) made of ZrO 2 and Y 2 O 3 , a Pt lower electrode film, and a conductive oxide film made of SRO are epitaxially grown on a silicon substrate in the above order. Ta. Note that each of the above films was formed by a sputtering method. Further, the substrate temperature when forming the base oxide thin film was 700° C. to 900° C., and the substrate temperature at the end of film formation was adjusted to be lower than the substrate temperature at the start of film formation. Furthermore, the substrate temperature when forming the Pt lower electrode film was adjusted to 600° C. to 800° C., which was lower than the temperature at the end of forming the base oxide thin film.

Pt下部電極膜を形成した後は、シリコン基板をいったん大気中に取り出し、Pt表面を空気中の酸素に暴露させた。その後、基板を再び成膜装置に投入し、SrRuO3からなる導電性酸化物薄膜を成膜した。なお、各層の膜厚は、下地酸化物薄膜が50nm、Pt下部電極膜が100nm、導電性酸化物薄膜が30nmとなるように成膜条件を調整した。 After forming the Pt lower electrode film, the silicon substrate was once taken out into the atmosphere, and the Pt surface was exposed to oxygen in the air. Thereafter, the substrate was placed into the film forming apparatus again, and a conductive oxide thin film made of SrRuO3 was formed. The film forming conditions were adjusted so that the film thickness of each layer was 50 nm for the base oxide thin film, 100 nm for the Pt lower electrode film, and 30 nm for the conductive oxide thin film.

そして、実施例1では、導電性酸化物薄膜の上に、PZTの圧電体薄膜10をエピタキシャル成長させた。この際に使用したスパッタリングターゲットの組成は、原子数比で、Pb:Zr:Tiが、1.3:0.55:0.45であった。また、PZT膜を形成する際の基板温度は、600℃とし、成膜速度は、0.1nm/secとした。その他の条件については、スパッタリング時の導入ガスを、酸素10モル%-アルゴン(Ar)90モル%の混合ガスとし、導入ガスの圧力を、0.3Paとし、基板とターゲットの距離を200mmとして、膜厚が1μmのPZT膜を形成した。 In Example 1, a PZT piezoelectric thin film 10 was epitaxially grown on the conductive oxide thin film. The composition of the sputtering target used at this time was Pb:Zr:Ti in an atomic ratio of 1.3:0.55:0.45. Further, the substrate temperature when forming the PZT film was 600° C., and the film formation rate was 0.1 nm/sec. Regarding other conditions, the gas introduced during sputtering was a mixed gas of 10 mol% oxygen and 90 mol% argon (Ar), the pressure of the introduced gas was 0.3 Pa, and the distance between the substrate and target was 200 mm. A PZT film having a thickness of 1 μm was formed.

また、PZT膜を成膜した後のシリコン基板については、アニール処理を施した。アニール処理の条件は、処理雰囲気を、1気圧の酸素雰囲気下とし、350℃で1時間保持することとした。 Further, the silicon substrate after the PZT film was formed was subjected to an annealing treatment. The conditions for the annealing treatment were such that the treatment atmosphere was an oxygen atmosphere of 1 atm and maintained at 350° C. for 1 hour.

なお、下地酸化物薄膜からPZT膜までの成膜時には、RHEED評価を行い、各層がエピタキシャル成長しているか否かを確認した。その結果、下地酸化物薄膜からPZT膜までの各層は、すべて、成膜過程においてエピタキシャル成長していることが確認できた。 Note that during film formation from the base oxide thin film to the PZT film, RHEED evaluation was performed to confirm whether each layer was epitaxially grown. As a result, it was confirmed that all the layers from the base oxide thin film to the PZT film were epitaxially grown during the film formation process.

さらに、PZT膜の上方には、上部電極膜として、ROの導電性酸化物薄膜(SRO密着層と呼ぶ)と、Pt上部電極膜とを、この順で形成した。SRO密着層の厚みは50nmとし、Pt上部電極膜の厚みは100nmとした。なお、Pt上部電極膜の形成時には、基板温度を200℃とし、Pt上部電極膜が多結晶構造となるように、その他の成膜条件を制御した。 Further, above the PZT film, as an upper electrode film, an RO conductive oxide thin film (referred to as an SRO adhesion layer) and a Pt upper electrode film were formed in this order. The thickness of the SRO adhesion layer was 50 nm, and the thickness of the Pt upper electrode film was 100 nm. Note that when forming the Pt upper electrode film, the substrate temperature was set at 200° C., and other film forming conditions were controlled so that the Pt upper electrode film had a polycrystalline structure.

上部電極膜を形成した後、その上に磁歪層20としてFeCoSiB合金膜を成膜した。FeCoSiB合金膜は、超高真空DCスパッタリング装置(キャノンアネルバ株式会社製:C-7960UHV)を使用して成膜し、その際、成膜時の真空度を3×10-6Paとした。また、成膜時には、基板加熱は行わずに、基板温度が上昇しないからようにターゲットと基板間距離を十分に確保して成膜した。その他の成膜条件は、導入ガスとしてArガスを使用し、導入ガスの圧力を0.03Paとし、出力を200W(DC)として、膜厚が500nmのFeCoSiB合金膜を形成した。 After forming the upper electrode film, a FeCoSiB alloy film was formed thereon as the magnetostrictive layer 20. The FeCoSiB alloy film was formed using an ultra-high vacuum DC sputtering device (manufactured by Canon Anelva Co., Ltd.: C-7960UHV), and the degree of vacuum during film formation was set to 3×10 −6 Pa. Furthermore, during film formation, the substrate was not heated, and the film was formed with a sufficient distance between the target and the substrate to prevent the substrate temperature from rising. Other film forming conditions were as follows: Ar gas was used as the introduced gas, the pressure of the introduced gas was 0.03 Pa, the output was 200 W (DC), and a FeCoSiB alloy film with a thickness of 500 nm was formed.

