(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁歪層（１２）と強誘電体層（１０）と誘電性支持体層（１４）とから成る積層体を含む磁電（ＭＥ）センサにおいて、
ａ．前記支持体層（１４）は、前記強誘電体層（１０）よりも厚く、
ｂ．前記支持体層（１４）は、前記磁歪層（１２）と前記強誘電体層（１０）との間に配置されており、
ｃ．層の延在方向に沿って信号電圧を取り出すように構成された電極アレイ（１８）が、前記強誘電体層（１０）の上に配置されており、
ｄ．前記電極アレイ（１８）のフィンガ間隔は、前記強誘電体層（１０）の厚さよりも大きい、
ことを特徴とする、磁電センサ。
【請求項２】
前記電極アレイ（１８）のフィンガ間隔は、前記支持体層（１４）の厚さよりも大きい、
請求項１記載の磁電センサ。
【請求項３】
前記支持体層（１４）は、弾性率が２０ＧＰａよりも大きい材料から成る、
請求項１又は２記載の磁電センサ。
【請求項４】
前記支持体層（１４）はガラスから成り、有利には二酸化ケイ素、セラミックス、又は半導体有利にはケイ素から成る、
請求項１又は２又は３記載の磁電センサ。
【請求項５】
前記強誘電体層（１０）はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）から成る、
請求項１から４のいずれか１項記載の磁電センサ。
【請求項６】
前記磁歪層（１２）は、アモルファス磁気材料に分類される材料から成る、
請求項１から５のいずれか１項記載の磁電センサ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項記載の磁電センサの製造方法において、
ａ．強誘電体層（１０）を形成する材料を、誘電体基板（１４）の第１の平坦面に被着するステップと、
ｂ．前記基板（１４）の既知の厚さよりも薄い層厚を有する強誘電体層（１０）を形成しながら、５００℃よりも高い温度で前記材料を結晶化するステップと、
ｃ．層の延在方向に沿って信号電圧を取り出すように構成された電極アレイ（１８）を、前記強誘電体層（１０）に被着し、ただし、該電極アレイ（１８）のフィンガ間隔を、前記強誘電体層（１０）の厚さよりも大きくするステップと、
ｄ．磁歪層（１２）を前記基板（１４）の第２の平坦面に被着するステップと、
ｅ．５００℃よりも低い温度において、前記磁歪層（１２）に磁気極性を与えるステップと、
ｆ．前記強誘電体層（１０）のキュリー温度よりも低い温度において、層の延在方向に沿って交互に向きが変わる電気的な極性を前記強誘電体層（１０）に与えるステップ
を含むことを特徴とする、磁電センサの製造方法。
【請求項８】
前記磁歪層（１２）を、多層系として前記基板の上に堆積する、
請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記磁歪層（１２）を、反強磁性材料と強磁性材料とが交互に配置された層により形成し、該磁歪層（１２）に対し、交換バイアスを形成するために予め定められた磁界中で熱処理を行う、
請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界測定用の磁電センサに関する。このセンサは、磁歪層と強誘電体層と非導電性支持体層（以下、誘電性支持体層）とから成る積層体を含んでいる。
【背景技術】
【０００２】
近年、磁電複合体は、一般に時間に依存する極小磁界の測定を目的とするセンサ技術の研究分野において、重要な存在になってきている。磁電複合体は、磁歪相と圧電相とから成る。圧電材料には強磁性体も含まれる。
【０００３】
磁界Ｈによって磁歪相が長手方向に変化し、この変化は機械的な結合を介して圧電体に伝達され、そこにおいて機械的な引張応力又は剪断応力を発生させる。圧電電圧定数ｇにより、圧電材料において誘電分極が引き起こされ、その結果、巨視的に測定可能な磁電電圧ＵMEが発生する。この場合、達成可能な電圧ＵME（以下、ＭＥ電圧とも称する）は、圧電磁気係数ｄmと、圧電電圧定数ｇと、両方の相の結合係数ｋと、圧電材料の層厚ｚとに正比例する（式１）。
【０００４】
【数１】
