JP2017059591A - 磁気センサおよび磁気センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】室温で動作可能でかつ微弱な磁界を検出することができる磁気センサおよび磁気センサ装置を提供する。【解決手段】本実施形態による磁気センサは、積層された複数の磁性層と、隣接する磁性層間に設けられた非磁性層と、を有する積層構造を含む磁気抵抗膜と、前記磁気抵抗膜を間に挟む第１および第２電極と、を備え、前記複数の磁性層のうち、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性層の合計の厚さをｔ、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における前記磁性層の幅をｓとすると、ｔ＞ｓの関係を満たす。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、磁気センサおよび磁気センサ装置に関する。

従来、生体から発生する磁界（周波数＜１ｋＨｚ）を計測する装置として、ＳＱＵＩＤ(Superconducting Quantum Interference Device：超伝導量子干渉素子）を有する磁気センサを用いた生体磁気計測装置が提案されている。この生体磁気計測装置においては、多数のＳＱＵＩＤを有する磁気センサを配列させて生体磁気の計測に用いることで、脳磁図、心磁図等の２次元生体磁気情報を得ることができる。

ＳＱＵＩＤを有する磁気センサにより生体磁気計測を行うためには、上記磁気センサを液体ヘリウムなどの冷媒により超伝導状態に保つ。そのため、上記磁気センサは、冷媒が貯留されたデュワに内蔵され、この冷媒に浸漬された状態で計測に用いられる。このデュワの冷媒槽の外壁部の一部を、生体の計測対象の部位、例えば頭蓋に対応した形状に形成し、この外壁部の内側に多数の上記磁気センサを配列させて冷媒に浸漬し、外壁部の外側を生体に接触させる。これにより、多数の磁気センサを生体に対して一定の距離に近接させて計測し、脳磁図等を得ることができる。しかし、このＳＱＵＩＤを有する磁気センサは、極低温状態に保つ必要があり、費用が高くなるという問題がある。

この問題を解決するために、第１の強磁性体（磁界検出層）と、第２の強磁性体（磁化固定層）と、前記第１の強磁性体と前記第２の強磁性体との間に設けられた中間層（酸化層）と、を有する積層構造を備え、この積層構造の膜面垂直方向に電流を通電する磁気抵抗効果素子を用いた、室温動作する磁気抵抗効果型センサが提案されている。この磁気抵抗効果センサでは、積層構造の膜面内に加わる磁界を検出する。

しかし、磁気抵抗効果型センサには以下のような課題がある。磁気抵抗効果型センサでは、生体磁気信号のようなピコテスラ（ｐＴ）級の超微弱な磁界を検出するためには、大きな抵抗変化率に加えて、磁界検出層の磁化を出来る限り小さな磁場で回転させることが要求される。微弱な磁界で磁界検出層の磁化が容易に回転するためには、飽和磁界Ｈｓが小さく、且つ磁界検出層の膜面内で磁化方向の乱れがなく、均一に回転することが求められる。

磁化方向の乱れは、一般に、抵抗―磁界特性に保磁力Ｈｃを発生させる。保磁力Ｈｃが発生すると、微弱な磁界による磁化の回転を著しく阻害する。しかしながら、垂直通電型の磁気抵抗効果センサでは、微細化した磁性膜の端部面の磁化から発生する不均一な反磁界により保磁力Ｈｃが増大するため、超微弱な磁界の検出が困難である。保磁力Ｈｃの増大を抑制するには、磁気ヘッドの応用で知られているように、大きなバイアス磁界の面内付与が有効である。しかし、この場合、飽和磁界Ｈｓがバイアス磁界程度となるので、やはり微小な磁界に適した高感度の磁界検出が阻害されてしまう。

特開平２−４０５７８号公報

Japanese Journal of Applied Physics 52 (2013) 04CM07

本実施形態は、室温で動作可能でかつ微弱な磁界を検出することができる磁気センサおよび磁気センサ装置を提供する。

本実施形態の磁気センサは、積層された複数の磁性層と、隣接する磁性層間に設けられた非磁性層と、を有する積層構造を含む磁気抵抗膜と、前記磁気抵抗膜を間に挟む第１および第２電極と、を備え、
前記複数の磁性層のうち、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性層の合計の厚さをｔ、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における前記磁性層の幅をｓとすると、
ｔ＞ｓ
の関係を満たす。

第１実施形態による磁気抵抗効果型センサを示す断面図。 第１実施形態の磁気抵抗効果型センサにおける磁性層の形状の一例を示す図。 第１実施形態の磁気抵抗効果型センサにおける磁性層の形状の一例を示す図。 第１実施形態の磁気抵抗効果型センサにおける磁性層の形状の一例を示す図。 第１実施形態の磁気抵抗効果型センサの動作を説明する図。 第１実施形態の磁気抵抗効果型センサの実施例１乃至実施例４および比較例における特性を示す図。 第２実施形態による磁気抵抗効果型センサを示す断面図。 第２実施形態の磁気抵抗効果型センサに用いられる一磁性層の構成を示す断面図。 第２実施形態の磁気抵抗効果型センサの動作を説明する図。 第３実施形態による磁気抵抗効果型センサを示す断面図。 第３実施形態の第１変形例による磁気抵抗効果型センサを示す断面図。 第３実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果型センサを示す断面図。 第４実施形態による生体磁気センサを示す断面図。 第５実施形態による生体磁気センサを示す断面図。 第５実施形態による生体磁気センサを示す上面図。 第５実施形態の一変形例による生体磁気センサを示す断面図。 第６実施形態におけるシミュレーション結果を示す図。 第６実施形態におけるシミュレーション結果を示す図。 第６実施形態の一変形例におけるシミュレーション結果を示す図。 第７実施形態による生体磁気センサ装置を示すブロック図。 生体磁気センサの検出信号に、時間的に変動するノイズが加わっている状態を示す波形図。 印加する電流をＡＣ電流とした場合における生体磁気センサの検出信号を示す波形図。 生体磁気センサの検出信号をロックインアンプ２４０を介して検出した波形図。 第６実施形態で示したモデルにおける磁界−抵抗特性を示す図。 図２０Ａに示すグラフを直線近似し、各磁界において近似直線からのずれを％で示した図。 印加電流値に対する磁気抵抗の直線性をＬＬＧシミュレーションで調べた結果を示す図。 図２１Ａに示すグラフを直線近似し、各電流値において近似直線からのずれを％で示した図。

