CN108431620A - 磁性传感器、传感器单元、磁性检测装置、以及磁性测量装置 - Google Patents

磁性传感器、传感器单元、磁性检测装置、以及磁性测量装置 Download PDF

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Abstract

包括：包含多个隧道磁阻元件(20)的元件阵列(10a)，所述多个隧道磁阻元件(20)分别具有固定磁性层(21)、自由磁性层(22)、以及被设置于固定磁性层及自由磁性层(22)之间的绝缘层(23)，且在外界磁场的影响下分别使绝缘层(23)的隧道电阻改变；以及对构成元件阵列(10a)的多个隧道磁阻元件(20)施加电压的电路(30)，施加于各隧道磁阻元件(20)的电压在0.1mV以上且50mV以下。

Description

磁性传感器、传感器单元、磁性检测装置、以及磁性测量装置
技术领域
本发明涉及包含隧道磁阻元件的磁性传感器、传感器单元、磁性检测装置、以及磁性测量装置。
背景技术
隧道磁阻元件被期待应用于磁性传感器、磁头、磁性存储器等领域中。在使用了隧道磁阻元件的磁性检测装置中，将多个隧道磁阻元件并联或串联地连接而提高灵敏度(参照专利文献1～4)。
例如，在专利文献1的装置中，将并联地连接隧道磁阻元件并且并联地连接的第1单元和并联地连接隧道磁阻元件并且串联地连接的第2单元并联或者串联地连接而构成磁性传感器，实现噪声降低以及灵敏度提高。
在专利文献2的装置中，在单个芯片上形成包括磁化方向相互不同的钉扎层(pinned layer)的两个以上的隧道磁阻元件，使得能够检测不同方向的磁场。这里，隧道磁阻元件成为由被串联连接的多个隧道磁阻元件组成的隧道磁阻元件组。
在专利文献3的装置中，公开了由各自包括并联和/或串联地排列了多个隧道磁阻元件的TMR模块的多个集成体组成的生物体磁性测量系统，并公开了将TMR模块桥接而构成差分放大型电路。
在专利文献4的装置中，在对串联地连接了多个强磁性隧道元件的传感器元件施加电压而处于灵敏度高的状态下，使传感器元件进行动作。
如上述专利文献1～4中所述，若提高串联或者并联连接隧道磁阻元件而构成磁性传感器的隧道磁阻元件的集成度，则能够降低磁性传感器的噪声。另一方面，在提高了磁性传感器的集成度的情况下，元件间的偏差或不良元件导致磁性传感器的信号水平降低。另外，虽然提高对磁性传感器的供电电压则灵敏度也会上升，但通常噪声也会上升，结果灵敏度不会实质性地提高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:(日本)特开2011-102730号公报
专利文献2:(日本)特开2004-93576号公报
专利文献3:国际公开第2012/161037号
专利文献4:(日本)特开平11-112054号公报
发明内容
本发明是鉴于上述背景技术而完成的，其目的在于，提供一种提高信号水平并且降低了噪声的磁性传感器。
此外，本发明的目的在于，提供嵌入了上述磁性传感器的传感器单元、磁性检测装置、以及磁性测量装置。
为了实现上述目的，本发明的磁性传感器包括：包含多个隧道磁阻元件的元件阵列，所述多个隧道磁阻元件分别具有固定磁性层、自由磁性层、以及被设置于固定磁性层及自由磁性层之间的绝缘层，且在外界磁场的影响下分别使绝缘层的隧道电阻改变；以及电路，对构成元件阵列的多个隧道磁阻元件施加电压，施加于各隧道磁阻元件的电压在0.1mV以上且50mV以下。
在上述磁性传感器中，通过将施加于各隧道磁阻元件的电压设为50mV以下，能够实质性地提高各隧道磁阻元件的灵敏度，并降低在各隧道磁阻元件中产生的噪声。另一方面，通过将施加于各隧道磁阻元件的电压设为0.1mV以上，能够防止隧道磁阻元件的串联数或者并联数过度增加，还能够提高隧道磁阻元件的合格品率等的可靠性。即，通过将对绝缘层的施加电压设为0.1mV以上，不需要为了确保灵敏度而过度地增加隧道磁阻元件的串联数或并联数或者使绝缘层过薄，并能够容易地使隧道磁阻元件产生适当的偏置效果。
为了实现上述目的，本发明的传感器单元将上述多个磁性传感器通过串联连接、并联连接，或者串联连接以及并联连接两者进行连结而一体化。
