WO2018151083A1 - 応力センサ - Google Patents

応力センサ Download PDF

Info

Publication number
WO2018151083A1
WO2018151083A1 PCT/JP2018/004853 JP2018004853W WO2018151083A1 WO 2018151083 A1 WO2018151083 A1 WO 2018151083A1 JP 2018004853 W JP2018004853 W JP 2018004853W WO 2018151083 A1 WO2018151083 A1 WO 2018151083A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
layer
stress
magnetic layer
magnetic
stress sensor
Prior art date
Application number
PCT/JP2018/004853
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
千葉　大地
安藤　陽
Original Assignee
株式会社村田製作所
国立大学法人東京大学
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所, 国立大学法人東京大学 filed Critical 株式会社村田製作所
Priority to JP2018568525A priority Critical patent/JP6722304B2/ja
Publication of WO2018151083A1 publication Critical patent/WO2018151083A1/ja
Priority to US16/538,929 priority patent/US11366028B2/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/091—Constructional adaptation of the sensor to specific applications
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/26—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by the substrate or intermediate layers
    • H01F10/28—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure characterised by the substrate or intermediate layers characterised by the composition of the substrate
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/325—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being noble metal
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3254—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the spacer being semiconducting or insulating, e.g. for spin tunnel junction [STJ]
    • H01F10/3259—Spin-exchange-coupled multilayers comprising at least a nanooxide layer [NOL], e.g. with a NOL spacer
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F10/00—Thin magnetic films, e.g. of one-domain structure
    • H01F10/32—Spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices
    • H01F10/324—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer
    • H01F10/3286—Spin-exchange coupled multilayers having at least one layer with perpendicular magnetic anisotropy

