東芝、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

東芝は、IoT社会で用いられているMEMS(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たことを発表した。また、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、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た。

近年、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る。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る。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る。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た。

そこで東芝は、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」を開発した。本素子は、従来HDDヘッドの次回センサとして用いられてきたMTJ(Magnetic Tunnel Junction)素子に、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だ。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、本素子を搭載することで高精度に計測できるMEMSセンサを実現するという。

また、同社は世界で初めての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、動作実証に成功した。今回発表した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だという。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、微小な音の検出が困難だったが、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かつ高精度なMEMSマイクロフォンを実現した。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、さまざまな危機の状態監視や故障診断への応用が期待できるという。