JP5326238B2

JP5326238B2 - 信号検出装置

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Publication number: JP5326238B2
Application number: JP2007204838A
Authority: JP
Inventors: 裕二柿沼; 啓治古賀
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2007-08-07
Filing date: 2007-08-07
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2027-08-07
Also published as: JP2009041957A

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた信号検出装置に関するものである。

磁気抵抗効果素子として、磁化固定層と磁化自由層との間に非磁性材料で形成されたスペーサ層を介在させて構成されたＴＭＲ（ＴｕｎｎｅｌＭａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子が知られている。このＴＭＲ素子では、電流を流したときにスピン偏極電子が流れて、磁化自由層内に蓄積されるスピン偏極電子の数に応じて磁化自由層の磁化の向きが変化する。一定の磁場内に配置された磁化自由層では、その磁化の向きを変更しようとしたときに、磁場によって拘束される安定な方向へ復元するようにトルクが働き、特定の力で揺らされたときに、スピン歳差運動と呼ばれる振動が発生する。

近年、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子に対して高い周波数の交流電流を流した場合において、磁化自由層に流れる交流電流の周波数と磁化の向きに戻ろうとするスピン歳差運動の振動数とが一致したときに、強い共振が発生する現象（スピントルク強磁性共鳴）が発見された（非特許文献１参照）。この共振が発生した状態においては、磁気抵抗効果素子における磁化自由層の磁化の向きは大きく振動し、これに伴い、磁気抵抗は大きく増減する。このため、磁気抵抗効果素子の両端には、スピントルクダイオード効果により、脈流電圧（＝電流×抵抗）が発生する。この非特許文献１では、この磁気抵抗効果素子の両端に発生する脈流電圧をバイアスＴのローパスフィルタを通過させることで直流電圧に平滑している。
Nature, Vol.438, 17 November, 2005, pp.339-342

しかしながら、上述のようなＴＭＲ素子の現象が知られつつも、このような現象を工業的に利用できる磁気デバイスは知られておらず、発見の応用が期待されていた。このため、本願出願人は、鋭意研究を重ねることにより、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に印加する磁場の強さを変えることにより、上記した共振の周波数の電圧ピークが変化することを見出し、これを利用して特定の周波数成分の信号波形をモニタ検出し得る周波数アナライザに適用することを提案している。

ところで、本願発明者は、非特許文献１において提案された測定回路を検討した結果、ＴＭＲ素子の両端間電圧（直流電圧（整流された脈流電圧））を検出するために使用されているローパスフィルタとしてインダクタを使用することにより、構成を簡略化できるというメリットがある反面、発生後短時間で消滅する信号についてはその直流成分を伝達し難いため、検出が困難であるという解決すべき課題が存在していることを見出した。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、発生後短時間で消滅する信号の存在を確実に検出し得る信号検出装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく本発明に係る信号検出装置は、磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた磁気抵抗効果素子と、磁場発生用配線、当該磁場発生用配線に電流を供給する電流供給部、および前記電流が前記磁場発生用配線に流れたときに当該磁場発生用配線の周囲に発生する磁界に対する閉磁路を形成して前記磁化自由層に磁場を印加する磁気ヨークを有して、前記電流の電流値を変更することにより、前記磁化自由層に印加する前記磁場の強さを変更可能に構成された磁場印加部と、入力端子を介して前記磁気抵抗効果素子に交流信号が供給されたときに当該磁気抵抗効果素子の両端に発生する両端間電圧と前記交流信号との差分電圧を増幅して出力する差動増幅部とを備え、前記磁場印加部から前記磁気抵抗効果素子に印加する前記磁場の強さを変更することによって変更した前記磁気抵抗効果素子の共振周波数と同じ周波数の交流信号が前記入力端子に供給されたときに、当該同じ周波数の前記交流信号の存在を検出する信号として、前記交流信号の前記周波数の２倍の周波数の脈流電圧を前記差動増幅部から出力する。

さらに、本発明に係る信号検出装置は、前記磁場印加部が、印加する前記磁場の強さに対する漸増および漸減の少なくとも一方の制御が可能に構成されている。

また、本発明に係る信号検出装置は、前記磁気抵抗効果素子と直列接続されて前記入力端子とグランドとの間に配設されたコンデンサを備え、前記差動増幅部は、前記コンデンサの両端間電圧を前記磁気抵抗効果素子の両端に発生する前記直流電圧として増幅する。