Definitions

  • the present invention relates to a stress sensor.
  • a resistor that is arranged so as to extend in a certain direction as a sensor segment is used, and a technique for detecting the stress by changing a resistance value when the resistor is deformed in the longitudinal direction due to stress is often used. It is known (see, for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 discloses an example of a stress sensor using the above-described method, and discloses a stress sensor that is intended to accurately obtain a target stress calculation value without being affected by temperature.
  • Patent Document 1 includes a substrate and a sensor element resistor formed on the substrate, and the sensor element resistor is combined with the other three resistor elements to form a bridge circuit.
  • a stress sensor is disclosed.
  • one of the other three resistance elements has a resistance temperature coefficient that is the same as or substantially the same as that of the sensor element resistor, as a temperature compensation resistor. (See abstract).
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a stress sensor capable of detecting a stress in an arbitrary direction in a plane with one element.
  • one aspect of the stress sensor includes a stress detection layer including a laminate formed by laminating a first magnetic layer, a first nonmagnetic layer, and a second magnetic layer, and includes a first magnetic layer.
  • the layer and the second magnetic layer have different magnetoelastic coupling constants, and the stress is applied by the electric resistance depending on the relative angle of magnetization of the first magnetic layer and the second magnetic layer, which varies depending on the externally applied stress. It is to detect.
  • a stress sensor that can detect a stress in an arbitrary direction in a plane with one element.
  • FIG. It is a figure which shows the structure of the stress sensor of Example 3.
  • FIG. It is a figure which shows the effect
  • FIG. It is a figure which shows the relationship between the distortion direction of the stress sensor of Example 3, and resistance change.
  • FIG. It is a figure which shows the effect
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the stress sensor according to the first embodiment.
  • the stress sensor 10 is formed on the substrate 1, the foundation layer 2 formed on the substrate 1, the stress detection layer 3 formed on the foundation layer 2, and the stress detection layer 3.
  • a protective layer 4 and electrodes 5a and 5b formed on the protective layer 4 are provided.
  • the substrate 1 is made of a resin substrate, and in particular, when a flexible substrate having flexibility and stretchability is used, it can be used for applications such as a sensor for detecting the movement of a human body.
  • a flexible substrate for example, a substrate made of polyester, polycarbonate, or polyimide is used.
  • the underlayer 2 determines the crystal orientation of the stress detection layer 3 and enhances the adhesion between the magnetic layer in the stress detection layer 3 and the substrate 1 and may be any nonmagnetic material.
  • the underlayer 2 is made of 3d, 4d, 5d transition metal nonmagnetic material such as Pt, Cu, Ta, Au, or the like.
  • the underlayer 2 may be made of an insulator, and may be, for example, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or magnesium oxide.
  • the stress detection layer 3 includes a laminated body including a first magnetic layer 31, a first nonmagnetic layer 30, and a second magnetic layer 32 in order from the upper layer.
  • the stress detection layer 3 may further include a laminate in which one or more structures including the second nonmagnetic layer and the third magnetic layer are laminated on the upper layer or the lower layer of the laminate.
  • the second nonmagnetic layer and the third magnetic layer may further include a laminate in which one or more structures made of a nonmagnetic layer and a magnetic layer having different materials and thicknesses are laminated.
  • the stress detection layer 3 has a structure in which a plurality of magnetic layers are stacked with the nonmagnetic layer interposed therebetween.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 have different magnetoelastic coupling constants B.
  • the magnetization directions (magnetic moments) of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 are parallel or antiparallel in an initial state where no stress is applied.
  • uniaxial magnetic anisotropy is imparted, for example, by forming the stress detection layer 3 in a magnetic field or by forming the element into an elongated shape. Can be realized.
  • One of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 is a strain insensitive layer, and the other is a strain sensitive layer.
  • a strain-insensitive layer is a layer in which the magnetization direction of the strain-insensitive layer does not change substantially even when stress (strain) is applied.
  • a strain-sensitive layer is a layer of a strain-sensitive layer when stress (strain) is applied.
  • a layer whose magnetization direction is parallel or perpendicular to the strain direction. When B> 0, the magnetization direction of the strain sensitive layer is parallel to the strain direction, and when B ⁇ 0, the magnetization direction of the strain sensitive layer is perpendicular to the strain direction.
  • the strain insensitive layer has a sufficiently smaller magnetoelastic coupling constant B than the strain sensitive layer.
  • the absolute value of the magnetoelastic coupling constant of the strain insensitive layer is the strain sensitive layer. It is defined as 1/5 or less of the magnetoelastic coupling constant of the layer.
  • the absolute value of the magnetoelastic coupling constant of the strain insensitive layer is preferably substantially 0, specifically 0.5 MJ / m 3 or less, 0.
  • the absolute value of the magnetoelastic coupling constant of the strain sensitive layer is 1 MJ / m 3 or more.
  • the stress (strain) includes various stresses such as tension, compression, and deflection.
  • the magnetic layer is made of a metal (including an alloy) magnetic material, and is preferably made of a 3d transition metal ferromagnet such as Fe, Co, or Ni and an alloy containing them.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 may be made of the same magnetic material or different magnetic materials.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 may have the same thickness or different thicknesses. Even if the materials of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 are the same, if the film thickness is different, the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 have different magnetoelastic coupling constants B. Even if the materials and thicknesses of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 are the same, the nonmagnetic layer (protective layer or underlayer) in contact with the top and bottom of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 is used.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 have different magnetoelastic coupling constants B from each other.
  • the third magnetic layer may be made of the same material as the first magnetic layer and the second magnetic layer, or may be made of a different material, or may be the same thickness. It may be a thickness.
  • the thickness of the magnetic layer including the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 is set to 30 nm or less.
  • the first magnetic layer and the second magnetic layer may be formed by stacking different types of metal magnetic layers.
  • NiFe or the like is provided between the first magnetic layer and the protective layer, and when the strain-insensitive layer is the second magnetic layer, between the second magnetic layer and the underlayer.
  • An antiferromagnetic layer made of may be disposed.
  • the thickness of the antiferromagnetic layer is preferably 3 nm or more and 30 nm or less.
  • the first nonmagnetic layer 30 may be a nonmagnetic material, and is made of a 3d, 4d, 5d transition metal nonmagnetic material such as Pt, Cu, Ta, or Au.
  • the first nonmagnetic layer 30 may be an insulator and is made of silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, magnesium oxide, or the like.
  • the thickness of the first nonmagnetic layer 30 is 10 nm or less.
  • the second nonmagnetic layer may be made of the same material as or different from the first nonmagnetic layer, or may have the same thickness or a different thickness. It may be.
  • the protective layer 4 protects the stress detection layer 3 and may be a non-magnetic material.
  • the protective layer 4 is made of 3d, 4d, 5d transition metal non-magnetic material such as Pt, Cu, Ta, Au, or the like.
  • the material of the electrodes 5a and 5b is not limited, and for example, a metal made of Pt, Cu, Ag, Au, Al, Cr, Ti, or a conductor containing these metals is used.
  • a current is supplied to the stress detection layer 3 through the electrodes 5a and 5b, and the electrical resistance value of the stress detection layer 3 is detected.
  • electrodes 5 a and 5 b are formed on the stress detection layer 3. When a voltage is applied between the electrode 5a and the electrode 5b, a current flows into all layers of the stress detection layer 3 as a result, so that a giant magnetoresistance effect described later can be detected.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining the relationship between the relative angle of magnetization and the electrical resistance in the stress sensor according to the present embodiment.
  • 2A shows the basic element structure
  • FIG. 2B shows the case where the relative angle of magnetization is 0 ° (low resistance state)
  • FIG. 2C shows the relative angle of magnetization (the angle between M1 and M2).
  • 2 is 90 ° (intermediate resistance state)
  • FIG. 2D illustrates the case where the relative angle of magnetization is 180 °.
  • the magnetization direction (magnetization moment) of the first magnetic layer 31 is M1
  • the magnetization direction of the second magnetic layer 32 is M2.
  • the value of the electrical resistance detected when a current flows in the plane changes according to the relative angle of magnetization of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 (FIG. 2 (b)-(d)).
  • the relative angle of magnetization is 0 ° C. as shown in FIG. 2B
  • the electrical resistance value of the stress detection layer 3 is in a low resistance state
  • the relative angle of magnetization is 0 ° as shown in FIG.
  • FIG. 2C illustrates the case of 90 ° as an example
  • the electrical resistance value of the stress detection layer 3 is in an intermediate state (between the low resistance state and the high resistance state). As shown in FIG.
  • the stress detection layer 3 when the relative angle of magnetization is 180 ° C., the stress detection layer 3 is in a high resistance state.
  • the electrical resistance value of the stress detection layer 3 varies depending on the relative angle of magnetization.
  • This is the so-called giant magnetoresistance effect (Nobel Prize in Physics 2007), and it is known that the magnetoresistance change rate generally increases when the number of magnetic layers / nonmagnetic layers is increased.
  • the stress sensor according to the present embodiment uses this giant magnetoresistance effect.
  • the first magnetic layer 31 is a strain insensitive layer
  • the second magnetic layer 32 is a strain sensitive layer
  • the magnetization directions (magnetic moments) of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 are parallel in the initial state (see FIG. 2 (b) low resistance state) or antiparallel arrangement (high resistance state of FIG. 2D).
  • the first magnetic layer 31 that is a strain insensitive layer is insensitive to strain and the magnetization direction does not change
  • the second magnetic layer 31 that is a strain sensitive layer reacts sensitively to strain and directs its magnetization direction parallel (when B> 0) or perpendicular (when B ⁇ 0) with respect to the strain direction (stress direction).
  • the second magnetic layer 32 when the magnetoelastic coupling constant B of the second magnetic layer 32 that is a strain sensitive layer is positive.
  • the magnetization direction of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 changes to 30 ° relative to the stress direction.
  • a finite angle is created between the magnetization direction axes of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 according to the direction of strain, and the electric resistance value according to the relative angle is shown by the giant magnetoresistance effect. It will be.