上述传感器单元通过包括上述磁性传感器，而具有灵敏度提高以及噪声降低效果。
为了实现上述目的，本发明的磁性检测装置包括：上述的至少一个磁性传感器；以及对来自至少一个磁性传感器的检测输出进行信号处理的控制部。
上述磁性检测装置通过包括上述磁性传感器，而具有灵敏度提高以及噪声降低效果。
为了实现上述目的，本发明的生物体用的磁性测量装置包括：生物体磁场检测部，具有上述的多个磁性传感器并被配置于来自生物体的磁场的影响下；以及控制部，对所述生物体磁场检测部的输出进行信号处理。
上述磁性测量装置通过包括上述的磁性传感器，而具有生物体灵敏度提高以及噪声降低效果。
附图说明
图1是说明第一实施方式的磁性传感器的概念图。
图2是说明构成图1的磁性传感器的元件阵列的概念图。
图3是说明图2所示的元件阵列的变形例的图。
图4A～4E是说明元件阵列中的磁性电阻元件的空间配置的概念图。
图5A以及5B是说明构成磁性传感器的隧道磁阻元件的放大图。
图6是说明施加于隧道磁阻元件的电压与灵敏度的关系的图表。
图7是说明隧道磁阻元件的绝缘层膜厚与TMR比的关系的图。
图8是说明第二实施方式的传感器单元以及磁性检测装置的概念图。
图9是说明第三实施方式的磁性测量装置的概念图。
具体实施方式
〔第一实施方式〕
以下，参照附图说明本发明的第一实施方式的磁性传感器。
图1所示的磁性传感器10是复合电路，在室温以下检测例如像生物体磁场这样非常微小的磁场强度。该磁性传感器10包括桥接电路VC、电压控制电路CC、校正电路SC、以及输出电路OC。在磁性传感器10中，电压控制电路CC、校正电路SC、以及输出电路OC成为驱动用的电路30。
桥接电路VC具有惠斯登电桥(Wheatstone bridge)型的电路结构，由包含多个隧道磁阻元件(TMR元件)20的元件阵列10a和固定电阻10b构成。固定电阻10b是电阻值固定的元件，温度等其他环境变动少。另外，在图1的例子中，磁性传感器10由一个元件阵列10a和三个固定电阻10b构成，但也可以由两个以上的元件阵列10a构成。具体而言，能够由将桥接电路VC例如串联地配置的两个的元件阵列10a和串联地排列的两个固定电阻10b构成。进一步，通过调整元件阵列10a的灵敏度方向，还能够由四个元件阵列10a构成桥接电路VC。
如图2所示，在图1的磁性传感器10中构成桥接电路VC的元件阵列10a由多个隧道磁阻元件20的串联连接以及并联连接两者构成。由此，能够适当组合多个隧道磁阻元件20，并能够提高磁性传感器10的灵敏度以及降低噪声。邻接的隧道磁阻元件20方向对齐地配置并由配线11串联地连接而成为磁阻元件组20a。存在多个串联连接型的磁阻元件组20a，并且它们被配置于例如二维的栅格点上，由配线12并联地连接。元件阵列10a包含被串联连接的20个以上且10000个以下的隧道磁阻元件20。通过将隧道磁阻元件20设为20个以上，能够对于极微弱的磁场的检测有效地实现灵敏度提高以及噪声降低。此外，通过将隧道磁阻元件20设为10000个以下，能够避免大型化并且降低成本。另外，如图3所示，元件阵列10a也可以将隧道磁阻元件20并联连接而构成磁阻元件组20a，并将并联连接型的多个磁阻元件组20a串联连接。
在以图2或图3的空间的配置为基础，设定隧道磁阻元件20的串联数或并联数使其成为所需的电阻值时，例如如下图4A或图4B所示，能够进行配置使得配线11为Z字状。由此，元件阵列10a的在允许空间内的自由度提高。此外，如图4C所示，即使是将电极13、14集中在单侧的结构，也能够将隧道磁阻元件20串联以及并联地连接。
在只有一个磁阻元件组20a电阻值极低的情况下，该处电流集中从而元件阵列10a整体的性能不能有效地发挥。因此，在将隧道磁阻元件20串联地连接时，使得各磁阻元件组20a中不产生电阻值的差很重要。但是，由于绝缘层23的膜厚有偏差，各隧道磁阻元件20的电阻值也产生偏差。因此，如图4D所示，也可以设为在绝缘层23的膜厚变厚的部位增大隧道磁阻元件20的面积以降低电阻值，并在各磁阻元件组20a间实质性地匹配阻抗的结构。就上述的阻抗匹配而言，也可以不仅调整隧道磁阻元件20的面积，还通过以图3的结构为基础，改变各并联数来实施。
