WO2020158159A1 - 応力センサ及びその製造方法 - Google Patents

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WO2020158159A1
WO2020158159A1 PCT/JP2019/046917 JP2019046917W WO2020158159A1 WO 2020158159 A1 WO2020158159 A1 WO 2020158159A1 JP 2019046917 W JP2019046917 W JP 2019046917W WO 2020158159 A1 WO2020158159 A1 WO 2020158159A1
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ferromagnetic layer
stress
ferromagnetic
stress sensor
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PCT/JP2019/046917
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安藤　陽
千葉　大地
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株式会社村田製作所
国立大学法人東京大学
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    • 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
    • H01F10/3268—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn
    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/14—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates
    • H01F41/30—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE]
    • H01F41/302—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for applying magnetic films to substrates for applying nanostructures, e.g. by molecular beam epitaxy [MBE] for applying spin-exchange-coupled multilayers, e.g. nanostructured superlattices

Definitions

  • the present invention relates to a stress sensor and its manufacturing method.
  • a stress sensor that detects stress by a change in resistance value that correlates with the amount of deformation of an element according to the magnitude of stress (for example, Patent Document 1).
  • Patent Document 1 is an example of a stress sensor capable of detecting the vector direction of stress, and is a stress detection layer including a laminated body formed by laminating a first magnetic layer, a first non-magnetic layer, and a second magnetic layer. And the first magnetic layer and the second magnetic layer have different magnetoelastic coupling constants, and the relative angles of the magnetization directions of the first magnetic layer and the second magnetic layer change depending on the stress applied from the outside.
  • a stress sensor that detects a stress by an electric resistance depending on the temperature.
  • one of the first magnetic layer and the second magnetic layer is a strain insensitive layer in which the change in the magnetization direction depending on the stress applied from the outside is small, and the other is the stress applied from the outside.
  • a stress sensor is disclosed which is a strain-sensitive layer in which the change in the magnetization direction depending on is large.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a stress sensor with improved operation stability and a manufacturing method thereof.
  • a stress sensor includes a stress detection layer including a laminated body formed by laminating a first ferromagnetic layer, a first nonmagnetic layer, a second ferromagnetic layer, and an antiferromagnetic layer.
  • the ferromagnetic layer contains Mn, and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is fixed by an exchange bias generated by exchange coupling with the antiferromagnetic layer, and changes depending on an externally applied stress.
  • the stress is detected by the electric resistance depending on the relative angle between the magnetization directions of the ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer.
  • a method of manufacturing a stress sensor includes a step of providing a first ferromagnetic layer, a step of providing a nonmagnetic layer, a step of providing a second ferromagnetic layer, and an antiferromagnetic layer.
  • a method of manufacturing a stress sensor comprising: a step of annealing at least a second ferromagnetic layer and an antiferromagnetic layer in a magnetic field, wherein the step of annealing in a magnetic field heat treats an object in a magnetic field.
  • the stress sensor 10 includes a substrate 1, an underlayer 2 formed on the substrate 1, a stress detection layer 3 formed on the underlayer 2, and a stress detection layer 3 formed on the stress detection layer 3.
  • the protective layer 4 is formed, and the electrodes 5a and 5b are formed on the protective layer 4 at positions separated from each other.
  • the substrate 1 is made of a resin substrate, and if a flexible substrate having flexibility and elasticity is used, it can be used as a sensor for detecting the movement of the human body.
  • a flexible substrate for example, a substrate made of polyester, polycarbonate, polyimide or the like is used.
  • the substrate 1 preferably has a high heat resistance from the viewpoint of the feasibility of annealing the stress detection layer 3, and improves the crystal orientation of each layer of the stress detection layer 3 and improves the flatness of the interface of each layer. From the viewpoint, it preferably has high flatness.
  • the underlayer 2 determines the crystal orientation of the stress detection layer 3 and enhances the adhesion between the stress detection layer 3 and the substrate 1, and may be a non-magnetic material.
  • the underlayer 2 is made of 3d, 4d, 5d transition metal non-magnetic material such as Pt, Cu, Ta, and Au.
  • the base layer 2 may be a stack of different types of metal layers.
  • the base layer 2 may be made of an insulator, and may be silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, or magnesium oxide.
  • the stress detection layer 3 includes a laminated body including a first ferromagnetic layer 31, a first nonmagnetic layer 30, a second ferromagnetic layer 32, and an antiferromagnetic layer 33 in this order from the substrate 1 side (lower layer).
  • the stress detection layer 3 is a layer that strengthens the exchange bias magnetic field (Heb) exerted on the second ferromagnetic layer 32 by stacking the second ferromagnetic layer 32 and the antiferromagnetic layer 33, and the first ferromagnetic layer 31.
  • Heb exchange bias magnetic field
  • Layers not shown in FIG. 1, such as layers for These layers (not shown) may be provided outside the laminated body, and inside the laminated body, that is, between the first ferromagnetic layer 31 and the first nonmagnetic layer 30, between the first nonmagnetic layer 30 and the first nonmagnetic layer 30. It may be provided between the second ferromagnetic layer 32 and the second ferromagnetic layer 32 or between the second ferromagnetic layer 32 and the antiferromagnetic layer 33.
  • each layer of the stress detection layer 3 is set to 30 nm or less. By making the film thickness of each layer as thin as 30 nm or less, the stress detection layer 3 can exhibit the characteristic that it expands and contracts due to the presence of stress and restores to its original state when the stress disappears.
  • the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 have different magnetoelastic coupling constants B.
  • the magnetization directions (directions of magnetic moments) of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 are arranged parallel or antiparallel in the initial state where no stress is applied.
  • the angle formed by the magnetization direction of the first ferromagnetic layer 31 and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 32 (hereinafter referred to as “relative angle of magnetization direction”) is 0° or 180° in the initial state. Is.
  • the relative angle of the magnetization direction in the initial state is not limited to the above, and may be larger than 0° and smaller than 180°.
  • the first ferromagnetic layer 31 is a strain sensitive layer
  • the second ferromagnetic layer 32 is a strain insensitive layer.
  • the strain-insensitive layer is a layer in which the magnetization direction of the strain-insensitive layer does not substantially change even when stress (strain) is applied, and the strain-sensitive layer is the strain-sensitive layer of the strain-sensitive layer when stress (strain) is applied.
  • the absolute value of the magnetoelastic coupling constant B of the strain insensitive layer is sufficiently smaller than that of the strain sensitive layer, and preferably the absolute value of the magnetoelastic coupling constant B of the strain insensitive layer. Is defined to be 1 ⁇ 5 or less of the absolute value of the magnetoelastic coupling constant B of the strain sensitive layer. Further, when defined from the absolute value of the magnetoelastic coupling constant B, the absolute value of the magnetoelastic coupling constant of the strain insensitive layer is preferably substantially 0, specifically, preferably 0.5 MJ/m 3 or less.
  • the absolute value of the magnetoelastic coupling constant B of the strain sensitive layer is 1 MJ/m 3 or more.
  • the stress (strain) includes various stresses such as tension, compression, and flexure.
  • the magnetic layers including the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 are each made of a metal (including an alloy) ferromagnetic material, and are preferably 3d transition metals such as Fe, Co, or Ni, or those. It is made of an alloy (3d transition metal alloy) containing at least one of the above.
  • the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 may be formed by laminating different kinds of metal magnetic layers.
  • the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 may be made of the same magnetic material or different magnetic materials. Further, the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 may have the same thickness or different thicknesses. When the other ferromagnetic layer (for example, the third ferromagnetic layer described later) is provided, the other ferromagnetic layer is made of the same material as the first ferromagnetic layer 31 or the second ferromagnetic layer 32. Alternatively, the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 may be made of a different material.