形成したFeCoSiB合金膜の結晶構造を、XRDおよびTEMの電子線回折により確認した。その結果、当該FeCoSiB合金膜には、非晶質相22と結晶相24とが混在していることが確認できた。 The crystal structure of the formed FeCoSiB alloy film was confirmed by XRD and TEM electron diffraction. As a result, it was confirmed that the amorphous phase 22 and the crystalline phase 24 coexisted in the FeCoSiB alloy film.

なお、FeCoSiB合金膜を成膜した後は、その上にさらに絶縁性の保護層を10nmの厚みで形成した。このような手順で各層を形成することで、本発明の積層体2を含む基板試料を得た。 Note that after forming the FeCoSiB alloy film, an insulating protective layer was further formed thereon with a thickness of 10 nm. By forming each layer in such a procedure, a substrate sample including the laminate 2 of the present invention was obtained.

次に、作製した基板試料から長さ4cm×幅1cmの試験片を切り出し、当該試験片を用いて、基板試料に含まれるFeCoSiB合金膜の飽和磁歪λMAX,保磁力H,しきい磁場HTH,磁場感度dλ/dHを測定した。 Next, a test piece of length 4 cm x width 1 cm is cut out from the fabricated substrate sample, and the test piece is used to determine the saturation magnetostriction λ MAX , coercive force H C , and threshold magnetic field H of the FeCoSiB alloy film contained in the substrate sample. TH and magnetic field sensitivity dλ/dH were measured.

保磁力Hは、VSM(玉川製作所製 TM-VSM-211483-HGC型)によりFeCoSiB合金膜の磁化曲線を測定することで算出した。また、飽和磁歪λMAX、しきい磁場HTH、および磁場感度dλ/dHは、バイアス磁場として500A/mの直流磁場を印可した環境下において、試験片に対して、外部より0~6400A/mの回転磁場を印加し、当該試験片に発生するひずみ量をレーザー変位計により測定することで算出した。具体的に、上記の測定により磁場-磁歪曲線を得て、当該磁場-磁歪曲線における磁歪の飽和点を飽和磁歪λMAXとした。また、0.1ppmの磁歪λが発生した際の外部磁場の大きさをしきい磁場HTHとした。さらに、磁場-磁歪曲線において、500A/mから800A/mの範囲の傾きを、磁場感度dλ/dHとした。測定結果を表1に示す。 The coercive force H C was calculated by measuring the magnetization curve of the FeCoSiB alloy film using a VSM (TM-VSM-211483-HGC type manufactured by Tamagawa Seisakusho). In addition, the saturation magnetostriction λ MAX , the threshold magnetic field H TH , and the magnetic field sensitivity dλ/dH are 0 to 6400 A/m externally applied to the test piece in an environment where a 500 A/m DC magnetic field is applied as a bias magnetic field. The amount of strain generated in the test piece was calculated by applying a rotating magnetic field of 1 and measuring the amount of strain generated in the specimen using a laser displacement meter. Specifically, a magnetic field-magnetostriction curve was obtained by the above measurement, and the saturation point of magnetostriction in the magnetic field-magnetostriction curve was defined as saturation magnetostriction λ MAX . Further, the magnitude of the external magnetic field when a magnetostriction λ of 0.1 ppm was generated was defined as the threshold magnetic field H TH . Furthermore, in the magnetic field-magnetostriction curve, the slope in the range of 500 A/m to 800 A/m was defined as the magnetic field sensitivity dλ/dH. The measurement results are shown in Table 1.

(実施例2)
実施例2では、成膜時の真空度を実施例1から変更してFeCoSiB合金膜を形成した。より具体的に、実施例2では、FeCoSiB合金膜を形成する際の真空度を、1.5×10-5Paとし、実施例1よりも真空度を低く(=圧力を高く)設定した。上記以外の製造条件は、実施例1と同様とし、実施例2に係る基板試料を得た。
(Example 2)
In Example 2, a FeCoSiB alloy film was formed by changing the degree of vacuum during film formation from Example 1. More specifically, in Example 2, the degree of vacuum when forming the FeCoSiB alloy film was set to 1.5×10 −5 Pa, which was set lower (=higher pressure) than in Example 1. The manufacturing conditions other than the above were the same as in Example 1, and a substrate sample according to Example 2 was obtained.