0006049895.tif 000002
【０００５】
一般に磁電複合体は、簡単な平板コンデンサの形態で構成される。この構成によれば、電極として機能する２つの導電層の間に、誘電体として圧電材料（例えばアルミニウム窒化物ＡｌＮ、チタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴなど）が設けられている。通常、磁電相は、いずれにせよ金属の磁歪材料が用いられることになるならば、少なくとも一方の電極として形成されている。金属材料の利点は、磁歪効果が顕著になることである。最大の圧電磁気係数は、金属のアモルファス材料例えばMetglas（登録商標、FeCoSiB）において観察することができる。
【０００６】
さらに公知であるのは、通常は別のコンポーネントとして機能層のための支持体を有する薄膜複合体として、磁電複合体を形成することである。要求される構造サイズが小さい場合には、及びセンサアレイを製造するためには、この種の複合体を使用するのが有利である。この種の複合体においてさらに別の利点として挙げられるのは、コンパクト材料では一般的な接合技術である接着技術が不要になることである。接着層とともに、磁歪による長さの変化を部分的に吸収してしまう可能性のある相間の界面において１つの層が省かれる。このことによって殊に、薄膜ＭＥセンサの再現性も改善される。
【０００７】
薄膜ＭＥセンサは、片側で張設されたカンチレバー即ち片持ち梁として構成されることが多い。その際に明らかになったのは、高いＱにより共振駆動されるカンチレバーは著しく高い磁電電圧を有する、ということである（H. Greve, E. Woltermann, H.-J. Quenzer, B. Wagner及びE. Quandt著"Giant magnetoelectric coefficients in (Fe90Co10)78Si12B10-AIN thin film composites", Applied Physics Letters, vol. 96, 2010, p. 182501）。
【０００８】
図１には、従来技術によるカンチレバー型ＭＥセンサが描かれている。これによれば、一方の側で固定されている基板ストリップ（１４）の上に、最初に下部電極（１６）が配置され、次に圧電層（１０）が、さらにその上に金属の磁歪層（１２）が配置されている。図示されているように、下部電極（１６）と磁歪層（１２）との間でＭＥ電圧ＵMEが取り出される。
【０００９】
図１によるカンチレバー型センサは、マイクロシステム技術の手法を利用して製造される。代表的な基板（１４）はシリコンウェハであり、その上に、カソードスパッタリング、又は蒸着（物理気相成長 PVD）、又はゾルゲル法など公知の方法を用いて、個々の層が被着される。被層されたウェハは通常、リソグラフによりパターニングされ、それに続いて、本来のカンチレバーの個別化が行われる。
【００１０】
薄膜ＭＥセンサの場合、機能層（強誘電性、磁歪性）（１０，１２）はそれらの厚さが薄いことから片持ち梁式で形成できないため、基板（１４）は冒頭で述べた積層体における１つの一体構成部分を成しており、冒頭で述べた支持体層を、基板（１４）と同一のものとみなすことができる。
【００１１】
既に説明した通り、測定可能なＭＥ電圧と励起を行う磁界強度との比は、圧電体の層厚もしくは圧電相上方の電極間の間隔に比例する。したがって、圧電体の層厚を厚くすることで、予め定められた磁界強度により発生するＭＥ電圧を簡単に上昇させることができる。
【００１２】
ただし、一般的なマイクロシステム技術の手法を用いた場合、薄膜ＭＥセンサに関してこのアプローチには限界がある。このような制限は殊に、残留応力と低い堆積速度によって生じる。
【００１３】