  • the other ferromagnetic layer may have the same thickness as the first ferromagnetic layer 31 or the second ferromagnetic layer 32, and a different thickness from the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32. May be
  • the antiferromagnetic layer 33 fixes the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 32 by the exchange bias generated by the exchange coupling with the second ferromagnetic layer 32. That is, the exchange bias magnetic field (Heb) is applied to the second ferromagnetic layer 32. Since the exchange bias is strain insensitive, stacking the second ferromagnetic layer 32 and the antiferromagnetic layer 33 results in making the second ferromagnetic layer 32 strain insensitive. Therefore, the second ferromagnetic layer 32 is set to a material, shape, and dimension that will have a magnetoelastic coupling constant B equal to or higher than that of the first ferromagnetic layer 31 if the antiferromagnetic layer 33 does not exist. Even so, it can function as a strain insensitive layer.
  • Heb exchange bias magnetic field
  • the antiferromagnetic layer 33 is made of an antiferromagnetic material containing Mn, and preferably made of Mn alloy such as FeMn, IrMn, PtMn.
  • Mn alloy such as FeMn, IrMn, PtMn.
  • the material of the antiferromagnetic layer 33 is not limited to metal (alloy), It may be an insulator.
  • the first non-magnetic layer 30 may be any non-magnetic material, and is made of 3d, 4d, 5d transition metal non-magnetic material such as Pt, Cu, Ta, Au, Cr, Ag.
  • the first nonmagnetic layer 30 may be an insulator, and may be made of, for example, 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 other non-magnetic layer for example, the second non-magnetic layer described later
  • the other non-magnetic layer is made of the same material as the first non-magnetic layer 30 or different material. They may have the same thickness or different thicknesses.
  • 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, Ru.
  • the protective layer 4 may be a stack of different types of metal layers.
  • the protective layer 4 may be made of an insulator, for example, silicon oxide, silicon nitride, aluminum oxide, magnesium oxide, or the like. It may be configured.
  • the material of the electrodes 5a and 5b there is no limitation on the material of the electrodes 5a and 5b, and for example, a metal made of Pt, Cu, Ag, Au, Al, Cr, Ti or the like 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 electric resistance value of the stress detection layer 3 is detected.
  • a voltage is applied between the electrodes 5a and 5b formed on the stress detection layer 3 so as to be separated from each other, as a result, a current flows into all of the stress detection layers.
  • the giant magnetoresistive effect described later can be detected.
  • FIG. 2 is a sectional view schematically showing an example of the magnetization direction in the low resistance state.
  • FIG. 3 is a sectional view schematically showing an example of the magnetization direction in the high resistance state.
  • the magnetization direction (magnetic moment) of the first ferromagnetic layer 31 is M1
  • the magnetization direction (magnetic moment) of the second ferromagnetic layer 32 is M2.
  • the magnetizations of the surfaces of the second ferromagnetic layer 32 and the antiferromagnetic layer 33 facing each other form an exchange coupling CP
  • the antiferromagnetic layer 33 and the second ferromagnetic layer 32 are stacked to form a second ferromagnetic layer.
  • the exchange bias magnetic field (Heb) applied to 32 the magnetization direction M2 of the second ferromagnetic layer 32 is fixed in one direction.
  • the magnetization directions M1 and M2 are arranged in parallel, and the relative angle between the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 (the angle formed by M1 and M2) is 0.
  • the angle is °
  • the stress detection layer 3 is in a low resistance state.
  • the magnetization direction M1 and the magnetization direction M2 are antiparallel arranged, and the relative angle between the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 (the angle formed by M1 and M2). ) Is 180°, the stress detection layer 3 is in a high resistance state.
  • the electric resistance value of the stress detection layer 3 is detected by the magnitude of the detection current Id flowing into all the layers of the stress detection layer 3.
  • This electric resistance value changes according to the relative angle of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32.
  • FIG. 2 in the low resistance state in which the relative angle between the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 is 0°, the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32.
  • minimum electric resistance value As shown in FIG.
  • the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 are The interface scattering of electrons between and increases, and the magnitude of the detection current Id becomes the minimum (the electric resistance value is the maximum).
  • the magnitude of the detection current Id is larger than that in the low resistance state and high. The value is smaller than the state, and is a value depending on the relative angle of the magnetization direction.
  • the electric resistance value of the stress detection layer 3 varies depending on the relative angle of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32. This is the so-called giant magnetoresistive effect (2007 Nobel Prize in Physics).
  • the stress sensor 10 according to the present embodiment utilizes this giant magnetoresistive effect.
  • the magnetization direction M1 of the first ferromagnetic layer 31 is parallel to the magnetization direction M2 of the second ferromagnetic layer 32 (low resistance state in FIG. 2) or antiparallel (FIG. 3). High resistance state).
  • the magnetization direction M2 of the second ferromagnetic layer 32 fixed by the strain-insensitive exchange bias generated by the exchange coupling with the antiferromagnetic layer 33 becomes stable.
  • the magnetization direction M1 of the first ferromagnetic layer 31 is sensitive to strain and changes.
  • the magnetization direction M1 of the first ferromagnetic layer 31 is arranged parallel to the strain direction (extension direction) of the first ferromagnetic layer 31 when the magnetoelastic coupling constant B is positive, When the magnetoelastic coupling constant B is negative, they are arranged vertically. That is, the relative angle of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 changes depending on the strain direction (stress direction), and the giant magnetoresistive effect causes the electrical angle corresponding to the relative angle of the magnetization directions. It shows the resistance value.
  • the relative angle between the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 can be detected, and the strain vector direction can be determined. Can be detected.
  • the method of measuring the relative angle of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 is not limited to the above, and for example, a constant current is applied to the stress detection layer 3 to apply the first strong current. A voltage change depending on the relative angle between the magnetization directions of the magnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 may be detected, and the vector direction of strain may be detected from the voltage change.
  • the magnetization direction of the second ferromagnetic layer is fixed by the strain-insensitive exchange bias generated by the exchange coupling with the antiferromagnetic layer. This stabilizes the relative angle between the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 during strain measurement, and improves the operational stability of the stress sensor 10.
  • the second ferromagnetic layer may be any layer as long as it forms an exchange coupling with the antiferromagnetic layer, so that the degree of freedom in designing the material selection and the shape/dimension of the second ferromagnetic layer is improved. For example, even if the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer have the same material and the same shape, the stress sensor can function.
  • FIG. 4 is a flowchart schematically showing the method of manufacturing the stress sensor according to the first embodiment.
  • a base layer is provided on the flexible substrate (S12).
  • a first ferromagnetic layer is provided on the underlayer (S13).
  • a first nonmagnetic layer is provided on the first ferromagnetic layer (S14).
  • a second ferromagnetic layer is provided on the first nonmagnetic layer (S15).
  • an antiferromagnetic layer is provided on the second ferromagnetic layer (S16).
  • steps S13 to S16 correspond to the stress detection layer manufacturing step.
  • a cap layer is provided on the antiferromagnetic layer (S17).
  • the method of providing each layer in steps S12 to S17 is not particularly limited. ) Or atomic layer deposition (ALD) and other chemical vapor deposition methods (Chemical Vapor Deposition), etc., and various vapor deposition methods can be appropriately selected.
  • a step of providing an electrode and a step of processing into an element shape are performed.
  • the step of providing the electrode and the step of processing into the element shape may be performed after the step S18 of annealing in a magnetic field described later.
