JP2017083173A - Magnetometric sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微弱な磁場を感知することに適した磁気センサーに関する。 The present invention relates to a magnetic sensor suitable for sensing a weak magnetic field.
特許文献1にも記載されるように、常温で使用可能で、小型軽薄化、高密度化等が可能なセンサーデバイスとして、トンネル磁気抵抗素子(TMR(Tunnel Magneto Resistive)素子)を生体磁気の計測に適用することが提案されている。
トンネル磁気抵抗素子は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、強磁性金属磁化固定層と強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させる。
特許文献1に記載の発明は、このようなトンネル磁気抵抗素子を含む生体磁気センサーにおいて、高感度化を図るために、検出磁場ゼロでの強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあることを特徴とする。
As described in Patent Document 1, a tunnel magnetoresistive element (TMR (Tunnel Magneto Resistive) element) is used as a sensor device that can be used at room temperature and can be reduced in size, weight, thickness, and density. It has been proposed to apply to.
The tunnel magnetoresistive element includes a ferromagnetic metal magnetization fixed layer whose magnetization direction is fixed, a ferromagnetic metal magnetization free layer whose magnetization direction changes under the influence of an external magnetic field, and a ferromagnetic metal magnetization fixed layer And an insulating layer disposed between the ferromagnetic metal magnetization free layer and insulating by a tunnel effect according to the angular difference between the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization fixed layer and the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer Change the resistance of the layer.
In the biomagnetic sensor including such a tunneling magnetoresistive element, the invention described in Patent Document 1 has an easy magnetization axis of a ferromagnetic metal magnetization free layer with a detection magnetic field of zero in order to achieve high sensitivity. It is characterized by being in a twisted position with respect to the easy magnetization axis of the metal magnetization fixed layer.
TMR素子を、磁場の強弱を精度よく計測する磁気センサーとして使用していくためには検出磁場ゼロの状態(中立位置)からプラス磁場、マイナス磁場の変化に応じて上下に比例的に抵抗変化を起こすことが求められる。
特許文献1に記載の発明によれば、検出磁場ゼロでの自由層の容易磁化軸が、固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあるため、検出磁場ゼロの状態からプラス磁場、マイナス磁場の変化に応じて上下に比例的に抵抗変化を起こすことができる。
この場合、TMR素子は、図9に示すように検出磁場ゼロの状態での自由層104の磁化の方向Y1に対して直交方向Y2の磁場の強弱に応じた抵抗変化を示し、この困難磁化軸方向Y2の磁場を検出するように用いられる。
このようにTMR素子をその自由層の困難磁化軸方向の磁場を検出するように用いる場合、その感度は、TMR素子の抵抗変化率/2Hkとして表すことができる。ここで、2Hkは、自由層の磁化の向きを困難磁化軸方向に反転させるのに必要な磁場に相当する。
したがって、2Hkを小さくすること、TMR素子の抵抗変化率を大きくすることで感度を上げることが考えられた。
しかしながら、TMR素子によりその自由層の困難磁化軸方向Y2の磁場を検出する場合、磁化の方向Y1が容易磁化軸方向に向いている状態(図9のG3)及びその前後での磁場に対する抵抗変化は、直線的な変化特性を示すものの、磁化の方向Y1が困難磁化軸方向に向いている状態(図9のG2又はG4)の付近では非線形な変化を示し、信頼性のある磁場の測定には適さないという問題がある。
また、TMR素子によりその自由層の容易磁化軸の磁場を検出しようとする場合は、検出磁場ゼロでの抵抗値は抵抗の上限値か下限値に安定しており、検出磁場ゼロからの磁場の変化を測定することはできないと考えられた(図8のG1参照)。
In order to use the TMR element as a magnetic sensor that accurately measures the strength of the magnetic field, the resistance changes proportionally up and down according to changes in the positive magnetic field and the negative magnetic field from the zero detection magnetic field (neutral position). It is required to wake up.
According to the invention described in Patent Document 1, the easy magnetization axis of the free layer at zero detection magnetic field is in a twisted position with respect to the easy magnetization axis of the fixed layer. In accordance with the change of the magnetic field, the resistance can be changed proportionally up and down.
In this case, as shown in FIG. 9, the TMR element exhibits a resistance change according to the strength of the magnetic field in the direction Y2 orthogonal to the direction Y1 of the magnetization of the
When the TMR element is used to detect a magnetic field in the direction of the hard magnetization axis of the free layer as described above, the sensitivity can be expressed as a resistance change rate of the TMR element / 2Hk. Here, 2Hk corresponds to a magnetic field necessary for reversing the magnetization direction of the free layer in the difficult magnetization axis direction.
Therefore, it has been considered to increase the sensitivity by reducing 2Hk and increasing the resistance change rate of the TMR element.