文献US 2008/0193780 A1には代替案が示されている。この文献で提案される積層（Layer Stack）構造によるＭＥセンサにおいて中心的な着想は、平行に延在する強誘電性ファイバ（この文献では例えばチタン酸ジルコン酸鉛ＰＺＴから成るファイバ）のアレイがマトリックスエポキシ内に形成されることである。このようにして形成された層状の強誘電性複合体の両方の平坦な面の上に、交差指電極（ＩＤＴ）、絶縁体である薄いポリマーフィルム（図２の２８Ａ及び２８Ｂ並びに段落［００５７］の「絶縁フィールド」を参照）、及び金属製の磁歪層（Metglas登録商標）が配置される。この場合、同じ極性の電極フィンガが直接上下に位置するように、電極が配置される。極性を与えることによって、強誘電性複合体の分極ベクトルを、ファイバ方向（長手方向）に沿って、逆の極性を有する隣り合う電極フィンガ間で、空間的に向きを交互に変えながら配向させることができる。これはこの文献では「プッシュプルユニット」（"push-pull units"）と呼ばれ、図２の部分拡大図に示されている。
【００１４】
ＩＤＴを介して信号を取り出すことから、予め定められた磁界に対しどの程度の大きさのＭＥ電圧が発生するのかを、基本的に電極のフィンガ間隔の選定により設定することができる。原則的に、フィンガ間隔が拡がるにつれてＭＥ電圧が高くなる、ということが成り立つ。
【００１５】
ここで誤解を避けるため、以下のことを明確にしておく。即ち、電極アレイのフィンガ間隔とは、互いに接触していない２つの電極の最小間隔、のことを表し、或いは択一的に、予め定められた電圧を電極に印加したときに最大の電界強度が発生する区間の長さ、のことも表す。特に交差指電極に関して、電極のフィンガが互いに挟まり合っており、したがってフィンガ間隔はいかなる場所でも等しいことは、概念として当業者にも一般によく知られている。
【００１６】
US 2008/0193780 A1によるＭＥセンサの場合、強誘電性複合体の厚さが１００〜３５０μｍとされている強誘電性ファイバの厚さに少なくとも相応していなければならないことからして既に、これを薄膜ＭＥセンサと呼ぶことはほとんど不可能である。この複合体のプレートはカンチレバーのようであり、両面にはポリマーフィルムが被覆され、見たところ一対の交差指電極を担持しているようである。両側における接触はおそらくは、必要とされる電気的な極性が与えられている間、厚い複合体プレート内部で均等な磁界分布が形成されるようにするためであると思われる。約２５μｍの層厚でポリマーフィルムに被着される磁歪性材料は、そこに被着する際に高温を発生してはならず、或いは高温に晒してはならない。その理由は、さもないとポリマーが損傷してしまうおそれがあるからである。全般的にいえば、US 2008/0193780 A1によるセンサの製造には問題があると思われ、或いは少なくとも煩雑であるし、実証済みの大量生産方式には適合しない。
【００１７】
従来技術に関するその他の文献として挙げられるのは、US2007/252593 A1, US 2011/077663 A1, JP11126449 A及びUS 2008/145693 A1である。
【００１８】
強誘電体層の伸長方向ないしは延在方向に沿ってＭＥ電圧を取り出す着想を採用し、それをＭＥセンサ特にマイクロシステム技術において一般的な方法を利用して製造可能な薄膜ＭＥセンサに転用しようとするならば、数々の問題に直面することになる。
【００１９】
ＭＥセンサの代表的な強誘電体層はセラミックスであり、通常、（例えばゾル−ゲル法又はスクリーン印刷の場合には）有機材料も含む前駆体として、基板に塗布される。５００℃を超える温度による熱処理中、この層は熱分解して結晶化する。別の選択肢として、カソードスパッタリング又はパルスレーザ堆積によって、強誘電体層を製造することができる。ただしこれらのケースにおいても、温度を上昇させて堆積が行われ、ついで結晶化のために５００℃を超える熱処理が必要とされる。
【００２０】
慣用の下部電極を、層の延在方向に沿って電圧を取り出すように構成されている電極と置き換えるのは、問題外である。その理由は、構造が形成された（例えば貴金属である白金又は金から成る）電極層が存在することで、強誘電体の結晶化が破壊されるからである。したがってこの種の電極を、強誘電体の結晶化後に強誘電体層の上に配置できるようにするためには、これが露出した外面を有していなければならない。
【００２１】