另外，由于隧道磁阻元件20的形状不限于矩形，所以例如如图4E所示，也可以是将圆形的隧道磁阻元件20组合得到的元件阵列10a。
以上的说明是在平面上考虑隧道磁阻元件20的空间排列的情况的一个例子，但也可以是例如在将多枚成膜后的硅晶元进行重叠的结构中，在高度方向上确保阵列化的数目的结构。
元件阵列10a经由一个电极13而连接到图1所示的电压控制电路31的高电位侧，并经由另一个电极14而连接到检测侧的输出电路OC。由于磁场的影响，隧道磁阻元件20的电阻值变化。由此，元件阵列10a的电极14的电位变化，结果，整体的磁性传感器10的输出也变化。通过检测该元件阵列10a的电位变化，能够检测磁场，其细节在后面叙述。进一步，通过多个磁阻元件组20a，能够确保电流，并能够实现磁性传感器10的检测输出的稳定化。
元件阵列10a的电阻值为0.1kΩ以上且10kΩ以下。施加于元件阵列10a的电压为0.1V以上且20V以下。如果上述电阻值以及电压为以上范围，则是相对通常的传感器电路的防御范围(range of defense)，能够有效利用通用的放大电路，电压源等作为磁性传感器10的电路30的构成要素，并容易地以简单的电路进行高精度的信号检测。
如图5A以及5B中放大地所示，各个隧道磁阻元件20具有固定磁性层21、自由磁性层22、以及被设置于固定磁性层21及自由磁性层22之间的绝缘层23。在隧道磁阻元件20的两端设置有电极24，电极24被连接到配线11(或者配线12)。
固定磁性层21的磁化方向是固定的，自由磁性层22受来自外部的磁通的影响而磁化方向改变。绝缘层23根据固定磁性层21的磁化方向和自由磁性层22的磁化方向的角度差而从固定磁性层21流向自由磁性层22的隧道电流改变。即，根据穿过隧道磁阻元件20的磁通的变化，隧道磁阻元件20的电阻值改变。
在同一元件阵列10a内，构成它的多个隧道磁阻元件20被方向对齐地配置，多个隧道磁阻元件20的固定磁性层21的磁化方向在实质上相互一致。另外，虽然理想情况是在元件阵列10a内，全部隧道磁阻元件20的固定磁性层21的磁化方向相互一致，但只要在对生物体磁性的测量没有障碍的范围内对齐磁化方向即可。
此外，在同一元件阵列10a内，作为构成它的多个隧道磁阻元件20被方向对齐地配置的结果，多个隧道磁阻元件20的没有施加磁场的状态下的自由磁性层22的磁化方向也实质上相互一致。自由磁性层22的磁化方向也和固定磁性层21的情况同样地，只要在对生物体磁性的测量没有障碍的范围内对齐磁化方向即可。
以下，说明隧道磁阻元件20的磁化方向以及特性变化的例子。图5(A)以及5(B)所示的隧道磁阻元件20的固定磁性层21的磁化方向S成为平行于+x方向。隧道磁阻元件20的未施加磁场的状态下的自由磁性层22的磁化方向F1平行于与固定磁性层21的磁化方向S不同的方向、具体而言正交的+y方向。
若通过外部磁场等对隧道磁阻元件20施加大磁场H，则自由磁性层22沿特定的方向磁化。如图5A所示，若在与固定磁性层21相同的方向上施加磁场H，则隧道磁阻元件20的自由磁性层22的磁化方向F2向作为与固定磁性层21相同方向的箭头A的方向偏移。另一方面，如图5B所示，若在与固定磁性层21相反的方向上施加磁场H，则隧道磁阻元件20的自由磁性层22的磁化方向F3向作为与固定磁性层21相反方向的箭头B的方向偏移。
这里，在隧道磁阻元件20中，若自由磁性层22的磁化方向向与固定磁性层21的磁化方向相同的方向偏移，则隧道电流增加，绝缘层23的电阻值下降，并且如果向相反方向偏移，则隧道电流减少，绝缘层23的电阻值上升。因此，图5A所示的隧道磁阻元件20的电阻值下降，图5B所示的隧道磁阻元件20的电阻值上升。隧道磁阻元件20的电阻值根据磁场H的强度而在规定的范围内变化。由此，串联地集成了隧道磁阻元件20的元件阵列10a整体的电阻变化，元件阵列10a的电极13、14间的电位变化。检测元件阵列10a的电极13、14间的电位作为图1的桥接电路VC的电位差，磁性传感器10的输出(具体而言是输出电压)变化，从而得到磁性检测信号。
固定磁性层21例如由CoFeB、CoFe等形成。此外,自由磁性层22例如由NiFe、CoFe、CoNiFe、CoZrNb等形成。
