特許 6494737 ＭＬＵに基づく加速度計

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6494737

(24)【登録日】2019年3月15日

(45)【発行日】2019年4月3日

(54)【発明の名称】ＭＬＵに基づく加速度計

(51)【国際特許分類】

   G01P 15/105 20060101AFI20190325BHJP

   G01P 15/18 20130101ALI20190325BHJP

   G01P 15/08 20060101ALI20190325BHJP

【ＦＩ】

   G01P15/105

   G01P15/18

   G01P15/08 101C

【請求項の数】5

【全頁数】12

(21)【出願番号】特願2017-501181(P2017-501181)

(86)(22)【出願日】2015年6月30日

(65)【公表番号】特表2017-519997(P2017-519997A)

(43)【公表日】2017年7月20日

(86)【国際出願番号】EP2015064770

(87)【国際公開番号】WO2016005224

(87)【国際公開日】20160114

【審査請求日】2018年3月12日

(31)【優先権主張番号】14290201.4

(32)【優先日】2014年7月11日

(33)【優先権主張国】EP

(73)【特許権者】

【識別番号】509096201

【氏名又は名称】クロッカス・テクノロジー・ソシエテ・アノニム

(74)【代理人】

【識別番号】100069556

【弁理士】

【氏名又は名称】江崎 光史

(74)【代理人】

【識別番号】100111486

【弁理士】

【氏名又は名称】鍛冶澤 實

(74)【代理人】

【識別番号】100173521

【弁理士】

【氏名又は名称】篠原 淳司

(74)【代理人】

【識別番号】100153419

【弁理士】

【氏名又は名称】清田 栄章

(72)【発明者】

【氏名】アラウィ・アリ

【審査官】 北川 創

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００９−５０３８５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−０８９０８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−０４１９４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００９−５０９１２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０１９３８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−１９２９０２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｐ １５／００ − １５／１８

Ｈ０１Ｌ ４３／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのＭＬＵセルと１つのプルーフマスとを有するＭＬＵに基づく加速度計であって、
前記少なくとも１つのＭＬＵセルが、固定された１つの第１磁化方向を呈する１つの第１磁性層と変更され得る第２磁化方向を呈する第２磁性層との間に１つのトンネル障壁層を有し、
前記プルーフマスが、プルーフマス磁場を誘導するプルーフマス磁化方向を呈する強磁性材料から成り、加速度ベクトルに追従するときに、少なくとも１つの方向に変位可能であるように、前記プルーフマスが、弾性式に懸架されていて、前記プルーフマスが、前記プルーフマス磁場を通じて前記少なくとも１つのＭＬＵセルに磁気結合されている当該加速度計において、
前記ＭＬＵに基づく加速度計が、前記少なくとも１つのＭＬＵセルのいずれか１つのＭＬＵセルに対する前記プルーフマスの変位から加速度ベクトルを測定するように、それぞれの前記少なくとも１つのＭＬＵセルの磁気抵抗を読み取り操作中に測定するために構成された読み取りモジュールをさらに有し、
前記第２磁化方向が、前記プルーフマス磁場の変化とほぼ線形に変化するように、前記読み取りモジュールは、前記第２磁化方向を前記第１磁化方向に対して平行と反平行との間の中間状態に読み取り操作中に切り替えるための手段と、センス電流３２を磁気トンネル接合２中に通電することによって前記第２磁化方向と前記第１磁化方向との間の整列の度合いを測定するための手段とを有することを特徴とする加速度計。

【請求項2】

前記第２磁化方向が、前記プルーフマス磁場の変化とほぼ線形に変化するように、前記第２磁化方向を前記第１磁化方向に対して平行と反平行との間の中間状態に読み取り操作中に切り替えるための手段は、前記ＭＬＵセルに磁気結合された１つの磁場用配線を有し、この磁場用配線が、バイアス磁場を誘導する１つのバイアスフィールド電流を通電するために形成されている請求項１に記載の加速度計。

【請求項3】

前記読み取りモジュールは、センス電流を１つのビット用配線を通じて前記ＭＬＵセル中に通電するために形成された前記ビット用配線をさらに有する請求項１に記載の加速度計。