  • the relative angle of magnetization can be detected, and the vector direction of the distortion can be detected.
  • the stress sensor according to the first embodiment it is possible to detect the stress in an arbitrary direction in the plane with one element.
  • the stress vector direction can be detected by one element.
  • one of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 has a positive magnetoelastic coupling constant, and the other has a negative magnetoelastic coupling constant.
  • the magnetoelastic coupling constant of the first magnetic layer 31 is negative
  • the magnetoelastic coupling constant of the second magnetic layer 32 is positive. That is, when stress (strain) is applied to the stress sensor 10, the magnetization direction of the first magnetic layer 31 (B ⁇ 0) is perpendicular to the strain direction, and the second magnetic layer 32 (B> 0) is The magnetization direction is configured to be parallel to the strain direction.
  • the absolute value of the magnetoelastic coupling constant of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 is preferably 1 MJ / m 3 or more.
  • the magnetization directions (magnetic moments) of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 are parallel (low resistance state of FIG. 2B) in an initial state where no stress is applied, or antiparallel arrangement (FIG. 2 (d) high resistance state).
  • the first magnetic layer 31 having a negative magnetoelastic coupling constant B has its magnetization direction perpendicular to the strain direction (stress direction), and magnetoelasticity.
  • the second magnetic layer 32 having a positive coupling constant B has its magnetization direction parallel to the strain direction (stress direction).
  • the magnetization direction of the first magnetic layer 31 is perpendicular to the stress direction, and the magnetization direction of the second magnetic layer 32 is parallel to the stress direction.
  • the relative angle of magnetization of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 changes to 90 °.
  • the relative angle of magnetization of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 becomes 90 °, and the electric resistance value corresponding to the relative angle is obtained by the giant magnetoresistance effect. Will be shown.
  • the stress sensor according to the second embodiment it is possible to detect the stress in an arbitrary direction in the plane with one element.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a stress sensor according to the third embodiment.
  • electrodes 5 a and 5 b are arranged on the side portion of the stress detection layer 3.
  • the arrangement of the electrodes 5a and 5b and the points other than the fact that an insulator can be used as the protective layer 4 are the same as in the first and second embodiments.
  • an insulator for example, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or magnesium oxide can be used.
  • the same effects as those of the first and second embodiments can be obtained by the arrangement of the electrodes 5a and 5b shown in FIG.
  • the size in the in-plane direction of the element approaches the total film thickness (10 nm-300 nm) of the metal layer, in the configuration of the arrangement of the electrodes 5a and 5b shown in FIG.
  • a current can flow uniformly in the arrangement of the electrodes 5a and 5b shown in FIG.
  • FIG. 6 is a schematic sectional view of a stress sensor according to the fourth embodiment.
  • the electrode 5 a is disposed on the protective layer 4, a part of the foundation layer 2 is exposed, and the electrode 5 b is disposed on the exposed foundation layer 2.
  • the arrangement of the electrodes 5a and 5b and the point other than the fact that an insulator can be used as the nonmagnetic layer 30 are the same as those in the first and second embodiments.
  • the nonmagnetic layer 30 may be made of an insulator, and for example, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or magnesium oxide can be used.
  • the nonmagnetic layer 30 that is an insulator is preferably thin enough to allow a tunnel current to flow, and is preferably set to 5 nm or less.
  • the arrangement of the electrodes 5a and 5b shown in FIG. 6 is such that a current can flow perpendicularly to the stress detection layer 3. Even when the electrodes 5a and 5b shown in FIG. 6 are arranged, if a voltage is applied between the electrodes 5a and 5b, the current flows into all layers of the stress detection layer 3, so that the giant magnetoresistive effect described above is detected. can do.
  • the arrangement shown in FIG. 6 uses an insulator for the nonmagnetic layer 30 to provide a tunnel magnetoresistive effect in which the relative angle of magnetization is reflected in the resistance in the same manner as the giant magnetoresistive effect due to the arrangement of the electrodes 5a and 5b. It can be detected.
  • the same effects as those of the first embodiment and the second embodiment can be obtained by the arrangement of the electrodes 5a and 5b shown in FIG. Note that by arranging the electrodes 5a and 5b shown in FIG. 6, it is possible to obtain a particularly high magnetoresistive change rate and to produce a highly sensitive sensor as compared with the first and second embodiments. it can.
  • FIG. 7 is a graph showing measurement results of magnetoelastic coupling constants when a ferromagnetic Co (cobalt) film is sandwiched between various nonmagnetic metals that are nonmagnetic materials.
  • the vertical axis in FIG. 7 indicates the Co film thickness (nm), and the vertical axis indicates the magnetoelastic coupling constant B (MJ / m 3 ).
  • the magnetoelastic coupling constant B of the bulk magnetic material is determined by the material, from the graph shown in FIG. 7, the magnetoelastic coupling constant B is determined from the combination with the nonmagnetic material to be laminated or the film thickness of the magnetic layer itself. Has been found to depend. Accordingly, the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer having the magnetoelastic coupling constants described in the first and second embodiments can be selected by selecting the combination with the non-magnetic material to be laminated or the film thickness of the magnetic layer. Layer 32 can be obtained.
  • Example 1 The stress sensor of Example 1 includes a Ta layer (underlayer), a 2 nm Cu layer (nonmagnetic layer), a 4 nm Co layer (strain insensitive layer), and a 4 nm Cu layer (nonmagnetic) in order from the lower layer on the substrate.
  • Layer a 2 nm Co layer (strain sensitive layer), and a 2 nm Pt layer (nonmagnetic layer or protective layer).
  • an element structure of a type that can detect the stress vector direction can be realized.
  • Example 2 In the stress sensor of Example 2, the Ta layer (underlayer), 2 nm Cu layer (nonmagnetic layer), 2 nm Co layer (strain sensitive layer), 4 nm Cu layer (nonmagnetic) on the substrate in order from the lower layer. Layer), a 2 nm Co layer (strain sensitive layer), and a 2 nm Pt layer (nonmagnetic layer or protective layer).
  • the lower layer Cu / Co (2 nm) / Cu laminated body has a Co magnetoelastic coupling constant B ⁇ 0, and the upper layer Cu / Co (2 nm) / Pt.
  • Co magnetoelastic coupling constant B> 0 and combinations in which the signs of the magnetoelastic coupling constants in the second embodiment are different are realized. According to the second embodiment, it is possible to realize an element structure in which the resistance increases regardless of the direction in the plane.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of the stress sensor according to the third embodiment.
  • the material and film thickness of each layer constituting the stress sensor shown in FIG. 8 are as follows.
  • Substrate 1 Polyethylene naphthalate underlayer 2a: 2.5 nm Ta Underlayer 2b: 2.0 nm
  • Second magnetic layer 32 3.5 nm Co (strain sensitive layer)
  • First nonmagnetic layer 30 4.0 nm Cu
  • Additional first magnetic layer 31a 0.4 nm Co
  • Protective layer 4 2.0 nm Cu
  • Electrodes 5a and 5b conductive epoxy resin
  • FIG. 10 shows the relationship between the tensile strain direction (strain direction) and the resistance change. As shown in FIG. 10, since the resistance change according to the strain direction occurs when the magnetization direction of the Co layer as the sensitive layer changes, the strain direction can be detected.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of the stress sensor according to the fourth embodiment.
  • the material and film thickness of each layer constituting the stress sensor shown in FIG. 11 are as follows.
  • Substrate 1 Polyethylene naphthalate underlayer 2a: 2.5 nm Ta Underlayer 2b: 1.7 nm Pt Second magnetic layer 32: 3.5 nm Co (strain sensitive layer B> 0)
  • First nonmagnetic layer 30 4.0 nm Cu
  • First magnetic layer 31 4.0 nm Ni (strain sensitive layer B ⁇ 0)
  • Protective layer 4 1.7 nm Pt Electrodes 5a and 5b: conductive epoxy resin
  • the magnetoelastic coupling constant B of the Co layer that is a strain sensitive layer is B> 0, and the magnetoelastic coupling constant B of the Ni layer that is a strain sensitive layer is B ⁇ 0.
  • the Co layer with B> 0 has its magnetization direction parallel to the strain direction
  • the Ni layer with B ⁇ 0 has its magnetization direction with respect to the strain direction. Orient vertically.
  • the tensile strain was applied parallel to the x axis in FIG.
  • the horizontal axis of FIG. 13 shows the magnetic field given from the outside, and the vertical axis shows the resistance change of the stress sensor.
  • a graph G1 in FIG. 13 shows a measurement result when no tensile strain is given, and a graph G2 shows a measurement result when a tensile strain is given.
  • the stress sensor 10 includes a stress detection layer 3 including a laminate formed by laminating a first magnetic layer 31, a first nonmagnetic layer 30, and a second magnetic layer 32, and the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 have magnetoelastic coupling constants different from each other, and an electric resistance depending on a relative angle of magnetization of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 that changes depending on a stress applied from the outside.
  • the stress is detected by.
  • the stress is detected by detecting the electric resistance depending on the relative angle of magnetization of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 that changes depending on the stress applied from the outside.
  • One of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 is a strain insensitive layer whose magnetization direction does not change depending on the stress applied from the outside, and the other is a magnetization direction depending on the stress applied from the outside.
  • This is a strain sensitive layer in which changes.
  • the relative angle of magnetization of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 is detected based on the electric resistance value. As a result, the stress vector direction can be finally detected.
  • One of the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 has a positive magnetoelastic coupling constant, and the other has a negative magnetoelastic coupling constant.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 have a magnetization direction parallel or antiparallel to each other in an initial state where no stress is applied.
  • the magnetization directions in the initial state to be parallel or antiparallel, the difference in electrical resistance from when stress is applied becomes clear.
  • the stress detection layer 3 further includes a laminated body in which one or more structures including the second nonmagnetic layer and the third magnetic layer are laminated in addition to the laminated body.
  • the substrate 1 that supports the stress detection layer 3 is provided.
  • the substrate 1 is a flexible substrate.
  • the first magnetic layer 31 and the second magnetic layer 32 are easily subjected to tensile stress or compressive stress, and the stress can be detected.
  • the first, second and third magnetic layers are made of a metal magnetic material.
  • the first, second, and third magnetic layers include one selected from the group consisting of Fe, Co, Ni, and alloys containing them.
  • the first and second nonmagnetic layers are a metal or an insulator. Thereby, a stress sensor using a giant magnetoresistance effect can be realized.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Abstract

