JP2017096627A - Magnetic sensor - Google Patents

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卓男 西川
Takao Nishikawa
卓男 西川
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    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
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    • G01R33/06Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09Magnetoresistive devices
    • G01R33/098Magnetoresistive devices comprising tunnel junctions, e.g. tunnel magnetoresistance sensors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00Galvanomagnetic devices
    • H10N50/10Magnetoresistive devices

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a magnetic sensor using a tunnel magneto-resistance (TMR) element in which detection errors are corrected due to magnetic field resistance characteristics, temperature changes of the TMR element, or the like.SOLUTION: Individual differences between ohmic values of a TMR element (1) are eliminated by stabilizing a voltage applied to the TMR element incorporated in a Wheatstone bridge circuit at a reference value. A correspondence between a magnetic field acting on the TMR element and a signal inherent to the TMR element according to magnetic field resistance characteristics of the TMR element is stored, in the correspondence, a magnetic field acting on the TMR element corresponding to the inherent signal (voltage value) outputted from the TMR element is identified and outputted. A reference magnetic field acts on the TMR element based on a reference signal, a signal derived from the reference signal is detected from an output signal of the TMR element, while the detected detection signal is compared with the reference signal outputted from a reference transmitter, to calculate a sensitivity correction value and multiply the sensitivity correction value by an output signal of a tunnel magneto-resistance element.SELECTED DRAWING: Figure 4

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.

従来、磁気抵抗素子を用いた磁気センサーは、特許文献1に示すように非破壊検査用の減肉及び探傷、欠陥検出としても提案されている。
しかし、非破壊検査における磁気抵抗素子(MR)としてはAMR(異方性磁気抵抗)素子の例しかなかった。具体的には、現在AMR素子を利用した配管のCUI(保温材下腐食)を非破壊で検査する手段が提案されているが、磁場に対する抵抗変化率が数%と小さく、出力が少なく、ノイズに弱いという問題がある。そのため、保温材の厚みが厚い場合は出力が得られずにいた。
また、鉄板の探傷、欠陥検査でもAMR素子を用いた測定法は提案されているが、出力が少なく、ノイズに弱いため、深層部の傷や欠陥は測定できなかった。
Conventionally, a magnetic sensor using a magnetoresistive element has been proposed as thinning, flaw detection, and defect detection for nondestructive inspection, as shown in Patent Document 1.
However, there are only examples of AMR (anisotropic magnetoresistance) elements as magnetoresistive elements (MR) in nondestructive inspection. Specifically, a means for non-destructively inspecting piping CUI (corrosion under thermal insulation) using an AMR element has been proposed, but the resistance change rate against a magnetic field is as small as several percent, output is small, noise There is a problem that it is weak. For this reason, when the heat insulating material is thick, no output is obtained.
A measurement method using an AMR element has also been proposed for flaw detection and defect inspection of iron plates, but since the output is small and it is sensitive to noise, scratches and defects in the deep layer cannot be measured.

磁気抵抗素子として、AMR素子の他はGMR素子(巨大磁気抵抗素子)、トンネル磁気抵抗素子(TMR(Tunnel Magneto Resistive)素子)があるが、磁場に対する抵抗変化率ではTMR素子が群を抜いている。
TMR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。
磁気抵抗素子を、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性質(線形性)が求められる。
通常のTMR素子では固定層の磁化の向きと自由層の磁化の向きが平行もしくは反平行で安定するため、検出磁場ゼロの状態が作れなかった。また、物理的に中立位置を作れたとしてもバラつきが大きく、磁気測定装置としての性能には叶わなかった。
As magnetoresistive elements, there are GMR elements (giant magnetoresistive elements) and tunnel magnetoresistive elements (TMR (Tunnel Magneto Resistive) elements) in addition to AMR elements. .
The TMR 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 that is strongly An insulating layer disposed between the magnetic metal magnetization free layer and the tunneling 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.
In order to use the magnetoresistive 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). The property (linearity) to cause is required.
In a normal TMR element, the magnetization direction of the fixed layer and the magnetization direction of the free layer are stable in parallel or anti-parallel, so that the state of zero detection magnetic field cannot be created. Moreover, even if a neutral position could be created physically, the variation was large, and the performance as a magnetic measuring device was not realized.

ところが、特許文献2には、TMR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。
特許文献2に記載の発明は、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。
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。
However, Patent Document 2 proposes that the TMR element is applied to biomagnetic measurement.
In the biomagnetic sensor including a tunneling magnetoresistive element, the easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization free layer in the detection magnetic field zero is fixed to the ferromagnetic metal magnetization fixed in the biomagnetic sensor including the tunnel magnetoresistive element. It is characterized by being in a twisted position with respect to the easy magnetization axis of the layer.
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.