以下に図面を参照して実施形態について説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態による生体磁気センサについて図１を参照して説明する。この第１実施形態の生体磁気センサは磁気抵抗効果型センサを有し、この磁気抵抗効果型センサの断面を図１に示す。この実施形態の磁気抵抗効果型センサ１は、図示しない基板上に、下電極１１、下地層１２、ＭＲ膜（磁気抵抗膜）１３、キャップ層１４、および上電極１５が、この順序で積層された積層構造を有している。ＭＲ膜１３は、磁性層１３_１と非磁性層１３_２とを交互に複数回繰り返して積層した構造を有している。なお、ＭＲ膜１３の最下層と最上層はそれぞれ、磁性層１３_１である。

基板としては、Ｓｉ基板などが用いられるが、特に限定されるものではない。下地層１２としては、その上に設けられるＭＲ膜１３の結晶成長に適した、Ｔａ、Ｃｕ、Ｒｕ、Ａｇなどが用いられる。

磁性層１３_１としては、例えば３層積層構造を有し、非磁性層１３_２と接する側の磁性層としては、１ｎｍ〜４ｎｍの厚さを有するホイスラー合金、またはＦｅＣｏ合金のような高スピン分極材料が用いられる。中間の磁性層としては、低い保磁力Ｈｃを有する軟磁性材料であるＮｉＦｅ、またはアモルファス合金（ＣｏＺｒＮｂなど）が用いられる。すなわち、磁性層１３_１は、高スピン分極材料層／軟磁性材料層／高スピン分極材料層からなる積層構造を有する。高スピン分極材料が良好な軟磁性を有する場合は、磁性層１３_１は高スピン分極材料層であってもよい。薄い磁性層１３_１を用いると、磁気センサ１における、非磁性層１３_２との界面数が増加して、磁気センサ１の抵抗変化量が増大し、かつ出力が増大するので好ましい。しかし、磁性層１３_１の厚さが３ｎｍより薄いと磁性層１３_１のスピン分極が低下するので好ましくない。複数の磁性層１３_１の厚みは、厚い層、薄い層の交互積層、すなわち隣接する磁性層間では厚みが異なってもよい。また、隣接する磁性層間で異なる材料を用いても良い。非磁性層１３_２としては、Ｃｕ、Ａｇ等の磁気抵抗効果の発現に適した金属層を用い、非磁性層１３_２を介して隣接する磁性層１３_１間に反強磁性的な磁気結合を生じる厚みが用いられる。成膜条件などに依存して、非磁性層１３_２の厚みは変化するが、概略、非磁性層１３_２の厚みとして２ｎｍ前後、あるいは１ｎｍ前後で反強磁性的結合を生じる。

本実施形態における磁気センサ１は、下電極１１上に、下地層１２，ＭＲ膜１３、キャップ層１４が積層された後、下地層１２，ＭＲ膜１３、およびキャップ層１４は、エッチングにより、パターニングされる。図示しない基板上から見た、磁性層１３のエッチング直後の形状を図２Ａ乃至図２Ｃに示す。ＭＲ膜１３は、図２Ａに示すように円形、図２Ｂに示すように中央を絶縁体８としたトーラス形、図２Ｃに示すように多角形などの形状にパターニングされる。

磁性層１３_１の面内サイズ（幅）ｓを、円形状では直径、トーラス形状では磁性体の外周直径、四角形では対角線、多角形では最も長い対角線と定義する。本実施形態においては、この幅ｓと、ＭＲ膜１３における磁性層１３_１の合計の厚みｔとの関係は、ｔ＞ｓの関係にある。

従来の垂直通電型の磁気抵抗効果型センサでは、磁性層１３_１の合計の厚みｔは、磁性体の面内サイズｓに比べて遙かに小さい。この従来の磁気抵抗効果型センサでは、膜面内に磁化方向が安定であり、膜面内方向の磁界による磁化回転により磁界を検出する。しかし、この従来の磁気抵抗効果型センサでは、膜面に垂直方向には、磁化の回転が困難となる。すなわち、膜面に垂直方向の磁界の検出が困難となる。

これに対して、本実施形態においては、ｔ＞ｓの関係を満たす。このため、膜面に垂直方向への磁化の回転が容易となり、膜面に垂直方向の磁界の検出が可能となる。更にＬＬＧ（Landau-Liftshitz-Gilbert）シミュレーションなどにより磁化回転の挙動を調べたところ、膜面に垂直に通電することによるセンス電流によって発生する磁界は膜面内で渦状に加わるので、磁性層のエッジ部の端面での反磁界の発生を抑制することができた。このため、膜面に垂直方向の外部磁界がゼロの条件では、磁性層１３_２の磁化は、膜面に垂直な方向から面内に向けて傾き、図２Ａ乃至図２Ｃに示すように、電流によって発生する磁界に沿った渦状面内成分が発生して、面内エッジ端面に磁極が発生するのを抑制することができる。図２Ａ乃至図２Ｃでは、渦状に配列した磁化の向きを矢印で示した。