  • the stress detection layer is annealed together with the flexible substrate in a magnetic field (also referred to as "a state in which an external magnetic field is applied”) (S18).
  • the object to be processed (the second ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer) is heat-treated in a magnetic field and then further cooled to room temperature in a magnetic field.
  • the step S18 of annealing in a magnetic field includes a step of applying an external magnetic field to the object to be processed in vacuum, a step of heating the object to be processed to which the external magnetic field is applied to a processing temperature, and an external step.
  • the method includes the steps of holding the object to be processed to which the magnetic field is applied at the processing temperature only for the processing time, and cooling the object to be processed to which the external magnetic field is applied to room temperature.
  • the room temperature here is, for example, about 0° C. to 40° C.
  • the external magnetic field is 0.05 T to 3 T
  • the processing temperature is 150° C. to 500° C.
  • the processing time is 10 minutes to 120 minutes.
  • the external magnetic field is set to 0.2 T to 2 T
  • the processing temperature is set to 200° C. to 450° C.
  • the processing time is set to 30 minutes to 60 minutes.
  • step S18 of annealing in the magnetic field exchange coupling is formed between the second ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer, and the second ferromagnetic layer is subjected to the exchange bias magnetic field (Heb) applied to the second ferromagnetic layer.
  • Heb exchange bias magnetic field
  • the magnetization direction is fixed.
  • the stress detecting layer can be formed on the flexible substrate and the second ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer can be annealed together with the flexible substrate, the annealed stress detecting layer is flexible.
  • the manufacturing process can be simplified as compared with the manufacturing method of transferring to the substrate.
  • step S18 of annealing in the magnetic field at least the second ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer can be annealed in the magnetic field, and the step S18 of annealing in the magnetic field may be performed before the step S17 of providing the cap layer. ..
  • FIG. 5 is a sectional view schematically showing the configuration of the stress sensor according to the example of the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the strain direction and the magnetization direction of the stress sensor according to the example of the first embodiment.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the strain amount and the resistance change rate in the example of the first embodiment and the comparative example.
  • the horizontal axis of FIG. 7 is the strain amount (%), and the vertical axis is the resistance change rate (%).
  • the present invention is not limited to this embodiment.
  • the stress sensor 10 of the present embodiment includes a substrate 1, a base layer 2a formed on the substrate 1, a base layer 2b formed on the base layer 2a, and a base layer 2b.
  • First ferromagnetic layer 31 a first nonmagnetic layer 30 formed on the first ferromagnetic layer 31, and an additional second ferromagnetic layer formed on the first nonmagnetic layer 30.
  • 32a a second ferromagnetic layer 32 formed on the additional second ferromagnetic layer 32a, an antiferromagnetic layer 33 formed on the second ferromagnetic layer 32, and an antiferromagnetic layer 33.
  • the protective layer 4 formed on the protective layer 4 and the electrodes 5a and 5b formed on the protective layer 4 apart from each other.
  • each layer constituting the stress sensor 10 of the example is as follows.
  • Substrate 1 Polyimide film (UPLEX (registered trademark) manufactured by Ube Industries, Ltd.)
  • Underlayer 2a 2.2 nm Ta
  • Underlayer 2b 2.0 nm
  • Pt First ferromagnetic layer 31 2.1 nm
  • Co First non-magnetic layer 30 4.0 nm
  • Additional second ferromagnetic layer 32a 0.5 nm Co Second ferromagnetic layer 32: 2.0 nm NiFe Antiferromagnetic layer 33: 10.0 nm FeMn Protective layer 4: 2.2 nm
  • Electrodes 5a, 5b conductive epoxy resin
  • the main difference between the stress sensor of the comparative example and the stress sensor 10 of the embodiment is that it does not include an antiferromagnetic layer and that the second ferromagnetic layer functions as a strain insensitive layer by applying a weak auxiliary magnetic field. That is the point.
  • the material and film thickness of each layer constituting the stress sensor of the comparative example are specifically as follows.
  • Substrate Polyethylene naphthalate Underlayer: 2.5 nm Ta Underlayer: 2.0 nm Pt First ferromagnetic layer: 3.5 nm Co (strain sensitive layer) First non-magnetic layer: 4.0 nm Cu Additional second ferromagnetic layer: 0.4 nm Co Second ferromagnetic layer: 3.8 nm NiFe (strain-sensitive layer) Protective layer: 2.0nm Cu Electrodes 5a, 5b: conductive epoxy resin
  • the NiFe layer which is a strain insensitive layer
  • the Co layer which is a strain sensitive layer
  • strain amount 0%
  • FIG. 7 tensile strains are applied in the tensile directions 0°, 30°, 60° and 90° with respect to the magnetization directions of the NiFe layer and the Co layer in the initial state, and the strain amount is 0% to 1.0%.
  • the rate of change in resistance was measured in a range of degrees.
  • the strain amount is less than 1.0%
  • the difference in the rate of change in resistance depending on the change in the tensile strain direction in the example is larger than that in the comparative example.
  • the amount of strain is 0.3%
  • the stress sensor of the embodiment can detect the direction of tensile strain.
  • FIG. 8 is a sectional view schematically showing the configuration of the stress sensor according to the second embodiment.
  • the difference between the second embodiment and the first embodiment is that the electrode 5a is formed on the base layer 2 at a position apart from the stress detection layer 3, and the electrode 5b is formed on the protective layer 4. That is the point.
  • a voltage is applied between the electrodes 5a and 5b, a current flows along the direction perpendicular to the interface of each layer of the stress detection layer 3, so that the giant magnetoresistive effect can be detected.
  • the configuration of the electrodes 5a and 5b is not particularly limited as long as the current flowing along the direction perpendicular to the interface of each layer of the stress detection layer 3 can be detected.
  • the base layer 2 may be used as the electrode 5a
  • the protective layer 4 may be used as the electrode 5b.
  • FIG. 9 is a sectional view schematically showing the configuration of the stress sensor according to the third embodiment.
  • the difference between the third embodiment and the second embodiment is that the structure of the stress detection layer 3 is vertically inverted. Specifically, the antiferromagnetic layer 33 is provided on the underlayer 2, the second ferromagnetic layer 32 is provided on the antiferromagnetic layer 33, and the first nonmagnetic layer 30 is the second ferromagnetic layer. 32 is provided, and the first ferromagnetic layer 31 is provided on the first nonmagnetic layer 30.
  • FIG. 10 is a sectional view schematically showing the configuration of the stress sensor according to the fourth embodiment.
  • the first nonmagnetic layer 30 has a multilayer structure including a metal layer 30a and an insulator layer 30b.
  • the first nonmagnetic layer 30 is made of a combination of metal and an insulator.
  • the thickness of the insulator layer 30b is preferably as thin as a tunnel current flows, and is preferably set to 5 nm or less.
  • the insulator layer 30b is, for example, a natural oxide film of the metal layer 30a, and the first nonmagnetic layer 30 is a passive layer for the metal layer 30a. If the first non-magnetic layer 30 may include a natural oxide film, for example, a processing step that requires exposure to the atmosphere, such as photolithography, can be performed at the stage where the metal layer 30a is provided.
  • FIG. 11 is a sectional view schematically showing the configuration of the stress sensor according to the fifth embodiment.
  • the first nonmagnetic layer 30 is made of an insulator.
  • the stress sensor 10 according to the fifth embodiment utilizes the tunnel magnetoresistive effect. Therefore, similarly to the insulator layer 30b of the third embodiment, the thickness of the first nonmagnetic layer 30 of the fourth embodiment is preferably set to 5 nm or less.