１つの素子で面内の任意の方向の応力を検出することができる応力センサを提供することを目的とする。本実施形態の応力センサは、第１磁性層３１、第１非磁性層３０、及び第２磁性層３２を積層してなる積層体を含む応力検出層３を有し、第１磁性層３１及び第２磁性層３２は互いに異なる磁気弾性結合定数を有し、外部から加えた応力に依存して変化する第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化の相対角度に依存した電気抵抗によって応力を検出する。

Description

応力センサ
　本発明は、応力センサに関する。
　従来の応力センサとしては、例えば、センサセグメントとして一定方向に延びるように配置した抵抗体を用い、応力によってこの抵抗体がその長手方向に変形した場合の抵抗値変化をもって応力を検出する手法がよく知られている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１には、上記の手法を用いた応力センサの一例であって、温度の影響を受けることなく、正確に目的の応力演算値を得ることを企図した応力センサが開示されている。具体的には、特許文献１には、基板と、この基板上に形成されたセンサ素子用抵抗体と、を備え、上記センサ素子抵抗体は、他の３つの抵抗素子と組み合わされてブリッジ回路が構成される応力センサが開示されている。また、特許文献１には、上記基板には、上記他の３つの抵抗素子のうちの１つの抵抗素子が、温度補償用抵抗として、上記センサ素子用抵抗体と同一もしくは略同一の抵抗温度係数をもつ材質によって形成されることが開示されている（要約書参照）。
特開２００７－３３３４０８号公報
　しかしながら、このような従来の応力センサは１つの素子で応力の大きさを検出することはできるが、検出できる応力の方向が限定されるという問題があった。このため、応力センサの面内における任意の方向の応力を検出できるようにするためには複数のセンサを併用する必要があった。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、１つの素子で面内の任意の方向の応力を検出することができる応力センサを提供することを目的とする。
　上記の目的を達成するため、応力センサの一態様は、第１磁性層、第１非磁性層、及び第２磁性層を積層してなる積層体を含む応力検出層を有し、第１磁性層及び第２磁性層は互いに異なる磁気弾性結合定数を有し、外部から加えた応力に依存して変化する第１磁性層及び第２磁性層の磁化の相対角度に依存した電気抵抗によって応力を検出するものである。
　本発明によれば、１つの素子で面内の任意の方向の応力を検出することができる応力センサを提供することができる。
第１及び第２実施形態に係る応力センサの概略断面図である。 本実施形態に係る応力センサにおける、磁化の相対角度と電気抵抗の関係について説明するための図である。 第１実施形態に係る応力センサの作用を説明する図である。 第２実施形態に係る応力センサの作用を説明する図である。 第３実施形態に係る応力センサの概略断面図である。 第４実施形態に係る応力センサの概略断面図である。 Ｃｏ膜を各種非磁性層で挟んだときの磁気弾性結合定数を示す図である。 実施例３の応力センサの構成を示す図である。 実施例３の応力センサの作用を示す図である。 実施例３の応力センサの歪方向と抵抗変化の関係を示す図である。 実施例４の応力センサの構成を示す図である。 実施例４の応力センサの作用を示す図である。 実施例４の応力センサに与えた磁場と抵抗変化の関係を示す図である。
（第１実施形態）
　図１は、第１実施形態に係る応力センサの概略断面図である。
　図１に示すとおり、応力センサ１０は、基板１と、基板１上に形成された下地層２と、下地層２上に形成された応力検出層３と、応力検出層３上に形成された保護層４と、保護層４上に形成された電極５ａ，５ｂとを備える。
　基板１は、樹脂基板からなり、中でも、可撓性や伸縮性を有するフレキシブル基板を用いると、人体の動きを感知するセンサ等の用途に用いることができる。このようなフレキシブル基板として、例えば、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリイミドからなる基板が用いられる。
　下地層２は、応力検出層３の結晶配向性を決め、また応力検出層３中の磁性層と基板１との接着性を高めるものであり、非磁性体であればよい。例えば、下地層２は、３ｄ，４ｄ，５ｄ遷移金属非磁性体である、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕなどからなる。また、下地層２は絶縁体により構成されていてもよく、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウムや酸化マグネシウムであってもよい。
　応力検出層３は、上層から順に、第１磁性層３１、第１非磁性層３０、及び第２磁性層３２からなる積層体を備える。なお、図示しないが、応力検出層３は、上記積層体の上層または下層に、第２非磁性層及び第３磁性層からなる構造を１以上積層した積層体をさらに含んでいてもよい。追加の第２非磁性層及び第３磁性層からなる構造の積層数の上限に限定はないが、例えば５０程度である。第２非磁性層及び第３磁性層とは材料や厚さが異なる非磁性層及び磁性層からなる構造を１以上積層した積層体をさらに含んでもよい。このように、応力検出層３は、非磁性層を挟んだ状態で、複数の磁性層が積層された構造となっている。
　第１磁性層３１及び第２磁性層３２は互いに異なる磁気弾性結合定数Ｂを有する。第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化方向（磁気モーメント）は、応力が加えられていない初期状態で平行、あるいは反平行配列している。初期状態で磁化を平行、あるいは反平行にするためには、例えば応力検出層３を磁界中で製膜することや、素子を細長く加工することによる形状効果により、一軸磁気異方性を付与することで実現することができる。
　第１磁性層３１及び第２磁性層３２のうちの一方は歪鈍感層であり、他方は歪敏感層である。歪鈍感層とは、応力（歪）が加わった場合でも歪鈍感層の磁化方向が実質的に変化しない層であり、歪敏感層とは、応力（歪）が加わった場合に歪敏感層の磁化方向が歪方向に対して平行または垂直に向く層をいう。Ｂ＞０の場合には歪敏感層の磁化方向が歪方向に対して平行に向き、Ｂ＜０の場合には歪敏感層の磁化方向が歪方向に対して垂直に向くこととなる。歪敏感層との相対値から定義すると、歪鈍感層は、歪敏感層よりもその磁気弾性結合定数Ｂが十分に小さく、好ましくは、歪鈍感層の磁気弾性結合定数の絶対値は、歪敏感層の磁気弾性結合定数の１／５以下と定義される。また、磁気弾性結合定数の絶対値から定義すると、歪鈍感層の磁気弾性結合定数の絶対値は実質的に０であることが好ましく、具体的には、０．５ＭＪ／ｍ３以下、０．４ＭＪ／ｍ３以下、０．３ＭＪ／ｍ３以下、０．２ＭＪ／ｍ３以下、０．１ＭＪ／ｍ３以下であり、できる限り０に近いことが好ましい。また好ましくは、歪敏感層の磁気弾性結合定数の絶対値は、１ＭＪ／ｍ３以上である。なお、応力（歪）とは、引張、圧縮、たわみ等の各種応力を含む。
　磁性層は、金属（合金を含む）の磁性体からなり、好ましくは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの３ｄ遷移金属強磁性体及びそれらを含む合金からなる。
　第１磁性層３１及び第２磁性層３２は、同一の磁性材料で構成されていても異なる磁性材料で構成されていてもよい。また、第１磁性層３１及び第２磁性層３２は、同一の厚さであっても異なる厚さであってもよい。第１磁性層３１及び第２磁性層３２の材料が同じであっても膜厚が異なれば、第１磁性層３１及び第２磁性層３２は互いに異なる磁気弾性結合定数Ｂを有することとなる。また、第１磁性層３１及び第２磁性層３２の材料及び膜厚が同一であったとしても、第１磁性層３１及び第２磁性層３２の上下に接する非磁性層（保護層又は下地層を含む）の材料が異なることにより、第１磁性層３１及び第２磁性層３２は互いに異なる磁気弾性結合定数Ｂを有することになる。また、第３磁性層を備える場合、第３磁性層は第１磁性層及び第２磁性層と同一材料で構成されていても異なる材料であってもよいし、同じ厚さであっても異なる厚さであってもよい。
　第１磁性層３１及び第２磁性層３２を含めた磁性層の膜厚は、３０ｎｍ以下に設定される。このように磁性層の膜厚を３０ｎｍ以下と薄くすることにより、磁性層は、応力の存在により伸縮し、応力がなくなれば元に復元する特性を発揮することができる。
なお、第１磁性層及び第２磁性層は、種類の異なる金属磁性層を積層したものでもよい。
また、歪鈍感層を第１磁性層とする場合は第一磁性層と保護層の間に、歪鈍感層を第２磁性層とする場合は第２磁性層と下地層の間に、ＮｉＦｅなどからなる反強磁性層を配置してもよい。反強磁性層を配置することにより、鈍感層の磁化を単磁区状態のまま一方向に固定することが容易となる（交換バイアス式）。反強磁性層の厚みは３ｎｍ以上３０ｎｍ以下が好ましい。
　第１非磁性層３０は、非磁性体であればよく、３ｄ，４ｄ，５ｄ遷移金属非磁性体、例えば、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕなどからなる。また、第１非磁性層３０は絶縁体であってもよく、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウムや酸化マグネシウム等をからなる。第１非磁性層３０の厚さは１０ｎｍ以下である。また、第２非磁性層を備える場合、第２非磁性層は第１非磁性層と同一材料で構成されていても異なる材料であってもよいし、同じ厚さであっても異なる厚さであってもよい。