【請求項4】

前記加速度計は、複数のＭＬＵセルを前記プルーフマスのｘ方向のそれぞれの側面上に有し、複数のＭＬＵセルを前記プルーフマスのｙ方向のそれぞれの側面上に有する請求項１に記載の加速度計。

【請求項5】

ｚ方向に向けられた加速度ベクトルが検出され得るように、前記加速度計は、１つ又は複数のＭＬＵセルを前記プルーフマスの上又は下に有する請求項１に記載の加速度計。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、向上した感度を有する加速度計デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

加速度計は、加速力を測定するために使用されるＭＥＭＳデバイスである。従来の用途は、振動測定、地震検出、及び地震アプリケーションを含む。ＭＥＭＳ加速度計のための最も一般的な用途のうちの１つは、自動車用のエアバッグ展開システムと、潜在的に全てのスマートフォン及びタブレットとにおいて存在する。自動車及びモバイルの産業における加速度計の普及した使用が、それらのコストを劇的に減少させた。今日の市場では、一軸のモデル、二軸のモデル、及び三軸のモデルが一般に入手可能である。最初のマイクロ加速度計が導入されて以降、静電容量型加速度計の性能が、劇的に向上した。

【0003】

変位測定式の加速度計は、入力加速度に応じて、懸架されたプルーフマス（ｐｒｏｏｆ−ｍａｓｓ）の変位を測定する。図１（左側）は、複数の弾性テザー１２によって懸架された１つのプルーフマス１１と２つの固定プレート１４を有する複数の櫛形電極１３とを備える静電容量に基づく加速度計（静電容量に基づく加速度計）１の概要を示す。また、図１（右側）は、左に向かって指向された加速度７０に起因して右に向かって変位５１された静電容量に基づく加速度計のプルーフマス１１を示す。

【0004】

図２は、静電容量型加速度計の櫛形構造を示す走査型電子顕微鏡画像である。

【0005】

静電容量型加速度計によってエンコードされた情報は、静電容量値である。換言すると、当該静電容量型加速度計に加速度を引き起こすことが、微小静電容量値の変化に変換される。

【0006】

最近のほとんどの加速度計は、図３に示されたような開ループ系を使用する。加速度計１の２つの固定プレート１４に印加される信号は、１８０°移相した交流信号である。当該測定回路の出力は、その振幅が対象となる静電容量に比例する交流信号である。静電容量Ｃの変化に関連する変化に追従し得る方法でこの振幅を抽出するため、同期復調器が使用され得る。キャリア信号が、関係ない情報を除去するためにローパスフィルタによってフィルタリングされる。

【0007】

当該静電容量の変化は、一般にフェムトファラドの範囲内にある。

【0008】

ＭＥＭＳは、電子装置によって通常のシリコン基板上でマイクロメートルの寸法に縮小された複数の機械要素の集積体である。このスケール（μｍ）では、当該機構のスケーリング特性、設計、材料及び製造工程を良く理解することが重要である。ＵＳバークレーのＫ．Ｓ．Ｊ．Ｐｉｓｔｅｒ及びその他の研究者による研究：ＭＥＭＳの性能は、大きさに逆比例する。ほとんどのセンサの未処理の感度は、当該センサの寸法が小さくなるにつれて低下する。

【0009】

ほとんどのＭＥＭＳセンサシステムの根本的な限界は、熱雑音である。温度、つまり分子の振動が、約１０^−２１ジュールの平均運動エネルギーによって全ての機械デバイス及び電気デバイスにジッターを引き起こす。このことは、多くの場合にフェムトファラド（１０^−１２ファラド）のスケールである静電容量型加速度計の測定を妨害するのに十分である。

【0010】

静電容量型加速度計は、自動車のエアバッグの使用又はスマートフォンの方向の検出のために十分である専ら１−ｇの変化を検出し得る。しかしながら、静電容量型加速度計は、医療での使用又はリアルタイムの使用において重要であるマイクロｇの振動に対応するには多大な労力を要する。