  • the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 are made of CoFeB, and the first nonmagnetic layer 30 is made of MgO.
  • FIG. 12 is a sectional view schematically showing the configuration of the stress sensor according to the sixth embodiment.
  • the difference between the sixth embodiment and the second embodiment is that between the antiferromagnetic layer 33 and the protective layer 4, the fourth ferromagnetic layer 72 and the second ferromagnetic layer 72 are arranged in this order from the antiferromagnetic layer 33 side (lower layer).
  • the point is that a non-magnetic layer 70 and a third ferromagnetic layer 71 are further provided.
  • the magnetization direction of the fourth ferromagnetic layer 72 is fixed by the exchange bias generated by the exchange coupling with the antiferromagnetic layer 33. According to this, the rate of change in resistance can be increased.
  • FIG. 13 is a sectional view schematically showing the configuration of the stress sensor according to the seventh embodiment.
  • the difference between the seventh embodiment and the first embodiment is that the electrodes 5a and 5b are formed on the side portions of the stress detection layer 3. When a voltage is applied between the electrodes 5a and 5b, a current eventually flows into all layers of the stress detection layer 3, so that the giant magnetoresistive effect can be detected.
  • a stress detection layer 3 including a laminated body formed by laminating a first ferromagnetic layer 31, a first nonmagnetic layer 30, a second ferromagnetic layer 32, and an antiferromagnetic layer 33 is provided.
  • the antiferromagnetic layer 33 contains Mn, and the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 32 is fixed by the exchange bias generated by the exchange coupling with the antiferromagnetic layer 33 and depends on the stress applied from the outside.
  • a stress sensor 10 is provided which detects stress by the electric resistance depending on the relative angle of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 which are changed accordingly.
  • the stress is detected by detecting the electric resistance depending on the relative angle of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32, which changes depending on the stress applied from the outside. ..
  • the magnetization direction of the second ferromagnetic layer 32 is fixed by the strain-insensitive exchange bias generated by the exchange coupling with the antiferromagnetic layer 33. This stabilizes the relative angle between the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 during strain measurement, and improves the operational stability of the stress sensor 10.
  • the second ferromagnetic layer 32 may be one that forms an exchange coupling with the antiferromagnetic layer 33, the degree of freedom in designing the material selection and the shape/dimension of the second ferromagnetic layer 32 is improved. To do. For example, even if the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 have the same material and the same shape, the stress sensor can function.
  • the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 are arranged such that their magnetization directions are parallel or antiparallel to each other in an initial state where no stress is applied.
  • the electric resistance of the stress sensor 10 becomes maximum or minimum in the initial state. Therefore, the difference in electric resistance between when stress is applied and in the initial state becomes clear, and the stress detection sensitivity is improved.
  • the stress detection layer 3 further includes a third ferromagnetic layer 71, a second nonmagnetic layer 70, and a fourth ferromagnetic layer 72 in addition to the stacked body, and the magnetization direction of the third ferromagnetic layer 71 is Are fixed by the exchange bias generated by exchange coupling with the antiferromagnetic layer 33. According to this, the resistance change rate is increased, and the stress detection sensitivity is improved.
  • the stress sensor 10 further includes a substrate 1 that supports the stress detection layer 3.
  • the substrate 1 is a flexible substrate. According to this, when stress is applied to the stress sensor 10, the stress detection layer 3 is likely to be subjected to tensile stress or compression stress, and the stress detection sensitivity is improved.
  • the first ferromagnetic layer 31 is provided on the substrate 1 side of the first nonmagnetic layer 30, and the second ferromagnetic layer 32 and the antiferromagnetic layer 33 are on the substrate 1 side of the first nonmagnetic layer 30. It is provided on the opposite side of.
  • the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 are made of a magnetic material of metal.
  • the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32 are made of Fe, Co, Ni, or an alloy containing at least one of them. According to this, a stress sensor using the giant magnetoresistive effect can be realized.
  • the first nonmagnetic layer 30 is a metal, an insulator, or a combination thereof. According to this, a stress sensor using the giant magnetoresistive effect or the tunnel magnetoresistive effect can be realized.
  • a step S13 of providing a first ferromagnetic layer a step S14 of providing a nonmagnetic layer, a step S15 of providing a second ferromagnetic layer, and a step S16 of providing an antiferromagnetic layer.
  • a step S18 of annealing at least the second ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer in a magnetic field wherein the step of annealing the magnetic field in the magnetic field comprises annealing the object to be processed in the magnetic field.
  • a step S18 of annealing in a magnetic field which includes a step of further cooling to room temperature in a magnetic field
  • an exchange coupling is formed between the second ferromagnetic layer and the antiferromagnetic layer, and an exchange generated by the exchange coupling is formed.
  • the bias fixes the magnetization direction of the second ferromagnetic layer, and the stress sensor depends on the relative angle of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer and the second ferromagnetic layer, which changes depending on the stress applied from the outside.
  • a method for manufacturing a stress sensor which detects stress by electric resistance.
  • the stress can be detected by detecting the electric resistance depending on the relative angle of the magnetization directions of the first ferromagnetic layer 31 and the second ferromagnetic layer 32, which changes depending on the stress applied from the outside, Moreover, it is possible to manufacture a stress sensor having improved operation stability.
  • the method further includes a step S11 of preparing a flexible substrate, wherein the first ferromagnetic layer, the non-magnetic layer, the second ferromagnetic layer, and the antiferromagnetic layer are formed above the flexible substrate, respectively, in a magnetic field.
  • the step S18 of annealing the flexible substrate the flexible substrate is also annealed together. According to this, the manufacturing process can be simplified as compared with the manufacturing method in which the annealed stress detection layer is transferred to the flexible substrate.

