JPWO2016125780A1 - 磁気計測装置、磁気計測ユニット、磁気計測システム、および磁気計測方法 - Google Patents

磁気計測装置、磁気計測ユニット、磁気計測システム、および磁気計測方法 Download PDF

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Abstract

センス電流により発生する磁場の影響を低減した磁気計測装置を提供する。磁気計測装置（１０）は、磁気抵抗素子（１）と、磁化自由層（７）に対向する上部配線層（２）と、磁化固定層（６）に対向する下部配線層（３）とを備え、上部配線層（２）と磁化自由層（７）との間に上部層間配線（４）が垂設され、下部配線層（３）と磁化固定層（６）との間に下部層間配線（５）が垂設される。

Description

本発明は、磁気抵抗効果を利用して被測定対象の磁界を測定する、磁気計測装置、磁気計測ユニット、磁気計測システム、および磁気計測方法に関する。
現在、磁気を計測する素子として、半導体のホール効果を応用したホール素子、半導体や磁性体の磁気抵抗効果を応用した磁気抵抗素子、磁性体に導線をコイル状に巻きつけたフラックスゲート磁束計等が広く用いられている。また近年では、超伝導体の量子干渉効果を用いたＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）が超高感度の磁束計として用いられている。
しかしながら、一般的な半導体ホール素子や磁気抵抗素子の磁界検出感度は、１×１０−７〜１×１０−8Ｔ（テスラ）程度である。そのため、近年注目されている人体の生活活動電流に伴う微小な磁界や、電子機器の残留磁力を計測するためには、更に高い磁界検出感度が必要となる。また、磁界検出感度が高いとされるフラックスゲート磁束計においても、磁界検出感度は、１×１０−１０Ｔ程度であり、さらなる感度向上が求められている。加えて、医療分野においては、磁界の強度の空間的な分布を測定することが重要であり、そのためには、磁界を検出する素子を格子状に配置する必要がある。しかしながら、フラックスゲート磁束計は、コイルを用いて磁界を測定するため、磁界を検出する素子を格子状に配置することは困難である。
また、超伝導体の量子干渉効果を用いて磁界を測定するＳＱＵＩＤは、１×１０−１４Ｔ程度の非常に高い磁界検出感度を示すものの、厳密な素子構造と、ＦＬＬ（Ｆｌｕｘ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路とで構成される複雑で大規模な駆動回路が必要であり、また装置を液体ヘリウム等で低温に冷却する必要がある。そのため、装置そのものが大がかりなものとなり、一般的に使用することは困難である。
そのため、高い磁気検出感度を有し、小型で、簡便に測定を行うことができる磁気計測装置が求められている。
例えば特許文献１には、常温で使用可能な磁気センサを用いて、高精度に生体磁気を測定することができる生体磁気計測装置が開示されている。特許文献１に記載の生体磁気計測装置は、磁化の向きが固定された磁化固定層と、外部磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する磁化自由層と、磁化自由層と磁化固定層との間に配置された絶縁層とを有する磁気抵抗素子を備える磁気センサを、生体に対して対向するように配置することで生体の磁気を測定している。当該磁気抵抗素子は、磁化固定層の磁化の向きと、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電気抵抗値が変化する。そのため、当該電気抵抗値の変化を測定することで、生体磁気の測定を行うことができる。
国際公開第２０１２／０３２９６２号
しかしながら、特許文献１に記載の生体磁気計測装置は、絶縁層の電気抵抗の変化により磁気を測定しているため、電気抵抗を測定するための電流を流す必要がある（この電流をセンス電流と呼ぶ）。そこで、本願発明者らは、センス電流によって発生する磁界が、計測対象の磁界に対してノイズとなってしまうことを見出した。特に、生体磁気といった微弱な磁界の測定を行う際には、センス電流によって発生する磁界のノイズの影響は大きくなるが、特許文献１に記載の生体磁気計測装置においては、センス電流によって発生する磁界の影響は考慮されておらず、対策も行われていない。
本発明は上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、磁気抵抗素子を用いた磁気計測装置において、センス電流によって発生する磁界の影響を低減することで、微弱な磁界を正確に測定することができる磁気計測装置を提供することにある。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る磁気計測装置は、外部磁場により磁化の向きが変化する磁化自由層、磁化の向きが固定された磁化固定層、および前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置された絶縁層が積層された磁気抵抗素子と、前記磁化自由層に対して前記絶縁層側とは反対側で対向する第１配線層と、前記磁化固定層に対して前記絶縁層側とは反対側で対向する第２配線層とを備え、前記磁気抵抗素子に対して、前記第１配線層または前記第２配線層からセンス電流を流すことで磁気を計測する磁気計測装置であって、前記第１配線層と前記磁化自由層との間に第１層間配線が垂設されると共に、前記第２配線層と前記磁化固定層との間に第２層間配線が垂設されていることを特徴とする。
