JP6212000B2 - 圧力センサ、並びに圧力センサを用いたマイクロフォン、血圧センサ、及びタッチパネル - Google Patents

Description

本明細書に記載の実施の形態は、圧力センサ、並びに圧力センサを用いたマイクロフォン、血圧センサ、及びタッチパネルに関する。

近年、スピン技術を用いた圧力センサが提案されている。スピン技術を用いた圧力センサは、圧力が変化することにより複数の磁性層における磁化方向が相対的に変化し、これにより素子の電気抵抗の値が変化するという原理を用いて圧力を計測するデバイスである。このような圧力センサは、支持部に形成された膜部の上にスピン技術を用いた歪検知素子を配置し、圧力によって生じた膜部の歪を、歪検知素子の抵抗変化に変換することにより、膜部にかかる圧力を検出する（特許文献１）。

このような圧力センサにおいて、圧力によって撓む一つの膜部に複数のスピン技術を用いた歪検知素子を配置した構造が提案されている（例えば特許文献２参照）。これら複数の歪検知素子を有する圧力センサにおいては、各歪検知素子の素子間において、意図しない特性ばらつきの発生しない応答を示すことが望まれる。

このような圧力センサの性能の向上を図るためには、膜部の膜厚を含む膜部の特性が均一であることが好ましい。しかし、従来の膜部の材料を用いた圧力センサにおいては、膜部の特性を均一にすることが困難であり、このため、圧力センサの性能を向上させることが容易ではなかった。

特開２００２−２２５８４号公報 特開２０１１−２４４９３８号公報

以下に記載の実施の形態に係る圧力センサは、複数の歪検知素子がが載置される膜部の特性を均一化することを可能にしたものである。

実施形態に係る圧力センサは、シリコンを含む支持部と、前記支持部に支えられ、可撓性を有する膜部と、歪検知素子と、を含む。前記膜部は、アルミニウムを含む酸化物を含む第１アモルファス膜を含む。前記第１アモルファス膜は、前記支持部と接する第１部分と、前記第１部分と連続した第２部分と、を含む。前記支持部から前記第１部分に向かう第１方向は、前記第１部分から前記第２部分に向かう方向と交差する。前記第１方向における前記第１部分の位置は、前記第１方向における前記支持部の位置と、前記第１方向における前記歪検知素子の位置と、の間にある。前記第２部分は、前記第１方向で前記支持部と重ならない。前記歪検知素子は、前記第２部分に設けられる。前記歪検知素子は、第１磁性層と、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中間層とを含む。前記歪検知素子の電気抵抗は、前記膜部の歪に応じて変化する。

第１の実施の形態に係る圧力センサの構成を示す模式的な斜視図である。 同圧力センサの構成を示す模式的な断面図である。 同圧力センサの構成を示す模式的な平面図である。 同圧力センサの構成を示す模式的な平面図である。 同圧力センサの構成を示す模式的な平面図である。 同圧力センサの構成を示す模式的な平面図である。 歪検知素子２００の膜部１２０上への配置位置を示す模式的な平面図である。 第１の実施の形態に係る歪検知素子の構成を示す模式的な斜視図である。 歪検知素子２００の動作を説明するための模式図である。 同歪検知素子の構成例を示す模式的な斜視図である。 同歪検知素子の構成例を示す模式的な斜視図である。 同歪検知素子の他の構成例を示す模式的な斜視図である。 同歪検知素子の他の構成例を示す模式的な斜視図である。 同歪検知素子の他の構成例を示す模式的な斜視図である。 同歪検知素子の他の構成例を示す模式的な斜視図である。 同歪検知素子の他の構成例を示す模式的な斜視図である。 第１の実施の形態の圧力センサ１１０Ａの空洞部１１１の加工工程での問題点を示す模式的断面図である。 第１の実施の形態の圧力センサ１１０Ａの空洞部１１１の加工工程での問題点を示す模式的断面図である。 膜部１２０の変形のしかたを説明する概念図である。 基板１１０をエッチングして空洞部１１１を形成する場合の製造工程を示している。 シリコンに対する選択比を示す表である。 膜部１２０の振動部１２１の印加圧力に対する感度を評価する装置と、その評価方法を説明するための概略図である。 印加圧力８０が加わった時の膜部１２０の形状の変化の概略図である。 膜部１２０の材料としてスパッタ成膜した酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を用いた場合の、外部からの印加圧力８０が加わっていない初期状態におけるレーザ顕微鏡Ｍ３による測定結果を示す実際の画像データである。 図１７Ａの画像データに示される膜部１２０の垂直方向（Ｚ軸方向）の高さ分布を色のコントラストで示した図である。 膜部１２０に様々な印加圧力８０を加えた場合の図１７ＡのＢ-Ｂ’断面における形状の変化をレーザ顕微鏡Ｍ３で測定した結果を示している。 図１７Ｃの場合において、横軸を印加圧力８０、縦軸を膜部１２０の重心１２０Ｐ１の変位量Ｄとしたグラフである。 第２の実施の形態の圧力センサにおける、図１のＡ−Ａ’断面図である。 膜部１２０を構成する第１膜１３１、中間膜１３２及び第２膜１３３の膜厚ｈ１、ｈ２及びｈ３と、第１膜１３１、中間膜１３２及び第２膜１３３膜の残留応力σ１、σ２及びσ３を示す概略図である。 第２の実施の形態の３層構造の膜部１２０により外部からの圧力が加わっていない状態で膜部１２０に発生する撓みを抑えることができる理由を説明する概略図である。 第２の実施の形態の変形例を示す。 第１膜１３１、第２膜１３３の材料としてスパッタ成膜したＡｌＯｘを用い、且つ中間膜１３２の材料としてＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）成膜したＳｉＮｘ膜を用いた場合の、外部からの圧印加圧力が加わっていない初期状態におけるレーザ顕微鏡Ｍ３による測定結果を示す実際の画像データである。 図２１Ｂの画像データに示される膜部１２０の垂直方向（Z軸方向）の高さ分布を色のコントラストで示した図である。 膜部１２０に様々な印加圧力を加えた場合の図２１ＢのＢ−Ｂ’断面の形状の変化をレーザ顕微鏡Ｍ３で測定した結果を示している。 図２１Ｄの場合において、横軸を印加圧力８０、縦軸を膜部１２０の重心１２０Ｐ１の変位量Ｄとしたグラフである。 第３の実施の形態の圧力センサにおける、図１のＡ−Ａ’断面図である。 第４の実施の形態の圧力センサにおける、図１のＡ−Ａ’断面図である。 第１〜第４の実施形態に係る圧力センサ１１０Ａの設計の１例を示している。 第１〜第４の実施形態に係る圧力センサ１１０Ａの設計の他の例を示している。 第１の実施形態に示すような膜部１２０に使用した場合の圧力センサ１１０Ａの断面構造の模式図である。 第２の実施形態に示すような膜部１２０に使用した場合の圧力センサ１１０Ａの断面構造の模式図である。 第５の実施の形態に係るマイクロフォンの構成を示す模式的な断面図である。 第６の実施の形態に係る血圧センサの構成を示す模式図である。 同血圧センサのＨ１−Ｈ２から見た模式的な断面図である。 第７の実施の形態に係るタッチパネルの構成を示す模式的な回路図である。

以下に、実施の形態に係る圧力センサを、図面を参照しつつ説明する。 なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の膜厚と幅との関係、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。

（第１の実施形態）
まず、図１等を参照して、第１の実施の形態に係る圧力センサについて説明する。
図１は、第１の実施形態に係る圧力センサ１１０Ａおよび歪検知素子２００を例示する模式的斜視図である。なお、図１においては、図を見１やすくするために歪検知素子２００のうち一部のみを表示し、また絶縁部分の図示を省略し、主に導電部分を描いている。

また、図２は図１のＡ−Ａ’から見た模式的な断面図である。また、図３は圧力センサ１１０Ａの構成を示す模式的な平面図である。更に、図４は歪検知素子２００の構成を示す概略斜視図であり、図５は圧力センサ１１０Ａの動作を説明するための模式的な断面図である。

図２に示す通り、圧力センサ１１０Ａは、膜部１２０と、膜部１２０の上に形成される歪検知素子２００を備える。膜部１２０は、外部からの圧力に応じて生じて撓む可撓性を有する。歪検知素子２００は、膜部１２０の撓みに応じて歪み、この歪に応じて電気抵抗値を変化させる。従って、歪検知素子２００の電気抵抗値の変化を検出することにより、外部からの圧力が検出される。尚、圧力センサ１１０Ａは、音波または超音波を検出するものであっても良い。この場合、圧力センサ１１０Ａは、マイクロフォン、又は超音波センサとして機能する。

図１に示す通り、圧力センサ１１０Ａは、基板１１０と、基板１１０の一の面に設けられた膜部１２０と、膜部１２０上に設けられた歪検知素子２００を備える。また、膜部１２０上には、歪検知素子２００に接続される配線Ｃ１、パッドＰ１、配線Ｃ２及びパッドＰ２が設けられている。以下、基板１１０に対して垂直な方向をＺ方向とする。また、このＺ方向に対して垂直な所定の方向をＸ方向とし、Ｚ方向及びＸ方向に垂直な方向をＹ方向とする。

図２に示す通り、基板１１０は空洞部１１１を有する板状の基板であり、膜部１２０が外部の圧力に応じて撓むように膜部１２０を支持する支持部として機能する。本実施の形態において、空洞部１１１は基板１１０を貫通する例えば円筒状の穴である（後述するように、他の形状を有していてもよい）。基板１１０は、例えばシリコンなどの半導体材料、金属などの導電材料、または、絶縁性材料からなる。また、基板１１０は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）や窒化シリコン（ＳｉＮｘ）などを含んでいても良い。一方、膜部１２０は、アルミニウムを含む酸化物、例えば酸化アルミニウムにより形成されている。
空洞部１１１は、基板１１０に対してエッチングを施して膜部１２０が露出するまで基板１１０を加工することで形成される。

空洞部１１１の内部は、膜部１２０を例えば基板１１０の主平面と垂直な方向（Ｚ軸方向）に撓ませることが出来るように設計されている。例えば、空洞部１１１の内部は減圧状態または真空状態であっても良い。また、空洞部１１１の内部には、空気や不活性ガスなどの気体または液体が充填されていても良い。更に、空洞部１１１は、外部と連通されていても良い。

図２に示す通り、膜部１２０は、基板１１０と比較して薄く形成されている。また、膜部１２０は、空洞部１１１の直上に位置し、外部の圧力に応じて撓む振動部１２１と、振動部１２１と一体形成され、基板１１０によって支持される被支持部１２２を有する。例えば図３Ａに示す通り、被支持部１２２は、振動部１２１を取り囲んでいる。以下、膜部１２０の空洞部１１１の直上に位置する領域を第１の領域Ｒ１と呼ぶ。振動部１２１、及び被支持部１２２は、いずれもアルミニウム（Ａｌ）を含む酸化物（一例としては、酸化アルミニウム）により形成されている。なお、膜部１２０の全体の厚さｔ１は、例えば、５０ナノメートル（ｎｍ）以上、３マイクロメートル（μｍ）以下とすることができる。この場合、好ましくは、１００ｎｍ以上、２μｍ以下とすることができる。

第１の領域Ｒ１は種々の形に形成する事が可能であり、例えば図３Ａに示す通り、略真円状に形成しても良いし、図３Ｂに示す通り、楕円状（例えば、扁平円形状）に形成しても良いし、図３Ｃに示す通り、略正方形状に形成しても良いし、図３Ｄに示す通り、長方形状に形成しても良い。また、第１の領域Ｒ１は、多角形や正多角形とすることも可能である。また、第１の領域Ｒ１が上記の形状の組み合わせであってもよい。なお、第１の領域Ｒ１が長方形、正方形、多角形などである場合、その角部は鋭利になっていてもよいし、また角部に丸みがもたされていてもよい。

以下の実施形態でも示すように、スピン技術を用いた歪検知素子の場合には、膜部１２０の形状は、膜部に圧力が印加されたときに膜部に生じる歪のＸ-Ｙ異方性が大きくなる形状、例えば長方形に近い形状のほうが望ましい。これにより、スピン技術による歪検知素子を多数配置することが可能となり、結果的に素子数Ｎに応じた信号対ノイズ比（ＳＮＲ: Signal-to-Noise Ratio）が改善される。個々の歪検知素子が同一の出力を示すと仮定した場合には、複数の素子数Ｎを用いたときのＳＮＲの改善効果は、２０ｌｏｇ√Ｎとなり、Ｎの数が多いほどＳＮＲは改善する。これは、各歪検知素子を直列接続したときの場合には、信号は素子数Ｎに応じて比例してＮ倍増大するのに対し、ノイズは素子数Ｎに応じて√Ｎで比例して増大するので、ＳＮＲとしては、２０ｌｏｇ（Ｎ／√Ｎ)=２０ｌｏｇ√Ｎの効果で改善することに起因する。

なお、第１の領域Ｒ１の平面形状が真円形状の場合には、第１の領域Ｒ１の直径寸法は、例えば、１μｍ以上、１０００μｍ以下とすることができる。この場合、好ましくは、６０μｍ以上、６００μｍ以下とすることができる。

第１の領域Ｒ１の平面形状が正方形の場合には、第１の領域Ｒ１の一辺の長さは、例えば１μｍ以上、６５０μｍ以下とすることができる。この場合、好ましくは、５０μｍ以上、５５０μｍ以下とすることができる。第１の領域Ｒ１の平面形状が長方形の場合には、第１の領域Ｒ１の短辺の長さは、例えば１μｍ以上、５００μｍ以下とすることができる。この場合、好ましくは、５０μｍ以上、４００μｍ以下とすることができる。