なお、図示していないが、外部磁界が無いときに、磁性層１３_１の磁化を膜面に垂直方向に若干傾けるために、磁性層１３_１の一部に垂直異方性磁界を有するバイアス磁界を付与する膜を設けることが望ましい。バイアス磁界を付与する膜としては、ＣｏＦｅとＮｉを交互に積層した多層膜、ＣｏとＰｔを交互に積層した多層膜、あるいはＣｏとＰｄを交互積層した多層膜が用いられる。このバイアス磁界を付与する膜は、例えば、下地層１４と磁性層１３_１との間に設けられる。

（動作）
次に、第１実施形態の磁気抵抗効果型センサの動作について図３を参照して説明する。

図３に示すように、膜面垂直方向に磁界が加わると、磁性層１３_１の磁化方向が膜面に垂直な方向に容易に回転して、非磁性層１３_２を介して隣接する磁性層１３_１の磁化方向との成す角度が変化する。例えば、検出磁界が０の場合は、非磁性層１３_２を介して隣接する２つの磁性層１３_１間の磁化方向の成す角度は、図３の中央に示すようになる。検出磁界が負の場合は、非磁性層１３_２を介して隣接する２つの磁性層１３_１間の磁化方向の成す角度は、図３の左側に示すようになる。検出磁界が正の場合は、非磁性層１３_２を介して隣接する２つの磁性層１３_１間の磁化方向の成す角度は、図３の右側に示すようになる。

センス電流を膜面に垂直方向に流して、ＭＲ膜１３の検出磁界に対する抵抗変化を下電極１１と上電極１５との間の電圧変化として得ることができ、この電圧変化を出力とする。ここで、磁性層１３_１の幅ｓが１００ｎｍ以下になると、磁化のスムーズな渦状回転が交換結合のために困難となるので、保磁力Ｈｃが発生し易くなる。従って、ｓ＞１００ｎｍであることが好ましい。

膜面に垂直方向の磁界を加えた場合に、膜面に垂直方向に磁化が揃う磁界強度Ｈｓと、磁性層１３_１の合計の厚みｔおよび磁性層の面内サイズｓとの関係を，磁性層１３_１の面内形状が円形である場合についてシミュレーションした結果を図４に示す。このシミュレーションでは、飽和磁化はＣｏＦｅＭｎＧｅホイスラー合金などが示す８００ｅｍｕ／ｃｃとした。実施例１では、ｓは０．５μｍ、ｔが０．５μｍであり、飽和磁界Ｈｓは２０００Ｏｅであった。実施例２では、幅ｓが０．５μｍ、厚さｔが１．０μｍであり、飽和磁界Ｈｓは１０００Ｏｅであった。実施例３では、幅ｓが０．５μｍ、厚さｔが２．０μｍであり、飽和磁界Ｈｓは５００Ｏｅであった。実施例４では、幅ｓが０．５μｍ、厚さｔが５．０μｍであり、飽和磁界Ｈｓは２００Ｏｅであった。また、比較例では、幅ｓが０．５μｍ、厚さｔが０．０１μｍであり、飽和磁界Ｈｓは１００００Ｏｅであった。

比較例の磁気抵抗効果センサにおいては、ｔ／ｓ＝０．０２（ｓ＝０．５μｍ、ｔ＝０．０１μｍ）であり、飽和磁界Ｈｓは１０ｋＯｅとなる。すなわち、比較例の磁気抵抗効果型センサでは微小磁界の検出には不適当となる。しかし、実施例１乃至実施例４に示すように、ｔ／ｓが１から１０に増大すると、飽和磁界Ｈｓは２ｋＯｅから２００Ｏｅに低下する。ｔ／ｓを１以上とすることにより飽和磁界Ｈｓを大幅に低減することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の生体磁気センサは、磁気抵抗効果型センサであるので、室温で動作可能であり、微弱な磁界を検出することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態による生体磁気センサについて図５を参照して説明する。この第２実施形態の生体磁気センサは磁気抵抗効果型センサを有し、この磁気抵抗効果センサの断面を図１に示す。この第２実施形態の磁気抵抗効果型センサは、図１に示す第１実施形態の磁気抵抗効果型センサにおいて、ＭＲ膜１３をＭＲ膜１３Ａに置き換えた構成を有している。

このＭＲ膜１３Ａは、磁性層１３_１１と磁性層１３_１２とが非磁性層１３_２を介して積層されたユニットを備えている。そして、図５に示すように、上記ユニットが複数組積層された構造を有していても良い。上記ユニットは、磁性層１３_１１、非磁性層１３_２、および磁性層１３_１２との順序で積層されるが、逆の順序で積層してもよい。すなわち、磁性層１３_１２、非磁性層１３_２、および磁性層１３_１１の順序で積層してもよい。膜面内の形状は、図２と同様である。

磁性層１３_１２は、図６に示すように、良好な軟磁性を有する厚い磁性層１３_１２ａと、磁気抵抗効果を発現する磁性層１３_１２ｂとの積層構造を有している。磁性層１３_１２ｂに接した非磁性層１３_２は、第１実施形態と同様に、メタル系材料でもよいが、ＭｇＯなどの酸化層を用いてもよい。ここで、磁性層１３_１２の合計厚みｔは、第１実施形態で説明したサイズｓと、ｓ≦ｔの関係とする。

磁性層１３_１１の磁化は、膜面垂直方向に固定される。そのために、磁性層１３_１１としては、垂直異方性磁化を有する磁性層が用いられる。例えば、ＣｏＦｅ層とＮｉ層、Ｃｏ層とＰｔ層、あるいはＣｏ層とＰｄ層を交互積層した多層膜が用いられる。薄い非磁性層１３_２との界面には、ＦｅＣｏまたはホイスラー合金のような高スピン分極を有する磁性層を挿入して高ＭＲ比を維持することが好ましい。なお、非磁性層１３_２としてＭｇＯを用いる場合には、磁性層１３_１１としては、ＭＲＡＭで開発されている垂直異方性磁化を有する磁性材料を用いてもよい。例えば、極薄のＣｏＦｅＢなどが用いられる。

