DE112012006859B4

DE112012006859B4 - Magnetoresistiver Sensor und Gradiometer

Info

Publication number: DE112012006859B4
Application number: DE112012006859.9T
Authority: DE
Inventors: c/o Hitachi Ltd. Kandori Akihiko; c/o Hitachi Ltd. Seki Yusuke; c/o Hitachi Ltd. Kawabata Ryuzo
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2012-08-31
Filing date: 2012-08-31
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2032-09-01
Also published as: US20170168123A1; KR101654662B1; KR20150036622A; CN104603628A; JP5897719B2; CN104603628B; DE112012006859T5; US20150212166A1; WO2014033904A1; US10247789B2; JPWO2014033904A1

Abstract

Magnetoresistiver Sensor, der umfasst:mehrere magnetoresistive Sensorabschnitte (105), von denen jeder eine Brückenschaltung aufweist, in der vier magnetoresistive Elemente (101) verbunden sind;eine Verstärkerschaltung (103), die Ausgänge der magnetoresistiven Sensorabschnitte (105) verstärkt,wobei die Ausgänge der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte (105) parallel zueinander an einen Eingang der Verstärkerschaltung (103) geschaltet sind;eine Einstellungs-/Rücksetzungsschaltung (701), die Einstellungsimpulse und Rücksetzungsimpulse zum Invertieren der Magnetisierung der magnetoresistiven Elemente (101) erzeugt;eine Detektionsschaltung, die ein Wechselstromsignal, das durch den magnetoresistiven Sensorabschnitt (105) ausgegeben wird, unter Verwendung des Einstellungsimpulses und des Rücksetzungsimpulses, die durch die Einstellungs-/Rücksetzungsschaltung (701) erzeugt werden, detektiert;einen Aufwärtstransformator (901), der eine Ausgangsspannung des magnetoresistiven Sensorabschnitts (105) zwischen dem Ausgang des magnetoresistiven Sensorabschnitts (105) und der Verstärkerschaltung (103) erhöht,wobei die Ausgänge der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte (105) parallel zueinander mit dem Aufwärtstransformator (901) verbunden sind.

Description

Technisches Gebiet
Diese Erfindung bezieht sich auf einen magnetoresistiven Sensor und ein Gradiometer, das ihn verwendet.
Stand der Technik
Magnetoresistive Sensoren (nachstehend als MR-Sensoren abgekürzt) sind billig, klein und hochempfindlich und werden weithin zur berührungslosen Drehzahldetektion und Positionsdetektion verwendet. Die MR-Sensoren enthalten riesenmagnetoresistive Sensoren (nachstehend als GMR-Sensoren abgekürzt), tunnelmagnetoresistive Sensoren (nachstehend als TMR-Sensoren abgekürzt) und anisotropmagnetoresistiver Sensoren (nachstehend als AMR-Sensoren abgekürzt).
In letzter Zeit haben sich mobile Geräte wie z. B. Mobiltelefone und PDA (persönlicher digitaler Assistent) weit verbreitet, und die mobilen Geräte enthalten Richtungssensoren, die MR-Sensoren verwenden und als Navigationssysteme verwendet werden können, die Positionsinformationen durch GPS (globales Positionierungssystem) verwenden. Bei der Anpassung der MR-Sensoren auf dem Gebiet der gewerblichen Anwendung sind jedoch hochempfindliche Magnetismusdetektionstechnologien nicht unbedingt erforderlich. Beispielsweise detektiert der Richtungssensor eine absolute Richtung mit Bezug auf Erdmagnetismus und erfordert keine ultraempfindliche Magnetismusdetektion und verwendet selbst in Codierungsanwendung von Drehzahldetektion und Positionsdetektion einen Magneten als ein Referenzsignal, und die ultraempfindliche Magnetismusdetektion ist nicht unabdingbar.
Andererseits wurde in letzter Zeit begonnen, medizinische Geräte, die Magnetocardiograph und Magnetocephalograph enthalten, die schwache und niederfrequente Magnetfelder detektieren, die aus elektrischer Aktivität lebender Herzen und Gehirne erzeugt werden (nachstehend als „biomagnetische Felder“ bezeichnet), im medizinischen Bereich zu verwenden. Zur Detektion des biomagnetischen Felds wird eine supraleitende Quanteninterferenzvorrichtung (nachstehend als SQUID bezeichnet) als der ultraempfindliche Magnetsensor verwendet. Die SQUID ist ein magnetischer Sensor, der ein Supraleitungsphänomen - verwendet und eine Struktur mit einem Josephson-Übergang aufweist. Dementsprechend erfordert die SQUID eine Kühlung durch ein Kühlmittel (flüssiges Helium oder flüssigen Stickstoff) und ist innerhalb eines Kryostaten platziert, in dem das Kühlmittel untergebracht ist. Ferner ist eine Konfiguration erforderlich, die den Josephson-Übergang innerhalb der SQUID nicht elektromagnetisch beeinträchtigt. Wie vorstehend beschrieben ist die SQUID der ultraempfindliche magnetische Sensor, jedoch sind Probleme vorhanden, dass die Handhabung kompliziert ist und es nicht möglich ist, den Sensor ausreichend näher an dem lebenden Organismus zu bilden, weil der Sensor innerhalb des Kryostaten platziert ist.
Um das biomagnetische Feld zu messen, ist die Empfindlichkeit des MR-Sensors bei der niedrigeren Frequenz (100 Hz oder weniger, insbesondere 30 Hz oder weniger), die viele Signalkomponenten biologischen Ursprungs enthält, wichtig. Das Rauschen, das die Empfindlichkeit des Niederfrequenzbereichs bestimmt, enthält zwei Arten von Rauschen, weißes Rauschen und 1 / f-Rauschen. Diese zwei Arten von Rauschen sind nicht nur durch das Rauschen bestimmt, das durch den MR-Sensor erzeugt wird, sondern sind als Systemrauschen (Empfindlichkeit) durch Vorverstärkerrauschen und eine Kombination mit anderen Arbeitsschaltungen bestimmt.
In dem Bericht über höhere Empfindlichkeit des MR-Sensors, der in dem folgenden NPL 2 (= NPL 4) beschrieben ist, ist eine Technik zum Rückführen von magnetischem Fluss zu dem MR-Sensor offenbart. In derselben Literatur wird 1/f-Rauschen, das thermische Fluktuation enthält, die von dem MR-Sensor herrührt, durch die Rückführungstechnik reduziert. Es wird angenommen, dass die Technik der Literatur auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Untersuchung verwendet wird und vorgesehen ist, um den Betrieb selbst in schwieriger Umgebung (hohe Temperatur oder Ähnliches) zu stabilisieren.
Das folgende NPL 1 (= NPL 3) beschreibt, dass ein Einstellungs-/Rücksetzungsimpuls auf den MR-Sensor angewandt wird, die Magnetisierung von magnetoresistiven Elementen invertiert wird, resultierende Wechselstromsignale detektiert werden und dadurch das 1/f-Rauschen, das von dem MR-Sensor herrührt, reduziert wird. NPL 3 beschreibt das Anlegen eines Magnetfeldes an einen AMR-Sensor, um niederfrequentes Rauschen zu unterdrücken. NPL 4 beschreibt den Aufbau eines Magnetometers unter Verwendung eines kommerziell verfügbaren AMR-Sensors.
In der folgenden PTL 1 ist, wie in Abschnitten beschrieben, eine Konfiguration offenbart, in der „Elementgruppen, in denen Elemente mit magnetoresistivem Effekt parallel geschaltet sind, in Reihe geschaltet sind“, „um einen Magnetfelddetektor zu erhalten, in dem die Empfindlichkeit selbst nach der Anpassung der Nullpunkt-Offsetspannung des Ausgangs nicht variiert‟. Die Konfiguration von PTL 1 unterdrückt Variationen der Empfindlichkeit und reduziert 1/f-Rauschen, das von dem MR-Sensor herrührt. PTL 2 beschreibt die Anordnung zweier magnetoresistiver Sensorgruppen in einer Vorrichtung zur Positionsbestimmung. PTL 3 beschreibt eine Vorrichtung zur Messung einer Relativverschiebung zwischen einem Magnet-Messfühler mit vier Magnet-Widerstandselementen und einem magnetischen Aufzeichnungsträger mit mindestens einer Magnetspur. PTL 4 beschreibt eine Halbleitervorrichtung mit einem Erfassungs-Hall-Element zum Erfassen eines Magnetfelds, einem Temperaturüberwachungs-Hall-Element und einer Berechnungsschaltung. PTL 5 beschreibt ein Messgerät, bei welchem ein Ausgangssignal erhalten werden kann, welches einer vorbestimmten Position entspricht, etwa einem vorspringenden oder ausgenommenen Abschnitt eines beweglichen Teils aus magnetischem Material, ohne eine Beeinflussung durch Temperaturänderungen.
Entgegenhaltungsliste
Patentliteratur