図３Ｅは歪検知素子２００の膜部１２０上への配置位置を示す模式的平面図である。例として第１の領域Ｒ１の形状には角部に丸みを帯びた長方形を採用する。このように第１の領域Ｒ１の形状の角部に丸みを帯びさせるのは、膜部をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などでエッチング加工する場合、角部と中心部とでエッチングレートが異なり、膜部１２０の膜厚分布が生じる悪影響を抑えるために行うものである。この場合の角部の丸みのＲとしては、膜部１２０の面積にも依存するが、Ｒ＝３０〜１００μｍとするのが望ましい設計である。Ｘ−Ｙ異方性歪を大きく保ちつつ、エッチング加工を均一に行うために、Ｒ＝７０μｍ程度とすることが好適である。

歪検知素子２００は、第１の領域Ｒ１の端部に配置されるのが好適である。ここでの「第１領域Ｒ１の端部」は、図３Ｅに示すように、被支持部１２２と振動部１２１との境界上の点１２０Ｐ６と、第１の領域Ｒ１の重心１２０Ｐ１と点１２０Ｐ６を結ぶ線分の中点１２０Ｐ７との間の位置を示す。第１の領域Ｒ１の端部では、振動部１２１の歪が発生し易く、歪の検知感度が高まるからである。また、歪検知素子２００は、磁性層における磁化の回転により歪みを検知するものであるため、第１の領域Ｒ１の端部に歪検知素子２００が位置していた方が、その歪みの方向性を判別しやすいからである。ただし、図３Ｂ（楕円形）、図３Ｄ（長方形）のように、上下方向と左右方向とで寸法が異なる第１の領域Ｒ１である場合、図３Ｂ及び図３Ｄに示すように第１の領域Ｒ１の端部に歪検知素子２００を配置する代わりに、第１の領域Ｒ１の中心付近に配置してもよい。

また、図３Ｅに示すように、膜部１２０の第１の領域Ｒ１を第１の領域Ｒ１に平行な面（例えばＸ−Ｙ平面）に投影したときに、点１２０Ｐ２、１２０Ｐ３、１２０Ｐ４及び１２０Ｐ５で囲まれた領域に、領域Ｒ１の最小外接矩形１２０Ｓが形成可能である。最小外接矩形１２０Ｓは、点１２０Ｐ２、点１２０Ｐ３及び重心１２０Ｐ１を線分で結んで形成される領域１２０Ｓ１と、点１２０Ｐ４、点１２０Ｐ５及び重心１２０Ｐ１を線分で結んで形成される領域１２０Ｓ２と、点１２０Ｐ３、点１２０Ｐ４及び重心１２０Ｐ１を線分で結んで形成される領域１２０Ｓ３と、点１２０Ｐ２、点１２０Ｐ５及び重心１２０Ｐ１を線分で結んで形成される領域１２０Ｓ４とを有する。

また、図３Ｅに示すように、膜部１２０のうち、第１の領域Ｒ１と領域１２０Ｓ１とが重なる領域の上に、複数の歪検知素子１２０が配置される。また、第１の領域Ｒ１と領域１２０Ｓ１とが重なる領域の上に配置された複数の歪検知素子２００のうち少なくとも２つは、点１２０Ｐ２と点１２０Ｐ３を結ぶ線分１２０Ｓ１１に平行な方向における位置が互いに異なる。

次に、図４を参照して、本実施の形態に係る歪検知素子２００の概略的な構成を説明する。図４は、第１の実施の形態に係る歪検知素子２００の構成を示す模式的な斜視図である。図４に示す通り、本実施の形態に係る歪検知素子２００は、第１の磁性層２０１、第２の磁性層２０２、並びに、第１の磁性層２０１及び第２の磁性層２０２の間に設けられた中間層２０３を有する。第１の磁性層２０１及び第２の磁性層２０２は、いずれも磁化を有しており、中間層２０３を介して互いに隔離して配置されている。

歪検知素子２００に歪みが生じると、磁性層２０１及び２０２の少なくとも一方の磁化の方向が、他方の磁化に対し相対的に変化する。これに伴い、磁性層２０１及び２０２の間の電気抵抗値が変化する。従って、この電気抵抗値の変化を検出することによって、歪検知素子２００に生じた歪を検出する事が出来る。

本実施の形態において、第１の磁性層２０１は強磁性体からなり、例えば磁化自由層として機能する。また、第２の磁性層２０２も強磁性体からなり、例えば参照層として機能する。第２の磁性層２０２は、磁化固定層であっても良いし、磁化自由層であっても良い。すなわち、第１の磁性層２０１の磁化の変化は、第２の磁性層２０３の磁化の変化よりも容易にされていればよい。

尚、例えば第１の磁性層２０１を第２の磁性層２０２よりもＸＹ平面内において大きく形成する事も可能である。また、第１の磁性層２０１及び第２の磁性層２０２のうちの一方を分割する事も可能である。

次に、本実施の形態に係る歪検知素子２００の動作を説明する。

図５（ａ）〜図５（ｃ）は、第１の実施の形態に係る歪検知素子２００の動作を例示する模式的斜視図である。
図５（ａ）は、歪検知素子２００に引張の力ｔｓが印加され歪が生じたときの状態（引張状態）に対応する。図５（ｂ）は、歪検知素子２００が歪を有しないときの状態（無歪状態）に対応する。図５（ｃ）は、歪検知素子２００に圧縮の力ｃｓが印加され歪が生じたときの状態（圧縮状態）に対応する。

図５（ａ）〜図５（ｃ）においては、図を見やすくするために、第１の磁性層２０１と、第２の磁性層２０２と、中間層２０３とが描かれている。この例では、第１の磁性層２０１は磁化自由層であり、第２の磁性層２０２は磁化固定層である。

歪検知素子２００が歪センサとして機能する動作は、「逆磁歪効果」と「磁気抵抗効果」との応用に基づく。「逆磁歪効果」は、磁化自由層に用いられる強磁性層において得られる。「磁気抵抗効果」は、磁化自由層と中間層と参照層（例えば磁化固定層）との積層膜において発現する。

「逆磁歪効果」は、強磁性体の磁化が強磁性体に生じた歪によって変化する現象である。すなわち、歪検知素子の積層体に外部歪が印加されると、磁化自由層の磁化方向が変化する。その結果、磁化自由層の磁化と参照層（例えば磁化固定層）の磁化との間の相対角度が変化する。この際に「磁気抵抗効果（ＭＲ効果）」により、電気抵抗の変化が引き起こされる。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。積層体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効果が発現する。例えば、積層体（歪検知素子）に歪が生じ、歪によって磁化自由層の磁化の向きが変化し、磁化自由層の磁化の向きと、参照層（例えば磁化固定層）の磁化の向きと、の相対角度が変化する。すなわち、逆磁歪効果によりＭＲ効果が発現する。

磁化自由層に用いられる強磁性材料が正の磁歪定数を有する場合は、磁化の方向と引張歪の方向との角度が小さくなり、磁化の方向と圧縮歪の方向との角度が大きくなるように、磁化の方向が変化する。磁化自由層に用いられる強磁性材料が負の磁歪定数を有する場合は、磁化の方向と引張歪の方向との角度が大きくなり、磁化の方向と圧縮歪の方向との角度が小さくなるように、磁化の方向が変化する。

磁化自由層と中間層と参照層（例えば磁化固定層）との積層体の材料の組み合わせが正の磁気抵抗効果を有する場合は、磁化自由層と磁化固定層の相対角度が小さい場合に電気抵抗が減少する。磁化自由層と中間層と参照層（例えば磁化固定層）との積層体の材料の組み合わせが負の磁気抵抗効果を有する場合は、磁化自由層と磁化固定層の相対角度が小さい場合に電気抵抗が増大する。

以下、磁化自由層と、参照層（例えば磁化固定層）と、に用いられる強磁性材料が、それぞれ正の磁歪定数を有し、磁化自由層と中間層と参照層（例えば磁化固定層）とを含む積層体が正の磁気抵抗効果を有する場合の例に関して、磁化の変化の例について説明する。

図５（ｂ）に表したように、歪が無い無歪状態ＳＴｏ（例えば初期状態）においては、第１の磁性層（磁化自由層）２０１の磁化と、第２の磁性層（例えば磁化固定層）２０２の磁化と間の相対角度は、所定の値に設定されている。第１磁性層２０１の初期状態の磁性層の磁化の方向は、例えば、ハードバイアス、または、磁性層の形状異方性などにより、設定される。このとき、ハードバイアスによる初期磁化方向設定の例としては、応力が印加される方向に対して略４５度傾いた方向の設定などが好ましい例である。範囲を広げて考えると、３０〜６０度傾いた角度が好ましい。こうすることで、プラスの応力、マイナスの応力、いずれが生じた場合でも線形的に変化する出力信号を得ることができる。この例では、第１磁性層２０１の磁化と、第２磁性層２０２の磁化とは初期状態において互いに交差している。

図５（ａ）に示すように、引張状態ＳＴｔにおいて引張の力ｔｓが印加されると、歪検知素子２００に引張の力ｔｓに応じた歪が生じる。このとき、引張状態ＳＴｔにおける第１磁性層２０１の磁化は、磁化と引張の力ｔｓの方向との間の角度が小さくなるように、無歪状態ＳＴｏから変化する。図５（ａ）に示した例では、引張の力ｔｓが加わった場合は、無歪状態ＳＴｏに比べて、第１磁性層２０１の磁化と、第２磁性層２０２の磁化との間の相対角度が小さくなる。これにより、歪検知素子２００における電気抵抗は、無歪状態ＳＴｏの時の電気抵抗に比べて減少する。

一方、図５（ｃ）に示すように、圧縮状態ＳＴｃにおいて圧縮応の力ｃｓが印加されると、圧縮状態ＳＴｃにおける第１磁性層２０１の磁化は、磁化と圧縮の力ｃｓの方向との角度が大きくなるように、無歪状態ＳＴｏから変化する。

図５（ｃ）に示した例では、圧縮の力ｃｓが加わった場合は、無歪状態ＳＴｏに比べて、第１磁性層２０１の磁化と、第２磁性層２０２の磁化との間の相対角度が大きくなる。これにより、歪検知素子２００における電気抵抗は増大する。

このように、歪検知素子２００においては、歪検知素子２００に生じた歪の変化が歪検知素子２００の電気抵抗の変化に変換される。上記の動作において、単位歪（ｄε）あたりの、電気抵抗の変化量（ｄＲ／Ｒ）をゲージファクタ（ＧＦ：gauge factor）という。ゲージファクタの高い歪検知素子を用いることで高感度な歪センサが得られる。

次に、図６〜図１２を参照して、本実施の形態に係る歪検知素子２００の構成例について説明する。尚、以下において、「材料Ａ／材料Ｂ」の記載は、材料Ａの層の上に、材料Ｂの層が設けられている状態を示す。
図６は、歪検知素子２００の一の構成例２００Ａを示す模式的な斜視図である。図６に示す通り、歪検知素子２００Ａは、下部電極２０４と、下地層２０５と、ピニング層２０６と、第２磁化固定層２０７と、磁気結合層２０８と、第１磁化固定層２０９（第２の磁性層２０２）と、中間層２０３と、磁化自由層２１０（第１の磁性層２０１）と、キャップ層２１１と、上部電極２１２とを下から順に積層してなる。第１磁化固定層２０９は、第２の磁性層２０２に相当する。磁化自由層２１０は、第１の磁性層２０１に相当する。また、下部電極２０４は、例えば配線Ｃ１（図１）に接続されており、上部電極２１２は、例えば配線Ｃ２（図１）に接続されている。ただし、例えば第１の磁性層２０１が分割されている場合には、一方の第１の磁性層２０１に接続された上部電極を配線Ｃ１（図１）に接続し、他方の第１の磁性層２０１に接続された上部電極を配線Ｃ２（図１）に接続しても良い。同様に、例えば第２の磁性層２０２が分割されている場合には、一方の第２の磁性層２０２に接続された下部電極を配線Ｃ１（図１）に接続し、他方の第２の磁性層２０２に接続された下部電極を配線Ｃ２（図１）に接続しても良い。

下地層２０５には、例えば、タンタルとルテニウムの積層膜（Ｔａ／Ｒｕ）が用いられる。このＴａ層の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、３ナノメートル（ｎｍ）である。このＲｕ層の厚さは、例えば、２ｎｍである。ピニング層２０６には、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒＭｎ層が用いられる。第２磁化固定層２０７には、例えば、２．５ｎｍの厚さのＣｏ_７５Ｆｅ_２５層が用いられる。磁気結合層２０８には、例えば、０．９ｎｍの厚さのＲｕ層が用いられる。第１磁化固定層２０９には、例えば、３ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０層が用いられる。中間層２０３には、例えば、１．６ｎｍの厚さのＭｇＯ層が用いられる。磁化自由層２１０には、例えば、４ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０が用いられる。キャップ層２１１には、例えばＴａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。

下部電極２０４及び上部電極２１２には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム銅合金（Ａｌ−Ｃｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及び、金（Ａｕ）の少なくともいずれかが用いられる。下部電極２０４及び上部電極２１２として、このような電気抵抗が比較的小さい材料を用いることで、歪検知素子２００Ａに効率的に電流を流すことができる。下部電極２０４及び上部電極２１２には、非磁性材料を用いることができる。

下部電極２０４及び上部電極２１２は、例えば、下部電極２０４及び上部電極２１２用の下地層（図示せず）と、下部電極２０４及び上部電極２１２用のキャップ層（図示せず）と、それらの間に設けられたＡｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｇ、及び、Ａｕの少なくともいずれかの層とを含んでいてもよい。例えば、下部電極２０４及び上部電極２１２には、タンタル（Ｔａ）／銅（Ｃｕ）／タンタル（Ｔａ）などが用いられる。下部電極２０４及び上部電極２１２の下地層としてＴａを用いることで、例えば、基板２１０と下部電極２０４及び上部電極２１２との密着性が向上する。下部電極２０４及び上部電極２１２用の下地層として、チタン（Ｔｉ）、または、窒化チタン（ＴｉＮ）などを用いてもよい。