（動作）
次に、第２実施形態の磁気抵抗効果型センサの動作について図７を参照して説明する。図７は、第２実施形態の磁気抵抗効果型センサにおける抵抗変化（出力電圧）と検出磁界（膜面に垂直方向の磁界）との関係を示す。検出磁界がない場合では、磁性層１３_１１は膜面に垂直方向に磁化が配列し、磁性層１３_１２は膜面内方向に磁化が配列して、両磁性層の磁化方向は直交する関係となる（図７の中央に示す図）。正の外部磁界、すなわち磁性層１３_１１の磁化と同方向の磁界が加わると、磁性層１３_１２の磁化が磁性層１３_１１方向に回転して磁性層１３_１１の磁化との成す角度は小さくなり抵抗が減少する（図７の右側に示す図）。負の外部磁界、すなわち磁性層１３_１１の磁化と逆方向の磁界が加わると、磁性層１３_１２の磁化は磁性層１３_１１の磁化と反対方向に回転して、磁性層１３_１１との成す角度は大きくなり抵抗が増大する。一方、磁性層１３_１２の磁化が膜面内で回転変化しても、磁性層１３_１１と成す角度は変化しない。センス電流を膜面に垂直方向に流して、ＭＲ膜１３Ａの検出磁界に対する抵抗変化を下電極１１と上電極１５との間の電圧変化として得ることができ、この電圧変化が出力となる。

この第２実施形態も第１実施形態と同様に、微弱な磁界を検出することができる。

以上説明したように、本実施形態の生体磁気センサは、磁気抵抗効果型センサであるので、室温で動作可能であり、微弱な磁界を検出することができる。

（第３実施形態）
第３実施形態による生体磁気センサについて図８を参照して説明する。この第２実施形態の生体磁気センサは磁気抵抗効果型センサを有し、この磁気抵抗効果センサの断面を図８に示す。

この第３実施形態の磁気抵抗効果型センサは、ＭＲ膜１３として、垂直磁化を有する磁性層１３_１１と、磁性層１３_１２と、磁性層１３_１１と磁性層１３_１２との間に設けられた非磁性層１３_２と、からなるユニットを備え、磁性層１３_１２は、第２実施形態で説明した場合と同様に、磁性層１３_１２ａと、磁性層１３_１２ｂとの積層構造を有している。そして、第３実施形態においては、第２実施形態と異なり、磁性層１３_１２ａが下電極１１の凹部内に埋め込まれた構成を有している。下電極１１に設けられた凹部は、開口部の直径が底部の直径よりも小さく、下電極１１の上面に平行な断面の直径が開口部から底部に向かって直線的に増大する構造を有している。したがって、下電極１１内に埋め込まれた磁性層１３_１２ａは、最上部の直径が最下部の直径よりも小さく、最上部から最下部に向かって断面の直径が直線的に増大する構造を有している。

下電極１１および磁性層１３_１２ａの形成は、以下のように行われる。まず、磁性層１３_１２ａとなるＮｉＦｅなどの磁性材料を、ＣｕまたはＲｕなどからなる非磁性材料の下層部の上に成膜し、上記磁性材料を磁性層１３_１２ａの平面形状となるようにパターニングする。その後、パターニングされた磁性層１３_１２ａの側部をＣｕまたはＲｕなどで覆い、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて平坦化することにより形成する。磁性層１３_１２ａの下層部および側部が、ＣｕまたはＲｕなどからなる下電極となる。なお、上記磁性材料をテーパ状にエッチすることにより、上部において、パターニングの幅が狭まる台形状に加工する。

磁性層１３_１２ａ上に磁性材料層１３_１２ｂ、非磁性材料層１３_２，垂直磁化を有する磁性材料層１３_１１、キャップ層１４を順次成膜し、これらの積層膜をパターニングすることにより、ＭＲ膜を形成する。その後、上電極１５を形成し、磁気抵抗効果型センサを完成する。

第３実施形態においては、磁性層１３_１２ａと磁性層１３_１２ｂは、第２実施形態の場合と異なり、分割してパターニングされるのでパターニングサイズは異なる。ＭＲを発現する磁性層１３_１２ｂの垂直磁界方向の磁化の回転により出力を得るので、第３実施形態においては、磁性層の面内サイズｓは磁性層１３_１２ｂの幅となる。

磁性層１３_１２ａおよび磁性層１３_１２ｂを一括してエッチングして幅を規定すると、厚みｔが幅ｓよりも大きい場合には、磁性層１３_１２のエッチングが困難になる。しかし、本実施形態のように、磁性層１３_１２ａを磁性層１３_１２ｂと分離形成することにより、幅が広く厚い磁性層１３_１２ａを形成することが可能となるとともに、薄く幅の狭い磁性層１３_１２ｂを形成することが容易となる。このため、厚みｔと、狭い幅ｓを有する磁性層１３_１２を実現することができる。例えば、磁性層１３_１２ａの厚みを５μｍ、磁性層１３_１２ｂの幅ｓを０．５μｍとした形状の作製が容易となる。なお、磁性層１３_１２ａと磁性層１３_１２ｂは直接接することが望ましい。しかし、磁性層１３_１２ｂの結晶性改善のために、幅ｓよりも十分小さな数ｎｍ厚の非磁性層を挿入してもよい。

（第１変形例）
図８では磁性層１３_１２ａの側面がテーパ形状であったが、磁性層１３_１２ａは、図９に示す第１変形例のように、下部ほど幅の広がりが顕著となる形状としてもよい。