PTL 1: Japanisches Patent Nr. 4899877
PTL 2: JP 2007 - 192 722 A
PTL 3: DE 33 08404 A1
PTL 4: JP 2008 - 008 883 A
PTL 5: US 6169396 B1

Nichtpatentliteratur

NPL 1: Rev. Sei. Instrum. 82, 094703, 2011
NPL 2: Rev. Sci. Instrum. 80, 036102, 2009
NPL 3: D. F. Hea and M. Shiwa: „An anisotropic magneto resistive sensor with set/reset field“; Review of Scientific Instruments 82, 094703 (2011); doi: 10.1063/1.3640412
NPL 4: D. F. He', M. Tachiki, and H. Itozaki: „Highly sensitive anisotropic magnetoresistance magnetometer for Eddy-current nondestructive evaluation“; Review of Scientific Instruments 80, 036102 (2009); doi: 10.1063/1.3098946

Zusammenfassung der Erfindung
Technische Probleme
Alle Technologien, die in der jeweiligen Literatur beschrieben sind, offenbaren nur die Reduktionstechniken, die die Aufmerksamkeit auf das Rauschen konzentrieren, das nur durch die MR-Sensoren erzeugt wird, und enthalten keine Beschreibung über die Reduktion des Systemrauschens. Ferner sind in der jeweiligen Literatur nur Techniken zum Reduzieren von 1/f-Rauschen, das von den MR-Sensoren herrührt, offenbart, jedoch keine Technik zum Reduzieren von weißem Rauschen als grundlegendes Systemrauschen ist deutlich beschrieben, oder keine Technik zum Reduzieren von 1/f-Rauschen gleichzeitig mit weißem Rauschen ist beschrieben.
Darüber hinaus erfordert die Technik zum Parallelschalten von magnetoresistiven Elementen, die in PLT 1 beschrieben ist, Mikroherstellung zur parallelen Schaltung vieler magnetoresistiver Elementen in einer Matrixform, und die Herstellungseinrichtung wird komplex und problematisch in Hinsicht auf Ertrag und Kosten.
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme ist es ein Ziel (eine Aufgabe) der Erfindung, 1/f-Rauschen und weißes Rauschen gleichzeitig zu reduzieren durch ganzheitliches Reduzieren von Rauschen eines MR-Sensors und Rauschen eines Arbeitsschaltungsabschnitts. Die gestellte Aufgabe wir durch die Patentansprüche 1 und 8 gelöst. Weiterbildungen folgen in den abhängigen Ansprüchen 2 - 7.
Lösung der Probleme
Ein magnetoresistiver Sensor gemäß der Erfindung enthält mehrere magnetoresistive Sensorabschnitte, von denen jeder eine Brückenschaltung aufweist, in der vier magnetoresistive Elemente verbunden sind, wobei Ausgänge der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte parallel zueinander mit einem Eingang einer Verstärkerschaltung verbunden sind.
Vorteilhafte Auswirkungen der Erfindung
Gemäß einem magnetoresistiven Sensor der Erfindung kann Rauschen, das von einem MR-Sensor herrührt, durch eine einfache Konfiguration reduziert sein.
Die andren Probleme, Konfigurationen und vorteilhaften Auswirkungen, als diejenigen, die vorstehend beschrieben sind, werden durch die folgende Erläuterung der Ausführungsformen deutlich.
Figurenliste

1 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors aus dem Stand der Technik.
2 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß Ausführungsform 1.
3 zeigt Messergebnisse des Systemrauschens, gemessen unter Verwendung eines eigentlichen AMR-Sensors mit Bezug auf den MR-Sensor 100 gemäß Ausführungsform 1.
4 zeigt beispielhaft eine Anordnung von magnetoresistiven Sensorabschnitten 105.
5 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß Ausführungsform 2.
6 zeigt Messergebnisse des Systemrauschens, gemessen unter Verwendung eines eigentlichen AMR-Sensors mit Bezug auf den MR-Sensor 100 gemäß Ausführungsform 2.
7 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß Ausführungsform 3.
8 zeigt Messergebnisse des Systemrauschens, gemessen unter Verwendung eines eigentlichen AMR-Sensors mit Bezug auf den MR-Sensor 100 gemäß Ausführungsform 3.
9 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß Ausführungsform 4.
10 zeigt Messergebnisse des Systemrauschens, gemessen unter Verwendung eines eigentlichen AMR-Sensors mit Bezug auf den MR-Sensor 100 gemäß Ausführungsform 4.
11 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß Ausführungsform 5.
12 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß Ausführungsform 6.
13 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß Ausführungsform 7.
14 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß Ausführungsform 8.
15 zeigt eine Konfiguration eines Gradiometers 1500 gemäß Ausführungsform 9.