特許第4487082号公報Japanese Patent No. 4487082 特開2013−105825号公報JP2013-105825A

しかしながら、以上のような固定層の磁化の向きと自由層の磁気の向きとにねじれを持たせた状態から外部磁場を検出するTMR素子を用いて、生体磁気測定や非破壊検査における被検査材からの漏洩磁気測定を行う場合には、さらに次のような課題がある。
その測定には、多数の磁気センサーでセンサーアレイを構成し、生体表面や被検査材の表面などにこれを配置して、測定値をマッピングできる測定システムを構成する必要がある。
TMR素子の上記のねじれの角度、すなわち、ねじれ角が、素子ごとに異なると、磁場に対する抵抗変化の特性が素子ごとに異なることになる。すなわち、磁場抵抗特性に個体差があることになる。磁場抵抗特性に個体差があると、例えば、一のTMR磁気センサーから出力される電圧値と、他のTMR磁気センサーから出力される電圧値とが同じでも、前記一のTMR磁気センサーに作用している外部磁場と、前記他のTMR磁気センサーに作用している外部磁場とが異なることとなる。逆に言えば、一のTMR磁気センサーに作用している外部磁場と、他のTMR磁気センサーに作用している外部磁場とが同じでも、前記一のTMR磁気センサーから出力される電圧値と、前記他のTMR磁気センサーから出力される電圧値とが異なることとなる。したがって、正確な測定できず、マッピングした測定データの信頼性が低下するという問題がある。
また、TMR素子の磁場抵抗特性には温度特性がある。すなわち、一定の外部磁場がTMR磁気センサーに作用している状態で、そのTMR磁気センサーから出力される電圧値が素子温度によって異なるという温度特性がある。この温度特性に個体差があると、例えば、一定の外部磁場が2つのTMR磁気センサーに作用している状態で、そのうち一方のTMR磁気センサーから出力される電圧値と、他のTMR磁気センサーから出力される電圧値とがある温度で同じであっても、他の温度で異なるという結果となる。したがって、温度変化によって正確な測定ができず、マッピングした測定データの信頼性が低下するという問題がある。もちろん、同じTMR磁気センサーによる測定値についても、測定時の温度によって値が異なるという問題がある。
また、温度が一定であってもTMR素子の磁場抵抗特性に経時変化が有り得るから、測定時によって値が異なるという問題が起こり得る。
また、TMRはトンネル効果を用いるため、AMRやGMRに比べて低周波において1/fノイズが大きいが、この1/fノイズを下げることで、S/N比を向上させることが望まれる。
However, using a TMR element that detects an external magnetic field from the state in which the magnetization direction of the fixed layer and the magnetic direction of the free layer are twisted as described above, a material to be inspected in biomagnetic measurement or nondestructive inspection When performing leakage magnetic measurement from the following, there are further problems as follows.
For the measurement, it is necessary to form a sensor array with a large number of magnetic sensors, arrange this on the surface of a living body or the surface of a material to be inspected, and configure a measurement system that can map the measurement values.
When the above-described twist angle of the TMR element, that is, the twist angle is different for each element, the resistance change characteristic with respect to the magnetic field is different for each element. That is, there are individual differences in magnetic field resistance characteristics. If there is an individual difference in the magnetic resistance characteristics, for example, even if the voltage value output from one TMR magnetic sensor is the same as the voltage value output from another TMR magnetic sensor, it acts on the one TMR magnetic sensor. Therefore, the external magnetic field acting on the other TMR magnetic sensor is different. Conversely, even if the external magnetic field acting on one TMR magnetic sensor is the same as the external magnetic field acting on another TMR magnetic sensor, the voltage value output from the one TMR magnetic sensor, The voltage value output from the other TMR magnetic sensor is different. Therefore, there is a problem that accurate measurement cannot be performed and the reliability of the mapped measurement data is lowered.
Further, the magnetic field resistance characteristic of the TMR element has a temperature characteristic. That is, there is a temperature characteristic in which a voltage value output from the TMR magnetic sensor varies depending on the element temperature in a state where a constant external magnetic field acts on the TMR magnetic sensor. If there is an individual difference in this temperature characteristic, for example, when a constant external magnetic field is acting on two TMR magnetic sensors, the voltage value output from one TMR magnetic sensor and the other TMR magnetic sensor Even if the output voltage value is the same at a certain temperature, it is different at other temperatures. Therefore, there is a problem that accurate measurement cannot be performed due to temperature change, and the reliability of the mapped measurement data is lowered. Of course, there is a problem that the values measured by the same TMR magnetic sensor differ depending on the temperature at the time of measurement.
In addition, even if the temperature is constant, the magnetic resistance characteristics of the TMR element may change with time, so that a problem that the value varies depending on the measurement may occur.
In addition, since TMR uses a tunnel effect, 1 / f noise is larger at a lower frequency than AMR and GMR. However, it is desired to improve the S / N ratio by reducing the 1 / f noise.

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、トンネル磁気抵抗素子の磁場抵抗特性や温度変化等によって生じる得る検知誤差を補正することを課題とする。   The present invention has been made in view of the above-described problems in the prior art, and corrects detection errors that may occur due to magnetic field resistance characteristics of the tunnel magnetoresistive element, temperature changes, and the like in the magnetic sensor using the tunnel magnetoresistive element. This is the issue.

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、
前記トンネル磁気抵抗素子が組み込まれたホイートストンブリッジ回路と、
前記トンネル磁気抵抗素子に印加される電圧を基準値に安定化させるフィードバック回路とを備え、
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。
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,
A Wheatstone bridge circuit incorporating the tunnel magnetoresistive element;
A feedback circuit for stabilizing a voltage applied to the tunnel magnetoresistive element to a reference value,
The magnetic sensor is characterized in that a fluctuating detected magnetic signal is output from the feedback circuit.

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電圧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電圧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 claim 2 stabilizes the feedback circuit so that the voltage is not affected by disturbance outside the fluctuation frequency range of the detected magnetic signal,
2. The magnetic sensor according to claim 1, wherein a signal corresponding to a change in the voltage in a fluctuation frequency region of the detection magnetic signal is output as the detection 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電圧が影響を受けないように安定化させ、
前記電圧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。
In the invention according to claim 3, the feedback circuit is stabilized so that the voltage 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 voltage and is output as the detected magnetic signal.

