JP2015527565A - スピントルク型磁気センサー - Google Patents
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Abstract
本発明は、電流によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するため、前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、加えられた両極性パルスにより、前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを含むことを特徴とするスピントルク型磁気センサーに関する。【選択図】図6
Description
本発明は、スピントルク型素子を用いた磁気センサーに関し、更に詳細にはスピントルク型素子に両極性パルスを印加して保磁力を制御することにより、磁場の強さに線形的に反応する磁気センサーに関する。
また、両極性パルスと共にオフセットバイアスを加えてオフセットバイアスに該当する磁場だけ移動する感応領域(dynamic range)の遷移及び両極性パルスの振幅の強さを調節して感度(sensitivity)を制御することができる磁気センサーに関する。
磁気センサーは、磁場によって物質の磁化度または磁気抵抗などが変わることを利用し、磁場の大きさまたは方向を測定する。一般的に使われている磁気センサーには、ホール(Hall)効果を利用したホール磁気センサー、巨大磁気抵抗現象を利用した巨大磁気抵抗(Giant MagnetoResistance:以下GMRと呼ぶ)センサー、トンネル型磁気抵抗(Tunneling MagnetoResistance:以下TMRと呼ぶ)センサー、フラックスゲート(Fluxgate)磁気センサー及び超伝導量子干渉計素子センサーなどがある。かかる磁気センサーは、磁場感応領域(Dynamic range)または感度(Sensitivity)のような特性によりその用途が決まる。巨大磁気抵抗センサー及びトンネル型磁気抵抗センサーは、100ガウスレベルの磁場を高い感度で感知することができ、マイクロスケールで非常に小さく作製が可能であることから、主にハードディスクドライブ(HDD)の情報判読用として活用される。そして、フラックスゲート磁気センサーは、大型センサーから数百マイクロメートルレベルの小型センサーまで様々なサイズで作製が可能であり、10ガウスレベルの磁場を高い感度で感知できることから、地磁気センサー若しくは電子羅針盤として活用される。
GMRセンサーは「磁性層/非磁性層/磁性層」からなる磁性多層薄膜構造において、外部磁場により2つの磁性層の磁化方向が平行(Parallel:以下P状態と呼ぶ)であるとき、電気抵抗が小さいため多くの電流が流れ、反平行(Anti−parallel:以下AP状態と呼ぶ)であるときは、電気抵抗が大きいため少ない電流が流れる現象を利用して抵抗の変化を測定し、磁場を測定する。
既存のGMRセンサーが磁場にのみ反応することと対照的に、電流(スピン電流)を加えることで磁化方向を変化させることが可能となるが、これがまさにSTT(Spin Transfer Torque:スピン伝達トルク)である。電流を構成する伝導電子のスピンは、電流が磁性層を通過しながら分極する。その時、スピン角運動量は常に保存されるため、伝導電子のスピン角運動量の変化に相応する力が磁性層のスピンに伝達され、伝導電子のスピン分極方向と反対方向に磁性層の磁化方向を変化させるトルクが磁化に作用するようになる。STTは、磁場ではなく、電流と直接に相互作用して磁化方向が変わる現象である。したがって、それを利用すると磁場がなくても電流を印加するだけで磁化方向を変えることができ、メモリ、センサー及びオシレータなどに利用することができる。
GMR及びTMR素子の磁気抵抗変化率は、それぞれ10%、50%程度であるに比べ、STTを利用したスピントルク型素子は100%を超える高い磁気抵抗変化率を有し、感度が非常に高い。したがって、100ガウス内外の磁場感知応用帯域でより高い信号対雑音比(SNR)を得ることができる。しかし、このような高い感度にもかかわらず測定範囲(感応領域)が非常に狭い(1ガウス内外)という問題点と、製造工程及び熱安定性と関連してスイッチング磁場にばらつきが存在するという問題点がある。また、強磁性層の磁気履歴による保磁力(Coercive Field、Hc)が存在するため、線型性に制限される。かかる磁気抵抗センサーの磁気履歴特性を線形磁気センサーに符合するよう改善するためには、物質そのものの特性を改善する、或いは磁気履歴特性を補正する回路的な付加機能が必要となる。
磁気抵抗センサーの保磁力と感応領域を制御する従来技術として、韓国登録特許第0820079号にスピン素子の外部に励磁導線を通じて交流または直流の制御磁場を加えることにより、スピン素子の磁気履歴特性を改善する技術が提示されている。前記磁気抵抗センサーは磁場を外部から印加するため、励磁導線と磁場制御が追加的に必要となり、その構造が複雑である。また、保磁力を除去するため、駆動電力消耗が大きく、それによる発熱現象が発生する。
本発明は、磁気センサーの磁気履歴特性を補正するため、スピントルク型素子に両極性パルス及びオフセットバイアスを加えて磁気センサーの保磁力を除去し、感度を改善するだけでなく、感応領域と感応領域のオフセットを制御する技術が適用されたスピントルク型磁気センサーを提供する。
前記の技術的課題を達成するため、本発明に係るスピントルク型磁気センサーは、加えられた電流の方向及び強さによって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するために前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態(P)または反平行状態(AP)を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを含む。