なお、実施例2の基板試料についても、実施例1と同様の方法で、磁歪層20の飽和磁歪λMAX,保磁力H,しきい磁場HTH,磁場感度dλ/dHを測定した。その結果、表1に示すように、実施例2では、保磁力Hおよびしきい磁場HTHが実施例1よりも高くなった。このことから、成膜時の真空度がより高い(=圧力(Pa)がより低い)ほど、保磁力Hおよびしきい磁場HTHが低くなることが分かった。真空度によって保磁力Hおよびしきい磁場HTHが変化する理由は、必ずしも明らかではないが、成膜装置内に残存する窒素、酸素、水分等の残留ガスが関係していると考えられる。すなわち、真空度が低く残留ガスが多いと、成膜した膜内に局所的に窒化もしくは酸化された部分が発生し、保磁力Hおよびしきい磁場HTHが高くなると考えられる。 For the substrate sample of Example 2, the saturation magnetostriction λ MAX , coercive force H C , threshold magnetic field H TH , and magnetic field sensitivity dλ/dH of the magnetostrictive layer 20 were measured in the same manner as in Example 1. As a result, as shown in Table 1, in Example 2, the coercive force H C and the threshold magnetic field H TH were higher than in Example 1. From this, it was found that the higher the degree of vacuum during film formation (=lower the pressure (Pa)), the lower the coercive force H C and the threshold magnetic field H TH . The reason why the coercive force H C and the threshold magnetic field H TH change depending on the degree of vacuum is not necessarily clear, but it is thought to be related to residual gases such as nitrogen, oxygen, and moisture remaining in the film forming apparatus. That is, when the degree of vacuum is low and there is a large amount of residual gas, locally nitrided or oxidized portions are generated in the formed film, and it is considered that the coercive force H C and the threshold magnetic field H TH become high.

(実施例3~5)
実施例3~5では、成膜時の真空度と磁歪層20の材質を実施例1から変更して、基板試料を作製した。具体的に、実施例3では、成膜時の真空度を1.5×10-5Paとして、FeSiB合金膜を形成した。実施例4については、成膜時の真空度を1.5×10-5Paとして、FeCoB合金膜を形成した。さらに、実施例5については、成膜時の真空度を1.5×10-5Paとして、FeCrSiB合金膜を形成した。
(Examples 3 to 5)
In Examples 3 to 5, substrate samples were prepared by changing the degree of vacuum during film formation and the material of the magnetostrictive layer 20 from Example 1. Specifically, in Example 3, the FeSiB alloy film was formed with the degree of vacuum at the time of film formation set to 1.5×10 −5 Pa. In Example 4, the FeCoB alloy film was formed with the degree of vacuum at the time of film formation set to 1.5×10 −5 Pa. Furthermore, in Example 5, the FeCrSiB alloy film was formed with the degree of vacuum at the time of film formation set to 1.5×10 −5 Pa.

なお、実施例3~5において、上記以外の製造条件は、実施例1と同様とした。また、実施例3~5の基板試料についても、実施例1と同様の方法で、磁歪層20の各特性を測定した。 In Examples 3 to 5, the manufacturing conditions other than the above were the same as in Example 1. Further, for the substrate samples of Examples 3 to 5, each characteristic of the magnetostrictive layer 20 was measured in the same manner as in Example 1.

(実施例6)
実施例6では、磁歪層20の材質と成膜装置とを実施例1から変更して、基板試料を作製した。具体的に、実施例6では、真空蒸着装置(キャノンアネルバ株式会社製:C-7170C)を用いて、FeCoSiB合金膜を形成した。真空蒸着に際して、成膜室内の真空度は、8.0×10-5とした。上記以外の製造条件は、実施例1と同様とした。また、実施例6の基板試料についても、実施例1と同様の方法で、磁歪層20の各特性を測定した。
(Example 6)
In Example 6, a substrate sample was prepared by changing the material of the magnetostrictive layer 20 and the film forming apparatus from Example 1. Specifically, in Example 6, a FeCoSiB alloy film was formed using a vacuum evaporation apparatus (C-7170C, manufactured by Canon Anelva Co., Ltd.). During the vacuum deposition, the degree of vacuum in the film forming chamber was set to 8.0×10 −5 . The manufacturing conditions other than the above were the same as in Example 1. Further, regarding the substrate sample of Example 6 as well, each characteristic of the magnetostrictive layer 20 was measured in the same manner as in Example 1.

(比較例1)
比較例1では、実施例1とは異なり、磁歪層として硬磁性の高磁歪膜を形成した。具体的に、比較例1では、スパッタリング法によりFeCo合金膜を形成した。なお、比較例1において、上記以外の製造条件は、実施例1と同様とした。
(Comparative example 1)
In Comparative Example 1, unlike Example 1, a hard magnetic high magnetostrictive film was formed as the magnetostrictive layer. Specifically, in Comparative Example 1, a FeCo alloy film was formed by a sputtering method. In addition, in Comparative Example 1, the manufacturing conditions other than the above were the same as in Example 1.