Beschreibung der Ausführungsformen
<MR-Sensor aus dem Stand der Technik>
1 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors aus dem Stand der Technik. Der MR-Sensor aus dem Stand der Technik weist eine Brückenschaltung (magnetoresistiver Sensorabschnitt 105) auf, die magnetoresistive Elemente 101-1, 101-2, 101-3, 101-4 enthält, und detektiert ein Magnetfeld durch winzige Widerstandsänderung aufgrund eines variierenden Magnetfelds. Eine Gleichstromquelle 102 legt eine Gleichspannung als eine Antriebsspannung der Brückenschaltung 105 an. Ein Vorverstärker verstärkt die Spannung zwischen beiden Enden der Brückenschaltung 105 und gibt sie aus einem Ausgangsanschluss 104 aus.
In dem in 1 gezeigten MR-Sensor aus dem Stand der Technik wird berücksichtigt, dass thermisches Rauschen (Schrotrauschen) aufgrund von Widerstandskomponenten des MR-Sensors zu einem größeren Rauschen des Gesamtsystems wird und hochempfindliche Detektion des Magnetfelds schwierig ist.
<Ausführungsform 1>
2 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß Ausführungsform 1 der Erfindung. Der MR-Sensor 100 enthält mehrere der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105, die in 1 gezeigt sind, und die Ausgänge der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 sind mit dem Eingang des Vorverstärkers 103 parallel zueinander verbunden. In 2 sind die vier magnetoresistive Sensorabschnitte 105-1, 105-2, 105-3, 105-4 beispielhaft dargestellt, die Anzahl magnetoresistiver Sensorabschnitten 105 ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Wenn die Anzahl von parallel geschalteten magnetoresistiven Sensorabschnitten 105 gleich N ist, ist der Wirkwiderstand der parallel geschalteten magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 als Ganzes ein N-tel des Widerstands zwischen beiden Enden der einzelnen magnetoresistiven Sensorabschnitte 105.
Das thermische Rauschen Vr des MR-Sensors 100 wird durch die folgende Formel 1 berechnet. k ist die Boltzmann-Konstante, R ist der Widerstand zwischen beiden Enden des magnetoresistiven Sensorabschnitts 105 und T ist eine absolute Temperatur. $Vr= {(4kRT)}^{1 / 2}$
Gemäß Formel 1 sind die N magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 parallel geschaltet, und der Wirkwiderstand wird zu einem N-tel, und dadurch ist das thermische Rauschen (Schrotrauschen), das aus dem Widerstand des MR-Sensors 100 erzeugt wird, ein N^1/2-tel. Das heißt, die Ausgänge der mehreren magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 sind parallel geschaltet zu dem Eingang des Vorverstärkers 103, und dadurch kann das thermische Rauschen, das von dem MR-Sensor herrührt, reduziert sein, und das Magnetfeld kann mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden. In 2 ist der Fall, in dem vier magnetoresistive Sensorabschnitte 105 vorhanden sind, beispielhaft dargestellt, um jedoch Empfindlichkeit aufzuweisen, die das Messen des biomagnetischen Felds ermöglicht, ist es wünschenswert, zehn oder mehr der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 parallel zu schalten.
3 zeigt Messergebnisse des Systemrauschens, gemessen unter Verwendung eines eigentlichen AMR-Sensors mit Bezug auf den MR-Sensor 100 gemäß der Ausführungsform 1. Das Bezugszeichen 301 bezeichnet Systemrauschen, das unter Verwendung der Konfiguration in 1 gemessen ist, und das Bezugszeichen 302 bezeichnet Systemrauschen, das unter Verwendung der Konfiguration in 2 gemessen ist. Die Bezugszeichen 303 und 304 bezeichnen weißes Rauschen in den jeweiligen Messergebnissen. Das weiße Rauschen 303 war 35 pT/Hz^1/2, und das weiße Rauschen 304 war 20 pT/Hz^1/2.
Gemäß den in 3 gezeigten Messergebnissen ist bekannt, dass das weiße Rauschen 304 etwa eine Hälfte des weißen Rauschens 303 ist. Das heißt, wie aus dem durch die Formel 1 berechneten theoretischen Wert bekannt ist, es ist bekannt, dass die vier magnetoresistive Sensorabschnitte 105 parallel geschaltet sind, und dadurch thermisches Rauschen (Spannungsrauschen), das aus dem Widerstand des MR-Sensors 100 erzeugt wird, reduziert sein kann, so dass es ein 4^1/2-tel = eine Hälfte ist. Ferner ist bekannt, dass das thermische Rauschen reduziert ist, und der Effekt des Reduzierens des Rauschens als Ganzes ist erreicht, und das 1/f-Rauschen ist in dem Niederfrequenzbereich reduziert.
4 zeigt beispielhaft eine Anordnung der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105. 4(a) ist eine Draufsicht, und 4(b) ist eine Seitenansicht. Die magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 sind so angeordnet, dass Empfindlichkeitsrichtungen dieselben sein können, wie in 4 gezeigt ist. Beispielsweise, wie in 4(a) gezeigt, sind die magnetoresistiven Sensorabschnitte 105, die Detektionsempfindlichkeit in der Richtung parallel zur Papierebene aufweisen, auf einem Substrat 401 angeordnet. Auf dem Substrat 401 ist der Vorverstärker 103 (nicht gezeigt) vorgesehen, und Stromversorgung und Signalausgang des Vorverstärkers 103 sind mit einer externen Vorrichtung über einen Anschlussabschnitt 402 verbunden. Es ist wünschenswert, dass Vorverstärker 103 auf dem Substrat 401 im Hinblick auf den Montageplatz vorgesehen ist, es ist jedoch nicht darauf beschränkt.
4 zeigt ein Beispiel, in dem die 24 magnetoresistiven Sensorabschnitte 105-1 bis 105-24 auf dem Substrat 401 angeordnet sind.
Wenn die magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 Parallelepipedformen und die Empfindlichkeitsrichtung senkrecht zu der Papierebene aufweisen, wie in 4 gezeigt ist, beispielsweise, um so viele magnetoresistive Sensorabschnitte 105 wie möglich zu platzieren, sind sie auf dem Substrat 401 angeordnet, das eine Durchmessergröße von etwa 15 mm aufweist, so dass die empfindlichen Richtungen der Magnetfelder dieselben sein können.
Das Anordnungsbeispiel der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105, das in 4 gezeigt ist, ist allen folgenden Ausführungsformen gemeinsam und wird in den folgenden Beispielen nicht erläutert, dieselbe Konfiguration kann jedoch auf alle Ausführungsformen angewandt werden.
<Ausführungsform 2>
In Ausführungsform 1, wenn die Anzahl von parallel geschalteten magnetoresistiven Sensorabschnitten 105 erhöht wird, ist das thermische Rauschen Vr, das aus dem Widerstand der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 erzeugt wird, kleiner. Da das thermische Rauschen Vr mit der Erhöhung der Anzahl paralleler Verbindungen ansteigt, ist das Spannungsrauschen Va des Vorverstärkers 103 in dem Gesamtrauschen allmählich vorherrschend. In Ausführungsform 2 der Erfindung wird eine Technik zum Reduzieren des Spannungsrauschens Va des Vorverstärkers 103, die durch Einsetzen der in Ausführungsform 1 erläuterten Konfiguration offensichtlich wird, erläutert.