【0011】

米国特許第２００７０２５０２７号明細書は、物理パラメータを検知するための方法及び装置を開示する。当該装置は、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）と磁場源とを有する。この磁場源の磁場が、この磁気トンネル接合と重なり合い、この磁気トンネル接合に近接する当該磁場が、センサへの入力に応じて変化する。この磁気トンネル接合は、第１磁気電極と第２磁気電極との間の重要なトンネリング電導を可能にするように形成された誘電体によって分離されたこの第１磁気電極とこの第２磁気電極とを有する。この第１磁気電極は、ピン止めされたこの第１磁気電極のスピン軸を有し、第２磁気電極は、この第２磁気電極の自由なスピン軸を有する。当該磁場源が、この第１磁気電極よりもこの第２磁気電極の近くに配向されている。当該センサの全動作範囲が、同じ入力を受け取るが、異なる個々の応答曲線を有し、好ましくは同じ基板上に本質的に形成されない、並列に電気接続された複数のセンサを提供することによって拡張される。

【0012】

米国特許第２０１３０６６５８７号明細書は、集積回路を有する位置センサと、磁場源の位置を示す検出信号を集積回路に提供する磁場センサとを開示する。この磁場センサは、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサから構成される。当該位置センサは、当該集積回路に結合された無線回路をさらに有する。この場合、この無線回路は、当該検出信号に基づく位置信号を放射するように構成されたアンテナを有する。

【0013】

米国特許第２０１３２５５３８１号明細書は、励磁コイルを有する本体と第１軸に沿って延在する第１検出コイルとを備える慣性センサを開示する。懸架された質量体が、当該励磁コイルに対応する位置に磁場集中器を有し、当該第１軸に沿った面内で慣性によって変位するように形成されている。電圧／電流を当該検出コイル中に誘導するように当該磁場集中器と相互に作用する磁場を生成するため、給電検出回路が、当該励磁コイルと当該第１検出コイルとに電気接続されていて、当該励磁コイル中に流れる電流の時間変数の流れを発生させるように構成されている。当該第１軸に沿った当該懸架された質量体の変位に関連する量を検出するため、集積回路が、当該第１検出コイル中に誘導される電圧／電流の値を測定するように構成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0014】

【特許文献1】米国特許第２００７０２５０２７号明細書

【特許文献2】米国特許第２０１３０６６５８７号明細書

【特許文献3】米国特許第２０１３２５５３８１号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0015】

全ての従来の技術の解決策が、２つの種類：より良好な設計アプローチ、より良好な増幅器に分類される。

【0016】

（フェムトファラド単位の）既に非常に小さい静電容量の測定の安定化を支援しようとする様々な設計アプローチは、多くの場合に、製造工程中のより高いコストを招く。また、ＣＭＯＳ回路は、（チップの作動によって生成される）温度変化を補償する必要があり、より正確な増幅器が、益々必要とされる。

【課題を解決するための手段】

【0017】

ここでの開示は、少なくとも１つのＭＬＵセルと１つのプルーフマスと１つの読み取りモジュールとを有するＭＬＵに基づく加速度計（ＭＬＵに基づく加速度計）に関する。

【0018】

前記少なくとも１つのＭＬＵセルは、固定された１つの第１磁化方向を呈する１つの第１磁性層と変更され得て且つ第１磁性層と第２磁性層との間の磁気結合に起因して前記第１磁化方向に対して反平行に配向される第２磁化方向を呈する第２磁性層との間に１つのトンネル障壁層を有する。

【0019】

前記プルーフマスは、プルーフマス磁場を誘導するプルーフマス磁化方向を呈する強磁性材料から成り、加速度ベクトルに追従するときに、少なくとも１つの方向に変位可能であるように、前記プルーフマスが、弾性式に懸架されていて、前記プルーフマスが、前記プルーフマス磁場を通じて前記少なくとも１つのＭＬＵセルに磁気結合されている。

【0020】

前記読み取りモジュールは、前記少なくとも１つのＭＬＵセルのいずれか１つのＭＬＵセルに対する前記プルーフマスの変位から加速度ベクトルを測定するように、それぞれの前記少なくとも１つのＭＬＵセルの磁気抵抗を測定するために構成されている。

