歪検知素子、および血圧センサ
【課題】 本発明の実施形態によれば、感度よく検知できる歪検知素子、および圧力セン
サを提供することができる。
【解決手段】 磁化方向が変化可能で外部歪が印加されていない状態では磁化が膜面垂
直方向を向いている磁化自由層と、磁化を有する参照層と、前記磁化自由層と前記参照層
との間に設けられたスペーサー層と、を備えた積層膜と、前記積層膜の積層面に対して垂
直方向に通電する一対の電極と、前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、前記
基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なる
ことを特徴とする歪検知素子。
サを提供することができる。
【解決手段】 磁化方向が変化可能で外部歪が印加されていない状態では磁化が膜面垂
直方向を向いている磁化自由層と、磁化を有する参照層と、前記磁化自由層と前記参照層
との間に設けられたスペーサー層と、を備えた積層膜と、前記積層膜の積層面に対して垂
直方向に通電する一対の電極と、前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、前記
基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なる
ことを特徴とする歪検知素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、歪み検知素子圧力検知素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
極薄磁性膜の積層膜で形成されるスピンバルブ膜が知られている。
【０００３】
スピンバルブ膜は、外部磁界に対して抵抗が変化する。この抵抗変化量は、MR（magnetoresistive）変化率として知られている。MR現象は様々な物理的効果に起因する。巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ effect: Giant magnetoresistive effect）又はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ: Tunneling magnetoresistive effect）が最も一般的に知られている。
【０００４】
スピンバルブ膜は、少なくとも２層の強磁性層が、スペーサー層を介して積層された構造から形成される。スピンバルブ膜の磁気抵抗状態は、隣接する強磁性層の磁化方向の相対的な角度によって決まる。一般的な構成では、２つの強磁性層が平行状態のときは、スピンバルブは低い抵抗状態を取り、反平行状態のときには、スピンバルブは高い抵抗状態を取る。隣接する強磁性層の磁化との間の角が中間的な角度の場合には、中間的な抵抗状態になる。
【０００５】
少なくとも二層の磁性層のうち、磁化が容易に回転する磁性層は「磁化自由層」として知られている。磁化が変化しにくい磁性層は「参照層」として知られている。
【０００６】
スピンバルブ膜の抵抗が外部磁界を通じて変化する現象を用いることで、スピンバルブ膜は高感度な磁界検知素子として用いられる。スピンバルブ膜の感度の良い磁界応答の結果として、スピンバルブ膜は広くＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）の読み取りヘッドに用いられている。加えて、スピンバルブ膜はＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のメモリセルとしても用いられている。
【０００７】
外部磁界によって磁化自由層の磁化を変化させるだけでなく、外部歪みによっても磁性層の磁化方向を変化させることができる。係る現象を用いることでスピンバルブ膜は、歪検知素子又は圧力検知素子としてスピンバルブ膜を用いることができる。歪みによる磁化自由層の磁化の変化の物理的な起源は、逆磁歪効果と呼ばれている。係る物理現象の簡単な説明は以下の通りである。
【０００８】
磁歪効果は、磁性材料の磁化が変化したときに、磁性材料の歪みが変化する現象である。その歪みの大きさは、磁化の大きさと方向に依存して変化する。従って、歪みの大きさは、これらの磁化の大きさと方向のパラメータを通じて制御できる。また、磁場を印加していったときに歪の量が飽和したときの歪の変化量は磁歪定数λとして知られる。磁歪定数は、磁性材料固有の特性に依存する。
【０００９】
磁歪効果の逆の現象として、逆磁歪効果も知られている。逆磁歪効果では、外部歪が印加されたときに、磁性材料の磁化が変化する現象である。この変化の大きさは、外部歪みの大きさ及び磁性材料の磁歪定数に依存する。磁歪効果と逆磁歪効果は、物理的に対称な効果なため、逆磁歪効果の磁歪定数は磁歪効果のときの磁歪定数と同じである。
【００１０】
磁歪効果と逆磁歪効果には、正の磁歪定数と負の磁歪定数がある。これらの定数は磁性材料に依存する。
【００１１】
正の磁歪定数を有する材料の場合、引っ張り歪みが適用された方向に磁化が揃うように変化する。
【００１２】
一方で、負の磁歪定数では逆の場合になる。つまり、圧縮歪みの方向に沿って磁化が変化する。
【００１３】
逆磁歪効果はスピンバルブ膜の磁化自由層の磁化方向を変化させるために用いることができる。外部歪が印加されると、逆磁歪効果によって磁化自由層の磁化方向が変化するため、参照層と磁化自由層の相対的磁化角度に差が生じる。これによって、スピンバルブ膜の抵抗が変化する。つまり、歪検知素子として用いることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−１４８１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前述のように、歪みを感知することができるスピンバルブ膜の抵抗変化量は歪みが適用される方向に依存する。
【００１６】
正の磁歪定数を有する磁化自由層おいて、引っ張り応力を磁化容易軸に沿って適用すると、磁化の変化は生じない。これは、既に低エネルギー状態にあるからである。つまり、圧縮応力のときのみ、敏感に検知することが可能となる。
【００１７】
一方、負の磁歪定数を有する磁化自由層においては、圧縮応力を磁化自由層に適用すると、磁化の変化は生じない。これは、既に低エネルギー状態にあるからである。つまり、引っ張り応力のときのみ、敏感に検知することが可能となる。
しかしながら、一般的に外部から圧力が印加されたとき、各部位によって応力状態は異なる。つまり、ある箇所では圧縮応力となり、ある箇所では引っ張り応力となる。すると、あるスピンバルブ膜を用いたときに、圧縮応力か引っ張り応力かのいずれかひとつのみしか、外部応力を敏感に検知することができない。これは、歪検知素子、圧力検知素子として考えたときに、感度良く検知することの実現を大きく阻むものである。
【００１８】
本発明の実施形態は、前述のような課題を克服するために、良好な感度の歪検知素子、圧力検知素子を実現するためのスピンバルブ膜構造の改善に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一態様に係る歪検知素子、または圧力検知素子は、磁化方向が変化可能で、外部歪が印加されていない状態では膜面垂直の磁化方向を有する磁化自由層と、磁化を有する参照層と、前記磁化自由層と前記参照層との間に設けられたスペーサー層と、を備えた積層体と、前記積層体の積層面に対して垂直方向に通電する一対の電極と、前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、前記基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】第１の実施形態に係る歪検知素子を示す図。
【図１Ｂ】第１の実施形態に係る歪検知素子を示す図。
【図１Ｃ】第１の実施形態に係る歪検知素子を示す図。
【図１Ｄ】第１の実施形態に係る歪検知素子を示す図。
【図２Ａ】第１の実施形態に係る第１の変形例を示す図。
【図２Ｂ】第１の実施形態に係る第１の変形例を示す図。
【図３】第１の実施形態に係る第１の変形例を示す図。
【図４】第１の実施形態に係る第２の変形例を示す図。
【図５】第１の実施形態に係る第３の変形例を示す図。
【図６】第１の実施形態に係る第４の変形例を示す図。
【図７】第１の実施形態に係る第５の変形例を示す図。
【図８】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図９】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１０】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１１Ａ】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１１Ｂ】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１１Ｃ】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１２】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１３】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１４】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１５】第３の実施形態に係る圧力検知機器を示す図。
【図１６】第３の実施形態に係る圧力検知機器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
発明の実施形態として、２種類の実施形態がある。一つ目は、歪検知素子、二つ目は圧力検知素子である。歪検知素子は、基板の圧縮応力、引っ張り応力を測定する素子である。典型的には図１のように、基板の上にスピンバルブ膜が形成されていれば、歪検知素子として機能する。二つ目の圧力検知素子は、歪検知素子が「メンブレン」の上に形成された、メンブレンまで含めた素子のことである。メンブレンが圧力から歪への変換を行う鼓膜のような役割を果たす。つまり、圧力検知素子という場合には、必ず歪検知素子をそのなかに含有した構造となる。本発明は、歪検知素子のスピンバルブ膜構造に関する発明なため、歪検知素子、圧力検知素子、いずれの場合においても効果を発揮する発明である。
【００２３】
圧力検知素子はさらに二つに分類できる。一つ目は、従来のSi等で形成されたメンブレンを用いた圧力検知素子である。二つ目は、従来のSiとは異なる材料によってメンブレンを構成した圧力検知素子である。本発明は、Siで形成されたメンブレンを用いた素子構造においても効果を発揮するが、Si以外の新たな材料、構造でメンブレンが形成された素子構造においても効果を発揮する。
【００２４】
典型的な実施例として、従来のSiで形成されたメンブレンを用いた検知素子について発明の実施形態の要点を説明する。次に、従来のSi以外の材料で形成されたメンブレンを用いた場合の実施形態について説明する。
【００２５】
メンブレンは、圧力から機械的な歪への変換のために用いられる鼓膜のようなものである。外部から圧力を印加したときに、メンブレンの設計、およびメンブレンの位置に依存して、異なる大きさの歪みが生じる。このようなメンブレンの位置に依存した歪は、メンブレン上に各位置に歪検知素子を形成することで圧力を検知することが可能となる。メンブレン上の各位置の歪をすべて歪検知素子で検知できると、圧力検知素子の性能として、非常に良好になる。しかしながら、前述のように、スピンバルブ膜を用いた歪検知素子では、検知可能な歪と、検知不可能な歪が発生してしまう。
【００２６】
図１Ａと図１Ｂは、歪検知素子１０を示す。歪検知素子１０は、基板１５の上に、参照層２０と、スペーサー層３０と、磁化自由層４０とを備えたスピンバルブ膜構造が形成されている。参照層２０、および磁化自由層４０は磁性材料で形成される。スペーサー層３０は、基本的には非磁性材料からなる。しかし、後述するように、磁性材料もスペーサーとして機能するものに関して用いることができる。スピンバルブ膜に電流を流すために、一対の電極が用いられる。ＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎ−ｐｌａｎｅ）配置では、図１Aのように一対の電極５０１、５０２が用いられる。ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ）配置では、図１Bのように一対の電極５１１、５１２が用いられる。スピンバルブ膜から基板への電流を絶縁する目的や、基板表面の荒れを緩和するために、コーティング層１５０がＣＩＰ配置とＣＰＰ配置の両方に用いられる。参照層２０／スペーサー層３０／磁化自由層４０の積層膜の下地として、下地層７０を用いる。以下、それぞれの部分について詳細に説明する。積層体は参照層２０、スペーサー層３０、及び磁化自由層４０で定義される。
【００２７】
参照層２０の目的は磁化自由層４０の磁化を「参照」することである。この機能のために、歪みが印加されたときの参照層２０の磁化の状態は、磁化自由層４０の磁化の状態とは異なる。実施形態の一つは、参照層２０の磁化が外部歪みに関わらず固定されていることである。参照層が面内磁化を有する場合、ＩｒＭｎ又はＰｔＭｎのようなピニング層（後述）が参照層２０の下に用いられる。このような単純なピニング構造の代わりに、参照層/Ru0.9nm/磁性層/ピニング層というシンセティック構造を用いても良い。参照層がハードな磁性膜からなる場合、つまり外部歪が印加されても参照層の磁化方向が変化しない場合には、ピニング層を省略してもよい。
【００２８】
また、参照層２０の磁化は必ずしも外部歪が印加されたときに固着されている必要は無い。なぜなら、外部歪が印加されたときの参照層２０の磁化変化が磁化自由層と異なりさえすれば、参照層と磁化自由層の相対磁化角度は外部歪に依存するため、外部歪を検知することが可能となるからである。参照層２０は磁性材料で形成されるため、少なくともＦｅ、Ｃｏ、又はＮｉのいずれか一つの元素を含んでいる。なお、参照層の磁化は基板１５が歪んでいない場合に固定されている。
【００２９】