Das Systemrauschen Vn des MR-Sensors 100 kann durch die folgende Formel 2 ausgedrückt sein. Wie in Formel 2 gezeigt ist, ist bezüglich des Systemrauschens Vn, wenn das thermische Rauschen Vr aufgrund des Widerstands der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 kleiner ist, das Spannungsrauschen Va des Vorverstärkers 103 vorherrschend. In der Ausführungsform 2 ist als ein Verfahren zum Reduzieren des Spannungsrauschens Va des Vorverstärkers 103 eine Konfiguration eingesetzt, in der mehrere Vorverstärker 103 parallel geschaltet sind. $Vn= (V r^{2} + Va {^{2})}^{1 / 2}$
5 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß der Ausführungsform 2. In der Ausführungsform 2 sind die Vorverstärker 103 für die jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 bereitgestellt, und die Ausgaben der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 werden in die jeweiligen Vorverstärker 103 eingegeben. Die Ausgänge der jeweiligen Vorverstärker 103 sind durch einen Addierer parallel geschaltet und werden in einen Verstärker 501 eingegeben.
Wenn die N Vorverstärker 103 parallel geschaltet sind, sinkt das Spannungsrauschen Va der Vorverstärker 102 auf insgesamt ein N^1/2-tel. In der 5 gezeigten Konfiguration sind die vier Vorverstärker 105 parallel geschaltet, und das Spannungsrauschen der Vorverstärker 103 sinkt auf insgesamt ein 4^1/2-tel = eine Hälfte. Wie vorstehend beschrieben sind auch die Vorverstärker 103 zusätzlich zu den magnetoresistiven Sensorabschnitten 105 parallel geschaltet, und dadurch kann das Systemrauschen Vn, das in Formel 2 ausgedrückt ist, wesentlich reduziert sein.
6 zeigt Messergebnisse des Systemrauschens, gemessen unter Verwendung eines eigentlichen AMR-Sensors mit Bezug auf den MR-Sensor 100 gemäß der Ausführungsform 2. Das Bezugszeichen 601 bezeichnet Systemrauschen, das unter Verwendung der Konfiguration in 1 gemessen ist, und das Bezugszeichen 602 bezeichnet Systemrauschen, das unter Verwendung der Konfiguration in 5 gemessen ist. Die Bezugszeichen 603 und 604 bezeichnen weißes Rauschen in den jeweiligen Messergebnissen. Das weiße Rauschen 603 war 35 pT/Hz^1/2, und das weiße Rauschen 604 war 17 pT/Hz^1/2.
Gemäß den in 6 gezeigten Messergebnissen ist bekannt, dass das weiße Rauschen 604 verringert wird, so dass es niedriger ist als das in 3 gezeigte weiße Rauschen 304. Das heißt, wie in der theoretischen Formel von Formel 2 ausgedrückt, es ist bekannt, dass die Vorverstärker 103 parallel geschaltet sind und das Spannungsrauschen Va der Vorverstärker 103 reduziert ist, und dadurch kann das Systemrauschen reduziert sein, so dass es insgesamt ungefähr eine Hälfte oder weniger ist.
<Ausführungsform 3>
In den Ausführungsformen 1 und 2 sind die magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 parallel geschaltet und die Vorverstärker 103 sind ferner parallel geschaltet, und dadurch kann das weiße Rauschen des Systemrauschens reduziert sein. Es ist jedoch, wie in 6 gezeigt, ein Problem vorhanden, dass 1/f-Rauschen bei 10 Hz oder weniger höher bleibt. Es ist berücksichtigt, dass das so ist, weil das weiße Rauschen durch Parallelschaltung der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 reduziert ist, und das 1/f-Rauschen offensichtlich wird. Dementsprechend wird in Ausführungsform 3 der Erfindung ein Verfahren zum Reduzieren des 1/f-Rauschens unter Verwendung von Einstellungs-/Rücksetzungssignalen erläutert.
7 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß der Ausführungsform 3. Zusätzlich zu den in den Ausführungsformen 1 und 2 erläuterten Konfigurationen enthält der MR-Sensor 100 in der Ausführungsform 3 Einstellungs-/Rücksetzungsschaltungen 701 für die jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte 105. In 7 ist die Schaltungskonfiguration, in der die Einstellungs-/ Rücksetzschaltungen 701 zusätzlich zu der Schaltungskonfiguration von Ausführungsform 1 vorgesehen sind, beispielhaft dargestellt, dieselbe Konfiguration kann jedoch in Ausführungsform 2 vorgesehen sein, und die Anzahl von magnetoresistiven Sensorabschnitten 105 ist nicht auf vier beschränkt.
In der in 7 gezeigten Konfiguration sind die Einstellungs-/ Rücksetzschaltungen 701-1 bis 701-4 jeweils in Übereinstimmung mit vier magnetoresistiven Sensorabschnitten 105-1 bis 105-4 vorgesehen, und die jeweiligen Einstellungs-/Rücksetzschaltungen 701-1 bis 701-4 sind parallel geschaltet.
Ein Wechselstromsignalgenerator 703 versorgt die jeweiligen Einstellungs-/Rücksetzschaltungen 701-1 bis 701-4 mit einem Wechselstrom (mehrere Kilohertz bis mehrere zehn Kilohertz). Die jeweiligen Einstellungs-/Rücksetzschaltungen 701-1 bis 701-4 enthalten Spulen, die unter Verwendung des Wechselstroms Magnetfelder erzeugen und diese auf die magnetoresistiven Elemente 101 anwenden. Die Schaltungen sind ausgelegt, so dass, wenn Magnetfelder an die magnetoresistiven Elemente 101 angewandt werden, die Magnetisierungsrichtungen der magnetoresistiven Elemente 101 dieselbe Richtung sein können. Deshalb werden die Magnetisierungsrichtungen der magnetoresistiven Elemente 101 durch den Wechselstrom in Reaktion auf seine Frequenz geändert, und deshalb kann sich ein Effekt des Auslöschens des 1/f-Rauschens aufgrund von Fluktuationen der Magnetisierungsrichtung zeigen.
Der Ausgang des Vorverstärkers 103 ist mit einem Lock-in-Verstärker 702 verbunden. Der Lock-in-Verstärker 702 detektiert den Ausgang des Vorverstärkers 103 unter Verwendung des Wechselstroms oder eines Synchronisationssignals (TTL-Signal), das durch den Wechselstromsignalgenerator 703 ausgegeben wird, als ein Referenzsignal 704, und gibt ein Detektionsergebnis aus dem Ausgangsanschluss 104 aus.
8 zeigt Messergebnisse des Systemrauschens, gemessen unter Verwendung eines eigentlichen AMR-Sensors mit Bezug auf den MR-Sensor 100 gemäß der Ausführungsform 3. Das Bezugszeichen 801 bezeichnet Systemrauschen, das unter Verwendung der Konfiguration in 1 gemessen ist, und das Bezugszeichen 802 bezeichnet Systemrauschen, das unter Verwendung der Konfiguration in 7 gemessen ist. Die Bezugszeichen 803 und 804 bezeichnen weißes Rauschen in den jeweiligen Messergebnissen. Das weiße Rauschen 803 war 35 pT/Hz^1/2, und das weiße Rauschen 804 war 20 pT/Hz^1/2. Das heißt, derselbe Effekt wie der von Ausführungsform 1 wurde mit Bezug auf weißes Rauschen erhalten.