However, when the magnetic field in the hard magnetization axis direction Y2 of the free layer is detected by the TMR element, the state in which the magnetization direction Y1 is oriented in the easy magnetization axis direction (G3 in FIG. 9) and the resistance change with respect to the magnetic field before and after that Shows a linear change characteristic, but shows a non-linear change in the vicinity of the state (G2 or G4 in FIG. 9) in which the magnetization direction Y1 is oriented in the direction of the difficult magnetization axis, which is a reliable magnetic field measurement. There is a problem that is not suitable.
When the magnetic field of the easy magnetization axis of the free layer is detected by the TMR element, the resistance value at the detection magnetic field zero is stable at the upper limit value or the lower limit value of the resistance, and the magnetic field from the detection magnetic field zero is It was thought that the change could not be measured (see G1 in FIG. 8).
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、トンネル磁気抵抗素子を利用した磁気センサーにおいて、高感度化を達成し、微弱な磁気変化を高精度に計測することができる磁気センサーを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and in a magnetic sensor using a tunnel magnetoresistive element, it is possible to achieve high sensitivity and to measure a weak magnetic change with high accuracy. An object is to provide a magnetic sensor.
以上の課題を解決するための請求項1記載の発明は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサーにおいて、
前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きに変化を与える磁場発生源を制御して、前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸から回転させて、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対して所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させるフィードバック回路を備え、
変動する検出磁気信号を、前記フィードバック回路から出力することを特徴とする磁気センサーである。
ここで、「ねじれの位置」とは、空間内の2直線が平行でなく、かつ、交わっていない位置関係、すなわち、同一平面に存在できない2直線の位置関係をいう。ねじれの位置にある2直線に直交する直線を「ねじれの軸」といい、ねじれの軸まわりの一方の直線に対する他方の直線の相対角を「ねじれの角」という。
The invention described in claim 1 for solving the above-described problems is a ferromagnetic metal magnetization fixed layer in which the magnetization direction is fixed, and the ferromagnetic metal magnetization free in which the magnetization direction changes under the influence of an external magnetic field. And an insulating layer disposed between the ferromagnetic metal magnetization fixed layer and the ferromagnetic metal magnetization free layer, the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization fixed layer and the ferromagnetic metal magnetization free In a magnetic sensor including a tunnel magnetoresistive element that changes a resistance of the insulating layer by a tunnel effect according to an angle difference with a magnetization direction of the layer,
By controlling a magnetic field generation source that changes the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer, the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer is rotated from the easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization free layer. A feedback circuit that stabilizes the ferromagnetic metal magnetization fixed layer at a twist position having a predetermined twist angle with respect to the easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization fixed layer,
The magnetic sensor is characterized in that a fluctuating detected magnetic signal is output from the feedback circuit.
Here, the “twisted position” refers to a positional relationship in which two straight lines in the space are not parallel and do not intersect, that is, a positional relationship between two straight lines that cannot exist on the same plane. A straight line perpendicular to the two straight lines at the position of twist is called “twist axis”, and the relative angle of the other straight line to one straight line around the twist axis is called “twist angle”.
請求項2記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域外での外乱によって前記ねじれ角が影響を受けないように安定化させ、
前記検出磁気信号の変動周波数域での前記ねじれ角の変動に応じた信号を、前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサーである。
The invention according to
2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein a signal corresponding to a variation in the twist angle in a variation frequency range of the detected magnetic signal is output as the detected magnetic signal.
請求項3記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によって前記ねじれ角が影響を受けないように安定化させ、
前記磁場発生源を制御する制御信号から前記検出磁気信号の変動周波数域にある信号を抽出して前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサーである。
According to a third aspect of the present invention, the feedback circuit is stabilized so that the torsion angle is not affected by disturbance including a fluctuation frequency range of the detected magnetic signal,
2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein a signal in a fluctuation frequency range of the detected magnetic signal is extracted from a control signal for controlling the magnetic field generation source and output as the detected magnetic signal.
請求項4記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸が前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対し平行の関係にあることを特徴とする請求項1から請求項3のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。
The invention according to
請求項5記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記強磁性金属磁化自由層の困難磁化軸の方向に前記磁場発生源からの磁場を作用させて前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを前記所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させることを特徴とする請求項4に記載の磁気センサーである。
According to a fifth aspect of the present invention, the feedback circuit applies a magnetic field from the magnetic field generation source in the direction of the hard magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization free layer to change the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer. The magnetic sensor according to
請求項6記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸の方向に前記磁場発生源からの磁場を作用させて前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを前記所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させることを特徴とする請求項4に記載の磁気センサーである。
According to a sixth aspect of the present invention, the feedback circuit applies a magnetic field from the magnetic field generation source in the direction of the easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization free layer to change the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer. The magnetic sensor according to
請求項7記載の発明は、前記所定のねじれ角を、45度から135度の間とすることを特徴とする請求項1から請求項6のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。 The invention according to claim 7 is the magnetic sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the predetermined twist angle is between 45 degrees and 135 degrees.
