JP2014052360A - 圧力検知素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の実施形態によれば、小型で高感度の圧力検知素子を提供することができる。
【解決手段】圧力検知素子は、圧力によって撓む薄膜領域を有する支持基板と、薄膜領域上に設けられた第１の電極、第１の電極上に設けられた第２の電極、第１の電極と第２の電極との間に設けられた参照層、参照層と第１の電極又は参照層と第２の電極との間に設けられ薄膜領域が撓むことで磁化が変化する磁化自由層、参照層と磁化自由層との間に設けられたスペーサ層を備えるセンサ膜と、センサ膜が存在する面の支持基板に設けられ、軟磁性体からなるシールドと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、圧力検知素子及びその製造方法に関する。

Ｓｉ−ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）を用いた圧力検知素子の検出感度限界は、Ｓｉの物性値で決定される。圧力検知素子の感度を向上させるためには、圧力検知素子のサイズを大きくすれば良い。しかし、定常的な血圧測定や携帯電話等のマイクに応用するには小型化が必要である。このため、小型の圧力検知素子を高感度にする需要がある。

特開２０１０−１１９５６８号公報

そこで、本発明の実施形態は、小型で高感度の圧力検知素子を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る圧力検知素子は、圧力によって撓む薄膜領域、及び前記薄膜領域を固定する支持部からなる支持基板と、前記薄膜領域上に設けられた第１の電極、前記第１の電極上に設けられた第２の電極、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた参照層、前記参照層と前記第１の電極との間又は前記第参照層と前記第２の電極との間に設けられ前記薄膜領域が撓むことで磁化が変化する磁化自由層、及び前記参照層と前記磁化自由層との間に設けられたスペーサ層を備えるセンサ膜と、前記センサ膜が存在する面の前記支持基板に設けられ、軟磁性体からなるシールドと、を備える。

本発明の第１の実施形態に係る圧力検知素子を示す図。 第１の実施形態を説明するための図。 第１の実施形態を説明するための図。 第１の実施形態を説明するための図。 第１の実施形態を説明するための図。 第１の実施形態を説明するための図。 第１の実施形態を説明するための図。 第１の実施形態を説明するための図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の変形例を示す図。 第１の実施形態の説明するための図。

以下図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。同じ符号が付されているものは同様のものを示す。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係数などは、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係数が異なって表される場合もある。
（第１の実施形態）

図１は、圧力検知素子１００の断面図である。図２は圧力検知素子１００の上面図である。図１は、図２のＡ−Ａ’断面に対応している。

圧力検知素子１００は、圧力によって撓む薄膜領域１０を有する支持基板２０と、薄膜領域１０上に設けられたセンサ膜３０と、支持基板２０上に設けられた軟磁性体からなるシールド４０と、を備える。この状態で薄膜領域１０を第１領域、支持基板２０上を第２領域とも呼べる。なお、センサ膜３０の膜面に平行な方向において、センサ膜３０を挟むように絶縁層４５が設けられていても良い。絶縁層４５としては、例えば酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を用いることができる。絶縁層４５の上下にまで第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０が延在している。なお、センサ膜３０は、薄膜領域１０の中心には存在しない。薄膜領域１０の中心にセンサ膜３０が存在すると、等方的な歪が印加され、圧力を圧力検知素子１００が検知できないからである。

支持基板２０は、支持部５０と薄膜領域１０からなる。図２に示されるように、薄膜領域１０は支持部５０に取り囲まれている。支持部５０は固定され、薄膜領域１０は、圧力が印加されると撓む。図１では薄膜領域１０の裏側から加圧されて撓んだ状態を示している。減圧の場合、薄膜領域１０は下に凸の形状に撓む。圧力が均衡状態（初期状態）である場合は、薄膜領域１０は撓まない。薄膜領域１０の裏面とは、圧力検知素子１００が存在しない側の薄膜領域１０を示す。薄膜領域１０には、有機材料を用いることができる。有機材料としては、ポリイミド、パリレンを用いることができる。これらの有機材料は、耐熱性に優れている。これは、センサ膜３０を作製する段階で磁場をセンサ膜３０に印加しながら、２５０℃程度の温度で加熱処理を行うからである。また、これらの有機材料は、撓みやすい。このとき、支持基板２０にはＳｉを用いることができる。この場合、支持部５０の材料と薄膜領域１０の材料は異なる。