Ferner ist, im Vergleich zu den in 3 gezeigten Messergebnissen von Ausführungsform 3, bekannt, dass das Systemrauschen 802 auch in dem Niederfrequenzbereich (10 Hz oder weniger) niedriger ist und das 1/f-Rauschen in diesem Bereich reduziert ist.
Wie vorstehend beschrieben kann der MR-Sensor 100 gemäß der Ausführungsform 3 das weiße Rauschen durch Parallelschaltung der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 reduzieren, das 1/f-Rauschen, das dadurch offensichtlich wird, unter Verwendung der Einstellungs-/Rücksetzschaltungen 701 reduzieren und die Empfindlichkeit auf ein Niveau verbessern, an dem das biomagnetische Feld gemessen werden kann.
<Ausführungsform 4>
In der in Ausführungsform 3 erläuterten Konfiguration ist berücksichtigt, dass die Vorverstärker 103 wie in Ausführungsform 2 zur Reduzierung des thermischen Rauschens Va des Vorverstärkers 103 parallel geschaltet sind. Es wird jedoch, beispielsweise wenn etwa zehn oder mehr Vorverstärker 103 parallel geschaltet sind, mehr Energie verbraucht, und es wird mehr Wärme erzeugt, und daher ist es wahrscheinlicher, dass die Vorverstärker 103 oszillieren. Ferner fließt das Vorverstärkerstromrauschen In zu den magnetoresistiven Sensorabschnitten 105 in einer Höhe, die der Anzahl von Vorverstärkern 103 entspricht, und es wird Spannungsrauschen erzeugt aufgrund des Widerstands der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105. Darüber hinaus ist, unter Berücksichtigung des Montierens der Vorverstärker 103 auf dem Substrat 401, das Bereitstellen von vielen Vorverstärkern 103 unpraktisch. Dementsprechend wird in Ausführungsform 4 der Erfindung eine Konfiguration, in der mehrere magnetoresistive Sensorabschnitte 105 parallel geschaltet sind und nur ein Vorverstärker 103 vorgesehen ist, zum Reduzieren des Rauschens des Vorverstärkers erläutert.
9 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß der Ausführungsform 4. Der MR-Sensor 100 in der Ausführungsform 4 enthält einen Aufwärtstransformator 901 zwischen den magnetoresistiven Sensorabschnitten 105 und dem Vorverstärker 103. Die jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 sind mit der Primärseite des Aufwärtstransformators 901 parallel geschaltet, und die Sekundärseite wird in den Vorverstärker 103 eingegeben. Der Rest der Konfiguration ist dieselbe wie die von Ausführungsform 3.
Die Magnetisierungsrichtung des magnetoresistiven Sensorabschnitts 105 wird in Reaktion auf die Frequenz des Wechselstromsignalgenerators 703 durch das Wirken der Einstellungs-/Rücksetzungsschaltung 701 invertiert, und die Ausgabe des magnetoresistiven Sensorabschnitts 105 ist ein Wechselstromsignal. Der Aufwärtstransformator 901 verwendet dieses, um die Ausgabe des magnetoresistiven Sensorabschnitts 105 zu erhöhen.
Beispielsweise bildet der Aufwärtstransformator 901 eine Zehnfachverstärkungserhöhungsschaltung unter Verwendung von 100 Wicklungen auf der Primärseite und 1000 Wicklungen auf der Sekundärseite, und dadurch kann das Rauschen des Vorverstärkers 103 effektiv vernachlässigbar gemacht werden. Es ist notwendig, den Widerstandswert der Primärseitenwicklung des Aufwärtstransformators 901 ausreichend kleiner als einen Widerstand zwischen beiden Seiten des magnetoresistiven Sensorabschnitts 105 zu machen und den Einfluss von weißem Rauschen durch den Primärseitenwicklungswiderstand zu unterdrücken. Ferner ist es notwendig, die Induktivität der Primärseitenwicklung einzustellen, so dass sie ausreichend höher ist, um die Impedanz des Wechselstromsignals zu erhöhen, so dass die Ausgänge der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 nicht kurzgeschlossen sein können als die Wechselstromsignale. Dementsprechend ist es wünschenswert, ein Element mit höherer Permeabilität wie z. B. Ferrit als den Kern des Aufwärtstransformators 901 zu verwenden.
10 zeigt Messergebnisse des Systemrauschens, gemessen unter Verwendung eines eigentlichen AMR-Sensors mit Bezug auf den MR-Sensor 100 gemäß der Ausführungsform 4. Das Bezugszeichen 1001 bezeichnet Systemrauschen, das unter Verwendung der Konfiguration in 1 gemessen ist, und das Bezugszeichen 1002 bezeichnet Systemrauschen, das unter Verwendung der Konfiguration in 9 gemessen ist. Die Bezugszeichen 1003 und 1004 bezeichnen weißes Rauschen in den jeweiligen Messergebnissen. Das weiße Rauschen 1003 war 35 pT/Hz^1/2, und das weiße Rauschen 1004 war 17 pT/Hz^1/2.
Im Vergleich mit den in 8 gezeigten Messergebnissen ist bekannt, dass in Bezug auf 1/f-Rauschen der gleiche Effekt wie der von Ausführungsform 3 erhalten wurde, und ferner das weiße Rauschen reduziert ist, so dass es niedriger ist als das von Ausführungsform 3. Das wird als der Effekt durch die Reduktion des Spannungsrauschens des Vorverstärkers 103 durch den Aufwärtstransformator 901 betrachtet.
Wie vorstehend beschrieben ist die Eingabe in den Vorverstärker 103 vorab durch den Aufwärtstransformator 901 unter Verwendung der Wechselstromsignale, die unter Verwendung der Einstellungs-/ Rücksetzschaltungen 701 erzeugt werden, verstärkt, und dadurch kann das Rauschen des Vorverstärkers 103 relativ reduziert sein und, selbst wenn nur ein Vorverstärker 103 vorgesehen ist, kann der Einfluss des Rauschens effektiv unterdrückt sein. Dadurch ist die Konfiguration des Vorverstärkers 103 einfacher, und die Oszillation kann unterdrückt sein und der Stromverbrauch kann unterdrückt sein.
Die Verstärkung durch den Aufwärtstransformator 901 ist möglich, falls die Eingabe in den Aufwärtstransformator 901 das Wechselstromsignal ist, und somit wird angenommen, dass anstelle der Einstellungs-/Rücksetzschaltungen 701 die Gleichstromquelle 102 durch eine Wechselstromquelle ersetzt ist. Es wird darauf hingewiesen, dass in der Konfiguration das Rauschen des Vorverstärkers 103 durch die Wirkung des Aufwärtstransformators 901 unterdrückt sein kann, die Magnetisierungsrichtungen der magnetoresistiven Elemente 101 jedoch fest bleiben. Deshalb ist es notwendig festzustellen, dass der Effekt des Reduzierens des 1/f-Rauschens aufgrund von Fluktuationen nicht ausgeübt ist.
<Ausführungsform 5>