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Abstract

応力センサ（１０）は、第１強磁性層（３１）、第１非磁性層（３０）、第２強磁性層（３２）、及び反強磁性層（３３）を積層してなる積層体を含む応力検出層（３）を備える。反強磁性層（３３）は、Ｍｎを含み、第２強磁性層（３２）の磁化方向は、反強磁性層（３３）との交換結合によって生み出される交換バイアスによって固定されている。応力センサ（１０）は、外部から加えられた応力に依存して変化する第１強磁性層（３１）及び第２強磁性層（３２）の磁化方向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

応力センサ及びその製造方法
　本発明は、応力センサ及びその製造方法に関する。
　従来、応力の大きさに応じた素子の変形量に相関する抵抗値変化をもって応力を検出する応力センサが知られている（例えば、特許文献１）。
　特許文献１には、応力のベクトル方向を検出可能な応力センサの一例であって、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磁性層の磁化方向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が開示されている。また、特許文献１には、第１磁性層及び第２磁性層のうち一方が外部から加えられた応力に依存する磁化方向の変化が小さい歪鈍感層であり、他方は外部から加えられた応力に依存する磁化方向の変化が大きい歪敏感層である応力センサが開示されている。
国際公開第２０１８／１５１０８３号
　しかしながら、特許文献１に記載の応力センサにおいては、歪みが加わると歪鈍感層の単磁区状態が維持しにくくなる場合がある。歪鈍感層の単磁区状態を安定させるために補助磁界を加えると、歪敏感層の磁化方向が補助磁界に影響されて変化しにくくなる場合がある。これらの場合、歪み方向に対する磁化方向の相対角度の変化が不安定となり動作安定性が低下するという課題が生じる。
　本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、動作安定性の向上した応力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様に係る応力センサは、第１強磁性層、第１非磁性層、第２強磁性層、及び反強磁性層を積層してなる積層体を含む応力検出層を備え、反強磁性層は、Ｍｎを含み、第２強磁性層の磁化方向は、反強磁性層との交換結合によって生み出される交換バイアスによって固定され、外部から加えられた応力に依存して変化する第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化方向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。
　本発明の他の一態様に係る応力センサの製造方法は、第１強磁性層を設ける工程と、非磁性層を設ける工程と、第２強磁性層を設ける工程と、反強磁性層を設ける工程と、少なくとも第２強磁性層及び反強磁性層を磁界中でアニールする工程と、を備える応力センサの製造方法であって、磁界中でアニールする工程は、被処理物を磁界中で熱処理したのちにさらに磁界中で室温に冷却する工程を含み、磁界中でアニールする工程において、第２強磁性層と反強磁性層との間に交換結合が形成され、交換結合によって生み出される交換バイアスによって第２強磁性層の磁化方向が固定され、応力センサは、外部から加えられた応力に依存して変化する第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化方向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。
　本発明によれば、動作安定性の向上した応力センサ及びその製造方法が提供できる。
第１実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。 低抵抗状態における磁化方向の一例を概略的に示す断面図である。 高抵抗状態における磁化方向の一例を概略的に示す断面図である。 第１実施形態に係る応力センサの製造方法を概略的に示すフローチャートである。 第１実施形態の実施例に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。 第１実施形態の実施例に係る応力センサの歪方向と磁化方向の関係を示す図である。 第１実施形態の実施例と比較例における歪量と抵抗変化率の関係を示すグラフである。 第２実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。 第３実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。 第４実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。 第５実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。 第６実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。 第７実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。
　以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の構成要素は同一又は類似の符号で表している。図面は例示であり、各部の寸法や形状は模式的なものであり、本発明の技術的範囲を当該実施形態に限定して解するべきではない。
　＜第１実施形態＞
　図１を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る応力センサ１０の構成について説明する。第１実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。
　図１に示すとおり、応力センサ１０は、基板１と、基板１の上に形成された下地層２と、下地層２の上に形成された応力検出層３と、応力検出層３の上に形成された保護層４と、保護層４の上であって互いに離れた位置に形成された電極５ａ及び電極５ｂとを備える。
　基板１は、樹脂基板からなり、中でも、可擁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など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、ポリイミドなどからなる基板が用いられる。基板１は、応力検出層３のアニールの実施可能性の観点から好ましくは高い耐熱性を有し、応力検出層３の各層の結晶配向性を向上させる観点及び各層の界面の平坦性を向上させる観点から好ましくは高い平坦性を有する。
　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と基板１との密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。下地層２は、種類の異なる金属層を積層したものでもよい。また、検出電流が下地層２を通過しなくてもよい構成の場合、下地層２は絶縁体により構成されてもよく、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、基板１側（下層）から順に、第１強磁性層３１、第１非磁性層３０、第２強磁性層３２、及び反強磁性層３３からなる積層体を備える。なお、応力検出層３は、第２強磁性層３２と反強磁性層３３との積層によって第２強磁性層３２に及ぼされる交換バイアス磁界（Ｈｅｂ）を強める層や、第１強磁性層３１と第２強磁性層３２との層間結合磁界（Ｈｉｎ）を弱める層や、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度に依存した電気抵抗の変化率を増大させるための層など、図１に図示しない層を備えてもよい。これらの図示しない層は、積層体の外部に設けられてもよく、積層体の内部、すなわち、第１強磁性層３１と第１非磁性層３０との層間、第１非磁性層３０と第２強磁性層３２との層間、又は、第２強磁性層３２と反強磁性層３３との層間に設けられてもよい。
　応力検出層３の各層の膜厚は、３０ｎｍ以下に設定される。各層の膜厚を３０ｎｍ以下と薄くすることにより、応力検出層３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。
　第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２は互いに異なる磁気弾性結合定数Ｂを有する。第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向（磁気モーメントの向き）は、応力が加えられていない初期状態で平行、あるいは反平行に配列している。言い換えると、第１強磁性層３１の磁化方向と第２強磁性層３２の磁化方向とがなす角度（以下、「磁化方向の相対角度」とする。）は、初期状態では０°あるいは１８０°である。但し、初期状態における磁化方向の相対角度は上記に限定されるものではなく、０°よりも大きく１８０°よりも小さくてもよい。
　第１強磁性層３１は歪敏感層であり、第２強磁性層３２は歪鈍感層である。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。磁気弾性結合定数Ｂが正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、磁気弾性結合定数Ｂが負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の絶対値が十分に小さく、好ましくは、歪鈍感層の磁気弾性結合定数Ｂの絶対値は、歪敏感層の磁気弾性結合定数Ｂの絶対値の１／５以下と定義される。また、磁気弾性結合定数Ｂ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、好ましくは０．５ＭＪ／ｍ３以下、さらに好ましくは０．４ＭＪ／ｍ３以下、さらに好ましくは０．３ＭＪ／ｍ３以下、さらに好ましくは０．２ＭＪ／ｍ３以下、さらに好ましくは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Ｂ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、などの各種応力を含む。