支持部５０及び薄膜領域１０には、同一の材料を用いることもできる。この材料としては、Ｓｉを用いることができる。つまり、支持部５０を厚く形成し、薄膜領域１０を薄く形成すれば、薄膜領域１０だけが撓む。薄膜領域１０の面積を大きくすると薄膜領域１０が破れる可能性がある。また、薄膜領域１０の面積を大きくすると圧力検知素子１００を回路に集積したときの集積効率が低下する。破れにくい薄膜領域１０と集積効率が高い圧力検知素子１００を得るには、例えば薄膜領域１０を円形状とすると、その直径は１００μｍ以上５００μｍ以下、厚さは０．１μｍ以上１μｍ以下である。このとき、支持部５０は撓まないようにするために、例えばその厚さは１０μｍ以上である。それでも支持部５０が撓む場合には、１００μｍ以上にする。

センサ膜３０は、第１の電極 ６０と、第１の電極 ６０上に設けられたa 参照層６５と、a 参照層６５上に設けられたスペーサ層 ７１と、スペーサ層 ７１上に設けられた磁化自由層 ７５と、磁化自由層 ７５上に設けられた第２の電極 ７０と、を備える。磁化自由層 ７５とa 参照層６５の位置は逆であっても良い。ギャップ層を少なくとも第１の電極 ６０と薄膜領域１０との間、第２の電極 ７０上、センサ膜３０の側面に設けても良い。ギャップ層は、第１の電極 ６０、第２の電極 ７０、センサ膜３０を電気的に絶縁することができる。ギャップ層には、アルミ酸化物、シリコン酸化物、アルミ窒化物を用いることができる。

シールド４０は、外部からの磁力線がシールド４０に侵入しやすい方がよい。このため、シールド４０には５０Oeよりも保磁力の小さい軟磁性体を用いる。シールド４０の保磁力は、１０Oe以下でも良い。支持基板２０に歪みが印加されたときに、支持部５０は撓まない。しかしながら、微小な歪みが一支持部５０に伝わってしまった場合、シールド４０は撓んでしまう。この場合、シールド４０の磁化が変化し、センサ膜３０の磁化自由層 ７５に磁気ノイズが入ってしまうのでよくない。従って、シールド４０の磁歪定数の絶対値は、磁化自由層 ７５の磁歪定数の絶対値よりも小さい方がよい。シールド４０には、例えばＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅＸ合金（ＸはCu, Cr, Ｔａ, Ｒｈ, ＰｔまたはＮｂ）、ＣｏＺｒＮｂ合金、及びＦｅＡｌＳｉ合金を用いることができる。

第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０には、電気抵抗値が低い材料を用いることができる。第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０を用いてセンサ膜３０の電気抵抗を検出する。センス電流はセンサ膜３０の膜面に対して垂直方向に流れる。第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０の電気抵抗値が低くければ、センサ膜３０の寄生抵抗を抑制することができる。第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０には、Ｃｕ、Ａｕ、又はこれらの合金を用いることができる。

第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０の電気抵抗値を下げるには、第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０の膜厚は厚い方がよい。しかしながら、第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０の膜厚が厚すぎると、薄膜領域１０が撓みにくくなる。このため、第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０の膜厚は例えば１００μｍ以上１０００μｍ以下である。