このことからすぐに思いつくのは、層の配置順序を逆にすることであり、つまり基板の上に最初に磁歪材料を被着し、その上にさらに強誘電体を被着することである。これを逆順の積層と呼ぶ場合もある。
【００２２】
ただし、そもそも磁歪特性をもたせるために、磁歪材料は磁気異方性を必要とする。例えば、制御された条件のもとで磁歪材料を磁界中で堆積させるか、又は磁歪材料をあとから磁界中で熱処理すると、磁気異方性を生じさせることができる。別の可能性として挙げられるのは、現時点では未公開のEP11171354.1である。この文献によれば、交換バイアス（Exchange Bias）を生じさせることができるように、強磁性体（ＦＭ）層と反強磁性体（ＡＦＭ）層を交互に配置した多層系として、磁歪層が製造される。この場合、適切な動作点の設定に必要とされるはずのバイアス磁界がなくても、各層において規定可能な方向に沿って高い圧電磁気係数が生じるように、ＡＦＭ層の調整可能な配向によってＦＭ層の磁気双極子が「ピンニング」ないしは「ピン止め」される。EP11171354.1による多層系の利用は、センサアレイの製造に極めて有利であるとみなされている。その理由は、個々のセンサ間の磁気相互作用が著しく小さく、したがってセンサどうしが互いに妨害し合うことがないからである。
【００２３】
ただし、上述の磁歪層に関してまったくもって明らかであるのは、セラミックスの強誘電体の結晶化に必要とされる温度にそれらの層を晒してはならないことであり、それというのも、そのような温度に晒したならば、それらの層は恒久的に損傷してしまうからである。例えば、多層を用いた場合、拡散により層構造が破壊されてしまうかもしれないし、或いは非晶質の層であれば、温度が高められると結晶化してしまうかもしれない。
【００２４】
たとえ逆順の積層（上述の記載を参照）によってＭＥセンサをうまく構成できたとしても、交差指電極又はこれと同等の構成を備えた強誘電体層に後で電気的な極性を与えるとき、電極のフィンガ間隔が著しく拡大されていると、１０6〜１０7Ｖ／ｍの所要電界強度を達成するためには、それなりに高められた電圧を印加しなければならない、という問題が生じる。層厚が数μｍの範囲にある薄膜ＭＥセンサの場合、このことは非常に問題である。なぜならば、強誘電体層の一方の面に配置された電極アレイに対し、一般に金属の磁歪材料が僅かな間隔で対向しており、したがって電界を強く歪ませるからである。この場合、強誘電体において良好に再現可能な極性づけ行うのは、ましてや均等な極性づけを行うのは、ほとんど不可能である。それどころか、電圧を過度に大きく選定すると、強誘電体が電気的にブレークダウンしてしまうことも想定しなければならず、したがって最後には磁歪層を介して電流回路が閉じてしまう可能性すらある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
このような背景から本発明の課題は、従来のカンチレバー型センサよりも著しく高いＭＥ電圧を取り出し可能であり、かつ、慣用の積層方法によって製造可能である、新しいタイプのＭＥセンサを提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
本発明によればこの課題は、磁歪層と強誘電体層と非導電性の支持体層とから成る積層体を含む磁電センサにおいて、支持体層は強誘電体層よりも厚く、磁歪層と強誘電体層との間に配置されており、さらに、層の延在方向に沿って信号電圧を取り出すように構成された電極アレイが、強誘電体層の上に配置されており、この電極アレイのフィンガ間隔は、強誘電体層の厚さよりも大きいことにより解決される。請求項２以下には、請求項１記載の磁電センサの有利な実施形態が示されており、或いは製造方法についても示されている。
【００２７】
本発明の基本的な着想は、磁電センサの２つの機能層の間に誘電体材料から成る層を配置することで、これら双方の機能層を互いに空間的に分離することである。その際、これらの機能層の間隔は、強誘電体層の厚さよりも大きく、数倍大きいのが有利である。つまり各機能層の間に配置された誘電体層の目的は、電気的な絶縁でもあるし間隔保持でもある。本発明による磁電センサの機能層は、積層体両側の外側層である。このような新しい磁電センサデザインについて、分離層型磁電センサ（"Separator ME sensor"）なる用語を提案し、以下ではこの用語を使用する。