請求項8記載の発明は、前記絶縁層がMgOからなることを特徴とするより請求項1から請求項7のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。 The invention according to claim 8 is the magnetic sensor according to any one of claims 1 to 7, wherein the insulating layer is made of MgO.
本発明によれば、自由層の磁化の向きに変化を与える磁場発生源を制御して、自由層の磁化の向きを、自由層の容易磁化軸から回転させて、固定層の容易磁化軸に対して所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させることで、磁気を検出するための中立位置(計測上のゼロ点)にし、磁気信号に変動があれば、これをフィードバック回路のループからはじき出すか、フィードバック回路の磁場発生源を制御する制御信号から抽出して、検出磁気信号を出力することができる。
磁気を検出するための中立位置で、自由層の磁化の向きと固定層の容易磁化軸とが所定のねじれ角を有するので、トンネル磁気抵抗素子の磁場に対する抵抗変化が直線的な変化特性を示す領域で磁気を計測でき、高感度化が達成され、微弱な磁気変化を高精度に計測することができる。
特に、自由層の容易磁化軸の方向に磁場発生源からの磁場を作用させて自由層の磁化の向きを所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させて中立位置にする場合には、トンネル磁気抵抗素子の磁場に対する抵抗変化が顕著となり、顕著に高感度化することができる。
According to the present invention, the magnetic field generation source that changes the magnetization direction of the free layer is controlled, and the magnetization direction of the free layer is rotated from the easy magnetization axis of the free layer so as to be the easy magnetization axis of the fixed layer. On the other hand, by stabilizing the position of the torsion having a predetermined torsion angle, a neutral position for detecting magnetism (zero point in measurement) is set, and if there is a fluctuation in the magnetic signal, this is looped in the feedback circuit. The detection magnetic signal can be output by extracting from a control signal for controlling the magnetic field generation source of the feedback circuit.
At the neutral position for detecting magnetism, the direction of magnetization of the free layer and the easy magnetization axis of the fixed layer have a predetermined twist angle, so that the resistance change of the tunnel magnetoresistive element with respect to the magnetic field shows a linear change characteristic Magnetism can be measured in the region, high sensitivity is achieved, and weak magnetic changes can be measured with high accuracy.
In particular, when a magnetic field from a magnetic field generation source is applied in the direction of the easy magnetization axis of the free layer to stabilize the magnetization direction of the free layer at a twisted position having a predetermined twist angle and to be in a neutral position. The resistance change with respect to the magnetic field of the tunnel magnetoresistive element becomes remarkable, and the sensitivity can be remarkably increased.
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The following is one embodiment of the present invention and does not limit the present invention.
まず、図1に2つのTMR素子が構成されたTMRモジュール1の積層構造の例を示す。図1に示すようにTMRモジュール1は、シリコン基板2上に、下地層3、強磁性金属磁化自由層4、絶縁層5、強磁性金属磁化固定層6、ピンド層7、バッファー層8、上部電極層9が順次積層された積層構造を有する。強磁性金属磁化自由層4は軟磁性層41、バリア層42、強磁性層43からなる。強磁性金属磁化固定層6は、強磁性層61、バリア層62、強磁性層63からなる。
First, FIG. 1 shows an example of a laminated structure of a TMR module 1 in which two TMR elements are configured. As shown in FIG. 1, the TMR module 1 includes a
図1に示すように強磁性金属磁化固定層6、ピンド層7、バッファー層8及び上部電極層は、互いに独立した2つの上部積層体11,12を構成する。一方の上部積層体11に構成された強磁性金属磁化固定層6と、その下の絶縁層5と強磁性金属磁化自由層4とで、1つのTMR素子が構成される。同様に他方の上部積層体12に構成された強磁性金属磁化固定層6と、その下の絶縁層5と強磁性金属磁化自由層4とで、1つのTMR素子が構成される。
印加電圧の陽極側及び陰極側のうち一方を、上部積層体11に構成された上部電極層9に接続し、他方を上部積層体12に構成された上部電極層9に接続することで、以上の2つのTMR素子を直列にして利用する。
さらに複数のTMRモジュール1を直列に接続することで、4つ以上のTMR素子を直列にして使用することができる。
但し、以上のTMRモジュール1の構造は一例であって、強磁性金属磁化自由層4の下地に下部電極層を設けることで、最少単位として1つのTMR素子から適用できる。
As shown in FIG. 1, the ferromagnetic metal magnetization fixed
By connecting one of the anode side and the cathode side of the applied voltage to the upper electrode layer 9 configured in the upper laminate 11 and connecting the other to the upper electrode layer 9 configured in the
Further, by connecting a plurality of TMR modules 1 in series, four or more TMR elements can be used in series.