また、本発明に係る信号検出装置は、前記差動増幅部が少なくとも１つのトランジスタを備えて構成され、前記コンデンサは、前記トランジスタの制御端子と電流出力端子との間に配設され、当該トランジスタは、当該制御端子と当該電流出力端子との間に入力された前記コンデンサの両端間電圧を前記磁気抵抗効果素子の前記両端に発生する前記直流電圧として増幅して出力する。

本発明に係る信号検出装置によれば、交流信号の供給時に磁気抵抗効果素子の両端に発生する両端間電圧と交流信号との差分電圧を差動増幅部を用いて検出する構成としたことにより、インダクタを使用する構成とは異なり、交流信号が発生後短時間で消滅する信号であったとしても、差動増幅部が、磁気抵抗効果素子の共振時に発生する磁気抵抗効果素子の両端間の直流電圧（交流信号の周波数の２倍の周波数の脈流電圧）を確実に増幅して出力することができる。したがって、この信号検出装置によれば、発生後短時間で消滅する交流信号についても、この交流信号の周波数が磁気抵抗効果素子の共振周波数と一致しているときには、連続して入力される交流信号と同様にして、差動増幅部から出力される出力信号に基づいて、その交流信号の存在を確実に検出することができる。

また、磁気抵抗効果素子に印加する磁場の強さを変更可能に磁場印加部を構成したことにより、磁気抵抗効果素子に印加する磁場の強さを変更することで磁気抵抗効果素子の共振周波数を変更できるため、入力端子に入力される交流信号に関して、複数の周波数の交流信号の存在を検出することができる。

また、本発明に係る信号検出装置では、印加する磁場の強さに対する漸増および漸減の少なくとも一方の制御が可能に磁場印加部が構成されている。したがって、この信号検出装置によれば、例えば、単一の周波数の交流信号が入力されている場合に、磁場の強さを変化させたときの差動増幅部から出力される信号（出力信号）の電圧値は、その単一の周波数と磁気抵抗効果素子の共振周波数とが一致するときに最大となる。したがって、このことを利用して、磁場の各強度における出力信号の電圧値を観測して、磁場の強さに対応する共振周波数と等しい周波数の交流信号が入力端子に入力されているときに、大きな出力信号を得ることができる。また、交流信号に周波数が異なる複数の交流信号が含まれているときであっても、上記の動作と同様にして、磁場の各強さにおける出力信号の電圧値をそれぞれ観測して、磁場の強さを漸増または漸減して変えた１回の掃引操作でその複数の交流信号の存在を検出することができる。このため、この信号検出装置を周波数アナライザとして作動させることができる。

また、本発明に係る信号検出装置によれば、差動増幅部が磁気抵抗効果素子に直列に接続したコンデンサの両端間電圧を差動比較することにより、磁気抵抗効果素子の両端に発生する直流電圧のみを差分電圧として確実に増幅して出力することができるため、この出力信号に基づく交流信号の存在についての検出精度を向上させることができる。

また、本発明に係る信号検出装置によれば、少なくとも１つのトランジスタを備えて差動増幅部を構成し、コンデンサの両端間電圧をこのトランジスタの電流出力端子と制御端子との間に入力して、このトランジスタで増幅して出力するようにしたことにより、差動増幅部を少ない部品点数で構成することができ、製品コストを低減することができる。

以下、本発明に係る信号検出装置の最良の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、信号検出装置１の構成について、図面を参照して説明する。

図１に示す信号検出装置１は、磁気抵抗効果素子２、磁場印加部３、入力端子４ａ，４ｂ（以下、特に区別しないときには入力端子４ともいう）、コンデンサ５、差動増幅部６および出力端子７ａ，７ｂ（以下、特に区別しないときには出力端子７ともいう）を備えている。なお、図１に示す信号検出装置１は、図２に示すような等価回路で表される。

磁気抵抗効果素子２は、一例として、図３，５に示すように磁化自由層２１を含むＴＭＲ素子で構成されている。具体的には、磁気抵抗効果素子２は、磁化自由層２１、スペーサ層２２、磁化固定層２３および反強磁性層２４を備え、この順に積層された状態で、上部電極２５と下部電極２６との間に、磁化自由層２１が上部電極２５に接続され、かつ反強磁性層２４が下部電極２６に接続された状態で配設されている。この場合、磁化自由層２１は、強磁性材料で感磁層として構成されている。スペーサ層２２は、本発明における非磁性スペーサ層であって、絶縁性を有する非磁性材料で構成されて、トンネルバリア層として機能する。なお、スペーサ層２２は、通常１ｎｍ以下の厚みで形成される。また、下部電極２６はグランドに接続されている。