【0021】

ここで開示されたＭＬＵに基づく加速度計は、静電容量に基づくＭＥＭＳ加速度計を代替しようとするものであり、増幅器を必要とすることなしにより高い感度を提供する。また、当該ＭＬＵに基づく加速度計は、より低い静的電力消費を有し、製造工程中に利益を提供する。実際に、当該ＭＬＵに基づく加速度計は、製造することが複雑であるが、静電容量に基づく加速度計の通常の機能のために必要である櫛形構造なしで済ますことができる。さらに、当該ＭＬＵに基づく加速度計は、当該静電容量に基づく加速度計のために通常必要とされる検出回路を必要としない。

【0022】

本発明は、例示され且つ図示された実施の形態の説明によってより良好に理解される。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】従来の静電容量型プルーフマスが懸架された加速度計を示す。

【図2】従来の静電容量型加速度計の櫛構造を示す走査型電子顕微鏡画像である。

【図3】従来の開ループ系を示す。

【図4】１つの実施の形態による、１つのプルーフマス磁場と複数のＭＬＵセルとを有するプルーフマスから構成される２次元ＭＬＵに基づく加速度計の上面図である。

【図5】１つの実施の形態による、ストレージ層とセンス層とを有するＭＬＵセルの側面図である。

【図6】加速度ベクトルによって変位したプルーフマスを示すＭＬＵに基づく加速度計の上面図である。

【図7a】１つの実施の形態による、プルーフマス磁場が存在する場合のストレージ層のストレージ磁化方向とセンス層のセンス磁化方向とを示す。

【図7b】１つの実施の形態による、プルーフマス磁場が存在する場合のストレージ層のストレージ磁化方向とセンス層のセンス磁化方向とを示す。

【図8】バイアス磁場が印加されるときの、ＭＬＵセルの抵抗における変化を示す。

【発明を実施するための形態】

【0024】

本発明の原理は、ＭＥＭＳ加速度計内のコンデンサを可変抵抗器とみなされ得るＭＬＵスタックで置換することである。加速度計は、依然としてプルーフマスシステムに基づく。しかしながら、静電容量型加速度計が要求する櫛形構造は必要でない。

【0025】

２次元のＭＬＵに基づく加速度計１００の上面が、１つの実施の形態に応じて図４に示されている。ＭＬＵに基づく加速度計１００は、プルーフマス磁場６１を誘導する既定の方向に配向されたプルーフマス磁化方向６０を呈する強磁性材料から成るプルーフマス６を有する。

【0026】

加速度計１００が、加速度ベクトルに追従するときに、プルーフマス６が、この加速度ベクトルの方向に対して反対の方向に変位されるように、プルーフマス６が、ばね要素６２によって懸架されている。図４の例では、２次元のＭＬＵに基づく加速度計１００が、ばね要素として作用する４つの可撓性梁６２を有し、この梁は、このプルーフマス６の４つの角のそれぞれの角で位置決めされている。このプルーフマスの中心線に対する当該４つの可撓性梁６２の対称な配置は、プルーフマス６が当該加速度ベクトルの方向に応じてｘ方向及び／又はｙ方向に変位されることと、低い直交軸感度とを可能にする。可撓性梁６２は、支持要素６３を介して固定構造体に取り付けられ得る。