本発明の一態様によれば、第１配線層と磁化自由層との間に第１層間配線を、第２配線層と磁化固定層との間に第２層間配線をも設けることで、第１配線層および第２配線層から磁化自由層までの距離を遠くすることができる。これにより、センス電流により発生する磁界の影響を低減し、微弱な磁界であっても正確に測定することが可能となる。
（ａ）は、本発明の実施形態１に係る磁気計測装置を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるセンス電流の流路、およびセンス電流により発生する磁界を示す図である。 本発明の実施形態２に係る磁気計測装置を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、センス電流により発生する磁界を示す模式図である。 （ａ）は図３の（ａ）における磁界の分布を示す図であり、（ｂ）は、図３の（ｂ）における磁界の分布を示す図である。 本発明の実施形態３に係る磁気計測装置を示す模式図である。 センス電流により発生する磁界の分布を示す図である。 本発明の実施形態４に係る磁気計測装置を示す模式図である。 本発明の実施形態４の変形例に係る磁気計測装置を示す模式図である。 本発明の実施形態４の比較例に係る磁気計測装置を示す模式図である。 本発明の実施形態５に係る磁気計測装置を示す模式図である。 本発明の実施形態５の変形例に係る磁気計測装置を示す模式図である。 （ａ）および（ｂ）はそれぞれ、本発明の実施形態５の変形例に係る磁気計測装置を示す模式図である。 （ａ）は、本発明の実施形態６に係る磁気計測ユニットを示す模式図であり、（ｂ）は、磁気計測ユニットが備えるセルの部分拡大図である。 本発明の実施形態６に係る磁気計測システムの構成要素を示すブロック図である。 本発明の実施形態６に係る磁気計測システムを用いた磁気計測方法の流れを示すフローチャートである。 （ａ）は、従来用いられている磁気計測装置を示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気計測装置を流れるセンス電流、およびセンス電流によって発生する磁界を示す図である。
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
〔実施形態１〕
図１の（ａ）は、本実施形態に係る磁気計測装置１０を示す模式図であり、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）に示す磁気計測装置１０に流れるセンス電流Ｉの経路およびセンス電流によって発生する磁界Ｂを示している。
図１の（ａ）に示すように、本実施形態に係る磁気計測装置１０は、磁気抵抗素子１、上部配線層（第１配線層）２、下部配線層（第２配線層）３、上部層間配線（第１層間配線）４、および下部層間配線（第２層間配線）５を備えている。なお、図１の（ａ）においては、磁気抵抗素子１が３つ直列に接続している例を示したが、磁気計測装置１０が備えている磁気抵抗素子１の数はこれに限られるものでは無い。
磁気抵抗素子１は、磁化の向きが固定された磁化固定層６、外部磁場によって磁化の向きが変化する磁化自由層７、および磁化自由層７と磁化固定層６との間に配置された絶縁層８が積層された素子である。また、磁気抵抗素子１は、積層方向に直交する方向の断面が矩形である。
上部配線層２は、磁気抵抗素子１の積層方向に垂直な平面内に形成されており、磁気抵抗素子１の磁化自由層７に対して絶縁層８側とは反対側で対向している。下部配線層３は、磁気抵抗素子１の積層方向に垂直な平面内に形成されており、磁気抵抗素子１に磁化固定層６に対して絶縁層８側とは反対側で対向している。図１の（ａ）に示すように、上部配線層２および下部配線層３は、隣接する磁気抵抗素子１の間に互い違いとなるように形成されている。
上部層間配線４は、上部配線層２と磁化自由層７との間に垂設される。また、下部層間配線５は、下部配線層３と磁化固定層６との間に垂設される。
ここで、磁気抵抗素子１は、上述したように、磁化自由層７の磁化の向きが外部磁化によって変化し、磁化固定層６の磁化の向きと、磁化自由層７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８の電気抵抗値が変化する。そのため、磁気抵抗素子１に電気抵抗を測定するための電流であるセンス電流Ｉを流し、磁気抵抗素子１の電気抵抗値を測定することで、磁気抵抗素子１の磁化自由層７に作用している磁界を計測することができる。