　保護層４は、応力検出層３を保護するものであり、非磁性体であればよい。例えば、保護層４は、３ｄ，４ｄ，５ｄ遷移金属非磁性体である、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｔａ、Ａｕなどからなる。
　電極５ａ，５ｂの材料に限定はなく、例えばＰｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ等からなる金属又はこれらの金属を含む導電体が使用される。電極５ａ，５ｂを通じて応力検出層３に電流が供給され、応力検出層３の電気抵抗値が検出される。本実施形態では、応力検出層３の上部に電極５ａ，５ｂが形成されている。電極５ａと電極５ｂの間に電圧を印加すると結果的に応力検出層３の全層に電流が流れ込むことから、後述する巨大磁気抵抗効果を検出可能である。
　図２は、本実施形態に係る応力センサにおける、磁化の相対角度と電気抵抗の関係について説明するための図である。図２（ａ）は基本素子構造を示し、図２（ｂ）は磁化の相対角度が０°の場合（低抵抗状態）、図２（ｃ）は磁化の相対角度（Ｍ１とＭ２の角度）が９０°の場合（中間抵抗状態）、図２（ｄ）は磁化の相対角度が１８０°の場合を図解している。第１磁性層３１の磁化方向（磁化モーメント）をＭ１とし、第２磁性層３２の磁化方向をＭ２とする。
　本実施形態に係る応力センサでは、面内に電流を流した場合に検出される電気抵抗の値が、第１磁性層３１と第２磁性層３２の磁化の相対角度に応じて変化する（図２（ｂ）－（ｄ））。図２（ｂ）に示すように磁化の相対角度が０℃の場合には応力検出層３の電気抵抗値が低抵抗状態となり、図２（ｃ）に示すように磁化の相対角度が０°を超え１８０°未満の場合（図２（ｃ）では一例として９０°の場合を図解）には応力検出層３の電気抵抗値は中間状態（低抵抗状態と高抵抗状態の間）となり、図２（ｄ）に示すように磁化の相対角度が１８０℃の場合には応力検出層３が高抵抗状態となる。このように、磁化の相対角度に応じて、応力検出層３の電気抵抗値は異なる値となる。これはいわゆる巨大磁気抵抗効果（２００７年ノーベル物理学賞）であり、磁性層／非磁性層の積層回数を増やすと、一般的に磁気抵抗変化率が上昇することが知られている。本実施形態に係る応力センサは、この巨大磁気抵抗効果を利用したものである。
　次に、図３を参照して、本実施形態に係る応力センサを用いた応力の検出方法について説明する。
　例えば第１磁性層３１が歪鈍感層であり、第２磁性層３２が歪敏感層であり、第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化方向（磁気モーメント）は初期状態で平行（図２（ｂ）の低抵抗状態）、あるいは反平行配列（図２（ｄ）の高抵抗状態）となるように設計されている。この状態で、応力センサ１０の面内に応力が作用すると、歪鈍感層である第１磁性層３１は歪みに対して鈍感であり磁化方向が変化しないのに対し、歪敏感層である第２磁性層３２は歪みに対して敏感に反応し、その磁化方向を歪み方向（応力方向）に対して（Ｂ＞０の場合）平行もしくは（Ｂ＜０の場合）垂直に向ける。
　例えば、図３に示すように、ｘ軸から３０°の方向に引張応力が加えられると、歪敏感層である第２磁性層３２の磁気弾性結合定数Ｂが正の場合、第２磁性層３２の磁化方向が応力方向に平行となり、第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化の相対角度が３０°に変化する。これにより、歪みの方向に応じて、第１磁性層３１と第２磁性層３２の磁化方向軸の間には有限の角度が生まれ、巨大磁気抵抗効果により相対角度に応じた電気抵抗値を示すこととなる。この電気抵抗値を電極５ａ，５ｂにより検知することにより、磁化の相対角度を検出でき、歪みのベクトル方向を検出することができる。
　以上のように、第１実施形態に係る応力センサによれば、１つの素子で面内の任意の方向の応力を検出することができる。特に、第１実施系形態に係る応力センサによれば、１つの素子で応力ベクトル方向を検出することができる。
　（第２実施形態）
　第２実施形態では第１実施形態と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。第２実施形態に係る応力センサの概略断面図は図１に示すものである。
　第２実施形態では、第１磁性層３１及び第２磁性層３２のうちの一方は、正の磁気弾性結合定数を有し、他方は負の磁気弾性結合定数を有する。例えば、第１磁性層３１の磁気弾性結合定数が負であり、第２磁性層３２の磁気弾性結合定数が正である。すなわち、応力センサ１０に応力（歪）が作用した場合、第１磁性層３１（Ｂ＜０）はその磁化方向が歪方向に対して垂直に向き、第２磁性層３２（Ｂ＞０）はその磁化方向が歪方向に対して平行に向くように構成されている。第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁気弾性結合定数の絶対値は、１ＭＪ／ｍ３以上であることが好ましい。
　次に、図４を参照して、本実施形態に係る応力センサを用いた応力の検出方法について説明する。
　まず、第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化方向（磁気モーメント）は、応力が加えられていない初期状態で平行（図２（ｂ）の低抵抗状態）、あるいは反平行配列（図２（ｄ）の高抵抗状態）となるように設計されている。この状態で、応力センサ１０の面内に応力が作用すると、磁気弾性結合定数Ｂが負である第１磁性層３１はその磁化方向を歪み方向（応力方向）に対して垂直に向け、磁気弾性結合定数Ｂが正である第２磁性層３２はその磁化方向を歪み方向（応力方向）に対して平行に向ける。
　図４に示すように、例えば、任意の方向に引張応力が加えられると、第１磁性層３１の磁化方向が応力方向に垂直となり、第２磁性層３２の磁化方向が応力方向に平行となり、第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化の相対角度が９０°に変化する。このように、任意の方向に応力が作用した場合に、第１磁性層３１と第２磁性層３２の磁化の相対角度が９０°となり、巨大磁気抵抗効果により相対角度に応じた電気抵抗値を示すこととなる。この電気抵抗値を電極５ａ，５ｂにより検知することにより、応力の有無を検出できる。
　以上のように、第２実施形態に係る応力センサによれば、１つの素子で面内の任意の方向の応力を検出することができる。
（第３実施形態）
　第３実施形態では第１実施形態と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。
　図５は、第３実施形態に係る応力センサの概略断面図である。図５に示すように、第３実施形態では、応力検出層３の側部に電極５ａ，５ｂが配置されている。電極５ａ，５ｂの配置及び、保護層４として絶縁体を用いることができること以外の点については、第１及び第２実施形態と同様である。保護層４として絶縁体を用いる場合は、例えば酸化シリコン、や窒化シリコン、酸化アルミニウムや酸化マグネシウムを用いることができる。
　図５に示す電極５ａ，５ｂの配置によっても、電極５ａと電極５ｂの間に電圧を印加すると結果的に応力検出層３の全層に電流が流れ込むことから、上述した巨大磁気抵抗効果を検出することができる。
　よって、図５に示す電極５ａ，５ｂの配置によっても、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、素子の面内方向のサイズが金属層の合計の膜厚（１０ｎｍ－３００ｎｍ）に近づく場合には、図１に示す電極５ａ，５ｂの配置の構成では、応力検出層３の膜面垂直方向に電流密度分布ができやすいが、図５に示す電極５ａ，５ｂの配置の構成では均一に電流を流すことができる。
（第４実施形態）
　第４実施形態では第１実施形態と共通の事項についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。
　図６は、第４実施形態に係る応力センサの概略断面図である。図６に示すように、第４実施形態では、保護層４上に電極５ａが配置され、下地層２の一部が露出しており、この露出した下地層２上に電極５ｂが配置されている。電極５ａ，５ｂの配置、及び非磁性層３０として絶縁体を用いることができること以外の点については、第１及び第２実施形態と同様である。非磁性層３０は絶縁体により構成されていてもよく、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウムや酸化マグネシウムを用いることができる。なお、絶縁体である非磁性層３０の厚さはトンネル電流が流れる程度に薄いことが好ましく、５ｎｍ以下に設定されるのが好ましい。
　図６に示す電極５ａ，５ｂの配置は、応力検出層３に垂直に電流を流すことができるような構造となっている。図６に示す電極５ａ，５ｂの配置によっても、電極５ａと電極５ｂの間に電圧を印加すると結果的に応力検出層３の全層に電流が流れ込むことから、上述した巨大磁気抵抗効果を検出することができる。また、図６に示す配置は、非磁性層３０に絶縁体を用いることにより、電極５ａ，５ｂの配置によって巨大磁気抵抗効果と同様に磁化の相対角度が抵抗に反映されるトンネル磁気抵抗効果を検出可能である。
　以上のように、図６に示す電極５ａ，５ｂの配置によっても、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を奏することができる。なお、図６に示す電極５ａ，５ｂの配置にすることにより、第１実施形態及び第２実施形態に比べ、特に高い磁気抵抗変化率を得ることができ、感度の良いセンサを作製することができる。