【００２８】
このような設計は、磁歪層と圧電層の各相が著しく密接しているか、又は直接、上下に配置されている場合にしか、磁電複合体に良好な磁電センサ特性をもたせることはできない、というこれまで一般的であった見解に反するものである。実験により明らかにされているように、層の延在方向に沿って生じることになる磁歪層の長さの変化は、厚い分離層を介してもこの層を通して強誘電体層にそのまま伝達される。
【００２９】
磁歪層を、（連続的な又はパルス化された）機械的な剪断波の放出体とみなすことができ、このような剪断波は分離層を通って伝播し、強誘電体層において電気的な極性を生じさせながら吸収される。この場合、たしかに減衰損失を見込まなければならないけれども、磁電電圧を取り出すための電極アレイのフィンガ間隔の拡大と共働して、同じ磁界強度に対し従来技術よりも著しく強い信号を取得する目的において、伝搬される機械的なエネルギーは依然として十分なものである。
【００３０】
周知の通り、層の境界において機械インピーダンスのコントラストが高いのは、機械的なエネルギーの伝達に関して不都合である。このため誘電性分離層をその質量密度及び音響速度に関して、機能層と少なくとも類似させるようにする。有利であるのは、誘電性分離層の弾性率が小さすぎないようにすることである。この点に関していえば、事実上すべてのポリマーが分離層材料の対象から外れる。このことは、US 2008/0193780 A1の開示内容に対する重要な相違点であり、この文献によれば、ＩＤＴを支持し電気的に絶縁する目的で機能層間に薄いポリマーフィルムが配置されている。このフィルムを介した機械的なエネルギー搬送の効率について、それが自明であるとは思われないにもかかわらず、上述の文献では何ら釈明されていない。いずれにせよポリマーは、セラミックス強誘電体の支持体として適したものではない。その理由は、ポリマーは層の結晶化に耐え抜くことはないからである。有利であるのは、分離層材料の弾性率を２０ＧＰａよりも大きくなるようにすることである。
【００３１】
好適には、磁電センサの機能層を堆積させる慣用の基板が、誘電性分離層として最も適している。有利にはこの基板はガラスから成り、殊に有利には二酸化ケイ素、セラミックス（例えば酸化アルミニウム Al2O3）、又は半導体例えばシリコンウェハから成る。例えばシリコンの弾性率は１０７ＧＰａであり、ＳｉＯ2の弾性率は９４ＧＰａである。
【００３２】
したがって分離層型磁電センサを製造するために、特別に分離層を製造する必要はまったくない。そうではなく、基板自体が分離層を成すよう、慣用の基板の両側の平坦面に２つの機能層のうちそれぞれ一方を被覆するだけでよい。この場合、基板の厚さは既知であり、一般的には機能層の一方の厚さよりも著しく厚い。基板の厚さは通常、約５０〜５００μｍであり、１００〜２００μｍであると有利である。機能層の厚さは通常、それよりも１オーダないしは１桁小さい。
【００３３】
強誘電体有利にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）により被覆された基板の平坦面に、層の延在方向に沿って電圧を取り出すための電極アレイが取り付けられる。この電極アレイのフィンガ間隔は強誘電体層の厚さよりも大きく、それどころか分離層の厚さよりも大きいと有利である。このため電極のフィンガ間隔は、電極が強誘電体層の層厚とちょうど同じ大きさだけしか隔てられていない従来技術によるカンチレバー型センサの場合よりも大きく、しかも少なくとも１オーダないしは１桁は大きいと有利である。
【００３４】