図１の（ｂ）に、図１の（ａ）に示す磁気計測装置１０に流れるセンス電流Ｉの経路およびセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂを示している。図１の（ａ）および（ｂ）に示すように、下部配線層３から流れてきたセンス電流Ｉは、下部層間配線５を通り、磁気抵抗素子１へと流れる。そして、上部層間配線４、上部配線層２、上部層間配線４を通り次の磁気抵抗素子１へと流れる、その後、センス電流Ｉは、下部層間配線５、下部配線層３と流れる。以降同様にして、次の磁気抵抗素子１へとセンス電流Ｉが流れていく。
センス電流Ｉが流れると、磁界Ｂが発生する。センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂは、被磁気計測対象の磁気に対してノイズとなる。特に、磁化自由層７に対して平行に設けられた上部配線層２および下部配線層３を流れるセンス電流Ｉのうち、磁化自由層７の直上および直下を流れるセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂによる影響は大きい。しかしながら、本実施形態に係る磁気計測装置１０においては、上部配線層２と磁化自由層７との間には上部層間配線４が、下部配線層３と磁化固定層６との間には下部層間配線５が設けられている。そのため、上部配線層２および下部配線層３と磁化自由層７との間に一定の距離を有することになり、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を低減することができる。
（従来技術との対比）
ここで、図１６を用いて、本発明の効果について説明する。
図１６の（ａ）は、従来用いられている、磁気抵抗素子２０１を備えた磁気計測装置２００の模式図であり、図１６の（ｂ）は、図１６の（ａ）に示す磁気計測装置２００を流れるセンス電流Ｉ、およびセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂを示す図である。
図１６の（ａ）に示すように、磁気計測装置２００は、磁気抵抗素子２０１、上部配線層２０２、および下部配線層２０３を備える。すなわち、上部層間配線４および下部層間配線５を備えていない点以外は、磁気計測装置１０と同様の構成である。また、磁気抵抗素子２０１は、磁気抵抗素子１と同様に、磁化固定層２０６、磁化自由層２０７、および絶縁層２０８が積層された素子である。
磁気計測装置２００においては、上部配線層２０２が、磁化自由層２０７に直接接続しており、下部配線層２０３が、磁化固定層２０６に直接接続されている。そのため、磁化自由層２０７は、磁化自由層２０７の直上および直下を流れるセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を受けやすい構造である。
例えば、上部配線層２０２の厚みを５ｎｍ、磁化自由層２０７の厚みを３ｎｍ、センス電流Ｉを１×１０−１１Ａとし、センス電流Ｉが上部配線層２０２の最上面（磁化自由層２０７から一番遠い面）を流れると仮定しても、磁化自由層２０７の中心には、３×１０−１０Ｔの磁束密度の磁気が作用することとなる。ここで、生体磁気を測定対象とする磁気計測装置を考えた場合には、脳磁は１×１０−１５〜１×１０−１２Ｔ程度であり、心磁は１×１０−１４〜１×１０−１０Ｔ程度である。そのため、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂの影響を低減しなければ、生体磁気を正確に測定することは難しい。
これに対し本実施形態に係る磁気計測装置１０は、上部配線層２および下部配線層３と磁化自由層７との間に一定の距離を有する。そのため、例えば磁化自由層７と上部配線層２との距離を３μｍ、センス電流Ｉを１×１０−１１Ａとすると、磁化自由層７には、７×１０−１３Ｔの磁束密度の磁気が作用する。このように、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を低減することができ、生体磁気といった微弱な磁気でも正確に測定することが可能となる。
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図２〜図４に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図２は、本実施形態に係る磁気計測装置２０を示す模式図である。図２に示すように、本実施形態に係る磁気計測装置２０は、磁気抵抗素子１、上部配線層２、下部配線層３、上部層間配線（第１層間配線）２４、および下部層間配線（第２層間配線）２５を備えている。すなわち、本実施形態に係る磁気計測装置２０は、上部層間配線４の代わりに上部層間配線２４を、下部層間配線５の代わりに下部層間配線２５を備えていること以外は、第１の実施形態に係る磁気計測装置１０と同様の構成である。
上部層間配線２４は、上部配線層２と磁気抵抗素子１の磁化自由層７との間に垂設される。また、上部層間配線２４は、上部層間配線２４を流れるセンス電流Ｉの方向に垂直な面における重心を通る直線Ｌが、磁化自由層７の厚さ方向に垂直な面における重心を通るように形成されている。下部層間配線２５は、下部配線層３と磁気抵抗素子１の磁化固定層６との間に垂設される。また、下部層間配線２５は、下部層間配線２５を流れるセンス電流Ｉの方向に垂直な面における重心を通る直線Ｌが、磁化自由層７の厚さ方向に垂直な面における重心を通るように形成されている。