However, the structure of the TMR module 1 described above is merely an example, and by providing the lower electrode layer on the base of the ferromagnetic metal magnetization
絶縁層5は、強磁性金属磁化固定層6と強磁性金属磁化自由層4との間に配置される。絶縁層5としては、各種の絶縁材料を用いることができ、例えば、MgO、AlOx等が使用できる。素子の感度を向上させるという観点からはMgOが好ましく、特に、生体磁気信号のような微弱磁場をTMR素子で検出するためには、絶縁層5としてMgO膜を用いることが好ましい。絶縁層5の層厚は、1nm〜10nm程度にすることが望ましい。
The insulating layer 5 is disposed between the ferromagnetic metal magnetization fixed
以上のようなTMRモジュール1を用いて、図2又は図3に示すようにブリッジを構成し、フィードバック回路を備えた磁気センター10A又は10Bを構成する。
図2及び図3に示すように、基準電圧V1が印加される電極間に、定抵抗R1及び定抵抗R2が直列に、定抵抗R3及びTMRモジュール1が直列にそれぞれ接続される。
定抵抗R1と定抵抗R2の間の電極、及び定抵抗R3とTMRモジュール1の間の電極が計装増幅器a1に取り出され、計装増幅器a1がそれらの電極間の電位差を検出し、電圧増幅器a2に出力する。
Using the TMR module 1 as described above, a bridge is configured as shown in FIG. 2 or FIG. 3, and a
As shown in FIGS. 2 and 3, the constant resistance R1 and the constant resistance R2 are connected in series, and the constant resistance R3 and the TMR module 1 are connected in series between the electrodes to which the reference voltage V1 is applied.
An electrode between the constant resistance R1 and the constant resistance R2 and an electrode between the constant resistance R3 and the TMR module 1 are taken out by the instrumentation amplifier a1, and the instrumentation amplifier a1 detects a potential difference between these electrodes, and a voltage amplifier Output to a2.
図2に示す磁気センター10Aにあっては、さらに次の構成を有する。
電圧増幅器a2の出力信号は、ローパスフィルターa3及びバッファー回路a7に出力される。ローパスフィルターa3の出力信号は比較器a4で基準値と比較され、基準値との比較結果に応じた制御信号が電力増幅部a5に出力される。
電力増幅部a5が制御信号に基づき、磁場発生コイルa6に電流を流すための電力を生成し、磁場発生コイルa6によってTMRモジュール1に磁場を与える。
The
The output signal of the voltage amplifier a2 is output to the low pass filter a3 and the buffer circuit a7. The output signal of the low-pass filter a3 is compared with the reference value by the comparator a4, and a control signal corresponding to the comparison result with the reference value is output to the power amplifier a5.
Based on the control signal, the power amplifying unit a5 generates electric power for causing a current to flow through the magnetic field generating coil a6, and applies a magnetic field to the TMR module 1 by the magnetic field generating coil a6.
図3に示す磁気センター10Bにあっては、さらに次の構成を有する。
電圧増幅器a2の出力信号は、比較器a4で基準値と比較され、基準値との比較結果に応じた制御信号が電力増幅部a5に出力される。
電力増幅部a5が制御信号に基づき、磁場発生コイルa6に電流を流すための電力を生成し、磁場発生コイルa6によってTMRモジュール1に磁場を与える。
なお、磁場発生コイルa6は、強磁性金属磁化自由層4の磁化の向きに変化を与える磁場発生源である。
The
The output signal of the voltage amplifier a2 is compared with a reference value by the comparator a4, and a control signal corresponding to the comparison result with the reference value is output to the power amplifier a5.
Based on the control signal, the power amplifying unit a5 generates electric power for causing a current to flow through the magnetic field generating coil a6, and applies a magnetic field to the TMR module 1 by the magnetic field generating coil a6.