（第２変形例）
図１０に第３実施形態の第２変形例による磁気抵抗効果型センサの断面を示す。この第２変形例の磁気抵抗効果型センサは、第３実施形態の磁気抵抗効果型センサにおいて、上電極１５に埋め込まれた磁性層１３_１３を更に備えた構成を有している。この磁性層１３_１３としては、下面の幅が狭く、上面の幅が広い、逆テーパ構造を有していることが望ましい。この場合、磁性層１３_１３の形成は、絶縁フレーム（レジスト、あるいはアルミナなど）を用いてメッキによりＮｉＦｅなどを埋め込む製法が適する。
第３実施形態およびその変形例によれば、第２実施形態と同様に、室温で動作可能で、かつ微弱な磁界を検出することができる。

（第４実施形態）
第４実施形態による生体磁気センサについて図１１を参照して説明する。この第４実施形態の生体磁気センサの断面を図１１に示す。

この第４実施形態の生体磁気センサは、第１乃至第３実施形態およびそれらの変形例のいずれかの生体磁気センサと、下電極１１の下方に設けられた磁気ヨーク３１と、上電極１５の上方に設けられた磁気ヨーク３２と、を有している。磁気ヨーク３１、３２はそれぞれ、例えば、図９に示す磁性層１３_１２ａと同じ形状を有している。

磁気ヨーク３１、３２は、磁気センサ部で磁気ヨークの断面積が狭まる構造からなり、両サイドには、磁気ヨーク３１、３２を支持する非磁性の支持体（図示せず）を設ける。磁気ヨーク３１、３２としては、例えば、良好な軟磁性を有するアモルファス合金（ＣｏＺｒＮｂなど）、ＮｉＦｅ合金が用いられる。磁気ヨーク３１、３２は磁気センサ部と別途に作製して、磁気センサ部と貼りあわせてもよい。

第４実施形態においては、図８に示す第３実施形態または図９に示す第１変形例と異なり，磁気センサ部と、磁気ヨーク３１、３２それぞれとの間には厚い電極１１、１５が存在する。この場合も、第１実施形態で説明した場合と同様に、ＭＲ膜１３内でｔ＞ｓとなるようにする。磁気ヨーク３１、３２により検出磁界が収束して、実質的に検出磁界が増幅するために、微弱な検出磁界が更に容易となる効果がある。

この第４実施形態も第１乃至第３実施形態と同様に、室温で動作可能で、かつ微弱な磁界を検出することができる。

（第５実施形態）
第５実施形態による生体磁気センサについて図１２および図１３を参照して説明する。この第５実施形態の生体磁気センサの断面を図１２に示す。

この生体磁気センサは、図１２に示すように、複数のＭＲ膜１３を複数の下電極１１と複数の上電極１５を用いて直列に接続した構成を有している。各ＭＲ膜１３は、第１乃至第４実施形態で説明したＭＲ膜が用いられる。１つの下電極１１と１つの上電極１５とが一部の領域で重なるように、複数の下電極１１と、複数の上電極１５を互い違いに配置し、１つの下電極１１と１つの上電極１５とが重なる一部の領域にＭＲ膜１３を設けてこのＭＲ膜１３に上記１つの下電極と上記１つの上電極１５とが接続するようにする。すなわち、端部を除いて、下電極１１上に２つのＭＲ膜１３を設け、上電極１５の下に２つのＭＲ膜を形成して、下電極１１と上電極１５は互い違いに配置することで、ＭＲ膜１３を直列に接続する。すなわち、第５実施形態の生体磁気センサは、上記１つの下電極と、上記１つの上電極１５と、上記重なる一部の領域に設けられたＭＲ膜１３とが１つの磁気センサを構成し、この磁気センサが直列に接続された構成を有している。

図１３に基板面上から見た２次元平面に配列された磁気センサの配列を示す。各行ごとに、横方向には直列に下電極１１と上電極１５によって磁気センサが配列結合され、隣接行では上電極１５または下電極１１間が接続することにより、２次元平面的に、列数×行数の直列接続が可能となる。

ＭＲ膜１３を構成する非磁性層１３_２が金属の場合、単一のＭＲ膜１３の抵抗は小さいが、磁気膜を１０×１０〜１００×１００程度、直列に接続により、高感度化に適した１００Ω〜５０００Ωのセンサ抵抗の増大を実現することができる。非磁性層１３_２としてＭｇＯ層を用いた場合には、多数個の磁気センサの平均化作用により１／ｆノイズの低減効果が期待できる。

図１４に、図１２において下電極１１を磁性層１３_１２ａにて置き換えた変形例を示す。この変形例においては、ＭＲ膜１３として、図８に示す第３実施形態で説明した磁性層１３_１２ａ、磁性層１３_１２ｂ、非磁性層１３_２、および磁性層１３_１１が積層された積層構造が用いられる。このように構成することにより、第３実施形態と同様の効果を得ることができる。図１２、１３に示す磁気抵抗効果型センサに第４実施形態で説明した磁束を集中するガイドとなる磁気ヨーク３１、３２を加えても良い。磁束集中ガイド３１、３２の内に直列に接続された磁気センサすべてを配置することで、磁束集中の効果を追加することができる。

この第５実施形態も、第１乃至第４実施形態と同様に、室温で動作可能で、かつ微弱な磁界を検出することができる。

（第６実施形態）
第２実施形態の磁気抵抗効果型センサの原理の確認のためのＬＬＧシミュレーションを行った。この結果を第６実施形態として説明する。

図１５の右側に示すように、シミュレーションのモデルとしては、厚さが２０ｎｍの垂直磁化層１３_１１／厚さが１０ｎｍのＣｕ層１３_２／厚さが２０ｎｍの軟磁性層１３_１２からなる３層構造を有する膜で、直径が５００ｎｍの円柱形状のものを用いた。