また、比較例1についても、磁歪層の特性を測定した。ただし、比較例1のような硬磁性体の場合、しきい磁場HTHが軟磁性体よりも高いため、磁場感度の解析範囲を実施例1から変更した。具体的に、比較例1では、磁場-磁歪曲線のHTHからHTH+300A/mまでの範囲の傾きを、磁場感度dλ/dHとした。比較例1のFeCo合金膜は、高磁歪膜であるが、各実施例1~6とは異なり、硬磁性体で構成してある。そのため、表1に示すように、比較例1は、飽和磁歪λMAX,保持力H,および、しきい磁場HTHが各実施例1~6よりも大きい。このような、硬磁性高磁歪膜としては、比較例1のFeCo合金膜の他に、FeNi合金膜、SmFe合金膜、TbFe合金膜、GdFe合金膜などが挙げられる。 Furthermore, regarding Comparative Example 1, the characteristics of the magnetostrictive layer were also measured. However, in the case of a hard magnetic material like Comparative Example 1, the threshold magnetic field H TH is higher than that of a soft magnetic material, so the analysis range of magnetic field sensitivity was changed from Example 1. Specifically, in Comparative Example 1, the slope of the magnetic field-magnetostriction curve in the range from H TH to H TH +300 A/m was defined as the magnetic field sensitivity dλ/dH. The FeCo alloy film of Comparative Example 1 is a high magnetostrictive film, but unlike each of Examples 1 to 6, it is made of a hard magnetic material. Therefore, as shown in Table 1, Comparative Example 1 has larger saturation magnetostriction λ MAX , coercive force H C , and threshold magnetic field H TH than each of Examples 1 to 6. Examples of such a hard magnetic high magnetostrictive film include, in addition to the FeCo alloy film of Comparative Example 1, a FeNi alloy film, a SmFe alloy film, a TbFe alloy film, a GdFe alloy film, and the like.

(比較例2)
比較例2では、実施例1とは異なり、磁歪層として軟磁性低磁歪膜を形成した。軟磁性低磁歪膜とは、軟磁性体で構成してあるものの、飽和磁歪λMAXが1ppm未満と小さい低磁歪膜を意味する。具体的に、比較例2では、スパッタリング法によりFeCoNiMoSiB合金を形成した。なお、上記以外の製造条件は、実施例1と同様として、比較例2に係る基板試料を得た。
(Comparative example 2)
In Comparative Example 2, unlike Example 1, a soft magnetic low magnetostrictive film was formed as the magnetostrictive layer. The soft magnetic low magnetostrictive film means a low magnetostrictive film that is made of a soft magnetic material but has a small saturation magnetostriction λ MAX of less than 1 ppm. Specifically, in Comparative Example 2, a FeCoNiMoSiB alloy was formed by a sputtering method. Note that a substrate sample according to Comparative Example 2 was obtained under the same manufacturing conditions as in Example 1 except for the above.

(比較例3)
比較例3では、実施例1とは異なり、磁歪層を上部電極膜の上に貼り合わせて積層した。具体的に、比較例3では、圧延による機械加工によりFeSiB合金の薄板を作製した。そして、FeSiB合金の薄板を、エポキシ樹脂からなる接着層を介して上部電極膜の上に貼り付けた。なお、FeSiB合金の平均厚みは、25μmとした。
(Comparative example 3)
In Comparative Example 3, unlike Example 1, a magnetostrictive layer was laminated on top of the upper electrode film. Specifically, in Comparative Example 3, a FeSiB alloy thin plate was produced by mechanical processing by rolling. Then, a thin plate of FeSiB alloy was attached onto the upper electrode film via an adhesive layer made of epoxy resin. Note that the average thickness of the FeSiB alloy was 25 μm.

また、FeSiB合金の薄板を、XRDおよびTEMの電子線回折で分析したところ、当該FeSiB合金は、非晶質相のみで構成されていることが確認できた。なお、上記以外の製造条件は、実施例1と同様として、比較例3に係る基板試料を得た。 Furthermore, when the FeSiB alloy thin plate was analyzed by XRD and TEM electron beam diffraction, it was confirmed that the FeSiB alloy was composed only of an amorphous phase. Note that manufacturing conditions other than those described above were the same as in Example 1, and a substrate sample according to Comparative Example 3 was obtained.

(比較例4)
比較例4では、実施例1とは異なる条件で圧電体薄膜を形成した。具体的に、比較例4では、PZT膜の形成に際して、基板加熱を行わずに、室温で成膜を行った。当該条件で得られたPZT膜の結晶構造を分析すると、膜厚方向においては所定の結晶面が単一配向しているものの、面内方向においては結晶方位がランダムとなっていることが確認できた。つまり、比較例4のPZT膜は、エピタキシャル成長膜ではなく、配向性多結晶膜である。
(Comparative example 4)
In Comparative Example 4, a piezoelectric thin film was formed under conditions different from those in Example 1. Specifically, in Comparative Example 4, the PZT film was formed at room temperature without heating the substrate. When analyzing the crystal structure of the PZT film obtained under these conditions, it was confirmed that although the predetermined crystal planes were unidirectionally oriented in the film thickness direction, the crystal orientation was random in the in-plane direction. Ta. In other words, the PZT film of Comparative Example 4 is not an epitaxially grown film but an oriented polycrystalline film.

なお、比較例4では、実施例2と同じ条件でFeCoSiB合金膜を形成した。上記以外の製造条件は、実施例1と同様として、比較例4に係る基板試料を得た。 In addition, in Comparative Example 4, a FeCoSiB alloy film was formed under the same conditions as in Example 2. Manufacturing conditions other than the above were the same as in Example 1, and a substrate sample according to Comparative Example 4 was obtained.