　第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２を含めた磁性層は、それぞれ、金属（合金を含む）の強磁性体からなり、好ましくは、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉなどの３ｄ遷移金属又はそれらのうち少なくとも１つを含む合金（３ｄ遷移金属合金）からなる。第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２は、それぞれ、種類の異なる金属磁性層を積層したものでもよい。
　第１強磁性層３１及び第２強磁性層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強磁性層３１及び第２強磁性層３２は、同一の厚さであっても異なる厚さであってもよい。また、他の強磁性層（例えば、後述する第３強磁性層）を備える場合、当該他の強磁性層は第１強磁性層３１又は第２強磁性層３２と同一材料で構成されていてもよく、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２とは異なる材料で構成されていてもよい。また、当該他の強磁性層は第１強磁性層３１又は第２強磁性層３２と同じ厚さであってもよく、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２とは異なる厚さであってもよい。
　反強磁性層３３は、第２強磁性層３２との交換結合によって生み出される交換バイアスによって第２強磁性層３２の磁化方向を固定する。つまり、第２強磁性層３２に交換バイアス磁界（Ｈｅｂ）が加わる。交換バイアスは歪鈍感であるため、第２強磁性層３２と反強磁性層３３とを積層することにより、結果として第２強磁性層３２を歪鈍感とならしめる。したがって、第２強磁性層３２は、反強磁性層３３が存在しなければ第１強磁性層３１と同等かそれ以上の磁気弾性結合定数Ｂを有することとなる材料や形状・寸法に設定されたとしても、歪鈍感層として機能させられる。
　反強磁性層３３は、Ｍｎを含む反強磁性体からなり、好ましくはＦｅＭｎ、ＩｒＭｎ、ＰｔＭｎなどのＭｎ合金からなる。なお、後述する第７実施形態のように検出電流が反強磁性層３３を通過しなくてもよい構成の場合、反強磁性層３３の材料は金属（合金）に限定されるものではなく、絶縁体であってもよい。
　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、Ｃｒ、Ａｇ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、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などからなってもよい。第１非磁性層３０の厚さは１０ｎｍ以下である。また、他の非磁性層（例えば、後述する第２非磁性層）を備える場合、当該他の非磁性層は第１非磁性層３０と同一材料で構成されていても異なる材料で構成されていてもよいし、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、Ｒｕなどからなる。保護層４は、種類の異なる金属層を積層したものでもよい。また、後述する第７実施形態のように検出電流が保護層４を通過しない場合、保護層４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、酸化マグネシウムなどによって構成されてもよい。
　電極５ａ，５ｂの材料に限定はなく、例えばＰｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉなど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の上部に互いに離れて形成された電極５ａと電極５ｂとの間に電圧を印加することで、結果的に応力検出層の全ての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。
　次に、図２及び図３を参照しつつ、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度と電気抵抗の関係について説明する。図２は、低抵抗状態における磁化方向の一例を概略的に示す断面図である。図３は、高抵抗状態における磁化方向の一例を概略的に示す断面図である。
　第１強磁性層３１の磁化方向（磁気モーメント）をＭ１とし、第２強磁性層３２の磁化方向（磁気モーメント）をＭ２とする。第２強磁性層３２及び反強磁性層３３の互いに対向する表面の磁化が交換結合ＣＰを形成し、反強磁性層３３と第２強磁性層３２とを積層することによって第２強磁性層３２に及ぼされる交換バイアス磁界（Ｈｅｂ）に従って、第２強磁性層３２の磁化方向Ｍ２が一方向に固定される。
　図２に示すように、磁化方向Ｍ１と磁化方向Ｍ２とが平行配列され、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度（Ｍ１とＭ２とが成す角度）が０°であるとき、応力検出層３が低抵抗状態となる。また、図３に示すように、磁化方向Ｍ１と磁化方向Ｍ２とが反平行配列され、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度（Ｍ１とＭ２とが成す角度）が１８０°であるとき、応力検出層３は高抵抗状態となる。
　本実施形態に係る応力センサ１０では、応力検出層３の全ての層に流れ込む検出電流Ｉｄの大きさによって応力検出層３の電気抵抗値を検出する。この電気抵抗値は、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度に応じて変化する。図２に示すように第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度が０°となった低抵抗状態の場合、第１強磁性層３１と第２強磁性層３２との間での電子の界面散乱が減少し、検出電流Ｉｄの大きさが最大（電気抵抗値が最小）となる。図３に示すように第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度が１８０°となった高抵抗状態の場合、第１強磁性層３１と第２強磁性層３２との間での電子の界面散乱が増大し、検出電流Ｉｄの大きさが最小（電気抵抗値が最大）となる。第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度が０°よりも大きく１８０°よりも小さい中間状態の場合、検出電流Ｉｄの大きさは低抵抗状態よりも大きく高抵抗状態よりも小さい値であり、当該磁化方向の相対角度に依存した値となる。このように、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向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）である。本実施形態に係る応力センサ１０は、この巨大磁気抵抗効果を利用したものである。
　一例として、初期状態において、第１強磁性層３１の磁化方向Ｍ１は、第２強磁性層３２の磁化方向Ｍ２に対して平行配列（図２の低抵抗状態）、あるいは反平行配列（図３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、反強磁性層３３との交換結合によって生み出される歪鈍感な交換バイアスによって固定された第２強磁性層３２の磁化方向Ｍ２は安定しており変化しないのに対し、第１強磁性層３１の磁化方向Ｍ１は歪みに対して敏感に反応して変化する。具体的には、第１強磁性層３１の磁化方向Ｍ１は、第１強磁性層３１の歪み方向（伸長方向）に対して、磁気弾性結合定数Ｂが正の場合には平行に配列し、磁気弾性結合定数Ｂが負の場合には垂直に配列する。すなわち、歪み方向（応力方向）に依存して第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度が変化し、巨大磁気抵抗効果により当該磁化方向の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により検出電流Ｉｄの大きさとして検出することにより、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向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。なお、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度の測定方法は上記に限定されるものではなく、例えば、応力検出層３に一定電流を印加して第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度に依存した電圧変化を検出し、当該電圧変化から歪みのベクトル方向を検出してもよい。
　以上のように、第１実施形態に係る応力センサによれば、第２強磁性層の磁化方向が反強磁性層との交換結合により生み出される歪鈍感な交換バイアスによって固定される。これにより、歪み測定時の第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度が安定し、応力センサ１０の動作安定性が向上する。また、第２強磁性層は反強磁性層との間で交換結合を形成するものであればよいため、第２強磁性層の材料選択や形状・寸法などの設計自由度が向上する。例えば、第１強磁性層と第２強磁性層とが同じ材料且つ同じ形状であっても、応力センサを機能させることができる。
　（製造方法）
　次に、図４を参照しつつ、第１実施形態に係る応力センサ１０の製造方法について説明する。図４は、第１実施形態に係る応力センサの製造方法を概略的に示すフローチャートである。