磁化固定層２３は、一例として、図３，５に示すように、磁化方向が固定された強磁性層（第２磁性層）２３ａ、Ｃｕなどの金属からなる非磁性層２３ｂ、および磁化方向が強磁性層２３ａと逆向きとなるように固定された他の強磁性層（第１磁性層）２３ｃとを備え、強磁性層２３ｃが反強磁性層２４の上部に位置するように各層がこの順に積層されて構成されている。この場合、一対の強磁性層２３ａ，２３ｃは、その磁化方向が磁気抵抗効果素子２の厚み方向（Ｚ軸方向）と垂直に設定されている。また、反強磁性層２４は、下側の強磁性層２３ｃに交換結合されている。

また、磁気抵抗効果素子２は、磁化自由層２１において磁化の向きの共振が発生し易いように、図４に示すように、磁化自由層２１における容易磁化軸Ｆの向きと、後述する磁場印加部３から印加される磁場Ｈの向きとが、Ｘ−Ｙ平面内において、所定の角度θ（好ましくは５°〜１７５°の範囲の角度）で交差するように、磁気抵抗効果素子２と磁場印加部３との位置関係が予め規定されている。

磁場印加部３は、図１，５に示すように、磁場発生用配線３１、磁気ヨーク３２および電流供給部３３を備えている。磁場発生用配線３１は、図５に示すように、上部電極２５を介して磁気抵抗効果素子２の上方に配設されている。磁気ヨーク３２は、頂部磁性体３２ａ、側面部磁性体３２ｂ，３２ｃ、下部磁性体３２ｄ，３２ｅ、および底部磁性体３２ｆ，３２ｇを備えている。この場合、頂部磁性体３２ａは、磁場発生用配線３１の上方に配設されている。側面部磁性体３２ｂは、磁場発生用配線３１の一方の側方（一例として、図５では右側方）に配設されて、頂部磁性体３２ａに接続されている。また、側面部磁性体３２ｃは、磁場発生用配線３１の他方の側方（一例として、図５では左側方）に配設されて、頂部磁性体３２ａに接続されている。下部磁性体３２ｄは、磁気抵抗効果素子２の一方の側方（一例として、図５では右側方）に配設されて、側面部磁性体３２ｂに接続されている。また、下部磁性体３２ｅは、磁気抵抗効果素子２の他方の側方（一例として、図５では左側方）に配設されて、側面部磁性体３２ｃに接続されている。この構成により、下部磁性体３２ｅ、側面部磁性体３２ｃ、頂部磁性体３２ａ、側面部磁性体３２ｂおよび下部磁性体３２ｄは、この順に連結されて全体として短冊状に形成され、かつ図１に示すように磁場発生用配線３１を跨ぐようにして磁気抵抗効果素子２の上方に配設されている。

底部磁性体３２ｆは、図１，５に示すように、下部磁性体３２ｄに接続された状態で下部磁性体３２ｄの下方に配設されている。また、底部磁性体３２ｆは、その磁気抵抗効果素子２方向の端部側が、磁気抵抗効果素子２の上部電極２５および下部電極２６間にこれらと絶縁された状態で進入すると共に、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１における一方の側面近傍に達している。底部磁性体３２ｇは、下部磁性体３２ｅに接続された状態で下部磁性体３２ｅの下方に配設されている。また、底部磁性体３２ｅも、その磁気抵抗効果素子２方向の端部側が、上部電極２５および下部電極２６間にこれらと絶縁された状態で進入すると共に、磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１における他方の側面近傍に達している。

磁気ヨーク３２は、上記の構成により、磁場発生用配線３１に電流Ｉが流れたときに磁場発生用配線３１の周囲に発生する磁界に対する閉磁路を形成して、図４に示すように、この閉磁路のギャップとなる部位（一対の底部磁性体３２ｆ，３２ｇ間の隙間）に配設された磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１に対して磁場Ｈを印加する。また、本例では、一例として、上述した磁場印加部３の磁場発生用配線３１および磁気ヨーク３２は、磁気抵抗効果素子２と共に、公知の半導体製造プロセスを利用して、シリコンウェハ上に形成される。