下部電極２０４及び上部電極２１２のキャップ層としてＴａを用いることで、そのキャップ層の下の銅（Ｃｕ）などの酸化を防ぐことができる。下部電極２０４及び上部電極２１２用のキャップ層として、チタン（Ｔｉ）、または、窒化チタン（ＴｉＮ）などを用いてもよい。

下地層２０５には、例えば、バッファ層（図示せず）と、シード層（図示せず）とを含む積層構造を用いることができる。このバッファ層は、例えば、下部電極２０４や膜部１２０等の表面の荒れを緩和し、このバッファ層の上に積層される層の結晶性を改善する。バッファ層として、例えば、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかが用いられる。バッファ層として、これらの材料から選択された少なくとも１つの材料を含む合金を用いてもよい。

下地層２０５のうちのバッファ層の厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。バッファ層の厚さは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下がより好ましい。バッファ層の厚さが薄すぎると、バッファ効果が失われる。バッファ層の厚さが厚すぎると、歪検知素子２００Ａの厚さが過度に厚くなる。バッファ層の上にシード層が形成され、そのシード層がバッファ効果を有することができる。この場合、バッファ層は省略してもよい。バッファ層には、例えば、３ｎｍの厚さのＴａ層が用いられる。

下地層２０５のうちのシード層は、このシード層の上に積層される層の結晶配向を制御する。このシード層は、このシード層の上に積層される層の結晶粒径を制御する。このシード層として、ｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方格子構造）、ｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密格子構造）またはｂｃｃ構造（body-centered cubic structure：体心立方格子構造）の金属等が用いられる。

下地層２０５のうちのシード層として、ｈｃｐ構造のルテニウム（Ｒｕ）、または、ｆｃｃ構造のＮｉＦｅ、または、ｆｃｃ構造のＣｕを用いることにより、例えば、シード層の上のスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向にすることができる。シード層には、例えば、２ｎｍの厚さのＣｕ層、または、２ｎｍの厚さのＲｕ層が用いられる。シード層の上に形成される層の結晶配向性を高める場合には、シード層の厚さは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。シード層の厚さは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下がより好ましい。これにより、結晶配向を向上させるシード層としての機能が十分に発揮される。

一方、例えば、シード層の上に形成される層を結晶配向させる必要がない場合（例えば、アモルファスの磁化自由層を形成する場合など）には、シード層は省略してもよい。シード層としては、例えば、２ｎｍの厚さのＣｕ層が用いられる。

ピニング層２０６は、例えば、ピニング層２０６の上に形成される第２磁化固定層２０７（強磁性層）に、一方向異方性（unidirectional anisotropy）を付与して、第２磁化固定層２０７の磁化を固定する。ピニング層２０６には、例えば反強磁性層が用いられる。ピニング層２０６には、例えば、Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｒｕ−Ｍｎ、Ｒｈ−Ｍｎ、Ｒｕ−Ｒｈ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｃｒ−Ｍｎ−ＰｔおよびＮｉ−Ｏよりなる群から選択された少なくともいずれかが用いられる。Ｉｒ−Ｍｎ、Ｐｔ−Ｍｎ、Ｐｄ−Ｐｔ−Ｍｎ、Ｒｕ−Ｍｎ、Ｒｈ−Ｍｎ、Ｒｕ−Ｒｈ−Ｍｎ、Ｆｅ−Ｍｎ、Ｎｉ−Ｍｎ、Ｃｒ−Ｍｎ−ＰｔおよびＮｉ−Ｏにさらに添加元素を加えた合金を用いても良い。十分な強さの一方向異方性を付与するために、ピニング層２０６の厚さは適切に設定される。

ピニング層２０６に接する強磁性層の磁化の固定を行うためには、磁場印加中での熱処理が行われる。熱処理時に印加されている磁場の方向にピニング層２０６に接する強磁性層の磁化が固定される。アニール温度は、例えば、ピニング層２０６に用いられる反強磁性材料の磁化固着温度以上とする。また、Ｍｎを含む反強磁性層を用いる場合、ピニング層２０６以外の層にＭｎが拡散してＭＲ変化率を低減する場合がある。よってＭｎの拡散が起こる温度以下に設定することが望ましい。例えば２００度（℃）以上、５００度（℃）以下とすることができる。好ましくは、２５０度（℃）以上、４００度（℃）以下とすることができる。

ピニング層２０６として、ＰｔＭｎまたはＰｄＰｔＭｎが用いられる場合には、ピニング層２０６の厚さは、８ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。ピニング層２０６の厚さは、１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下がより好ましい。ピニング層２０６としてＩｒＭｎを用いる場合には、ピニング層２０６としてＰｔＭｎを用いる場合よりも薄い厚さで、一方向異方性を付与することができる。この場合には、ピニング層２０６の厚さは、４ｎｍ以上１８ｎｍ以下が好ましい。ピニング層２０６の厚さは、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下がより好ましい。ピニング層２０６には、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒ_２２Ｍｎ_７８層が用いられる。

ピニング層２０６として、ハード磁性層を用いてもよい。ハード磁性層として、例えば、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｐｄなどの磁気異方性および保磁力が比較的高いハード磁性材料が用いられる。また、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｐｄにさらに添加元素を加えた合金を用いても良い。例えば、ＣｏＰｔ（Ｃｏの比率は、５０ａｔ．％以上８５ａｔ．％以下）、（Ｃｏ_ｘＰｔ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｃｒ_ｙ（ｘは、５０ａｔ．％以上８５ａｔ．％以下であり、ｙは、０ａｔ．％以上４０ａｔ．％以下）、または、ＦｅＰｔ（Ｐｔの比率は、４０ａｔ．％以上６０ａｔ．％以下）などを用いてもよい。

第２磁化固定層２０７には、例えば、Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下）、Ｎｉ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下）、または、これらに非磁性元素を添加した材料が用いられる。第２磁化固定層２０７として、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉよりなる群から選択された少なくともいずれかが用いられる。第２磁化固定層２０７として、これらの材料から選択された少なくとも１つの材料を含む合金を用いても良い。第２磁化固定層２０７として、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙ合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下であり、ｙは、０ａｔ．％以上３０ａｔ．％以下）を用いることもできる。第２磁化固定層２０７として、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙのアモルファス合金を用いることで、歪検知素子のサイズが小さい場合にも、歪検知素子１００ａの特性のばらつきを抑えることができる。

第２磁化固定層２０７の厚さは、例えば、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。これにより、例えば、ピニング層２０６による一方向異方性磁界の強度をより強くすることができる。例えば、第２磁化固定層２０７の上に形成される磁気結合層を介して、第２磁化固定層２０７と第１磁化固定層２０９との間の反強磁性結合磁界の強度をより強くすることができる。例えば、第２磁化固定層２０７の磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓと厚さｔとの積（Ｂｓ・ｔ））は、第１磁化固定層２０９の磁気膜厚と、実質的に等しいことが好ましい。

薄膜でのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０の飽和磁化は、約１．９Ｔ（テスラ）である。例えば、第１磁化固定層２０９として、３ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０層を用いると、第１磁化固定層２０９の磁気膜厚は、１．９Ｔ×３ｎｍであり、５．７Ｔｎｍとなる。一方、Ｃｏ_７５Ｆｅ_２５の飽和磁化は、約２．１Ｔである。上記と等しい磁気膜厚が得られる第２磁化固定層２０７の厚さは、５．７Ｔｎｍ／２．１Ｔであり、２．７ｎｍとなる。この場合、第２磁化固定層２０７には、約２．７ｎｍの厚さのＣｏ_７５Ｆｅ_２５層を用いることが好ましい。第２磁化固定層２０７として、例えば、２．５ｎｍの厚さのＣｏ_７５Ｆｅ_２５層が用いられる。

歪検知素子２００Ａにおいては、第２磁化固定層２０７と磁気結合層２０８と第１磁化固定層２０９とにより、シンセティックピン構造が用いられている。その代わりに、１層の磁化固定層からなるシングルピン構造を用いても良い。シングルピン構造を用いる場合には、磁化固定層として、例えば、３ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０層が用いられる。シングルピン構造の磁化固定層に用いる強磁性層として、上述した第２磁化固定層２０７の材料と同じ材料を用いても良い。

磁気結合層２０８は、第２磁化固定層２０７と第１磁化固定層２０９との間において、反強磁性結合を生じさせる。磁気結合層２０８は、シンセティックピン構造を形成する。磁気結合層２０８の材料として、例えば、Ｒｕが用いられる。磁気結合層２０８の厚さは、例えば、０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下であることが好ましい。第２磁化固定層２０７と第１磁化固定層２０９との間に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば、磁気結合層２０８としてＲｕ以外の材料を用いても良い。磁気結合層２０８の厚さは、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）結合のセカンドピーク（２ｎｄピーク）に対応する０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下の厚さに設定することができる。さらに、磁気結合層２０８の厚さは、ＲＫＫＹ結合のファーストピーク（１ｓｔピーク）に対応する０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚さに設定しても良い。磁気結合層２０８の材料として、例えば、０．９ｎｍの厚さのＲｕが用いられる。これにより、高信頼性の結合がより安定して得られる。

第１磁化固定層２０９（第２の磁性層２０２）に用いられる磁性層は、ＭＲ効果に直接的に寄与する。第１磁化固定層２０９として、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金が用いられる。具体的には、第１磁化固定層２０９として、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙ合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下であり、ｙは、０ａｔ．％以上３０ａｔ．％以下）を用いることもできる。第１磁化固定層２０９として、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙのアモルファス合金を用いた場合には、例えば、歪検知素子２００Ａのサイズが小さい場合においても、結晶粒に起因した素子間のばらつきを抑えることができる。

第１磁化固定層２０９の上に形成される層（例えばトンネル絶縁層（図示せず））を平坦化することができる。トンネル絶縁層の平坦化により、トンネル絶縁層の欠陥密度を減らすことができる。これにより、より低い面積抵抗で、より大きいＭＲ変化率が得られる。例えば、トンネル絶縁層の材料としてＭｇＯを用いる場合には、第１磁化固定層２０９として、（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙのアモルファス合金を用いることで、Ｃｏ _ｘ Ｆｅ _{１００−ｘ} ） _{１００−ｙ} Ｂ _ｙ のアモルファス合金の上に形成されるＭｇＯ層の（１００）配向性を強めることができる。ＭｇＯ層の（１００）配向性をより高くすることで、より大きいＭＲ変化率が得られる。（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙ合金は、アニール時にＭｇＯ層の（１００）面をテンプレートとして結晶化する。このため、ＭｇＯと（Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｂ_ｙ合金との良好な結晶整合が得られる。良好な結晶整合を得ることで、より大きいＭＲ変化率が得られる。
第１磁化固定層２０９として、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金以外に、例えば、Ｆｅ−Ｃｏ合金を用いてもよい。

第１磁化固定層２０９がより厚いと、より大きなＭＲ変化率が得られる。より大きな固定磁界を得るためには、第１磁化固定層２０９は、薄いほうが好ましい。ＭＲ変化率と固定磁界との間には、第１磁化固定層２０９の厚さにおいてトレードオフの関係が存在する。第１磁化固定層２０９としてＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を用いる場合には、第１磁化固定層２０９の厚さは、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。第１磁化固定層２０９の厚さは、２．０ｎｍ以上４ｎｍ以下がより好ましい。

第１磁化固定層２０９には、上述した材料の他に、ｆｃｃ構造のＣｏ_９０Ｆｅ_１０合金、または、ｈｃｐ構造のＣｏ、または、ｈｃｐ構造のＣｏ合金が用いられる。第１磁化固定層２０９として、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉよりなる群から選択された少なくとも１つが用いられる。第１磁化固定層２０９として、これらの材料から選択された少なくとも１つの材料を含む合金が用いられる。第１磁化固定層２０９として、ｂｃｃ構造のＦｅＣｏ合金材料、５０％以上のコバルト組成を含むＣｏ合金、または、５０％以上のＮｉ組成の材料（Ｎｉ合金）を用いることで、例えば、より大きなＭＲ変化率が得られる。

第１磁化固定層２０９として、例えば、Ｃｏ_２ＭｎＧｅ、Ｃｏ_２ＦｅＧｅ、Ｃｏ_２ＭｎＳｉ、Ｃｏ_２ＦｅＳｉ、Ｃｏ_２ＭｎＡｌ、Ｃｏ_２ＦｅＡｌ、Ｃｏ_２ＭｎＧａ_０．５Ｇｅ_０．５、及び、Ｃｏ_２ＦｅＧａ_０．５Ｇｅ_０．５などのホイスラー磁性合金層を用いることもできる。例えば、第１磁化固定層２０９として、例えば、３ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０層が用いられる。

中間層２０３は、例えば、第１の磁性層２０１と第２の磁性層２０２との磁気的な結合を分断する。中間層２０３の材料には、例えば、金属、絶縁体または半導体が用いられる。金属としては、例えば、Ｃｕ、ＡｕまたはＡｇ等が用いられる。中間層２０３として金属を用いる場合、中間層の厚さは、例えば、１ｎｍ以上７ｎｍ以下程度である。この絶縁体または半導体としては、例えば、マグネシウム酸化物（ＭｇＯ等）、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３等）、チタン酸化物（ＴｉＯ等）、亜鉛酸化物（ＺｎＯ等）、または、ガリウム酸化物（Ｇａ−Ｏ）などが用いられる。中間層２０３として絶縁体または半導体を用いる場合は、中間層２０３の厚さは、例えば０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下程度である。中間層２０３として、例えば、ＣＣＰ（Current-Confined-Path）スペーサ層を用いてもよい。スペーサ層としてＣＣＰスペーサ層を用いる場合には、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の絶縁層中に銅（Ｃｕ）メタルパスが形成された構造が用いられる。例えば、中間層として、１．６ｎｍの厚さのＭｇＯ層が用いられる。