【0027】

当該ばね要素のその他の配置が考えられる。例えば、当該４つの可撓性梁６は、プルーフマス６の側面上に配置されてもよい。

【0028】

ＭＬＵに基づく加速度計１００は、ＭＲＡＭに基づく４つのＭＬＵセルをさらに有する。第１ＭＬＵセル１０１と第３ＭＬＵセル１０３とは、ｙ方向のプルーフマス６のそれぞれの側面上に配置されている。第２ＭＬＵセル１０２と第４ＭＬＵセル１０４とは、ｘ方向のプルーフマス６のそれぞれの側面上に配置されている。第１ＭＬＵセル１０１と第４ＭＬＵセル１０４とは、ｘ方向に沿った加速度を検出するために使用され得、第２ＭＬＵセル１０２と第３ＭＬＵセル１０３とは、ｙ方向に沿った加速度を検出するために使用され得る。図５は、１つの実施の形態による、４つのＭＬＵセル１０１，１０２，１０３，１０４のうちの１つのＭＬＵセルの側面を示す。これらのＭＬＵセル１０１〜１０４は、第１磁性層２３と、第２磁性層２１と、この第１磁性層２３とこの第２磁性層２１との間に配置されているトンネル障壁層２２とを有する。当該第１磁性層は、ストレージ磁化方向２３１を呈するストレージ層２３でもよく、当該第２磁性層は、センス磁化方向２１１を呈するセンス層２１でもよい。当該それぞれのセンス層２１及びストレージ層２３は、磁性材料、特に強磁性タイプの磁性材料を含むか又は当該磁性材料、特に強磁性タイプの磁性材料から成る。強磁性材料は、特定の保持力を有するほぼ平面状の磁化方向を特徴とする。当該保持力は、磁化方向が１つの方向に飽和された後に、その磁化方向を戻し逆にするための磁場の大きさを示す。一般に、センス層２１及びストレージ層２３は、同じ強磁性材料又は異なる強磁性材料を含有し得る。図５に示されているように、センス層２１は、軟強磁性材料、すなわち比較的低い保持力を有する強磁性材料を含有し得る一方で、ストレージ層２３は、硬強磁性材料、すなわち比較的高い保持力を有する強磁性材料を有し得る。こうして、センス磁化方向２１１が、低強度の磁場の下で容易に変更され得る。適切な強磁性材料は、典型元素を含有するか又は含有しない、遷移金属、希土類元素及びそれらの合金を含む。例えば、適切な強磁性材料は、鉄（「Ｆｅ」）、コバルト（「Ｃｏ」）、ニッケル（「Ｎｉ」）、及びパーマロイ（又はＮｉ８０Ｆｅ２０）のようなそれらの合金、並びにＮｉ、Ｆｅ及びホウ素（「Ｂ」）に基づく合金、Ｃｏ９０Ｆｅ１０、並びにＣｏ、Ｆｅ及びＢに基づく合金を含有する。場合によっては、Ｎｉ及びＦｅ（及びオプションでＢ）に基づく合金が、Ｃｏ及びＦｅ（及びオプションでＢ）に基づく合金よりも小さい保持力を有し得る。センス層２１とストレージ層２３とのそれぞれの厚さは、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ又は約１ｎｍ〜約１０ｎｍのように、ｎｍの範囲内でもよい。センス層２１とストレージ層２３とのその他の実装が考えられる。例えば、センス層２１若しくはストレージ層２３又はこれらの双方の層が、いわゆる複合反強磁性層と同様に複合的な複数の副層を有してもよい。

【0029】

トンネル障壁層２２は、絶縁材料から成り得るか又は絶縁材料から形成され得る。適切な絶縁材料は、アルミニウム酸化物（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）及びマグネシウム酸化物（例えば、ＭｇＯ）のような酸化物から成る。トンネル障壁層２２の厚さは、約１ｎｍ〜約１０ｎｍのように、ｎｍの範囲内でもよい。

【0030】

ＭＬＵセル１０１〜１０４のその他の実装が考えられる。例えば、センス層２１とストレージ層２３との相対位置決めが、ストレージ層２３の上に配置されたセンス層２１によって逆にされてもよい。