（実施例）
　以下、本発明を実施例によってさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
　図７は、強磁性Ｃｏ（コバルト）膜を非磁性体である各種非磁性金属で挟んだときの磁気弾性結合定数の測定結果を示すグラフである。図７の縦軸はＣｏ膜厚（ｎｍ）、縦軸は磁気弾性結合定数Ｂ（ＭＪ／ｍ３）を示す。図７では、基板側からＰｔ／Ｃｏ／Ｐｔ、Ｐｔ／Ｃｏ／Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｏ／Ｃｕ、Ｃｕ／Ｃｏ／Ｐｔと積層した４種類の膜構成をもつ試料における、磁気弾性結合定数のＣｏ膜厚依存性を示している。
　バルクの磁性体の磁気弾性結合定数Ｂは材料によって決まったものであるものの、図７に示すグラフから、積層する非磁性体との組み合わせ、もしくは磁性層自身の膜厚に、磁気弾性結合定数Ｂが依存することが判明している。これにより、積層する非磁性体との組合せ又は磁性層の膜厚を選択することにより、第１実施形態及び第２実施形態で説明した磁気弾性結合定数をもつ第１磁性層３１及び第２磁性層３２を得ることができる。
　（実施例１）
　実施例１の応力センサは、基板上に、下層から順に、Ｔａ層（下地層）、２ｎｍのＣｕ層（非磁性層）、４ｎｍのＣｏ層（歪鈍感層）、４ｎｍのＣｕ層（非磁性層）、２ｎｍのＣｏ層（歪敏感層）、２ｎｍのＰｔ層（非磁性層又は保護層）が積層されてなるものである。図７に示すグラフによれば、このような積層構造では、下層のＣｕ／Ｃｏ（４ｎｍ）／Ｃｕ積層体においてＣｏの磁気弾性結合定数Ｂ＝０となり、上層のＣｕ／Ｃｏ（２ｎｍ）／Ｐｔ積層体においてＣｏの磁気弾性結合定数Ｂ＞０となり、第１実施形態における歪敏感層と歪鈍感層の組合せが実現される。実施例１によれば、応力ベクトル方向を検出可能なタイプの素子構造を実現できる。
　（実施例２）
　実施例２の応力センサは、基板上に、下層から順に、Ｔａ層（下地層）、２ｎｍのＣｕ層（非磁性層）、２ｎｍのＣｏ層（歪敏感層）、４ｎｍのＣｕ層（非磁性層）、２ｎｍのＣｏ層（歪敏感層）、２ｎｍのＰｔ層（非磁性層又は保護層）が積層されてなるものである。図７に示すグラフによれば、このような積層構造では、下層のＣｕ／Ｃｏ（２ｎｍ）／Ｃｕ積層体においてＣｏの磁気弾性結合定数Ｂ＜０となり、上層のＣｕ／Ｃｏ（２ｎｍ）／Ｐｔ積層体においてＣｏの磁気弾性結合定数Ｂ＞０となり、第２実施形態における磁気弾性結合定数の正負の符号が異なる組合せが実現される。実施例２によれば、面内のどの方向に引っ張っても抵抗が上昇するタイプの素子構造を実現できる。
　（実施例３）
図８は、実施例３の応力センサの構成を示す図である。
図８に示す応力センサを構成する各層の材料及び膜厚は、以下の通りである。
基板１：ポリエチレンナフタレート
下地層２ａ：２．５ｎｍ　Ｔａ　
下地層２ｂ：２．０ｎｍ　Ｐｔ　
第２磁性層３２：３．５ｎｍ　Ｃｏ（歪敏感層）
第１非磁性層３０：４．０ｎｍ　Ｃｕ
追加第１磁性層３１ａ：０．４ｎｍ　Ｃｏ
第１磁性層３１：３．８ｎｍ　ＮｉＦｅ（歪鈍感層）
保護層４：２．０ｎｍ　Ｃｕ
電極５ａ、５ｂ：導電性エポキシ樹脂
実施例３の応力センサに対して、ε＝１．０％の引張歪を与えたときの抵抗変化を測定した。本実施例においては、図９に示すように、歪鈍感層であるＮｉＦｅ層は応力が加わっても磁化方向が変化せず、一方、歪敏感層であるＣｏ層は応力方向に対して平行に向く。
図１０に引張歪の方向（歪方向）と抵抗変化の関係を示す。図１０に示すように、敏感層であるＣｏ層の磁化方向が変化することにより、歪方向に応じた抵抗変化が起こるため、歪方向を検出することができた。
　（実施例４）
図１１は、実施例４の応力センサの構成を示す図である。
図１１に示す応力センサを構成する各層の材料及び膜厚は、以下の通りである。
基板１：ポリエチレンナフタレート
下地層２ａ：２．５ｎｍ　Ｔａ　
下地層２ｂ：１．７ｎｍ　Ｐｔ　
第２磁性層３２：３．５ｎｍ　Ｃｏ（歪敏感層　Ｂ＞０）
第１非磁性層３０：４．０ｎｍ　Ｃｕ
第１磁性層３１：４．０ｎｍ　Ｎｉ（歪敏感層　Ｂ＜０）
保護層４：１．７　ｎｍ　Ｐｔ
電極５ａ、５ｂ：導電性エポキシ樹脂
　本実施例においては、歪敏感層であるＣｏ層の磁気弾性結合定数ＢはＢ＞０であり、歪敏感層であるＮｉ層の磁気弾性結合定数ＢはＢ＜０である。図１２に示すように、応力が加わると、Ｂ＞０であるＣｏ層はその磁化方向を歪方向に対して平行に向き、Ｂ＜０であるＮｉ層はその磁化方向を歪方向に対して垂直に向く。
　図１３は、実施例４の応力センサに対して、外部から磁場を与えた上で、ε＝１．２％の引張歪を与えたときの抵抗変化を測定した結果を示す。引張歪は図１２のｘ軸に対して平行に与えた。図１３の横軸は外部から与えた磁場を示し、縦軸は応力センサの抵抗変化を示す。図１３のグラフＧ１は、引張歪を与えない場合の測定結果を示し、グラフＧ２は引張歪を与えた場合の測定結果を示す。
　図１３に示すように、引張歪が加わる状態（グラフＧ２）と加わらない状態（グラフＧ１）との間に抵抗変化が生じるため、歪を検出することができた。図１３に示す測定結果から、外部から磁場を与えても歪を検出することができるが、外部から磁場を与えない状態（０ｍＴ）のときにも引張歪の有無による抵抗変化が生じることから歪の検出ができ、応力センサとして実用的である。
　以上、本発明の例示的な実施形態および実施例について説明した。
　本実施形態に係る応力センサ１０は、第１磁性層３１、第１非磁性層３０、及び第２磁性層３２を積層してなる積層体を含む応力検出層３を有し、第１磁性層３１及び第２磁性層３２は互いに異なる磁気弾性結合定数を有し、外部から加えた応力に依存して変化する第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化の相対角度に依存した電気抵抗によって応力を検出するものである。上記構成によれば、外部から加えた応力に依存して変化する第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化の相対角度に依存した電気抵抗を検出することによって応力が検出される。
　第１磁性層３１及び第２磁性層３２のうちの一方は、外部から加えた応力に依存して磁化方向が変化しない歪鈍感層であり、他方は外部から加えた応力に依存して磁化方向が変化する歪敏感層である。これにより、外部から加えた応力に依存して歪敏感層の磁化方向のみが変化し、その結果、電気抵抗値に基づいて第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化の相対角度を検出できることから、最終的に応力ベクトル方向を検出することができる。
　第１磁性層３１及び第２磁性層３２のうちの一方は、正の磁気弾性結合定数を有し、他方は負の磁気弾性結合定数を有する。これにより、外部から加えた任意の応力が加わると、第１磁性層３１及び第２磁性層３２の磁化の相対角度が９０°に変化することから、面内応力の有無を検出することができる。
　第１磁性層３１及び第２磁性層３２は、応力が加えられていない初期状態において、磁化方向が互いに平行あるいは反平行配列している。このように初期状態における磁化方向を平行あるいは反平行に揃えておくことにより、応力が加えられた場合との電気抵抗の差異が明確となる。
　応力検出層３は、積層体に加えて、第２非磁性層及び第３磁性層からなる構造を１以上積層した積層体をさらに含む。これにより、巨大磁気抵抗効果に基づく磁気抵抗変化率を上昇させることができ、応力の有無に基づく抵抗の変化の検出が容易となる。
　応力検出層３を支持する基板１を有する。好ましくは、基板１は、フレキシブル基板である。これにより応力センサ１０に応力が加わった場合に第１磁性層３１及び第２磁性層３２が引張応力ないし圧縮応力を受けやすくなり、応力の検出が可能となる。
　第１、第２及び第３磁性層は、金属の磁性体からなる。第１、第２及び第３磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びそれらを含む合金からなる群より選択される１種を含む。このような３ｄ遷移金属強磁性体やそれらを含む合金を用いることにより、巨大磁気抵抗効果を利用した応力センサを実現できる。
　第１及び第２非磁性層は、金属又は絶縁体である。これにより、巨大磁気抵抗効果を利用した応力センサを実現できる。
　なお、以上説明した各実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るととともに、本発明にはその等価物も含まれる。即ち、各実施形態に当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、各実施形態が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。さらに、図面の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。また、各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換又は組み合わせが可能であることは言うまでもなく、これらも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
　１…基板、２…下地層、３…応力検出層、４…保護層、５ａ，５ｂ…電極、１０…応力センサ、３０…第１非磁性層、３１…第１磁性層、３２…第２磁性層、Ｍ１…第１磁性層の磁化方向、Ｍ２…第２磁性層の磁化方向。