本発明の望ましい実施例として、前記信号処理部は、前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数するカウンタと、前記カウンタで係数した値を演算処理する演算部とからなることを特徴とする。
本発明の望ましい実施例として、前記両極性パルスによる高周波成分を除去するための低周波帯域通過フィルタを前記信号処理部の前端に付加することを特徴とする。
本発明の望ましい実施例として、前記スピントルク型素子の感応領域を制御するため、前記スピントルク型素子にオフセットバイアスを印加するバイアス部を更に含むことを特徴とする。
本発明の望ましい実施例として、前記スピントルク型素子と直列に接続された抵抗特性のレジスタ部を含み、前記レジスタ部の抵抗値を制御し、前記磁気センサーの感応領域を調節することを特徴とする。
本発明の望ましい実施例として、前記レジスタ部に代わり、第2スピントルク型素子を接続し、前記磁気センサーの出力電圧レベルを調節することを特徴とする。
本発明の別の実施例として、加えられた電流によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子に加えられるオフセットバイアスを制御するためのオフセット制御部と、前記スピントルク型素子に信号を入力・出力するための電極パッドとが1つの基板に集積されたスピントルク型磁気センサー集積回路チップがある。
本発明の望ましい実施例として、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するための保磁力・感応領域制御部と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とが更に含まれていることを特徴とする。
本発明の望ましい実施例として、前記センサーのアナログ信号をデジタル信号に変換するADCが更に含まれていることを特徴とする。
本発明による有利な効果は次の通りである。
第1に、高周波電流波形の振幅を調節して磁気抵抗素子の保磁力を制御し、ヒステリシスを除去することができる。
第2に、ヒステリシスがないため、披測定体から出てくる数エルステッド(Oe)の小さい磁場であってもその極性及び強さを判別することができる。
第3に、オフセットバイアスを調節したり外部磁場を追加的に印加したりすることで、磁場の感応領域を自由に移動させることができる。
第4に、抵抗、またはトランジスタを利用した能動型可変抵抗若しくはスピントルク型素子を、並列または直列接続して出力電圧領域を制御することができる。
第5に、オフセットバイアスを変化させるスイープ法で数十エルステッド(Oe)領域を走査することができるため、磁場の感応領域を拡張及び探索することが可能である。
第6に、前記第5の効果を利用し、数十エルステッド(Oe)の広い領域を1エルステッド(Oe)以下の分解能で細かく分けることができ、ナノ粒子検出、非破壊検査、金属探知や地磁気検出など、広い分野に活用することができる。
第7に、前記第6の効果により、フラックスゲート、ホールセンサーなどの既存の磁場感知素子と並べられるため、該当分野において商業市場を共有することができる上、前記素子より小さいサイズに作製可能であることから超小型機器(マイクロマシン)にまで適用可能となり、その活用性が高い。
第8に、励磁導線を更に備えることができる。その場合、保磁力の大きさを変化させると、励磁導線に入力された電流波の位相と磁気センサーから出力される位相とが異なるため、位相変調素子として活用することができる。即ち、保磁力が小さければ励磁導線に入力された入力電流波による出力抵抗が直ちに変わるため、位相遅れが小さく、保磁力が大きければ前記電流波の振幅が磁化反転させるに十分な程に大きくなるまでの時間だけ遅れ、磁気センサーから電気信号が出力される。
本発明に係るスピントルク型磁気センサーは、電流を加えると磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感応領域を制御するために前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを含むことを特徴とする。
以下、図面を参照し、本発明の実施のための具体的内容を説明する。例示した図面は、発明の明確性のために中核的内容のみを拡大して示し、付随的内容は省略したため、図面に限定して解釈してはならない。
本発明に用いられるスピントルク型素子は、一般的な「磁性層/非磁性層/磁性層」からなる磁性多層薄膜構造である。磁性層は電子同士のスピンと軌道の角運動量による磁気モーメントが互いに影響を及ぼす強磁性物質である。強磁性物質は、磁場が増加すると磁化が増加し、磁気飽和状態に至る。また、磁場を減少させると磁場がなくても残留磁化が残り、反対方向に磁場を掛けると前述のような現象が反対方向に生じ、磁化曲線は閉曲線の磁気履歴曲線(Hysteresis loop)を示す。したがって、加えられた磁場によって磁化が非線形的に行われ、自発磁化による残留磁化が発生する。それを除去するための反対方向の磁界を保磁力(Coercive field、Hc)或いは抗磁力という。
従来は磁気センサーの保磁力と感応領域を除去するため、外部から磁場を印加して保磁力を相殺したが、本発明においてはSTT現象を利用し、スピントルク型素子に両極性パルスを直接加えて保磁力と感度を制御し、オフセットバイアスを加えて感応領域を遷移(shift)させる技術を提示する。
また、本発明は電圧、または電流だけで磁化反転(switching)が可能な最小電圧、または電流(臨界電圧または臨界電流)以上の高振幅の両極性パルスを付加的に印加し、感度を制御する技術を提示する。
1.保磁力制御方法