　まず、フレキシブル基板を準備する（Ｓ１１）。次に、フレキシブル基板の上に下地層を設ける（Ｓ１２）。次に、下地層の上に第１強磁性層を設ける（Ｓ１３）。次に、第１強磁性層の上に第１非磁性層を設ける（Ｓ１４）。次に、第１非磁性層の上に第２強磁性層を設ける（Ｓ１５）。次に、第２強磁性層の上に反強磁性層を設ける（Ｓ１６）。以上、工程Ｓ１３から工程Ｓ１６までが応力検出層の製造工程に相当する。次に、反強磁性層の上にキャップ層を設ける（Ｓ１７）。工程Ｓ１２～Ｓ１７における各層を設ける方法は特に限定されるものではなく、例えば、スパッタリング法や分子線エピタキシ法（ＭＢＥ）などの物理蒸着法（Ｐｈｙｓｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）や、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）や原子層堆積法（ＡＬＤ）などの化学蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）など、各種蒸着法から適宜選択可能である。
　キャップ層を設ける工程Ｓ１７の次には、電極を設ける工程や素子形状に加工する工程が実施される。なお、電極を設ける工程や素子形状に加工する工程は、後述する磁界中でアニールする工程Ｓ１８の次に実施されてもよい。
　次に、応力検出層をフレキシブル基板と一緒に磁界中（「外部磁界が印加された状態」ともいう。）でアニールする（Ｓ１８）。本工程Ｓ１８においては、被処理物（第２強磁性層及び反強磁性層）を磁界中で熱処理したのちにさらに磁界中で室温に冷却する。具体的には、磁界中でアニールする工程Ｓ１８は、真空中の被処理物に外部磁界を印加する工程と、外部磁界が印加された状態の被処理物を処理温度まで加熱する工程と、外部磁界が印加された状態の被処理物を処理時間の間だけ処理温度に保持する工程と、外部磁界が印加された状態の被処理物を室温に冷却する工程と、を含む。ここでいう室温は、例えば、０℃～４０℃程度である。好ましくは、外部磁界は０．０５Ｔ～３Ｔ、処理温度は１５０℃～５００℃、処理時間は１０分～１２０分の範囲で条件設定される。より好ましくは、外部磁界は０．２Ｔ～２Ｔ、処理温度は２００℃～４５０℃、処理時間は３０分～６０分の範囲で条件設定される。磁界中でアニールする工程Ｓ１８によって、第２強磁性層と反強磁性層との間に交換結合が形成され、第２強磁性層に及ぼされる交換バイアス磁界（Ｈｅｂ）に従って第２強磁性層の磁化方向が固定される。以上に説明したように、フレキシブル基板に応力検出層が成膜可能であり且つフレキシブル基板と一緒に第２強磁性層及び反強磁性層がアニール可能である場合、アニールされた応力検出層をフレキシブル基板に転写する製造方法に比べて、製造工程を簡略化できる。
　磁界中でアニールする工程Ｓ１８では、少なくとも第２強磁性層及び反強磁性層を磁界中でアニールできればよく、キャップ層を設ける工程Ｓ１７の前に磁界中でアニールする工程Ｓ１８が実施されてもよい。
　（第１実施形態の実施例）
　以下、図５～図７を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る応力センサの実施例について説明する。図５は、第１実施形態の実施例に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。図６は、第１実施形態の実施例に係る応力センサの歪方向と磁化方向の関係を示す図である。図７は、第１実施形態の実施例と比較例におけるひずみ量と抵抗変化率の関係を示すグラフである。図７の横軸はひずみ量（％）であり、縦軸は抵抗変化率（％）である。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
　本実施例の応力センサ１０は、基板１と、基板１の上に成膜された下地層２ａと、下地層２ａの上に成膜された下地層２ｂと、下地層２ｂの上に成膜された第１強磁性層３１と、第１強磁性層３１の上に成膜された第１非磁性層３０と、第１非磁性層３０の上に成膜された追加第２強磁性層３２ａと、追加第２強磁性層３２ａの上に成膜された第２強磁性層３２と、第２強磁性層３２の上に成膜された反強磁性層３３と、反強磁性層３３の上に成膜された保護層４と、保護層４の上に互いに離れて成膜された電極５ａ，５ｂと、を備える。
　実施例の応力センサ１０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：ポリイミドフィルム（宇部興産株式会社製ＵＰＩＬＥＸ（登録商標））
　下地層２ａ：２．２ｎｍ　Ｔａ
　下地層２ｂ：２．０ｎｍ　Ｐｔ
　第１強磁性層３１：２．１ｎｍ　Ｃｏ
　第１非磁性層３０：４．０ｎｍ　Ｃｕ
　追加第２強磁性層３２ａ：０．５ｎｍ　Ｃｏ
　第２強磁性層３２：２．０ｎｍ　ＮｉＦｅ
　反強磁性層３３：１０．０ｎｍ　ＦｅＭｎ
　保護層４：２．２ｎｍ　Ｐｔ
　電極５ａ，５ｂ：導電性エポキシ樹脂
　比較例の応力センサにおける実施例の応力センサ１０との主な相違点は、反強磁性層を備えておらず、弱い補助磁界を加えることで第２強磁性層を歪鈍感層として機能させている点である。比較例の応力センサを構成する各層の材料及び膜厚は、具体的には以下の通りである。
　基板：ポリエチレンナフタレート
　下地層：２．５ｎｍ　Ｔａ
　下地層：２．０ｎｍ　Ｐｔ
　第１強磁性層：３．５ｎｍ　Ｃｏ（歪敏感層）
　第１非磁性層：４．０ｎｍ　Ｃｕ
　追加第２強磁性層：０．４ｎｍ　Ｃｏ
　第２強磁性層：３．８ｎｍ　ＮｉＦｅ（歪鈍感層）
　保護層：２．０ｎｍ　Ｃｕ
　電極５ａ，５ｂ：導電性エポキシ樹脂
　本実施例においては、図６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。実施例及び比較例の応力センサは、初期状態（ひずみ量＝０％）におけるＮｉＦｅ層及びＣｏ層の磁化方向の相対角度が０°となるように設計した。図７に示すように、初期状態のＮｉＦｅ層及びＣｏ層の磁化方向に対して引張方向０°、３０°、６０°、９０°に引張ひずみを与え、ひずみ量が０％～１．０％程度の範囲での抵抗変化率を測定した。
　ひずみ量が１．０％未満のとき、実施例における引張ひずみの方向変化に依存する抵抗変化率の差異が、比較例におけるものよりも大きい。具体例として、ひずみ量が０．３％のとき、実施例における引張方向６０°の抵抗変化率と引張方向９０°の抵抗変化率とには有意な差がみられるが、比較例における引張方向６０°の抵抗変化率と引張方向９０°の抵抗変化率とには有意な差がみられなかった。このように、比較例の応力センサでは引張ひずみの方向の検出が難しい微小なひずみ量であっても、実施例の応力センサならば引張ひずみの方向が検出可能である。
　以下に、本発明の他の実施形態に係る応力センサの構成について説明する。なお、下記の実施形態では、上記の第１実施形態と共通の事柄については記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については逐次言及しない。
　＜第２実施形態＞
　図８を参照しつつ、第２実施形態に係る応力センサ１０の構成について説明する。図８は、第２実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。
　第２実施形態の第１実施形態との相違点は、下地層２の上であって応力検出層３から離れた位置に電極５ａが形成され、保護層４の上に電極５ｂが形成されている点である。電極５ａと電極５ｂの間に電圧を印加すると応力検出層３の各層の界面に垂直な方向に沿って電流が流れることから、巨大磁気抵抗効果を検出可能である。なお、応力検出層３の各層の界面に垂直な方向に沿って流れる電流を検出可能であれば電極５ａ，５ｂの構成は特に限定されるものではない。例えば、下地層２が電極５ａとして用いられてもよく、保護層４が電極５ｂとして用いられてもよい。
　＜第３実施形態＞
　図９を参照しつつ、第３実施形態に係る応力センサ１０の構成について説明する。図９は、第３実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。
　第３実施形態の第２実施形態との相違点は、応力検出層３の構造が上下逆転している点である。具体的には、反強磁性層３３が下地層２の上に設けられ、第２強磁性層３２が反強磁性層３３の上に設けられ、第１非磁性層３０が第２強磁性層３２の上に設けられ、第１強磁性層３１が第１非磁性層３０の上に設けられている。
　＜第４実施形態＞
　図１０を参照しつつ、第４実施形態に係る応力センサ１０の構成について説明する。図１０は、第４実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。
　第４実施形態の第３実施形態との相違点は、第１非磁性層３０が金属層３０ａと絶縁体層３０ｂからなる多層構造な点である。言い換えると、第１非磁性層３０は、金属と絶縁体との組合せからなる。絶縁体層３０ｂ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。絶縁体層３０ｂは、例えば、金属層３０ａの自然酸化膜であり、第１非磁性層３０は金属層３０ａにとっての不動態である。第１非磁性層３０が自然酸化膜を含んでもよいならば、例えば、金属層３０ａを設けた段階で、フォトリソグラフィなどの大気暴露が必要な処理工程を実施することができる。
　＜第５実施形態＞
　図１１を参照しつつ、第５実施形態に係る応力センサ１０の構成について説明する。図１１は、第５実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。
　第５実施形態の第２実施形態との相違点は、第１非磁性層３０が絶縁体からなる点である。第５実施形態に係る応力センサ１０は、トンネル磁気抵抗効果を利用する。したがって、第３実施形態の絶縁体層３０ｂと同様に、第４実施形態の第１非磁性層３０の厚さは５ｎｍ以下に設定されるのが好ましい。トンネル磁気抵抗効果によって高い抵抗変化率を得るための好ましい構成の一例としては、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２がＣｏＦｅＢからなり、第１非磁性層３０がＭｇＯからなる。
　＜第６実施形態＞
　図１２を参照しつつ、第６実施形態に係る応力センサ１０の構成について説明する。図１２は、第６実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。
　第６実施形態の第２実施形態との相違点は、反強磁性層３３と保護層４との間に、反強磁性層３３側（下層）から順に第４強磁性層７２と、第２非磁性層７０と、第３強磁性層７１とをさらに備える点である。第４強磁性層７２の磁化方向は、反強磁性層３３との交換結合によって生み出される交換バイアスによって固定される。これによれば、抵抗変化率の上昇を図ることができる。