電流供給部３３は、頂部磁性体３２ａの両側から延出する磁場発生用配線３１の各端部に接続されて、磁場発生用配線３１に電流Ｉを供給する。また、電流供給部３３は、この電流Ｉの電流値を変更可能に構成されている。したがって、磁場印加部３は、電流供給部３３から出力される電流Ｉの電流値を変更することにより、磁気抵抗効果素子２に印加する磁場Ｈの強さを変更可能となっている。なお、本例では、磁気ヨーク３２内を通過する磁場発生用配線３１の数は１つに形成されているが、磁場発生用配線３１をコイル状に形成して、磁気ヨーク３２内を通過する磁場発生用配線３１の数を複数とする構成を採用することにより、磁場Ｈの強さを強めることもできる。

入力端子４ａは、図１に示すように、コンデンサ５を介して上部電極２５に接続されている。一方、入力端子４ｂはグランドに接続されている。したがって、入力端子４ｂは、グランドを介して、下部電極２６に接続されている。コンデンサ５は、図１，２に示すように、磁気抵抗効果素子２と直列に接続された状態で、入力端子４ａとグランドとの間に配設されている。差動増幅部６は、一例としてオペアンプを用いて構成されて、一方の入力端子が入力端子４ａに接続され、他方の入力端子が上部電極２５に接続されている。これにより、差動増幅部６は、コンデンサ５の両端間に発生する電圧を差動増幅して出力信号Ｓ２として出力端子７に出力する。なお、図２に示すように、入力端子４からコンデンサ５を経由して磁気抵抗効果素子２に至るループＬでは、交流信号Ｓ１が供給される入力端子４ａ，４ｂ間、およびコンデンサ５は、交流的にショート状態とみなすことができる。

次に、入力端子４からコンデンサ５を経由して磁気抵抗効果素子２に交流信号Ｓ１が流れたときの磁気抵抗効果素子２の両端間に発生する直流電圧Ｖｄｃについて説明する。図６は、交流信号Ｓ１の周波数ｆと磁気抵抗効果素子２の両端間に発生する直流電圧Ｖｄｃのピーク値の平均値との関係を示すグラフである。ここで、この直流電圧Ｖｄｃとは、磁気抵抗効果素子２の両端間に発生する整流された脈流電圧である。このグラフから明らかなように、交流信号Ｓ１の周波数ｆを変化させた（掃引操作した）場合、磁気抵抗効果素子２の共振周波数と交流信号Ｓ１の周波数とが一致したとき（周波数ｆ２のとき）に直流電圧Ｖｄｃのピーク値は大きな電圧値を示すが、共振周波数ｆ２とは異なる周波数ｆ１（＜ｆ２），ｆ３（＞ｆ２）では小さな電圧値となる。実際に周波数がｆ１，ｆ２，ｆ３の各交流信号（正弦波信号）Ｓ１を入力したときの磁気抵抗効果素子２の両端間電圧Ｖａ（磁気抵抗効果素子２におけるコンデンサ５側の端部の電圧。図２参照）の電圧波形はそれぞれ図７，８，９に示すようになる。この場合、周波数ｆ２の交流信号Ｓ１のときには、図８に示すように、磁気抵抗効果素子２の共振によって発生した大きな直流電圧（約１ｍＶ）が重畳することにより、磁気抵抗効果素子２の両端間電圧Ｖａの電圧波形は正側にシフトしているが、共振周波数ｆ２とは異なる周波数ｆ１，ｆ３の交流信号Ｓ１のときには、磁気抵抗効果素子２が共振しないため、図７，９に示すように、磁気抵抗効果素子２の両端間電圧Ｖａの電圧波形には直流成分は発生（重畳）していない。