スペーサー層３０は、ＭＲ現象の物理的な効果に依存して、数種類のバリエーションを有している。ＭＲ現象としてＴＭＲ効果を用いる場合、ＭｇＯような材料が、典型的な材料として用いられる。Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｇ、又はＺｒに基づく酸化物、窒化物、または酸窒化物も用いることができる。ＭＲ現象としてＧＭＲ効果を用いる場合、ＣＩＰ配置でもＣＰＰ配置でもスペーサー層３０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｕ、又はＣｒのような金属材料を用いることができる。このような単純金属層だけでなく、ＣＰＰ配置の場合には、電流狭窄（CCP: Current-Confined-Path）スペーサーを用いることもできる。CCPスペーサーには、絶縁層を上限に貫通する複数のナノオーダーのメタルパスが用いられる。CCPスペーサーを用いることの利点は、ＭＲ効果を高めるだけでなく、抵抗の大きさも制御することが可能なことである。CCPスペーサーのメタルパス材料としては、単純金属スペーサーの材料群と同じＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、又はＣｒなどであり、絶縁層はＡｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｇ、又はＺｒに基づく酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなる。
【００３０】
磁化自由層４０の特徴は、外部歪みがない状態においては、磁化自由層４０の磁化方向が膜面に対し略垂直方向に向いていることである。ここが本発明において最も重要な特徴的な構造である。その様子を図１Ａ及び図１Ｂに示す。この図では、磁化の方向は上向き矢印であるが、下向き矢印も同様に用いることができる。
【００３１】
膜面に対し垂直な方向に磁化を有する磁性層をスピンバルブ膜に用いることは、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）又はＳＴＯ（Ｓｐｉｎ Ｔｏｒｑｕｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）でも研究レベルで検討はされている。しかしながら、本発明において膜面垂直方向の磁化を用いる効果は、ＭＲＡＭ、ＳＴＯなどとは全く異なる。ＭＲＡＭの場合、膜面垂直磁化の磁性層のタイプが開発されている理由は、高密度化に有利なためである。メモリの場合、微細化に対するスケーリングが成立しなければならないため、微細化したときの磁化方向が安定である必要がある。膜面内に磁化方向が向いている場合、微細化に伴い反磁界が大きくなってしまうため、磁化を保つことがエネルギー的に不利となり、実現が難しくなる。つまり、メモリとしてのスケーリング則が成立しなくなってしまう。そのため、スケーリングが成立する高密度化のために、膜面垂直磁化が研究検討されている。この事情は、最近のHDDで既に実用化されている、磁気記録媒体において垂直磁気記録（PMR: Perpendicular Magnetic Recording）を用いる理由と全く同じである。
【００３２】
ＳＴＯの応用についても、膜面に対し垂直な磁気異方性を有する磁性層を用いた膜構成が研究されている。この理由は、STOとして動作させるときには素子サイズを微小にしなければ良好な発振特性が得られないため、微細化された素子において磁化が安定な膜面垂直な磁気異方性を用いるほうが安定なためである。つまり、スケーリング則という観点ではないものの、微細化した素子で形成するときには膜面垂直方向の磁化を有することが有利という点で、ＭＲＡＭと同様の理由である。また、二点目として、膜面垂直な磁気異方性を有する材料のほうが、より大きな磁気異方性を有する材料があるためである。大きな磁気異方性のほうが、STOとしての発振周波数を向上させることが可能となるため、大きな発振周波数を得ようとした場合には、膜面垂直な磁気異方性材料のほうが有利になるためである。
【００３３】
上記２つのＭＲＡＭ，ＳＴＯに対し、本発明のように歪みセンサ・圧力検知素子に垂直異方性を用いることの効果は全く異なる。前述したように、メンブレン内の歪検知素子が受ける実際の歪みは、配置位置によっても異なり、非常に複雑である。圧縮応力か引っ張り応力かという、極性の違いさえ、メンブレンの位置に依存して生じるうる。このような状態では、面内磁化を有する磁化自由層では抵抗の変化として検知できない場合もあり、検知に関するＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）劣化を引き起こす原因になる。一方、膜面垂直磁化を有する磁化自由層４０の場合、図１Ｃ、図１Ｄに示すように抵抗変化を検知することができる。つまり、理想的な測定環境のみでしか測定できなかったのに対し、測定環境に対して高感度でロバストな、歪検知素子、圧力検知素子を実現することができる。つまり、引っ張り応力、圧縮応力いずれの場合においても、膜面垂直方向の磁化を有する磁化自由層を用いれば、歪を検知可能となる。これは、膜面内に磁化を有する磁化自由層を用いている場合には実現できない。また、この効果は、ＭＲＡＭ、ＳＴＯにおいて膜面垂直方向の磁化を有する磁性層を用いる理由とは全く異なる。
【００３４】
それゆえに、外部歪に対して磁化方向が変化する磁性層である、磁化自由層に垂直異方性が必要となる。一方で、ＭＲＡＭの場合、面内垂直異方性は磁化自由層と参照層の両方に必ず用いなければ意味がない。これは、参照層が膜面内の磁化を有していては、反磁界の問題が結局生じてしまうからである。これは、垂直異方性を用いる理由が異なっているためである。
また、垂直磁気異方性の磁化自由層を用いる理由が従来のMRAMなどと異なることによって、さらに構成の違いが生じる。その詳細を以下に説明する。
【００３５】
磁界の書き込みによるＭＲＡＭの場合、磁化自由層の磁化は外部磁界、もしくはスピン注入電流によって駆動させる。こうした原理によって駆動する場合、他のアーティファクトで磁化方向が変化するのは望ましくないため、磁化自由層の良好な軟磁性の実現が必要となる。より具体的には、磁性層の磁歪定数を小さくすることは必須要件となる。この状況は、STOでも同様であり、スピン注入電流によって発振を駆動する素子なため、素子に加わる応力、歪で磁化自由層の磁化が変化することは根本的な動作に影響を与える。そのため、磁性層の磁歪定数を小さくすることは必須要件となる、特に、小さな素子サイズの場合、製造工程において引き起こされる歪みの大きさが大きくなるため、小さい磁歪定数の磁性層を用いることはより必須要件となる。具体的には、磁歪定数の絶対値は少なくとも１０−６よりも小さくする必要がある。このような磁歪定数の絶対値の制約は、ＨＤＤの読み取りヘッドでも存在し、磁歪定数の絶対値は１０−６よりも小さくする必要がある。
【００３６】
一方、歪み又は圧力のセンサでは、磁歪定数は外部歪みによって磁化の変化を実現するために、ＭＲＡＭ、ＳＴＯとは全く逆に、大きい値である必要がある。この必要とされる磁歪定数は下記のように説明される。
磁気弾性エネルギーと静磁エネルギーとのエネルギーバランスで、以下の式のように記載される。
【００３７】
（１／２）ΔＨｋＢｓ＝（３／２）Δσλ ・・・（１）
【００３８】
ΔＨｋは外部歪を印加することに伴う磁化自由層の磁化の変化であり、Ｂｓは磁化自由層の飽和磁化、Δσは外部から与えられた歪み、λは磁化自由層の磁歪定数である。この式から、あるΔσが与えられたときに、ΔＨｋの変化を大きくするためには、磁化自由層の磁歪λを大きくする必要があることがわかる。この必要性は、明らかにＨＤＤ、ＭＲＡＭ、ＳＴＯなどの応用とはまったく逆の必要要件である。前述したように、ＨＤＤヘッド、ＭＲＡＭ、及びＳＴＯ応用は、磁歪定数の絶対値として１０−６よりも小さなλが必要である。しかしながら、そのような小さなλでは歪み検知には応用できない。なぜなら、磁歪定数の絶対値が１０−６以下という値は、素子加工などによって生じる外部歪が生じても、スピンバルブ膜の磁化自由層の磁化方向を変化させるほどの逆磁歪効果を発生させないために現状のＨＤＤ、ＭＲＡＭ、ＳＴＯなどの必要スペックとなっている。つまり、本発明のように歪検知素子として考えるときには、充分な逆磁歪効果を発現しないため、歪検知素子としては機能しないことを意味するからである。
【００３９】
また、別の理由として、膜面垂直の磁気異方性を有する材料の場合、面内磁化を有する軟磁性材料とは異なり、磁気異方性の大きさは大きい。その理由は、大きな磁気異方性を有しないと、膜面内に磁化が向くことが有利な、形状異方性に打ち勝つことができないためである。このような大きな磁気異方性をもつ磁性層を用いるということは、（１）式におけるＨｋが大きい材料を用いるということを意味する。つまり、外部歪が印加されていない状態において大きなＨｋをもつ磁化自由層のＨｋを外部歪によって変化させて検知するには、ΔＨｋの値として、充分大きな変化量を発生させないと、変化量として検知できないことになる。つまり、ΔＨｋを通常の膜面内に磁化を有する磁化自由層を用いる場合よりもさらに大きなΔＨｋを発生させる必要がでてくる。すなわち、（１）式からわかるように、より大きなλの磁化自由層を用いることが必須となる。小さな磁歪定数λめられる従来の応用と比較すると、歪検知素子として用いる本発明の場合には、少なくとも磁歪定数の絶対値が10-6よりも大きなλは必須となる。より好ましくは、磁化自由層の磁歪定数の絶対値は10-５よりも大きな値を有することが必要とされる。
【００４０】
スピンバルブ膜膜の成膜の順序としては、参照層２０／スペーサー層３０／磁化自由層４０（参照層が下側に存在しているので「ボトムタイプ」と呼ばれる）又は磁化自由層４０／スペーサー層３０／参照層２０（参照層が上側に存在しているので「トップタイプ」と呼ばれる）のどちらでも用いることができる。図１Ａ，図１Ｂにおいてはボトム型における実施例を示しているが、本発明の本質的な効果としては、ボトム型でもトップ型でも違いは発生せず、同等である。
【００４１】
参照層２０／スペーサー層３０／磁化自由層４０のボトム型又は磁化自由層４０／スペーサー層３０／参照層２０トップ型のいずれの場合でも下地層７０が用いられる。本明細書において「下地層」という言葉は、広い概念を含んで用いる。「下地層」はバッファ層、シード層、又はピニング層（図示せず）のような多層からなる。いくつかのこれらの層は特有の膜構造に依存して省略されていてもよい。バッファ層は、フレキシブル基板から生じる荒れのような予期せぬ効果を避けるために用いられる。コーティング層１５０でバッファ効果が充分な場合は、下地層におけるバッファ層は省略できる。シード層は、参照層２０／スペーサー層３０／磁化自由層４０又は磁化自由層４０／スペーサー層３０／参照層２０の結晶配向性を制御するために用いられる。ピニング層は必要であれば参照層の磁化を固定するために用いられる。
【００４２】
スピンバルブ膜５０は、参照層２０、スペーサー層３０、及び磁化自由層４０から構成される。外部歪み又は圧力による抵抗変化を検知するためにスピンバルブ膜５０に対してセンス電流を通電させる必要であるので、電極はスピンバルブ膜５０に設けられていなければならない。これは、発明の実施形態として最低限必要な要素となる。
【００４３】
より詳細には、電極を有するスピンバルブ膜５０は図１Ａ及び図１Ｂに示されている。
【００４４】
図１Ａでは、スピンバルブ膜５０はＣＩＰスピンバルブ（面内通電）、スピンバルブ膜の側面に設けられた一対の電極５０１、５０２から構成される。基板１５に対するスピンバルブ膜５０からのリーク電流漏避けるために、絶縁コーティング層１５０はスピンバルブ膜５０と基板１５との間に用いられる。
【００４５】
電極５０１、５０２において、ハードバイアス（硬磁性材料）が磁化自由層４０のシングルドメインを実現するために用いられる（図示せず）。
【００４６】
図１Ｂでは、スピンバルブ膜５０はＣＰＰ−ＧＭＲ膜又はＴＭＲ膜のようなＣＰＰスピンバルブ（面直通電）から構成される。スピンバルブ膜５０に電流を供給するために、下部電極５１１及び上部電極５１２が使用される。基板１５に対するスピンバルブ膜５０からの電流漏れを避けるために、絶縁コーティング層１５０がスピンバルブ膜５０と基板１５との間に用いられる。ＣＰＰスピンバルブ膜の場合、絶縁膜６００がスピンバルブ膜５０の側面に使用される必要がある。
【００４７】
リソグラフィー技術を用いることで、基板上における下部電極５１１との電気的な接触は、上部電極５１２との電気的な接触と同様に実現できる。ここは従来技術で形成できるため、詳細は割愛する。
【００４８】
絶縁膜６００の一方の側では、ハードバイアス（硬磁性材料）が磁化自由層のシングルドメインを実現するために用いられる（図示せず）。
【００４９】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、電極はＣＩＰとＣＰＰのスピンバルブ構成との間で異なるが、本発明における特徴である磁化自由層、その他動作原理における説明は基本的に同様である。それゆえに、電極の描写は以後の描写及び図から省略して説明する。
（第１の実施形態）
【００５０】
発明の第１の実施形態は図１Ｂのスピンバルブ膜を用いることで示されている。基板１５は、たとえばＳｉから構成され、Ｓｉを用いた場合はメンブレン構造は基板の一部を薄膜化して形成する。その薄膜化された構造は図１１Ａの実施例で示したものとほぼ同様であり、基板の一部が薄膜化された構造になっており、その薄膜化された基板の上にスピンバルブ膜が形成されている。しかしながら、外部歪によって曲がる部分が形成され、その上にスピンバルブ膜が形成されるのならば、Ｓｉ以外の材料でも形成可能である。たとえば、後で説明するようにフレキシブル基板を用いることも可能である。
【００５１】
基板１５は、Ｓｉで形成されたメンブレン、または曲がりやすい材料を用いたフレキシブル基板である。フレキシブル基板の例として、ポリマー材料などが用いられる。ポリマー材料として以下のような例が挙げられる。たとえば、アクリロニトリルブラジエンスチレン、シクロオレフィンポリマー、弾性を有するエチレンプロピレン、ポリアミド、ポリアミド-イミド、ポリベンジルイミダゾール、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンエーテルケトン、ポリエチルイミド、ポリエチレンイミン、ポリエチレンナフタレン、ポリエステル、ポリサルフォン、ポリエチレンテレフタレート、フェノールホルムアルデヒド、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルペンテン、ポリオキシメチレン、ポリプロピレン、ｍ−フェニルエーテル、ポリｐ−フェニルサルファイド、ｐ−アミド、ポリスチレン、ポリサルフォン、ポリビニルクロライド、ポリテトラフルオロエテン、パーフルオロアルコキシ、フッ化エチレンプロピレン、ポリテトラフルオロエテン、ポリエチレンテトラフルオロエチレン、ポリエチレンクロロトリフルオエチレン、ポリビニリデンフルオライド、メラミンホルムアルデヒド、液晶性ポリマー、又は尿中ホルムアルデヒドを用いることができる。