　＜第７実施形態＞
　図１３を参照しつつ、第７実施形態に係る応力センサ１０の構成について説明する。図１３は、第７実施形態に係る応力センサの構成を概略的に示す断面図である。
　第７実施形態の第１実施形態との相違点は、応力検出層３の側部に電極５ａ，５ｂが形成されている点である。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、巨大磁気抵抗効果を検出可能である。
　以上、本発明の例示的な実施形態及び実施例について説明した。以下に本発明の実施形態の一部又は全部を付記する。なお、本発明は以下の構成に限定されるものではない。
　本発明の一態様によれば、第１強磁性層３１、第１非磁性層３０、第２強磁性層３２、及び反強磁性層３３を積層してなる積層体を含む応力検出層３を備え、反強磁性層３３は、Ｍｎを含み、第２強磁性層３２の磁化方向は、反強磁性層３３との交換結合によって生み出される交換バイアスによって固定され、外部から加えられた応力に依存して変化する第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向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１０が提供される。
　これによれば、外部から加えた応力に依存して変化する第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向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。このとき、第２強磁性層３２の磁化方向が反強磁性層３３との交換結合により生み出される歪鈍感な交換バイアスによって固定される。これにより、歪み測定時の第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向の相対角度が安定し、応力センサ１０の動作安定性が向上する。また、第２強磁性層３２は反強磁性層３３との間で交換結合を形成するものであればよいため、第２強磁性層３２の材料選択や形状・寸法などの設計自由度が向上する。例えば、第１強磁性層３１と第２強磁性層３２とが同じ材料且つ同じ形状であっても、応力センサを機能させることができる。
　一態様として、第１強磁性層３１及び第２強磁性層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、応力センサ１０の電気抵抗が初期状態で最大又は最小となる。したがって、応力が加えられた場合と初期状態との電気抵抗の差異が明確となり、応力の検出感度が向上する。
　一態様として、応力検出層３は、積層体に加えて、第３強磁性層７１、第２非磁性層７０、及び第４強磁性層７２をさらに備え、第３強磁性層７１の磁化方向は、反強磁性層３３との交換結合によって生み出される交換バイアスによって固定される。
　これによれば、抵抗変化率が上昇し、応力の検出感度が向上する。
　一態様として、応力センサ１０は応力検出層３を支持する基板１をさらに有する。好ましくは、基板１は、フレキシブル基板である。
　これによれば、応力センサ１０に応力が加わった場合に応力検出層３が引張応力ないし圧縮応力を受けやすくなり、応力の検出感度が向上する。
　一態様として、第１強磁性層３１は、第１非磁性層３０の基板１側に設けられ、第２強磁性層３２及び反強磁性層３３は、第１非磁性層３０の基板１側とは反対側に設けられる。
　一態様として、第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２は、金属の磁性体からなる。第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらのうち少なくとも１つを含む合金からなる。
　これによれば、巨大磁気抵抗効果を利用した応力センサを実現できる。
　一態様として、第１非磁性層３０は、金属、絶縁体、又はこれらの組合せである。
　これによれば、巨大磁気抵抗効果又はトンネル磁気抵抗効果を利用した応力センサを実現できる。
　本発明の他の一態様によれば、第１強磁性層を設ける工程Ｓ１３と、非磁性層を設ける工程Ｓ１４と、第２強磁性層を設ける工程Ｓ１５と、反強磁性層を設ける工程Ｓ１６と、少なくとも第２強磁性層及び反強磁性層を磁界中でアニールする工程Ｓ１８と、を備える応力センサの製造方法であって、磁界中でアニールする工程は、被処理物を磁界中で熱処理したのちにさらに磁界中で室温に冷却する工程を含み、磁界中でアニールする工程Ｓ１８において、第２強磁性層と反強磁性層との間に交換結合が形成され、交換結合によって生み出される交換バイアスによって第２強磁性層の磁化方向が固定され、応力センサは、外部から加えられた応力に依存して変化する第１強磁性層及び第２強磁性層の磁化方向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、応力センサの製造方法が提供される。
　これによれば、外部から加えた応力に依存して変化する第１強磁性層３１及び第２強磁性層３２の磁化方向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でき、且つ動作安定性が向上した応力センサを製造できる。
　一態様として、フレキシブル基板を準備する工程Ｓ１１をさらに備え、第１強磁性層、非磁性層、第２強磁性層、及び反強磁性層は、それぞれフレキシブル基板の上方に成膜され、磁界中でアニールする工程Ｓ１８において、フレキシブル基板も一緒にアニールされる。
　これによれば、アニールされた応力検出層をフレキシブル基板に転写する製造方法に比べて、製造工程を簡略化できる。
　以上説明したように、本発明の一態様によれば、動作安定性の向上した応力センサ及びその製造方法が提供できる。
　なお、以上説明した実施形態は、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。また、各実施形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。
　１０…応力センサ
　１…基板
　２…下地層
　３…応力検出層
　４…保護層４
　5ａ，５ｂ…電極
　３０…第１非磁性層
　３１…第１強磁性層
　３２…第２強磁性層
　３３…反強磁性層

Claims (11)

  1. 　第１強磁性層、第１非磁性層、第２強磁性層、及び反強磁性層を積層してなる積層体を含む応力検出層を備え、
    　前記反強磁性層は、Ｍｎを含み、
    　前記第２強磁性層の磁化方向は、前記反強磁性層との交換結合によって生み出される交換バイアスによって固定され、
    　外部から加えられた応力に依存して変化する前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層の磁化方向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強磁性層及び前記第２強磁性層は、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に記載の応力センサ。
  3. 　前記応力検出層は、前記積層体に加えて、第３強磁性層、第２非磁性層、及び第４強磁性層をさらに備え、
    　前記第３強磁性層の磁化方向は、前記反強磁性層との交換結合によって生み出される交換バイアスによって固定される、
    　請求項１又は２に記載の応力センサ。
  4. 　前記応力検出層を支持する基板をさらに有する、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載の応力センサ。
  5. 　前記基板は、フレキシブル基板である、
    　請求項４に記載の応力センサ。
  6. 　前記第１強磁性層は、前記第１非磁性層の前記基板側に設けられ、
    　前記第２強磁性層及び前記反強磁性層は、前記第１非磁性層の前記基板側とは反対側に設けられる、
    　請求項４又は５に記載の応力センサ。
  7. 　前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層は、金属の磁性体からなる、
    　請求項１から６のいずれか１項に記載の応力センサ。
  8. 　前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層は、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ又はそれらのうち少なくとも１つを含む合金からなる、
    　請求項７に記載の応力センサ。
  9. 　前記第１非磁性層は、金属、絶縁体、又はこれらの組合せからなる、
    　請求項１から８のいずれか１項に記載の応力センサ。
  10. 　第１強磁性層を設ける工程と、
    　非磁性層を設ける工程と、
    　第２強磁性層を設ける工程と、
    　反強磁性層を設ける工程と、
    　少なくとも第２強磁性層及び前記反強磁性層を磁界中でアニールする工程と、
    　を備える応力センサの製造方法であって、
    　前記磁界中でアニールする工程は、被処理物を磁界中で熱処理したのちにさらに磁界中で室温に冷却する工程を含み、
    　前記磁界中でアニールする工程において、前記第２強磁性層と前記反強磁性層との間に交換結合が形成され、前記交換結合によって生み出される交換バイアスによって前記第２強磁性層の磁化方向が固定され、
    　前記応力センサは、外部から加えられた応力に依存して変化する前記第１強磁性層及び前記第２強磁性層の磁化方向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、
    　応力センサの製造方法。
  11. 　フレキシブル基板を準備する工程をさらに備え、
    　前記第１強磁性層、前記非磁性層、前記第２強磁性層、及び前記反強磁性層は、それぞれ前記フレキシブル基板の上方に成膜され、
    　前記磁界中でアニールする工程において、前記フレキシブル基板も一緒にアニールされる、
    　請求項１０に記載の応力センサの製造方法。
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