The magnetic field generating coil a6 is a magnetic field generating source that changes the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization
次に、図4、図5を参照して、磁気を検出するための中立位置の磁化の向きと、上記の基準値との関係を説明する。
図4に自由層4と固定層6を模式的に示す。自由層4と固定層6との間の絶縁層の図示を省略する。
図4に示すように固定層6においては、容易磁化軸c1方向に磁化の向きc2が一致しており、磁化の向きc2は固定されている。この容易磁化軸c1に対し自由層4の容易磁化軸c4が平行であるTMR素子を適用する。
自由層4においては、制御磁場c3の付与前の磁化の向きc5は容易磁化軸c4方向に一致しているが、容易磁化軸c4に略直交した制御磁場c3の付与によって容易磁化軸c4から回転させ、磁化の向きc6は容易磁化軸c4に略直交した方向に向いている。このねじれの位置を、磁気を検出するための中立位置とする。制御磁場c3は、上述した磁場発生コイルa6によって発生した磁場であって、基準値との比較器a4を含めたフィードバック回路によって制御されたものである。
Next, with reference to FIGS. 4 and 5, the relationship between the magnetization direction at the neutral position for detecting magnetism and the reference value will be described.
FIG. 4 schematically shows the
As shown in FIG. 4, in the fixed
In the
なお、磁場発生コイルa6は、図4、図5及び図6(a)においては符号a61で示す。磁場発生源の形態としては、図6(a)に示す同軸配置されたコイルa61,a61で自由層4を挟んだ構成、図6(b)に示す逆方向電流が流される平行導線a62,a62で自由層4を挟んだ構成、図6(c)に示すコイルa63で自由層4を囲んだ構成を挙げることができる。それぞれ磁力線を矢印付線で示す。
The magnetic field generating coil a6 is denoted by reference numeral a61 in FIGS. 4, 5, and 6A. As a form of the magnetic field generation source, a configuration in which the
以上のような中立位置を形成するために基準値を設定する。すなわち、この中立位置にある状態で比較器a4に入力される信号と基準値との差がゼロとなるように、基準値を設定する。比較器a4に入力される信号と基準値とに差が生じれば、差がゼロに収束するように、すなわち、自由層4の磁化の向きc6が中立位置に安定するようにフィードバック制御する。
図4において中立位置にある磁化の向きc6に直交する方向(c7)が、検出磁場の方向となる。すなわち、本磁気センサー10A,10Bは、検出軸c7の方向の磁場の強弱を検出する。図4からわかるように、この構成では、容易磁化軸c4と平行な方向の外部磁場の変動を検出することとなる。
以上のように図4に示す構成では、本磁気センサー10A,10Bのフィードバック回路は、自由層4の困難磁化軸の方向に磁場発生コイルa61からの磁場c3を作用させて自由層4の磁化の向きc6を所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させる。
説明の明確化のために、以上の図4に示した中立位置を、「困難磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」と呼ぶ。
A reference value is set to form the neutral position as described above. That is, the reference value is set so that the difference between the signal input to the comparator a4 and the reference value becomes zero in the neutral position. If a difference occurs between the signal input to the comparator a4 and the reference value, feedback control is performed so that the difference converges to zero, that is, the magnetization direction c6 of the
In FIG. 4, the direction (c7) perpendicular to the magnetization direction c6 at the neutral position is the direction of the detected magnetic field. That is, the
As described above, in the configuration shown in FIG. 4, the feedback circuit of the magnetic sensors 10 </ b> A and 10 </ b> B applies the magnetic field c <b> 3 from the magnetic field generating coil a <b> 61 in the direction of the hard magnetization axis of the
For clarity of explanation, the neutral position shown in FIG. 4 is referred to as “neutral position forced by a control magnetic field in the direction of the hard magnetization axis”.
図4に示す構成と異なり、本磁気センサー10A,10Bのフィードバック回路が、自由層4の容易磁化軸c4の方向に磁場発生コイルa61からの磁場c3を作用させて自由層4の磁化の向きc6を所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させる構成は、図5に示す通りである。
すなわち、図4では、容易磁化軸c1、c4が制御磁場c3に直交しているが、図5では、容易磁化軸c1、c4が制御磁場c3の方向と一致するように配置する。
説明の明確化のために、以上の図5に示した中立位置を、「容易磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」と呼ぶ。
Unlike the configuration shown in FIG. 4, the feedback circuits of the magnetic sensors 10 </ b> A and 10 </ b> B cause the magnetic field c <b> 3 from the magnetic field generating coil a <b> 61 to act in the direction of the easy magnetization axis c <b> 4 of the
That is, in FIG. 4, the easy magnetization axes c1 and c4 are orthogonal to the control magnetic field c3, but in FIG. 5, the easy magnetization axes c1 and c4 are arranged so as to coincide with the direction of the control magnetic field c3.
For clarity of explanation, the neutral position shown in FIG. 5 is referred to as a “neutral position forced by a control magnetic field in the direction of the easy magnetization axis”.
