JP2015137869A - 圧力センサ、マイクロフォン、加速度センサ及び圧力センサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態によれば基体とセンサ部とを含む圧力センサが提供される。センサ部は、第1面を有し可撓性のトランスデュース薄膜と、第1面上に設けられた第1歪検知素子と、第1面上に設けられ第1歪検知素子と離間する第2歪検知素子と、を含む。第1歪検知素子は、磁化の方向が可変の第1磁性層と、第1濃度で酸素を含む第1膜と、第1磁性層と第1膜との間に設けられ磁化の方向が固定された第2磁性層と、第1磁性層と第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、を含む。第2歪検知素子は、磁化の方向が可変の第3磁性層と、酸素濃度が第1濃度とは異なる第2膜と、第3磁性層と第2膜との間に設けられ磁化の方向が固定された第4磁性層と、第3磁性層と第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、を含む。
【選択図】図1
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1は、第1の実施形態に係る圧力センサを例示する模式的斜視図である。
図1では、図を見やすくするために、絶縁部分を省略し、導電部分が主に描かれている。
図2は、第1の実施形態に係る圧力センサの一部を例示する模式的平面図である。
センサ部72は、基体71aの上に設けられる。センサ部72は、トランスデュース薄膜64と、固定部67と、第1歪検知素子50Aと、第2歪検知素子50Bと、を含む。トランスデュース薄膜64は、膜面64a(第1面)を有する。トランスデュース薄膜64は、可撓性である。トランスデュース薄膜64は、外部から圧力が印加されたときに撓み、その上に形成された歪検知素子50に歪としてトランスデュースする機能を有する。外部圧力は、圧力そのものもあれば、音波または超音波などによる圧力も含む。音波または超音波などの場合は、圧力センサは、マイクロフォンとして機能することになる。
例えば、第1歪検知素子50Aと重心64bとを通る直線は、歪検知素子50cを通る。例えば、第2歪検知素子50Bと重心64bとを通る直線は、歪検知素子50dを通る。
これらの図は、トランスデュース薄膜64の膜面64aの形状を例示している。
図3(a)〜図3(d)に表したように、トランスデュース薄膜64の膜面64a(撓む部分)の形状は、円形、扁平円(楕円も含む)、正方形または長方形などである。このような場合には、膜面64aの重心は、それぞれ、円の中心、楕円の中心、正方形の対角線の中心、または、長方形の対角線の中心となる。
図2に表したように、この例では、固定部67a及び67cは、直線64cと、トランスデュース薄膜64の縁部64egと、の交点に配置されている。直線64cは、トランスデュース薄膜64の膜面64aの重心64bを通り、Y軸方向に対して平行である。固定部67b及び固定部67dは、直線64dと、トランスデュース薄膜64の縁部64egと、の交点に配置されている。直線64dは、トランスデュース薄膜64の膜面64aの重心64bを通り、X軸方向に対して平行である。固定部67a〜67dは、トランスデュース薄膜64を非空洞部71(基体71a)に固定している。
固定部67a〜67dには、例えば、基板材料の一部であるシリコンや、基板材料の上に成膜されたトランスデュース薄膜と同じ材料などを含む。固定部67a〜67dは、外部圧力が印加されたときにも撓みにくいように、トランスデュース薄膜64よりも厚い膜厚で形成された部分である。
図4は、歪検知素子50の構成の例を示している。図4に示したように、歪抵抗変化部50s(歪検知素子50、及び、第1歪検知素子50A)は、例えば、第1磁性層10と、第2磁性層20と、第1磁性層10と第2磁性層20との間に設けられた中間層30(第1中間層)と、を含む。中間層30は、非磁性層である。複数の歪検知素子50のそれぞれの構成も、上記と同様である。第1磁性層10の磁化の方向は、可変である。第1磁性層10は、磁化自由層である。第2磁性層20の磁化の方向は、実質的に固定されている。第2磁性層20は、磁化固定層である。