垂直磁化層１３_１１の飽和磁化は８００ｅｍｕ／ｃｃ、垂直磁気異方性は６Ｍｅｒｇ／ｃｃ、軟磁性層１３_１２の飽和磁化は８００ｅｍｕ／ｃｃ、面内磁気異方性は１ｋｅｒｇ／ｃｃとした。このモデルを一辺１０ｎｍの立方体メッシュで区切り、メッシュ間の交換結合定数を１μｅｒｇ／ｃｍとして、ＬＬＧシミュレーションを行った。垂直磁化層１３_１１、軟磁性層１３_１２ともに、膜厚方向にメッシュ二個分に分割がされており、各層の面内の磁化分布も計算できるようにした。円柱に対し、膜厚方向に０〜１００ｍＡのＤＣ電流を流した。外部磁界は膜厚方向に印加した。

なお、計算時間が膨大になるため、モデルは幅ｓが５００ｎｍ、厚さｔが２０ｎｍの条件、すなわち、ｓ＞ｔとなってしまっているが、磁化の動きの原理はｓ＜ｔの場合も同様である。ｓ＞ｔとなっている影響は感度の逆数Ｈｓが大きくなることであり、前述のように、ｓ＜ｔとすることで飽和磁界Ｈｓが低減し感度が向上する。従って、この実施形態における計算結果は、ｓ＜ｔとすることで磁化の動きは同様であるが感度が向上すると考えればよい。

図１５の左上および左下に垂直磁化層１３_１１と軟磁性層１３_１２のそれぞれとＣｕからなる非磁性層１３_２側の部分の磁化状態を示す。各メッシュにおける磁化の向きを矢印で示したものである。外部磁界１ｋＯｅ、電流２０ｍＡを印加している。図１５から明らかなように垂直磁化層１３_１１は垂直方向に磁化が向いており、軟磁性層１３_１２は渦巻き状の磁化状態が実現されている。

上記モデルにおける磁気抵抗の外部磁界の依存性を図１６に示す。図１６からわかるように、電流の値によらず、外部磁界−抵抗の特性が非常に良い直線性を示すことがわかる。このことは、１Ｏｅを切るような非常に微弱な磁界であっても、ＳＮ比がよい検出ができることを示すものである。ただし、飽和磁界Ｈｓが１０ｋＯｅと非常に大きいために感度自体は良くない。これは軟磁性層１３_１２の反磁界によるものであり、前述のように、第１乃至第５実施形態において必要とされる条件であるｓ＜ｔとなるように設計することで直線性を保ったまま感度（磁界当たりの抵抗変化）を大きくすることができる。実際、ＬＬＧシミュレーションの結果、この構造を２０回繰り返すことで、幅ｓが５００ｎｍ、厚さｔが１００ｎｍとなり、飽和磁界Ｈｓが６ｋＯｅ程度に低下し、抵抗変化率が２倍弱向上することが確かめられている。なお、ｓ＜ｔとすることでさらに感度は向上する。

図１７に、磁性層がトーラス形状の場合の磁化状態のシミュレーション結果を示す。図１７は、上記のモデルで内径２００ｎｍの空隙を開け、外部磁界がゼロで５０ｍＡの電流を印加した状態での軟磁性層１３_１２の非磁性層１３_２側の層の磁化状態を示している。中央に空隙があるにも関わらず、図１５とほとんど同じ円環状の磁化状態が形成できているのがわかる。この磁化状態が形成されたということは、図１６に示す場合と同様な磁界−磁気抵抗特性が得られることを意味する。このように、中央部に円形の空隙がある形状でも、第２実施形態による生体磁気センサはその効果を発揮することがわかる。

（第７実施形態）
第７実施形態による生体磁気センサ装置について図１８乃至図２１Ｂを参照して説明する。この第７実施形態の生体磁気センサ装置を図１８に示す。この生体磁気センサ装置は、第１乃至第５実施形態のいずれかの生体磁気センサ１と、ＤＣ電流源２００と、ＡＣ電流源２２０と、ロックインアンプ２４０と、を備えている。この第７実施形態の生体磁気センサ装置は、生体磁気センサ１をより高感度、すなわち低ノイズで検出することができる装置である。

生体磁気センサ１に印加する電流をＡＣ電流とし、出力電圧、すなわち抵抗変化をＡＣ電流源２２０からの参照信号に基づいてロックインアンプ２４０で検出する。これにより、生体磁気センサ１の出力に外乱ノイズや１／ｆノイズが載っている場合においても、そのノイズを除去することが可能となり、高いＳＮ比で出力信号を得ることができる。

その模式図を図１９Ａ乃至図１９Ｃに示す。図１９Ａは点線で示される生体磁気センサ１の検出信号（磁界信号）に、時間的に変動するノイズ（実線）が加わっている状態を示す。この状態では信号は完全にノイズに埋もれているので、検出することはできない。しかし、印加する電流をある周波数のＡＣ電流とすると、検出信号（磁界信号）は図１９Ｂに示す点線のように、その周波数で振動する信号となる。この場合も、検出信号はノイズよりも小さいが、これをロックインアンプ２４０で検出する、すなわち、駆動電流の周波数のバンドパスフィルターを通して検出すると、そのスペクトルは図１９Ｃに示すようになる。図１９Ｂの実線で示されるノイズは振幅は大きいがその周波数は一定しておらず、スペクトル強度としては小さい。しかし、検出信号は一定の周波数なので、図１９Ｃに示すように強いスペクトルを持ち、そのために、高いＳＮ比で検出することができるのである。