Claims (10)

  1. 　第１磁性層、第１非磁性層、及び第２磁性層を積層してなる積層体を含む応力検出層を有し、
    　前記第１磁性層及び前記第２磁性層は互いに異なる磁気弾性結合定数を有し、
    　外部から加えた応力に依存して変化する前記第１磁性層及び前記第２磁性層の磁化の相対角度に依存した電気抵抗によって応力を検出する、
    応力センサ。 
  2. 　前記第１磁性層及び前記第２磁性層のうちの一方は、外部から加えた応力に依存して磁化方向が変化しない歪鈍感層であり、他方は外部から加えた応力に依存して磁化方向が変化する歪敏感層である、
    請求項１記載の応力センサ。
  3. 　前記第１磁性層及び前記第２磁性層のうちの一方は、正の磁気弾性結合定数を有し、他方は負の磁気弾性結合定数を有する、
    請求項１記載の応力センサ。
  4. 　前記第１磁性層及び前記第２磁性層は、応力が加えられていない初期状態において、磁化方向が互いに平行あるいは反平行配列している、
    請求項１～３記載の応力センサ。
  5. 　前記応力検出層は、前記積層体に加えて、第２非磁性層及び第３磁性層からなる構造を１以上積層した積層体をさらに含む、
    請求項１～４のいずれか一項に記載の応力センサ。
  6. 　前記応力検出層を支持する基板を有する、
    請求項１～５のいずれか一項に記載の応力センサ。
  7. 　前記基板は、フレキシブル基板である、
    請求項６に記載の応力センサ。
  8. 　前記第１、第２及び第３磁性層は、金属の磁性体からなる、
    請求項１～７のいずれか一項に記載の応力センサ。
  9. 　前記第１、第２及び第３磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ及びそれらを含む合金からなる群より選択される１種を含む、請求項８に記載の応力センサ。
  10. 　前記第１及び第２非磁性層は、金属又は絶縁体である、
    請求項１～９のいずれか一項に記載の応力センサ。
PCT/JP2018/004853 2017-02-20 2018-02-13 応力センサ WO2018151083A1 (ja)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018568525A JP6722304B2 (ja) 2017-02-20 2018-02-13 応力センサ
US16/538,929 US11366028B2 (en) 2017-02-20 2019-08-13 Stress sensor