【００５２】
コーティング層１５０は、ポリメチルメタクリレート又はポリｐ−フェニレンサルファイドのような有機材料、又はＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２のような無機材料から構成されても良い。コーティング層１５０の膜厚は、無機材料の場合には１０ｎｍ以上であり、有機材料の場合には数μｍ以上であり、積層状態に依存する。
【００５３】
コーティング層１５０には幾つかの目的がある。それは、基板の表面荒れを減らすことである。このことによりＭＲ比を改善でき、感度を向上させることができる。これは、歪検知素子の信頼性と生産性を改善する効果がある。
【００５４】
もし、コーティング層１５０が絶縁性を有してれば、基板１５に対する電極５１１からの電流漏れを避けることができる。絶縁コーティング層１５０は、基板１５から歪検知素子１０に対する変換効果に影響を及ぼす。絶縁コーティング層１５０はより感度が高いことが好ましい。もしコーティング層１５０が代わりとして導電性を有するなら、電極５１１の代わりに用いることができる。このようにすることで、歪検知素子１０の構造をより簡単にできる。
【００５５】
電極５１１、５１２は高い導電性を有する金属からなる。Ｃｕ、Ａｕ、又はＡｇは典型的な電極材料である。必要であれば、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅのような磁性材料を用いることも可能である。
【００５６】
絶縁膜６００は、歪検知素子１０から周りの材料に電流が漏れるのを避けるために絶縁性を有する。絶縁膜６００はＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２を用いることができる。
【００５７】
下地層７０はバッファ層、シード層、及びピニング層を含む。実施形態として、下地層７０はＴａ（３ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ（７ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）が用いられる。Ｔａはバッファ層であり、Ｒｕはシード層であり、ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕはピニング層である。Ｒｕ上に磁性層が積層されると、この層はシンセティックピニング層として働く。コーティング層１５０で基板からの荒れの影響を充分緩和できている場合は、バッファ層は省略することができる。シード層は結晶配向を向上させる目的で用いられる。ピニング層はその上の磁性層を磁化固着するために用いられる。
【００５８】
参照層２０は、ＣｏＦｅ（２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）からなり、ピニング層によって膜面方向に固定される。
【００５９】
スペーサー層３０は、ＭｇＯ（２ｎｍ）からなる。スペーサー層３０の膜厚は、必要とされるＲＡ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｒｅａ ｐｒｏｄｕｃｔ）に依存して決定される。
【００６０】
歪検知素子１０として機能するためには、ＭＲは十分大きくなければならない。そして磁歪定数は以前記載したように十分大きくなければならない。この二つの要件を満たすことが必要要件となる。前者の大きなMRの必要性はＨＤＤヘッド、ＭＲＡＭ、及びＳＴＯと同様であるが、後者の大きな磁歪定数の必要性は、HDDヘッド、MRAM,およびSTOとは全く逆の要件である。
【００６１】
磁化自由層４０は前述したように、膜面垂直の磁化を有することが本発明の特徴である。膜面垂直に磁化方向を向けるための一例として、ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／ＴｂＦｅ（３ｎｍ）などを用いることができる。既に知られているように、ＭｇＯ上の界面にＣｏＦｅＢを用いることで、ＭＲ比を向上させることができる。しかしながら、ＣｏＦｅＢの単層では垂直磁気異方性を作りづらいため、垂直磁気異方性を示す追加の層を用いる。
【００６２】
この機能のため、一例として、ＴｂＦｅ層などが用いられる。Ｔｂが２０％atom以上４０%atom以下であると、ＴｂＦｅ層は垂直異方性を示す。こうした積層膜構成にすることで、磁化自由層トータルの磁化方向としてはＴｂＦｅ層による効果で膜面垂直方向に向かせることができ、ＭＲ変化率としてはＭｇＯ界面のＣｏＦｅＢ層の効果によってＭＲ変化率を低下させることなく、大きなMR変化率を維持することができる。また、ＴｂＦｅ層のメリットとして、膜面垂直な磁気異方性を有することに加え、磁歪定数が正の非常に大きな値を有することである。その値は、約＋１０−４ある。この大きな磁歪定数により、磁化自由層トータルの磁歪定数としては、少なくとも＋１０−６よりも大きな値にすることは容易に実現できる。また、より好ましい、＋１０−５よりも大きな磁歪定数を実現することも実現できる。
【００６３】
ＴｂＦｅ層の場合は、本発明の磁化自由層に必要な機能である、膜面垂直に磁化方向が向いていることと、大きな磁歪定数を有することの二つの機能を発現させることが可能である。この材料を基本として、必要に応じて添加元素を加えることも可能である。
【００６４】
垂直磁気異方性を実現するために、ＴｂＦｅ以外の材料を用いることも可能である。別の実施例として、磁化自由層４０は、ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／（Ｃｏ（1ｎｍ）／Ｎｉ（1ｎｍ））×ｎ（ｎ＞＝２）を用いることができる。（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜は垂直磁気異方性として機能する。Co、およびNiの膜厚は０．５nmから2nm程度の範囲の膜厚で用いられる。歪検知素子１０として機能するためには、磁化自由層トータルの磁歪定数が少なくとも１０−6よりも大きくなければならない。磁歪定数を高めるために、大きな磁歪定数を有するＦｅＳｉＢのような付加層が用いられる。ＦｅＳｉＢは正の大きな磁歪定数約＋１０−４を示すので、磁化自由層全体として正の大きな磁歪定数を示す。すると、ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／（Ｃｏ（1ｎｍ）／Ｎｉ（1ｎｍ））×ｎ／ＦｅＳｉＢ２nmのような膜構成が考えられる。
【００６５】
例として記述したように、磁化自由層４０の基本的な構造はＭｐ及びＭｌの積層膜から形成される。Ｍｐは垂直磁気異方性を示す磁性層であり、Ｍｌは大きな磁歪定数を示す磁性層である。Ｍｐ／Ｍｌ、Ｍｌ／Ｍｐ、Ｍｐ／ｘ／Ｍｌ、Ｍｌ／ｘ／Ｍｐ、ｘ／Ｍｌ／Ｍｐ、Ｍｌ／Ｍｐ／ｘ、ｘ／Ｍｐ／Ｍｌ、またはＭｐ／Ｍｌ／ｘのような多層膜を用いることができる。付加層ｘは、Ｍｌ，Ｍｐだけで機能が充分でない場合に、必要に応じて用いることができる。たとえば、ＭＲ変化率を向上させるために、スペーサー層との界面にＣｏＦｅＢ層やＣｏＦｅ層などをｘ層として用いることができる。
【００６６】
磁性層Ｍｐの材料選択はＣｏＰｔ−ＳｉＯ２グラニュラ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔ、（Ｃｏ／Ｐｄ）多層膜、（Ｃｏ／Ｐｔ）多層膜、又は（Ｃｏ／Ｉｒ）多層膜を用いることができる。既に述べた、ＴｂＦｅ及び（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜もＭｐの機能を有する材料郡という位置づけである。多層膜は、２層から１０層程度積層したものである。
【００６７】
磁性層Ｍｌの材料選択は、Ｎｉ、Ｎｉ合金（Ｎｉ９５Ｆｅ５のようなＮｉを多量に含む合金）、ＳｍＦｅ、ＤｙＦｅ、又はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉを含む磁性酸化材料を用いることができる。ＴｂＦｅ及び（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜は、Ｍｐとしての機能を有すると同時に、Ｍｌとしての機能も有する層としても用いることができる。また、前述したように、ＦｅＳｉＢをベースとしたアモルファス合金層も用いることが可能である。Ｎｉ、Ｎｉリッチの合金、及びＳｍＦｅは、大きな負の磁歪定数を示す。それゆえに、好ましい磁化方向の符号は正の磁歪定数の材料とは反対になる。この場合、磁化自由層トータルの磁歪の符号は負として機能させる。ＣｏＯx,ＦｅＯｘ,またはＮｉＯｘ（０＜ｘ＜８０）などのＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉを含む磁性材料の酸化物は大きな正の磁歪定数を示す。ここで、この場合、磁化自由層トータルの磁歪の符号は正として機能させる。
【００６８】
膜面垂直な磁気異方性を発現させるために上記のようなＭｐ材料を用いることができるが、上述のスペーサー層との界面に用いられるｘ層として考えられるＣｏＦｅＢ層でも、Ｍｐとして機能させることも場合によっては可能である。この場合、ＣｏＦｅＢ層は１nmよりも薄い膜厚にすることで、膜面垂直な磁気異方性を発現させることも可能となる。
【００６９】
図１Ｃ及び図１Ｄは歪検知素子１０の動作を示す。破線が参照層２０の磁化の向きを示す。実線が磁化自由層４０の磁化の向きを示す。
【００７０】
図１Ｃ及び図１Ｄは歪みが基板１５に適用されている図を示す。この状態では、磁化自由層４０の磁化が磁化自由層と参照層との間の角度が外部歪によって変化を受ける。この角度の変化に起因して、抵抗が変化する。この抵抗変化量の大きさによって、歪の大きさを検知することができる。
【００７１】
図１Ｃは歪みが小さい場合を示す。図１Ｄは歪みが大きい場合を示す。これらの図に示すように、歪みが強くなれば磁化自由層４０が受ける磁化の回転の大きさも大きくなる。つまり、歪の大きさによって、参照層と磁化自由層のなす角度が異なる。つまり、歪の大きさによって、抵抗の大きさが異なるため、歪の大きさを検知することができる。外部歪が除去されると、磁化自由層の磁化方向は初期状態に復帰する。つまり、膜面垂直方向に戻る、可逆変化である。
（技術説明）
【００７２】
従来技術として、磁化自由層の磁化方向が膜面内にある場合について説明する。図２Ａは、磁化自由層の磁化方向が膜面内にある歪検知素子がメンブレン上に配置されたときの比較例を示す。ここで、圧力を歪検知素子に伝える基板、もしくはメンブレンまでを含めたときに、圧力検知素子と呼ぶ。歪検知素子１０が基板１５上の３つの位置（a）、（ｂ）、（ｃ）に置かれている場合を示す。図２Ａは歪検知素子１０の一部である磁化自由層４０を示す。実線の矢印は歪みの方向を示す。破線の矢印は磁化自由層４０の磁化の方向を示す。位置（a）は基板１５の中心に設けられている。位置（ｂ）、（ｃ）は基板１５の端に設けられている。
【００７３】
これらの位置（a）、(b)、（ｃ）は歪みが磁化自由層４０の磁化の向きに対して平行である場所を示している。磁化自由層４０の磁化は歪みの方向に沿って配列できるために、磁化自由層４０は正の磁歪定数を有すると想定している。
【００７４】
位置（a）の場合、基板１５に歪みが適用されると、磁化自由層４０の磁化は歪みの方向に回転する。それゆえに、磁気抵抗の変化が検知できる。一方で、位置（ｂ）、（ｃ）の場合では、磁化自由層の磁化は回転しない。なぜなら、磁化自由層４０の磁化の向きは既に歪みの方向に向いているからである。つまり、外部歪が印加されたことによる抵抗の変化は生じないため、外部歪を全く検知できていないことになる。これはセンサ全体としてみたときに、検知できる箇所が限られているということになり、ＳＮＲとして非常に望ましくない。
（発明の効果）
【００７５】
図２Ｂは歪検知素子１０が基板１５上の３つの異なる位置（ｄ）、(e)、（ｆ）に置かれている場合を示す。ここで、圧力を歪検知素子に伝える基板、もしくはメンブレンまでを含めたときに、圧力検知素子と呼ぶ。図２Ｂは歪検知素子１０の一部である磁化自由層４０を示す。実線の矢印は歪みの方向を示す。破線の矢印は磁化自由層４０の磁化の方向を示す。位置（ｄ）は基板１５の中心に設けられている。位置（e）、（ｆ）は基板１５の端に設けられている。
【００７６】
これらの位置（d）、(e)、（f）は歪みが磁化自由層４０の磁化の向きに対して垂直である場所を示している。磁化自由層４０の磁化は歪みの方向に沿って配列できるために、磁化自由層４０は正の磁歪定数を有すると想定している。
【００７７】
位置（ｄ）、(e)、(f)の場合において、歪みは磁化自由層４０の磁化の向きを回転させることができる。面内方向が規定される必要はなく、位置（ｄ）の場合でも磁化自由層４０の磁化は回転する。このように、メンブレン上に配置されたあらゆる箇所において本発明の歪検知素子は歪を検知することができる。これは、図２Ａの場合に一部の歪検知素子が歪を検知できないところがあったものとは対照的である。これはすなわち、センサ全体としてのＳＮＲ改善に大きく寄与する。このような改善が実現できる根本は、磁化自由層の磁化方向が膜面垂直方向に向いていることに起因する。これが本発明の基本的考え方である。
（第1の変形例）
【００７８】
図３は歪検知素子１０の第1の変形例を示す。歪検知素子１０の第1の変形例は2つの強磁性層６０、７０の存在が第1の実施形態と異なる。強磁性層６０、７０は基板１５上の参照層２０に隣接して設けられている。
【００７９】
強磁性層６０、７０からの磁界が参照層２０の磁化を配列させる。すなわち、磁化が固定される。強磁性層６０、７０はＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉのような遷移金属を用いることができる。典型的な材料としては、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ、又はＦｅＰｔの合金又は、これらに基づく合金を用いることができる。ほかの材料の候補としては他の材料の合金、またはＳｍＣｏ又はＮｄ−Ｆｅ−Ｂｏのような希土類元素及びそれらの合金を用いることができる。
（第２の変形例）
【００８０】