評価1
各実施例および各比較例において、作製した基板試料に対してパターニング加工を施し、図2に示すようなME素子30を、それぞれ、少なくとも16個作製した。そして、得られたME素子30に対して、以下に示す磁電効果の応答性評価を実施した。
Rating 1
In each of the Examples and Comparative Examples, patterning was performed on the prepared substrate samples to produce at least 16 ME elements 30 as shown in FIG. 2, respectively. Then, the obtained ME element 30 was subjected to the following magnetoelectric effect responsiveness evaluation.

(応答性評価)
応答性評価では、バイアス磁場として500A/mの直流磁場を印可した環境下において、ME素子30に所定の入力信号を与え、圧電体薄膜で発生する電圧を応答出力として測定する。所定の入力信号とは、試験条件1では、1kH,0.8A/mの交流磁場とし、試験条件2では、条件1よりも微小な1kH,800μA/mの交流磁場(条件1の1/1000)とする。この応答性評価では、発生する電圧が大きいほど、磁電効果の応答性が優れると判断する。また、試験条件1では、応答出力の基準値を0.3mV以上とし、試験条件2では、応答出力の基準値を1μV以上とする。
(Responsiveness evaluation)
In the response evaluation, a predetermined input signal is applied to the ME element 30 in an environment where a DC magnetic field of 500 A/m is applied as a bias magnetic field, and the voltage generated in the piezoelectric thin film is measured as a response output. In test condition 1, the predetermined input signal is an alternating magnetic field of 1 kHz, 0.8 A/m, and in test condition 2, it is an alternating magnetic field of 1 kHz, 800 μA/m, which is smaller than condition 1 (1/1000 of condition 1). ). In this responsiveness evaluation, it is determined that the larger the generated voltage, the better the responsiveness of the magnetoelectric effect. Further, in test condition 1, the reference value of the response output is set to 0.3 mV or more, and in test condition 2, the reference value of the response output is set to 1 μV or more.

なお、上記の応答性評価は、各実施例および各比較例に対して、それぞれ3個のサンプルについて実施し、応答出力はその平均値として算出した。評価結果を表1に示す。 The above response evaluation was performed on three samples for each example and each comparative example, and the response output was calculated as the average value. The evaluation results are shown in Table 1.

まず、試験条件1での評価結果について考察する。表1に示すように、磁歪層が硬磁性高磁歪膜で構成してある比較例1では、飽和磁歪λMAXが各実施例1~6よりも大きいにも拘らず、応答出力が得られなかった。これに対して磁歪層が軟磁性高磁歪膜で構成してある実施例1~6では、基準値以上の応答出力が得られた。この結果から、磁電効果の応答性については、飽和磁歪λMAXを大きくしても改善効果が得られず、保磁力Hが小さい軟磁性高磁歪膜を使用することで応答性が向上することがわかった。 First, the evaluation results under test condition 1 will be considered. As shown in Table 1, in Comparative Example 1 in which the magnetostrictive layer is composed of a hard magnetic, high magnetostrictive film, no response output was obtained even though the saturation magnetostriction λ MAX was larger than each of Examples 1 to 6. Ta. On the other hand, in Examples 1 to 6 in which the magnetostrictive layer was composed of a soft magnetic high magnetostrictive film, response outputs exceeding the reference value were obtained. From these results, it can be seen that increasing the saturation magnetostriction λ MAX does not improve the responsiveness of the magnetoelectric effect, but that the responsiveness can be improved by using a soft magnetic high magnetostrictive film with a small coercive force HC . I understand.

また、比較例2では、磁歪層が軟磁性体で構成してあるものの、飽和磁歪λMAXが0.5ppmしかないため、応答出力が得られなかった。この結果から、磁歪層は、低磁歪膜ではなく、実施例4に示すように、飽和磁歪λMAXが少なくとも10ppm以上ある高磁歪膜とすることが好ましいことがわかった。 Further, in Comparative Example 2, although the magnetostrictive layer was made of a soft magnetic material, the saturation magnetostriction λ MAX was only 0.5 ppm, so no response output could be obtained. From this result, it was found that the magnetostrictive layer is preferably a high magnetostrictive film having a saturation magnetostriction λ MAX of at least 10 ppm or more, as shown in Example 4, rather than a low magnetostrictive film.

また、比較例3については、磁歪層が軟磁性高磁歪膜であるにも拘らず、当該磁歪層が接着層を介して貼り合わせて積層してあるため、応答出力が得られなかった。この結果から、磁歪層は、圧延などの機械加工で得られる薄板ではなく、真空堆積法で圧電体薄膜の上に直接または間接的に積層する必要があることがわかった。なお、機械加工で得られる薄板の場合、結晶性が制御し易く、表面の切削加工等も可能である。そのため、保磁力Hやしきい磁場HTHは、真空堆積法で形成される膜よりも低くすることは可能である。ただし、前述したように、薄板よりも真空堆積法で形成される膜のほうが、磁電効果の応答性が優れる。 Furthermore, in Comparative Example 3, although the magnetostrictive layer was a soft magnetic high magnetostrictive film, no response output could be obtained because the magnetostrictive layer was laminated by bonding through an adhesive layer. From this result, it was found that the magnetostrictive layer needs to be laminated directly or indirectly on the piezoelectric thin film by a vacuum deposition method, rather than a thin plate obtained by mechanical processing such as rolling. In addition, in the case of a thin plate obtained by machining, the crystallinity can be easily controlled, and the surface can also be subjected to cutting processes. Therefore, it is possible to make the coercive force H C and the threshold magnetic field H TH lower than those of a film formed by a vacuum deposition method. However, as described above, a film formed by a vacuum deposition method has better responsiveness of the magnetoelectric effect than a thin plate.