第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０には、軟磁性体のＮｉＦｅを用いることができる。ＮｉＦｅは、磁気ノイズを遮断することができ、電極として用いることができる。この場合、第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０の磁歪定数の絶対値は磁化自由層 ７５の磁歪定数の絶対値よりも小さい方がよい。ＮｉＦｅはＣｕ、Ａｕ、又はこれらの合金と比較して、電気抵抗値が２倍程度ある。このため、ＮｉＦｅを第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０に用いる場合には、第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０の膜厚をＣｕ，Ａｕ、又はこれらの合金を用いる場合の膜厚の２倍程度にする。

第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０をセンサ膜３０の膜面に平行な方向に配置する場合、センス電流をセンサ膜３０の膜面に平行な方向に流しても良い。センス電流と電圧変化を検出する電極を別々に用いる４端子法、又はセンス電流と電圧変化を検出する電極を兼用する２端子法を圧力検知素子１００に用いることができる。

a 参照層６５は、磁化自由層 ７５の磁化を参照するために用いられる。a 参照層６５の磁化は一方向に固定されていている。また、a 参照層６５の磁化は磁化自由層 ７５のように磁化が可変な状態でもよい。a 参照層６５の磁化と磁化自由層 ７５の磁化との間に相対角度が存在していれば磁気抵抗を検出することができるからである。a 参照層６５には、磁化自由層 ７５と同じ材料を用いることもできる。a 参照層６５の材料は、磁歪を高くする必要がないので磁化自由層 ７５の材料と異なる材料であっても良い。a 参照層６５の材料と磁化自由層 ７５の材料が異なる場合、MR変化率が高を高くするために、Fe−Co合金やCo−Fe−B合金等、を用いることができる。

図３Ａに示すように、a 参照層６５と第１の電極 ６０との間に反強磁性層８０を設けても良い。反強磁性層８０が設けられることで、一軸磁気異方性による交換結合エネルギーによって、a 参照層６５の磁化を安定に固定することができるからである。反強磁性層８０には、ＩｒＭｎ合金を用いることができる。反強磁性層８０には、ＰｔＭｎ合金、ＦｅＭｎ合金を用いることもできる。また、図３Ｂに示すように、第２の電極 ７０が上側にくる構成でもよい。

図４Ａに示すようにa 参照層６５は、シセティック構造でもよい。シンセティック構造は、２層の参照層６５a、６５ｂとの間に反平行結合層８５が設けられた構造である。反平行結合層８５は、Ｒｕを用いることができる。反平行結合層８５には、Ｒｈ、Ｉｒを用いることもできる。反平行結合層８５を介して２層のa 参照層６５aとa 参照層６５ｂの磁化が反平行に結合するので、a 参照層６５の磁化の大きさが小さくなる。このため、反強磁性層８０から結合エネルギーが一定でも、a 参照層６５の磁化を強く固定できる。したがって、圧力検知素子１００に対する磁気ノイズを抑制することができる。反平行結合層８５の膜厚は、例えば０．８ｎｍ以上１．０ｎｍ以下である。また、図４Ｂに示すように第２の電極 ７０が下側にくる構成でもよい。

スペーサ層 ７１は、金属又は絶縁性の非磁性体からなる。センサ膜３０がトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：Ｔｕｎｎｅｌ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を利用する場合には、スペーサ層 ７１は、絶縁性の非磁性体である。絶縁性の非磁性体としては、例えばマグネシウム酸化物（ＭｇＯ）、アルミニウム酸化物（Ａｌ_２Ｏ_３）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）、ガリウム酸化物（Ｇａ-Ｏ）、チタン酸化物（Ｔｉ-Ｏ）、アルミマグネシウム酸化物（Ｍｇ-Ａｌ-Ｏ）を用いることができる。この場合、スペーサ層 ７１の膜厚は、０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下である。

センサ膜３０が巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：Ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）を利用する場合には、スペーサ層 ７１は金属である。金属としては、例えばＣｕ、Ａｕ、Ａｇを用いることができる。この場合、スペーサ層 ７１の膜厚は、１ｎｍ以上７ｎｍ以下である。