図４は歪検知素子１０の第２の変形例を示す。歪検知素子１０の第２の変形例は、強磁性層８０の存在と、参照層２０と基板１５との間に非磁性層９０が存在している点が第１の実施形態と異なる。強磁性層８０は基板１５上に設けられている。非磁性層９０は強磁性層８０に設けられている。
【００８１】
強磁性層８０は参照層２０の磁化を固定するために用いられる。強磁性層８０は参照層２０の異方性よりも強い。強磁性層８０はＣｏＰｔ合金からなる。
（第３の変形例）
【００８２】
図５は歪検知素子１０の第３の変形例を示す。歪検知素子１０の第３の変形例は反強磁性層１００、強磁性層１１０、及び非磁性層１２０が存在している点が第１の実施形態と異なる。反強磁性層１００は基板１５に設けられている。強磁性層１１０は反強磁性層１００に設けられている。非磁性層１２０は強磁性層１１０に設けられている。この構造はシンセティックアンティフェロ磁性（ＳＡＦ）を引き起こす。
【００８３】
反強磁性層１００はＩｒＭｎ又はＰｔＭｎの材料からなる。反強磁性層１００の好ましい膜厚は５ｎｍから２０ｎｍである。
【００８４】
強磁性層１１０はＣｏＦｅ合金からなる。
【００８５】
非磁性層１２０はＲｕからなる。非磁性層１２０の膜厚は０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である。
【００８６】
ＳＡＦを用いる利点は漏洩磁界が小さくなる点である。これは、磁化自由層の磁化安定に寄与する。
（第４の変形例）
【００８７】
図６は、歪検知素子１０の第４の変形例を示す。歪検知素子１０の第４の変形例は異方形状を有している点が第１の実施形態と異なる。スピンバルブ膜５０の形状はある特定の方向に沿って伸びている。この構造は、スピンバルブ膜５０の長手方向に参照層２０の磁化を向けることができる。
【００８８】
より異方性の高い形状になれば、その効果はより大きくなる。高いアスペクト比を用いることで面内又は面直に磁化を固定することができる。この異方性を有する形状の構造は磁化自由エネルギーの調整を助けるために上記の設計に用いることができる。
（第５の変形例）
【００８９】
図７は歪検知素子１０の第５の変形例を示す。歪検知素子１０の第５の変形例は２つの強磁性層１３０、１４０が存在する点が第１の実施形態と異なる。強磁性層１３０は参照層２０に設けられている。強磁性層１４０はスペーサー層３０に設けられている。係る変形例のスペーサー層３０はＭｇＯであり、このようにすることで歪検知素子１０はＴＭＲを引き起こす。
【００９０】
強磁性層１３０の磁化の向きは面内である。
【００９１】
強磁性層１３０、１４０はＣｏＦｅＢからなる。強磁性層１３０、１４０の膜厚は３ｎｍ以上又は１０ｎｍ以下である。
（第２の実施形態）
【００９２】
図８は歪検知素子１０のアレイを用いた歪検知素子装置２００を示す。歪検知素子１０は基板１５上に規則的に配列されている。それぞれの歪検知素子１０の間隔は設計によって決められる。例えば、数十ｎｍから数ｍｍで設計される。間隔を狭くする利点は、ＳＮＲの出力信号を高めるために用いられる。一方で多くの装置は沢山の配線や大きな消費電力を要する。全装置数が圧力を検知するのに十分である限り、消費者にとって手ごろな費用で用いるには大きな間隔で用いることが好ましい。
【００９３】
しかしながら、このことは、歪検知素子１０の大きさの大小、占有面積、及び装置の応用に必要とされる感度の大きさに依存する。
【００９４】
それぞれの歪検知素子１０は、ワード線２２０及びビット線２３０として知られる一対の配線を用いて制御部２１０に電気的に接続されている。歪検知素子１０は配線の交点に配列される。特定のワード線２２０及びビット線２３０を選択することで、特定の歪検知素子１０は制御部２１０によってアクセスできる。基板１５上に局所的に存在する歪みを決定するために同時に多くの点で基板１５の歪みを測定できる。歪検知素子装置２００はどの方向からも面内歪みを感知できる歪検知素子１０の設計を利用することができる。
【００９５】
図９は歪検知素子装置２００に接続するために用いられる電極と配線の構造を示す。
【００９６】
電極は高い導電性を有する。これらの電極はＡｕ、Ｃｕ、又はＡｌの材料からなる。それぞれの歪検知素子１０はワード線２２０とビット線２３０を形成する配線に接続される上部電極及び下部電極を有する。
【００９７】
ワード線２２０及びビット線２３０はそれぞれ交わっており、その交点に歪検知素子１０が存在する。ワード線２２０及びビット線２３０は隣接する歪検知素子１０に対してそれぞれの歪検知素子１０を接続している。
【００９８】
図１０は歪検知素子装置２００の好ましい位置を示す。歪検知素子装置２００は基板１５上に設けられた一つの歪検知素子１０を用いる。基板１５はＳｉＯ２／Ｓｉ基板からＭＥＭＳ技術を用いて作成されたSiメンブレンである。かかる設計では、基板１５は平面図において円形である。しかしながら、製造を考慮して四角形又は長方形を用いることができる。
【００９９】
歪検知素子１０は電極２６０及び電極２７０の間に設けられている。電極２７０は基板１５に設けられている。電極２６０は歪検知素子１０に設けられている。基板１５が、ドープされたポリ３，４−エチレンヂオキシチオフェン、ポリスチレンサルフォネートのようなフレキシブルな導電性メンブレンであれば、電極２７０は直接歪検知素子１０に接続されていなくても良い。配線の数を減らせばよりフレキシブルなメンブレンを作ることができる。
【０１００】
歪検知素子１０は基板１５の中心に設けられている。基板１５の中心は等方的な歪みが最も大きい。等方的な歪みの応答に対して歪検知素子装置２００は歪検知素子１０を利用できる。
【０１０１】
図１１Ａは基板１５内の電極の構造を示す。基板１５は、硬い基板１６とメンブレン１７からなる。メンブレン１７は硬い基板１６に固定されている。導電性メンブレン２４０はメンブレン１７に設けられている。この導電性メンブレン２４０はコーティング層１５０に付随して用いられる。又は、導電性コーティング層が用いられても良い。歪検知素子１０は導電性メンブレン２４０に設けられている。歪検知素子１０は絶縁層２５０に囲まれている。歪検知素子１０の上部は電極２６０に接続されている。
【０１０２】
電極２６０の膜厚は、良好な電気的接続を保証するために、少なくとも１００ｎｍである。しかし、良質の積層がなされればより薄い電極２６０を用いることも可能である。
【０１０３】
絶縁層２５０はＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４の材料からなる。絶縁層２５０はポリメチルメタクリレートのような有機材料又は絶縁ドープされたポリ３、４エチレンジオキシチオフェン、ポリスチレンサルフォネートを用いることもできる。
【０１０４】
電極２６０は導電メンブレンとして用いることができる。このようにすることでメンブレン１７をより柔らかくし、歪みを均一にすることができる。しかし、歪検知素子１０と電気的に接続することがより複雑になるかもしれない。
【０１０５】
図１１Ｂ及び図１１Ｃは歪検知素子１０の動作を示す。実線の矢印は磁化自由層４０の磁化の向きを示す。破線の矢印は参照層２０の磁化の向きを示す（ここの層は示されていない）。
【０１０６】
図１１Ｂ及び図１１Ｃは、メンブレン１７に設けられた基板に歪みが適用されるときの状態を示す。この状態では、磁化自由層４０の磁化は磁化自由層と参照層との間の垂直角の構成の変化を受けるために、歪みは磁化自由層４０の磁化の回転を引き起こす。
【０１０７】
なぜなら、基板内に歪みが生じていないときに基板１６はフレキシブルでないからである。メンブレン１７はフレキシブルである。これは、基板が結合されていない自由な状態の領域で歪みが生じているためである。メンブレンの形状が規定されれば、印加される歪みに対して受ける歪みは一定である。歪検知素子１０は歪みが起こる最も有利な位置のメンブレンに設けられる。
【０１０８】
図１１Ｂは歪みが小さい場合を示す。図１１Ｃは歪みが大きい場合を示す。これらの図が示すように、歪みがより大きくなれば磁化自由層４０の磁化受ける回転の大きさは大きくなる。
【０１０９】
歪検知素子１０に歪みが適用されれば、磁化自由層４０の磁化は歪みの方向に沿って回転する。この回転は参照層２０と磁化自由層４０の磁化との間の角度を作る。歪検知素子１０が歪みを受けていないときには、磁化自由層４０の磁化の向きはもとに戻る。
【０１１０】
図１２は基板１６内の電極の構造を示す。歪検知素子１０は電極２７０と電極２６０との間に設けられている。電極２６０は電極２７０と交わらないで、メンブレン１７に対して歪検知素子１０の上部に設けられている。
【０１１１】
外部からの影響を絶縁するためにさらに誘電層が電極上に設けられても良い。
【０１１２】
図１３は基板１５上の複数の歪検知素子１０を用いた歪検知素子装置２００を示す。
【０１１３】
歪検知素子１０は、正方形のパターンとして基板１５に設けられ、電気的にホイートストーンブリッジ配列を形成している。歪検知素子１０にかかる電圧は典型的なホイートストーンブリッジの動作として正方形の中央で端末から読み出される。複数の歪検知素子１０は基板１５に設けられているので、ほかの測定ブリッジ回路を用いても良い。
【０１１４】
図１４は、基板１５に設けられた複数の歪検知素子１０を用いる歪検知素子装置２００を示す。
【０１１５】
歪検知素子１０は連続して接続されている。これは信号の強度と多くのセンサから得られるデータの平均出力を向上させるためである。この構造はい補正の歪みの方向に関係なく基板１５の様々な場所で動作する歪検知素子１０に利用できる。よって多くの歪検知素子１０を用いることができる。個々に接続している歪検知素子１０のように、機能に依存して他の代わりとなる回路配列も用いることができる。ゆえに、制御部とは別にアクセスすることができ、制御部の結果を処理することができ、他の接続された出力システムの処理をすることができる。
（第３の実施形態）
【０１１６】
図１５は歪検知素子１０に応用される機器３００を示す。
【０１１７】
機器３００は血圧センサを示す。図１５の上図は血液が拡張していない動脈の状態を示す。図１５の下図は血圧によって動脈が拡張している状態を示す。
【０１１８】
機器３００は腕又は体に巻きつけられる。腕又は体の表面近傍には動脈があり心拍数を測定するのに用いられる。
【０１１９】
心臓が鼓動をうつとき、動脈は血液と一緒に拡張する。これは脈として知られている。動脈からの圧力が基板に適用されると歪みを引き起こす。この歪みは基板１５に設けられた歪検知素子１０によって検知される。そして磁気抵抗の変化の結果は歪検知素子１０を測定する制御部で電気的に記録される。動脈の拡張が示す電気的な信号と周波数の発生はコンピュータで測定されたデータから変換される。これにより心拍数と血圧を決定することができる。
【０１２０】
図１６は歪検知素子１０に応用される機器４００を示す。
【０１２１】
機器４００は切り替え装置である。図１６の上図はボタンが押されていない状態を示す。図１６の下図はボタンが押されている状態を示す。
【０１２２】
機器４００は、リモートコントロールのような一般的な切替えである。ボタン４１０はメンブレン１７を固定している硬い基板１６に設けられている。
【０１２３】
ボタン４１０が押されるとメンブレン１７に対して圧力が加わり、歪みによりメンブレン１７が歪む。係る場合、歪検知素子１０はメンブレン１７の下に設けられている。この位置に設けることでボタンを押すことによる衝撃を減らすことができる。この位置もまた、歪検知素子が圧縮歪みよりも引っ張り歪みを受けていることを保証している。
【０１２４】
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。
【符号の説明】
【０１２５】
１０ … 歪検知素子、１５ … 基板、２０ … 参照層、３０ … スペーサー層、４０ … 磁化自由層、５０ … 磁気抵抗素子、７０ … 下地層
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、歪み検知素子圧力検知素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
極薄磁性膜の積層膜で形成されるスピンバルブ膜が知られている。
【０００３】
スピンバルブ膜は、外部磁界に対して抵抗が変化する。この抵抗変化量は、MR（magnetoresistive）変化率として知られている。MR現象は様々な物理的効果に起因する。巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ effect: Giant magnetoresistive effect）又はトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ: Tunneling magnetoresistive effect）が最も一般的に知られている。
【０００４】
スピンバルブ膜は、少なくとも２層の強磁性層が、スペーサー層を介して積層された構造から形成される。スピンバルブ膜の磁気抵抗状態は、隣接する強磁性層の磁化方向の相対的な角度によって決まる。一般的な構成では、２つの強磁性層が平行状態のときは、スピンバルブは低い抵抗状態を取り、反平行状態のときには、スピンバルブは高い抵抗状態を取る。隣接する強磁性層の磁化との間の角が中間的な角度の場合には、中間的な抵抗状態になる。
【０００５】
少なくとも二層の磁性層のうち、磁化が容易に回転する磁性層は「磁化自由層」として知られている。磁化が変化しにくい磁性層は「参照層」として知られている。
【０００６】
スピンバルブ膜の抵抗が外部磁界を通じて変化する現象を用いることで、スピンバルブ膜は高感度な磁界検知素子として用いられる。スピンバルブ膜の感度の良い磁界応答の結果として、スピンバルブ膜は広くＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）の読み取りヘッドに用いられている。加えて、スピンバルブ膜はＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）のメモリセルとしても用いられている。
【０００７】
外部磁界によって磁化自由層の磁化を変化させるだけでなく、外部歪みによっても磁性層の磁化方向を変化させることができる。係る現象を用いることでスピンバルブ膜は、歪検知素子又は圧力検知素子としてスピンバルブ膜を用いることができる。歪みによる磁化自由層の磁化の変化の物理的な起源は、逆磁歪効果と呼ばれている。係る物理現象の簡単な説明は以下の通りである。
【０００８】