さらに、比較例4については、微小な応答出力が得られたものの、基準値を満足していない。この結果から、磁電効果の応答性を向上させるためには、軟磁性高磁歪膜を、エピタキシャル成長膜である圧電体薄膜と組み合わせて積層する必要があることがわかった。 Furthermore, in Comparative Example 4, although a small response output was obtained, it did not satisfy the standard value. From this result, it was found that in order to improve the responsiveness of the magnetoelectric effect, it is necessary to stack a soft magnetic high magnetostrictive film in combination with a piezoelectric thin film that is an epitaxially grown film.

なお、実施例1~6の試験条件1での評価結果を比較すると、保磁力Hが低いほど応答出力が高くなることが確認できた。この結果から、保磁力Hの上限値は、2500A/m未満とすることが好ましく、500A/m以下であることがより好ましく、400A/m以下であることがさらに好ましいことがわかった。なお、実験結果によれば、保磁力Hの下限値は20A/m以上であることが好ましい。また、しきい磁場HTHについても同様に、しきい磁場HTHが低いほど応答出力が高くなる傾向となった。この結果から、しきい磁場HTHの上限値は、500A/m未満とすることが好ましく、100A/m以下とすることがより好ましく、50A/m以下とすることがさらに好ましいことがわかった。なお、実験結果によれば、しきい磁場HTHの下限値は5A/m以上であることが好ましい。 By comparing the evaluation results under Test Condition 1 in Examples 1 to 6, it was confirmed that the lower the coercive force H C , the higher the response output. From this result, it was found that the upper limit of the coercive force H C is preferably less than 2500 A/m, more preferably 500 A/m or less, and even more preferably 400 A/m or less. According to experimental results, the lower limit of the coercive force H C is preferably 20 A/m or more. Similarly, regarding the threshold magnetic field H TH , the lower the threshold magnetic field H TH , the higher the response output tended to be. From this result, it was found that the upper limit of the threshold magnetic field H TH is preferably less than 500 A/m, more preferably 100 A/m or less, and even more preferably 50 A/m or less. Note that, according to experimental results, the lower limit of the threshold magnetic field H TH is preferably 5 A/m or more.

次に、試験条件2での評価結果について考察する。比較例1~4については、いずれも本発明の条件を満たす積層体2を有していないため、条件1よりも微小な入力信号に対して、応答を得ることができなかった。 Next, the evaluation results under test condition 2 will be considered. Regarding Comparative Examples 1 to 4, since none of them had the laminate 2 that satisfied the conditions of the present invention, it was not possible to obtain a response to an input signal smaller than Condition 1.

一方、実施例については、実施例1~2で基準値以上の応答出力が得られた。これら実施例1~2は、磁場感度dλ/dHが15ppb・m・A-1以上であり、他の実施例3~6よりも磁場感度が高い。この結果から、保磁力Hおよびしきい磁場HTHを所定の基準値以下としたうえで、磁場感度dλ/dHが大きくなるほど、磁電効果の応答性がより向上し、より微小な入力信号に対しても応答可能となることがわかった。 On the other hand, in Examples 1 and 2, response outputs greater than the reference value were obtained. These Examples 1 to 2 have a magnetic field sensitivity dλ/dH of 15 ppb·m·A −1 or more, which is higher than other Examples 3 to 6. From this result, when the coercive force H C and the threshold magnetic field H TH are kept below the predetermined reference values, the larger the magnetic field sensitivity dλ/dH, the more the responsiveness of the magnetoelectric effect improves, and the more minute the input signal becomes It was found that it was possible to respond to

なお、上述した応答性評価とは、別に、積層体2の耐久性を評価するために、各実施例および各比較例の基板試料に対して、300Hz,800kA/mの巨大な交流磁場を1分間印可する加速試験を実施した。当該試験では、基板試料から1cm四方の試験片を切り出して、当該試験片に上記の交流磁場を印可した。そして、試験後の試験片において、磁歪層に剥離が生じていないかを確認した。 In addition to the above-mentioned response evaluation, in order to evaluate the durability of the laminate 2, a huge alternating current magnetic field of 300 Hz and 800 kA/m was applied to the substrate samples of each example and each comparative example. An accelerated test was conducted in which the voltage was applied for minutes. In this test, a 1 cm square test piece was cut out from a substrate sample, and the above alternating current magnetic field was applied to the test piece. Then, in the test piece after the test, it was confirmed whether there was any peeling in the magnetostrictive layer.