【0031】

図５を参照すると、磁気トンネル接合２は、ストレージ反強磁性層２４も有する。このストレージ反強磁性層２４は、ストレージ層２３に隣接して配置されていて、このストレージ反強磁性層２４の低閾値温度Ｔ_Ｌ未満の温度若しくはそれに近い温度であるときに、すなわちネール温度のようなブロッキング温度よりも低いときに、又はこのストレージ反強磁性層２４の別の閾値温度よりも低いときに、交換バイアスによってストレージ層磁化方向２３１を特定の方向にピン止めする。当該温度が、高閾値温度Ｔ_Ｈにある、すなわち当該ブロッキング温度よりも高いときに、このストレージ反強磁性層２４は、ストレージ磁化方向２３１のピン止めを外すか又は解除する。その結果、ストレージ磁化方向２３１が、別の方向に切り替えられ得る。このストレージ反強磁性層２４は、反強磁性体の磁性材料から成るか又は当該磁性材料から形成される。適切な反強磁性材料は、遷移金属及びそれらの合金を含有する。例えば、適切な反強磁性材料は、イリジウム（「Ｉｒ」）及びＭｎに基づく合金（例えば、ＩｒＭｎ）のような、マンガン（「Ｍｎ」）に基づく合金、Ｆｅ及びＭｎに基づく合金（例えば、ＦｅＭｎ）、白金（「Ｐｔ」）及びＭｎに基づく合金（例えば、ＰｔＭｎ）、及びＮｉ及びＭｎに基づく合金（例えば、ＮｉＭｎ）を含有する。例えば、ストレージ反強磁性層２４は、約１２０°〜約２２０°又は約１５０°〜約２００°の範囲内にある高閾値温度Ｔ_Ｈを呈するＩｒ及びＭｎに基づく（又はＦｅ及びＭｎに基づく）合金から成り得るか又は当該合金から形成され得る。センス磁化方向２１１のピン止めが外されるので、さもなければ、動作温度範囲の上限に設定されるかもしれない閾値温度なしに、又は当該閾値温度を考慮することなしに、高閾値温度Ｔ_Ｈが、高温用途のような希望する用途に適応させるために選択され得る。センス磁化方向２１１は、低閾値温度Ｔ_Ｌと高閾値温度Ｔ_Ｈとで任意に調整可能である。自由に調整可能なセンス磁化方向２１１を呈するセンス層２１を有するこの種類のＭＬＵセル１は、自己参照ＭＬＵセルとして知られている。

【0032】

ストレージ磁化方向２３１は、高閾値温度Ｔ_Ｈで磁気トンネル接合２を加熱するステップと、このストレージ磁化方向２３１を既定の方向に切り替えるステップとを有するサーマリー・アシスティッド・スイッチング（ＴＡＳ）書き込み操作を使用することによって設定され得る既定の方向を呈する。

【0033】

この代わりに、ＭＬＵセル１０１〜１０４が、工場等内で予め設定され、続いて固定された磁化方向を有し得る通常の磁化方向であるセンス磁化方向２１１と参照磁化方向２３１とを呈して実装されてもよい。ＭＬＵセル１０１〜１０４のストレージ層２３が、磁気トンネル接合２を加熱することによって、その後に参照磁化方向２３１を適切な方向に整列させるために電流（図示せず）を磁場用配線４中に通電することによって設定され得る。この設定は、工場内の事前設定として実行されてもよいし、及び／又は、ＭＬＵに基づく加速度計１００が工場を離れた後の設定として実行されてもよい。

【0034】

図６は、プルーフマス６が加速度ベクトル７０に追従するときに変位されることを示すＭＬＵに基づく加速度計１００の上面を示す。特に、図６は、（細い破線によって示された）加速度のない初期位置にあるプルーフマス６を示す。また、このプルーフマス６は、左側に向けられた加速度ベクトル７０に追従するときに、第２ＭＬＵセル１０２へ向かう方向ｘに第１変位５１によって変位されて（実線によって）示されている。この配列では、プルーフマス６が、第２ＭＬＵセル１０２により近づき、この第２ＭＬＵセル１０２が、右側に向けられた増大した大きさのプルーフマス磁場６１を受ける。

【0035】

図７は、１つの実施の形態による、プルーフマス磁場６１の発生中のＭＬＵセル１０１〜１０４のストレージ磁化方向２３１とセンス磁化方向２１１とを示す。図７ａは、加速度計１００の特定の配向を示す。この場合、第２ＭＬＵセル１０２と第４ＭＬＵセル１０４とのストレージ磁化方向２３１が、プルーフマス磁場６１に対してほぼ平行に整列された既定の方向（すなわち、図６及び７ａの右側に向けられたストレージ磁化２３１の方向）を呈する。図７ｂは、加速度計１００の特定の配向を示す。この場合、第１ＭＬＵセル１０１と第３ＭＬＵセル１０３とのストレージ磁化方向２３１も、プルーフマス磁場６１に対してほぼ平行に整列された既定の方向（すなわち、図６及び７ｂの左側に向けられたストレージ磁化２３１の方向）を呈する。