上記の「困難磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態(図4)は、図7に示すTMR素子のH−R特性曲線G1上の点(H0,R0)にある状態に相当する。H0は磁場発生コイルa61よって発生した磁場である。
検出対象となる外部磁場が検出軸c7(図4)について変動すると、図7のG3において円弧矢印d1、d2で示すように自由層4の磁化の向きc6が振れる。円弧矢印d1方向に自由層4の磁化の向きc6が振れることは、図7に示すTMR素子のH−R特性曲線G1上で、直線矢印d1で示すように点(H0,R0)からスロープを上がることに相当し、大きく振れれば挿入図G3に示す状態から挿入図G4に示す状態に近づくことに相当する。反対に、円弧矢印d2方向に自由層4の磁化の向きc6が振れることは、図7に示すTMR素子のH−R特性曲線G1上で、直線矢印d2で示すように点(H0,R0)からスロープを下ることに相当し、大きく振れれば挿入図G3に示す状態から挿入図G2に示す状態に近づくことに相当する。
The state (FIG. 4) in the “neutral position forced by the control magnetic field in the direction of the difficult magnetization axis” is a point (H 0 , R 0 ) on the HR characteristic curve G1 of the TMR element shown in FIG. It corresponds to a certain state. H 0 is a magnetic field generated by the magnetic field generating coil a61.
When the external magnetic field to be detected fluctuates about the detection axis c7 (FIG. 4), the magnetization direction c6 of the
上記の「容易磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態(図5)は、図8に示すTMR素子のH−R特性曲線G1上の点(H0,R0)にある状態に相当する。H0は磁場発生コイルa61よって発生した磁場である。
検出対象となる外部磁場が検出軸c7(図5)について変動すると、図8のG3において円弧矢印d1、d2で示すように自由層4の磁化の向きc6が振れる。円弧矢印d1方向に自由層4の磁化の向きc6が振れることは、図8に示すTMR素子のH−R特性曲線G1上で、直線矢印d1で示すように点(H0,R0)からスロープを上がることに相当し、大きく振れれば挿入図G3に示す状態から挿入図G4に示す状態に近づくことに相当する。反対に、円弧矢印d2方向に自由層4の磁化の向きc6が振れることは、図8に示すTMR素子のH−R特性曲線G1上で、直線矢印d2で示すように点(H0,R0)からスロープを下ることに相当し、大きく振れれば挿入図G3に示す状態から挿入図G2に示す状態に近づくことに相当する。
The state (FIG. 5) in the “neutral position forced by the control magnetic field in the direction of the easy magnetization axis” is the point (H 0 , R 0 ) on the HR characteristic curve G1 of the TMR element shown in FIG. It corresponds to a certain state. H 0 is a magnetic field generated by the magnetic field generating coil a61.
When the external magnetic field to be detected fluctuates about the detection axis c7 (FIG. 5), the magnetization direction c6 of the
なお、図7及び図8で、縦軸RはTMR素子の抵抗を、横軸HはTMR素子に作用する外部磁場を示す。挿入図G2では磁化の向きC2,C6が平行状態、挿入図G4では磁化の向きC2,C6が反平行状態、挿入図G3では磁化の向きC2,C6が中立位置までねじれた状態を示す。磁化の向きC2,C6が平行状態では抵抗Rは下限Rbとなり、磁化の向きC2,C6が反平行状態では抵抗Rは上限Raとなる。 7 and 8, the vertical axis R represents the resistance of the TMR element, and the horizontal axis H represents the external magnetic field acting on the TMR element. Inset G2 shows magnetization directions C2 and C6 in a parallel state, inset G4 shows magnetization directions C2 and C6 in an antiparallel state, and inset G3 shows a state in which magnetization directions C2 and C6 are twisted to a neutral position. The resistance R is the lower limit Rb when the magnetization directions C2 and C6 are parallel, and the resistance R is the upper limit Ra when the magnetization directions C2 and C6 are antiparallel.
以上説明したTMR素子のH−R特性を利用して本磁気センサー10A、10Bは、脳磁気などの生体磁気信号や、非破壊検査装置において検査対象物に印加され当該検査対象物から漏れてくる所定周波のパルス波形などを形成する磁気信号を測定することができる。
一方、温度変化等の外乱により緩やかに変化する磁場変動についてはこれを検出しないように除去する。
測定対象とする頭蓋などの生体外面や、配管、壁などの非破壊検査装置における検査対象物の外面に、本磁気センサー10A、10Bを多数配置して、各センサーの検出値をマッピングできるように測定システムを構成して実施する。
Using the HR characteristics of the TMR element described above, the
On the other hand, magnetic field fluctuations that gradually change due to disturbances such as temperature changes are removed so as not to be detected.