詳細には、交流信号Ｓ１（図１０における1段目の波形）の周波数が磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ２と一致しているとき（または、交流信号Ｓ１に共振周波数ｆ２と等しい周波数の交流信号が含まれているとき）には、磁気抵抗効果素子２において共振が発生する。このため、磁気抵抗効果素子２の抵抗値は共振周波数ｆ２で大きく増減し、これによって磁気抵抗効果素子２の両端には、スピントルクダイオード効果により、図１０における２段目の波形図において破線で示すような整流された脈流電圧（直流電圧Ｖｄｃ）が発生する。したがって、コンデンサ５における磁気抵抗効果素子２側の端部の電圧波形Ｖａは、同図における２段目の波形図において実線で示すように、交流信号Ｓ１にこの整流された脈流電圧（直流電圧Ｖｄｃ）が重畳した波形となる。差動増幅部６は、コンデンサ５における入力端子４側の端部の電圧（すなわち交流信号Ｓ１）とコンデンサ５における磁気抵抗効果素子２側の端部の電圧（磁気抵抗効果素子２の両端間電圧Ｖａ）との差分電圧（同図における３段目の２つの電圧Ｖａ，Ｓ１の差分電圧、すなわち２段目の破線で示す直流電圧Ｖｄｃ）を増幅して、同図における４段目に示すように、脈流電圧である出力信号Ｓ２を出力する。この場合、出力信号Ｓ２は交流信号Ｓ１に対して二乗検波された信号を増幅したものであるため、交流信号Ｓ１の周波数（共振周波数ｆ２と同じ周波数）の２倍の周波数が検出される。さらに、図１１に示すように、磁場Ｈの強さをＨａ，Ｈｂ，Ｈｃ（Ｈａ＜Ｈｂ＜Ｈｃ）というように変更することにより、共振周波数をｆａ，ｆｂ，ｆｃ（ｆａ＜ｆｂ＜ｆｃ）というように変化させることができるため、この差動増幅部６を用いた信号検出装置１は交流信号Ｓ１の周波数を測定する周波数測定装置としても機能する。

また、信号検出装置１では、上記したように、コンデンサ５の両端間に発生する直流電圧Ｖｄｃを平滑することなく差動増幅部６で増幅して、磁気抵抗効果素子２の両端間に発生する直流電圧としての出力信号Ｓ２を出力している。このため、インダクタを使用して平滑する従来の構成とは異なり、この信号検出装置１では、交流信号Ｓ１が発生後短時間で消滅する信号であったとしても、磁気抵抗効果素子２の共振時に発生する磁気抵抗効果素子２の両端間の直流電圧Ｖｄｃが確実に出力信号Ｓ２として出力される。このため、発生後短時間で消滅する交流信号Ｓ１についても、この出力信号Ｓ２に基づいて、その交流信号Ｓ１の存在が確実に検出される。

このように、この信号検出装置１によれば、交流信号Ｓ１の供給時に磁気抵抗効果素子２の両端に発生する直流電圧Ｖｄｃ、具体的には磁気抵抗効果素子２の両端間電圧Ｖａと交流信号Ｓ１との差分電圧を差動増幅部６を用いて検出する構成としたことにより、インダクタを使用する構成とは異なり、交流信号Ｓ１が発生後短時間で消滅する信号であったとしても、差動増幅部６が、磁気抵抗効果素子２の共振時に発生する磁気抵抗効果素子２の両端間の直流電圧Ｖｄｃ（整流された脈流電圧であって、交流信号の周波数の２倍の周波数の脈流電圧）を確実に増幅して出力信号Ｓ２として出力することができる。したがって、この信号検出装置１によれば、発生後短時間で消滅する交流信号Ｓ１についても、この交流信号Ｓ１の周波数が磁気抵抗効果素子２の共振周波数ｆ２と一致しているときには、連続して入力される交流信号Ｓ１と同様にして、この出力信号Ｓ２に基づいて、その交流信号Ｓ１の存在を確実に検出することができる。

また、この信号検出装置１では、差動増幅部６が磁気抵抗効果素子２に直列に接続したコンデンサ５の両端間電圧を磁気抵抗効果素子２の両端に発生する直流電圧Ｖｄｃ（整流された脈流電圧）として検出する。この場合、コンデンサ５は交流的に短絡しているとみなせるため、磁気抵抗効果素子２にはコンデンサ５を介して交流信号Ｓ１が印加され、コンデンサ５における磁気抵抗効果素子２側の端部の電圧（磁気抵抗効果素子２の両端間電圧Ｖａ）は、印加されている交流信号Ｓ１に、磁気抵抗効果素子２の両端間に発生する直流電圧Ｖｄｃが重畳した電圧となる。したがって、この信号検出装置１によれば、差動増幅部６がコンデンサ５の両端間電圧（コンデンサ５の各端部に発生する両電圧の差分電圧）を検出（差動比較）することにより、磁気抵抗効果素子２の両端に発生する直流電圧Ｖｄｃのみを確実に増幅して出力信号Ｓ２として出力することができるため、この出力信号Ｓ２に基づく交流信号の存在についての検出精度を向上させることができる。