磁歪効果は、磁性材料の磁化が変化したときに、磁性材料の歪みが変化する現象である。その歪みの大きさは、磁化の大きさと方向に依存して変化する。従って、歪みの大きさは、これらの磁化の大きさと方向のパラメータを通じて制御できる。また、磁場を印加していったときに歪の量が飽和したときの歪の変化量は磁歪定数λとして知られる。磁歪定数は、磁性材料固有の特性に依存する。
【０００９】
磁歪効果の逆の現象として、逆磁歪効果も知られている。逆磁歪効果では、外部歪が印加されたときに、磁性材料の磁化が変化する現象である。この変化の大きさは、外部歪みの大きさ及び磁性材料の磁歪定数に依存する。磁歪効果と逆磁歪効果は、物理的に対称な効果なため、逆磁歪効果の磁歪定数は磁歪効果のときの磁歪定数と同じである。
【００１０】
磁歪効果と逆磁歪効果には、正の磁歪定数と負の磁歪定数がある。これらの定数は磁性材料に依存する。
【００１１】
正の磁歪定数を有する材料の場合、引っ張り歪みが適用された方向に磁化が揃うように変化する。
【００１２】
一方で、負の磁歪定数では逆の場合になる。つまり、圧縮歪みの方向に沿って磁化が変化する。
【００１３】
逆磁歪効果はスピンバルブ膜の磁化自由層の磁化方向を変化させるために用いることができる。外部歪が印加されると、逆磁歪効果によって磁化自由層の磁化方向が変化するため、参照層と磁化自由層の相対的磁化角度に差が生じる。これによって、スピンバルブ膜の抵抗が変化する。つまり、歪検知素子として用いることが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１４】
【特許文献１】特開２００２−１４８１３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
前述のように、歪みを感知することができるスピンバルブ膜の抵抗変化量は歪みが適用される方向に依存する。
【００１６】
正の磁歪定数を有する磁化自由層おいて、引っ張り応力を磁化容易軸に沿って適用すると、磁化の変化は生じない。これは、既に低エネルギー状態にあるからである。つまり、圧縮応力のときのみ、敏感に検知することが可能となる。
【００１７】
一方、負の磁歪定数を有する磁化自由層においては、圧縮応力を磁化自由層に適用すると、磁化の変化は生じない。これは、既に低エネルギー状態にあるからである。つまり、引っ張り応力のときのみ、敏感に検知することが可能となる。
しかしながら、一般的に外部から圧力が印加されたとき、各部位によって応力状態は異なる。つまり、ある箇所では圧縮応力となり、ある箇所では引っ張り応力となる。すると、あるスピンバルブ膜を用いたときに、圧縮応力か引っ張り応力かのいずれかひとつのみしか、外部応力を敏感に検知することができない。これは、歪検知素子、圧力検知素子として考えたときに、感度良く検知することの実現を大きく阻むものである。
【００１８】
本発明の実施形態は、前述のような課題を克服するために、良好な感度の歪検知素子、圧力検知素子を実現するためのスピンバルブ膜構造の改善に関する。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一態様に係る歪検知素子、または圧力検知素子は、磁化方向が変化可能で、外部歪が印加されていない状態では膜面垂直の磁化方向を有する磁化自由層と、磁化を有する参照層と、前記磁化自由層と前記参照層との間に設けられたスペーサー層と、を備えた積層体と、前記積層体の積層面に対して垂直方向に通電する一対の電極と、前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、前記基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１Ａ】第１の実施形態に係る歪検知素子を示す図。
【図１Ｂ】第１の実施形態に係る歪検知素子を示す図。
【図１Ｃ】第１の実施形態に係る歪検知素子を示す図。
【図１Ｄ】第１の実施形態に係る歪検知素子を示す図。
【図２Ａ】第１の実施形態に係る第１の変形例を示す図。
【図２Ｂ】第１の実施形態に係る第１の変形例を示す図。
【図３】第１の実施形態に係る第１の変形例を示す図。
【図４】第１の実施形態に係る第２の変形例を示す図。
【図５】第１の実施形態に係る第３の変形例を示す図。
【図６】第１の実施形態に係る第４の変形例を示す図。
【図７】第１の実施形態に係る第５の変形例を示す図。
【図８】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図９】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１０】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１１Ａ】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１１Ｂ】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１１Ｃ】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１２】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１３】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１４】第２の実施形態に係る圧力検知装置を示す図。
【図１５】第３の実施形態に係る圧力検知機器を示す図。
【図１６】第３の実施形態に係る圧力検知機器を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
発明の実施形態として、２種類の実施形態がある。一つ目は、歪検知素子、二つ目は圧力検知素子である。歪検知素子は、基板の圧縮応力、引っ張り応力を測定する素子である。典型的には図１のように、基板の上にスピンバルブ膜が形成されていれば、歪検知素子として機能する。二つ目の圧力検知素子は、歪検知素子が「メンブレン」の上に形成された、メンブレンまで含めた素子のことである。メンブレンが圧力から歪への変換を行う鼓膜のような役割を果たす。つまり、圧力検知素子という場合には、必ず歪検知素子をそのなかに含有した構造となる。本発明は、歪検知素子のスピンバルブ膜構造に関する発明なため、歪検知素子、圧力検知素子、いずれの場合においても効果を発揮する発明である。
【００２３】
圧力検知素子はさらに二つに分類できる。一つ目は、従来のSi等で形成されたメンブレンを用いた圧力検知素子である。二つ目は、従来のSiとは異なる材料によってメンブレンを構成した圧力検知素子である。本発明は、Siで形成されたメンブレンを用いた素子構造においても効果を発揮するが、Si以外の新たな材料、構造でメンブレンが形成された素子構造においても効果を発揮する。
【００２４】
典型的な実施例として、従来のSiで形成されたメンブレンを用いた検知素子について発明の実施形態の要点を説明する。次に、従来のSi以外の材料で形成されたメンブレンを用いた場合の実施形態について説明する。
【００２５】
メンブレンは、圧力から機械的な歪への変換のために用いられる鼓膜のようなものである。外部から圧力を印加したときに、メンブレンの設計、およびメンブレンの位置に依存して、異なる大きさの歪みが生じる。このようなメンブレンの位置に依存した歪は、メンブレン上に各位置に歪検知素子を形成することで圧力を検知することが可能となる。メンブレン上の各位置の歪をすべて歪検知素子で検知できると、圧力検知素子の性能として、非常に良好になる。しかしながら、前述のように、スピンバルブ膜を用いた歪検知素子では、検知可能な歪と、検知不可能な歪が発生してしまう。
【００２６】
図１Ａと図１Ｂは、歪検知素子１０を示す。歪検知素子１０は、基板１５の上に、参照層２０と、スペーサー層３０と、磁化自由層４０とを備えたスピンバルブ膜構造が形成されている。参照層２０、および磁化自由層４０は磁性材料で形成される。スペーサー層３０は、基本的には非磁性材料からなる。しかし、後述するように、磁性材料もスペーサーとして機能するものに関して用いることができる。スピンバルブ膜に電流を流すために、一対の電極が用いられる。ＣＩＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｉｎ−ｐｌａｎｅ）配置では、図１Aのように一対の電極５０１、５０２が用いられる。ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−ｐｌａｎｅ）配置では、図１Bのように一対の電極５１１、５１２が用いられる。スピンバルブ膜から基板への電流を絶縁する目的や、基板表面の荒れを緩和するために、コーティング層１５０がＣＩＰ配置とＣＰＰ配置の両方に用いられる。参照層２０／スペーサー層３０／磁化自由層４０の積層膜の下地として、下地層７０を用いる。以下、それぞれの部分について詳細に説明する。積層体は参照層２０、スペーサー層３０、及び磁化自由層４０で定義される。
【００２７】
参照層２０の目的は磁化自由層４０の磁化を「参照」することである。この機能のために、歪みが印加されたときの参照層２０の磁化の状態は、磁化自由層４０の磁化の状態とは異なる。実施形態の一つは、参照層２０の磁化が外部歪みに関わらず固定されていることである。参照層が面内磁化を有する場合、ＩｒＭｎ又はＰｔＭｎのようなピニング層（後述）が参照層２０の下に用いられる。このような単純なピニング構造の代わりに、参照層/Ru0.9nm/磁性層/ピニング層というシンセティック構造を用いても良い。参照層がハードな磁性膜からなる場合、つまり外部歪が印加されても参照層の磁化方向が変化しない場合には、ピニング層を省略してもよい。
【００２８】
また、参照層２０の磁化は必ずしも外部歪が印加されたときに固着されている必要は無い。なぜなら、外部歪が印加されたときの参照層２０の磁化変化が磁化自由層と異なりさえすれば、参照層と磁化自由層の相対磁化角度は外部歪に依存するため、外部歪を検知することが可能となるからである。参照層２０は磁性材料で形成されるため、少なくともＦｅ、Ｃｏ、又はＮｉのいずれか一つの元素を含んでいる。なお、参照層の磁化は基板１５が歪んでいない場合に固定されている。
【００２９】
スペーサー層３０は、ＭＲ現象の物理的な効果に依存して、数種類のバリエーションを有している。ＭＲ現象としてＴＭＲ効果を用いる場合、ＭｇＯような材料が、典型的な材料として用いられる。Ａｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｇ、又はＺｒに基づく酸化物、窒化物、または酸窒化物も用いることができる。ＭＲ現象としてＧＭＲ効果を用いる場合、ＣＩＰ配置でもＣＰＰ配置でもスペーサー層３０は、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｕ、又はＣｒのような金属材料を用いることができる。このような単純金属層だけでなく、ＣＰＰ配置の場合には、電流狭窄（CCP: Current-Confined-Path）スペーサーを用いることもできる。CCPスペーサーには、絶縁層を上限に貫通する複数のナノオーダーのメタルパスが用いられる。CCPスペーサーを用いることの利点は、ＭＲ効果を高めるだけでなく、抵抗の大きさも制御することが可能なことである。CCPスペーサーのメタルパス材料としては、単純金属スペーサーの材料群と同じＣｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ａｌ、又はＣｒなどであり、絶縁層はＡｌ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｗｏ、Ｎｂ、Ｃｒ、Ｍｇ、又はＺｒに基づく酸化物、窒化物、又は酸窒化物からなる。
【００３０】
磁化自由層４０の特徴は、外部歪みがない状態においては、磁化自由層４０の磁化方向が膜面に対し略垂直方向に向いていることである。ここが本発明において最も重要な特徴的な構造である。その様子を図１Ａ及び図１Ｂに示す。この図では、磁化の方向は上向き矢印であるが、下向き矢印も同様に用いることができる。
【００３１】
膜面に対し垂直な方向に磁化を有する磁性層をスピンバルブ膜に用いることは、ＭＲＡＭ（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）又はＳＴＯ（Ｓｐｉｎ Ｔｏｒｑｕｅ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）でも研究レベルで検討はされている。しかしながら、本発明において膜面垂直方向の磁化を用いる効果は、ＭＲＡＭ、ＳＴＯなどとは全く異なる。ＭＲＡＭの場合、膜面垂直磁化の磁性層のタイプが開発されている理由は、高密度化に有利なためである。メモリの場合、微細化に対するスケーリングが成立しなければならないため、微細化したときの磁化方向が安定である必要がある。膜面内に磁化方向が向いている場合、微細化に伴い反磁界が大きくなってしまうため、磁化を保つことがエネルギー的に不利となり、実現が難しくなる。つまり、メモリとしてのスケーリング則が成立しなくなってしまう。そのため、スケーリングが成立する高密度化のために、膜面垂直磁化が研究検討されている。この事情は、最近のHDDで既に実用化されている、磁気記録媒体において垂直磁気記録（PMR: Perpendicular Magnetic Recording）を用いる理由と全く同じである。
【００３２】
ＳＴＯの応用についても、膜面に対し垂直な磁気異方性を有する磁性層を用いた膜構成が研究されている。この理由は、STOとして動作させるときには素子サイズを微小にしなければ良好な発振特性が得られないため、微細化された素子において磁化が安定な膜面垂直な磁気異方性を用いるほうが安定なためである。つまり、スケーリング則という観点ではないものの、微細化した素子で形成するときには膜面垂直方向の磁化を有することが有利という点で、ＭＲＡＭと同様の理由である。また、二点目として、膜面垂直な磁気異方性を有する材料のほうが、より大きな磁気異方性を有する材料があるためである。大きな磁気異方性のほうが、STOとしての発振周波数を向上させることが可能となるため、大きな発振周波数を得ようとした場合には、膜面垂直な磁気異方性材料のほうが有利になるためである。
【００３３】