請求項4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、
前記トンネル磁気抵抗素子に作用する磁場と当該トンネル磁気抵抗素子の磁場抵抗特性に応じた当該トンネル磁気抵抗素子に固有の信号との対応関係を記憶した記憶装置と、
前記対応関係において、前記トンネル磁気抵抗素子から出力された前記固有の信号に対応する前記トンネル磁気抵抗素子に作用する磁場を特定して検出磁気信号として出力する演算装置と、
を備えたことを特徴とする磁気センサーである。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided 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 the ferromagnetic metal An angle between a magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization fixed layer and a magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer having an insulating layer disposed between the magnetization fixed layer and the ferromagnetic metal magnetization free layer; In a magnetic sensor including a tunnel magnetoresistive element that changes the resistance of the insulating layer by a tunnel effect according to a difference,
A storage device storing a correspondence relationship between a magnetic field acting on the tunnel magnetoresistive element and a signal unique to the tunnel magnetoresistive element according to a magnetic field resistance characteristic of the tunnel magnetoresistive element;
In the correspondence, an arithmetic device that specifies a magnetic field acting on the tunnel magnetoresistive element corresponding to the specific signal output from the tunnel magnetoresistive element and outputs it as a detected magnetic signal;
It is a magnetic sensor characterized by comprising.

請求項5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、
基準信号を出力する基準発信器と、
前記基準発信器から出力された前記基準信号に基づき、前記トンネル磁気抵抗素子に基準磁場を作用させる磁場発生器と、
前記基準磁場が作用する前記トンネル磁気抵抗素子の出力信号から前記基準信号に由来する信号を検波する基準信号検波器と、
前記基準信号検波器が検波した検波信号と前記基準発信器から出力された前記基準信号とを比較して感度補正値を算出する比較回路と、
前記比較回路が算出した前記感度補正値を、前記基準磁場が作用する前記トンネル磁気抵抗素子の前記出力信号に乗算して検出磁気信号を算出する乗算器と、
を備え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。
The invention according to claim 5 is 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 the ferromagnetic metal An angle between a magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization fixed layer and a magnetization direction of the ferromagnetic metal magnetization free layer having an insulating layer disposed between the magnetization fixed layer and the ferromagnetic metal magnetization free layer; In a magnetic sensor including a tunnel magnetoresistive element that changes the resistance of the insulating layer by a tunnel effect according to a difference,
A reference transmitter for outputting a reference signal;
A magnetic field generator for applying a reference magnetic field to the tunnel magnetoresistive element based on the reference signal output from the reference transmitter;
A reference signal detector for detecting a signal derived from the reference signal from an output signal of the tunnel magnetoresistive element on which the reference magnetic field acts;
A comparison circuit that calculates a sensitivity correction value by comparing the detection signal detected by the reference signal detector with the reference signal output from the reference transmitter;
A multiplier for multiplying the sensitivity correction value calculated by the comparison circuit by the output signal of the tunnel magnetoresistive element on which the reference magnetic field acts to calculate a detection magnetic signal;
The magnetic sensor according to claim 4, further comprising:

請求項6記載の発明は、2以上のトンネル磁気抵抗素子が直列接続されたトンネル磁気抵抗モジュールを含み、当該トンネル磁気抵抗モジュールに外部磁場を作用させて当該外部磁場を検知することを特徴とする請求項1から請求項5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 6 includes a tunnel magnetoresistive module in which two or more tunnel magnetoresistive elements are connected in series, and an external magnetic field is applied to the tunnel magnetoresistive module to detect the external magnetic field. It is a magnetic sensor as described in any one of Claims 1-5.

請求項7記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層は、10nm以上100nm以下の層厚に形成された軟磁性層を含む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 characterized in that the ferromagnetic metal magnetization free layer includes a soft magnetic layer formed in a layer thickness of 10 nm or more and 100 nm or less. It is a magnetic sensor as described in.

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.

請求項9記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、前記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請求項1から請求項8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 9 is characterized in that the easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization free layer is in a twisted position with respect to the easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization fixed layer. Item 9. The magnetic sensor according to any one of Items 8 above.

本件請求項1記載の発明によれば、トンネル磁気抵抗素子の検出磁場ゼロ時の抵抗値によらず、検出磁場ゼロでの検知信号をゼロ基準値に補正し、正しく検出磁気信号を算出することができる。
本件請求項4記載の発明によれば、トンネル磁気抵抗素子の磁場抵抗特性によらず、正しく検出磁気信号を算出することができる。
本件請求項5記載の発明によれば、トンネル磁気抵抗素子の感度変化によらず、正しく検出磁気信号を算出することができる。
According to the first aspect of the present invention, the detection signal at the zero detection magnetic field is corrected to the zero reference value and the detection magnetic signal is correctly calculated regardless of the resistance value at the zero detection magnetic field of the tunnel magnetoresistive element. Can do.
According to the fourth aspect of the present invention, the detected magnetic signal can be calculated correctly regardless of the magnetic field resistance characteristics of the tunnel magnetoresistive element.
According to the fifth aspect of the present invention, the detected magnetic signal can be correctly calculated regardless of the sensitivity change of the tunnel magnetoresistive element.

本発明の一実施形態に係り、2つのTMR素子が構成されたTMRモジュールの積層構造の断面図である。It is sectional drawing of the laminated structure of the TMR module in which two TMR elements were comprised concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係り、6つのTMR素子が構成されたTMRモジュールの積層構造の断面図である。It is sectional drawing of the laminated structure of the TMR module in which six TMR elements were comprised concerning one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係り、TMR素子のH−R特性曲線と、この特性曲線上の3点におけるTMR素子の磁化方向の様子を示す模式的斜視図である。FIG. 5 is a schematic perspective view showing an HR characteristic curve of a TMR element and a state of magnetization direction of the TMR element at three points on the characteristic curve according to one embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る磁気センサーの回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the magnetic sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る磁気センサーの回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the magnetic sensor which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る磁気センサーの構成ブロック図である。1 is a configuration block diagram of a magnetic sensor according to an embodiment of the present invention. 本発明の一実施形態に係る磁気センサーの回路ブロック図である。It is a circuit block diagram of the magnetic sensor which concerns on one Embodiment of this invention.