スピントルク型素子は、既存のスピン素子のようにバイアス電流または電圧のない状態で、磁場だけで磁気的スイッチングが発生する。スピントルク型素子の更に別の特徴は、磁場のない状態において前記スピントルク型素子を貫通する電流または電圧だけでも磁気的スイッチングが発生することである。したがって、スピントルク型素子は、磁気的スイッチングを発生させる変数が既存のスピン素子に比べ、もう1個増えている。
スピントルク型素子は、既存のスピン素子のようにバイアス電流または電圧のない状態で、磁場だけで磁気的スイッチングが発生する。スピントルク型素子の更に別の特徴は、磁場のない状態において前記スピントルク型素子を貫通する電流または電圧だけでも磁気的スイッチングが発生することである。したがって、スピントルク型素子は、磁気的スイッチングを発生させる変数が既存のスピン素子に比べ、もう1個増えている。
図1は、電圧または電流を横軸にし、スイッチング磁場を縦軸にして磁気的状態を示したスピントルク型素子のスイッチング状態図であり、図1(a)のような形状が典型的な状態図である。前記スイッチング状態図には2つの曲線が存在する。1つは平行(P)状態から反平行(AP)状態に変化する境界を表した線であり、もう1つは逆に反平行(AP)状態から平行(P)状態に変化する境界を表した線である。例えば、説明の便宜上、第4象限を通る右側線を反平行(AP)状態から平行(P)状態に変化する境界(AP→P)とし、第2象限を通る左側線を平行(P)状態から反平行(AP)状態に変化する境界(P→AP)とする。図1(b)は、正の値を有する単極性パルスが印加されると平行(P)状態になりやすいため、第4象限を通る右側線が原点方向に移動することを示し、図1(c)は、負の値を有する単極性パルスが印加されると反平行(AP)状態になりやすいため、第2象限を通る左側線が原点方向に移動することを示す。もし、正の符号と負の符号を交互に繰り返す両極性パルスが印加されると、第4象限と第2象限に存在する境界線は全て第1象限と第3象限を横切る対角線に収束されることになる。電圧または電流だけで磁化反転が可能な最小電圧または電流を、それぞれ臨界電圧、臨界電流と言うが、両極性パルスの振幅が前記臨界電圧または前記臨界電流以上になると、AP状態とP状態が交互に表れ、十分な時間の間に平均を取ると、APとPの中間状態の抵抗を示す。また、数Oeの小さい磁場の変化にもAP状態、またはP状態を敏感に示す。そして、保磁力がなくなる効果がある。
スピントルク型素子において与えた両極性パルスによる磁化度は磁気抵抗に代替することができる。この関係を図2に示す。図2(a)は両極性パルス列(pulse train)を示したものである。正の磁場(H>0)で飽和状態になったときの磁気抵抗をRHとし、負の磁場(H<0)で飽和状態になったときの磁気抵抗をRLとすると、図2(b)は正の磁場、即ち、正のパルスが多い場合、平均磁気抵抗値(Ravg)がRHとRLの平均値((RH +RL)/2)より大きいことを示す。図2(c)は正のパルスと負のパルスが同一である場合、平均磁気抵抗値(Ravg)が平均値と同一であることを示し、図2(d)は負の磁場、即ち、負のパルスが多い場合、平均磁気抵抗値(Ravg)がRHとRLの平均値より小さいことを示す。
図3は、スピントルク素子に両極性パルスを加えるときに表れるスイッチング状態を示す。図3は直流バイアス電圧が変数として加えられたものであり、2個の変数が同時に作用する実験結果である。両極性パルスの振幅が臨界電流または臨界電圧に到達すると保磁力が除去され、直流バイアス電圧(x軸)に沿って感応領域が遷移されることが分かる。
2.感度制御方法
スピントルク型素子に両極性パルスを加え、保磁力が相殺されると、平行状態と反平行状態の遷移が急激に行われる。それにより、低抵抗状態(RL)と高抵抗状態(RH)の遷移領域が狭くなる。遷移領域が狭くなると、制限された範囲の狭い領域の磁場のみを感知するという感度の問題が発生する。
スピントルク型素子に両極性パルスを加え、保磁力が相殺されると、平行状態と反平行状態の遷移が急激に行われる。それにより、低抵抗状態(RL)と高抵抗状態(RH)の遷移領域が狭くなる。遷移領域が狭くなると、制限された範囲の狭い領域の磁場のみを感知するという感度の問題が発生する。
図4は、本発明に係る感応領域の拡大方法を示したものである。それは、スイッチングに必要な臨界電圧または臨界電流以上の過度な振幅のパルス(over shoot purse、過度パルス)を加える方法である。既存のスピン素子では、磁場パルス(HAC)を印加することにより本機能が具現化されたが、本発明に係るスピントルク型素子では、磁場パルスはさることながら、試料を通過する電圧(VAC)や電流パルス(IAC)を印加して感度を制御することが可能である。前述のようにスピントルク型素子において、磁化反転は電流と磁場で可能である。臨界値以上の高振幅の両極性電流パルスを印加すると、磁場より電流によって磁化反転が完成することになる。これは、磁化反転が磁場に鈍感になることを意味する。その代わりに磁場を感知できる範囲は、臨界電流以上に増加したパルスの振幅に該当する磁場程広くなる。
もし磁場または電流(若しくは電圧)が時間に沿って非常に速いスピードで符号が変わりながら、交流磁場が印加されると、図4(a)と図4(b)が互いに混ざって平均が取られたような結果(図4(c))を得ることができ、前記交流磁場或いは電流の振幅がHc(またはIc:磁場Hcを発生させる電流印加値)以上加えられるときは、図4(c)の下側図面のように感度(傾き)は低くなり、磁場を判読できる感応領域は広くなって感度を制御できることを示している。
3.感応領域のオフセット制御方法