施加于各隧道磁阻元件20的电压(实质上是施加于绝缘层23的电压)为0.1mV以上且50mV以下。隧道磁阻元件20如已经说明了的那样，在外界磁场的影响下分别改变绝缘层23的隧道电阻。
通过将施加于各隧道磁阻元件20的电压(实质上是施加于绝缘层23的电压)设为50mV以下，能够实质性地提高各隧道磁阻元件20的灵敏度，并降低在各隧道磁阻元件20中产生的噪声。另一方面，通过将施加于各隧道磁阻元件20的绝缘层23的电压设为0.1mV以上，能够防止隧道磁阻元件20的串联数或者并联数过度地增加，还能够提高隧道磁阻元件20的合格品率等的可靠性。即，通过将对绝缘层23的施加电压设为0.1mV以上，不需要过度地增加隧道磁阻元件20的串联数或并联数或者使绝缘层23过薄，并能够容易地使隧道磁阻元件20产生适当的偏置效果。
图6是表示施加于隧道磁阻元件20的电压和灵敏度的关系的图表。横轴表示对隧道磁阻元件20的施加电压或者偏置电压(mV)，纵轴是检测电位差(mV)和外界磁场的强度(μT)之比。检测电位差(mV)是指将隧道磁阻元件20受到外界磁场而电阻值改变导致在桥接电路上产生的电位差经由具有适当的放大率的放大器而观察到的电位差。放大器的放大率根据隧道磁阻元件20的性能以及检测的磁场强度而设定得可以得到易于处理的输出(例如大约从几百mV到1V的输出)。在图示的图表中，将具有不同串联数的隧道磁阻元件20作为样本进行了绘制。在图6所示的实施例的情况下，施加于绝缘层23的电压越小，灵敏度的性能越提高。认为这是由于作为阻挡层(barrierlayer)的绝缘层23较薄，所以即使是小电压(大约几十mV)也可能产生偏置效果。因此，施加于隧道磁阻元件20的电压(实质上是施加于绝缘层23的电压)更优选为0.5mV以上且20mV以下。在该情况下，能够更可靠地实现隧道磁阻元件20的灵敏度提高以及噪声降低，并且相对容易地制造可靠性高的隧道磁阻元件20。
在隧道磁阻元件20中，绝缘层23的每单位面积的电阻值为1×103Ω/μm2以上且1×1012Ω/μm2以下。通过将电阻值设为下限1×103Ω/μm2以上，能够在一定程度上确保膜厚而抑制短路的产生，并且通过将电阻值设为上限1×1012Ω/μm2以下，能够确保隧道电流的产生而防止隧道磁阻元件20的灵敏度降低。另外，在电阻值为上述范围的情况下，绝缘层23的膜厚例如为大约1.0～3.0nm。在这样的膜厚的情况下，能够随着膜厚增加而提高TMR比。TMR比由(R2-R1)/R1×100(％)来定义。这里，值R1是固定磁性层21的磁化方向和自由磁性层22的磁化方向方向相同时(即平行状态)的电阻值，值R2是固定磁性层21的磁化方向和自由磁性层22的磁化方向相反时(即逆平行状态)的电阻值。
图7是说明在绝缘层23由氧化镁(MgO)形成的情况下的绝缘层23的膜厚和TMR比的关系的图。如本图所示，根据绝缘层23的膜厚为1.1～1.4nm的样本的TMR比测量的结果，可知膜厚越厚则灵敏度越高。特别地，在膜厚1.4nm时可以得到TMR比接近最高的性能。根据该结果，优选绝缘层23的膜厚为1.1nm以上且3.0nm以下，更优选为1.2nm以上且2.5nm以下。因此，可以说由MgO形成的绝缘层23的每单位面积的电阻值更优选为2×103Ω/μm2以上且2×109Ω/μm2以下。
绝缘层23的面积为1μm2以上且1mm2以下。绝缘层23的面积是绝缘层23的与膜厚方向垂直的方向的面积。通过将绝缘层23的面积设为下限1μm2以上，能够提高包含绝缘层23的隧道磁阻元件20的制造精度或可加工性，并且通过将绝缘层23的面积设为上限1mm2以下，能够抑制制造时的灰尘等导致的初始不良的发生，能够提高隧道磁阻元件20的可靠性。
绝缘层23的面积更优选为25μm2以上且0.04mm2以下。
绝缘层23由具有相干隧道效应(coherent tunnel effect)的材料形成。通过相干隧道效应，能够提高TMR比，并能够提高隧道磁阻元件20进而元件阵列10a的灵敏度。绝缘层23具体而言由氧化镁、尖晶石(spinel)、以及氧化铝中的任一个形成。
以下，说明基于隧道磁阻元件20的集成化实现的噪声的降低效果。
