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LSI・ストレージ

スピントロニクス技術を応用した超高感度ひずみ検知素子技術を開発
−金属ひずみゲージの2500倍、半導体ひずみゲージの100倍以上の検知感度を実現−

2017年6月

概要

当社は、IoT(Internet of Things)社会で用いられるMEMS(注1)(Micro Electro Mechanical Systems)センサ向けに、従来の金属ひずみゲージの2500倍、半導体ひずみゲージの100倍以上の超高感度スピン型ひずみ検知素子を開発しました。また世界で初めて(注2)スピン型ひずみ検知素子を搭載したスピン型MEMSマイクロフォンを開発し、人の耳では聞こえない超音波まで検出できることを実証しました。本技術の詳細は、台湾で開催される国際会議「Transducers 2017」にて、6月19日(現地時間)に発表します。

開発の背景

IoT社会の発展により、産業・車載機器、インフラ構造物などの状態管理や故障診断に用いるMEMSセンサの技術開発が増えています。MEMSセンサの多くは、外部からの圧力や音圧などの力により変形するMEMS構造体と、変形したMEMS構造体に生じるひずみを電気信号に変換するひずみ検知素子から形成されています。ひずみ検知素子の高感度化によりMEMSセンサ自身の精度向上がもたらされます。例えば高感度なひずみ検知素子をマイクロフォンに適用した場合には、産業・車載機器から発生する微小な異常音でも高精度に検知することが可能になるため、従来から使用されている半導体ひずみゲージよりも高いひずみ検知感度の実現が望まれていました。

本技術の特徴

そこで当社は、従来HDDヘッドやMRAM(Magnetoresistive Random Access Memory)に用いられているスピントロニクス技術(注3)を応用し、新たなひずみ検知素子「超高感度スピン型ひずみ検知素子」を開発しました。本素子は、従来HDDヘッドの磁界センサとして用いられてきたMTJ(Magnetic tunnel junction)素子(注4)に、ひずみによって磁性体の磁化の向きが変化する磁歪効果(注5)を応用することで、ひずみ検知素子として機能させたものです。磁性体層に磁歪効果の大きいアモルファスの鉄・ホウ素合金材料を採用し、ひずみ検知感度を大幅に向上させました。本素子のひずみ検知感度は、従来の金属ひずみゲージの2500倍、半導体ひずみゲージの100倍以上で(図1)、本素子を搭載することで高精度に計測できるMEMSセンサを実現します。

また、当社は、世界で初めてスピン型ひずみ検知素子を搭載したスピン型MEMSマイクロフォンを開発し、動作実証に成功しました(図2、図3)。今回開発したMEMSマイクロフォンは、人の耳が聞き取ることのできる音域を超えた超音波まで広帯域で高精度な検出が可能です。このような広帯域マイクロフォンでは、MEMS構造体に生じるひずみが小さいため十分な電気信号を得られず(注6)、微小な音の検出が困難でしたが、新たにスピン型ひずみ検知素子を搭載することで従来両立できなかった広帯域で且つ高精度なMEMSマイクロフォンを実現します。幅広い周波数帯域の稼働音を高精度に取得できることから、様々な機器の状態監視や故障診断への応用が期待できます。

図1:今回開発したスピン型ひずみ検知素子の性能と従来ひずみゲージとの比較

図2:今回開発したスピン型MEMSマイクロフォンの模式図とマイクロフォン動作実証結果

図3:試作したスピンMEMSマイクロフォンの電子顕微鏡写真

今後の展望・予定・目標

当社は今後、本技術の早期実用化に向けて、さらに性能を高めたスピン型ひずみ検知素子技術および同技術を搭載したスピン型MEMSマイクロフォン技術の研究開発に取り組みます。

(注1)微細な電気部品や機械部品を集積化した、極小の電気機械システムのこと。

(注2)当社調べ。

(注3)電子のもつ電荷とスピンの両方を利用する技術。

(注4)Magnetic Tunnel Junctionの略。2枚の磁性体層で薄い絶縁層を挟みトンネル接合している素子をMTJ素子と言います。

(注5)ここでの磁歪効果とは、逆磁歪効果のことを指します。

(注6)MEMSマイクロフォンでは、検出する音とMEMS構造体が共振することで特定音が増幅しないようにします。超音波まで安定して取得するには、超音波の周波数域でも共振を起こさないように固いMEMS構造体が用いられます。MEMS構造体が固いと、音圧等の力に対する変形が小さくなり、生じるひずみも小さくなります。

※本技術のMEMSマイクロフォンの試作の一部は、文部科学省ナノテクノロジープラットフォームの支援を受けて東北大学ナノテク融合技術支援センター・試作コインランドリで実施されました。


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