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。軟磁性層41の層厚は10nm以上100nm以下に形成することが好ましい。軟磁性層41の層厚を10nm以上、好ましくは30nm以上とすることで、良好な磁場抵抗特性の線形性を有したTMR素子を形成することができる。一方、軟磁性層41の層厚が100nmを超えると、線形性の改善はほとんど見られないので、軟磁性層41の層厚を100nm以下に形成することが好ましい。   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 base layer 3, a ferromagnetic metal magnetization free layer 4, an insulating layer 5, a ferromagnetic metal magnetization fixed layer 6, a pinned layer 7, a buffer layer 8, an upper part on a silicon substrate 2. It has a laminated structure in which the electrode layers 9 are sequentially laminated. The ferromagnetic metal magnetization free layer 4 includes a soft magnetic layer 41, a barrier layer 42, and a ferromagnetic layer 43. The ferromagnetic metal magnetization fixed layer 6 includes a ferromagnetic layer 61, a barrier layer 62, and a ferromagnetic layer 63. The thickness of the soft magnetic layer 41 is preferably 10 nm or more and 100 nm or less. By setting the layer thickness of the soft magnetic layer 41 to 10 nm or more, preferably 30 nm or more, it is possible to form a TMR element having good linearity of magnetic field resistance characteristics. On the other hand, when the layer thickness of the soft magnetic layer 41 exceeds 100 nm, linearity is hardly improved. Therefore, the layer thickness of the soft magnetic layer 41 is preferably formed to 100 nm or less.

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。
さらに図1に示した構成を複数配置し、図2に示すように隣接する上部電極層9で導体13で繋いで直列に接続することで、4つ以上のTMR素子を直列にしたTMRモジュール1を構成することができ、これを使用することができる。図2には6つのTMR素子が直列に繋がった構成を示す。
TMR素子を直列に数多く繋ぐほど、1/fノイズを低減することができる。1/fノイズを例えば1/10に低減するには、100のTMR素子を直列にする接続する。
As shown in FIG. 1, the ferromagnetic metal magnetization fixed layer 6, the pinned layer 7, the buffer layer 8, and the upper electrode layer constitute two upper stacked bodies 11 and 12 that are independent of each other. The ferromagnetic metal magnetization fixed layer 6 formed in one upper laminate 11, the insulating layer 5 therebelow, and the ferromagnetic metal magnetization free layer 4 constitute one TMR element. Similarly, one TMR element is constituted by the ferromagnetic metal magnetization fixed layer 6 formed in the other upper laminated body 12, the insulating layer 5 therebelow, and the ferromagnetic metal magnetization free layer 4.
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 upper laminate 12, These two TMR elements are used in series.
Further, a plurality of configurations shown in FIG. 1 are arranged, and as shown in FIG. 2, a TMR module 1 in which four or more TMR elements are connected in series by connecting them in series with conductors 13 at adjacent upper electrode layers 9. Can be configured and used. FIG. 2 shows a configuration in which six TMR elements are connected in series.
As more TMR elements are connected in series, 1 / f noise can be reduced. In order to reduce 1 / f noise to 1/10, for example, 100 TMR elements are connected in series.

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 layer 6 and the ferromagnetic metal magnetization free layer 4. As the insulating layer 5, various insulating materials can be used. For example, MgO, AlOx, or the like can be used. From the viewpoint of improving the sensitivity of the element, MgO is preferable. In particular, in order to detect a weak magnetic field such as a biomagnetic signal by the TMR element, it is preferable to use an MgO film as the insulating layer 5. The thickness of the insulating layer 5 is desirably about 1 nm to 10 nm.

自由層4の容易磁化軸は、固定層6の容易磁化軸と平行である場合、固定層6の磁化の向きc2と自由層4の磁化の向きc6は平行状態か反平行状態になっている。この状態を磁場計測上のゼロ点として外部磁界を検出する場合、抵抗下限値Rb付近及び抵抗上限値Ra付近では、磁場Hと抵抗Rとの関係は非線形であり磁場を定量することができない。
そのため、図3に示すような検出磁場Hが無い状態(H=0)を抵抗の中間値に対応させ、磁場計測上のゼロ点とすることを行う。
これを可能にする1つの方法として、特許文献2に記載されるように、磁場中熱処理を2度行い、最初は自由層4の容易磁化軸を決める温度で熱処理し、2回目の熱処理は最初の熱処理温度より低い温度において印加磁場をねじれの位置に変えて熱処理を施す。その結果、自由層4の容易磁化軸は、固定層6の容易磁化軸に対してねじれの位置となる。
このとき、固定層6より先に自由層4が積層されている構造にする必要がある。固定層6の面積を、自由層4の面積に対して小さくするためである。固定層6の面積を相対的に小さくすることで、固定層6から自由層4への漏れ磁界の影響が小さくなり、磁気検出の感度をさらに向上させることができる。
When the easy magnetization axis of the free layer 4 is parallel to the easy magnetization axis of the fixed layer 6, the magnetization direction c2 of the fixed layer 6 and the magnetization direction c6 of the free layer 4 are in a parallel state or an antiparallel state. . When an external magnetic field is detected using this state as a zero point in magnetic field measurement, the relationship between the magnetic field H and the resistance R is non-linear near the resistance lower limit value Rb and the resistance upper limit value Ra, and the magnetic field cannot be quantified.
Therefore, the state (H = 0) in which there is no detected magnetic field H as shown in FIG. 3 is made to correspond to the intermediate value of the resistance and set as the zero point in the magnetic field measurement.
As one method for enabling this, as described in Patent Document 2, heat treatment in a magnetic field is performed twice, first, heat treatment is performed at a temperature that determines the easy magnetization axis of the free layer 4, and the second heat treatment is performed first. The heat treatment is performed by changing the applied magnetic field to the twisted position at a temperature lower than the heat treatment temperature. As a result, the easy magnetization axis of the free layer 4 is twisted with respect to the easy magnetization axis of the fixed layer 6.
At this time, it is necessary to have a structure in which the free layer 4 is laminated before the fixed layer 6. This is because the area of the fixed layer 6 is made smaller than the area of the free layer 4. By making the area of the fixed layer 6 relatively small, the influence of the leakage magnetic field from the fixed layer 6 to the free layer 4 is reduced, and the sensitivity of magnetic detection can be further improved.