In den Ausführungsformen 1 bis 4 sind die Konfigurationen zur Reduktion von weißem Rauschen und 1/f-Rauschen erläutert. Das tatsächliche Messobjekt kann jedoch z. B. ein Objekt sein, das eine Temperatur wie ein lebender Organismus aufweist, oder ein Metallmaterial zur zerstörungsfreien Untersuchung (mit höherer Wärmeleitfähigkeit). In diesem Fall unterscheiden sich die Temperaturen der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 abhängig von den Orten, an denen sie platziert sind, und die Empfindlichkeit der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 variiert aufgrund von Temperaturfluktuationen, und somit können das 1/f-Rauschen und das weiße Rauschen ansteigen. Die Fluktuationen der Sensorempfindlichkeit werden aufgrund von Temperaturstörungen, die sich von denjenigen aufgrund der Schaltungskonfiguration selbst unterscheiden, erzeugt, und somit wird berücksichtigt, dass es notwendig ist, eine Konfiguration zu deren Unterdrückung getrennt bereitzustellen. Dementsprechend wird in Ausführungsform 5 der Erfindung eine Konfiguration zum Unterdrücken der vorstehend beschriebenen Fluktuationen der Sensorempfindlichkeit erläutert.
11 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß der Ausführungsform 5. Der MR-Sensor 100 in der Ausführungsform 5 enthält eine Rückführungsschaltung zusätzlich zu den in den Ausführungsformen 1 bis 4 erläuterten Konfigurationen. In 11 ist eine Konfiguration, in der die Rückführungsschaltung zusätzlich zu der in Ausführungsform 4 erläuterten Schaltungskonfiguration vorgesehen ist, beispielhaft beschrieben, wobei die Rückführungsschaltung in den Schaltungskonfigurationen der anderen Ausführungsformen vorgesehen sein kann.
Die Rückführungsschaltung ist eine Schaltung, die den Ausgang des Vorverstärkers 103 zu den magnetoresistiven Elementen 101 als das Magnetfeld, das an die magnetoresistiven Elemente 101 angewandt wird, zurückführt und weist einen Rückführungswiderstand 1101 und Rückführungsspulen 1102 auf.
Die Rückführungsspulen 1102 sind in den jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitten 105 vorgesehen (Rückführungsspulen 1102-1 bis 1102-4 in 11), empfangen Signale zwischen dem Ausgang des Vorverstärkers 103 und dem Eingang des Lock-in-Verstärkers 702, erzeugen, indem sie sie verwenden, Magnetfelder und führen sie zu den magnetoresistiven Elementen 101 zurück. Der Rückführungswiderstand 1101 ist zwischen dem Ausgang des Vorverstärkers 103 und den Rückführungsspulen 1102 vorgesehen. In 11 sind die jeweiligen Rückführungsspulen 1102 parallel geschaltet, sie können jedoch in Reihe geschaltet sein.
Wenn die Phase der Signale, die durch die Einstellungs-/ Rücksetzschaltungen 701 ausgegeben werden, gemäß der Induktion des Aufwärtstransformators 901 verschieden sind, kann eine Phasenanpassungsschaltung nachgeschaltet der Rückführungsschaltungen 1102, nachgeschaltet dem Vorverstärkers 103 oder in dem Aufwärtstransformator 901 selbst zur Anpassung eingefügt sein.
Die Rückführungsschaltungen sind bereitgestellt und die Ausgabe des Vorverstärkers 103 wird zu den magnetoresistiven Elementen 101 zurückgeführt, und dadurch können die Einflüsse der Temperaturdifferenzen, die von den Positionen der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 und den Empfindlichkeitsfluktuationen aufgrund der Temperatur des Messobjekts abhängen, unterdrückt sein. Beispielsweise ist die Konfiguration effektiv, wenn die magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 eben (räumlich) angeordnet sind und die Temperaturen in den jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitten 105 verschieden sind.
<Sechste Ausführungsform>
In den in den Ausführungsformen 4 und 5 erläuterten Aufwärtstransformatoren 901 ist es notwendig, die Wicklungsimpedanz zu erhöhen, wie in der Ausführungsform 4 erläutert ist. Zu diesem Zweck ist es notwendig, ein Element zu verwenden, das eine größere Größe von mehreren Zentimetern oder mehr aufweist, mit höherer Permeabilität als der Kern des Aufwärtstransformators 901. Es ist schwierig, 1000 Windungen oder mehr der Sekundärwicklung in dem Aufwärtstransformator 901 mit dem größeren Kern zu wickeln unter Berücksichtigung des Anbringens auf dem in 4 gezeigten Substrat 401. Dementsprechend wird in Ausführungsform 6 der Erfindung eine Konfiguration, in der der Verstärkungsfaktor verbessert ist, während die Größe des Aufwärtstransformators 901 unterdrückt ist, erläutert.
12 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß der Ausführungsform 6. In der Ausführungsform 6 ist ein Kondensator 1201, der mit der Sekundärseitenspule einen Resonanzkreis bildet, an der Sekundärseite des Aufwärtstransformators 901 vorgesehen. Durch die Sekundärseiteninduktivität des Aufwärtstransformators 901 und den Kondensator 1201 wird Resonanz an der Frequenz des Wechselstromsignalgenerators 703 (oder der Frequenz der Wechselstromquelle zum Treiben der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105) erzeugt. Dadurch wird der Verstärkungsfaktor verbessert, so dass er gleich einem oder größer als ein Wicklungsverhältnis des Aufwärtstransformators 901 ist (dem Verhältnis der Anzahl von Windungen zwischen der Primärwicklung und der Sekundärwicklung).
<Ausführungsform 7>
Die in den Ausführungsformen 4 bis 6 erläuterten Aufwärtstransformatoren 901 sind effektiv zum Reduzieren des Rauschens des Vorverstärkers 103, es kann jedoch möglich sein, dass Probleme, wie dass die Größe (mehrere Zentimeter) des Aufwärtstransformators 901 größer ist, die Phasenanpassung komplizierter ist und der Vorverstärker 103 wahrscheinlicher oszilliert. Dementsprechend wird in Ausführungsform 7 der Erfindung eine Konfiguration zum Reduzieren des Rauschens des Vorverstärkers 103 ohne Verwendung des Aufwärtstransformators 901 erläutert.
13 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß der Ausführungsform 7. Der MR-Sensor 100 in der Ausführungsform 7 enthält zusätzliche positive Rückführungsschaltungen (nachstehend als APF-Schaltungen abgekürzt) zusätzlich zu der in Ausführungsform 3 erläuterten Konfiguration. Die APR-Schaltung weist einen APF-Widerstand 1301 und eine APF-Spule 1302 auf. Eine APF-Spule 1302 ist für jeden der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 vorgesehen (APF-Spulen 1302-1 bis 1302-4 in 13). Die APF-Spule 1302 erzeugt ein Magnetfeld, das auf die magnetoresistiven Elemente 101 angewandt ist. Die APF-Widerstände 1301 sind für jede der APF-Spulen 1302 vorgesehen und mit jeder der APF-Spulen 1302 in Reihe geschaltet.
Die APF-Spulen 1302 sind mit den magnetoresistiven Sensorabschnitten 105 magnetisch gekoppelt und führen die Ausgänge der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 als die Magnetfelder, die auf die magnetoresistive Elemente 101 angewandt sind, zu den magnetoresistive Elementen 101 über die APF-Widerstände 1301 zurück. Die APF-Schaltungen sind vorgesehen, und dadurch wird die Magnetfeld-Spannungs-Umsetzungseffizienz der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 erhöht, und das Rauschen des Vorverstärkers 103 kann effektiv reduziert sein. Nur ein APF-Widerstand 1301 kann gemeinsam für die jeweiligen APF-Spulen 1302 vorgesehen sein.