基本的に、設定可能なフィンガ間隔の上限は、出来上がったセンサの寸法によってのみ制約される。ただし、ｋＶの電圧により強誘電体に極性を与えるには、ミリメータ範囲のフィンガ間隔であれば既に十分である。通常、このような極性づけは、空気を介してアークが形成されることがないよう、油浴により行われる。有利にはアモルファス磁性材料から形成され金属による導電性を有する磁歪層は、極性がまだ与えられる前に、基板の第２の平坦面に配置されることになる。その理由は、磁気異方性を生じさせるには、磁界内で典型的には２５０〜３５０℃付近の熱処理が必要とされるからである（「磁界中熱処理」"field annealing"）。他方、電気的な極性を与えるためには、強誘電体のキュリー温度よりも低い温度が要求されるので、電気的な極性づけはセンサ製造における熱処理の順序として最終ステップを成すようにする必要がある。したがって極性づけの際には基板（分離層）の他方の面に、そこにおいて電界のコラプスないしは落ち込みを生じさせる導体が既に存在していることになる。その結果、極性づけのための電圧の一部も誘電性の分離層を介して降下するが、この部分によって電気的な絶縁破壊が引き起こされてはならない。ただし好ましいことに、慣用の基板の絶縁破壊電界強度は著しく高く、例えばシリコンについては約３０ＭＶ／ｍ付近であり、ＳｉＯ2については１ＧＶ／ｍに及んでいる。
【００３５】
信号電圧を取り出すように形成されておりフィンガ間隔がミリメータ範囲の電極アレイが強誘電体層上に設けられている分離層型磁電センサの製造は、機能層の間に設けられた誘電性分離層の厚さが１００μｍであれば、或いはそれ以上の厚さであれば、問題なく実現可能である。
【００３６】
次に、添付の図面及び実施例を参照しながら、本発明について詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】平板コンデンサとして設計された従来技術によるカンチレバー型磁電センサを示す概略図
【図２】分離層型ＭＥセンサとして設計されたカンチレバー型磁電センサを示す概略図
【図３】分離層型ＭＥセンサ（図２、ｆR≒１１００Ｈｚ）と、従来技術によるセンサ（図１、ｆR≒２３９０Ｈｚ）について、共振時のカンチレバーにおけるＭＥ電圧の測定曲線を示す図
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１には、従来技術による既述のカンチレバー型センサの概略図が示されており、これと対比させて図２には、分離層ＭＥセンサが示されている。図２の場合、同じ基板（１４）の互いに反対側の平坦な面上に、強誘電体層（１０）と磁歪層（１２）が設けられている。基板材料によって分離層（１４）が形成されており、この層は図２では正しいスケールでは表されていない。実際には分離層（１４）は、機能層（１０，１２）各々よりも典型的には１つのオーダだけ厚く形成されている。ＭＥ電圧を取り出すための電極アレイ（１８）は、外面即ち強誘電体層（１０）の上側のみに配置されており、層の延在方向に沿って発生する電圧を測定する。層に沿って作用する磁界により磁歪層（１２）において長さの変化が発生し、これが分離層（１４）さらには強誘電体層（１０）に伝達されたときに、強誘電体（１０）においてこの電圧が発生する。
【００３９】
分離層型ＭＥセンサを製造するための方法を、以下のステップによって実施することができる：
１．強誘電体層（１０）を形成する材料を、誘電体基板（１４）の第１の平坦面に被着する（例えばゾル−ゲル前駆体のスピンコーティング、又は強誘電体のカソードスパッタリング）。
２．基板（１４）の既知の厚さよりも薄い厚さの強誘電体層（１０）を形成しながら、５００℃よりも高い温度で材料を結晶化する。
３．層の延在方向に沿って信号電圧を取り出すように構成された電極アレイ（１８）を、（例えばリソグラフィマスクを利用した白金のスパッタリングにより）強誘電体層（１０）に被着する。この場合、フィンガ間隔は強誘電体層（１０）の厚さよりも大きい。
４．磁歪層（１２）を基板（１４）の第２の平坦面に被着する。
５．５００℃よりも低い温度において、磁歪層（１２）に磁気極性を与える（「磁界中熱処理」"field annealing"）。
６．強誘電体層（１０）のキュリー温度よりも低い温度において、層の延在方向に沿って強誘電体層（１０）に交互に向きが変わる電気的な極性を与える。
【００４０】