歪検知素子50においては、強磁性体が有する「逆磁歪効果」と、歪抵抗変化部50sで発現する「MR効果」と、が利用される。「MR効果」は、磁性体を有する積層膜において、外部磁界が印加されたときに、磁性体の磁化の変化によって積層膜の電気抵抗の値が変化する現象である。MR効果は、例えば、GMR(Giant magnetoresistance)効果、または、TMR(Tunneling magnetoresistance)効果などを含む。歪抵抗変化部50sに電流を流すことで、磁化の向きの相対角度の変化を電気抵抗変化として読み取ることで、MR効果は発現する。例えば、歪検知素子50に加わる応力に基づいて、歪抵抗変化部50sに引っ張り応力が加わる。第1磁性層10の磁化の向きと、第2磁性層20に加わる引っ張り応力の方向と、が異なるときに、逆磁歪効果によりMR効果が発現する。低抵抗状態の抵抗をRとし、MR効果によって変化する電気抵抗の変化量をΔRとしたときに、ΔR/Rを「MR変化率」という。
これらの図は、歪検知素子50の状態を例示している。これらの図は、歪検知素子50における磁化方向と、引っ張り応力の方向と、の関係を例示している。
図6(a)に表したように、歪検知素子50(第1歪検知素子50A)は、例えば、第1電極51(第1電極51a)と、第2電極52(第2電極52a)と、を含む。第1電極51と第2電極52との間に歪抵抗変化部50s(歪抵抗変化部50sa)が設けられている。
この例では、歪抵抗変化部50sにおいては、第1電極51と第2電極52との間に第1磁性層10が設けられる。第1電極51と第1磁性層10との間に第2磁性層20が設けられる。第1磁性層10と第2磁性層20との間に中間層30(第1中間層)が設けられる。
第1電極51と第2磁性層20との間にバッファ層41(第1バッファ層41a)が設けられる。バッファ層41と第2磁性層20との間に反強磁性層42(第1反強磁性層42a)が設けられる。反強磁性層42と第2磁性層20との間に強磁性層43(第1強磁性層43a)が設けられる。強磁性層43と第2磁性層20との間に膜44(第1膜44a)が設けられる。第1磁性層10と第2電極52との間にキャップ層45(第1キャップ層45a)が設けられる。
この例では、歪抵抗変化部50sにおいては、第1電極51と第2電極52との間に第3磁性層10Bが設けられる。第1電極51と第3磁性層10Bとの間に第4磁性層20Bが設けられる。第3磁性層10Bと第4磁性層20Bとの間に第2中間層30Bが設けられる。第1電極51と第4磁性層20Bとの間にバッファ層41(第2バッファ層41b)が設けられる。バッファ層41と第4磁性層20Bとの間に反強磁性層42(第2反強磁性層42b)が設けられる。反強磁性層42と第4磁性層20Bとの間に強磁性層43(第2強磁性層43b)が設けられる。強磁性層43と第4磁性層20Bとの間に膜44(第2膜44b)が設けられる。第1磁性層10と第2電極52との間にキャップ層45(第2キャップ層45b)が設けられる。
すなわち、第2歪検知素子50Bは、第1面上に設けられ、第1歪検知素子50Aと離間する。第2歪検知素子50Bは、第3磁性層10Bと、第4磁性層20Bと、第2中間層30Bと、第2膜44bと、第2強磁性層43bと、第2反強磁性層42bと、を含む。第4磁性層20Bは、第3磁性層10Bと第2膜44bとの間に設けられる。第2膜44bは、第4磁性層20Bと第2強磁性層43bとの間に設けられる。第2強磁性層43bは、第4磁性層20Bと第2反強磁性層42bとの間に設けられる。
図7(a)〜図7(c)は、膜44(第1膜44a)の酸化強度と第2磁性層20の磁化の向きとの関係を例示している。
第2磁性層20の磁化の方向は、第1膜44a(NOL)の酸化強度によって変化する。第4磁性層20Bの磁化の方向は、第2膜44b(NOL)の酸化強度によって変化する。
図7(a)に表したように、第2磁性層20の磁化の方向は、強磁性層43の磁化の方向に沿う。例えば、第2磁性層20の磁化の方向と、強磁性層43の磁化の方向と、の間の角度は、10度以下である。
図7(b)に表したように、第2磁性層20の磁化の方向と、強磁性層43の磁化の方向と、の間の角度は、例えば、60度程度(例えば、50度以上70度以下)である。
図7(c)に表したように、第2磁性層20の磁化の方向と、強磁性層43の磁化の方向と、の間の角度は、例えば、90度程度(例えば、80度以上100度以下)となる。
図8(a)及び図8(b)は、第1の実施形態に係る圧力センサの動作を例示する模式図である。
図8(a)は、図2の直線64dで切断したときの模式的断面図である。図8(b)は、圧力センサの動作を例示する模式図である。
図9(a)は、第1状態ST1を例示している。図9(b)は、第2状態ST2を例示している。