以上のような方法において検出磁場Hが無い状態を抵抗の中間値に対応させるが、2度の磁場中熱処理によって中間位置にする場合は、ねじり角のバラつきに応じて中間抵抗値にバラつきが生じる。
そこで、検出磁場Hが無い状態に対応した中間抵抗値を一定にするために図4に示す磁気センサー10A又は図5に示す磁気センサー10Bを構成する。
In the above method, the state without the detection magnetic field H is made to correspond to the intermediate value of the resistance. However, when the intermediate position is set by the heat treatment in the magnetic field twice, the intermediate resistance value varies depending on the variation of the torsion angle. .
Therefore, in order to make the intermediate resistance value corresponding to the state without the detection magnetic field H constant, the magnetic sensor 10A shown in FIG. 4 or the magnetic sensor 10B shown in FIG. 5 is configured.

すなわち、TMRモジュール1を用いて、図4又は図5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4及び図5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,R2,R3とTMRモジュール1とによりホイートストンブリッジ回路を構成する。但し、TMRモジュール1の一端を電圧制御部a5に接続し、R3とTMRモジュール1に印加する電圧を制御する。
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。
以上のTMRモジュール1、計装増幅器a1、電圧増幅器a2、電圧制御部a5を含めて、TMRモジュール1に印加される電圧を、基準値に安定化させるフィードバック回路を構成する。基準値は、検出磁場ゼロの状況下で上記電位差が一定値(例えば、ゼロ)となるように設定される。これにより、検出磁場Hが無い状態を抵抗の中間値が、TMR素子によらず一定となる。
That is, the TMR module 1 is used to form a bridge as shown in FIG. 4 or FIG. 5 to form a magnetic center 10A or 10B having a feedback circuit.
As shown in FIGS. 4 and 5, a Wheatstone bridge circuit is configured by the constant resistances R1, R2, R3 and the TMR module 1 between the electrodes to which the reference voltage V1 is applied. However, one end of the TMR module 1 is connected to the voltage control unit a5, and the voltage applied to the R3 and the TMR module 1 is controlled.
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.
The TMR module 1, the instrumentation amplifier a1, the voltage amplifier a2, and the voltage control unit a5 are included to constitute a feedback circuit that stabilizes the voltage applied to the TMR module 1 to a reference value. The reference value is set so that the potential difference becomes a constant value (for example, zero) under the condition that the detected magnetic field is zero. As a result, the intermediate value of the resistance becomes constant regardless of the TMR element when there is no detection magnetic field H.

図4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圧制御部a5に出力される。
電圧制御部a5が制御信号に基づき、定抵抗R3とTMRモジュール1からなるブリッジに印加する電圧を制御する。
The magnetic center 10A shown in FIG. 4 further has the following configuration.
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 voltage control unit a5.
The voltage control unit a5 controls the voltage applied to the bridge composed of the constant resistance R3 and the TMR module 1 based on the control signal.

図5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圧制御部a5に出力される。
電圧制御部a5が制御信号に基づき、制御信号に基づき、定抵抗R3とTMRモジュール1からなるブリッジに印加する電圧を制御する。
The magnetic center 10B shown in FIG. 5 further has the following configuration.
The output signal of the voltage amplifier a2 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 voltage control unit a5.
Based on the control signal, the voltage control unit a5 controls the voltage applied to the bridge composed of the constant resistance R3 and the TMR module 1 based on the control signal.

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。
The magnetic sensors 10A and 10B measure a biomagnetic signal such as brain magnetism, or a magnetic signal that forms a pulse waveform of a predetermined frequency that is applied to an inspection object and leaks from the inspection object in a nondestructive inspection apparatus. Can do.
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 magnetic sensors 10A and 10B are arranged on the outer surface of a living body such as a cranium to be measured and the outer surface of an object to be inspected in a nondestructive inspection apparatus such as a pipe or a wall so that the detection values of each sensor can be mapped. Configure and implement the measurement system.

図4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、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、電圧制御部a5までフィードバクされないので、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TMR素子に印加される電圧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電圧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 magnetic sensor 10A shown in FIG. 4, the magnetic field fluctuation that gradually changes due to a disturbance such as a temperature change becomes a signal that passes through the low-pass filter a3 even if the TMR element resistance is changed. Stabilize by feedback control.
The relatively high frequency magnetic fluctuations that do not pass through the low-pass filter a3 are not fed back to the voltage control unit a5. Therefore, the TMR element resistance is allowed to change, and signals corresponding to the change are instrumentation amplifier a1, voltage amplifier a2, and buffer. The detected magnetic signal is output via the 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 magnetic sensor 10A stabilizes the voltage applied to the TMR element so as not to be affected by the disturbance outside the fluctuation frequency range of the detected magnetic signal. And 10 A of magnetic sensors output the signal according to the fluctuation | variation of the said voltage in the fluctuation | variation frequency range of a detection magnetic signal as a detection magnetic signal.