スピントルク型素子を利用した磁場センサーにおいて、磁場に反応する感応領域を移動できる方法は、両極性パルスを加えた状態でオフセットバイアス(直流磁場または電圧(電流))を追加的に加えることである。図5(a)は正(負)のオフセットバイアス磁場(電圧(電流))を加えながら両極性パルスを加える場合を示したものである。感応領域は、正のオフセット磁場程、負の磁場領域に遷移する。図5(b)は負(正)のオフセットバイアス磁場(電圧(電流))を加えながら両極性パルスを加える場合を示したものである。感応領域は、負のオフセット磁場程、正の磁場領域に遷移する。かかる原理を利用し、オフセットバイアスを一定間隔に変化させながら両極性パルスを加えることにより、感応領域を移動または選択することができる。
スピントルク型素子を利用した磁場センサーにおいて、磁場に反応する感応領域を移動できる方法は、両極性パルスを加えた状態でオフセットバイアス(直流磁場または電圧(電流))を追加的に加えることである。図5(a)は正(負)のオフセットバイアス磁場(電圧(電流))を加えながら両極性パルスを加える場合を示したものである。感応領域は、正のオフセット磁場程、負の磁場領域に遷移する。図5(b)は負(正)のオフセットバイアス磁場(電圧(電流))を加えながら両極性パルスを加える場合を示したものである。感応領域は、負のオフセット磁場程、正の磁場領域に遷移する。かかる原理を利用し、オフセットバイアスを一定間隔に変化させながら両極性パルスを加えることにより、感応領域を移動または選択することができる。
4.実施例1
本発明に係る保磁力制御方法を図6に示す。図6に示した磁気センサーは、両極性パルス電源1と、スピントルク型素子2と、カウンタ3及び演算部4からなる信号処理部22とを含む。
本発明に係る保磁力制御方法を図6に示す。図6に示した磁気センサーは、両極性パルス電源1と、スピントルク型素子2と、カウンタ3及び演算部4からなる信号処理部22とを含む。
両極性パルス電源1は、スピントルク型素子2の保磁力を相殺するため、スピントルク型素子2に直接加える正・負の振幅を有するパルスであり、正・負を交互に加え、周期が短いほど磁気センサーの線形化に好ましい。両極性パルス電源1の波形は、図2(a)に示すように、両極性矩形波パルス(square wave pulse)の他、正弦波(sine wave)や三角波(triangular wave)も可能である。前記3つの両極性波形例の中で両極性矩形波パルスの消費電力が最も小さい。
スピントルク型素子2は一般的に固定磁性層/非磁性層/自由磁性層の多層薄膜構造を有するが、それに限定されず、単一磁性層でも可能である。また、ナノコンタクト若しくはナノフィラーで具現化される。必要に応じて単位スピントルク型素子を直列または磁気センサーで接続したアレイで具現化することもできる。
信号処理部22は、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子2の平行状態、または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗が飽和した回数を計算する。信号処理部22は、カウンタ3と演算部4とで構成することができる。
カウンタ3は、両極性パルスを加える場合、スピントルク型素子2が反平行状態であるとき及び平行状態であるときの時間当たり個数を係数する。スピントルク型素子2の磁気抵抗は、固定磁性層の磁化方向と自由磁性層の磁化方向が平行状態となる場合、減少する。逆に自由磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向が反平行状態となる場合、スピントルク型素子2の磁気抵抗値は増加する。
演算部4は、式(1)のように各パルスの滞留時間(dwell time)とパルス周期(τc)、そしてカウンタ3で係数した反平行状態の個数(m)及び平行状態の個数(n)を介して平均値を計算する。
[数1]
nτp+mτap=(n+m)τc
nτp+mτap=(n+m)τc
ここで、τpとmτapは、それぞれ平行状態(P)と反平行(AP)状態における滞留時間である。
図7に演算過程例を示す。正の磁場が加えられた図7(b)の場合、正のパルスが多いため、反平行状態の個数(m)が多く、平均抵抗値が増加する。図7(c)は、反平行状態の個数(m)と平行状態の個数(n)が同一であるため、平均抵抗値が中間値である。図7(d)は、負のパルスが多い(H<0)ため、平行状態の個数(n)が多く、平均抵抗値が中間値より減少する。
反平行状態と平行状態はカウンタ3内部に設けられたフリップフロップのような回路で係数するが、高周波成分である両極性パルスを除去するため、カウンタ3の前端に低周波帯域通過フィルタを更に設けることができる。
本実施例1において感度を制御するため、臨界電圧(電流)以上の過度パルスを加えることができ、抵抗回路網(resistor network or attenuator)を加えて抵抗変化率を調整することもできる。
5.実施例2
本発明に係る感応領域のオフセット制御方法を図8に示す。図8に示した磁気センサーは、実施例1に、オフセットバイアスを加えられるバイアス部6が追加される。本発明において、感応領域のオフセットは電圧(電流)のオフセットバイアスだけでも制御可能であるが、オフセット制御を更に広い領域に拡大するため、励磁導線7を追加することができる。また、図6の信号処理部22を低周波帯域通過フィルタ5に代替することもできる。低周波帯域通過フィルタは、両極性パルスによる高周波の雑音を除去する働きと、磁気抵抗値の変動に対しフィルタリングをする平滑化(smoothing)の働きをする。
本発明に係る感応領域のオフセット制御方法を図8に示す。図8に示した磁気センサーは、実施例1に、オフセットバイアスを加えられるバイアス部6が追加される。本発明において、感応領域のオフセットは電圧(電流)のオフセットバイアスだけでも制御可能であるが、オフセット制御を更に広い領域に拡大するため、励磁導線7を追加することができる。また、図6の信号処理部22を低周波帯域通過フィルタ5に代替することもできる。低周波帯域通過フィルタは、両極性パルスによる高周波の雑音を除去する働きと、磁気抵抗値の変動に対しフィルタリングをする平滑化(smoothing)の働きをする。