第2状態ST2における第1層磁化方向10amは、応力81によって、第1状態ST1における第1層磁化方向10amから変化する。第2状態ST2における第1層磁化方向10amは、第1応力方向81aに沿う方向に変化する。これにより、第1歪検知素子50Aにおいて、第1状態ST1と第2状態ST2との間で、電気抵抗が変化する。
第2状態ST2における第3層磁化方向10bmは、応力81によって、第1状態ST1における第3層磁化方向10bmから変化する。第2状態ST2における第3層磁化方向10bmは、第2応力方向81bに沿う方向に変化する。これにより、第2歪検知素子50Bにおいて、第1状態ST1と第2状態ST2との間で、電気抵抗が変化する。
図10に表した参考例の圧力センサ319においても、基体71aとセンサ部72とが設けられる。センサ部72は、トランスデュース薄膜64と、固定部67と、第1歪検知素子50Aと、第2歪検知素子50Bと、を含む。
圧力センサ319においては、第1膜44aにおける酸素濃度と第2膜44bにおける酸素濃度とが同じである。このため、第2層磁化方向20amと第4層磁化方向20bmは同じである。この例では、第4層磁化方向20bmは、X軸方向に沿う。
圧力センサ311においても、基体71aとセンサ部72とが設けられる。センサ部72は、トランスデュース薄膜64と、固定部67と、複数の歪検知素子50と、を含む。圧力センサ311には、圧力センサ310について説明した構成を適用することができる。
圧力センサ312においても、基体71aとセンサ部72とが設けられる。センサ部72は、トランスデュース薄膜64と、固定部67と、複数の歪検知素子50と、を含む。圧力センサ312には、圧力センサ310について説明した構成を適用することができる。
また、別の観点として、低周波領域で音圧を検知する場合には、図1または図2に表したように、固定部67に穴があると(固定部67が連続的でないと)、そこからトランスデュース薄膜64の裏側にも音波が回ってしまう場合がある。音圧を正しく検知することができなくなってしまう場合がある。この現象によるセンサ感度の低下をロールオフ現象という。可聴音の低周波数領域をセンシングすることを目的とする場合には、このような固定部67の穴があることは望ましくない。そこで、図12のように固定部に穴がない方が、可聴音の音波を検知するマイクには望ましい。
圧力センサ313においても、基体71aとセンサ部72とが設けられる。センサ部72は、トランスデュース薄膜64と、固定部67と、複数の歪検知素子50と、を含む。圧力センサ313には、圧力センサ310について説明した構成を適用することができる。
図14に表したように、本実施形態に係る圧力センサ314においては、固定部67aと重心64bとの間(第1部分68a)に、複数の歪検知素子50aが設けられている。この例では、複数の歪検知素子50aの一部は、縁部64egに沿う方向に沿って並ぶ。さらに、歪検知素子50aの別の一部は、重心64bから縁部64egに向かう放射状の直線の方向(例えば直線64c上)に沿って並ぶ。
これらの図は、複数の歪検知素子50(歪検知素子50a)の接続の接続状態の例を示している。
図15(a)に表したように、本実施形態に係る圧力センサ315aにおいては、複数の歪検知素子50は、電気的に直列に接続されている。例えば、第1部分68a上に複数の歪検知素子50aが設けられる。複数の歪検知素子50aの少なくとも2つは、電気的に直列接続される。
図16は、第2の実施形態に係る圧力センサの製造方法を例示する模式図である。
図17は、第2の実施形態に係る圧力センサの製造方法を例示する模式図である。
図16及び図17は、圧力センサ310の製造方法を例示している。
実施形態においては、例えば、第1酸化工程の酸化強度と、第2酸化工程の酸化強度と、が異なる。例えば、第1酸化工程及び第2酸化工程のいずれかにおいて、酸素を実質的に全く供給しなくてもよい。事実上、酸化なしでもよい。例えば、第1酸化工程及び第2酸化工程のいずれかを省略しても良い。製造コストを削減するためには、このほうが、望ましい実施例となる。
空洞部70が形成されていない部分が非空洞部71となる。これにより、トランスデュース薄膜64が形成される。なお、トランスデュース薄膜64の縁部64egを連続的に保持する固定部67を形成する場合は、基板70sの裏面からのエッチングを行うことで、トランスデュース薄膜64と同時に固定部67が形成される。