磁化自由層 ７５は、磁化が可変である。また、磁化自由層 ７５の磁歪定数の絶対値は、シールド４０の磁歪定数の絶対値よりも大きい。大きな磁歪定数の絶対値は大きな逆磁歪効果を生じるので、薄膜領域１０に対して外部から印加される歪みに応じて磁化自由層 ７５の磁化が大きく回転する。このため、圧力検知素子１００の出力が大きくなる。磁化自由層 ７５には、例えばＦｅＣｏ合金、ＮｉＦｅ合金を用いることができる。他にも、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金、磁歪定数：λｓ＞１００ｐｐｍを示すＴｂ−Ｍ−Ｆｅ合金（Ｍは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ）、Ｔｂ−Ｍ１−Ｆｅ−Ｍ２合金（Ｍ１は、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｍ２は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ）、Ｆｅ−Ｍ３−Ｍ４−Ｂ合金（Ｍ３は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ、Ｍ４は、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｅｒ）、Ｎｉ、Ａｌ−Ｆｅやフェライト（Ｆｅ_３Ｏ_４、（ＦｅＣｏ）_３Ｏ_４）など）等を用いることができる。磁化自由層 ７５の膜厚は、例えば２ｎｍ以上である。

磁化自由層 ７５は、２層構造としてもよい。この場合、MR変化率の高くなるＦｅＣｏ合金あるいはＣｏＦｅＢ合金をスペーサ層 ７１の上に積層して、次にＦｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金、磁歪定数：λｓ＞１００ｐｐｍを示すＴｂ−Ｍ−Ｆｅ合金（Ｍは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ）、Ｔｂ−Ｍ１−Ｆｅ−Ｍ２合金（Ｍ１は、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｍ２は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ）、Ｆｅ−Ｍ３−Ｍ４−Ｂ合金（Ｍ３は、Ｔｉ，Ｃｒ，Ｍｎ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｎｂ，Ｍｏ，Ｗ，Ｔａ、Ｍ４は、Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｅｒ）、Ｎｉ、Ａｌ−Ｆｅやフェライト（Ｆｅ_３Ｏ_４、（ＦｅＣｏ）_３Ｏ_４）など）等から選択される材料を積層する。ＦｅＣｏ合金、ＣｏＦｅＢ合金の磁歪定数は１０ｐｐｍ以下である。

圧力検知素子１００の動作原理について図５を用いて説明する。

圧力検知素子１００に圧力が印加されると、薄膜領域１０は撓み、支持部５０は固定されているので撓まない。圧力検知素子１００に外部圧力が加わると、薄膜領域１０が撓む。薄膜領域１０が撓むと、薄膜領域１０の撓みに応じて磁化自由層 ７５の磁化が回転する。このとき、a 参照層６５の磁化と磁化自由層 ７５の磁化との相対角度によって電気抵抗が変化するので、この電気抵抗を検出することで圧力を検知することができる。この電気抵抗が外部信号として出力され、圧力検知素子１００の外部に接続された回路（図示せず）で処理をされ圧力を検知することができる。磁化自由層 ７５の磁歪定数が正の場合には、薄膜領域１０が引っ張られる方向に磁化自由層 ７５の磁化が回転する（図５）。磁化自由層 ７５の磁歪定数が負の場合には、薄膜領域１０が圧縮される方向に磁化自由層 ７５の磁化が回転する。この現象は、逆磁歪効果として知られている。

理想的には、上記の原理で圧力を検知することができる。しかしながら、現実には、外部からの磁気ノイズが存在する。このため、圧力検知素子１００は磁化が磁気ノイズにより回転してしまう場合がある。この様子を図６に示す。図６で示すように、外部からの磁力線（磁気ノイズに相当）が磁化自由層 ７５に侵入すると、その磁力線の方向に磁化自由層 ７５の磁化が回転する。つまり、磁気ノイズによって、磁化自由層 ７５の磁化が回転し、センサ膜３０の電気抵抗が圧力検知素子１００に加わる圧力とは関係なく変化してしまう。また、磁気ノイズの影響がさらに大きくなると、磁化自由層 ７５の磁化が揺らぎ、磁化自由層 ７５自体がノイズになってしまう。