例如，施加于桥接电路VC的桥电压或者对磁性传感器10的施加电压固定，增加隧道磁阻元件20的串联数意味着施加于一个隧道磁阻元件20的电压根据串联数而变小。在以下表达式(1)中给出隧道磁阻元件20的1/f噪声的大小SV。
但是，在上述式(1)中，α为系数，V为一个隧道磁阻元件20的电压(元件电压)，A为元件面积，f为频率。即，认为就一个隧道磁阻元件20内产生的噪声的电压分量而言，在只有元件电压V为变量时，与上述噪声的大小SV的平方根即元件电压V成比例。
如果设串联的全部隧道磁阻元件20的噪声总量、即磁性传感器10的输出中的噪声的电压噪声强度Snoise由在各隧道磁阻元件20中产生的噪声的电压分量的平方和给出，设串联的元件数为N，并将其它要素汇总为系数C或者C’，则关于表示噪声总量的电压噪声强度Snoise，能够期望以下式(2)或者(3)成立。另外，在式(3)中，设N×V、即对磁性传感器10的施加电压固定。这意味着如果使施加电压固定而增加串联的元件数，则噪声以1/√N的系数降低。
此外，根据表示在隧道磁阻元件20产生的1/f噪声的大小SV的上述表达式(1)，关于基于元件面积A增加而实现的对电压噪声强度Snoise的影响，能够期望使用另外的系数C”而成立以下的表达式(4)。
即，也能够期望桥电压固定而增加隧道磁阻元件20的并联数引起的元件面积A的有效的增加从而实现的噪声降低效果与基于串联连接来实现的噪声降低的效果相同。根据以上，由于串联以及并联的连接数越多，能够期待噪声降低效果的改善(元件电压的分散和元件面积的扩大)，所以期望在可加工的范围内设定得尽量多。另外，虽然省略了详细的说明，但通过实验也能够确认到与上述计算或者评价接近的噪声降低的效果。
回到图1，如已经说明了的那样，用于驱动桥接电路VC的电路30具有电压控制电路CC、校正电路SC、以及输出电路OC。将电路30的电压控制电路CC和校正电路SC进行连接而对桥接电路VC施加电压。即，电路30对构成桥接电路VC的元件阵列10a(进而对多个隧道磁阻元件20)以及固定电阻31施加电压。具体而言，电路30中的电压控制电路CC具有电源部31a，并对于构成包含一个以上的元件阵列10a的桥接电路VC的一对串联部D1、D2的一端施加基准电压。此外，校正电路SC具有反馈部32和校正部33，并对构成桥接电路VC的一个串联部D2的另一端施加偏置电压。即，对桥接电路VC的一个串联部D1仅施加从电压控制电路CC输出的基准的电压，对桥接电路VC的另一个串联部D2施加从电压控制电路CC输出的基准的电压和从校正电路SC输出的校正用的电压。
校正电路SC通过将根据桥接电路VC的检测端子P1、P2间的电位差得到的电压信号即偏置电压施加于串联部D2的一端，从而进行动作使得消除桥接电路VC的检测端子P1、P2间的电位差。
在校正电路SC中，向反馈部32输入来自后述的输出电路OC的放大部34的差分放大信号。反馈部32实际上由低通滤波器等组成，并向校正部33反馈由从相当于检测端子P1、P2间的电位差的差分放大信号中除去了高频成分的低频分量组成的电压信号。校正部33基于从反馈部32输入的电压信号，对于桥接电路VC的串联部D2的接地侧(即，固定电阻10b)施加抵消检测端子P1、P2间的电位差的电压信号即偏置电压。结果上，进行控制使得桥接电路VC的检测端子P1、P2间的电压差关于直流成分或者极低频率分量为某个基准值以下(例如0V)。通过该校正电路SC的功能，能够消除在桥接电路VC内即便稍微不一致的电阻值差导致产生的直流或者极低频率的电压差，并且为了检测非常小的磁场强度的变动，能够将放大部34的放大率设定得较高。此外，例如，还能够消除环境温度或环境干扰导致产生的、与要检测的磁场无关地变动的桥接电路VC间的电位差。进一步，即使在元件阵列10a的电阻值与设计不符的情况下(包含一部分隧道磁阻元件20短路的情况)，也能够简易地对桥接电路VC的检测端子P1、P2间的电压差进行调整使得其平均值变为目标值(例如0V)。
输出电路OC具有放大部34和滤波器部35。放大部34放大桥接电路VC的检测端子P1、P2间的输出信号即电位差。例如使用由运算放大器等构成的差分放大器34a作为放大部34。即，桥接电路VC的检测端子P1、P2间的电压差经由差分放大器34a而被作为模拟的电压放大信号取出。