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017-029314 2017-02-20
JP2017029314 2017-02-20

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US16/538,929 Continuation US11366028B2 (en) 2017-02-20 2019-08-13 Stress sensor

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018151083A1 true WO2018151083A1 (ja) 2018-08-23

Family

ID=63169811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2018/004853 WO2018151083A1 (ja) 2017-02-20 2018-02-13 応力センサ

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11366028B2 (ja)
JP (1) JP6722304B2 (ja)
WO (1) WO2018151083A1 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020158159A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 株式会社村田製作所 応力センサ及びその製造方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060246271A1 (en) * 2005-03-07 2006-11-02 Eckard Quandt Force sensor array having magnetostrictive magnetoresistive sensors and method for determining a force
US20070186666A1 (en) * 2004-07-05 2007-08-16 Manfred Ruehrig Sensor And Method For Producing A Sensor
JP2012204479A (ja) * 2011-03-24 2012-10-22 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドジンバルアッセンブリ、磁気記録再生装置、歪みセンサ、圧力センサ、血圧センサ及び構造物ヘルスモニタセンサ
JP2015059932A (ja) * 2013-09-20 2015-03-30 株式会社東芝 歪検知素子、圧力センサ、マイクロフォン、血圧センサおよびタッチパネル

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001217482A (ja) * 2000-02-03 2001-08-10 Fujitsu Ltd 磁気センサ及びそれを使用する磁気記憶装置
US6910382B2 (en) * 2002-06-21 2005-06-28 California Institute Of Technology Sensors based on giant planar hall effect in dilute magnetic semiconductors
US20080211491A1 (en) * 2002-12-09 2008-09-04 Ferro Solutions, Inc. High sensitivity, passive magnetic field sensor and method of manufacture
US7538988B2 (en) * 2004-09-30 2009-05-26 Hitachi Global Storage Technologies Netherlands B.V. Method and apparatus having improved magnetic read head sensors
JP2007333408A (ja) 2006-06-12 2007-12-27 Nippon Denshi Kogyo Kk 応力センサ
EP3045927B1 (en) * 2015-01-16 2017-12-20 Crocus Technology Mlu based magnetic sensor having improved programmability and sensitivity
JP2016161410A (ja) * 2015-03-02 2016-09-05 株式会社東芝 歪検出素子、圧力センサ及びマイクロフォン
JP7031023B2 (ja) * 2019-01-30 2022-03-07 株式会社村田製作所 応力センサ及びその製造方法

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070186666A1 (en) * 2004-07-05 2007-08-16 Manfred Ruehrig Sensor And Method For Producing A Sensor
US20060246271A1 (en) * 2005-03-07 2006-11-02 Eckard Quandt Force sensor array having magnetostrictive magnetoresistive sensors and method for determining a force
JP2012204479A (ja) * 2011-03-24 2012-10-22 Toshiba Corp 磁気抵抗効果素子、磁気ヘッドジンバルアッセンブリ、磁気記録再生装置、歪みセンサ、圧力センサ、血圧センサ及び構造物ヘルスモニタセンサ
JP2015059932A (ja) * 2013-09-20 2015-03-30 株式会社東芝 歪検知素子、圧力センサ、マイクロフォン、血圧センサおよびタッチパネル

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020158159A1 (ja) * 2019-01-30 2020-08-06 株式会社村田製作所 応力センサ及びその製造方法
JPWO2020158159A1 (ja) * 2019-01-30 2021-11-25 株式会社村田製作所 応力センサ及びその製造方法
JP7031023B2 (ja) 2019-01-30 2022-03-07 株式会社村田製作所 応力センサ及びその製造方法
US11959815B2 (en) 2019-01-30 2024-04-16 Murata Manufacturing Co., Ltd. Stress sensor and manufacturing method therefor

Also Published As

Publication number Publication date
JP6722304B2 (ja) 2020-07-15
JPWO2018151083A1 (ja) 2019-12-12
US20190360878A1 (en) 2019-11-28
US11366028B2 (en) 2022-06-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9207290B2 (en) Magnetic field sensor for sensing external magnetic field
JP6886222B2 (ja) 磁気センサ
JP4692805B2 (ja) 磁気検出素子およびその形成方法
US20060251928A1 (en) Multilayer force sensor and method for determining a force
WO2018079404A1 (ja) 磁気センサおよびその製造方法
CN111630402A (zh) 磁检测装置及其制造方法
JP2017072375A (ja) 磁気センサ
CN105572609A (zh) 一种可调量程的多铁异质磁场传感器及量程调节方法
García-Arribas et al. Thin-film magnetoimpedance structures onto flexible substrates as deformation sensors
JP2015219227A (ja) 磁気センサ
WO2019131391A1 (ja) 磁界印加バイアス膜ならびにこれを用いた磁気検出素子および磁気検出装置
JP7022766B2 (ja) トンネル磁気抵抗効果膜ならびにこれを用いた磁気デバイス
JP6864623B2 (ja) 改良されたプログラム可能性及び感度を有するｍｌｕベースの磁気センサ
US20210278292A1 (en) Stress sensor and manufacturing method therefor
CN106104828B (zh) 磁传感器
TW200824163A (en) A strain sensor and a method of making the same
WO2018151083A1 (ja) 応力センサ
US10902986B2 (en) Sensor, microphone, and touch panel
CN109643755B (zh) 磁传感器及电流传感器
US11488758B2 (en) Exchange coupling film, and magnetoresistive sensor and magnetic detector including the same
CN106291413B (zh) 一种自旋阀结构及其作为巨磁电阻应力传感器的应用
WO2015125699A1 (ja) 磁気センサ
JP6881413B2 (ja) 磁気センサ
JP2019033106A (ja) 面直通電巨大磁気抵抗素子用積層膜、面直通電巨大磁気抵抗素子、及びその用途
JP6967259B2 (ja) 高感度面直通電巨大磁気抵抗素子、及びその用途

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 18754908

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

ENP Entry into the national phase

Ref document number: 2018568525

Country of ref document: JP

Kind code of ref document: A

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 18754908

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1