脳磁計や心磁計の場合、検出する信号は帯域が決まっているので、その帯域の最大周波数よりも高い、例えば１０倍の周波数のＡＣ電流を印加することで、高いＳＮ比で脳磁信号または心磁信号を得ることができる。

印加するＡＣ電流はＤＣバイアスを付与していても良い。このためには図１８に示すように、ＤＣ電流源２００を更に設ければよい。ＤＣバイアスを付与することで、軟磁性層の磁化は向きの逆転が起こらずに振動させることができる。例えば＋１°から−１°の振動を＋５°から＋６°の振動とすることができる。これにより、弱いヒステリシスが存在する場合にはその影響を小さく抑えることができ、最もＳＮ比が高く検出できる電流での動作が可能になって好ましい。ただし、回路構成が複雑になる欠点がある。

この検出法の高いＳＮ比を確認するために、ＬＬＧシミュレーションを行った。図２０Ａに第６実施形態で示したモデルでの磁界−抵抗特性を示す。電流が−８０ｍＡ〜＋８０ｍＡの範囲で、磁界が±１００Ｏｅの範囲で非常に良い直線性を示している。直線性を図２０Ｂに示す。図２０Ｂは、図２０Ａに示すグラフを直線近似し、各磁界において近似直線からのずれを％で示した図である。図２０Ｂからわかるように、±１００Ｏｅの測定磁界の範囲において、直線性は０．００３％以内に収まる。このことは、この生体磁気センサは１００Ｏｅを測定している場合に、その０．００３％である３０００ｎＴ（ナノテスラ）程度の最小分解能を持つ、ということを意味している。直線性はより小さい磁界でも同程度であり、ナノテスラ（ｎＴ）のレンジの磁界測定が十分に期待できることがわかる。

この図２０Ｂに示す直線性のずれは、ｓ＞ｔに起因するヒステリシスが原因である。これは、図２０Ｂにおいて、正磁界→負磁界のラインと負磁界→正磁界のラインが大きくずれていることからわかる。

第１乃至第６実施形態で説明したように、ｓ＜ｔとすることで、感度が向上する効果に加えて直線性も向上することが期待される。この図２０Ｂからわかるように、±５０Ｏｅの範囲における４０ｍＡの場合を見ると、直線性は一桁以上良いことから、適切な電流を選ぶことでｓ＜ｔの条件によって数桁の直線性向上が期待することができる。ただし、この結果は、センサとしての検出ポテンシャルを示すものであって、実際には外乱などからのノイズが信号に重畳される。従って、このポテンシャルを十分に発揮するにはこのノイズを除去することが望ましい。そのために本実施形態においては、ロックインアンプ２４０を用いてノイズを除去している。このノイズを除去するロックインアンプ２４０は、電流をＡＣ駆動させた場合に出力が電流値に比例して増加する、すなわち交流波形が歪まないことが前提である。

そこで、印加電流値に対する磁気抵抗の直線性をＬＬＧシミュレーションで調べた。その結果を図２１Ａ、図２１Ｂに示す。モデルは図２０Ａ、図２０Ｂの場合と同じモデルを用いた。図２１Ａは外部磁界が２０Ｏｅである場合と１００Ｏｅである場合の、印加電流に対する抵抗の変化をプロットしたものである。図２１Ａからわかるように、±８０ｍＡの範囲で良い直線性があることがわかる。その直線性をプロットしたのが図２１Ｂに示す。この結果より、±８０ｍＡのＡＣ電流駆動では直線性は０．００８％であり、図２０Ｂに示した生体磁気センサ１の性能ポテンシャルを劣化させることになる。しかし、±２０ｍＡとすると０．００２％程度となって生体磁気センサ１のポテンシャルを削がずにノイズを除去することができる。

さらに、ＤＣバイアス電流として−２０ｍＡを印加し、そこに±１０ｍＡのＡＣ電流を重畳するようにすれば直線性は０．００１％に低下することができる。ＡＣ電流の振幅は、ロックイン検出できる範囲であれば小さくすることもできるので、例えば、−２０ｍＡ±２ｍＡとすることで、さらに桁違いの直線性の改善をすることができる。このように、ＤＣバイアスやＡＣ電流の振幅を適切に選ぶことで、直線性を向上させることができる。ＤＣバイアスやＡＣの電流の値は周辺回路やノイズ状況などに依存するので、システムが完成した後で設計すればよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 磁気抵抗効果型センサ（生体磁気センサ）
８ 絶縁体
１１ 下電極
１２ 下地層
１３ ＭＲ膜
１３Ａ ＭＲ膜（磁気抵抗膜）
１３_１ 磁性層
１３_１２ 磁性層
１３_１２ａ 磁性層
１３_１２ｂ 磁性層
１３_２ 非磁性層
１３_１３ 磁性層
１４ キャップ層
１５ 上電極
３１ 磁気ヨーク
３２ 磁気ヨーク
２００ ＤＣ電流源
２２０ ＡＣ電流源
２４０ ロックインアンプ

Claims (17)