図9は、オフセットバイアスの働きに関する実施例を示すものである。電圧にオフセットバイアスを加えない場合には、0付近の磁場を検出することができる。図1に示すよう、正(負)のオフセットバイアスを加えると負(正)の磁場を印加したような効果を奏する。したがって、負(正)の磁場の強さ程、感応領域が正(負)の磁場領域に移動する。かかる原理を利用し、オフセットバイアスを変化しながら両極性パルスを加えると、感応領域を希望する所に位置させることができる。
本実施例2においても感度を制御するため、臨界電流(電圧)または磁場以上の磁化できる過度パルスを加えることができ、抵抗回路網を加えて抵抗変化率を調整することができる。
6.実施例3
本発明に係る出力レベルの制御方法を図10に示す。図10に示した磁気センサーは、抵抗レベルが変化可能なレジスタ部(resistor network or attenuator)8をスピントルク型素子2aに直列に加えたものである。抵抗の大きさを調整すると、出力信号(Vout)のレベルを分圧の法則で決定することができる。
本発明に係る出力レベルの制御方法を図10に示す。図10に示した磁気センサーは、抵抗レベルが変化可能なレジスタ部(resistor network or attenuator)8をスピントルク型素子2aに直列に加えたものである。抵抗の大きさを調整すると、出力信号(Vout)のレベルを分圧の法則で決定することができる。
図11には、レジスタ部8の代わりにスピントルク型素子2bを直列に加えた実施例を示す。別途のスピン素子は、直列または並列で接続することができ、接続方法によって出力電圧のレベルに変動をもたらす。一例に、スピントルク型素子2bの磁場感知方向が前記スピントルク型素子2aと反対方向の場合、プッシュ・プル機能が可能である。
7.実施例4
図12は、本発明に係る磁気センサーをチップに集積化した実施例であり、シリコン基板9と、スピントルク型磁気センサー10と、保磁力・感応領域制御部11と、オフセット制御部12と、アナログデジタルコンバーター13とを含む。スピントルク型素子はシリコンCMOS工程に互換性があるので、小型化及び集積回路化に有利である。
図12は、本発明に係る磁気センサーをチップに集積化した実施例であり、シリコン基板9と、スピントルク型磁気センサー10と、保磁力・感応領域制御部11と、オフセット制御部12と、アナログデジタルコンバーター13とを含む。スピントルク型素子はシリコンCMOS工程に互換性があるので、小型化及び集積回路化に有利である。
保磁力・可能領域制御部11は、両極性パルス電源1及びバイアス部6を制御するための制御信号(ctrl1、ctrl2)をスピントルク型磁気センサー10に出力する。オフセット制御部12は、前記スピントルク型磁気センサー10のオフセットを制御する。アナログデジタルコンバーター13は、前記磁気センサー10のアナログ出力信号をデジタル信号に変換させる。デジタル若しくはアナログを選択し、磁場情報を出力することができる。
図13は、ホスト装置にDAC(Digital to Analog Converter)が備えられていれば、アナログ信号のみを出力するようにして前記センサーモジュールの構造を単純化し、製造単価を低減できる使い捨てタイプのスピントルク型磁気センサーを基板14に集積した実施例である。使い捨てタイプの集積回路チップは、基板14上にスピントルク型磁気センサー15とオフセット制御部16のみを集積化し、生産単価を低減することで使い捨てタイプが可能となる。
8.実施例5
図14は、本発明に係る使い捨てタイプの磁気センサーが適用されたアプリケーションを示す。
図14は、本発明に係る使い捨てタイプの磁気センサーが適用されたアプリケーションを示す。
前記使い捨てタイプの磁気センサー19を、移動通信端末のポート20を介して移動通信端末21に接続し、前記使い捨てタイプの磁気センサー19から感知された情報を移動通信端末21を介して読み取る。例えば、前記使い捨てタイプの磁気センサー19は、ナノ粒子に付着された人体DNA情報を感知するセンサーになり得る。前記ナノ粒子が磁化可能な磁性ナノ粒子であり、前記使い捨てタイプの磁気センサー19にもDNAプローブが付着されている場合、前記ナノ粒子が前記使い捨てタイプの磁気センサー19に到達し、互いにくっつき得る。その時、前記使い捨てタイプの磁気センサー19が前記ナノ粒子の周辺で発生した磁場に敏感に反応し、希望するDNAが付着された前記ナノ粒子の個数を係数することも可能である。
また、本発明のスピントルク型磁気センサーは、微細亀裂を感知する非破壊検査用センサーや医療用ナノ粒子センサー、未来型マイクロロボットへの応用などに適用しやすい。特に、本発明のスピントルク型磁気センサーは、製造単価が低いため、使い捨てタイプの診断キットの開発にも適用容易である。超小型でありながら高感度特性を確保することができるため、モバイル機器用の電子羅針盤に適用可能であり、高い市場性を確保する可能性がある。
以上、実施例を参照して説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱しない範囲内で本発明を種々に修正及び変更できることは該当技術分野に熟練した当業者にとって自明である。
本発明に係るスピントルク型磁気センサーは、微細亀裂を感知する非破壊検査用センサーや医療用ナノ粒子センサー、小型精密機械部品の歯車係数センサー(gear tooth sensor)、未来型マイクロロボットへの応用などに適用することができる。
また、スピントルク型磁気センサーのサイズが非常に小さいため、透明センサーの開発に適用容易である。
特に、本発明のスピントルク型磁気センサーは、製造単価が低いため、使い捨てタイプの診断キットの開発にも適用容易である。そして、超小型でありながら高感度特性を確保することができるため、モバイル機器用の電子羅針盤に適用可能であり、高い市場性を確保する可能性がある。