図5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TMR素子に印加される電圧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安定化する。
さらに磁気センサー10Bは、TMR素子に印加される電圧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TMR素子に印加される電圧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、TMR素子に印加される電圧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 magnetic sensor 10B shown in FIG. 5, since no filter is provided between the TMR module 1 and the comparator a4, the voltage applied to the TMR element due to disturbance including the fluctuation frequency range of the detected magnetic signal. Is stabilized by the above-described feedback control so as not to be affected.
Further, the magnetic sensor 10B passes a relatively high-frequency signal component from the control signal for controlling the voltage applied to the TMR element through the high-pass filter b1, and outputs it as a detected magnetic signal via the buffer circuit b2.
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 magnetic sensor 10B stabilizes the voltage applied to the TMR element by the disturbance including the fluctuation frequency range of the detected magnetic signal so as not to be affected. Then, the magnetic sensor 10B extracts a signal in the fluctuation frequency range of the detected magnetic signal from the control signal for controlling the voltage applied to the TMR element, and outputs it as a detected magnetic signal.

次に、図6に示す磁気センサーJにつき説明する。
図6に示す磁気センサーJは、TMR基本回路J1と、演算装置J2と、記憶装置J3とを備える。
TMR基本回路J1は、外部磁場の感知手段としてTMR素子を含んだ回路である。ここでは、上述したTMRモジュール1が適用されているとする。TMRモジュール1に構成される個々のTMR素子の磁場抵抗特性に応じて、TMRモジュール1全体の磁場抵抗特性にも個性が生じる。TMR基本回路J1としては、例えば図4に示した回路から、ローパスフィルターa3、比較器a4及び電圧制御部a5を排し、定抵抗R3とTMRモジュール1からなるブリッジを基準電圧V1間に掛けたものである。
Next, the magnetic sensor J shown in FIG. 6 will be described.
The magnetic sensor J shown in FIG. 6 includes a TMR basic circuit J1, an arithmetic device J2, and a storage device J3.
The TMR basic circuit J1 is a circuit including a TMR element as means for sensing an external magnetic field. Here, it is assumed that the above-described TMR module 1 is applied. Depending on the magnetic resistance characteristics of the individual TMR elements configured in the TMR module 1, individuality also occurs in the magnetic resistance characteristics of the entire TMR module 1. As the TMR basic circuit J1, for example, the low-pass filter a3, the comparator a4, and the voltage control unit a5 are excluded from the circuit shown in FIG. 4, and a bridge composed of the constant resistance R3 and the TMR module 1 is applied between the reference voltage V1. Is.

したがって、TMR基本回路J1は、TMRモジュール1の磁場抵抗特性に応じたTMRモジュール1に固有の信号(電圧値)J11を演算装置J2に出力する。
記憶装置J3は、TMRモジュール1に作用する磁場と当該TMR素子の磁場抵抗特性に応じたTMRモジュール1に固有の信号J11との対応関係を記憶している。この対応関係は、予めTMRモジュール1を既知の磁場中に置き、その磁場を変化させながらTMR基本回路J1からの出力を得て作成したものである。
演算装置J2は、記憶装置J3から読み出した対応関係J31において、固有の信号J11に対応する磁場を特定して検出磁気信号J21として出力する。
また、上述のマッピングを行う場合などのように、複数のセンサーの検出値を扱う磁気測定システムにあっては、TMR基本回路J1が複数となるので、個々のTMR基本回路J1に識別情報を付与し、その識別情報に結びづけてその固有の対応関係を記憶装置J2に記憶して実施する。
Therefore, the TMR basic circuit J1 outputs a signal (voltage value) J11 unique to the TMR module 1 corresponding to the magnetic field resistance characteristics of the TMR module 1 to the arithmetic unit J2.
The storage device J3 stores a correspondence relationship between the magnetic field acting on the TMR module 1 and the signal J11 unique to the TMR module 1 according to the magnetic field resistance characteristics of the TMR element. This correspondence is created by placing the TMR module 1 in a known magnetic field in advance and obtaining the output from the TMR basic circuit J1 while changing the magnetic field.
The arithmetic device J2 specifies the magnetic field corresponding to the unique signal J11 in the correspondence relationship J31 read from the storage device J3, and outputs it as the detected magnetic signal J21.
Further, in the magnetic measurement system that handles the detection values of a plurality of sensors as in the case of performing the mapping described above, since there are a plurality of TMR basic circuits J1, identification information is given to each TMR basic circuit J1. The unique correspondence relationship is stored in the storage device J2 in association with the identification information.