そこで、外部からの磁気ノイズを遮断するため、圧力検知素子１００の側面に磁気シールドを設ける。すると、図７に示されるように、磁気ノイズの磁力線はシールド４０に吸い込まれる。磁気ノイズが磁化自由層 ７５に侵入することが防げるので、磁化自由層 ７５の磁化揺らぎを低減し、安定化することができる。

ここで、シールド４０は、薄膜領域１０ではなく、支持部５０に設けられている。これは、薄膜領域１０にシールド４０が設けられていると、薄膜領域１０が撓んだときにシールド４０の磁化が回転し、新たな磁気ノイズが発生してしまうからである。また、シールド４０が薄膜領域１０に設けられていると、シールド４０の厚みによって薄膜領域１０が撓みにくくなり、圧力検知素子１００の感度が低下してしまう。さらに、シールド４０が薄膜領域１０に設けられていると、薄膜領域１０が撓んだときにシールド４０がそれに応じて撓、む。よって、逆磁歪効果によってシールド４０の磁化が揺らぐので、シールド４０が磁気ノイズを生じてしまう。

圧力検知素子１００では、シールド４０を支持部５０上に設置することで、シールド４０の磁化揺らぎを低減できる。また、外部からの磁気ノイズを遮断することができる。このため、圧力検知素子１００は圧力を安定して検出することができる。圧力検知素子１００は、歪検知素子としても働くことができる。

磁化自由層 ７５の磁化が、薄膜領域１０の撓みに応じて効率よく回転するためには、シールド４０の磁化は一方向を向いていない方が良い。つまり、シールド４０は複数の磁区を有する。別の言い方をすると、シールド４０全体の磁化はゼロに近いことが良い。

次に、圧力検知素子１００の製造方法を説明する。

図８〜図１２は、圧力検知素子１００の製造過程を示したものである。

支持基板２０上に第１の電極 ６０となる材料をスパッタ法で製膜する（図８（a））。

レジストを第１の電極 ６０となる材料上に塗布する。第１の電極 ６０のパターンが残るようにレジストを露光する。レジストの露光された領域以外の領域を除去する（図８（ｂ））。

残ったレジストをマスクとしてイオンミリングにより、第１の電極 ６０のパターンを形成する（図８（ｃ））。

レジストを除去して第１の電極 ６０を形成する（図８（ｄ））。

第１の電極 ６０及び支持基板２０上にセンサ膜３０となる材料をスパッタ法により製膜する（図８（e））。

レジストをセンサ膜３０となる材料上に塗布する。センサ膜３０のパターンが残るようにレジストを露光する。レジストの露光された領域以外の領域を除去する（図８（ｆ））。

残ったレジストをマスクとしてイオンミリングにより、センサ膜３０のパターンを形成する（図９（ａ））。

ギャップ層となる絶縁層をレジスト、第１の電極 ６０、及び支持基板２０上に製膜する（図９（ｂ））。

ギャップ層上にシールド４０となる軟磁性層をスパッタ法で製膜する（図９（ｃ））。

シールド４０となる軟磁性層上にレジストを塗布する。シールド４０のパターンが残るようにレジストを露光する。レジストの露光された領域以外の領域を除去する（図９（ｄ））。

残ったレジストをマスクとしてイオンミリングにより、シールド４０のパターンを形成する。（図９（ｅ））。

レジストを除去してシールド４０を形成する（図９（ｆ））。

ギャップ層となる絶縁層をシールド４０上及び既に製膜されている絶縁層上に製膜する（図１０（ａ））。

リフトオフにより、センサ膜３０の上面を露出させる（図１０（ｂ））。

第２の電極 ７０となる材料を絶縁層上及びセンサ膜３０の上面にスパッタ法で製膜する（図１０（ｃ））。

第２の電極 ７０となる材料上にレジストを塗布する。第２の電極 ７０のパターンが残るようにレジストを露光する。レジストの露光された領域以外の領域を除去する（図１０（ｄ））。