交互に向きが変わる電気的な極性を与える、とは、極性づけプロセスが終了したとき、極性が異なるそれぞれ２つの隣り合った電極フィンガの間において、交互に逆の（交番する）方向を指す分極ベクトルが強誘電体層の面に形成された状態となることを意味する（US 2008/0193780 A1の「プッシュプルユニット」"push-pull unitを参照）。
【００４１】
既述の方法は、ステップ２、５、６による３つの熱処理を含んでいる。ここで重要であるのは、個々のステップの最大温度が順番に低くなっていくことである。当業者に周知の通り、ステップ４及びステップ５を同時に実施することもできる。
【００４２】
１つの実施例として、分離層型ＭＥセンサを以下のように製造可能である：
基板として例えば、熱酸化させたシリコン層を有するシリコンウェハ（５２５μｍの厚さ）が用いられる。酸化層の上に、最初に拡散バリア及びシード層として二酸化ジルコン層が被着され、その後、ＰＺＴ層がそれぞれゾル−ゲル法によって被着される。約７００℃で結晶化されたＰＺＴ層（厚さ１〜２μｍ）の上に、フォトリソグラフィ及びそれに続く金のカソードスパッタリングによって、慣用の交差指電極のペアが被着される（例えばここでは５〜２０μｍのフィンガ間隔）。その後、基板が残り約１５０〜２００μｍの厚さになるまで、基板背面の研磨及び琢磨によって機械的に薄板化される。琢磨され著しく滑らかになったこの背面に、磁歪層としてメトグラス Metglas（登録商標、FeCoSiB、厚さ約４μｍ）がカソードスパッタリングにより被着される。最後に、梁部分が鋸によってダイシングされる。
【００４３】
さらに比較のために述べておくと、（図１に示されているような）平板コンデンサとして設計された慣用のカンチレバー型センサは、同じ材料から形成される。両方のケースともに磁歪層を被着した後、磁気異方性を設定するために、５００℃よりもかなり低い温度で、典型的には２５０℃〜３５０℃の温度範囲内で、磁歪層に磁気極性が与えられる。
【００４４】
梁部材を磁電センサとして利用できるようにするには、その前に強誘電性のＰＺＴ層に対し、電気的な極性を与えなければならない。この場合、層の複合体が約１４０℃まで加熱され、両方のケースともに１０ＭＶ／ｍの電界が印加される（例えば分離型ＭＥセンサであれば、２０μｍのフィンガ間隔のときに２００Ｖの電圧、平板コンデンサとして設計されたカンチレバー型センサであれば、ＰＺＴの層厚が２．５μｍのときに約２５Ｖの電圧）。一定の温度で１５分が経過した後、室温まで冷却される。そのときも電界は加えられたままである。極性を与えるステップが終了すると、センサが利用可能となる。
【００４５】
図３には、測定すべき磁界が加えられたときに、センサが送出する磁電電圧が示されている。この場合、測定すべき磁界の振幅は、１ Ｏｅであり、その周波数は、カンチレバーの機械共振周波数の領域にある（ただしこれらは構造条件によって異なる）。分離型ＭＥセンサのＭＥ信号（上のグラフ）は、平板コンデンサとして設計された慣用のカンチレバー型センサのＭＥ電圧信号（下のグラフ）よりも、約５〜６倍は大きい（下のグラフ）。
【００４６】
本発明によるセンサ設計の利点を以下に挙げておく：
１．図１によるカンチレバー型センサのための慣用の製造方法の場合とまったく同じように、強誘電体層の結晶化が行われてから磁歪層を基板に被着させることができる。既述のような逆順の積層による欠点は発生しない。
２．誘電体層は、層に沿って電圧を取り出し可能な任意の電極アレイを被着可能な外面を有する。これは最も簡単なケースでは、一対の交差指電極（ＩＤＴ）とすることができるが、互いに接触した２つのＩＤＴ及びそれらのフィンガの間に延在するメアンダ状の対向電極も考えられる。どのようなケースであっても、設計はいたって自由である。
３．電極のフィンガ間隔を任意に設定できるので、センサ製造時、ユーザの要求及びオプションに応じて、複数のオーダの範囲にわたり選択可能な自由度が得られる。従来技術の場合には、層厚設定のプロセスが煩雑であることから、電極間隔に制約があった。