次に、図7に示す磁気センサーKについて説明する。
図7に示す磁気センサーKは、TMR基本回路K1と、電圧増幅器K2と、「基準信号検波器及び比較回路」K3と、「増幅器及びローパスフィルター」K4と、乗算器K5と、バッファー回路K6と、基準発信器K7と、磁場発生器K8とを備える。
TMR基本回路K1としては、例えば図4に示した回路から、電圧増幅器a2、ローパスフィルターa3、比較器a4、電圧制御部a5及びバッファー回路a7を排し、定抵抗R3とTMRモジュール1からなるブリッジを基準電圧V1間に掛けたものであり、計装増幅器a1の出力を電圧増幅器K2に接続する。
Next, the magnetic sensor K shown in FIG. 7 will be described.
7 includes a TMR basic circuit K1, a voltage amplifier K2, a “reference signal detector and comparison circuit” K3, an “amplifier and low-pass filter” K4, a multiplier K5, and a buffer circuit K6. And a reference transmitter K7 and a magnetic field generator K8.
As the TMR basic circuit K1, for example, the voltage amplifier a2, the low-pass filter a3, the comparator a4, the voltage control unit a5, and the buffer circuit a7 are eliminated from the circuit shown in FIG. 4, and a bridge composed of the constant resistor R3 and the TMR module 1 is used. Is multiplied by the reference voltage V1, and the output of the instrumentation amplifier a1 is connected to the voltage amplifier K2.

基準発信器K7から基準信号K9が磁場発生器K8及び「基準信号検波器及び比較回路」K3に出力される。
磁場発生器K8は、図6に示すような磁場を発生するコイルを含む。磁場発生器K8は、基準発信器K7から出力された基準信号K9を増幅して、含まれるコイルに電流を流すための電力を生成して当該コイルに電流を流し、当該コイルからTMR基本回路K1内のTMR素子に基準磁場K9を作用させる。
TMR基本回路K1から基準磁界K10に応答した成分が含まれる電圧信号K12が出力され、電圧増幅器K2に入力される。
この電圧信号K12は電圧増幅器K2で検波誤差が少なくなるように十分な増幅後、「基準信号検波器及び比較回路」K3に入力され、「基準信号検波器及び比較回路」K3は入力された信号から基準信号を検波する。
次に、「基準信号検波器及び比較回路」K3は、電圧増幅器K2から入力された信号K13から検波した基準信号と、基準発信器K7から直接入力された基準信号K9とを比較して、感度補正値を算出する。
The reference signal K9 is output from the reference transmitter K7 to the magnetic field generator K8 and the “reference signal detector and comparison circuit” K3.
The magnetic field generator K8 includes a coil that generates a magnetic field as shown in FIG. The magnetic field generator K8 amplifies the reference signal K9 output from the reference transmitter K7, generates electric power for flowing a current through the included coil, flows the current through the coil, and the TMR basic circuit K1 from the coil. A reference magnetic field K9 is applied to the TMR element inside.
A voltage signal K12 including a component in response to the reference magnetic field K10 is output from the TMR basic circuit K1 and input to the voltage amplifier K2.
The voltage signal K12 is sufficiently amplified so that the detection error is reduced by the voltage amplifier K2, and then input to the “reference signal detector and comparison circuit” K3. The “reference signal detector and comparison circuit” K3 receives the input signal. To detect the reference signal.
Next, the “reference signal detector and comparison circuit” K3 compares the reference signal detected from the signal K13 input from the voltage amplifier K2 with the reference signal K9 input directly from the reference transmitter K7, and determines the sensitivity. A correction value is calculated.

基準磁場K10は常に一定であり、TMR素子の感度が一定していれば、検波した基準信号も一定である。
しかし、温度変化等によりTMR素子の感度が変化し、上記の比較結果に現れる。
例えば、入力された基準信号K9に対する検波した基準信号の比率が、低温時より高温時に高くなる場合には、低温時より高温時にTMR素子の感度が高くなった結果である。この場合、外部磁界K11の検出信号も過大になる。また、経年変化によりTMR素子の感度が変化することが考えられる。
そこで、この感度変化を感度補正値により補正して、一定した感度で検知した場合と同等の検出磁気信号が出力されるようにする。
すなわち、乗算器K5において、電圧増幅器K2が出力した信号K13と、「基準信号検波器及び比較回路」K3が算出した感度補正値K14を乗算して補正し、バッファー回路K6から補正後の検出磁気信号を出力する。なお、「増幅器及びローパスフィルター」K4により感度補正値K14は、増幅され、比較的高周波の変化成分がカットされる。
The reference magnetic field K10 is always constant, and if the sensitivity of the TMR element is constant, the detected reference signal is also constant.
However, the sensitivity of the TMR element changes due to a temperature change or the like, and appears in the above comparison result.
For example, when the ratio of the detected reference signal to the input reference signal K9 is higher at a higher temperature than at a low temperature, this is a result of the sensitivity of the TMR element being increased at a higher temperature than at a low temperature. In this case, the detection signal of the external magnetic field K11 is excessive. It is also conceivable that the sensitivity of the TMR element changes due to aging.
Therefore, this change in sensitivity is corrected by the sensitivity correction value so that a detection magnetic signal equivalent to that detected with a constant sensitivity is output.
That is, the multiplier K5 multiplies and corrects the signal K13 output from the voltage amplifier K2 by the sensitivity correction value K14 calculated by the “reference signal detector and comparison circuit” K3, and corrects the detected magnetism from the buffer circuit K6. Output a signal. The sensitivity correction value K14 is amplified by the “amplifier and low-pass filter” K4, and a relatively high frequency change component is cut.

ある温度を基準温度と定め、初期設定時にTMR素子を基準温度下に置き、「基準信号検波器及び比較回路」K3が検波した基準信号に対して感度補正値を「1」とする。この初期設定時に検波した基準信号に対して、その後の磁気測定において「基準信号検波器及び比較回路」K3が検波する基準信号に増減があれば、その増減率の逆数を感度補正値とする。これにより、その後の磁気測定において、TMR素子の感度に変化がなかったとした場合の検出磁気信号がバッファー回路K6から出力される。感度補正値による補正後、初期設定時に検波した基準信号分を差し引いてもよい。   A certain temperature is set as a reference temperature, the TMR element is placed under the reference temperature at the initial setting, and the sensitivity correction value is set to “1” with respect to the reference signal detected by the “reference signal detector and comparison circuit” K3. If there is an increase or decrease in the reference signal detected by the “reference signal detector and comparison circuit” K3 in the subsequent magnetic measurement with respect to the reference signal detected at the initial setting, the reciprocal of the increase / decrease rate is set as the sensitivity correction value. Thereby, in the subsequent magnetic measurement, a detected magnetic signal when there is no change in the sensitivity of the TMR element is output from the buffer circuit K6. After correction by the sensitivity correction value, the reference signal detected at the initial setting may be subtracted.