例えば、トランスデュース膜64fmの上に、バッファ膜、反強磁性膜及び強磁性膜を形成する。その上にマスク材を形成し、第1歪検知素子50Aが形成される位置を開口する。開口された部分を酸化する。これにより、第1酸化物膜を形成する(第1酸化工程)。
その後、マスク材を除去し、その上に別のマスク材を形成する。第2歪検知素子50Bが形成される位置を開口する。開口された部分を酸化する。これにより、第2酸化物膜を形成する(第2酸化工程)。
マスク材を除去し、その上に、磁性膜、中間膜、磁性膜及びキャップ膜をこの順に形成し、パターニングする。このように、第1歪検知素子50Aを形成するパターニングと、第2歪検知素子50Bを形成するパターニングと、を同時に行っても良い。すなわち、ステップS101〜ステップS107の少なくとも一部は、技術的に可能な範囲で、同時に実施されても良く、また、順番が入れ替わっても良い。
図18は、第3の実施形態に係るマイクロフォンを例示する模式図である。
図18に表したように、本実施形態に係るマイクロフォン410は、実施形態に係る任意の圧力センサ及びその変形の圧力センサを含む。この例では、圧力センサ310が用いられている。マイクロフォン410の内部の圧力センサ310におけるトランスデュース薄膜64は、例えば、携帯情報端末510における表示部420が設けられた面に対して実質的に平行である。ただし、実施形態は、これに限らず、トランスデュース薄膜64の配置は任意である。
図19は、第4の実施形態に係る加速度センサを例示する模式的斜視図である。
図20は、第4の実施形態に係る加速度センサを例示する模式的平面図である。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (21)
- 基体と、
前記基体の上に設けられたセンサ部と、
を備え、
前記センサ部は、
第1面を有する可撓性のトランスデュース薄膜と、
前記第1面上に設けられた第1歪検知素子と、
前記第1面上に設けられ前記第1歪検知素子と離間する第2歪検知素子と、
を含み、
前記第1歪検知素子は、
磁化の方向が可変の第1磁性層と、
第1濃度で酸素を含む第1膜と、
前記第1磁性層と前記第1膜との間に設けられ磁化の方向が固定された第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、
を含み、
前記第2歪検知素子は、
磁化の方向が可変の第3磁性層と、
酸素濃度が前記第1濃度とは異なる第2膜と、
前記第3磁性層と前記第2膜との間に設けられ磁化の方向が固定された第4磁性層と、
前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、
を含む圧力センサ。 - 前記第1膜は、第1価数の第1金属元素を含み、
前記第2膜は、前記第1価数とは異なる第2価数の前記第1金属元素を含む請求項1記載の圧力センサ。 - 前記第1膜における酸素濃度は20原子パーセント以上70原子パーセント以下であり、
前記第2膜における酸素濃度の0原子パーセント以上20原子パーセント以下である請求項1または2記載の圧力センサ。 - 前記第1膜は、鉄、クロム、ニッケル及びマンガンの少なくともいずれか含む請求項1〜3のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記第1歪検知素子は、第1強磁性層をさらに含み、
前記第1膜は、前記第2磁性層と前記第1強磁性層との間に設けられ、
前記第2歪検知素子は、第2強磁性層をさらに含み、
前記第2膜は、前記第4磁性層と前記第2強磁性層との間に設けられた請求項1〜4のいずれか1つに記載の圧力センサ。 - 前記第1歪検知素子は、第1反強磁性層をさらに含み、
前記第1強磁性層は、前記第2磁性層と前記第1反強磁性層との間に設けられ、
前記第2歪検知素子は、第2反強磁性層をさらに含み、
前記第2強磁性層は、前記第4磁性層と前記第2反強磁性層との間に設けられた請求項5に記載の圧力センサ。 - 前記トランスデュース薄膜の重心から前記第1歪検知素子へ向かう方向は、前記重心から前記第2歪検知素子へ向かう方向に対して交差する請求項1〜6のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記トランスデュース薄膜の重心と前記第1歪検知素子との間の距離は、前記重心と前記第2歪検知素子との間の距離の0.8倍以上1.2倍以下である請求項1〜7のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記センサ部は、固定部をさらに含み、