Claims (15)
- 加えられた直流電源によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するために前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを含むことを特徴とするスピントルク型磁気センサー。
- 前記信号処理部は、前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数するカウンタと、前記カウンタで係数した値を演算処理する演算部とからなることを特徴とする、請求項1に記載のスピントルク型磁気センサー。
- 前記両極性パルスによる高周波成分を除去するため、低周波帯域通過フィルタを前記信号処理部の前端に付加することを特徴とする、請求項1に記載のスピントルク型磁気センサー。
- 前記スピントルク型素子の感応領域の位置を制御するため、前記スピントルク型素子にオフセットバイアスを印加するバイアス部を更に含むことを特徴とする、請求項1〜請求項3のうち、いずれか一項に記載のスピントルク型磁気センサー。
- 前記スピントルク型素子と直列接続された抵抗特性のレジスタ部を含み、前記レジスタ部の抵抗値を制御して前記磁気センサーの出力レベルを調節することを特徴とする、請求項1〜請求項3のうち、いずれか一項に記載のスピントルク型磁気センサー。
- 前記スピントルク型素子と直列接続された第2スピントルク型素子により、前記磁気センサーの出力レベルを調節することを特徴とする、請求項5に記載のスピントルク型磁気センサー。
- 加えられた直流電源によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するため、前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、前記スピントルク型素子の変動する磁気抵抗の平均値を抽出する低周波帯域通過フィルタとを含むことを特徴とするスピントルク型磁気センサー。
- 加えられた直流電流によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の出力でオフセットを制御するためのオフセット制御部と、前記スピントルク型素子に信号を入力・出力するための電極パッドとが1つの基板に集積されたスピントルク型磁気センサー集積回路チップ。
- 前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するための保磁力・感応領域制御部と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを更に含むことを特徴とする、請求項8に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップ。
- 前記信号処理部の代わりに、前記スピントルク型素子の磁化度の平均値を抽出する低周波帯域通過フィルタを含むことを特徴とする、請求項9に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップ。
- 前記センサーのアナログ信号をデジタル信号に変換するADCを更に含むことを特徴とする、請求項8に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップ。
- 請求項8に記載の集積回路チップを用いた使い捨てタイプのスピントルク型磁気センサー。
- 請求項12に記載の使い捨てタイプのスピントルク型磁気センサーを用いて、移動通信端末のポートに接続し、前記移動通信端末の磁場測定アプリケーションを駆動して前記スピントルク型磁気センサーに印加された磁場を測定する方法。
- 請求項7〜請求項10のうち、いずれかの一項に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップを用いて微細亀裂を感知する非破壊検査用センサー。
- 請求項8〜請求項11のうち、いずれかの一項に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップを用いた医療用ナノ粒子センサー。
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10809319B2 (en) | 2016-02-03 | 2020-10-20 | Korea University Research And Business Foundation, Sejong Campus | Device and method for measuring magnetic field using spin hall effect |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP7186481B2 (ja) * | 2018-05-18 | 2022-12-09 | 株式会社東海理化電機製作所 | 磁気センサ装置 |
US11609208B2 (en) | 2019-04-12 | 2023-03-21 | Western Digital Technologies, Inc. | Devices and methods for molecule detection based on thermal stabilities of magnetic nanoparticles |
US11327073B2 (en) | 2019-04-12 | 2022-05-10 | Western Digital Technologies, Inc. | Thermal sensor array for molecule detection and related detection schemes |