滤波器部35具有从来自放大部34的放大信号中仅使规定带域的磁性信号对应分量选择性地通过的低通滤波器、高通滤波器、或者低通滤波器以及高通滤波器两者中的任一个。作为滤波器部35，例如使用有源型的带域放大器35a等，但也能够使用无源型的带通滤波器。来自差分放大器34a的电压放大信号被输入滤波器部35，并且在去除了不需要的频带的信号后，输出筛选出的相当于要检测的磁场的频带的电压的信号值。
在以上中，为了使磁性传感器10高灵敏度化，需要提高从磁性传感器10输出的信号强度，并减小噪声。
通常，为了增强信号强度，有如下对策：将磁性传感器设为提高隧道磁性电阻效果的构造，或者提高施加于磁性传感器的电压。此外，为了减小噪声，有如下对策：将磁性传感器内的隧道磁阻元件集成化，或者降低施加于磁性传感器的电压。但是，若将隧道磁阻元件集成化，则由于元件之间的性能偏差或不良元件的混入，作为磁性传感器的隧道磁性电阻效果有降低的趋势。此外，施加于磁性传感器的电压是在灵敏度的性能和噪声的性能中的折衷，难以使磁性传感器成为最优的结构。
因此，如本实施方式，通过将传感器10设为由多个隧道磁阻元件20集成后的结构，并将施加于各隧道磁阻元件20的电压设为1.0mV以上且50mV以下，从而磁性传感器10为能够大幅降低噪声并确保高灵敏度性能的结构，而且能够设为具有优秀的磁性分辨率。
以下，说明磁性传感器10的具体实施例。
(实施例1)
以下，表示实施例1的磁性传感器10的设计值。实施例1的磁性传感器10是高磁性分辨率型的传感器。实施例1的磁性传感器10的噪声降低效果相对变大。
磁性传感器电阻值：1.04kΩ
磁性传感器面积(概算)：49.73mm2
磁性传感器宽度(作为正方形)：7.05mm
桥接电路电压(施加于磁性传感器的电压)：8V
TMR元件串联数：1110个
TMR元件并联数：5列
绝缘层膜厚：1.35nm
绝缘层的每单位面积的电阻值：3×104Ω/μm2
TMR元件尺寸(长)：80μm
TMR元件尺寸(宽)：80μm
TMR元件的面积(绝缘层的面积)：6400μm2
TMR元件的电阻：4.69Ω
施加于TMR元件的电压：3.6mV
(实施例2)
以下，表示实施例2的磁性传感器10的设计值。实施例2的磁性传感器10是高空间分辨率型的传感器。实施例2的磁性传感器10高密度地配置隧道磁阻元件20，尺寸相对变小。
磁性传感器电阻值：1.42kΩ
磁性传感器面积：(概算)2.28mm2
磁性传感器宽度：(作为正方形)1.51mm
桥接电路电压(施加于磁性传感器的电压)：8V
TMR元件串联数：340个
TMR元件并联数：12列
绝缘层膜厚：1.2nm
绝缘层的每单位面积的电阻值：2×104Ω/μm2
TMR元件尺寸(长)：20μm
TMR元件尺寸(宽)：20μm
TMR元件的面积(绝缘层的面积)：400μm2
TMR元件的电阻：50.00Ω
施加于TMR元件的电压：11.8mV
(实施例3)
以下，表示实施例3的磁性传感器10的设计值。就实施例3的磁性传感器10而言，即使绝缘层23的膜厚相对较厚，也满足本实施方式的效果。
磁性传感器电阻值：1.11kΩ
磁性传感器面积(概算)：3.94mm2
磁性传感器宽度(作为正方形)：1.98mm
桥接电路电压：0.5V
TMR元件串联数：25个
TMR元件并联数：5列
绝缘层膜厚：2.2nm
绝缘层的每单位面积的电阻值：5×106Ω/μm2
TMR元件尺寸(长)：150μm
TMR元件尺寸(宽)：150μm
TMR元件的面积(绝缘层的面积)：22500μm2
TMR元件的电阻：222.22Ω
施加于TMR元件的电压：10.0mV
〔第二实施方式〕
以下，说明第二实施方式的传感器单元以及磁性检测装置。另外，第二实施方式的传感器单元等中包含的磁性传感器应用了第一实施方式的磁性传感器，没有特别说明的事项与第一实施方式相同。
如图8所示，磁性检测装置300至少包括一个传感器单元200和控制部40。传感器单元200经由配线部15而连接到控制部40。