磁化自由層２１０（第１の磁性層２０１）には、強磁性体材料が用いられる。磁化自由層２１０には、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉを含む強磁性体材料を用いることができる。磁化自由層２１０の材料として、例えばＦｅＣｏ合金、ＮｉＦｅ合金等が用いられる。さらに、磁化自由層２１０には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金、λｓ（磁歪定数）が大きいＦｅ−Ｇａ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｇａ合金、Ｔｂ−Ｍ−Ｆｅ合金、Ｔｂ−Ｍ１−Ｆｅ−Ｍ２合金、Ｆｅ−Ｍ３−Ｍ４−Ｂ合金、Ｎｉ、Ｆｅ−Ａｌ、または、フェライト等が用いられる。前述したＴｂ−Ｍ−Ｆｅ合金において、Ｍは、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ及びＥｒよりなる群から選択された少なくとも１つである。前述したＴｂ−Ｍ１−Ｆｅ−Ｍ２合金において、Ｍ１は、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｄｙ、Ｈｏ及びＥｒよりなる群から選択された少なくとも１つである。Ｍ２は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ及びＴａよりなる群から選択された少なくとも１つである。前述したＦｅ−Ｍ３−Ｍ４−Ｂ合金において、Ｍ３は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｗ及びＴａよりなる群から選択された少なくとも１つである。Ｍ４は、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ及びＥｒよりなる群から選択された少なくとも１つである。前述したフェライトとしては、Ｆｅ_３Ｏ_４、（ＦｅＣｏ）_３Ｏ_４などが挙げられる。磁化自由層２１０の厚さは、例えば２ｎｍ以上である。

磁化自由層２１０には、ホウ素を含有した磁性材料が用いられてよい。磁化自由層２１０には、例えば、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選択される少なくとも一つの元素と、ホウ素（Ｂ）とを含む合金が用いられてもよい。例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金やＦｅ−Ｂ合金を用いることができる。例えば、Ｃｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０合金を用いることができる。磁化自由層２１０に、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選択される少なくとも一つの元素と、ホウ素（Ｂ）とを含む合金を用いる場合、高磁歪を促進する元素として、Ｇａ、Ａｌ、Ｓｉ、または、Ｗなどを添加してもよい。例えば、Ｆｅ−Ｇａ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｇａ−Ｂ合金、または、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を用いてもよい。このようなホウ素を含有する磁性材料を用いることで磁化自由層２１０の保磁力（Ｈｃ）が低くなり、歪に対する磁化方向の変化が容易となる。これにより、高い歪感度を得ることができる。

磁化自由層２１０におけるホウ素濃度（例えば、ホウ素の組成比）は、５ａｔ．％（原子パーセント）以上が好ましい。これにより、アモルファス構造が得易くなる。磁化自由層におけるホウ素濃度は、３５ａｔ．％以下が好ましい。ホウ素濃度が高すぎると、例えば、磁歪定数が減少する。磁化自由層におけるホウ素濃度は、例えば、５ａｔ．％以上３５ａｔ．％以下が好ましく、１０ａｔ．％以上３０ａｔ．％以下がさらに好ましい。

磁化自由層２１０の磁性層の一部に、Ｆｅ_１−ｙＢ_ｙ（０＜ｙ≦０．３）、または（Ｆｅ_ａＸ_１−ａ）_１−ｙＢ_ｙ（Ｘ＝ＣｏまたはＮｉ、０．８≦ａ＜１、０＜ｙ≦０．３）用いる場合、大きい磁歪定数λと低い保磁力を両立することが容易となるため、高いゲージファクタを得る観点で特に好ましい。例えば、磁化自由層２１０として、Ｆｅ_８０Ｂ_２０（４ｎｍ）を用いることができる。磁化自由層として、Ｃｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０（０．５ｎｍ）／Ｆｅ_８０Ｂ_２０（４ｎｍ）を用いることができる。

磁化自由層２１０は多層構造を有してもよい。中間層２０３としてＭｇＯのトンネル絶縁層を用いる場合には、磁化自由層２１０のうちの中間層２０３に接する部分には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の層を設けることが好ましい。これにより、高い磁気抵抗効果が得られる。この場合、中間層２０３の上には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の層が設けられ、そのＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の層の上には、磁歪定数の大きい他の磁性材料が設けられる。磁化自由層２１０が多層構造を有する場合、磁化自由層２１０には、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ（２ｎｍ）／Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ（４ｎｍ）などが用いられる。

キャップ層２１１は、キャップ層２１１の下に設けられる層を保護する。キャップ層２１１には、例えば、複数の金属層が用いられる。キャップ層２１１には、例えば、Ｔａ層とＲｕ層との２層構造（Ｔａ／Ｒｕ）が用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば１ｎｍであり、このＲｕ層の厚さは、例えば５ｎｍである。キャップ層２１１として、Ｔａ層やＲｕ層の代わりに他の金属層を設けてもよい。キャップ層２１１の構成は、任意である。例えば、キャップ層２１１として、非磁性材料を用いることができる。キャップ層２１１の下に設けられる層を保護可能なものであれば、キャップ層２１１として、他の材料を用いても良い。

磁化自由層２１０にホウ素を含有する磁性材料を用いる場合、ホウ素の拡散を防ぐために、図示しない酸化物材料や窒化物材料の拡散防止層を磁化自由層２１０とキャップ層２１１との間に設けても良い。酸化物層または窒化物層からなる拡散防止層を用いることにより、磁化自由層２１０に含まれるホウ素の拡散を抑制し、磁化自由層２１１のアモルファス構造を保つことができる。拡散防止層に用いる酸化物材料や窒化物材料として、具体的には、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ｇａなどの元素を含む酸化物材料や窒化物材料を用いることができる。

ここで、拡散防止層は、磁気抵抗効果には寄与しない層のため、その面積抵抗は低いほうが好ましい。例えば、拡散防止層の面積抵抗は、磁気抵抗効果に寄与する中間層の面積抵抗よりも低く設定することが好ましい。拡散防止層の面積抵抗を下げる観点では、バリアハイトの低いＭｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｄ、Ｇａの酸化物または窒化物が好ましい。ホウ素の拡散を抑制する機能としては、より化学結合の強い酸化物のほうが好ましい。例えば、１．５ｎｍのＭｇＯを用いることができる。また、酸窒化物は酸化物か窒化物のいずれかと見なすことができる。

拡散防止層に酸化物材料又は窒化物材料を用いる場合、拡散防止層の膜厚は、ホウ素の拡散防止機能を十分に発揮する観点で０．５ｎｍ以上が好ましく、面積抵抗を低くする観点で５ｎｍ以下が好ましい。つまり、拡散防止層の膜厚は、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以上３ｎｍ以下が好ましい。

拡散防止層として、マグネシウム（Ｍｇ）、シリコン（Ｓｉ）及びアルミニウム（Ａｌ）よりなる群から選択された少なくともいずれかを用いることができる。拡散防止層として、これらの軽元素を含む材料を用いることができる。これらの軽元素は、ホウ素と結合して化合物を生成する。拡散防止層と磁化自由層２１０との界面を含む部分に、例えば、Ｍｇ−Ｂ化合物、Ａｌ−Ｂ化合物、及び、Ｓｉ−Ｂ化合物の少なくともいずれかが形成される。これらの化合物が、ホウ素の拡散を抑制する。

拡散防止層と磁化自由層２１０との間に他の金属層などが挿入されていてもよい。ただし、拡散防止層と磁化自由層２１０との距離が離れすぎていると、その間でホウ素が拡散して磁化自由層２１０中のホウ素濃度が下がってしまうため、拡散防止層と磁化自由層２１０との間の距離は、１０ｎｍ以下が好ましく３ｎｍ以下がさらに好ましい。

図７は、歪検知素子２００Ａの構成例を示す模式的な斜視図である。図７に例示したように、歪検知素子２００Ａは、下部電極２０４と上部電極２１２との間に充填された絶縁層（絶縁部分）２１３を備えていても良い。

絶縁層２１３には、例えば、アルミニウム酸化物（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）、または、シリコン酸化物（例えば、ＳｉＯ_２）などを用いることができる。絶縁層２１３により、歪検知素子２００Ａのリーク電流を抑制することができる。

図８は、歪検知素子２００Ａの他の構成例を示す模式的な斜視図である。図８に例示したように、歪検知素子２００Ａは、下部電極２０４と上部電極２１２との間に、互いに離間して設けられた２つのハードバイアス層（ハードバイアス部分）２１４と、下部電極２０４とハードバイアス層２１４の間に充填された絶縁層２１３を備えていても良い。

ハードバイアス層２１４は、ハードバイアス層２１４の磁化により、磁化自由層２１０（第１の磁性層２０１）の磁化方向を所望の方向に設定する。ハードバイアス層２１４により、外部からの圧力が膜部に印加されていない状態において、磁化自由層２１０（第１の磁性層２０１）の磁化方向を所望の方向に設定することができる。

ハードバイアス層２１４には、例えば、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｐｄなどの磁気異方性および保磁力が比較的高いハード磁性材料が用いられる。また、Ｃｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｐｄにさらに添加元素を加えた合金を用いても良い。例えば、ＣｏＰｔ（Ｃｏの比率は、５０ａｔ．％以上８５ａｔ．％以下）、（Ｃｏ_ｘＰｔ_{１００−ｘ}）_{１００−ｙ}Ｃｒ_ｙ（ｘは５０ａｔ．％以上８５ａｔ．％以下、ｙは０ａｔ．％以上４０ａｔ．％以下）、または、ＦｅＰｔ（Ｐｔの比率は４０ａｔ．％以上６０ａｔ．％以下）などが用いられてもよい。このような材料を用いる場合、ハードバイアス層２１４の磁化の方向は、ハードバイアス層２１４の保磁力よりも大きい外部磁界を加えることで、外部磁界を加えた方向に設定（固定）することができる。ハードバイアス層２１４の厚さ（例えば、下部電極２０４から上部電極に向かう方向に沿った長さ）は、例えば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。

下部電極２０４と上部電極２１２の間に絶縁層２１３を配置する場合、絶縁層２１３の材料として、ＳｉＯ_ｘやＡｌＯ_ｘを用いることができる。さらに、絶縁層２１３とハードバイアス層２１４の間に、図示しない下地層を設けてもよい。ハードバイアス層２１４にＣｏ−Ｐｔ、Ｆｅ−Ｐｔ、Ｃｏ−Ｐｄ、Ｆｅ−Ｐｄなどの磁気異方性および保磁力が比較的高いハード磁性材料を用いる場合には、ハードバイアス層２１４用の下地層の材料として、ＣｒやＦｅ−Ｃｏなどを用いることができる。上記のハードバイアス層２１４は、後述するいずれの歪検知素子にも適用できる。

ハードバイアス層２１４は、図示しないハードバイアス層用ピニング層に積層された構造を有していてもよい。この場合、ハードバイアス層２１４とハードバイアス層用ピニング層の交換結合により、ハードバイアス層２１４の磁化の方向を設定（固定）できる。この場合、ハードバイアス層２１４には、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉの少なくともいずれか、または、これらの少なくとも１種を含む合金からなる強磁性材料を用いることができる。この場合、ハードバイアス層２１４には、例えば、Ｃｏ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}合金（ｘは０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下）、Ｎｉ_ｘＦｅ_{１００−ｘ}合金（ｘは０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下）、または、これらに非磁性元素を添加した材料が用いることができる。ハードバイアス層２１４として、前述した第１磁化固定層２０９と同様の材料を用いることができる。また、ハードバイアス層用ピニング層には、前述した歪検知素子２００Ａ中のピニング層２０６と同様の材料を用いることができる。また、ハードバイアス層用ピニング層を設ける場合、下地層２０５に用いる材料と同様の下地層をハードバイアス層用ピニング層の下に設けても良い。また、ハードバイアス層用ピニング層は、ハードバイアス層の下部に設けても良いし、上部に設けても良い。この場合のハードバイアス層２１４の磁化方向は、ピニング層２０６と同様に、磁界中熱処理により決定することができる。

上記のハードバイアス層２１４及び絶縁層２１３は、本実施の形態に記載する歪検知素子２００Ａのいずれにも適用できる。また、上述したようなハードバイアス層２１４とハードバイアス層用ピニング層の積層構造を用いた場合、瞬間的に大きい外部磁界がハードバイアス層２１４に加わった場合においても、ハードバイアス層２１４の磁化の向きを容易に保持することが出来る。

図９は、歪検知素子２００の他の構成例２００Ｂを示す模式的な斜視図である。歪検知素子２００Ｂは、歪検知素子２００Ａと異なり、トップスピンバルブ型の構造となっている。即ち、図９に示す通り、歪検知素子２００Ｂは、下部電極２０４と、下地層２０５と、磁化自由層２１０（第１の磁性層２０１）と、中間層２０３と、第１磁化固定層２０９（第２の磁性層２０２）と、磁気結合層２０８と、第２磁化固定層２０７と、ピニング層２０６と、キャップ層２１１と、上部電極２１２とを下から順に積層してなる。第１磁化固定層２０９は、第２の磁性層２０２に相当する。磁化自由層２１０は、第１の磁性層２０１に相当する。また、下部電極２０４は、例えば配線Ｃ１（図１）に接続されており、上部電極２１２は、例えば配線Ｃ２（図１）に接続されている。

下地層２０５には、例えば、タンタルと銅の積層膜（Ｔａ／Ｃｕ）が用いられる。このＴａ層の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、３ｎｍである。このＣｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。磁化自由層２１０には、例えば、４ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０が用いられる。中間層２０３には、例えば、１．６ｎｍの厚さのＭｇＯ層が用いられる。第１磁化固定層２０９には、例えば、Ｃｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０／Ｆｅ_５０Ｃｏ_５０が用いられる。このＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０層の厚さは、例えば２ｎｍである。このＦｅ_５０Ｃｏ_５０層の厚さは、例えば１ｎｍである。磁気結合層２０８には、例えば、０．９ｎｍの厚さのＲｕ層が用いられる。第２磁化固定層２０７には、例えば、２．５ｎｍの厚さのＣｏ_７５Ｆｅ_２５層が用いられる。ピニング層２０６には、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒＭｎ層が用いられる。キャップ層２１１には、例えばＴａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。