残ったレジストをマスクとしてイオンミリングにより、第２の電極 ７０のパターンを形成する。（図１０（ｅ））。

レジストを除去して第２の電極 ７０を形成する（図１０（ｆ））。

支持基板２０の裏面にレジストを塗布する（図１１（ａ））。

裏面露光をすることで、薄膜領域１０となる以外の領域のレジストを残す（図１１（ｂ））。

裏面から支持基板２０に対してＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）を行い、支持基板２０を削る（図１１（ｃ））。

レジストを除去して、圧力検知素子１００を得る（図１１（ｄ））。
（変形例）

図１２は、第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０に軟磁性体を用いた場合の図である。この場合、第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０はシールド４０と同様の機能を有する。よって、さらに磁気ノイズを低減することができる。第１の電極 ６０及び第２の電極 ７０には、例えばＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅＸ合金（ＸはCu, Cr, Ｔａ, Ｒｈ, ＰｔまたはＮｂ）、ＣｏＺｒＮｂ合金、及びＦｅＡｌＳｉ合金を用いることができる。

図１３は、シールド４０と圧力検知素子１００との位置関係を示す図である。磁気ノイズを効率よく遮断するには、シールド４０の上面とシールド４０の底面との間に、薄膜領域１０が撓んだ場合でもセンサ膜３０が空間的に存在することが好ましい。例えば、シールド４０の厚さをｘ、第１の電極 ６０の厚さをｙ、センサ膜３０の厚さをｚとすると、ｘ＞ｚ＋ｙの関係を圧力検知素子１００は満たす。更に、薄膜領域１０が撓んだときのセンサ膜３０の上面から支持基板２０の上面までの距離よりもシールド４０が厚いことが好ましい。つまり、磁化自由層 ７５は、支持基板２０の上面からシールド４０の上面までの範囲内に存在している。

図１４は、圧力検知素子１００を上面から眺めた図である。図１４に示されるように、支持部５０にシールド４０が２つ設けられている。シールド４０は間を空けて設けられている。磁気ノイズの磁力線が外へ逃げる場所を確保する必要があるからである。図１４では、２つの長方形のシールド４０がある角をなして設けられている。薄膜領域１０を取り囲むようにシールド４０が設けられていればよい。よって、シールド４０は２つ以上設けられていても良い。すなわち、図１５のように３つ設けられていてもよい。

図１６は、圧力検知素子１００を上面から眺めた図である。図１６Ａでは、シールド４０が多角形状で設けられている。また、図１６Ｂのように薄膜領域１０の一部を空けてシールド４０で取り囲んだ形状でもよい。

図１７は、圧力検知素子１００を上面から眺めた図である。図１７では、薄膜領域１０の一部を空けてシールド４０が円弧形状で設けられている。図１８のように、シールド４０を２つに分けても良い。

図１９は、絶縁層４５中にハードバイアス９５が埋め込まれた図である。磁化自由層 ７５の磁化の全てが回転すると出力が不安定になるため、ハードバイアスで磁化自由層 ７５の磁化を単磁区化すると出力が増加する。薄膜領域１０に歪が印加されておらず、ハードバイアスが絶縁層４５に埋め込まれていない状態では、磁化自由層 ７５の磁化は様々な方向を向いている。このため、複数の磁区に分かれる。その状態から引っ張り歪が印加された方向に磁化自由層 ７５の磁化が回転すると、ある磁区の磁化回転は大きくなるが、他の磁区の磁化は殆ど回転しない。このため、磁化自由層７５の磁化と参照層６０の磁化との平均の相対角度が小さくなるので、圧力検知素子１００の出力が低下する。これに対し、ハードバイアス９５によって磁化自由層 ７５の磁化がすべて一方向に向いた単磁区の状態であれば、引っ張り歪が印加された方向に磁化自由層 ７５の磁化の全てが回転するので、圧力検知素子１００の出力は大きくなる。ハードバイアス９５には、例えばＣｏＰｔ合金、あるいはＣｏＰｔ合金を用いることができる。
（実施例）