传感器单元200将上述的多个磁性传感器10(参照图1)通过串联连接来连结而使其一体化。在图8中，为了简化说明，以圆柱状图示了一个磁性传感器10。在图8的例子中，在磁性检测装置300中，将四个磁性传感器10沿着一条直线排列并串联地连接而构成一个传感器单元200，并且将多个传感器单元200相邻地并联地排列。另外，在传感器单元200中，也可以仅将磁性传感器10并联连接或者通过串联连接以及并联连接两者来连结。
控制部40具有信号检测部41、存储部42、输入输出部43、以及主控制部44。
控制部40中的信号检测部41在主控制部44的控制下，受理从各传感器单元200输出的检测信号。在信号检测部41中，例如将从各传感器单元200进行输入检测后的规定带域的磁性信号变化为易于处理的形状。具体而言，来自传感器单元200的磁性信号是模拟信号，并且为了在主控制部44中的处理而在信号检测部41中转换为数字信号。
存储部42存储用于使主控制部44进行动作的规定的程序或数据。此外，存储部42在主控制部44的控制下，存储在信号检测部41进行数字转换后的磁性信号。能够将从各传感器单元200得到的磁性信号与各个传感器单元200对应地作为检测数据进行存储，并且按照时间序列依次记录这样的时间性的检测数据。由此，存储部42还能够按照来自基于程序进行动作的主控制部44的指示或经由输入输出部43的操作人员的指示，存储对测量出的磁性信号进行了映射等的结果。
输入输出部43根据操作人员的指示使主控制部44按照规定的程序开始动作，或者通过主控制部44的动作，使信号检测部41读取传感器单元200的检测结果并将其存储在存储部42中。输入输出部43在主控制部44的控制下进行动作，在例如显示器等上显示根据传感器单元200的检测结果而得到的磁性测量结果。
主控制部44统筹地控制信号检测部41、存储部42、以及输入输出部43的动作。主控制部44能够对经由信号检测部41得到的磁性信号进行滤波、增强等处理。此外，主控制部44能够对经由信号检测部41得到的磁性信号进行编辑。具体而言，能够将从各传感器单元200得到的磁性信号数据二维地进行映射，或将该时间性的变换转换为视频图像，而在输入输出部43上显示结果。
在以上说明的传感器单元200以及磁性检测装置300中，通过包括上述磁性传感器10，而具有灵敏度提高以及噪声降低效果。
〔第三实施方式〕
以下，说明第三实施方式的磁性测量装置。另外，第三实施方式的磁性测量装置中包含的磁性传感器以及传感器单元是将第一以及第二实施方式的磁性传感器等进行应用或者变形，没有特别说明的事项与第一以及第二实施方式相同。
如图9所示，生物体用的磁性测量装置400包括生物体磁场检测部50和控制部60。
生物体磁场检测部50被配置于来自生物体的磁场的影响下，将来自生物体的微弱的磁场作为磁性信号取出。生物体磁场检测部50具有多个与图8所示相同的传感器单元200(即将多个磁性传感器10(参照图1)组合得到的传感器单元)，并具有二维地配置了这些多个传感器单元200的构造。多个传感器单元200能够沿着作为检测对象的生物体的表面而使配置面弯曲。在图9的例子中，传感器单元200内置于头盔型的磁性屏蔽用具51并沿着受检人HS的头部弯曲地配置，所述头盔型的磁性屏蔽用具51例如包含覆盖周围的屏蔽部51a和配置于屏蔽部51a的内侧而支撑多个传感器单元200的主体51b。生物体磁场检测部50被安装在受检人HS的头部，检测受检人HS的生物体磁性。
控制部60对生物体磁场检测部50的输出进行信号处理。控制部60进行与在第二实施方式中说明的磁性检测装置300的控制部40同样的动作。
在上述磁性测量装置400中，通过包括上述磁性传感器10，从而具有生物体灵敏度提高以及噪声降低效果。由于磁性传感器10较为微小，所以如果将磁性传感器10二维或者三维地高密度地配置，则能够提高空间分辨率，并实现高精度化。
就来自生物体的微弱的磁场而言，认为例如是由心脏引起的几十pT程度、由脑功能引起的弱于100pT程度。说明检测该磁场的情况下所需的生物体灵敏度。