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
J 磁気センター
K 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
R1 定抵抗
R2 定抵抗
R3 定抵抗
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 TMR module 2 Silicon substrate 3 Underlayer 4 Ferromagnetic metal magnetization free layer 5 Insulating layer 6 Ferromagnetic metal magnetization fixed layer 7 Pinned layer 8 Buffer layer 9 Upper electrode layer 10A Magnetic center 10B Magnetic center J Magnetic center K Magnetic center 41 Soft Magnetic layer 42 Barrier layer 43 Ferromagnetic layer 61 Ferromagnetic layer 62 Barrier layer 63 Ferromagnetic layer R1 Constant resistance R2 Constant resistance R3 Constant resistance

Claims (9)

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、
前記トンネル磁気抵抗素子が組み込まれたホイートストンブリッジ回路と、
前記トンネル磁気抵抗素子に印加される電圧を基準値に安定化させるフィードバック回路とを備え、
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
A Wheatstone bridge circuit incorporating the tunnel magnetoresistive element;
A feedback circuit for stabilizing a voltage applied to the tunnel magnetoresistive element to a reference value,
A magnetic sensor, wherein a fluctuating detected magnetic signal is output from the feedback circuit.
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電圧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電圧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 voltage 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 voltage in a fluctuation frequency range of the detection magnetic signal is output as the detection magnetic signal.
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電圧が影響を受けないように安定化させ、
前記電圧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 voltage 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 voltage and is output as the detected magnetic signal.
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、
前記トンネル磁気抵抗素子に作用する磁場と当該トンネル磁気抵抗素子の磁場抵抗特性に応じた当該トンネル磁気抵抗素子に固有の信号との対応関係を記憶した記憶装置と、
前記対応関係において、前記トンネル磁気抵抗素子から出力された前記固有の信号に対応する前記トンネル磁気抵抗素子に作用する磁場を特定して検出磁気信号として出力する演算装置と、
を備えた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
A storage device storing a correspondence relationship between a magnetic field acting on the tunnel magnetoresistive element and a signal unique to the tunnel magnetoresistive element according to a magnetic field resistance characteristic of the tunnel magnetoresistive element;
In the correspondence, an arithmetic device that specifies a magnetic field acting on the tunnel magnetoresistive element corresponding to the specific signal output from the tunnel magnetoresistive element and outputs it as a detected magnetic signal;
A magnetic sensor characterized by comprising:
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、
基準信号を出力する基準発信器と、
前記基準発信器から出力された前記基準信号に基づき、前記トンネル磁気抵抗素子に基準磁場を作用させる磁場発生器と、
前記基準磁場が作用する前記トンネル磁気抵抗素子の出力信号から前記基準信号に由来する信号を検波する基準信号検波器と、
前記基準信号検波器が検波した検波信号と前記基準発信器から出力された前記基準信号とを比較して感度補正値を算出する比較回路と、
前記比較回路が算出した前記感度補正値を、前記基準磁場が作用する前記トンネル磁気抵抗素子の前記出力信号に乗算して検出磁気信号を算出する乗算器と、
を備えることを特徴とする請求項4に記載の磁気センサー。
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
A reference transmitter for outputting a reference signal;
A magnetic field generator for applying a reference magnetic field to the tunnel magnetoresistive element based on the reference signal output from the reference transmitter;
A reference signal detector for detecting a signal derived from the reference signal from an output signal of the tunnel magnetoresistive element on which the reference magnetic field acts;
A comparison circuit that calculates a sensitivity correction value by comparing the detection signal detected by the reference signal detector with the reference signal output from the reference transmitter;
A multiplier for multiplying the sensitivity correction value calculated by the comparison circuit by the output signal of the tunnel magnetoresistive element on which the reference magnetic field acts to calculate a detection magnetic signal;
The magnetic sensor according to claim 4, further comprising:
2以上のトンネル磁気抵抗素子が直列接続されたトンネル磁気抵抗モジュールを含み、当該トンネル磁気抵抗モジュールに外部磁場を作用させて当該外部磁場を検知することを特徴とする請求項1から請求項5のうちいずれか一に記載の磁気センサー。   6. A tunnel magnetoresistive module in which two or more tunnel magnetoresistive elements are connected in series is included, and an external magnetic field is applied to the tunnel magnetoresistive module to detect the external magnetic field. Magnetic sensor as described in any one of them. 前記強磁性金属磁化自由層は、10nm以上100nm以下の層厚に形成された軟磁性層を含む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。   The magnetic sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the ferromagnetic metal magnetization free layer includes a soft magnetic layer formed to have a layer thickness of 10 nm or more and 100 nm or less. 前記絶縁層がMgOからなることを特徴とする請求項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。   The magnetic sensor according to claim 1, wherein the insulating layer is made of MgO. 前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、前記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請求項1から請求項8のうちいずれか一に記載の磁気センサー。   The easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization free layer is in a position twisted with respect to the easy magnetization axis of the ferromagnetic metal magnetization fixed layer. The described magnetic sensor.
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