Der APF-Widerstand 1301 erzeugt thermisches Rauschen, und es ist notwendig, dass er einen ausreichend niedrigeren Wert aufweist als der Widerstand zwischen beiden Enden des magnetoresistiven Sensorabschnitts 105. Wenn der Widerstandswert des APF-Widerstands 1301 kleiner ist (z. B. ungefähr 10 Ω), sollte eine Konfiguration, dass die Induktivität der APF-Spule 1302 vergrößert wird, so dass der Ausgang des magnetoresistiven Sensorabschnitts 105 nicht kurzgeschlossen sein kann, gebildet sein, und deshalb ist es notwendig, die Impedanz der APF-Spule 1302 an der Frequenz des Wechselstromsignalgenerator 703 zu vergrößern. Es ist notwendig, die Impedanz der APF-Spule 1302 wenigstens größer zu machen als den Widerstand zwischen beiden Enden des magnetoresistiven Sensorabschnitts 105.
Wie vorstehend beschrieben, sind die APF-Schaltungen, die die Ausgänge der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 als die Magnetfelder, die auf die magnetoresistive Elemente 101 angewandt werden, zu den magnetoresistive Elementen 101 zurückführen, vorgesehen, und dadurch kann das Rauschen des Vorverstärkers 103 ohne den Aufwärtstransformator 901 wesentlich reduziert sein. Dadurch kann der gleiche Effekt wie der des Aufwärtstransformators 901 durch die einfachere und kleinere Schaltungskonfiguration gezeigt sein.
<Ausführungsform 8>
14 ist ein Schaltplan eines MR-Sensors 100 gemäß einer Ausführungsform 8 der Erfindung. Der MR-Sensor 100 in der Ausführungsform 8 weist eine Konfiguration auf, die wohl die in den Ausführungsformen 5 und 6 erläuterte Rückführungsschaltung als auch die in Ausführungsform 7 erläuterten APF-Schaltungen verwendet. Wie in 14 gezeigt ist, dienen die APF-Spulen 1302 auch als die Rückführungsspulen 1102, und die APF-Widerstände 1301 dienen auch als die Rückführungswiderstände 1101, und dadurch ist dieses realisiert. Es wird darauf hingewiesen, dass es notwendig ist, die Rückführungsschaltungen mit sowohl den Ausgängen der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 als auch dem Ausgang des Vorverstärkers 103 zu verbinden.
Falls es im Hinblick auf den Montagebereich der Schaltungen möglich ist, können die APF-Spulen 1302 nicht als die Rückführungsschaltungen 1102 dienen, sondern die Spulen können individuell vorgesehen sein. Dasselbe gilt für die APF-Widerstände 1301 und die Rückführungswiderstände 1101.
Die APF-Schaltungen und die Rückführungsschaltungen sind innerhalb derselben Treiberschaltung vorgesehen, und dadurch kann das Systemrauschen durch die einfachere Schaltungskonfiguration reduziert sein und ferner können die Einflüsse der Temperaturunterschiede, die von den Positionen der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 und der Temperatur des Messobjekts abhängen, unterdrückt sein.
<Ausführungsform 9>
Das Systemrauschen kann unter Verwendung der Konfigurationen der MR-Sensoren 100, die in den Ausführungsformen 1 bis 8 erläutert sind, reduziert sein, und die Empfindlichkeit, die das Messen des biomagnetischen Felds erlaubt, kann erhalten sein. Andererseits detektiert der MR-Sensor 100, der die höhere Empfindlichkeit aufweist, äußere störende Magnetfelder, die von Kraftfahrzeugen, elektrischen Triebwagen usw. erzeugt werden, leichter, und es kann schwieriger sein, nur die biomagnetischen Feldkomponenten zu detektieren. Dementsprechend wird in der Ausführungsform 9 der Erfindung eine Konfiguration eines Gradiometers erläutert, das die in den Ausführungsformen 1 bis 8 erläuterten MR-Sensoren 100 einsetzt, und effizient die störenden Magnetfelder reduzieren und das biomagnetische Feld mit hoher Empfindlichkeit messen kann.
15 zeigt eine Konfiguration eines Gradiometers 1500 gemäß der Ausführungsform 9. Das Gradiometer 1500 enthält Sensoreinheiten 1501 und 1502 und einen Vorverstärker 1503. Jede der Sensoreinheiten 1501 und 1502 ist durch Parallelschaltung mehrerer der MR-Sensoren 100, die in einigen der Ausführungsformen 1 bis 8 erläutert sind, gebildet. Hier ist die Konfiguration, in der die MR-Sensoren 100-1 bis 100-4 und 100-5 bis 100-8 parallel geschaltet sind, beispielhaft dargestellt, die Anzahl der MR-Sensoren 100 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Vorverstärker 1503 verstärkt die Differenz zwischen den jeweiligen Ausgängen der Sensoreinheiten 1501 und 1502 und gibt sie aus einem Ausgangsanschluss 1504 aus.
Die Sensoreinheiten 1501 und 1502 sind an räumlich unterschiedlichen Orten vorgesehen. Die jeweiligen Ausgaben der Sensoreinheiten an den zwei Orten werden durch den Vorverstärker 1503 verstärkt, und dadurch ist die Anzahl der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 verdoppelt und das Systemrauschen, das aus dem Widerstand der magnetoresistiven Sensorabschnitte 105 erzeugt wird, kann auf ein 2^1/2-tel reduziert sein.
Eine Gleichstromquelle 102-1, die in der Sensoreinheit 1501 enthalten ist, und eine Gleichstromquelle 102-2, die in der Sensoreinheit 1502 enthalten ist, sind so gebildet, dass sie einander entgegengesetzte Polarität aufweisen. Dadurch sind die Messmagnetfeldrichtungen der jeweiligen Sensoreinheiten entgegengesetzt, und ein Magnetsensor, der das differentielle Magnetfeld misst, d. h. ein Gradiometer, kann gebildet sein.
In 15 ist die Konfiguration mit den zwei Sensoreinheiten beispielhaft dargestellt, die Anzahl der Sensoreinheiten ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann eine aktive Abschirmung mit einer Sensoreinheit, die weiter entfernt von dem Messobjekt vorgesehen ist, das das Messergebnis zu mehreren Sensoreinheiten zur Detektion des biomagnetischen Felds zurückführt, um magnetische Störfelder auszulöschen, gebildet sein.
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern enthält verschiedene modifizierte Beispiele. Die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen sind genau erläutert zur deutlichen Erläuterung der Erfindung, jedoch nicht notwendigerweise auf diejenigen, die alle erläuterten Konfigurationen enthalten, beschränkt. Ferner kann ein Teil der Konfiguration der Ausführungsform durch die Konfiguration der anderen Ausführungsform ersetzt sein. Darüber hinaus kann die Konfiguration der Ausführungsform zu der Konfiguration der anderen Ausführungsform hinzugefügt sein. Zusätzlich können durch andere Konfigurationen Hinzufügung, Löschung und Ersetzung in Bezug auf einen Teil der Konfiguration jeder Ausführungsform ausgeführt sein.
Bezugszeichenliste