上記２つのＭＲＡＭ，ＳＴＯに対し、本発明のように歪みセンサ・圧力検知素子に垂直異方性を用いることの効果は全く異なる。前述したように、メンブレン内の歪検知素子が受ける実際の歪みは、配置位置によっても異なり、非常に複雑である。圧縮応力か引っ張り応力かという、極性の違いさえ、メンブレンの位置に依存して生じるうる。このような状態では、面内磁化を有する磁化自由層では抵抗の変化として検知できない場合もあり、検知に関するＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）劣化を引き起こす原因になる。一方、膜面垂直磁化を有する磁化自由層４０の場合、図１Ｃ、図１Ｄに示すように抵抗変化を検知することができる。つまり、理想的な測定環境のみでしか測定できなかったのに対し、測定環境に対して高感度でロバストな、歪検知素子、圧力検知素子を実現することができる。つまり、引っ張り応力、圧縮応力いずれの場合においても、膜面垂直方向の磁化を有する磁化自由層を用いれば、歪を検知可能となる。これは、膜面内に磁化を有する磁化自由層を用いている場合には実現できない。また、この効果は、ＭＲＡＭ、ＳＴＯにおいて膜面垂直方向の磁化を有する磁性層を用いる理由とは全く異なる。
【００３４】
それゆえに、外部歪に対して磁化方向が変化する磁性層である、磁化自由層に垂直異方性が必要となる。一方で、ＭＲＡＭの場合、面内垂直異方性は磁化自由層と参照層の両方に必ず用いなければ意味がない。これは、参照層が膜面内の磁化を有していては、反磁界の問題が結局生じてしまうからである。これは、垂直異方性を用いる理由が異なっているためである。
また、垂直磁気異方性の磁化自由層を用いる理由が従来のMRAMなどと異なることによって、さらに構成の違いが生じる。その詳細を以下に説明する。
【００３５】
磁界の書き込みによるＭＲＡＭの場合、磁化自由層の磁化は外部磁界、もしくはスピン注入電流によって駆動させる。こうした原理によって駆動する場合、他のアーティファクトで磁化方向が変化するのは望ましくないため、磁化自由層の良好な軟磁性の実現が必要となる。より具体的には、磁性層の磁歪定数を小さくすることは必須要件となる。この状況は、STOでも同様であり、スピン注入電流によって発振を駆動する素子なため、素子に加わる応力、歪で磁化自由層の磁化が変化することは根本的な動作に影響を与える。そのため、磁性層の磁歪定数を小さくすることは必須要件となる、特に、小さな素子サイズの場合、製造工程において引き起こされる歪みの大きさが大きくなるため、小さい磁歪定数の磁性層を用いることはより必須要件となる。具体的には、磁歪定数の絶対値は少なくとも１０−６よりも小さくする必要がある。このような磁歪定数の絶対値の制約は、ＨＤＤの読み取りヘッドでも存在し、磁歪定数の絶対値は１０−６よりも小さくする必要がある。
【００３６】
一方、歪み又は圧力のセンサでは、磁歪定数は外部歪みによって磁化の変化を実現するために、ＭＲＡＭ、ＳＴＯとは全く逆に、大きい値である必要がある。この必要とされる磁歪定数は下記のように説明される。
磁気弾性エネルギーと静磁エネルギーとのエネルギーバランスで、以下の式のように記載される。
【００３７】
（１／２）ΔＨｋＢｓ＝（３／２）Δσλ ・・・（１）
【００３８】
ΔＨｋは外部歪を印加することに伴う磁化自由層の磁化の変化であり、Ｂｓは磁化自由層の飽和磁化、Δσは外部から与えられた歪み、λは磁化自由層の磁歪定数である。この式から、あるΔσが与えられたときに、ΔＨｋの変化を大きくするためには、磁化自由層の磁歪λを大きくする必要があることがわかる。この必要性は、明らかにＨＤＤ、ＭＲＡＭ、ＳＴＯなどの応用とはまったく逆の必要要件である。前述したように、ＨＤＤヘッド、ＭＲＡＭ、及びＳＴＯ応用は、磁歪定数の絶対値として１０−６よりも小さなλが必要である。しかしながら、そのような小さなλでは歪み検知には応用できない。なぜなら、磁歪定数の絶対値が１０−６以下という値は、素子加工などによって生じる外部歪が生じても、スピンバルブ膜の磁化自由層の磁化方向を変化させるほどの逆磁歪効果を発生させないために現状のＨＤＤ、ＭＲＡＭ、ＳＴＯなどの必要スペックとなっている。つまり、本発明のように歪検知素子として考えるときには、充分な逆磁歪効果を発現しないため、歪検知素子としては機能しないことを意味するからである。
【００３９】
また、別の理由として、膜面垂直の磁気異方性を有する材料の場合、面内磁化を有する軟磁性材料とは異なり、磁気異方性の大きさは大きい。その理由は、大きな磁気異方性を有しないと、膜面内に磁化が向くことが有利な、形状異方性に打ち勝つことができないためである。このような大きな磁気異方性をもつ磁性層を用いるということは、（１）式におけるＨｋが大きい材料を用いるということを意味する。つまり、外部歪が印加されていない状態において大きなＨｋをもつ磁化自由層のＨｋを外部歪によって変化させて検知するには、ΔＨｋの値として、充分大きな変化量を発生させないと、変化量として検知できないことになる。つまり、ΔＨｋを通常の膜面内に磁化を有する磁化自由層を用いる場合よりもさらに大きなΔＨｋを発生させる必要がでてくる。すなわち、（１）式からわかるように、より大きなλの磁化自由層を用いることが必須となる。小さな磁歪定数λめられる従来の応用と比較すると、歪検知素子として用いる本発明の場合には、少なくとも磁歪定数の絶対値が10-6よりも大きなλは必須となる。より好ましくは、磁化自由層の磁歪定数の絶対値は10-５よりも大きな値を有することが必要とされる。
【００４０】
スピンバルブ膜膜の成膜の順序としては、参照層２０／スペーサー層３０／磁化自由層４０（参照層が下側に存在しているので「ボトムタイプ」と呼ばれる）又は磁化自由層４０／スペーサー層３０／参照層２０（参照層が上側に存在しているので「トップタイプ」と呼ばれる）のどちらでも用いることができる。図１Ａ，図１Ｂにおいてはボトム型における実施例を示しているが、本発明の本質的な効果としては、ボトム型でもトップ型でも違いは発生せず、同等である。
【００４１】
参照層２０／スペーサー層３０／磁化自由層４０のボトム型又は磁化自由層４０／スペーサー層３０／参照層２０トップ型のいずれの場合でも下地層７０が用いられる。本明細書において「下地層」という言葉は、広い概念を含んで用いる。「下地層」はバッファ層、シード層、又はピニング層（図示せず）のような多層からなる。いくつかのこれらの層は特有の膜構造に依存して省略されていてもよい。バッファ層は、フレキシブル基板から生じる荒れのような予期せぬ効果を避けるために用いられる。コーティング層１５０でバッファ効果が充分な場合は、下地層におけるバッファ層は省略できる。シード層は、参照層２０／スペーサー層３０／磁化自由層４０又は磁化自由層４０／スペーサー層３０／参照層２０の結晶配向性を制御するために用いられる。ピニング層は必要であれば参照層の磁化を固定するために用いられる。
【００４２】
スピンバルブ膜５０は、参照層２０、スペーサー層３０、及び磁化自由層４０から構成される。外部歪み又は圧力による抵抗変化を検知するためにスピンバルブ膜５０に対してセンス電流を通電させる必要であるので、電極はスピンバルブ膜５０に設けられていなければならない。これは、発明の実施形態として最低限必要な要素となる。
【００４３】
より詳細には、電極を有するスピンバルブ膜５０は図１Ａ及び図１Ｂに示されている。
【００４４】
図１Ａでは、スピンバルブ膜５０はＣＩＰスピンバルブ（面内通電）、スピンバルブ膜の側面に設けられた一対の電極５０１、５０２から構成される。基板１５に対するスピンバルブ膜５０からのリーク電流漏避けるために、絶縁コーティング層１５０はスピンバルブ膜５０と基板１５との間に用いられる。
【００４５】
電極５０１、５０２において、ハードバイアス（硬磁性材料）が磁化自由層４０のシングルドメインを実現するために用いられる（図示せず）。
【００４６】
図１Ｂでは、スピンバルブ膜５０はＣＰＰ−ＧＭＲ膜又はＴＭＲ膜のようなＣＰＰスピンバルブ（面直通電）から構成される。スピンバルブ膜５０に電流を供給するために、下部電極５１１及び上部電極５１２が使用される。基板１５に対するスピンバルブ膜５０からの電流漏れを避けるために、絶縁コーティング層１５０がスピンバルブ膜５０と基板１５との間に用いられる。ＣＰＰスピンバルブ膜の場合、絶縁膜６００がスピンバルブ膜５０の側面に使用される必要がある。
【００４７】
リソグラフィー技術を用いることで、基板上における下部電極５１１との電気的な接触は、上部電極５１２との電気的な接触と同様に実現できる。ここは従来技術で形成できるため、詳細は割愛する。
【００４８】
絶縁膜６００の一方の側では、ハードバイアス（硬磁性材料）が磁化自由層のシングルドメインを実現するために用いられる（図示せず）。
【００４９】
図１Ａ及び図１Ｂに示すように、電極はＣＩＰとＣＰＰのスピンバルブ構成との間で異なるが、本発明における特徴である磁化自由層、その他動作原理における説明は基本的に同様である。それゆえに、電極の描写は以後の描写及び図から省略して説明する。
（第１の実施形態）
【００５０】
発明の第１の実施形態は図１Ｂのスピンバルブ膜を用いることで示されている。基板１５は、たとえばＳｉから構成され、Ｓｉを用いた場合はメンブレン構造は基板の一部を薄膜化して形成する。その薄膜化された構造は図１１Ａの実施例で示したものとほぼ同様であり、基板の一部が薄膜化された構造になっており、その薄膜化された基板の上にスピンバルブ膜が形成されている。しかしながら、外部歪によって曲がる部分が形成され、その上にスピンバルブ膜が形成されるのならば、Ｓｉ以外の材料でも形成可能である。たとえば、後で説明するようにフレキシブル基板を用いることも可能である。
【００５１】
基板１５は、Ｓｉで形成されたメンブレン、または曲がりやすい材料を用いたフレキシブル基板である。フレキシブル基板の例として、ポリマー材料などが用いられる。ポリマー材料として以下のような例が挙げられる。たとえば、アクリロニトリルブラジエンスチレン、シクロオレフィンポリマー、弾性を有するエチレンプロピレン、ポリアミド、ポリアミド-イミド、ポリベンジルイミダゾール、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリエチレンエーテルケトン、ポリエチルイミド、ポリエチレンイミン、ポリエチレンナフタレン、ポリエステル、ポリサルフォン、ポリエチレンテレフタレート、フェノールホルムアルデヒド、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルペンテン、ポリオキシメチレン、ポリプロピレン、ｍ−フェニルエーテル、ポリｐ−フェニルサルファイド、ｐ−アミド、ポリスチレン、ポリサルフォン、ポリビニルクロライド、ポリテトラフルオロエテン、パーフルオロアルコキシ、フッ化エチレンプロピレン、ポリテトラフルオロエテン、ポリエチレンテトラフルオロエチレン、ポリエチレンクロロトリフルオエチレン、ポリビニリデンフルオライド、メラミンホルムアルデヒド、液晶性ポリマー、又は尿中ホルムアルデヒドを用いることができる。
【００５２】
コーティング層１５０は、ポリメチルメタクリレート又はポリｐ−フェニレンサルファイドのような有機材料、又はＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２のような無機材料から構成されても良い。コーティング層１５０の膜厚は、無機材料の場合には１０ｎｍ以上であり、有機材料の場合には数μｍ以上であり、積層状態に依存する。
【００５３】
コーティング層１５０には幾つかの目的がある。それは、基板の表面荒れを減らすことである。このことによりＭＲ比を改善でき、感度を向上させることができる。これは、歪検知素子の信頼性と生産性を改善する効果がある。
【００５４】
もし、コーティング層１５０が絶縁性を有してれば、基板１５に対する電極５１１からの電流漏れを避けることができる。絶縁コーティング層１５０は、基板１５から歪検知素子１０に対する変換効果に影響を及ぼす。絶縁コーティング層１５０はより感度が高いことが好ましい。もしコーティング層１５０が代わりとして導電性を有するなら、電極５１１の代わりに用いることができる。このようにすることで、歪検知素子１０の構造をより簡単にできる。
【００５５】
電極５１１、５１２は高い導電性を有する金属からなる。Ｃｕ、Ａｕ、又はＡｇは典型的な電極材料である。必要であれば、Ｃｏ、Ｎｉ、又はＦｅのような磁性材料を用いることも可能である。
【００５６】
絶縁膜６００は、歪検知素子１０から周りの材料に電流が漏れるのを避けるために絶縁性を有する。絶縁膜６００はＡｌ２Ｏ３又はＳｉＯ２を用いることができる。
【００５７】
下地層７０はバッファ層、シード層、及びピニング層を含む。実施形態として、下地層７０はＴａ（３ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）／ＩｒＭｎ（７ｎｍ）／ＣｏＦｅ（３ｎｍ）／Ｒｕ（０．９ｎｍ）が用いられる。Ｔａはバッファ層であり、Ｒｕはシード層であり、ＩｒＭｎ／ＣｏＦｅ／Ｒｕはピニング層である。Ｒｕ上に磁性層が積層されると、この層はシンセティックピニング層として働く。コーティング層１５０で基板からの荒れの影響を充分緩和できている場合は、バッファ層は省略することができる。シード層は結晶配向を向上させる目的で用いられる。ピニング層はその上の磁性層を磁化固着するために用いられる。
【００５８】
参照層２０は、ＣｏＦｅ（２ｎｍ）／ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）からなり、ピニング層によって膜面方向に固定される。
【００５９】
スペーサー層３０は、ＭｇＯ（２ｎｍ）からなる。スペーサー層３０の膜厚は、必要とされるＲＡ（Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｒｅａ ｐｒｏｄｕｃｔ）に依存して決定される。
【００６０】
歪検知素子１０として機能するためには、ＭＲは十分大きくなければならない。そして磁歪定数は以前記載したように十分大きくなければならない。この二つの要件を満たすことが必要要件となる。前者の大きなMRの必要性はＨＤＤヘッド、ＭＲＡＭ、及びＳＴＯと同様であるが、後者の大きな磁歪定数の必要性は、HDDヘッド、MRAM,およびSTOとは全く逆の要件である。
【００６１】
磁化自由層４０は前述したように、膜面垂直の磁化を有することが本発明の特徴である。膜面垂直に磁化方向を向けるための一例として、ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／ＴｂＦｅ（３ｎｍ）などを用いることができる。既に知られているように、ＭｇＯ上の界面にＣｏＦｅＢを用いることで、ＭＲ比を向上させることができる。しかしながら、ＣｏＦｅＢの単層では垂直磁気異方性を作りづらいため、垂直磁気異方性を示す追加の層を用いる。
【００６２】