また、この信号検出装置１では、磁場発生用配線３１に供給する電流Ｉの電流値を変更可能に電流供給部３３が構成されて、磁気抵抗効果素子２に印加する磁場Ｈの強さを変更可能に磁場印加部３が構成されている。したがって、この信号検出装置１によれば、磁気抵抗効果素子２に印加する磁場Ｈの強さを変更することで磁気抵抗効果素子２の共振周波数を変更できるため、入力端子４に入力される交流信号Ｓ１に関して、複数の周波数の交流信号の存在を検出することができる。

なお、本発明は上記の構成に限定されない。例えば、磁気抵抗効果素子２としてＴＭＲ素子を使用した例について上記したが、他の磁気抵抗効果素子を使用することもできる。具体的には、図１２に示す構成のＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を磁気抵抗効果素子２として使用することができる。このＣＰＰ−ＧＭＲ素子の概要について説明すると、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、同図に示すように、キャップ層４１、磁化自由層４２、スペーサ層（本発明における非磁性スペーサ層）４３、磁化固定層４４、反強磁性層４５、バッファ層４６を備え、この順に積層された状態で、上部電極２５と下部電極２６との間に、キャップ層４１が上部電極２５に接続され、かつバッファ層４６が下部電極２６に接続された状態で上部電極２５と下部電極２６との間に配設されている。この場合、磁化固定層４４は、一例として同図に示すように、磁化方向が固定された強磁性層（第２磁性層）４４ａ、Ｒｕなどの金属からなる非磁性層４４ｂ、および磁化方向が強磁性層（第２磁性層）４４ａと逆向きとなるように固定された他の強磁性層（第１磁性層）４４ｃとを備え、強磁性層４４ｃが反強磁性層４５の上部に位置するように各層がこの順に積層されて構成されている。磁気抵抗効果素子２としてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を使用する構成では、ＴＭＲ素子を使用する構成と比較して、ピーク波形がより尖鋭な波形となるため、より精度良く交流信号Ｓ１の存在を検出することができる。

また、交流信号Ｓ１に周波数が異なる複数の交流信号が含まれているときであっても、磁場印加部３が印加する磁場Ｈの強さに対する漸増または／および漸減の制御を行うことにより、上記の動作と同様にして、磁場Ｈの各強度における出力信号Ｓ２の電圧値をそれぞれ観測して、電圧波形にピーク波形が存在しているか否かに基づいて、磁場Ｈの強さを漸増または漸減した変えた１回の検出動作でこの複数の交流信号の存在を検出することができる。このため、信号検出装置１を周波数アナライザとして作動させることができる。

また、差動増幅部６をオペアンプで構成した例について上記したが、図１３に示すように、１つのトランジスタ（少なくとも１つの一例）を使用して差動増幅部６を構成することもできる。なお、複数のトランジスタを用いて構成することもできる。また、図２と同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。この場合、同図に示すように、トランジスタとしてＮＰＮ型バイポーラトランジスタ（以下、「トランジスタ」ともいう）６１を使用したときには、そのベース端子（制御端子）をインピーダンス素子６２を介してコンデンサ５と磁気抵抗効果素子２との接続点（例えば上部電極２５）に接続し、そのエミッタ端子（電流出力端子）をインピーダンス素子６３を介して入力端子４ａに接続し、そのコレクタ端子は抵抗６４を介して電源（Ｖｃｃ）に接続する。また、トランジスタ６１を線形領域で動作させるために、磁気抵抗効果素子２とグランドとの間に直流定電圧源６５を配設して、エミッタ端子とベース端子との間の電位差が常にトランジスタ６１のＶ_ＢＥ（約０．７ボルト）より大きくなるように設定する。インピーダンス素子６２，６３としては、通常、抵抗が使用され、その抵抗値は入力端子４に交流信号Ｓ１を供給する供給ラインのインピーダンス（通常は５０Ω）に対して十分に大きな抵抗値（約５００Ω以上）に設定される。この構成により、コンデンサ５の両端間電圧が１つのトランジスタ６１で増幅されてコレクタ端子に接続された出力端子７ａから出力信号Ｓ２が出力される。このように差動増幅部６を１つのトランジスタ６１で構成することにより、差動増幅部６を少ない部品点数で構成することができ、製品コストを低減することができる。また、トランジスタ６１の動作点をより安定化させるため、同図に示すように、エミッタ端子側に定電流源６６を配設する構成を採用することもできる。この場合、トランジスタ６１のエミッタ端子およびインピーダンス素子６３の接続点と定電流源６６との間にインダクタ６７を配設して、交流成分の定電流源６６への流れ込みを低減する構成とするのがより好ましい。また、トランジスタとして電界効果型トランジスタを使用してもよいのは勿論である。