【0036】

図６及び７の特定の配列では、プルーフマス磁場６１が、ストレージ磁化方向２３１とほぼ平行に配向されている。外部磁場の不在中に、センス磁化方向２１１が、ストレージ磁化方向２３１に対してほぼ反平行に整列されるように、磁気双極子相互作用が、ストレージ磁化方向２３１とセンス磁化方向２１１との間に発生する。プルーフマス６が、正又は負のｘ方向及びｙ方向に変位すると、このプルーフマス６が変位して向かうそのＭＬＵセル１０１〜１０４内のセンス層２１の、有効なセンス磁化２１１が減少し、ほぼ反平行に結合する磁化が減少する。

【0037】

図５及び６を参照すると、ＭＬＵセル１０１〜１０４は、磁気トンネル接合２に磁気結合されている磁場用配線４と、磁気トンネル接合２に電気接続されているビット用配線３とをさらに有する。磁場用配線４は、バイアス磁場４２を誘導するようにバイアスフィールド電流４１を通電するために適合されていて、ビット用配線３は、センス電流３２を通電するために適合されている。図６では、第２ＭＬＵセル１０２及び第４ＭＬＵセル１０４がそれぞれ、独立した１つの磁場用配線４によって番地付けされ、第１ＭＬＵセル１０１及び第３ＭＬＵセル１０３が、第２ＭＬＵセル１０２及び第４ＭＬＵセル１０４から独立してもう１つの磁場用配線４によって番地付けされるように、３つの磁場用配線４又は３つの磁場用配線４の一部が、互いに平行に配置されている。

【0038】

ＭＬＵに基づく加速度計１００の読み取り操作中に、それぞれのＭＬＵセル１０１〜１０４の磁気抵抗が、変調された極性を呈するバイアスフィールド電流４１を、整合されるべき入力ビットによって設定されるバイアス磁場用配線４中に通電することによって変調され得る。ＭＬＵに基づく加速度計１００の読み取り操作中に、ストレージ磁化方向２３１が、その既定の方向に一定に維持される。特に、センス磁化方向２１１をストレージ磁化方向２３１に対してほぼ反平行な方向から（平行と反平行との間の）中間状態に切り替えるために形成されたバイアス磁場４２を誘導するように、変調されたバイアスフィールド電流４１が、磁場用配線４中に通電され得る。この場合、当該磁気トンネル接合が、プルーフマス磁場６によって放射された外部磁場に対して高感度である。センス磁化方向２１１の当該中間状態は、ストレージ磁化方向２３１に対してほぼ直角を成すセンス磁化２１１の方向に相当し得る。いずれにしても、プルーフマス磁場６１に対するセンス磁化２１１の方向の変化に起因して、すなわちプルーフマス磁場６１の変化に対してほぼ線形な変化に起因して、センス磁化方向２１１の当該中間状態は、ＭＬＵセル１０１〜１０４の磁気トンネル接合２の抵抗Ｒを変化させる。

【0039】

図８は、バイアス磁場４２（正規化して印加された磁場）が磁場用配線４中に印加されているときの、ＭＬＵセル１０１〜１０４の抵抗（正規化抵抗）の変化を示す。複数のＭＬＵセル１０１〜１０４を連続して番地付けする電流ライン４中にフィールド電流４１を通電するため、バイアス磁場４２の関数と同じ種類の抵抗の変化が達成され得る。換言すると、センス磁化方向２１１が、プルーフマス磁場６１の変化とほぼ線形に変化するように、バイアス磁場４２が、ストレージ磁化方向２３１に対するセンス磁化方向２１１を設定する。図８には、抵抗−電流曲線の線形部分が、長方形６内に示されている。

【0040】

この高感度な状態では、すなわち、抵抗−電流曲線の線形部分では、外部磁化方向の小さい変化（プルーフマス６の変位に起因するプルーフマス磁場６１の小さい変化）が、磁気トンネル接合２の抵抗値の大きい線形変化を引き起こす。図６及び７の例では、このことは、第２ＭＬＵセル１０２と第４ＭＬＵセル１０４とに番地付けする極性とは逆の極性を有する第１ＭＬＵセル１０１と第３ＭＬＵセル１０３とを番地付けする磁場用配線４中にバイアスフィールド電流４１を通電することによって達成される。バイアス磁場４２。