この機能のため、一例として、ＴｂＦｅ層などが用いられる。Ｔｂが２０％atom以上４０%atom以下であると、ＴｂＦｅ層は垂直異方性を示す。こうした積層膜構成にすることで、磁化自由層トータルの磁化方向としてはＴｂＦｅ層による効果で膜面垂直方向に向かせることができ、ＭＲ変化率としてはＭｇＯ界面のＣｏＦｅＢ層の効果によってＭＲ変化率を低下させることなく、大きなMR変化率を維持することができる。また、ＴｂＦｅ層のメリットとして、膜面垂直な磁気異方性を有することに加え、磁歪定数が正の非常に大きな値を有することである。その値は、約＋１０−４ある。この大きな磁歪定数により、磁化自由層トータルの磁歪定数としては、少なくとも＋１０−６よりも大きな値にすることは容易に実現できる。また、より好ましい、＋１０−５よりも大きな磁歪定数を実現することも実現できる。
【００６３】
ＴｂＦｅ層の場合は、本発明の磁化自由層に必要な機能である、膜面垂直に磁化方向が向いていることと、大きな磁歪定数を有することの二つの機能を発現させることが可能である。この材料を基本として、必要に応じて添加元素を加えることも可能である。
【００６４】
垂直磁気異方性を実現するために、ＴｂＦｅ以外の材料を用いることも可能である。別の実施例として、磁化自由層４０は、ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／（Ｃｏ（1ｎｍ）／Ｎｉ（1ｎｍ））×ｎ（ｎ＞＝２）を用いることができる。（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜は垂直磁気異方性として機能する。Co、およびNiの膜厚は０．５nmから2nm程度の範囲の膜厚で用いられる。歪検知素子１０として機能するためには、磁化自由層トータルの磁歪定数が少なくとも１０−6よりも大きくなければならない。磁歪定数を高めるために、大きな磁歪定数を有するＦｅＳｉＢのような付加層が用いられる。ＦｅＳｉＢは正の大きな磁歪定数約＋１０−４を示すので、磁化自由層全体として正の大きな磁歪定数を示す。すると、ＣｏＦｅＢ（１ｎｍ）／（Ｃｏ（1ｎｍ）／Ｎｉ（1ｎｍ））×ｎ／ＦｅＳｉＢ２nmのような膜構成が考えられる。
【００６５】
例として記述したように、磁化自由層４０の基本的な構造はＭｐ及びＭｌの積層膜から形成される。Ｍｐは垂直磁気異方性を示す磁性層であり、Ｍｌは大きな磁歪定数を示す磁性層である。Ｍｐ／Ｍｌ、Ｍｌ／Ｍｐ、Ｍｐ／ｘ／Ｍｌ、Ｍｌ／ｘ／Ｍｐ、ｘ／Ｍｌ／Ｍｐ、Ｍｌ／Ｍｐ／ｘ、ｘ／Ｍｐ／Ｍｌ、またはＭｐ／Ｍｌ／ｘのような多層膜を用いることができる。付加層ｘは、Ｍｌ，Ｍｐだけで機能が充分でない場合に、必要に応じて用いることができる。たとえば、ＭＲ変化率を向上させるために、スペーサー層との界面にＣｏＦｅＢ層やＣｏＦｅ層などをｘ層として用いることができる。
【００６６】
磁性層Ｍｐの材料選択はＣｏＰｔ−ＳｉＯ２グラニュラ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔ、（Ｃｏ／Ｐｄ）多層膜、（Ｃｏ／Ｐｔ）多層膜、又は（Ｃｏ／Ｉｒ）多層膜を用いることができる。既に述べた、ＴｂＦｅ及び（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜もＭｐの機能を有する材料郡という位置づけである。多層膜は、２層から１０層程度積層したものである。
【００６７】
磁性層Ｍｌの材料選択は、Ｎｉ、Ｎｉ合金（Ｎｉ９５Ｆｅ５のようなＮｉを多量に含む合金）、ＳｍＦｅ、ＤｙＦｅ、又はＣｏ、Ｆｅ、Ｎｉを含む磁性酸化材料を用いることができる。ＴｂＦｅ及び（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜は、Ｍｐとしての機能を有すると同時に、Ｍｌとしての機能も有する層としても用いることができる。また、前述したように、ＦｅＳｉＢをベースとしたアモルファス合金層も用いることが可能である。Ｎｉ、Ｎｉリッチの合金、及びＳｍＦｅは、大きな負の磁歪定数を示す。それゆえに、好ましい磁化方向の符号は正の磁歪定数の材料とは反対になる。この場合、磁化自由層トータルの磁歪の符号は負として機能させる。ＣｏＯx,ＦｅＯｘ,またはＮｉＯｘ（０＜ｘ＜８０）などのＦｅ，Ｃｏ，Ｎｉを含む磁性材料の酸化物は大きな正の磁歪定数を示す。ここで、この場合、磁化自由層トータルの磁歪の符号は正として機能させる。
【００６８】
膜面垂直な磁気異方性を発現させるために上記のようなＭｐ材料を用いることができるが、上述のスペーサー層との界面に用いられるｘ層として考えられるＣｏＦｅＢ層でも、Ｍｐとして機能させることも場合によっては可能である。この場合、ＣｏＦｅＢ層は１nmよりも薄い膜厚にすることで、膜面垂直な磁気異方性を発現させることも可能となる。
【００６９】
図１Ｃ及び図１Ｄは歪検知素子１０の動作を示す。破線が参照層２０の磁化の向きを示す。実線が磁化自由層４０の磁化の向きを示す。
【００７０】
図１Ｃ及び図１Ｄは歪みが基板１５に適用されている図を示す。この状態では、磁化自由層４０の磁化が磁化自由層と参照層との間の角度が外部歪によって変化を受ける。この角度の変化に起因して、抵抗が変化する。この抵抗変化量の大きさによって、歪の大きさを検知することができる。
【００７１】
図１Ｃは歪みが小さい場合を示す。図１Ｄは歪みが大きい場合を示す。これらの図に示すように、歪みが強くなれば磁化自由層４０が受ける磁化の回転の大きさも大きくなる。つまり、歪の大きさによって、参照層と磁化自由層のなす角度が異なる。つまり、歪の大きさによって、抵抗の大きさが異なるため、歪の大きさを検知することができる。外部歪が除去されると、磁化自由層の磁化方向は初期状態に復帰する。つまり、膜面垂直方向に戻る、可逆変化である。
（技術説明）
【００７２】
従来技術として、磁化自由層の磁化方向が膜面内にある場合について説明する。図２Ａは、磁化自由層の磁化方向が膜面内にある歪検知素子がメンブレン上に配置されたときの比較例を示す。ここで、圧力を歪検知素子に伝える基板、もしくはメンブレンまでを含めたときに、圧力検知素子と呼ぶ。歪検知素子１０が基板１５上の３つの位置（a）、（ｂ）、（ｃ）に置かれている場合を示す。図２Ａは歪検知素子１０の一部である磁化自由層４０を示す。実線の矢印は歪みの方向を示す。破線の矢印は磁化自由層４０の磁化の方向を示す。位置（a）は基板１５の中心に設けられている。位置（ｂ）、（ｃ）は基板１５の端に設けられている。
【００７３】
これらの位置（a）、(b)、（ｃ）は歪みが磁化自由層４０の磁化の向きに対して平行である場所を示している。磁化自由層４０の磁化は歪みの方向に沿って配列できるために、磁化自由層４０は正の磁歪定数を有すると想定している。
【００７４】
位置（a）の場合、基板１５に歪みが適用されると、磁化自由層４０の磁化は歪みの方向に回転する。それゆえに、磁気抵抗の変化が検知できる。一方で、位置（ｂ）、（ｃ）の場合では、磁化自由層の磁化は回転しない。なぜなら、磁化自由層４０の磁化の向きは既に歪みの方向に向いているからである。つまり、外部歪が印加されたことによる抵抗の変化は生じないため、外部歪を全く検知できていないことになる。これはセンサ全体としてみたときに、検知できる箇所が限られているということになり、ＳＮＲとして非常に望ましくない。
（発明の効果）
【００７５】
図２Ｂは歪検知素子１０が基板１５上の３つの異なる位置（ｄ）、(e)、（ｆ）に置かれている場合を示す。ここで、圧力を歪検知素子に伝える基板、もしくはメンブレンまでを含めたときに、圧力検知素子と呼ぶ。図２Ｂは歪検知素子１０の一部である磁化自由層４０を示す。実線の矢印は歪みの方向を示す。破線の矢印は磁化自由層４０の磁化の方向を示す。位置（ｄ）は基板１５の中心に設けられている。位置（e）、（ｆ）は基板１５の端に設けられている。
【００７６】
これらの位置（d）、(e)、（f）は歪みが磁化自由層４０の磁化の向きに対して垂直である場所を示している。磁化自由層４０の磁化は歪みの方向に沿って配列できるために、磁化自由層４０は正の磁歪定数を有すると想定している。
【００７７】
位置（ｄ）、(e)、(f)の場合において、歪みは磁化自由層４０の磁化の向きを回転させることができる。面内方向が規定される必要はなく、位置（ｄ）の場合でも磁化自由層４０の磁化は回転する。このように、メンブレン上に配置されたあらゆる箇所において本発明の歪検知素子は歪を検知することができる。これは、図２Ａの場合に一部の歪検知素子が歪を検知できないところがあったものとは対照的である。これはすなわち、センサ全体としてのＳＮＲ改善に大きく寄与する。このような改善が実現できる根本は、磁化自由層の磁化方向が膜面垂直方向に向いていることに起因する。これが本発明の基本的考え方である。
（第1の変形例）
【００７８】
図３は歪検知素子１０の第1の変形例を示す。歪検知素子１０の第1の変形例は2つの強磁性層６０、７０の存在が第1の実施形態と異なる。強磁性層６０、７０は基板１５上の参照層２０に隣接して設けられている。
【００７９】
強磁性層６０、７０からの磁界が参照層２０の磁化を配列させる。すなわち、磁化が固定される。強磁性層６０、７０はＦｅ、Ｃｏ、及びＮｉのような遷移金属を用いることができる。典型的な材料としては、ＣｏＰｔ、ＣｏＰｔＣｒ、又はＦｅＰｔの合金又は、これらに基づく合金を用いることができる。ほかの材料の候補としては他の材料の合金、またはＳｍＣｏ又はＮｄ−Ｆｅ−Ｂｏのような希土類元素及びそれらの合金を用いることができる。
（第２の変形例）
【００８０】
図４は歪検知素子１０の第２の変形例を示す。歪検知素子１０の第２の変形例は、強磁性層８０の存在と、参照層２０と基板１５との間に非磁性層９０が存在している点が第１の実施形態と異なる。強磁性層８０は基板１５上に設けられている。非磁性層９０は強磁性層８０に設けられている。
【００８１】
強磁性層８０は参照層２０の磁化を固定するために用いられる。強磁性層８０は参照層２０の異方性よりも強い。強磁性層８０はＣｏＰｔ合金からなる。
（第３の変形例）
【００８２】
図５は歪検知素子１０の第３の変形例を示す。歪検知素子１０の第３の変形例は反強磁性層１００、強磁性層１１０、及び非磁性層１２０が存在している点が第１の実施形態と異なる。反強磁性層１００は基板１５に設けられている。強磁性層１１０は反強磁性層１００に設けられている。非磁性層１２０は強磁性層１１０に設けられている。この構造はシンセティックアンティフェロ磁性（ＳＡＦ）を引き起こす。
【００８３】
反強磁性層１００はＩｒＭｎ又はＰｔＭｎの材料からなる。反強磁性層１００の好ましい膜厚は５ｎｍから２０ｎｍである。
【００８４】
強磁性層１１０はＣｏＦｅ合金からなる。
【００８５】
非磁性層１２０はＲｕからなる。非磁性層１２０の膜厚は０．５ｎｍ以上２ｎｍ以下である。
【００８６】
ＳＡＦを用いる利点は漏洩磁界が小さくなる点である。これは、磁化自由層の磁化安定に寄与する。
（第４の変形例）
【００８７】
図６は、歪検知素子１０の第４の変形例を示す。歪検知素子１０の第４の変形例は異方形状を有している点が第１の実施形態と異なる。スピンバルブ膜５０の形状はある特定の方向に沿って伸びている。この構造は、スピンバルブ膜５０の長手方向に参照層２０の磁化を向けることができる。
【００８８】
より異方性の高い形状になれば、その効果はより大きくなる。高いアスペクト比を用いることで面内又は面直に磁化を固定することができる。この異方性を有する形状の構造は磁化自由エネルギーの調整を助けるために上記の設計に用いることができる。
（第５の変形例）
【００８９】
図７は歪検知素子１０の第５の変形例を示す。歪検知素子１０の第５の変形例は２つの強磁性層１３０、１４０が存在する点が第１の実施形態と異なる。強磁性層１３０は参照層２０に設けられている。強磁性層１４０はスペーサー層３０に設けられている。係る変形例のスペーサー層３０はＭｇＯであり、このようにすることで歪検知素子１０はＴＭＲを引き起こす。
【００９０】
強磁性層１３０の磁化の向きは面内である。
【００９１】
強磁性層１３０、１４０はＣｏＦｅＢからなる。強磁性層１３０、１４０の膜厚は３ｎｍ以上又は１０ｎｍ以下である。
（第２の実施形態）
【００９２】
図８は歪検知素子１０のアレイを用いた歪検知素子装置２００を示す。歪検知素子１０は基板１５上に規則的に配列されている。それぞれの歪検知素子１０の間隔は設計によって決められる。例えば、数十ｎｍから数ｍｍで設計される。間隔を狭くする利点は、ＳＮＲの出力信号を高めるために用いられる。一方で多くの装置は沢山の配線や大きな消費電力を要する。全装置数が圧力を検知するのに十分である限り、消費者にとって手ごろな費用で用いるには大きな間隔で用いることが好ましい。
【００９３】
しかしながら、このことは、歪検知素子１０の大きさの大小、占有面積、及び装置の応用に必要とされる感度の大きさに依存する。
【００９４】
それぞれの歪検知素子１０は、ワード線２２０及びビット線２３０として知られる一対の配線を用いて制御部２１０に電気的に接続されている。歪検知素子１０は配線の交点に配列される。特定のワード線２２０及びビット線２３０を選択することで、特定の歪検知素子１０は制御部２１０によってアクセスできる。基板１５上に局所的に存在する歪みを決定するために同時に多くの点で基板１５の歪みを測定できる。歪検知素子装置２００はどの方向からも面内歪みを感知できる歪検知素子１０の設計を利用することができる。
【００９５】
図９は歪検知素子装置２００に接続するために用いられる電極と配線の構造を示す。
【００９６】
電極は高い導電性を有する。これらの電極はＡｕ、Ｃｕ、又はＡｌの材料からなる。それぞれの歪検知素子１０はワード線２２０とビット線２３０を形成する配線に接続される上部電極及び下部電極を有する。
【００９７】
ワード線２２０及びビット線２３０はそれぞれ交わっており、その交点に歪検知素子１０が存在する。ワード線２２０及びビット線２３０は隣接する歪検知素子１０に対してそれぞれの歪検知素子１０を接続している。
【００９８】
図１０は歪検知素子装置２００の好ましい位置を示す。歪検知素子装置２００は基板１５上に設けられた一つの歪検知素子１０を用いる。基板１５はＳｉＯ２／Ｓｉ基板からＭＥＭＳ技術を用いて作成されたSiメンブレンである。かかる設計では、基板１５は平面図において円形である。しかしながら、製造を考慮して四角形又は長方形を用いることができる。
【００９９】
歪検知素子１０は電極２６０及び電極２７０の間に設けられている。電極２７０は基板１５に設けられている。電極２６０は歪検知素子１０に設けられている。基板１５が、ドープされたポリ３，４−エチレンヂオキシチオフェン、ポリスチレンサルフォネートのようなフレキシブルな導電性メンブレンであれば、電極２７０は直接歪検知素子１０に接続されていなくても良い。配線の数を減らせばよりフレキシブルなメンブレンを作ることができる。