圧力検知素子１００を作製して磁気ノイズの低減を確認した。

支持基板２０には、円形で直径が３００μｍ、膜厚が５００μｍのＳｉ基板を用いた。支持部５０が５００μｍの厚さを有することになる。Ｓｉ基板の一部を薄く削って薄膜領域１０を形成した。薄膜領域１０の厚さは０．２μｍであった。第１の電極 ６０には、Ｃｕ（３００ｎｍ）、第２の電極 ７０には、Ｃｕ（２００ｎｍ）／Ａｕ（１００ｎｍ）を用いた。括弧内は膜厚を示す。センサ膜３０には、支持基板２０からＴａ（１ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ（７ｎｍ）／ＣｏＦｅ（２．５ｎｍ）／Ｒｕ（０．８ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（３ｎｍ（a 参照層６５に相当））／ＭｇＯ（１ｎｍ（スペーサ層 ７１に相当））／ＣｏＦｅＢ（４ｎｍ（磁化自由層 ７５に相当））／Ｃｕ（１ｎｍ（保護層に相当））／Ｔａ（３ｎｍ（保護層に相当））／Ｒｕ（１５ｎｍ（保護層に相当））を用いた。ここでは、シールド効果の実証を目的とする実験であるため、圧力検知素子１００の磁化自由層 ７５に適した高磁歪材料ではなくＣｏＦｅＢという低磁歪材料を用いた。センサ膜３０は、５００μｍ四方の正方形に加工し、その周囲をシリコン酸化物からなる絶縁層４５で埋め込んだ。

シールド４０には、長辺が４００μｍ、短辺が５０μｍの長方形状のものを３つ用いた。この状態を図２０に示す。これらの３つのシールド４０を支持部５０上にセンサ膜３０を取り囲むように設けた。シールド４０の厚さは５００μｍに加工した。さらに圧力検知素子１００は実装して電極を取りだした。

図２１(a)は圧力検知素子１００を利用して、人体の血圧を測定した結果である。横軸が時間（秒）で縦軸が圧力（a.u.）である。圧力検知素子１００を手首橈骨に貼り付けて血圧を測定した。心拍に合わせた血圧変動が得られ、反射の第２波も検知されている。しかし、脈波に起因する圧力ピークの形状は、それぞれ異なっている。この圧力ピークの形状を深く分析することで循環器系の疾患をいち早く診断することができるため、圧力ピークの形状を正確に得ることは重要である。血圧の測定方法として血管に針を刺して血液流量を直接計測する方法が知られているが、患者への負担が非常に大きいため、日常測定や検診に対して困難であった。圧力検知素子１００を用いると、血流測定に相当する正確な血圧測定ができる。ところが、日常生活で使用する場合、シールド４０がなく外部からの磁気ノイズが入ると、図２１（b）のようにデータが乱れて圧力ピークの形状が変形してしまう。正確に測定するには、圧力ピークの形状が外部からの磁気ノイズの影響で変形しないように、シールド４０が必要となる。

シールド４０は、その設置位置が重要である。なぜなら、外部からの圧力を効率よく薄膜領域１０に伝達しなければ、高感度な圧力検知素子を得られないからである。外部圧力に対して敏感にセンサ膜３０の磁化自由層 ７５を歪ませるためには、センサ膜３０の搭載された薄膜領域１０が外部圧力を出来るだけ直接受ければ圧力を正確に測定できる。ところが、薄膜領域１０と圧力印加方向の間に堅い磁気シールドが存在していては、圧力伝達効率を劣化させてしまう。支持基板を含む全方位から囲む形態が提案されているが、この場合は圧力伝達方向が著しく劣化するため、高感度な圧力検知素子には適していない。そこで、圧力伝達方向が劣化しないように、センサ膜３０の搭載された支持基板２０の面に、シールド４０が設けられている。この配置は、磁気シールドをセンサ膜３０や第１の電極 ６０、第２の電極 ７０製造プロセスで製造できるという点でも優れている。