すなわち、本実施形態に係る磁気計測装置２０においては、上部層間配線２４、磁化自由層７、および下部層間配線２５の重心は、すべて同一直線（直線Ｌ）上にある。そのため、センス電流Ｉは、磁化自由層７の厚さ方向に垂直な面における重心を垂直に流れる。
図３は、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂを示す模式図であり、図３の（ａ）は、センス電流Ｉが、磁化自由層７の厚さ方向に垂直な面における重心を垂直に流れる場合を示しており、図３の（ｂ）は、センス電流Ｉが、磁化自由層７の厚さ方向に垂直な面における重心から外れた位置を垂直に流れる場合を示している。なお、図３において、センス電流Ｉは、紙面手前から紙面奥に向かって流れている。
図３からわかるように、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂは、センス電流Ｉに対して垂直な面内に、すなわち、磁化自由層７に平行な面内に形成される。また、磁界Ｂは、センス電流Ｉを中心として同心円上に右回りに形成される。
ここで、図３の（ａ）のように、センス電流Ｉが磁化自由層７の重心を垂直に流れる場合には、磁化自由層７における磁界Ｂは対称的に分布する。これに対し、図３の（ｂ）に示すように、センス電流Ｉが磁化自由層７の重心から外れた位置を流れる場合には、磁化自由層７における磁界Ｂは、偏った分布を示す。
図４は、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの分布を示す図であり、図４の（ａ）は、図３の（ａ）のα−α線における磁界Ｂの分布を、図４の（ｂ）は、図３の（ｂ）のβ−β線における磁界Ｂの分布をそれぞれ矢印で示している。図４の（ａ）および（ｂ）においては、センス電流Ｉを１．０×１０−１１Ａとした場合の磁束密度を示しており、また、センス電流Ｉが流れる場所を０の位置としている。参考のため、図４の（ａ）および（ｂ）に脳磁レベルの磁束密度である、５．０×１０−１３Ｔの磁束密度を白抜きの矢印で示す。
図４の（ｂ）に示すように、センス電流Ｉが磁化自由層７の重心からはずれた位置を流れている場合には、センス電流Ｉが流れる場所の左右で磁界の方向は反転しているが、磁化自由層７における磁界の分布が左右で偏っていることがわかる。また、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂは、脳磁レベルの磁束密度よりも大きい磁束密度であることがわかる。
ここで、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂは、センス電流Ｉの大きさと、センス電流Ｉが流れている位置からの距離によって決まるため、被測定磁界が有る場合と、被測定磁界が無い場合との両方で、センス電流Ｉを流して電気抵抗値の測定を行い、その差分を取ることでセンス電流Ｉにより発生する磁界Ｂの影響を低減することができる。
しかしながら、センス電流Ｉがノイズ成分（例えば、ジョンソンノイズ、ショットノイズ）によって揺らぐ場合がある。当該ノイズ成分によって発生する磁界は、図４の（ｂ）に示すように、センス電流Ｉが流れる位置の左右で磁界が偏っている場合には、上述した被測定磁界が有る場合と、被測定磁界が無い場合との差分を取ったとしても、影響を差し引くことはできない。
これに対して、本実施形態に係る磁気計測装置２０は、センス電流Ｉが磁化自由層７の重心を流れている。そのため、図４の（ａ）に示すように、磁束密度が、センス電流Ｉが流れる場所（位置０）中心に、磁化自由層７内で左右に対称に打ち消し合うように分布しており、磁化自由層７内において、磁束密度の分布に偏りがない。これにより、センス電流Ｉが上述したノイズ成分によって揺らいだとしても、被測定磁界が有る場合と、被測定磁界が無い場合との差分を取ることで、ノイズ成分も含めて、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を低減することができる。
なお、本実施形態においては、上部層間配線２４、磁化自由層７、および下部層間配線２５の重心が、すべて同一直線上にある例を示したが、それぞれの重心と直線Ｌとは必ずしも一致している必要は無く、それぞれの重心が略同一直線上に形成されていれば、本実施形態に係る磁気計測装置２０と同様の効果を得ることができる。