前記固定部は、前記トランスデュース薄膜の縁部と接続され前記縁部を前記基体に固定する請求項1〜8のいずれか1つに記載の圧力センサ。 - 前記第1歪検知素子の前記トランスデュース薄膜の重心から前記第1歪検知素子へ向かう第1方向に沿った長さは、前記第1歪検知素子の前記第1方向と垂直な第2方向に沿った長さとは異なる請求項1〜9のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記第1磁性層及び前記第2磁性層の少なくともいずれかは、鉄、コバルト及びニッケルの少なくともいずれかを含む請求項1〜10のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 前記第1中間層は、マグネシウム酸化物、アルミ酸化物、チタン酸化物、及び、亜鉛酸化物の少なくともいずれかを含む請求項1〜11のいずれか1つに記載の圧力センサ。
- 請求項1〜12のいずれか1つに記載の圧力センサを備えたマイクロフォン。
- 基部と、
錘部と、
前記錘部と前記基部とを接続し、前記錘部の前記基部に対する相対的な位置の変化に応じて変形可能な接続部と、
前記接続部の第1部分上に設けられた第1歪検知素子と、
前記接続部の第1部分と離間した第2部分上に設けられた第2歪検知素子と、
を備え、
前記第1歪検知素子は、
磁化の方向が可変の第1磁性層と、
第1濃度で酸素を含む第1膜と、
前記第1磁性層と前記第1膜との間に設けられ磁化の方向が固定された第2磁性層と、
前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、
を含み、
前記第2歪検知素子は、
磁化の方向が可変の第3磁性層と、
酸素濃度が前記第1濃度とは異なる第2膜と、
前記第3磁性層と前記第2膜との間に設けられ磁化の方向が固定された第4磁性層と、
前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、
を含む加速度センサ。 - 基体と、前記基体の上に設けられたセンサ部と、を含む圧力センサの製造方法であって、前記センサ部は、第1面を有する可撓性のトランスデュース薄膜と、前記第1面上に設けられた第1歪検知素子と、前記第1面上に設けられ前記第1歪検知素子と離間する第2歪検知素子と、を含み、前記第1歪検知素子は、磁化の方向が可変の第1磁性層と、第1膜と、前記第1磁性層と前記第1膜との間に設けられ磁化の方向が固定された第2磁性層と、前記第1磁性層と前記第2磁性層との間に設けられた第1中間層と、を含み、前記第2歪検知素子は、磁化の方向が可変の第3磁性層と、第2膜と、前記第3磁性層と前記第2膜との間に設けられ磁化の方向が固定された第4磁性層と、前記第3磁性層と前記第4磁性層との間に設けられた第2中間層と、を含み、前記製造方法は、
前記第1膜となる第1酸化物膜を形成する第1酸化工程を備えた圧力センサの製造方法。 - 前記第1膜は、鉄、クロム、ニッケル及びマンガンの少なくともいずれかを含む請求項15記載の圧力センサの製造方法。
- 前記第2膜となる第2酸化物膜を形成する第2酸化工程をさらに備え、
前記第1酸化工程における酸化量は、前記第2酸化工程における酸化量とは異なる請求項15または16に記載の圧力センサの製造方法。 - 前記第1歪検知素子は、第1強磁性層をさらに含み、
前記第1膜は、前記第2磁性層と前記第1強磁性層との間に設けられ、
前記第2歪検知素子は、第2強磁性層をさらに含み、
前記第2膜は、前記第4磁性層と前記第2強磁性層との間に設けられた請求項15〜17のいずれか1つに記載の圧力センサの製造方法。 - 前記第1歪検知素子は、第1反強磁性層をさらに含み、
前記第1強磁性層は、前記第2磁性層と前記第1反強磁性層との間に設けられ、
前記第2歪検知素子は、第2反強磁性層をさらに含み、
前記第2強磁性層は、前記第4磁性層と前記第2反強磁性層との間に設けられた請求項18記載の圧力センサの製造方法。 - 前記トランスデュース薄膜の重心から前記第1歪検知素子へ向かう方向は、前記重心から前記第2歪検知素子へ向かう方向に対して交差する請求項15〜19のいずれか1つに記載の圧力センサの製造方法。
- 前記トランスデュース薄膜の重心と前記第1歪検知素子との間の距離は、前記重心と前記第2歪検知素子との間の距離の0.8倍以上1.2倍以下である請求項15〜20のいずれか1つに記載の圧力センサの製造方法。
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