さらに、シールド４０は、撓む薄膜領域１０の上ではなく支持部５０の上に設けた場合によく機能する。これは、薄膜領域１０上ではシールド４０もセンサ膜３０と同時に変形して、シールド４０自体が磁気ノイズを発生してしまうためである。

以上は、人体血圧測定の例を挙げて説明したが、センサデバイスの感度は、加速度センサ、音響マイク、超音波センサ等、圧力を検知するセンサ全般について要求されることである。したがって、圧力検知素子１００は、磁気シールド４０をセンサ膜３０の搭載された支持基板２０の上、さらにはその中でも支持部５０の上に形成することで、目的である小型・高感度を達成した。

このように、圧力検知素子１００は、加速度センサ、音響マイク、超音波センサ、及び血圧センサ等に応用できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０…薄膜領域、２０…支持基板、３０…センサ膜、４０…シールド、４５…絶縁層、５０…支持部、６０…第１の電極、６５…参照層、７１…スペーサ層、７５…磁化自由層、８０…第２の電極、９５…ハードバイアス、１００…圧力検知素子

Claims (11)

1. 圧力によって撓む薄膜領域、及び前記薄膜領域を固定する支持部からなる支持基板と、
   前記薄膜領域上に設けられた第１の電極、前記第１の電極上に設けられた第２の電極、前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられた参照層、前記参照層と前記第１の電極との間又は前記第参照層と前記第２の電極との間に設けられ前記薄膜領域が撓むことで磁化が変化する磁化自由層、及び前記参照層と前記磁化自由層との間に設けられたスペーサ層を備えるセンサ膜と、
   前記センサ膜が存在する面の前記支持基板に設けられ、軟磁性体からなるシールドと、
   を備える圧力検知素子。
2. 前記支持部は、前記薄膜領域を取り囲むように形成されている請求項１に記載の圧力検知素子。
3. 前記薄膜領域の材料は、前記支持基板の材料と異なる請求項１又は請求項２に記載の圧力検知素子。
4. 前記第１の電極及び第２の電極は、軟磁性体からなる請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の圧力検知素子。
5. 前記磁化自由層の磁歪定数の絶対値は、前記シールド、前記第１の電極、及び前記第２の電極の磁歪定数の絶対値よりも大きい請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の圧力検知素子。
6. 前記シールドは、ＮｉＦｅ合金、ＮｉＦｅＸ合金（Ｘは、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｐｔ、又はＮｂ）、ＣｏＺｒＮｂ合金、及びＦｅＡｌＳｉ合金の何れか一つを含む請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の圧力検知素子。
7. 前記シールドの厚さは、前記薄膜領域が撓んだときの前記センサ膜の上面から前記支持基板の上面の距離よりも厚い請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の圧力検知素子。
8. 前記磁化自由層は、前記支持基板の上面から前記シールドの上面までの範囲内に存在する請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の圧力検知素子。
9. 前記支持基板の上面を眺めた場合、前記シールドは前記センサ膜の一部を取り囲む形状であり、少なくとも１つの間隙を有している請求項８に記載の圧力検知素子。
10. 前記シールドが複数設けられている請求項１乃至請求項９の何れか１項に記載の圧力検知素子。
11. 前記薄膜領域上で、かつ前記センサ膜に隣接して前記センサ膜を挟むように設けられた一対のハードバイアス膜を更に備える請求項１乃至請求項１０の何れか１項に記載の圧力検知素子。

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