上述したボトムスピンバルブ型の歪検知素子２００Ａにおいては、第１磁化固定層２０９（第２の磁性層２０２）が磁化自由層２１０（第１の磁性層２０１）よりも下（−Ｚ軸方向）に形成されている。これに対し、トップスピンバルブ型の歪検知素子２００Ｂにおいては、第１磁化固定層２０９（第２の磁性層２０２）が磁化自由層２１０（第１の磁性層２０１）よりも上（＋Ｚ軸方向）に形成されている。従って、歪検知素子２００Ｂに含まれる各層の材料は、歪検知素子２００Ａに含まれる各層の材料を上下反転させて用いることができる。また、上述した拡散防止層を、歪検知素子２００Ｂの下地層２０５と磁化自由層２１０の間に設けることができる。

図１０は、歪検知素子２００の他の構成例２００Ｃを示す模式的な斜視図である。歪検知素子２００Ｃは、単一の磁化固定層を用いたシングルピン構造が適用されている。即ち、図１０に示す通り、歪検知素子２００Ｃは、下部電極２０４と、下地層２０５と、ピニング層２０６と、第１磁化固定層２０９（第２の磁性層２０２）と、中間層２０３と、磁化自由層２１０（第１の磁性層２０１）と、キャップ層２１１とを順に積層してなる。第１磁化固定層２０９は、第２の磁性層２０２に相当する。磁化自由層２１０は、第１の磁性層２０１に相当する。また、下部電極２０４は、例えば配線Ｃ１（図１）に接続されており、上部電極２１２は、例えば配線Ｃ２（図１）に接続されている。

下地層２０５には、例えば、Ｔａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、３ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、２ｎｍである。ピニング層２０６には、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒＭｎ層が用いられる。第１磁化固定層２０９には、例えば、３ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０層が用いられる。中間層２０３には、例えば、１．６ｎｍの厚さのＭｇＯ層が用いられる。磁化自由層２１０には、例えば、４ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０が用いられる。キャップ層２１１には、例えばＴａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。
歪検知素子２００Ｃの各層の材料は、歪検知素子２００Ａの各層の材料と同様のものを用いることができる。

図１１は、歪検知素子２００の他の構成例２００Ｄを示す模式的な斜視図である。図１１に示す通り、歪検知素子２００Ｄは、下部電極２０４と、下地層２０５と、下部ピニング層２２１と、下部第２磁化固定層２２２と、下部磁気結合層２２３と、下部第１磁化固定層２２４と、下部中間層２２５と、磁化自由層２２６と、上部中間層２２７と、上部第１磁化固定層２２８と、上部磁気結合層２２９と、上部第２磁化固定層２３０と、上部ピニング層２３１と、キャップ層２１１とを順に積層してなる。下部第１磁化固定層２２４及び上部第１磁化固定層２２８は、第２の磁性層２０２に相当する。磁化自由層２２６は、第１の磁性層２０１に相当する。また、下部電極２０４は、例えば配線Ｃ１（図１）に接続されており、上部電極２１２は、例えば配線Ｃ２（図１）に接続されている。

下地層２０５には、例えば、Ｔａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、３ナノメートル（ｎｍ）である。このＲｕ層の厚さは、例えば、２ｎｍである。下部ピニング層２２１には、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒＭｎ層が用いられる。下部第２磁化固定層２２２には、例えば、２．５ｎｍの厚さのＣｏ_７５Ｆｅ_２５層が用いられる。下部磁気結合層２２３には、例えば、０．９ｎｍの厚さのＲｕ層が用いられる。下部第１磁化固定層２２４には、例えば、３ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０層が用いられる。下部中間層２２５には、例えば、１．６ｎｍの厚さのＭｇＯ層が用いられる。磁化自由層２２６には、例えば、４ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０が用いられる。上部中間層２２７には、例えば、１．６ｎｍの厚さのＭｇＯ層が用いられる。上部第１磁化固定層２２８には、例えば、Ｃｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０／Ｆｅ_５０Ｃｏ_５０が用いられる。このＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０層の厚さは、例えば２ｎｍである。このＦｅ_５０Ｃｏ_５０層の厚さは、例えば１ｎｍである。上部磁気結合層２２９には、例えば、０．９ｎｍの厚さのＲｕ層が用いられる。上部第２磁化固定層２３０には、例えば、２．５ｎｍの厚さのＣｏ_７５Ｆｅ_２５層が用いられる。上部ピニング層２３１には、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒＭｎ層が用いられる。キャップ層２１１には、例えばＴａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。
歪検知素子２００Ｄの各層の材料は、歪検知素子２００Ａの各層の材料と同様のものを用いることができる。

図１２は、歪検知素子２００の一の構成例２００Ｅを示す模式的な斜視図である。図１２に示す通り、歪検知素子２００Ｅは、下部電極２０４と、下地層２０５と、第１磁化自由層２４１（第１の磁性層２０１）と、中間層２０３と、第２磁化自由層２４２（第２の磁性層２０２）と、キャップ層２１１と、上部電極２１２とを順に積層してなる。第１磁化自由層２４１は、第１の磁性層２０１に相当する。第２磁化自由層２４２は、第２の磁性層２０２に相当する。また、下部電極２０４は、例えば配線Ｃ１（図１）に接続されており、上部電極２１２は、例えば配線Ｃ２（図１）に接続されている。

下地層２０５には、例えば、Ｔａ／Ｃｕが用いられる。このＴａ層の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、３ｎｍである。このＣｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。第１磁化自由層２４１には、例えば、４ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０が用いられる。中間層２０３には、例２には、例えば、４ｎｍの厚さのＣｏ_４０Ｆｅ_４０Ｂ_２０が用いられる。キャップ層２１１には、例えばＣｕ／Ｔａ／Ｒｕが用いられる。このＣｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。このＴａ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。

歪検知素子２００Ｅの各層の材料は、歪検知素子２００Ａの各層の材料と同様のものを用いることができる。また、第１磁化自由層２４１及び第２磁化自由層２４２の材料としては、例えば歪検知素子２００Ａ（図６）の磁化自由層２１０と同様のものを用いても良い。

（第１の実施の形態の効果）
この第１の実施の形態の膜部１２０（振動部１２１、及び被支持部１２２）は、いずれもアルミニウム（Ａｌ）を含む酸化物（一例としては、酸化アルミニウム）により形成されている。前述のように、空洞部１１１は、基板１１０に対してエッチングを施して膜部１２０が露出するまで基板１１０を加工することで形成される。しかしその際、膜部１２０がエッチングされてしまうと、その度合によっては、露出した膜部１２０の膜厚が場所によって異なってしまい、これにより膜部１２０に関し所望の特性が得られず、これが圧力センサ１１０Ａの精度の低下に繋がるという問題がある。この問題を、図１３Ａ〜図１７を参照して説明する。

図１３Ａは、第１の実施の形態の圧力センサ１１０Ａの空洞部１１１の加工工程での問題点を示す模式図である。図示の簡単化のため、膜部１２０の上には検知素子２００のみを表示し、配線等は表示していない。

空洞部１１１は深堀りRIE法により基板１１０をエッチングすることで形成される。加工の際、エッチングガスと基板１１０が接し化学反応を起こすことでエッチングが進む。

空洞部１１１の加工が進み、空洞部の深さが深くなると空洞部１１１の底部におけるエッチングガス７２の届きやすさに差が生じる。一般には空洞部１１１の中央部に比べ端部ではエッチングガス７２が届きにくくなる。

上記のように空洞部１１１の加工時に空洞部１１１の底部でエッチングガス７２の届きやすさに差が生じるため、エッチングの速度にも空洞部１１１の底部の位置によって差が生じる。結果として、例えば空洞部１１１の底部において、中央部に比べ端部にエッチングガス７２が届きにくければ、空洞部１１１加工後の膜部１２０は、図１３Ｂのように中心部の膜厚Ｔｃは端部の膜厚Ｔｂと比較して薄くなる。

膜部１２０の端部の被支持部１２２は基板１１０の上面において固定されているため、図１４に示すように空洞部１１１側から印加圧力が加わり膜部１２０の中央部が凸形状に変形した場合、その端部は凹形状に変形する。そのため、膜部１２０の形状の変化によって歪検知素子２００に加わる力は点１２０ｃを境に向きが反転する。膜部１２０と基板１１０の境界点１２０ｄから点１２０ｃまでの狭い範囲で力Ｐｓは大きな値を示す。さらに、点１２０ｄと点１２０ｃの間でも膜部１２０の変形により歪検知素子２００に加わる力の大きさには分布があり、最も力が大きくなる非常に狭い領域１２０eが存在する。

本実施の形態の歪検知素子２００は、通常のピエゾ素子を使った歪検知素子と比較して体積が小さいため優れた空間分解能を持つ。そのため、歪検知素子２００は図１４に示すように、膜部１２０上で歪検知素子２００に加わる力の値が大きくなる点である１２０ｃと点１２０ｄの間の領域１２０ｅ上にピンポイントに配置することが可能で、これにより歪検知素子２００の性能を最大限に使用し圧力センサの感度を上げることができる。

上述のように、スピン技術を用いた歪検知素子を用いることで、従来のピエゾ圧電素子を歪検知素子として用いた場合よりも優れた性能を示すことができる。しかし、圧力によって撓む膜部にアルミニウム酸化物を用いた本発明の技術は、ピエゾ圧電素子を用いた場合にも改善効果を発揮する。具体的には、図１８、図２２、図２３のような実施形態の膜部１２０の上に、ピエゾ圧電素子として、ＰＺＴ、ＡｌＮなどのように、歪が印加されたときに絶縁性材料の電子の分極効果により電圧が発生する素子を用いることができる。この場合にも、本発明のアルミニウム酸化物の膜部１２０は改善効果を示す。

膜部１２０上でどの部分が領域１２０ｅになるかは、理論計算によって知ることが出来る。理論計算を行う際に膜部１２０のモデルには膜厚が均一な構造が用いられる。しかし、実際には図１３Ｂのように膜部１２０の膜厚には分布が存在する。このとき膜部１２０の実際の形状が計算に利用したモデルよりも大きく異なっていた場合、膜部１２０上の領域１２０ｅの位置は、理論計算によって導かれた位置からずれてしまう。結果、歪検知素子２００の性能を最大限に使用することができず実施形態の圧力センサは性能を十分に引き出すことが出来なくなってしまう。そのため、膜部１２０の形状は理論計算のモデルに近い、膜厚が均一な状態に近づけなくてはならない。一例として、膜部１２０の最小膜厚Ｔｃと最大膜厚Ｔｅの比（Ｔｃ/Ｔｅ）は例えば０．９以上、好ましくは０．９５以上とすることが出来る。

膜部１２０の形状を、膜厚が均一な形状とするためには、空洞部１１１形成時の深堀りＲＩＥに対する膜部１２０の耐性を高める必要がある。図１５（a）〜（ｂ）は、基板１１０をエッチングして空洞部１１１を形成する場合の製造工程を示している。

深堀りＲＩＥにより基板１１０を加工し空洞部１１１を形成する場合、図１５（ａ）に示すように、基板１１０の深堀りＲＩＥに対する耐性は低いためエッチングガスの届きやすさの違いにより空洞部１１１の深さが位置によって大きく異なってしまう。図１５（ａ）は、一例として空洞部１１１の中心部の方が空洞部１１１の端部よりエッチングガス７２が届きやすく、結果としてエッチングが早く、空洞部１１１の深さも深くなる場合を示している。このとき、空洞部１１１の最も浅い部分の深さと、最も深い部分の深さの差をｈｃ１とする。

例えば空洞部１１１の中央部でエッチングが膜部１２０の下面まで到達したとしても、振動部１２１が機能を果たすためには、残渣部１１１Ｒもエッチングにより除去されなければならない。しかし、この残渣部１１１Ｒをエッチング除去しようとする場合、図１５（ｂ）に示すように、残渣部１１１Ｒ以外に、空洞部１１１の中央部付近の膜部１２０も一部エッチングされてしまう。すなわち、膜部１２０の膜厚は均一ではなく、位置によって膜厚差ｈｃ３が生じることとなる。これは、前述した通り、圧力センサの感度の観点からは好ましくない。

そこで、本実施の形態では、膜部１２０（振動部１２１、及び被支持部１２２）は、いずれもアルミニウム（Ａｌ）を含む酸化物（一例としては、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ））により形成される単一の膜とされている。アルミニウムを含む酸化物は、基板１１０を構成するシリコン等との関係で高いエッチングレートを有する。膜部１２０を単一のアルミニウムを含む酸化物で形成する場合、膜部の厚さは１００ｎｍ以上２μｍ以下とすることができる。

図１６Ａは、シリコンに対する選択比を示す表である。シリコンと試料Ａに対し同条件でＲＩＥを用いたエッチングを行った場合、試料Ａのエッチング量がシリコンの１／Ｘ倍となる場合、試料Ａのシリコンに対する選択比をＸとする。シリコンに対する選択比を、上記のように定義した場合、シリコン酸化膜（ＳｉＯx）及び酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）のシリコンに対する選択比は、図１６Ａに示すようになる。図１６Ａに示す通り、酸化アルミニウムは、シリコンに対し１０５０という高い選択比を示す。