上記の耐久試験の結果、磁場感度dλ/dHが大きい比較例1のサンプルでは、磁歪層の剥離が激しかった。この結果から、応答性の観点では磁場感度dλ/dHがより大きいほうが好ましいが、耐久性を加味すると、磁場感度dλ/dHは、15~50ppb・m・A-1とすることが好ましく、15~30ppb・m・A-1とすることがより好ましいことがわかった。 As a result of the above durability test, in the sample of Comparative Example 1 having a high magnetic field sensitivity dλ/dH, severe peeling of the magnetostrictive layer was observed. From this result, from the viewpoint of responsiveness, it is preferable that the magnetic field sensitivity dλ/dH is larger, but when considering durability, it is preferable that the magnetic field sensitivity dλ/dH is 15 to 50 ppb・m・A −1 , and 15 It was found that it is more preferable to set it to 30 ppb·m·A −1 .

評価2
ME素子試料に対して、増幅器と整流回路とを含む回路を接続し、パッケージすることで、各実施例および各比較例に対応する磁気センサを得た。同様に、ME素子試料に対して、蓄電素子と整流電力管理回路とを含む回路を接続し、パッケージすることで、各実施例および各比較例に対応するエネルギー変換デバイスを得た。そして、得られた磁気センサおよびエネルギー変換デバイスについて、以下に示す性能評価を実施した。
Evaluation 2
A circuit including an amplifier and a rectifier circuit was connected to the ME element sample and packaged to obtain a magnetic sensor corresponding to each Example and each Comparative Example. Similarly, a circuit including a power storage element and a rectifying power management circuit was connected to the ME element sample and packaged to obtain an energy conversion device corresponding to each Example and each Comparative Example. Then, the following performance evaluation was performed on the obtained magnetic sensor and energy conversion device.

(磁気センサとしての性能評価)
磁気センサについては、検出感度を評価するために、検出限界値(単位はnT)の測定を行った。磁気センサでは、入力として交流磁場(外部磁場)を印加すると、その印加した磁場の大きさに応じた電圧を出力する。検出限界値は、磁気センサが応答する(すなわち電圧を出力する)最小の入力値を意味し、入力値は磁束密度で表される。すなわち、検出限界値は、値が小さいほど、磁気センサとしての特性が優れることを意味する。
(Performance evaluation as a magnetic sensor)
Regarding the magnetic sensor, in order to evaluate the detection sensitivity, the detection limit value (unit: nT) was measured. In a magnetic sensor, when an alternating current magnetic field (external magnetic field) is applied as an input, a voltage corresponding to the magnitude of the applied magnetic field is outputted. The detection limit value means the minimum input value to which the magnetic sensor responds (that is, outputs a voltage), and the input value is expressed in magnetic flux density. That is, the detection limit value means that the smaller the value, the better the characteristics as a magnetic sensor.

本実施例では、バイアス磁場として1mTの直流磁場を印加した環境下において、磁気センサに、ME素子30の固有周波数付近(約10kHz)の交流磁場を加え、その交流磁場の周波数を固有周波数付近でスキャンしながら大きさを減衰させていくことで、検出下限値を求めた。検出限界値は、10nT以下を良好とし、0.5nT以下をさらに良好と判断する。各実施例および各比較例の磁気センサについて、検出限界値を測定した結果を、表1に示す。 In this example, in an environment where a DC magnetic field of 1 mT is applied as a bias magnetic field, an AC magnetic field near the natural frequency (approximately 10 kHz) of the ME element 30 is applied to the magnetic sensor, and the frequency of the AC magnetic field is set near the natural frequency. The lower limit of detection was determined by attenuating the size while scanning. The detection limit value is determined to be good if it is 10 nT or less, and even better if it is 0.5 nT or less. Table 1 shows the results of measuring the detection limit values for the magnetic sensors of each example and each comparative example.

(エネルギー変換デバイスとしての性能評価)
エネルギー変換デバイスの性能を評価するために、所定の入力信号対する出力電力を測定した。具体的に、バイアス磁場として、500A/mの直流磁場を印可した環境下において、当該デバイスに1kHz,5A/mの交流磁場を印可し、その際に得られる出力電力を測定した。出力電力の基準値は1.0nW以上とし、5.0nW以上を良好と判断する。すなわち、得られる出力電力が大きいほど、変換効率が優れると判断する。
(Performance evaluation as an energy conversion device)
To evaluate the performance of the energy conversion device, the output power for a given input signal was measured. Specifically, in an environment where a DC magnetic field of 500 A/m was applied as a bias magnetic field, an AC magnetic field of 1 kHz and 5 A/m was applied to the device, and the output power obtained at that time was measured. The reference value of output power is 1.0 nW or more, and 5.0 nW or more is judged to be good. That is, it is determined that the greater the output power obtained, the better the conversion efficiency is.