【０１００】
歪検知素子１０は基板１５の中心に設けられている。基板１５の中心は等方的な歪みが最も大きい。等方的な歪みの応答に対して歪検知素子装置２００は歪検知素子１０を利用できる。
【０１０１】
図１１Ａは基板１５内の電極の構造を示す。基板１５は、硬い基板１６とメンブレン１７からなる。メンブレン１７は硬い基板１６に固定されている。導電性メンブレン２４０はメンブレン１７に設けられている。この導電性メンブレン２４０はコーティング層１５０に付随して用いられる。又は、導電性コーティング層が用いられても良い。歪検知素子１０は導電性メンブレン２４０に設けられている。歪検知素子１０は絶縁層２５０に囲まれている。歪検知素子１０の上部は電極２６０に接続されている。
【０１０２】
電極２６０の膜厚は、良好な電気的接続を保証するために、少なくとも１００ｎｍである。しかし、良質の積層がなされればより薄い電極２６０を用いることも可能である。
【０１０３】
絶縁層２５０はＳｉＯ２又はＳｉ３Ｎ４の材料からなる。絶縁層２５０はポリメチルメタクリレートのような有機材料又は絶縁ドープされたポリ３、４エチレンジオキシチオフェン、ポリスチレンサルフォネートを用いることもできる。
【０１０４】
電極２６０は導電メンブレンとして用いることができる。このようにすることでメンブレン１７をより柔らかくし、歪みを均一にすることができる。しかし、歪検知素子１０と電気的に接続することがより複雑になるかもしれない。
【０１０５】
図１１Ｂ及び図１１Ｃは歪検知素子１０の動作を示す。実線の矢印は磁化自由層４０の磁化の向きを示す。破線の矢印は参照層２０の磁化の向きを示す（ここの層は示されていない）。
【０１０６】
図１１Ｂ及び図１１Ｃは、メンブレン１７に設けられた基板に歪みが適用されるときの状態を示す。この状態では、磁化自由層４０の磁化は磁化自由層と参照層との間の垂直角の構成の変化を受けるために、歪みは磁化自由層４０の磁化の回転を引き起こす。
【０１０７】
なぜなら、基板内に歪みが生じていないときに基板１６はフレキシブルでないからである。メンブレン１７はフレキシブルである。これは、基板が結合されていない自由な状態の領域で歪みが生じているためである。メンブレンの形状が規定されれば、印加される歪みに対して受ける歪みは一定である。歪検知素子１０は歪みが起こる最も有利な位置のメンブレンに設けられる。
【０１０８】
図１１Ｂは歪みが小さい場合を示す。図１１Ｃは歪みが大きい場合を示す。これらの図が示すように、歪みがより大きくなれば磁化自由層４０の磁化受ける回転の大きさは大きくなる。
【０１０９】
歪検知素子１０に歪みが適用されれば、磁化自由層４０の磁化は歪みの方向に沿って回転する。この回転は参照層２０と磁化自由層４０の磁化との間の角度を作る。歪検知素子１０が歪みを受けていないときには、磁化自由層４０の磁化の向きはもとに戻る。
【０１１０】
図１２は基板１６内の電極の構造を示す。歪検知素子１０は電極２７０と電極２６０との間に設けられている。電極２６０は電極２７０と交わらないで、メンブレン１７に対して歪検知素子１０の上部に設けられている。
【０１１１】
外部からの影響を絶縁するためにさらに誘電層が電極上に設けられても良い。
【０１１２】
図１３は基板１５上の複数の歪検知素子１０を用いた歪検知素子装置２００を示す。
【０１１３】
歪検知素子１０は、正方形のパターンとして基板１５に設けられ、電気的にホイートストーンブリッジ配列を形成している。歪検知素子１０にかかる電圧は典型的なホイートストーンブリッジの動作として正方形の中央で端末から読み出される。複数の歪検知素子１０は基板１５に設けられているので、ほかの測定ブリッジ回路を用いても良い。
【０１１４】
図１４は、基板１５に設けられた複数の歪検知素子１０を用いる歪検知素子装置２００を示す。
【０１１５】
歪検知素子１０は連続して接続されている。これは信号の強度と多くのセンサから得られるデータの平均出力を向上させるためである。この構造はい補正の歪みの方向に関係なく基板１５の様々な場所で動作する歪検知素子１０に利用できる。よって多くの歪検知素子１０を用いることができる。個々に接続している歪検知素子１０のように、機能に依存して他の代わりとなる回路配列も用いることができる。ゆえに、制御部とは別にアクセスすることができ、制御部の結果を処理することができ、他の接続された出力システムの処理をすることができる。
（第３の実施形態）
【０１１６】
図１５は歪検知素子１０に応用される機器３００を示す。
【０１１７】
機器３００は血圧センサを示す。図１５の上図は血液が拡張していない動脈の状態を示す。図１５の下図は血圧によって動脈が拡張している状態を示す。
【０１１８】
機器３００は腕又は体に巻きつけられる。腕又は体の表面近傍には動脈があり心拍数を測定するのに用いられる。
【０１１９】
心臓が鼓動をうつとき、動脈は血液と一緒に拡張する。これは脈として知られている。動脈からの圧力が基板に適用されると歪みを引き起こす。この歪みは基板１５に設けられた歪検知素子１０によって検知される。そして磁気抵抗の変化の結果は歪検知素子１０を測定する制御部で電気的に記録される。動脈の拡張が示す電気的な信号と周波数の発生はコンピュータで測定されたデータから変換される。これにより心拍数と血圧を決定することができる。
【０１２０】
図１６は歪検知素子１０に応用される機器４００を示す。
【０１２１】
機器４００は切り替え装置である。図１６の上図はボタンが押されていない状態を示す。図１６の下図はボタンが押されている状態を示す。
【０１２２】
機器４００は、リモートコントロールのような一般的な切替えである。ボタン４１０はメンブレン１７を固定している硬い基板１６に設けられている。
【０１２３】
ボタン４１０が押されるとメンブレン１７に対して圧力が加わり、歪みによりメンブレン１７が歪む。係る場合、歪検知素子１０はメンブレン１７の下に設けられている。この位置に設けることでボタンを押すことによる衝撃を減らすことができる。この位置もまた、歪検知素子が圧縮歪みよりも引っ張り歪みを受けていることを保証している。
【０１２４】
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。
【符号の説明】
【０１２５】
１０ … 歪検知素子、１５ … 基板、２０ … 参照層、３０ … スペーサー層、４０ … 磁化自由層、５０ … 磁気抵抗素子、７０ … 下地層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が変化可能で外部歪が印加されていない状態では磁化方向が膜面垂直方向を向いている磁化自由層と、
磁化を有する参照層と、
前記磁化自由層と前記参照層との間に設けられたスペーサー層と、
を備えた積層体と、
前記積層体の膜面垂直方向に通電する一対の電極と、
前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、
前記基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なることを特徴とする歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項２】
磁化方向が変化可能で外部歪が印加されていない状態では磁化方向が膜面垂直方向を向いている磁化自由層と、
磁化を有する参照層と、
前記磁化自由層と前記参照層との間に設けられたスペーサー層と、
を備えた積層体と、
前記積層体の膜面積層面に対して平行方向に通電する一対の電極と、
前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、
前記基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なることを特徴とする歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項３】
前記磁化自由層の磁歪定数の絶対値が１０−６以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項４】
前記磁化自由層は磁性層Ｍｐ及び磁性層Ｍｌの少なくとも二つの磁性層の積層膜から形成され、前記磁性層Ｍｐは垂直磁気異方性を示し、前記磁性層Ｍｌの磁歪定数の絶対値が１０−４より大きな磁歪定数を示すことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項５】
前記参照層の磁化方向は外部歪が印加された状態においても固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項６】
前記磁性層ＭｐはＣｏＰｔ−ＳｉＯ２のグラニュラ膜、ＴｂＦｅ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜、（Ｃｏ／Ｐｄ）多層膜、（Ｃｏ／Ｐｔ）多層膜、又は（Ｃｏ／Ｉｒ）多層膜から選択されるいずれかひとつであることを特徴とする請求項４に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項７】
前記磁性層ＭｌはＴｂＦｅ、ＳｍＦｅ、ＤｙＦｅ、ＦｅＳｉＢ、ＦｅＯｘ、ＣｏＯｘ、ＮｉＯｘ（０＜ｘ＜８０）、及びＮｉを含む合金などから選択される、いずれかひとつの材料を含むことを特徴とする請求項４に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項８】
前記磁性層Ｍｐ、前記磁性層Ｍｌに加え、前記スペーサー層界面に、ＣｏＦｅＢ層、またはＣｏＦｅ層を磁化自由層として有することを特徴とする、
請求項４に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項９】
前記基板が、Siで形成され、一部薄膜化されたメンブレン構造を有することを特徴とする、前記請求項１〜７記載のいずれか一項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項１０】
前記基板が、ポリマー材料で形成されていることを特徴とする、前記請求項１〜７記載のいずれか一項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項１１】
請求項１〜９記載の圧力検知素子を用いた、血圧センサ。
【請求項１】
磁化方向が変化可能で外部歪が印加されていない状態では磁化方向が膜面垂直方向を向いている磁化自由層と、
磁化を有する参照層と、
前記磁化自由層と前記参照層との間に設けられたスペーサー層と、
を備えた積層体と、
前記積層体の膜面垂直方向に通電する一対の電極と、
前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、
前記基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なることを特徴とする歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項２】
磁化方向が変化可能で外部歪が印加されていない状態では磁化方向が膜面垂直方向を向いている磁化自由層と、
磁化を有する参照層と、
前記磁化自由層と前記参照層との間に設けられたスペーサー層と、
を備えた積層体と、
前記積層体の膜面積層面に対して平行方向に通電する一対の電極と、
前記一対の電極の何れか一方に設けられた基板と、
前記基板が歪むと、前記磁化自由層の磁化の回転角度と前記参照層の磁化の回転角度が異なることを特徴とする歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項３】
前記磁化自由層の磁歪定数の絶対値が１０−６以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項４】
前記磁化自由層は磁性層Ｍｐ及び磁性層Ｍｌの少なくとも二つの磁性層の積層膜から形成され、前記磁性層Ｍｐは垂直磁気異方性を示し、前記磁性層Ｍｌの磁歪定数の絶対値が１０−４より大きな磁歪定数を示すことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項５】
前記参照層の磁化方向は外部歪が印加された状態においても固定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項６】
前記磁性層ＭｐはＣｏＰｔ−ＳｉＯ２のグラニュラ膜、ＴｂＦｅ、ＦｅＰｔ、ＣｏＰｔ、（Ｃｏ／Ｎｉ）多層膜、（Ｃｏ／Ｐｄ）多層膜、（Ｃｏ／Ｐｔ）多層膜、又は（Ｃｏ／Ｉｒ）多層膜から選択されるいずれかひとつであることを特徴とする請求項４に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項７】
前記磁性層ＭｌはＴｂＦｅ、ＳｍＦｅ、ＤｙＦｅ、ＦｅＳｉＢ、ＦｅＯｘ、ＣｏＯｘ、ＮｉＯｘ（０＜ｘ＜８０）、及びＮｉを含む合金などから選択される、いずれかひとつの材料を含むことを特徴とする請求項４に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項８】
前記磁性層Ｍｐ、前記磁性層Ｍｌに加え、前記スペーサー層界面に、ＣｏＦｅＢ層、またはＣｏＦｅ層を磁化自由層として有することを特徴とする、
請求項４に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項９】
前記基板が、Siで形成され、一部薄膜化されたメンブレン構造を有することを特徴とする、前記請求項１〜７記載のいずれか一項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項１０】
前記基板が、ポリマー材料で形成されていることを特徴とする、前記請求項１〜７記載のいずれか一項に記載の歪検知素子または圧力検知素子。
【請求項１１】
請求項１〜９記載の圧力検知素子を用いた、血圧センサ。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−７８１８６（Ｐ２０１２−７８１８６Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２３１７５（Ｐ２０１０−２２３１７５）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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