100: MR-Sensor,
101: magnetoresistives Element,
102: Gleichstromquelle,
103: Vorverstärker,
104: Ausgangsanschluss,
105: magnetoresistiver Sensorabschnitt,
401: Substrat,
402: Verbindungselementteil,
501: Verstärker,
701: Einstellungs-x/Rücksetzungsschaltung,
702: Lock-in-Verstärker,
703: Wechselstromsignalgenerator,
704: Referenzsignal,
901: Aufwärtstransformator,
1101: Rückführungswiderstand,
1102: Rückführungsspule,
1201:: Kondensator,
1301: APF-Widerstand,
1302: APF-Spule,
1500: Gradiometer,
1501 und 1502: Sensoreinheiten,
1504: Vorverstärker,
1504: Ausgangsanschluss.

Claims

Magnetoresistiver Sensor, der umfasst: mehrere magnetoresistive Sensorabschnitte (105), von denen jeder eine Brückenschaltung aufweist, in der vier magnetoresistive Elemente (101) verbunden sind; eine Verstärkerschaltung (103), die Ausgänge der magnetoresistiven Sensorabschnitte (105) verstärkt, wobei die Ausgänge der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte (105) parallel zueinander an einen Eingang der Verstärkerschaltung (103) geschaltet sind; eine Einstellungs-/Rücksetzungsschaltung (701), die Einstellungsimpulse und Rücksetzungsimpulse zum Invertieren der Magnetisierung der magnetoresistiven Elemente (101) erzeugt; eine Detektionsschaltung, die ein Wechselstromsignal, das durch den magnetoresistiven Sensorabschnitt (105) ausgegeben wird, unter Verwendung des Einstellungsimpulses und des Rücksetzungsimpulses, die durch die Einstellungs-/Rücksetzungsschaltung (701) erzeugt werden, detektiert; einen Aufwärtstransformator (901), der eine Ausgangsspannung des magnetoresistiven Sensorabschnitts (105) zwischen dem Ausgang des magnetoresistiven Sensorabschnitts (105) und der Verstärkerschaltung (103) erhöht, wobei die Ausgänge der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte (105) parallel zueinander mit dem Aufwärtstransformator (901) verbunden sind.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, wobei jedes der magnetoresistive Elemente (101) eine zweite Verstärkerschaltung enthält, die den Ausgang jedes der magnetoresistiven Sensorabschnitte (105) zwischen den Ausgängen der Verstärkerschaltung und jedes der magnetoresistiven Sensorabschnitte (105) verstärkt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, der ferner eine Rückführungsschaltung umfasst, die den Ausgang der Verstärkerschaltung (103) zu den magnetoresistiven Elementen (101) als ein Magnetfeld, das auf die magnetoresistiven Elemente (101) angewandt wird, zurückführt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, der ferner einen Kondensator umfasst, der eine Resonanzschaltung mit der Induktivität einer Sekundärseitenspule des Aufwärtstransformators bildet.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 1, der ferner eine zusätzliche positive Rückführungsschaltung umfasst, die den Ausgang des magnetoresistiven Sensorabschnitts (105) zu den magnetoresistiven Elementen (101) als ein Magnetfeld, das auf die magnetoresistiven Elemente (101) angewandt wird, zurückführt.
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 5, wobei die zusätzliche positive Rückführungsschaltung eine Spule (1302) aufweist, die das Magnetfeld erzeugt, und wobei die Impedanz der Spule (1302) größer ist als der Widerstand zwischen beiden Enden des magnetoresistiven Sensorabschnitts (105).
Magnetoresistiver Sensor nach Anspruch 6, der ferner eine Rückführungsschaltung umfasst, die den Ausgang der Verstärkerschaltung (103) zu den magnetoresistiven Elementen (101) als ein Magnetfeld, das auf die magnetoresistiven Elemente (101) angewandt wird, zurückführt.
Gradiometer, das umfasst: erste und zweite magnetoresistive Sensoren (100) nach Anspruch 1; eine dritte Verstärkerschaltung (1503), die Differenzen zwischen Ausgängen der jeweiligen magnetoresistiven Sensorabschnitte (1501, 1502) verstärkt; eine erste Gleichstromquelle (102-1), die eine Gleichspannung an den ersten magnetoresistiven Sensor anlegt; und eine zweite Gleichstromquelle (102-2), die eine Gleichspannung an den zweiten magnetoresistiven Sensor anlegt, wobei die Polarität der ersten Gleichstromquelle (102-1) so eingestellt ist, dass sie der Polarität der zweiten Gleichstromquelle (102-2) entgegengesetzt ist, und ein Ausgang des ersten magnetoresistiven Sensors und ein Ausgang des zweiten magnetoresistiven Sensors jeweils in die dritte Verstärkerschaltung (1503) eingegeben werden.