まず、磁気センサの評価結果について考察する。表1に示すように、比較例1では、検出限界値が非常に高く、感度がミリテスラオーダーであることが確認できた。ミリテスラオーダーの感度では、生体磁気を検出できない。また、比較例2~4については、上記の評価条件では検出限界値が測定できず、そもそも磁気センサとして十分に機能できないことが分かった。発生する磁歪が小さすぎるか、発生した磁歪が圧電体層に十分に伝わらないためと考えられる。これに対して、実施例1~6の磁気センサでは、本発明の積層体2を含むため、検出限界値が10nT以下となり、基準値を満足する結果が得られた。特に、実施例1~3の磁気センサでは、検出限界値が0.5nT以下となり、より優れた感度特性を示すことが確認できた。上記のように、本発明の積層体2を含む磁気センサは、感度特性が優れるため、生体磁気を検出可能な好感度センサとして応用することが期待できる。 First, we will discuss the evaluation results of the magnetic sensor. As shown in Table 1, in Comparative Example 1, it was confirmed that the detection limit value was very high and the sensitivity was on the order of millitesla. Biomagnetism cannot be detected with sensitivity on the order of millitesla. Furthermore, for Comparative Examples 2 to 4, the detection limit value could not be measured under the above evaluation conditions, and it was found that they could not function sufficiently as magnetic sensors in the first place. This is considered to be because the generated magnetostriction is too small or the generated magnetostriction is not sufficiently transmitted to the piezoelectric layer. On the other hand, since the magnetic sensors of Examples 1 to 6 included the laminate 2 of the present invention, the detection limit value was 10 nT or less, and results satisfying the standard value were obtained. In particular, it was confirmed that the magnetic sensors of Examples 1 to 3 had detection limit values of 0.5 nT or less, and exhibited superior sensitivity characteristics. As described above, since the magnetic sensor including the laminate 2 of the present invention has excellent sensitivity characteristics, it can be expected to be applied as a sensitivity sensor capable of detecting biomagnetism.

次に、エネルギー変換デバイスの評価結果について考察する。表1に示すように、比較例1~4のデバイスでは、出力電力が得られなかったが、実施例1~6のデバイスでは、基準値を満足する出力電力が得られた。特に、実施例1~3のデバイスでは、出力電力が5.0nW以上となり、変換効率がより高いことが確認できた。このように、本発明の積層体2を含むエネルギー変換デバイスは、変換効率が高いため、ウェアラブル端末等に組み込んで利用することが期待できる。 Next, we will discuss the evaluation results of the energy conversion device. As shown in Table 1, the devices of Comparative Examples 1 to 4 did not provide output power, but the devices of Examples 1 to 6 provided output power that satisfied the standard value. In particular, in the devices of Examples 1 to 3, the output power was 5.0 nW or more, and it was confirmed that the conversion efficiency was higher. As described above, since the energy conversion device including the laminate 2 of the present invention has high conversion efficiency, it can be expected to be incorporated into wearable terminals and the like.

2 … 積層体
10 … 圧電体薄膜
20 … 磁歪層
22 … 非晶質相
24 … 結晶相
30 … ME素子
32 … 膜積層部
34 … 外周部
36 … 支持部
40 … 基板
50 … 下部電極膜
50a … 端部
50b … 中央部分
51 … 第1取出電極膜
53 … 第2取出電極膜
54 … 絶縁膜
2... Laminated body 10... Piezoelectric thin film 20... Magnetostrictive layer 22... Amorphous phase 24... Crystal phase 30... ME element 32... Film laminated part 34... Peripheral part 36... Support part 40... Substrate 50... Lower electrode film 50a... End portion 50b... Central portion 51... First extraction electrode film 53... Second extraction electrode film 54... Insulating film

Claims (4)

エピタキシャル成長した圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の上に直接または間接的に真空堆積法により形成してある軟磁性高磁歪薄膜と、を有し、
前記軟磁性高磁歪薄膜は、保磁力H C が2500A/m未満であり、
0.1ppmの磁歪が発生する磁場を、しきい磁場H TH とし、
前記軟磁性高磁歪薄膜のしきい磁場H TH が、500A/m未満である積層体。
an epitaxially grown piezoelectric thin film,
a soft magnetic high magnetostrictive thin film formed directly or indirectly on the piezoelectric thin film by a vacuum deposition method ;
The soft magnetic high magnetostriction thin film has a coercive force H C of less than 2500 A/m,
The magnetic field where 0.1 ppm of magnetostriction occurs is defined as the threshold magnetic field H TH ,
A laminate wherein the soft magnetic high magnetostrictive thin film has a threshold magnetic field H TH of less than 500 A/m .
エピタキシャル成長した圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜の上に直接または間接的に真空堆積法により形成してある軟磁性高磁歪薄膜と、を有し、
前記軟磁性高磁歪薄膜は、保磁力H C が2500A/m未満であり、
500A/mの直流磁場をバイアス磁場として印加した環境下における前記軟磁性高磁歪薄膜の磁場感度dλ/dHが、10ppb・m・A-1以上である積層体。
an epitaxially grown piezoelectric thin film,
a soft magnetic high magnetostrictive thin film formed directly or indirectly on the piezoelectric thin film by a vacuum deposition method;
The soft magnetic high magnetostriction thin film has a coercive force H C of less than 2500 A/m,
A laminate wherein the magnetic field sensitivity dλ/dH of the soft magnetic high magnetostrictive thin film is 10 ppb·m·A −1 or more under an environment in which a DC magnetic field of 500 A/m is applied as a bias magnetic field.
請求項1または2に記載の積層体を含むエネルギー変換デバイス。 An energy conversion device comprising the laminate according to claim 1 or 2 . 請求項1または2に記載の積層体を含む磁気センサ。
A magnetic sensor comprising the laminate according to claim 1 or 2 .
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