在图1所述的桥接电路VC内配置电阻值1kΩ的元件阵列10a，并且对桥接电路VC施加2V的电压时，施加于各元件阵列10a的电压成为1V。在该状态下，例如，在对各元件阵列10a施加1pT(1fT的1000倍)的磁场时，在桥接电路VC上产生1mV的电压差。此时，如果噪声为大约1μV的性能，则即使是例如弱于100pT程度的脑磁场也能够以良好的SN比进行检测。
在上述的条件下进行了信号检测时的生物体灵敏度，以电压表示时为1mV/1pT，并且以TMR比(即电阻值的变化率)表示时为0.1％/1pT。
以上，说明了实施方式的磁性传感器等，但本发明的磁性传感器等并非限定于上述。例如，隧道磁阻元件20的排列能够根据用途来适当地变更。此外，隧道磁阻元件20的固定磁性层21的磁化方向或者自由磁性层22的磁化方向也能够适当地变更。
此外，在上述实施方式中，在电路30中设置了放大部34或滤波器部35，但也可以不设置。
此外，在上述实施方式中，磁性传感器10将作为集成体的元件阵列10a作为一个单位，例如将固定磁性层21的磁化方向或者自由磁性层22的磁化方向不同的多个元件阵列10a组合来构成。
此外，在第二实施方式中，由传感器单元200构成了磁性检测装置300，但也可以由一个磁性传感器10来构成。

Claims (16)

1.一种磁性传感器，包括：
包含多个隧道磁阻元件的元件阵列，所述多个隧道磁阻元件分别具有固定磁性层、自由磁性层、以及被设置于所述固定磁性层及所述自由磁性层之间的绝缘层，且在外界磁场的影响下分别使所述绝缘层的隧道电阻改变；以及
电路，对构成所述元件阵列的所述多个隧道磁阻元件施加电压，
施加于各隧道磁阻元件的电压在0.1mV以上且50mV以下。
2.如权利要求1所述的磁性传感器，
施加于所述各隧道磁阻元件的电压为0.5mV以上且20mV以下。
3.如权利要求1或2所述的磁性传感器，
所述元件阵列通过所述多个隧道磁阻元件的串联连接、并联连接、或者串联连接以及并联连接两者而构成。
4.如权利要求1～3中任一项所述的磁性传感器，
所述元件阵列包含被串联连接的20个以上且10000个以下的所述隧道磁阻元件。
5.如权利要求1～4中任一项所述的磁性传感器，
所述元件阵列的电阻值为0.1kΩ以上且10kΩ以下。
6.如权利要求1～5中任一项所述的磁性传感器，
各隧道磁阻元件的所述绝缘层的每单位面积的电阻值为1×103Ω/μm2以上且1×1012Ω/μm2以下。
7.如权利要求1～6中任一项所述的磁性传感器，
所述绝缘层由具有相干隧道效应的材料形成。
8.如权利要求1～7中任一项所述的磁性传感器，
所述绝缘层由氧化镁、尖晶石、以及氧化铝中的任一个形成。
9.如权利要求1～8中任一项所述的磁性传感器，
各隧道磁阻元件的所述绝缘层的面积为1μm2以上且1mm2以下。
10.如权利要求1～9中任一项所述的磁性传感器，
施加于所述元件阵列的电压为0.1V以上且20V以下。
11.如权利要求1～10中任一项所述的磁性传感器，所述电路具有：
电源部，对于构成包含一个以上的所述元件阵列的桥接电路的一对串联部施加基准电压；
校正部，对于构成所述桥接电路的一个串联部施加偏置电压；以及
反馈部，向所述校正部反馈从所述桥接电路的检测端子间的输出信号得到的信号。
12.如权利要求1～11中任一项所述的磁性传感器，所述电路包括：
放大部，放大所述桥接电路的检测端子间的输出信号；以及
滤波器部，具有从来自所述放大部的放大信号中使规定带域的磁性信号分量通过的低通滤波器、高通滤波器、或者低通滤波器以及高通滤波器两者。
13.一种传感器单元，将权利要求1～12中任一项所述的多个磁性传感器通过串联连接、并联连接或者串联连接以及并联连接两者进行连结而一体化。
14.一种磁性检测装置，包括：
权利要求1～12中任一项所述的至少一个磁性传感器；以及
控制部，对来自所述至少一个磁性传感器的检测输出进行信号处理。
15.一种生物体用的磁性测量装置，包括：
生物体磁场检测部，具有权利要求1～12中任一项所述的多个磁性传感器并被配置于来自生物体的磁场的影响下；以及
控制部，对所述生物体磁场检测部的输出进行信号处理。
16.如权利要求15所述的生物体用的磁性测量装置，
测量100pT以下的磁场。
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