このため、膜部１２０を酸化アルミニウムにより構成した場合、残渣部１１１Ｒをエッチングにより除去し領域Ｒ１で膜部１２０が露出するまで空洞部１１１を形成するためのエッチングを行っても、膜部１２０の膜厚は、空洞部１１１の上方においてほぼ均一に維持される。このため、膜部１２０の膜厚を設計値通りの値とすることができ、圧力センサ１１０Ａの感度を向上させることができる。また、膜部１２０上に形成される歪検知素子２００の形成のためのエッチングにおいても、酸化アルミニウムで形成された膜部１２０は高い耐性を有しているため、上面の平坦性は担保され、これにより膜部１２０の膜厚の均一性は保たれる。したがって、歪検知素子２００の性能を最大限に使用し圧力センサ１１０Ａの感度を高めることができる。

図３Ａ〜図３Ｄに示すように、圧力センサ１１０Ａの膜部１２０上には複数の歪検知素子２００が配置されている場合がある。これにより、前述したようにＳＮＲの改善を実現することができる。このように複数の歪検知素子２００を電気的に直列、又は並列にＮ個に接続することで、ＳＮＲとしては、２０ｌｏｇ√Ｎの改善効果を得ることができる。単体の歪検知素子２００を配置する場合に比べて圧力センサ１１０Ａの感度を上昇させることができる。この方法で圧力センサの感度を上昇させようとした場合、配置された個々の歪検知素子２００からの出力を揃える、つまり性能を均一に揃える必要がある。この点においても、膜部１２０全体の膜厚を均一に揃えることができる酸化アルミニウムで形成された膜部１２０は、圧力センサ１１０Ａとの相性が良い。

図１６Ｂは、膜部１２０の振動部１２１の印加圧力に対する感度を評価する装置と、その評価方法を説明するための概略図である。図１６Ｂは、振動部１２１の感度を評価する装置の概略構成を示している。圧力センサ１１０Ａは圧板Ｍ２上に固定される、圧板Ｍ２には振動部１２１と同程度の大きさの穴Ｍ２１が空いており、圧力センサ１１０Ａの空洞部１１１が穴Ｍ２１の上方に来るように圧力センサ１１０Ａは固定される。圧力センサ１１０Ａが固定された圧板Ｍ２は測定ジグＭ１に取り付けられる。圧板Ｍ２は測定ジグＭ１の蓋になっており、圧板Ｍ２を取り付けることで密閉された空洞部Ｍ１１ができる。このとき圧板Ｍ２に取り付けられた圧力センサ１１０Ａが空洞部Ｍ１１とは反対の面に存在するように圧板Ｍ２は測定ジグＭ１に取り付けられる。

空洞部Ｍ１１には圧力発生器（図示せず）が取り付けられており、設定した大きさの印加圧力８０を空洞部Ｍ１１内に発生させることができる。印加圧力８０は穴Ｍ２１を通して空洞部Ｍ１１につながっている圧力センサ１１０Ａの振動部１２１にも加わる。印加圧力８０が振動部１２１に加わることで膜部１２０の形状が変化する。この膜部１２０の形状の変化が圧力センサ１１０Ａの直上に備えられたレーザ顕微鏡Ｍ３を用いて測定される。図１６Ｃは印加圧力８０が加わった時の膜部１２０の形状の変化の概略図である。空洞部Ｍ１１を通って膜部１２０に印加圧力８０が加わることで振動部１２１が撓む。このとき、振動部１２１の重心１２０Ｐ１の印加圧力８０が加わっていない初期状態からの膜部１２０垂直（Ｚ軸）方向への変化量Ｄをレーザ顕微鏡Ｍ３で測定する。振動部１２１の印加圧力に対する感度が良い場合、印加圧力８０の大きさが小さくても変位量Ｄの値が大きくなる。また、印加圧力８０の値を小さな範囲で変化させた時の、変位量Ｄの値の変化も大きくなる。

アルミニウムを含む酸化物を膜部１２０として使用した場合、圧力センサ１１０Ａにとって有効であることを図１７Ａ〜図１７Ｄによって説明する。

図１７Ａは膜部１２０の材料としてスパッタ成膜した酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）を用いた場合の、外部からの印加圧力８０が加わっていない初期状態におけるレーザ顕微鏡Ｍ３による測定結果を示す実際の画像データである。空洞部１１１の加工前の膜部１２０の残留応力は適切な値に調節し、振動部１２１の形状には円形を採用している。また振動部１２１の直径は５３０μmで、膜部１２０の厚みは５００ｎｍに設定してある。なお、簡単のため、歪検知素子２００やこれに接続される電極を配置していないものを示している。図１７Ａにおいて、円形部分の内部が振動部１２１に相当し、円形部分の外部が被支持部１２２に相当する。

図１７Ｂは図１７Ａの画像データに示される膜部１２０の垂直方向（Ｚ軸方向）の高さ分布を色のコントラストで示した図である。図１７Ｂの色が均一であることから、膜部１２０が初期状態において平坦であることがわかる。後述のように初期状態で膜部１２０に大きな撓みが生じている場合、歪検知素子２００は性能を十分に発揮できない場合がある。
図１７Ｃは膜部１２０に-１０ｋＰａ、−５ｋＰａ、−１ｋＰａ、-０．５ｋＰａ、０ｋＰａ、０．５ｋＰａ、１、５ｋＰａ、１０ｋＰａの印加圧力８０を加えた場合の図１７ＡのＢ-Ｂ’断面における形状の変化をレーザ顕微鏡Ｍ３で測定した結果を示している。膜部１２０の重心１２０Ｐ１を境に左右の膜の形状が等しく、振動部１２１が変形した際に振動部１２１の端部に配置される歪検知素子２００に加わる力が等しいことがわかる。

図１７Ｄは、図１７Ｃの場合において、横軸を印加圧力８０、縦軸を膜部１２０の重心１２０Ｐ１の変位量Ｄとしたグラフである。このグラフからは、外部からの印加圧力８０の小さな領域で振動部１２１の重心１２０Ｐ１の変位量Ｄが急峻な変化を示している。つまり膜部１２０が感度良く印加圧力の変化に反応していることが分る。変位量Ｄの変化の急峻さの指標として単位印加圧力あたりの変位量Ｄの変化としての変位傾（μm/ｋＰａ）を定義する。図１７Ａに示す膜部１２０は印加圧力−０．５ｋＰａ〜０．５ｋＰａの範囲で３．０μm／ｋＰａの変位傾きを持つ。本発明のデバイスを音響センサ、マイクとして用いる場合には、使用する圧力範囲はもっと小さい範囲なため、こうした圧力範囲ではさらに大きな変位傾きをもち、高感度に微弱な音を検知することが可能となる。

図１７Ｃ、図１７Ｄに示す測定結果より、アルミニウムを含む酸化物を膜部１２０として利用した場合、初期状態における撓みが小さく、しかも撓みが発生した際の膜の形状が対称で、印加圧力に対して感度良く反応する膜部を有する圧力センサ１１０Ａの作成が可能になることがわかる。

（第２の実施の形態）
次に、第２の実施の形態に係る圧力センサを、図１８を参照して説明する。この第２の実施の形態の圧力センサは、膜部１２０の構成が第１の実施の形態と異なっている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。図１８において、第１の実施の形態と同一の構成については同一の参照符号を付しているので、以下ではその詳細な説明は省略する。

図１８は、図１のＡ−Ａ’断面の模式的な断面図である。図１８に示すように、膜部１２０は歪検知素子２００側に位置する第１膜１３１、基板１１０側に位置する第２膜１３３、及び第１膜１３１と第２膜１３３の間の中間膜１３２の３層構造によって形成される。後述するように、このような３層構造が採用されることにより、外部からの印加圧力の加わっていない初期状態において撓みの生じていない平坦な膜部１２０を提供することができる。より好適な形態においては、残留応力の抑制の観点から、第１膜１３１の膜厚と第２膜１３３の膜厚との間の差は、所定値以下に設定される。

第１膜１３１、及び第２膜１３３は、いずれもアルミニウム（Ａｌ）を含む酸化物によって形成される。第１の実施の形態では、膜部１２０全体がアルミニウムを含む酸化物により形成されているが、この第２の実施の形態では、膜部１２０の上面と下面のみがアルミニウムを含む酸化物によって形成される。第１膜１３１（膜部１２０の上面）と第２膜１３３（膜部１２０の下面）がアルミニウムを含む酸化物から構成されているため、第２の実施の形態の圧力センサ１１０Ａは、上述した第１の実施の形態の効果と同様に、膜部１２０の膜厚の均一性を担保し、圧力センサ１１０Ａの精度を向上させることができる。また、第２の実施形態の場合、中間膜１３２の材料を選ぶことによって膜部１２０のヤング率やポアソン比などの物性値を圧力センサ１１０Ａにとって好ましい値にコントロールすることができる。なお、第１膜１３１、第２膜１３３の膜厚は、１０μｍ以上３００μｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。この場合好ましくは３０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることができる。

中間膜１３２は、アルミニウムを含む酸化物の他、シリコンを含む酸化物、シリコンを含む窒化物よりなる群から選択された少なくとも１つの材料から形成することができる。この他、中間膜１３２の材料としては、ポリマー材料などの有機材料も使用され得る。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。中間膜１３２の膜厚は１００ｎｍ以上１μｍ以下とすることができる。この場合好ましくは１５０ｎｍ以上８００ｎｍ以下とすることができる。

なお、中間膜１３２と第１膜１２３１又は第２膜１３３との間には、図示を省略するバッファ膜等が介在していてもよい。また、中間膜１３２は単層の膜である場合もあれば、積層構造を持つ膜の場合もある。

膜部１２０の全体の厚さｔ１は、例えば、５０ナノメートル（ｎｍ）以上、３マイクロメートル（μｍ）以下とすることができる。この場合、好ましくは、３００ｎｍ以上、１．５μｍ以下とすることができる。

図１９は膜部１２０を構成する第１膜１３１、中間膜１３２及び第２膜１３３の膜厚ｈ１、ｈ２及びｈ３と、第１膜１３１、中間膜１３２及び第２膜１３３膜の残留応力σ１、σ２及びσ３を示す概略図である。
図１９では説明の簡単のため空洞部１１１の形成された後の状態を示しているが、残留応力σ１、σ２及びσ３はそれぞれ空洞部１１１形成前に第１膜１３１、中間膜１３２及び第２膜１３３膜に生じている残留応力である。外部からの圧力に対して歪検知素子２００に大きな歪みを加え圧力センサ１１０Ａの感度を上げるためには、膜部１２０の残留応力σの値は０ＭＰａに近い事が望ましい。積層構造からなる膜部１２０の平均の残留応力σａｖｅは第１膜１３１、中間膜１３２、第２膜１３３の膜厚ｈ１〜ｈ３、及び残留応力σ１〜σ３を使い以下の式で算出される。

［数１］
σａｖｅ=(ｈ１*σ１+ｈ２*σ２+ｈ３*σ３)/(ｈ１+ｈ２+ｈ３)

アルミニウムを含む酸化物をスパッタリングにより堆積して第１膜１３１及び第２膜１３３を成膜する場合、第１膜１３１及び第２膜１３３の残留応力σ１、σ３はスパッタガスの圧力を調節する事で制御する事ができる。このとき第１膜１３１及び第２膜１３３はアモルファスアルミニウム酸化物として堆積される。
なお、第１膜１３１はその上方にある歪検知素子２００の加工のためのミリングによるエッチングを受け、一方、第２膜１３３は、空洞部１１１を加工する際の深堀りＲＩＥ法によるエッチングを受ける。もし、エッチングにより第１膜１３１の膜厚ｈ１、第２膜１３３の膜厚ｈ３が変化してしまった場合には、数式［数１］から理解される様に膜部１２０の平均の残留応力値σａｖｅが変化してしまう。

しかし、アルミニウム（Ａｌ）を含む酸化物によって形成される第１膜１３１及び第２膜１３３はミリング及びＲＩＥに対して強い耐性を持つため製造プロセスの前後で膜の厚さが変化しない。その結果、図１３に示す様に中間膜１３２を第１膜１３１及び第２膜１３３で挟む構造を採用することにより、膜部１２０の平均の残留応力値σａｖｅを容易に制御する事ができる。

以下、上述のような３層構造により初期状態において膜部１２０の撓みを抑えられる理由を、図２０を参照して説明する。以下の図２０を参照した説明では、残留応力σの値は０ＭＰａを境として、膜部１２０に引張りの残留応力が生じている場合の残留応力σを正の値とし、逆に膜部１２０に圧縮の残留応力が生じている場合の残留応力σを負の値として表現している。なお、図２０は膜部１２０に外部からの圧力が加わっていない場合の膜部１２０の初期状態の形状を示している。

空洞部１１１の加工・形成前に、膜部１２０においてＺ軸方向（膜部１２０の法線方向）に沿った残留応力の分布がある場合、空洞部１１１加工・形成後には、膜部１２０の残留応力σが大きくなる方向に働くモーメントが発生する。

まず、図２０（ａ）のように、第１膜１３１の膜厚ｈ１と第２膜１３３の膜厚ｈ３の厚さの差が大きく、Ｚ軸方向（空洞部１１１側から歪検知素子２００側に向かう方向）に沿って膜部１２０の残留応力が大きくなるような分布が生じている場合を考える。この場合、図２０（ａ）のように、Ｚ軸方向において上向きのモーメントＭ１が膜部１２０において発生する。

図２０（ａ）では、一例として、ｈ１＞＞ｈ３かつσ１＞σ２の場合が示されている。また、ｈ１＞＞ｈ３であるため残留応力σ３からの寄与も無いものとする。
膜部１２０がモーメントＭ１を持つため、膜部１２０は初期状態で撓み６５ａの大きな凸形状を持つ。その結果、歪検知素子２００には大きな圧縮の力Ｐｓが加わる。