US11112468B2 (en) | 2019-04-12 | 2021-09-07 | Western Digital Technologies, Inc. | Magnetoresistive sensor array for molecule detection and related detection schemes |
US11579217B2 (en) | 2019-04-12 | 2023-02-14 | Western Digital Technologies, Inc. | Devices and methods for frequency- and phase-based detection of magnetically-labeled molecules using spin torque oscillator (STO) sensors |
US11738336B2 (en) | 2019-04-12 | 2023-08-29 | Western Digital Technologies, Inc. | Spin torque oscillator (STO) sensors used in nucleic acid sequencing arrays and detection schemes for nucleic acid sequencing |
US11208682B2 (en) | 2019-09-13 | 2021-12-28 | Western Digital Technologies, Inc. | Enhanced optical detection for nucleic acid sequencing using thermally-dependent fluorophore tags |
US11747329B2 (en) | 2019-11-22 | 2023-09-05 | Western Digital Technologies, Inc. | Magnetic gradient concentrator/reluctance detector for molecule detection |
CN112198465B (zh) * | 2020-08-07 | 2022-08-09 | 国网宁夏电力有限公司电力科学研究院 | 一种变压器的剩余磁通的检测方法、介质及系统 |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10319104A (ja) * | 1997-03-17 | 1998-12-04 | Quantum Design Inc | サンプルの磁気モーメントを感知するための方法およびトルク磁力計 |
JP2002522792A (ja) * | 1998-08-14 | 2002-07-23 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | 巨大磁気抵抗材料又はスピントンネル接合を具え、層に対し垂直な感度を有する磁界センサ |
KR100820079B1 (ko) * | 2006-12-22 | 2008-04-07 | 한국기초과학지원연구원 | 자기저항센서 |
JP2008539534A (ja) * | 2005-04-29 | 2008-11-13 | フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド | Mramトグル・ビット特徴付けのための3連パルス方法 |
WO2009102577A1 (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-20 | University Of Delaware | Electromagnetic wave detection methods and apparatus |
WO2011013412A1 (ja) * | 2009-07-27 | 2011-02-03 | 富士電機ホールディングス株式会社 | 非接触電流センサ |
Family Cites Families (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6166539A (en) * | 1996-10-30 | 2000-12-26 | Regents Of The University Of Minnesota | Magnetoresistance sensor having minimal hysteresis problems |
EP1370884A4 (en) * | 2001-03-23 | 2004-08-25 | Integrated Magnetoelectronics | SCAN-STOP CIRCUIT ON TRANSPINNOR BASE AND APPLICATIONS |
US6984978B2 (en) * | 2002-02-11 | 2006-01-10 | Honeywell International Inc. | Magnetic field sensor |
JP2004056037A (ja) * | 2002-07-24 | 2004-02-19 | Fujitsu Ltd | Cpp構造磁気抵抗効果素子 |
US7016163B2 (en) * | 2003-02-20 | 2006-03-21 | Honeywell International Inc. | Magnetic field sensor |
US7272991B2 (en) * | 2004-02-09 | 2007-09-25 | The Gillette Company | Shaving razors, and blade subassemblies therefor and methods of manufacture |
KR100615059B1 (ko) * | 2004-05-11 | 2006-08-22 | 김진억 | 이동통신단말기 |