４．磁歪層を多層系として形成することができる。有利には、反強磁性（ＡＦＭ）材料から成る薄い層と強磁性（ＦＭ）材料から成る薄い層（それぞれ数ナノメータの厚さ）を、スパッタリング法により交互に被着することができる。これらの層により、現時点では未公開のEP 11 171 354.1に従い適切な「磁界中熱処理」"field annealing"を行うことで、交換バイアス（Excange Bias）が形成され、このことから永久磁石によるバイアス磁界を設ける必要がなくなる。ただしＡＦＭ／ＦＭ層系を、できるかぎり滑らかでテクスチャのない基板（例えばシリコンウェハ）に堆積させるようにする。それらの層を、粗く不規則なテクスチャのあるセラミックスの強誘電体に設けるのは難しく、例えばテクスチャを打ち消す中間層を用いるなどして、少なくともかろうじて可能ではある。分離型ＭＥセンサを製造する際、同じ基板の両側の平坦面で積層を実施すれば、精密な多層系の配置によっても問題は生じない。
【００４７】
ここで述べておくと、基板両面にＭＥセンサの機能層を積層するアプローチは、当然ながら慣用のカンチレバー型センサに対しても適用可能ではある。これを行うとしたならば、最初に基板前面に平坦な下部電極と強誘電体を被着させ、ついでその上に平坦な上部電極を被着させ、最後に基板背面に磁歪層を被着させることになる。このような設計によれば、従来技術とは異なり項目４で述べた利点が得られるし、当然ながら項目１もあてはまる。ただし、いっそう高いＭＥ電圧を予期できるのは、このようにしてこれまで可能であったものよりも高い圧電磁気係数を有する磁歪層系を適用可能な場合のみとなる。なお、一般に機能層の間には、できるかぎり薄い分離層を設けるようにしたい。その理由は、強誘電体に極性を与えるときに、いずれにしても分離層を介して電圧を降下させることはできないからである。この場合、分離層はまったく別の役割を担っており、つまり好適に構造が与えられた表面を準備することである。この点において、「ほぼ慣用的である」このようなセンサ設計は、本発明による分離型ＭＥセンサの既述のコンセプト即ち特に層の延在方向に沿って電圧を取り出すことを特徴とするコンセプトの下位概念ではなく、これについては特許請求の範囲にも記載していない。
【００４８】
最後に述べておくと、本明細書中で用いている用語「支持体層」と「分離層」と「基板」はすべて、ＭＥセンサにおける同じ材料を指すために使用されており、この点でこれらの用語は同義語とみなすべきものである。本明細書において、１つの技術的対象についてこれら３つの用語を適用した理由は、以下の通りである：
ａ）用語「分離層」は、本発明の着想に最もよくあてはまるものであるが、ＭＥセンサ分野の当業者には一般的ではない。したがってこの用語は、特許請求の範囲では用いないようにしている。
ｂ）誘電体の「基板」は、どのような薄膜ＭＥセンサにも設けられるが、分離層型ＭＥセンサは、必ずしも薄膜技術で製造しなくてよい。例えば、事前に製造されたカンチレバー型の強誘電体セラミックスプレートを、基板として利用してもよい。既述のように、このようなプレートに対しその延在方向に沿って極性を与えることができるのは、磁歪層が配置され事前処理されてからであるので、極性を与えるために高い電圧を使用する場合には、この場合も分離層が必要とされる。したがってこの分離層を強誘電体プレート上に、何らかの適切な被覆方法を用いて被着させることができ、その後、分離層の上に磁歪層が配置される。つまり誘電性分離層は、必ずしも基板でなくともよく、特にその目的のために被着させることもできる。
ｃ）既にダイシングされた動作可能な任意の薄膜ＭＥセンサを調べてみると（例えばその際に切り開いてみると）、通常は著しく薄い２つの機能層と、これら両方の機能層を機械的に安定させて支持する１つの誘電体層が存在することがわかる。支持を行うこの層が、もともとは基板であったのか、或いは層として被着されたのかに係わらず、この層に対し「支持体層」という用語を使うことについて、当業者であれば理解できよう。
【符号の説明】
【００４９】
１０  強誘電体層
１２  磁歪層
１４  支持体層
１６  下部電極
１８  電極アレイ
ＭＥ  磁電センサ
ＵME  電圧
【図１】
0006049895.tif 000003
【図２】
0006049895.tif 000004
【図３】
0006049895.tif 000005