次に、図２０（ｂ）のように、第１膜１３１の膜厚ｈ１と第２膜１３３の膜厚ｈ３の厚さの差が大きく、Ｚ軸方向（空洞部１１１側から歪検知素子２００側に向かう方向）に沿って膜部１２０の残留応力が小さくなるような分布が生じている場合を考える。この場合、図１５（ｂ）に示すように、Ｚ軸方向において下向きのモーメントＭ２が膜部１２０において発生する。図１５（ｂ）では例として、ｈ１＞＞ｈ３かつσ１＜σ２の場合が示されている。また、ｈ１＞＞ｈ３であるため残留応力σ３からの寄与も無いものとする。膜部１２０が下向きのモーメントＭ２を持つため、膜部１２０は初期状態で撓み６５bの大きな凹形状を持つ。そのため、歪検知素子２００には大きな引張の力Ｐｌが加わる。

歪検知素子２００に初期状態から大きな応力Ｐｓ、Ｐｌが加わっている場合、膜部１２０の残留応力σの値が小さく、外部からの圧力に対して膜部１２０の感度が良い場合でも、磁歪効果による磁性層の磁化の変化が十分に生じず、圧力センサ１１０Ａの感度が上がらない場合がある。

次に、図２０（ｃ）を参照して、第１膜１３１の膜厚ｈ１と第２膜１３３の膜厚ｈ３の差が小さく、膜部１２０の中心膜１３２から空洞部１１１側へ向かうに従って残留応力σが大きくなるとともに、膜部１２０の中心膜１３２から歪検知素子２００側に向かうに従って残留応力σが大きくなる場合を考える。この場合、第１膜１３１の残留応力σ１及び中心膜１３２の残留応力σ２と第２膜１３３の残留応力σ３及び中心膜１３２の残留応力σ２のそれぞれに起因したモーメントＭ３とモーメントＭ４が膜部１２０に発生する。図２０（ｃ）では例としてσ１＞σ２かつ、σ３＞σ２の場合が示されている。σ１＜σ２かつ、σ３＜σ２の場合、モーメントＭ３とモーメントＭ４の向きはそれぞれ逆になる。モーメントＭ３とＭ４は互いに打ち消し合う方向に発生するため、膜部１２０は初期状態において撓みが抑制される。そのため初期状態における歪検知素子２００に加わる力は微小とされる。

なお、歪検知素子２００は、外部からの圧力が加わっていいない初期状態で引張又は圧縮の力が加わっていない場合に最も高い感度が得られるものもあれば、微小な引張又は圧縮の力が加わっているとき最も高い感度が得られるものもある。これは歪検知素子２００を構成する膜の厚さや材料に依存する。

初期状態で歪検知素子２００に微小な力を加える方法としては、膜部１２０に初期状態で微小な撓みを持たせる方法がある。膜部１２０が図１８のようにＺ軸方向に略対称な３層構造を持つ場合、膜厚ｈ１、ｈ２、ｈ３の大きさを調節する事でモーメントＭ３、Ｍ４それぞれの大きさを微調節することができ、これにより、精度良く膜部１２０の初期状態での撓みの大きさを制御することができる。

実施形態の圧力センサは、製造プロセスにおいて磁性層の磁化固着のためアニールを行う。熱膨張係数の異なる場合、第１膜１３１と中間膜１３２との間の界面や、中間膜１３２と第２膜１３３との間の界面には熱応力が発生する。これらの熱応力から発生するモーメントによる膜部１２０の初期形状への影響も、図１８の様に膜部１２０にＺ軸方向の対称性をもたせることで緩和することができる。

また、図２１Ａに示すように、第１膜１３１と中間膜１３２との間の界面、中間膜１３２と第２膜１３３との間の界面では、膜部１２０を構成する元素の移動によって組成の変形した部分に第３膜１３４や第４膜１３５が新たに形成される場合がある。第３膜１３４や第４膜１３５に生じる残留応力の値は第１膜１３１や第２膜１３３のものとは異なる場合がある。第３膜１３４や第４膜１３５の残留応力に起因して発生するモーメントによる膜部１２０の初期形状への影響も、図１８の様に膜部１２０にＺ軸方向において対称性を持たせることで緩和することができる。

（第２の実施の形態の効果）
以上説明したように、第２の実施の形態の圧力センサ１１０Ａは、膜部１２０の上面、及び下面をアルミニウムを含む酸化物により構成している。このため、上述した第１の実施の形態の効果と同様に、膜部１２０の膜厚の均一性を担保し、圧力センサ１１０Ａの感度を向上させることができる。すなわち、第２膜１３３は、空洞部１１１の形成のためのエッチングにおいてストッパ膜として機能し、第１膜１３１は、歪検知素子２００のパターニングのためのエッチングに置いてストッパ膜として機能する。

加えて、第２の実施の形態の圧力センサ１１０Ａは、膜部１２０に上述のような３層構造を採用したことにより膜部１２０の残留応力等の物性値をコントロール可能でかつ、初期状態での膜部１２０の撓みを抑える、又は調節することができ、これにより圧力センサの感度を向上させることができる。

また、第２の実施形態のような第１膜１３１、中間膜１３２、第２膜１３３からなる膜部１２０が圧力センサ１１０Ａにとって有効であることを図２１Ｂ〜図２１Ｅを参照して説明する。膜部１２０の評価には図１６Ｂに示す評価装置及び評価方法を利用している。

図２１Ｂは第１膜１３１、第２膜１３３の材料としてスパッタ成膜したＡｌＯｘを用い、且つ中間膜１３２の材料としてＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）成膜したＳｉＮｘ膜を用いた場合の、外部からの圧印加圧力が加わっていない初期状態におけるレーザ顕微鏡Ｍ３による測定結果を示す実際の画像データである。空洞部１１１の加工前の膜の残留応力は適切な値に調節し、振動部１２１の形状には円形を採用している。また振動部１２１の直径は５３０μｍで、第１膜１３１の膜厚は１００ｎｍ、第２膜の膜厚１３３は５０ｎｍ、中間膜１３２の膜厚は５５０ｎｍに設定してある。また歪検知素子２００やこれに接続される電極を配置していないものを示している。図２１Ｂにおいて、円形部分の内部が振動部１２１に相当し、円形部分の外部が被支持部１２２に相当する。

図２１Ｃは図２１Ｂの画像データに示される膜部１２０の垂直方向（Z軸方向）の高さ分布を色のコントラストで示した図である。図２１Ｃの色が均一であることから、膜部１２０が初期状態で平坦であることがわかる。前述のように初期状態で膜部１２０に大きな撓みが生じている場合、歪検知素子２００は性能を十分に発揮できない場合がある。

図２１Ｄは膜部１２０に-１０ｋＰａ、−５ｋＰａ、−１ｋＰａ、-０．５ｋＰａ、−０．２ｋＰａ、０ｋＰａ、０．２ｋＰａ、０．５ｋＰａ、１ｋＰａ、５ｋＰａ、１０ｋＰａの印加圧力を加えた場合の図２１ＢのＢ−Ｂ’断面の形状の変化をレーザ顕微鏡Ｍ３で測定した結果を示している。膜部１２０の重心１２０Ｐ１を境に左右の膜の形状が等しく、振動部１２０が変形した際に振動部１２１の端部に配置される歪検知素子２００に加わる力が等しいことがわかる。

図２１Ｅは、図２１Ｄの場合において、横軸を印加圧力８０、縦軸を膜部１２０の重心１２０Ｐ１の変位量Ｄとしたグラフである。このグラフからは、外部からの印加圧力８０が小さな領域で振動部１２１の重心１２０Ｐ１の変位量Ｄが急峻な変化を示している。つまり膜部１２０が感度よく印加圧力の変化に反応していることが分る。図２１Ｂに示す膜部１２０は印加圧力−０．２ｋＰａ〜０．２ｋＰａの範囲で３．６μｍ/ｋＰａの変位傾きを持つ。

図２１Ｄ及び図２１Ｅに示す測定結果より、第１膜１３１、第２膜１３３の材料としてスパッタ成膜したＡｌＯｘを利用し、且つ中間膜１３２の材料としてＣＶＤ成膜したＳｉＮｘ膜を膜部１２０に利用した場合、初期状態における撓みが小さく、しかも撓みが発生した際の膜の形状が対称で、印加圧力に対して感度良く反応する膜部を有する圧力センサ１１０Ａの作成が可能になることがわかる。

（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態に係る圧力センサを、図２２を参照して説明する。この第３の実施の形態の圧力センサは、膜部１２０の構成が第１の実施の形態と異なっている。その他の構成は第１の実施の形態と同様である。図２２において、第１の実施の形態と同一の構成については同一の参照符号を付しているので、以下ではその詳細な説明は省略する。

図２２は、図１のＡ−Ａ’断面の模式的な断面図である。図２２に示すように、膜部１２０は基板１１０側に配置される膜１３３、及び膜１３３の上方に配置される膜１３２の２層構造によって形成される。膜１３３は、第２の実施の形態の膜１３３と同様にアルミニウムを含む酸化物により構成され、膜１３２は、第２の実施の形態の中間膜１３２と同一の材料からなる。すなわち、この第３の実施の形態の膜部１２０は、第２の実施の形態の膜部１２０から第１膜１３１を除去した構成とされている。換言すれば、第３の実施の形態の膜部１２０は、支持部としての基板１１０の側の第１の表面のみがアルミニウムを含む酸化物からなる。更に換言すれば、第３の実施の形態の膜部１２０は、アルミニウムを含む酸化物を含む第１膜と、第３膜とを備え、第３膜が第１膜と歪み検知素子の間に位置する。なお、膜１３３の膜厚は、１０μｍ以上３００μｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。

(第３の実施の形態の効果)
以上説明したように、第３の実施の形態の圧力センサ１１０Ａは、膜部１２０の下面（膜１３３）をアルミニウムを含む酸化物により構成している。膜部１２０の上面にはアルミニウムを含む酸化物の膜が無いため、膜部１２０の上面においては平坦性が若干失われるが、膜部１２０の下面では、膜１３３が空洞部１１１の形成のためのエッチングにおいてストッパ膜として機能させることができる。このため、膜部１２０の膜厚の均一性を担保することができ、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態に係る圧力センサを、図２３を参照して説明する。この第４の実施の形態の圧力センサは、膜部１２０の構成が前述の実施の形態と異なっている。その他の構成は前述の実施の形態と同様である。図２２において、前述の実施の形態と前述の構成については同一の参照符号を付しているので、以下ではその詳細な説明は省略する。

図２３は、図１のＡ−Ａ’断面の模式的な断面図である。図２３に示すように、膜部１２０は歪検知素子２００の配置される膜１３１、及び膜１３１の下方に配置される膜１３２の２層構造によって形成される。
膜１３１は、第２の実施の形態の膜１３１と同様にアルミニウムを含む酸化物により構成され、膜１３２は、第２の実施の形態の中間膜１３２と同一の材料からなる。すなわち、この第４の実施の形態の膜部１２０は、第２の実施の形態の膜部１２０から第２膜１３３を除去した構成とされている。換言すれば、この第４の実施の形態の膜部１２０は、歪検知素子２００の側の第２の表面のみがルミニウムを含む酸化物からなる。更に換言すれば、この第４の実施の形態の膜部１２０は、アルミニウムを含む酸化物を含む第２膜と、第３膜とを備え、第２膜が第３膜と歪検知素子との間に位置する。なお、膜１３１の膜厚は、１０μｍ以上３００μｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下とすることができる。

（第４の実施の形態の効果）
以上説明したように、第４の実施の形態の圧力センサ１１０Ａは、膜部１２０の上面（膜１３１）をアルミニウムを含む酸化物により構成している。膜部１２０の下面にはアルミニウムを含む酸化物の膜が無いため、膜部１２０の下面においては平坦性が若干失われるが、膜部１２０の上面では、膜１３１が歪検知素子２００の形成のためのエッチングにおいてストッパ膜として機能させることができる。このため、膜部１２０の膜厚の均一性を担保することができ、第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。

図２４Ａは第１〜第４の実施形態に係る圧力センサ１１０Ａの設計の１例を示している。
図２４Ａは振動部１２１の形状に円形を採用した場合の例で直径は５３０μｍに設計されている。歪検知素子２００の一辺の長さは１０μｍで、１つの振動部１２１上に２か所に分けて合計２０個以上、図示の例では合計３０個の歪検知素子が配置されている。歪検知素子２００に接続される電極１２４は振動部１２１の動きの妨げにならないように可能な限り被支持部１２２上を通るように取回される。振動部１２１上の梁１２３の形状は歪検知素子２００の配置方法に合わせて形状を変更可能で、取り除かれる場合もある。

図２４Ｂは振動部１２１の形状に長方形を採用した場合の例で振動部１２１の長辺の長さは５７８μｍ、短辺の長さは３７６μｍに設計されている。歪検知素子２００の一辺の長さは１０μｍで振動部１２１上の２本の長辺付近に平行に、合計３０個配置されている。歪検知素子２００に接続される電極１２４は振動部１２１の動きの妨げにならないように可能な限り被支持部１２２上を通るように取回される。振動部１２１上の梁１２３の形状は歪検知素子２００の配置方法に合わせて形状を変更可能で、取り除かれる場合もある。
なお、図２４Ａ、図２４Ｂにおいては、圧力によって撓む膜部１２０上には梁１２３が設けられているが、これら梁１２３はなくても構わない。梁１２３は膜部１２０の上に、膜部１２０とは異なる材料で形成されたものである。

図２４Ｃは第１の実施形態に示すようなアルミニウムを含む酸化物により形成される単一の膜を膜部１２０に使用した場合の圧力センサ１１０Ａの断面構造の模式図である。下部電極２０４、上部電極２１２は歪検知素子２００にＺ軸方向（膜部１２０に対して垂直な方向）の電流が流れるように配置される。下部電極２０４、上部電極２１２の一部は振動部１２１上に存在する。そのため、振動部１２１の動きを妨げないよう、下部電極２０４、上部電極２１２には低残留応力化の可能な材料が用いられる。