A large number of
図2に示した磁気センサー10Aにあっては、温度変化等の外乱により緩やかに変化する磁場変動については、点(H0,R0)で示す中立位置から矢印d1,d2に示すように磁化の向きC2とC6とのねじれ角、従ってTMR素子抵抗が変化しようとしても、ローパスフィルターa3を通過する信号となるので、上述したフィードバック制御により、点(H0,R0)で示す中立位置に安定化させる。
ローパスフィルターa3を通過しない比較的高周波の磁気変動については、磁場発生コイルa6までフィードバクされないので、磁化の向きC2とC6とのねじれ角、従ってTMR素子抵抗の変化を許し、その変化に応じた信号が計装増幅器a1、電圧増幅器a2、バッファー回路a7を介して、検出磁気信号として出力される。
ローパスフィルターa3のカットオフ周波数の設定により、温度変化等の外乱を除外し測定対象とする磁気信号を検出することができる。
以上のように、磁気センサー10Aのフィードバック回路は、検出磁気信号の変動周波数域外での外乱によって磁化の向きC2とC6とのねじれ角が影響を受けないように安定化させる。そして、磁気センサー10Aは、検出磁気信号の変動周波数域での当該ねじれ角の変動に応じた信号を、検出磁気信号として出力する。
In the
The relatively high-frequency magnetic fluctuations that do not pass through the low-pass filter a3 are not fed back to the magnetic field generating coil a6. Therefore, the change in the twist angle between the magnetization directions C2 and C6, and thus the TMR element resistance, is allowed. The signal is output as a detected magnetic signal via the instrumentation amplifier a1, the voltage amplifier a2, and the buffer circuit a7.
By setting the cut-off frequency of the low-pass filter a3, it is possible to detect a magnetic signal to be measured by removing disturbances such as temperature changes.
As described above, the feedback circuit of the
図3に示した磁気センサー10Bにあっては、TMRモジュール1から比較器a4までの間にフィルターを設けていないので、検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によって磁化の向きC2とC6とのねじれ角が影響を受けないように上述したフィードバック制御により、点(H0,R0)で示す中立位置に安定化する。
さらに磁気センサー10Bは、磁場発生コイルa6を制御する制御信号から比較的高周波の信号成分をハイパスフィルターb1で通過させ、バッファー回路b2を介して検出磁気信号として出力する。
ハイパスフィルターb1のカットオフ周波数の設定により、温度変化等の外乱による信号成分を除外し測定対象とする磁気信号を検出することができる。
以上のように、磁気センサー10Bのフィードバック回路は、検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によって磁化の向きC2とC6とのねじれ角が影響を受けないように安定化させる。そして、磁気センサー10Bは、磁場発生源を制御する制御信号から検出磁気信号の変動周波数域にある信号を抽出して検出磁気信号として出力する。
In the
Further, the
By setting the cut-off frequency of the high-pass filter b1, it is possible to detect a magnetic signal to be measured by excluding a signal component due to a disturbance such as a temperature change.
As described above, the feedback circuit of the
以上説明したように本実施形態の磁気センサーによれば、図7又は図8に示したTMR素子のH−R特性のうち、点(H0,R0)を含んだ直線的な変化特性を示す領域を利用して磁気を計測でき、高感度化が達成され、微弱な磁気変化を高精度に計測することができる。直線的な変化特性を示す領域を利用するために、上記の中立位置における自由層の磁化の向きの固定層の容易磁化軸に対する所定のねじれ角を、45度から135度の間とすることが好ましい。より好ましくは、60度から120度である。
特に、図5に示すように自由層4の容易磁化軸c4の方向に磁場発生源からの磁場を作用させて自由層4の磁化の向きを所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させて中立位置にする場合には、図8に示すようにTMR素子の磁場に対する抵抗変化が顕著となり、顕著に高感度化することができる。すなわち、図8に示すようなヒステリシスの高いH−R特性においては自由層の磁化の向きの変化、従って抵抗変化は非常に急激であり、制御磁場H0を与えることにより、検出磁場ゼロ(計測上のゼロ点)を図8のG3に示すねじり状態であって図8のG1に示す急勾配上の点(H0,R0)に持っていくことができ、極微小な検出磁場の変化に伴ってより急峻に磁化反転、従って抵抗を変化させることができるから、顕著に高感度化することができる。
なお、図9に示したH−R特性を利用した測定や、図7に示した点(H0,R0)及びその付近のH−R特性を利用した測定は、磁場のダイナミックレンジを要するような非破壊検査などに、図8に示した点(H0,R0)及びその付近のH−R特性を利用した測定は、脳磁場のような超微弱磁場の検出に向いている。
As described above, according to the magnetic sensor of the present embodiment, the linear change characteristic including the point (H 0 , R 0 ) among the HR characteristics of the TMR element shown in FIG. 7 or FIG. The magnetism can be measured using the region shown, high sensitivity is achieved, and a weak magnetic change can be measured with high accuracy. In order to use a region exhibiting a linear change characteristic, the predetermined twist angle with respect to the easy magnetization axis of the fixed layer in the magnetization direction of the free layer at the neutral position may be between 45 degrees and 135 degrees. preferable. More preferably, it is 60 to 120 degrees.