1. 積層された複数の磁性層と、隣接する磁性層間に設けられた非磁性層と、を有する積層構造を含む磁気抵抗膜と、
   前記磁気抵抗膜を間に挟む第１および第２電極と、
   を備え、
   前記複数の磁性層のうち、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性層の合計の厚さをｔ、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における前記磁性層の幅をｓとすると、
   ｔ＞ｓ
   の関係を満たす磁気センサ。
2. 前記隣接する磁性層は、前記非磁性層を介して反強磁性的結合をする請求項１記載の磁気センサ。
3. 前記磁性層は、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における形状は、円形、トーラス形状、および多角形のうちのいずれかである請求項１または２記載の磁気センサ。
4. 前記磁性層は、前記積層構造の積層方向に垂直な方向の磁化を有する請求項１乃至３のいずれかに記載の磁気センサ。
5. 前記磁性層は、第１磁性層と、第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられ軟磁性層と、を備え、前記第１および第２磁性層は、ホイスラ−合金またはＦｅＣｏ合金のいずれかを含む、請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気センサ。
6. 膜面垂直方向に磁化が固定された第１磁性層と、外部磁界を検知して磁化が回転する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層と、を有する積層構造を含む磁気抵抗膜と、
   前記磁気抵抗膜の前記第１磁性層側に設けられた第１電極と、
   前記磁気抵抗膜の前記第２磁性層側に設けられ、前記第１電極との間に前記磁気抵抗膜を挟む第２電極と、
   を備え、
   前記第２磁性層の厚さをｔ、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における前記第１磁性層の幅をｓとすると、
   ｔ＞ｓ
   の関係を満たす磁気センサ。
7. 前記第１および第２磁性層は、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における形状は、円形、トーラス形状、および多角形のうちのいずれかである請求項６記載の磁気センサ。
8. 前記第２磁性層は、第３磁性層と、前記第３磁性層よりも厚さが薄い第４磁性層との積層膜である請求項６または７記載の磁気センサ。
9. 膜面垂直方向に磁化が固定された第１磁性層と、外部磁界を検知して磁化が回転する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層と、を有する積層構造を含む磁気抵抗膜と、
   前記磁気抵抗膜の前記第１磁性層側に設けられた第１電極と、
   前記磁気抵抗膜の前記第２磁性層側に設けられ、前記第１電極との間に前記磁気抵抗膜を挟む第２電極と、
   を備え、前記第２磁性層は、第３磁性層と、前記第３磁性層よりも厚さが薄く幅が狭い第４磁性層との積層膜であり、
   前記第２磁性層の厚さをｔ、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における前記第４磁性層の幅をｓとすると、
   ｔ＞ｓ
   の関係を満たす磁気センサ。
10. 前記第１および第２磁性層は、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における形状は、円形、トーラス形状、および多角形のうちのいずれかである請求項９記載の磁気センサ。
11. 前記第１電極に埋め込まれた第５磁性層を有し、前記第５磁性層は、前記第１電極の前記第２電極に対向する第３面から前記第３面に対向する第４面に向かう方向に、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における幅が増大する部分を含む請求項９または１０記載の磁気センサ。
12. 前記第１電極に対して前記磁気抵抗膜と反対側に設けられた第１磁気ヨークと、
    前記第２電極に対して前記磁気抵抗膜と反対側に設けられた第２磁気ヨークと、
    を更に備えて請求項１乃至１１のいずれかに記載の磁気センサ。
13. 第１領域を有する第１電極と、
    前記第１領域と重なる第２領域と、前記第２領域と異なる第３領域と、を有する第２電極と、
    前記第３領域と重なる第４領域とを有する第３電極と、
    前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１電極に接続された第１端子と、前記第２電極に接続された第２端子とを有する第１磁気抵抗膜と、
    前記第３領域と前記第４領域との間に設けられ、前記第２電極に接続された第３端子と、前記第３電極に接続された第４端子とを有する第２磁気抵抗膜と、
    を備え、
    前記第１および第２磁気抵抗膜はそれぞれ、積層された複数の磁性層と、隣接する磁性層間に設けられた非磁性層と、を有する積層構造を含み、前記複数の磁性層のうち、外部磁界によって磁化方向が変化する磁性層の合計の厚さをｔ、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における前記磁性層の幅をｓとすると、
    ｔ＞ｓ
    の関係を満たす磁気センサ。
14. 第１領域を有する第１電極と、
    前記第１領域と重なる第２領域と、前記第２領域と異なる第３領域と、を有する第２電極と、
    前記第３領域と重なる第４領域とを有する第３電極と、
    前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１電極に接続された第１端子と、前記第２電極に接続された第２端子とを有する第１磁気抵抗膜と、
    前記第３領域と前記第４領域との間に設けられ、前記第２電極に接続された第３端子と、前記第３電極に接続された第４端子とを有する第２磁気抵抗膜と、
    を備え、
    前記第１および第２磁気抵抗膜はそれぞれ、膜面垂直方向に磁化が固定された第１磁性層と、外部磁界を検知して磁化が回転する第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性層と、を有する積層構造を含み、前記第２磁性層の厚さをｔ、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における前記第１磁性層の幅をｓとすると、
    ｔ＞ｓ
    の関係を満たす磁気センサ。
15. 第１領域を有する第１電極と、
    前記第１領域と重なる第２領域と、前記第２領域と異なる第３領域と、を有する第２電極と、
    前記第３領域と重なる第４領域とを有する第３電極と、
    前記第１領域と前記第２領域との間に設けられ、前記第１電極に接続された第１端子と、前記第２電極に接続された第２端子とを有する第１磁気抵抗膜と、
    前記第３領域と前記第４領域との間に設けられ、前記第２電極に接続された第３端子と、前記第３電極に接続された第４端子とを有する第２磁気抵抗膜と、
    を備え、
    前記第２磁性層は、第３磁性層と、前記第３磁性層よりも厚さが薄く幅が狭い第４磁性層との積層膜であり、
    前記第２磁性層の厚さをｔ、前記積層構造の積層方向に垂直な断面における前記第４磁性層の幅をｓとすると、
    ｔ＞ｓ
    の関係を満たす磁気センサ。
16. 請求項１乃至１５のいずれかに記載の磁気センサと、
    前記磁気センサに交流のセンス電流を流す第１電流源と、
    前記磁気センサから出力された信号からノイズを除去するノイズ除去回路と、
    を備えている磁気センサ装置。
17. 前記磁気センサにＤＣ電流を流すＤＣ電流源を更に備えた請求項１６記載の磁気センサ装置。

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