一方、被支持部１２２上では、金パッド３００が下部電極２０４、上部電極２１２に取り付けられる。下部電極２０４、上部電極２１２、歪検知素子２００の周辺は、電流のリークを防ぐため、下部電極埋め込み絶縁膜３０３、歪検知素子埋め込み絶縁膜３０２、上部電極２１２の歪検知素子２００と接する部分以外を取り囲む絶縁膜３０１、及び絶縁膜３０４によって保護されている。膜部１２０を形成するアルミニウムを含む酸化物が絶縁性を示す場合、絶縁膜３０１，３０２，３０３，３０４には膜部１２０と同様の材料を使用することができる。つまり絶縁膜３０１，３０２，３０３，３０４においても低残留応力化が可能である。また、膜部１２０と下電極埋め込み絶縁膜３０３との界面で、材料の違いにより発生する膜剥がれ等の問題を回避することも可能になる。

また、基板１１０と膜部１２０との密着性を高めるため、膜部１２０と基板１１０の間に密着膜３０５を設ける場合がある。密着膜３０５は薄膜であるため、振動部１２１の領域では空洞部１１１加工時に削り取られる。そのため密着膜３０５が振動部１２１の機械特性に影響を与えること無い。歪検知素子２００の周辺に磁性体３０６を配置する場合がある。磁性体３０６としては、ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＦｅＰｔなどの硬質磁性体を歪検知素子に印加するためのバイアス層として用いる。これにより、歪検知素子として安定した特性を示すとともに、ノイズも低減することが可能となる。歪検知素子の初期磁化方向としては、応力が印加される方向に対して略４５度になるように設定することが好ましい実施形態である。角度のずれ等も考慮すると、３０〜６０度になるように設定することが現実的な設計の例となる。

図２４Ｄは、第２の実施形態に示すような膜部１２０の構成を採用した場合の圧力センサ１１０Ａの断面構造の模式図である。下部電極２０４、及び上部電極２１２は歪検知素子２００にＺ軸方向（膜部１２０に対して垂直な方向）の電流が流れるように配置される。下部電極２０４、上部電極２１２の一部は振動部１２１上に存在する。そのため振動部１２１の動きを妨げないよう下部電極２０４、上部電極２１２には低残留応力化の可能な材料が用いられる。被支持部１２２上では、金パッド３００が下部電極２０４、上部電極２１２に取り付けられる。下部電極２０４、上部電極２１２、歪検知素子２００周辺は、電流のリークを防ぐため、下部電極埋め込み絶縁膜３０３、歪検知素子埋め込み絶縁膜３０２、上部電極２１２の歪検知素子２００と接する部分以外を取り囲む絶縁膜３０１、及び絶縁膜３０４によって保護されている。

第１膜１３１を形成するアルミニウムを含む酸化物が絶縁性を示す場合、絶縁膜３０１，３０２，３０３，３０４には第１膜１３１と同様の材料を使用することができる。結果、第１膜１３１と下電極埋め込み絶縁膜３０３との界面で、材料の違いにより発生する膜剥がれ等の問題を回避することも可能になる。基板１１０と膜部１２０との密着性を高めるため、膜部１２０と基板１１０の間に密着膜３０５を設ける場合がある。密着膜３０５は薄膜であるため、振動部１２１の領域では空洞部１１１加工時に削り取られる。そのため密着膜３０５が振動部１２１の機械特性に影響を与えること無い。歪検知素子２００の周辺に磁性体３０６を配置する場合がある。磁性体３０６としては、ＣｏＰｔ，ＣｏＣｒＰｔ，ＦｅＰｔなどの硬質磁性体を歪検知素子に印加するためのバイアス層として用いる。これにより、歪検知素子として安定した特性を示すとともに、ノイズも低減することが可能となる。歪検知素子の初期磁化方向としては、応力が印加される方向に対して略４５度になるように設定することが好ましい実施形態である。角度のずれ等も考慮すると、３０〜６０度になるように設定することが現実的な設計の例となる。上記硬質磁性体に添加元素を加えてもかまわない。

［第５の実施の形態］
次に、図２５を参照して、第５の実施の形態について説明する。図２５は、本実施の形態に係るマイクロフォン１５０の構成を示す模式的な断面図である。第１〜第４の実施の形態に係る歪検知素子２００を搭載した圧力センサ１１０Ａは、例えば、マイクロフォンに搭載する事が出来る。

本実施の形態に係るマイクロフォン１５０は、圧力センサ１１０Ａを搭載したプリント基板１５１と、プリント基板１５１を搭載した電子回路１５２と、プリント基板１５１と共に圧力センサ１１０Ａと電子回路１５２とを覆うカバー１５３とを備える。圧力センサ１１０Ａは、第１〜第３の実施の形態に係る歪検知素子２００を搭載した圧力センサである。

カバー１５３には、アコースティックホール１５４が設けられており、ここから音波１５５が入射する。音波１５５がカバー１５３内に入射すると、圧力センサ１１０Ａによって音波１５５が検知される。電子回路１５２は、例えば、圧力センサ１１０Ａに搭載された歪検知素子に電流を流し、圧力センサ１１０Ａの抵抗値の変化を検出する。また、電子回路１５２は、増幅回路等によってこの電流値を増幅しても良い。

第１〜第４の実施の形態に係る歪検知素子２００を搭載した圧力センサは高感度であるため、これを搭載したマイクロフォン１５０は感度良く音波１５５の検出を行う事が可能である。

［第６の実施の形態］
次に、図２６及び図２７を参照して、第６の実施の形態について説明する。図２６は、第６の実施の形態に係る血圧センサ１６０の構成を示す模式図である。図２７は、同血圧センサ１６０のＨ１−Ｈ２から見た模式的な断面図である。第１〜第４の実施の形態に係る歪検知素子２００を搭載した圧力センサ１１０Ａは、例えば、血圧センサ１６０に搭載する事が出来る。

図２６に示す通り、血圧センサ１６０は、例えばヒトの腕１６５の動脈１６６上に貼り付けられる。また、図２７に示す通り、血圧センサ１６０は第１〜第４の実施の形態に係る歪検知素子２００を搭載した圧力センサ１１０Ａを搭載しており、これによって血圧を測定する事が可能である。

第１〜第４の実施の形態に係る歪検知素子２００を搭載した圧力センサ１１０Ａは高感度であるため、これを搭載した血圧センサ１６０は感度良く連続的に血圧の検出を行う事が可能である。

［第７の実施の形態］
次に、図２８を参照して、第７の実施の形態について説明する。図２８は、第７の実施の形態に係るタッチパネル１７０の構成を示す模式的な回路図である。タッチパネル１７０は、図示しないディスプレイの内部及びディスプレイの外部の少なくともいずれかに搭載される。

タッチパネル１７０は、マトリクス状に配置された複数の圧力センサ１１０Ａと、Ｙ方向に複数配置され、Ｘ方向に配置された複数の圧力センサ１１０Ａの一端にそれぞれ接続された複数の第１の配線１７１と、Ｘ方向に複数配置され、Ｙ方向に配置された複数の圧力センサ１１０Ａの他端にそれぞれ接続された複数の第２の配線１７２と、複数の第１の配線１７１及び複数の第２の配線１７２を制御する制御部１７３とを備える。圧力センサ１１０Ａは、第１〜第４の実施の形態に係る圧力センサである。

また、制御部１７３は、第１の配線１７１を制御する第１の制御回路１７４と、第２の配線１７２を制御する第２の制御回路１７５と、第１の制御回路１７４及び第２の制御回路１７５を制御する第３の制御回路１７６とを備える。

例えば、制御部１７３は、複数の第１の配線１７１及び複数の第２の配線１７２を介して圧力センサ１１０Ａに電流を流す。ここで、図示しないタッチ面が押圧された場合、圧力センサ１１０Ａはその圧力に応じて歪検知素子の抵抗値を変化させる。制御部１７３は、この抵抗値の変化を検出することにより、押圧による圧力を検出した圧力センサ１１０Ａの位置を特定する。

第１〜第４の実施の形態に係る歪検知素子２００を搭載した圧力センサ１１０Ａは高感度であるため、これを搭載したタッチパネル１７０は感度良く押圧による圧力を検出する事が可能である。また、圧力センサ１００は小型であり、解像度の高いタッチパネル１７０を製造する事が可能である。

尚、タッチパネル１７０は、圧力センサ１１０Ａの他にタッチを検出するための検出要素を備えていても良い。

［その他の応用例］
以上、具体例を参照しつつ、第１〜第４の実施の形態に係る歪検知素子２００を搭載した圧力センサ１１０Ａの応用例について説明した。しかし、圧力センサ１１０Ａは、第５〜第７に示す実施の形態の他に、気圧センサやタイヤの空気圧センサ等、様々な圧力センサデバイスに応用することができる。

また、歪検知素子２００、圧力センサ１１０Ａ、マイクロフォン１５０、血圧センサ１６０及びタッチパネル１７０に含まれる膜部、歪検知素子、第１の磁性層、第２の磁性層及び中間層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

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。

その他、本発明の実施の形態として上述した歪検知素子、圧力センサ１１０Ａ、マイクロフォン１５０、血圧センサ１６０及びタッチパネル１７０を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての歪検知素子、圧力センサ１００、マイクロフォン１５０、血圧センサ１６０及びタッチパネル１７０も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、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。これら新規な実施の形態は、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。これら実施の形態やその変形は、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。

１１０Ａ…圧力センサ、１１０…基板、１１１…空洞部、１２０…膜部、１２１…振動部、１２２…被支持部、１３１・・・第１膜、 １３２・・・中間膜、 １３３・・・第２膜、Ｃ１、Ｃ２…配線、Ｐ１、ＰＰ２…パッド、１５０…マイクロフォン、１５１…プリント基板、１５２…電子回路、１５３…カバー、１５４…アコースティックホール、１５５…音、１６０…血圧センサ、１６５…腕、１６６…動脈、１７０…タッチパネル、１７１…第１の配線、１７２…第２の配線、１７３…制御部、１７４…第１の制御回路、１７５…第２の制御回路、１７６…第３の制御回路、２００…歪検知素子、２０１…第１の磁性層、２０２…第２の磁性層、２０３…中間層、２０４…下部電極、２０５…下地層、２０６…ピニング層、２０７…第２磁化固定層、２０８…磁気結合層、２０９…第１磁化固定層、２１０…磁化自由層、２１１…キャップ層、２１２…上部電極、２１３…絶縁層、２１４…ハードバイアス層、２１５…保護層、２２１…下部ピニング層、２２２…下部第２磁化固定層、２２３…下部磁気結合層、２２４…下部第１磁化固定層、２２５…下部中間層、２２６…磁化自由層、２２７…上部中間層、２２８…上部第１磁化固定層、２２９…上部磁気結合層、２３０…上部第２磁化固定層、２３１…上部ピニング層、２４１…第１磁化自由層、２４２…第２磁化自由層。

Claims (15)

1. シリコンを含む支持部と、
   前記支持部に支えられ、可撓性を有する膜部と、
   歪検知素子と、
   を備え、
   前記膜部は、アルミニウムを含む酸化物を含む第１アモルファス膜を含み、
   前記第１アモルファス膜は、前記支持部と接する第１部分と、前記第１部分と連続した第２部分と、を含み、
   前記支持部から前記第１部分に向かう第１方向は、前記第１部分から前記第２部分に向かう方向と交差し、
   前記第１方向における前記第１部分の位置は、前記第１方向における前記支持部の位置と、前記第１方向における前記歪検知素子の位置と、の間にあり、
   前記第２部分は、前記第１方向で前記支持部と重ならず、
   前記歪検知素子は、前記第２部分に設けられ、
   前記歪検知素子は、第１磁性層と、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中間層とを含み、
   前記歪検知素子の電気抵抗は、前記膜部の歪に応じて変化する、圧力センサ。
2. 前記膜部は、
   アルミニウムを含む酸化物を含む第２アモルファス膜と、
   前記第１アモルファス膜と前記第２アモルファス膜との間に設けられた第３膜と、
   をさらに含み、
   前記歪検知素子と前記第１アモルファス膜との間に前記第２アモルファス膜が位置した、請求項１記載の圧力センサ。
3. 前記第１アモルファス膜の膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項２記載の圧力センサ。
4. 前記第２アモルファス膜の膜厚は２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下である、請求項２記載の圧力センサ。
5. 前記第１アモルファス膜の膜厚は１００ｎｍ以上２μｍ以下である、請求項１記載の圧力センサ。
6. 前記歪検知素子が、前記第１部分と前記第２部分との境界上の点と、前記膜部の重心と前記境界上の前記点とを結ぶ線分の中点と、の間に配置される、請求項１〜５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
7. ２０個以上の前記歪検知素子が前記膜部に配置されている、請求項１〜６のいずれか１つに記載の圧力センサ。
8. 前記膜部は長方形の形状を有する、請求項１〜７のいずれか１つに記載の圧力センサ。
9. 前記膜部の形状に外接する最小外接矩形は、
   第１辺と、前記第１辺と離間する第２辺と、
   前記第１辺の一端と前記第２辺の一端とに接続された第３辺と、
   前記第１辺の他端と前記第２辺の他端とに接続される第４辺と、
   前記最小外接矩形の重心と
   を含み、
   前記歪検知素子は、前記第１辺と、前記第１辺の両端と前記最小外接矩形の重心とを結ぶ線分と、により囲まれた領域と重なる前記膜部に、前記第１辺に平行に並べて複数配置される、請求項１〜５のいずれか１つに記載の圧力センサ。
10. 前記歪検知素子の周辺に設けられた硬質磁性体をさらに備えた、請求項１〜４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
11. 前記硬質磁性体は、ＣｏＰｔ及びＦｅＰｔの少なくともいずれかを含む、請求項１０記載の圧力センサ。
12. 前記歪検知素子がアルミニウムを含む酸化物の層によって埋め込まれる、請求項１〜４のいずれか１つに記載の圧力センサ。
13. 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。
14. 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血圧センサ。
15. 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タッチパネル。