In particular, as shown in FIG. 5, a magnetic field from a magnetic field generation source is applied in the direction of the easy magnetization axis c4 of the
Note that the measurement using the HR characteristic shown in FIG. 9 and the measurement using the HR characteristic in the vicinity of the point (H 0 , R 0 ) shown in FIG. 7 require a dynamic range of the magnetic field. For such a non-destructive inspection, measurement using the point (H 0 , R 0 ) and the HR characteristics in the vicinity thereof shown in FIG. 8 is suitable for detection of an extremely weak magnetic field such as a brain magnetic field.
図2に示した磁気センサー10Aを、図4に示した「困難磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態を形成するように構成して図7に示した点(H0,R0)及びその付近のH−R特性を利用して測定するようにしてもよいし、図5に示した「容易磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態を形成するように構成して図8に示した点(H0,R0)及びその付近のH−R特性を利用して測定するようにしてもよい。
また、図3に示した磁気センサー10Bを、図4に示した「困難磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態を形成するように構成して図7に示した点(H0,R0)及びその付近のH−R特性を利用して測定するようにしてもよいし、図5に示した「容易磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態を形成するように構成して図8に示した点(H0,R0)及びその付近のH−R特性を利用して測定するようにしてもよい。
The
Further, the
1 TMRモジュール
2 シリコン基板
3 下地層
4 強磁性金属磁化自由層
5 絶縁層
6 強磁性金属磁化固定層
7 ピンド層
8 バッファー層
9 上部電極層
10A 磁気センター
10B 磁気センター
41 軟磁性層
42 バリア層
43 強磁性層
61 強磁性層
62 バリア層
63 強磁性層
a6 磁場発生コイル
c1 容易磁化軸
c3 制御磁場
c4 容易磁化軸
c7 検出軸
R1 定抵抗
R2 定抵抗
R3 定抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (8)
前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きに変化を与える磁場発生源を制御して、前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸から回転させて、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対して所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させるフィードバック回路を備え、
変動する検出磁気信号を、前記フィードバック回路から出力することを特徴とする磁気センサー。 Ferromagnetic metal magnetization fixed layer with fixed magnetization direction, ferromagnetic metal magnetization free layer whose magnetization direction changes under the influence of an external magnetic field, and the ferromagnetic metal magnetization fixed layer and the ferromagnetic metal An insulating layer disposed between the magnetization free layer and the tunneling effect according to an angular difference between a magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization fixed layer and a magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer; In a magnetic sensor including a tunnel magnetoresistive element that changes the resistance of
By controlling a magnetic field generation source that changes the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer, the magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer is rotated from the easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization free layer. A feedback circuit that stabilizes the ferromagnetic metal magnetization fixed layer at a twist position having a predetermined twist angle with respect to the easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization fixed layer,
A magnetic sensor, wherein a fluctuating detected magnetic signal is output from the feedback circuit.
前記検出磁気信号の変動周波数域での前記ねじれ角の変動に応じた信号を、前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサー。 The feedback circuit is stabilized so that the twist angle is not affected by disturbance outside the fluctuation frequency range of the detected magnetic signal,
The magnetic sensor according to claim 1, wherein a signal corresponding to a change in the torsion angle in a change frequency range of the detection magnetic signal is output as the detection magnetic signal.
前記磁場発生源を制御する制御信号から前記検出磁気信号の変動周波数域にある信号を抽出して前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項1に記載の磁気センサー。 The feedback circuit is stabilized so that the twist angle is not affected by disturbance including a fluctuation frequency range of the detected magnetic signal,
The magnetic sensor according to claim 1, wherein a signal in a fluctuation frequency range of the detected magnetic signal is extracted from a control signal for controlling the magnetic field generation source and output as the detected magnetic signal.
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Families Citing this family (2)
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---|---|---|---|---|
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2019132719A (en) * | 2018-01-31 | 2019-08-08 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | Magnetic detector |
JP2020008568A (en) * | 2018-07-02 | 2020-01-16 | 旭化成エレクトロニクス株式会社 | Magnetic field measuring device, magnetic field measuring method, and magnetic field measuring program |
US10983179B2 (en) | 2018-07-02 | 2021-04-20 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | Magnetic field measuring device, magnetic field measurement method, and recording medium having recorded thereon magnetic field measurement program |
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US11391792B2 (en) | 2018-07-02 | 2022-07-19 | Asahi Kasei Microdevices Corporation | Magnetic field measuring device, magnetic field measurement method, and recording medium having recorded thereon magnetic field measurement program |
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