また、上記の例では、磁場印加部３の磁場発生用配線３１、磁気ヨーク３２および磁気抵抗効果素子２を、公知の半導体製造プロセスを利用してシリコンウェハ上に形成しているが、磁場印加部３を構成する電流供給部３３、コンデンサ５および差動増幅部６を同じシリコンウェハ上に一体的に形成することもできる。また、信号検出装置１については、差動増幅部６から出力される出力信号Ｓ２の周波数が交流信号Ｓ１の周波数の２倍となるため、逓倍装置としても構成することができる。

信号検出装置１の構成を示す斜視図である。図１の等価回路図である。磁気抵抗効果素子２（ＴＭＲ素子）近傍の斜視図である。磁気抵抗効果素子２の磁化自由層２１近傍の斜視図である。図１におけるＷ−Ｗ線断面図である。磁気抵抗効果素子２に印加する磁場Ｈを一定としたときの周波数ｆと磁気抵抗効果素子２の両端間の直流電圧Ｖｄｃとの関係図である。周波数がｆ１の交流信号Ｓ１を供給したときの磁気抵抗効果素子２の両端間電圧Ｖａの波形図である。周波数がｆ２の交流信号Ｓ１を供給したときの磁気抵抗効果素子２の両端間電圧Ｖａの波形図である。周波数がｆ３の交流信号Ｓ１を供給したときの磁気抵抗効果素子２の両端間電圧Ｖａの波形図である。信号検出装置１の動作を説明するための波形図である。磁気抵抗効果素子２に印加する磁場Ｈを変化させたときの共振周波数ｆと磁気抵抗効果素子２の両端間の直流電圧Ｖｄｃのピーク値との関係を示す波形図である。磁気抵抗効果素子２（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子）近傍の斜視図である。差動増幅部６を１つのトランジスタ６１で構成した場合の回路図である。

符号の説明

１信号検出装置
２磁気抵抗効果素子
３磁場印加部
４ａ，４ｂ入力端子
５コンデンサ
６差動増幅部
２１，４２磁化自由層
２２，４３スペーサ層
２３，４４磁化固定層

Claims

磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた磁気抵抗効果素子と、
磁場発生用配線、当該磁場発生用配線に電流を供給する電流供給部、および前記電流が前記磁場発生用配線に流れたときに当該磁場発生用配線の周囲に発生する磁界に対する閉磁路を形成して前記磁化自由層に磁場を印加する磁気ヨークを有して、前記電流の電流値を変更することにより、前記磁化自由層に印加する前記磁場の強さを変更可能に構成された磁場印加部と、
入力端子を介して前記磁気抵抗効果素子に交流信号が供給されたときに当該磁気抵抗効果素子の両端に発生する両端間電圧と前記交流信号との差分電圧を増幅して出力する差動増幅部とを備え、
前記磁場印加部から前記磁気抵抗効果素子に印加する前記磁場の強さを変更することによって変更した前記磁気抵抗効果素子の共振周波数と同じ周波数の交流信号が前記入力端子に供給されたときに、当該同じ周波数の前記交流信号の存在を検出する信号として、前記交流信号の前記周波数の２倍の周波数の脈流電圧を前記差動増幅部から出力する信号検出装置。
前記磁場印加部は、印加する前記磁場の強さに対する漸増および漸減の少なくとも一方の制御が可能に構成されている請求項１記載の信号検出装置。
前記磁気抵抗効果素子と直列接続されて前記入力端子とグランドとの間に配設されたコンデンサを備え、
前記差動増幅部は、前記コンデンサの両端間電圧を前記磁気抵抗効果素子の両端に発生する前記直流電圧として増幅する請求項１または２記載の信号検出装置。
前記差動増幅部は少なくとも１つのトランジスタを備えて構成され、前記コンデンサは、前記トランジスタの制御端子と電流出力端子との間に配設され、当該トランジスタは、当該制御端子と当該電流出力端子との間に入力された前記コンデンサの両端間電圧を前記磁気抵抗効果素子の前記両端に発生する前記直流電圧として増幅して出力する請求項３記載の信号検出装置。