【0041】

プルーフマス６がＭＬＵセル１０１〜１０４に向かって変位されるそのＭＬＵセル１０１〜１０４の高感度の磁気状態にセンス磁化方向２１１を切り替えるために要求されるバイアスフィールド電流４１の大きさは、プルーフマス磁場６１の大きさに比例して、すなわちプルーフマス６の変位の大きさに比例して増大される。

【0042】

センス磁化方向２１１とストレージ磁化方向２３１との整列の度合いが、センス電流３２を、例えばビット用配線３を通じて磁気トンネル接合２中に通電することによって測定され得る（図５参照）。センス電流３２が通電されるときに、磁気トンネル接合２にわたる電圧を測定すると、ストレージ磁化２３１の方向に対するセンス磁化方向２１１の特定の整列に対する磁気トンネル接合２の抵抗値Ｒが測定される。その代わりに、抵抗値が、磁気トンネル接合２にわたって電圧を印加し、電流を測定することによって測定されてもよい。センス磁化方向２１１が、ストレージ磁化方向２３１に対して反平行である場合、磁気トンネル接合２の抵抗値Ｒは、一般に最大値、すなわちＲｍａｘに相当し、当該それぞれの磁化方向が、平行である場合、磁気トンネル接合２の抵抗値は、一般に最小値、すなわちＲｍｉｎに相当する。

【0043】

１つの例では、ストレージ磁化２３１の方向にあるプルーフマス磁場６１が、センス磁化方向２１１のカップリング成分のｇ％であると仮定する場合、１つのＭＬＵセル１０１〜１０４の抵抗が、（Ｒｍｉｎに対して）約（ｇ＊（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／Ｒｍｉｎ）パーセントだけ変化し得る。

【0044】

したがって、ｘ又はｙ方向の加速度が、ＭＬＵに基づく加速度計１００内に含まれるＭＬＵセル１０１〜１０４のいずれかのＭＬＵセルの磁気トンネル接合２の抵抗の変化を通じて測定され得る。

【0045】

ＭＬＵに基づく加速度計１００のその他の配置が考えられる。例えば、ｘ方向及びｙ方向のいずれかの方向の加速度測定に対応する抵抗信号を増幅するため、複数のＭＬＵセルから成る列が、プルーフマス６のそれぞれの側面上に配置され得る。例えば、ＭＬＵに基づく加速度計が、複数（可能であれば、数万）のＭＬＵセルから成る１つのアレイを一緒に結合することによって提供され得る。この場合、当該アレイは、プルーフマス６のそれぞれの側面上に設置される。このような配置は、出力信号と測定電流利得を増大させることを可能にする一方で、結合容量は非常に小さく維持される。

【0046】

３次元のＭＬＵに基づく加速度計１００が、１つ又は複数のＭＬＵセルをプルーフマス６の上又は下に配置することによって達成され得る。そして、ｚ方向に向けられた加速度ベクトルを検出するため、当該プルーフマスが、ｚ方向に変位するように配置され得る。

【符号の説明】

【0047】

１ 加速度計
２ 磁気トンネル接合
３ ビット用配線
４ 磁場用配線、電流ライン
６ プルーフマス、長方形
１１ プルーフマス
１２ 弾性テザー
１３ 櫛形電極
１４ 固定プレート
２１ 第２磁性層、センス層
２２ トンネル障壁層
２３ 第１磁性層、ストレージ層
２４ ストレージ反強磁性層
３２ センス電流
４１ バイアスフィールド電流
４２ バイアス磁場
５１ 第１変位
６０ プルーフマス磁化方向
６０′ プルーフマス磁化方向
６０″ プルーフマス磁化方向
６１ プルーフマス磁場
６２ ばね要素、可撓性梁
６３ 支持要素
７０ 加速度ベクトル
１００ ＭＬＵに基づく加速度計
１０１ 第１ＭＬＵセル
１０２ 第２ＭＬＵセル
１０３ 第３ＭＬＵセル
１０４ 第４ＭＬＵセル
２１１ センス磁化（方向）
２３１ ストレージ磁化（方向）、参照磁化（方向）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】