JP5077802B2 (ja) * | 2005-02-16 | 2012-11-21 | 日本電気株式会社 | 積層強磁性構造体、及び、mtj素子 |
EP2015307B8 (en) * | 2007-07-13 | 2013-05-15 | Hitachi Ltd. | Magnetoresistive device |
US20100277160A1 (en) * | 2007-12-18 | 2010-11-04 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Magnetic sensor device |
US7876603B2 (en) * | 2008-09-30 | 2011-01-25 | Micron Technology, Inc. | Spin current generator for STT-MRAM or other spintronics applications |
JP4936030B2 (ja) * | 2010-03-10 | 2012-05-23 | Tdk株式会社 | 磁気センサ |
JP5560944B2 (ja) * | 2010-06-18 | 2014-07-30 | ソニー株式会社 | 記憶素子の駆動方法 |
US8273610B2 (en) * | 2010-11-18 | 2012-09-25 | Monolithic 3D Inc. | Method of constructing a semiconductor device and structure |
-
2012
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Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH10319104A (ja) * | 1997-03-17 | 1998-12-04 | Quantum Design Inc | サンプルの磁気モーメントを感知するための方法およびトルク磁力計 |
JP2002522792A (ja) * | 1998-08-14 | 2002-07-23 | コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ | 巨大磁気抵抗材料又はスピントンネル接合を具え、層に対し垂直な感度を有する磁界センサ |
JP2008539534A (ja) * | 2005-04-29 | 2008-11-13 | フリースケール セミコンダクター インコーポレイテッド | Mramトグル・ビット特徴付けのための3連パルス方法 |
KR100820079B1 (ko) * | 2006-12-22 | 2008-04-07 | 한국기초과학지원연구원 | 자기저항센서 |
WO2009102577A1 (en) * | 2008-02-13 | 2009-08-20 | University Of Delaware | Electromagnetic wave detection methods and apparatus |
WO2011013412A1 (ja) * | 2009-07-27 | 2011-02-03 | 富士電機ホールディングス株式会社 | 非接触電流センサ |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
「IPHONE用の放射線測定器が販売中、TWITTERやGOOGLEマップと連携OK」, JPN6016023284, 26 January 2012 (2012-01-26), ISSN: 0003342948 * |
DANIEL COOPER, "IHEALTH'S 2012 LINEUP REVEALED AT CES -- ENGADGET", JPN6016023283, 9 January 2012 (2012-01-09), ISSN: 0003342947 * |
SEUNG-YOUNG PARK, YOUNGHUN JO, AND KYUNG-JIN LEE: "Measurement of perpendicular spin torque at high bias via the pulsed switching phase diagram", PHYSICAL REVIEW B, vol. 84, JPN6015040596, 9 December 2011 (2011-12-09), US, pages 214417 - 1, ISSN: 0003173094 * |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10809319B2 (en) | 2016-02-03 | 2020-10-20 | Korea University Research And Business Foundation, Sejong Campus | Device and method for measuring magnetic field using spin hall effect |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP2843433A4 (en) | 2015-04-15 |
KR20140134271A (ko) | 2014-11-21 |
KR101593665B1 (ko) | 2016-02-16 |
EP2843433A1 (en) | 2015-03-04 |
WO2014077431A1 (ko) | 2014-05-22 |
US20140139214A1 (en) | 2014-05-22 |
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