また、本実施形態においては、上部層間配線２４、磁化自由層７、および下部層間配線２５の重心が、すべて同一直線上にある例を示したが、これに限られるものでは無い。つまり、上記上部層間配線２４（第１層間配線）は、当該上部層間配線２４の重心を含む第１所定領域を通る直線（第１直線）が上記磁化自由層７の重心を含む第２所定領域を通るように配置され、上記下部層間配線２５（第２層間配線）は、当該下部層間配線２５の重心を含む第３所定領域を通る直線（第２直線）が上記磁化自由層７の重心を含む第２所定領域を通るように配置され、上記重心を含む第１所定領域〜第３所定領域はそれぞれ、上記磁化自由層７内において、磁束密度の分布に偏りが生じない範囲に設定されていればよい。例えば、上部層間配線２４の重心を通る直線（第１直線）が、磁化自由層７の重心近傍を通るように配置され、かつ、下部層間配線２５の重心を通る直線（第２直線）が、磁化自由層７の重心近傍を通る構成であってもよい。このような構成であっても、上部層間配線２４および下部層間配線２５を流れるセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂが磁化自由層７内で対称的に分布するため、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を低減することができる。
また、少なくとも、上記上部層間配線２４（第１層間配線）が、当該上部層間配線２４の重心を含む第１所定領域を通る直線（第１直線）が上記磁化自由層７の重心を含む第２所定領域を通るように配置されていればよい。すなわち、少なくとも上部層間配線２４の重心を通る直線（第１直線）が、磁化自由層７の重心近傍を通っていればよい。これは、下部層間配線２５と磁化自由層７との間には、絶縁層８（図示せず）および磁化固定層６があるため、下部層間配線２５と磁化自由層７との間には一定の距離が設けられているからである。そのため、下部層間配線２５を流れるセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂが磁化自由層７に及ぼす影響は軽微であり、少なくとも、上部層間配線２４（第１層間配線）が、当該上部層間配線２４の重心を含む第１所定領域を通る直線（第１直線）が磁化自由層７の重心を含む第２所定領域を通っていれば、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を十分に低減することができる。
〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図５〜図６に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図５は、本実施形態に係る磁気計測装置３０を示す模式図である。図５に示すように、本実施形態に係る磁気計測装置３０は、磁気抵抗素子３１、上部配線層２、下部配線層３、上部層間配線２４、および下部層間配線２５を備えている。すなわち、本実施形態に係る磁気計測装置３０は、磁気抵抗素子１の代わりに磁気抵抗素子３１を備えていること以外は、実施形態２に係る磁気計測装置２０と同様の構成である。
磁気抵抗素子３１は、磁気抵抗素子１と同様に、磁化の向きが固定された磁化固定層３６、外部磁場によって磁化の向きが変化する磁化自由層３７、および磁化自由層３７と磁化固定層３６との間に配置された絶縁層３８が積層された素子である。磁気抵抗素子３１は、センス電流Ｉが流れる向きと直交する方向の断面（以下、単に断面と称する）が円形である。
図６は、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの磁化自由層３７における分布を示す図である。図６は、センス電流Ｉが流れる向きと直交する方向における磁化自由層３７の断面図であり、センス電流Ｉは、紙面の手前から奥に向かって流れている。
図６に示すように、本実施形態に係る磁気計測装置３０は、磁気抵抗素子３１の断面が円形であるため、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの分布が、磁化自由層３７内で対称かつ連続となる。そのため、センス電流Ｉが上述したノイズ成分によって揺らいだとしても、ノイズ成分も含めて、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を緩和することができる。
なお、本実施形態においては、磁気抵抗素子３１の磁化固定層３６、磁化自由層３７、および絶縁層３８の全ての断面が円形の場合を示したが、これに限られるものでは無い。センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂが被測定対象の磁界に与える影響を緩和するためには、少なくとも磁化自由層３７の断面が円形であればよい。また、磁化自由層３７の断面は、円形に限られるものでは無く、楕円形であってもよい。
〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、図７〜図９に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図７は、本実施形態に係る磁気計測装置４０を示す模式図である。図７に示すように、本実施形態に係る磁気計測装置４０は、実施形態１に係る磁気計測装置１０と同様に、磁気抵抗素子１、上部配線層２、下部配線層３、上部層間配線４、および下部層間配線５を備えている。また、磁気抵抗素子１は、磁化固定層６、磁化自由層７、および絶縁層８を備えている。なお、図７においては、磁気抵抗素子１以外の部材についてはセンス電流Ｉの流路で当該部材を示しており、後述する図８〜１１についても同様である。
本実施形態に係る磁気計測装置４０は、上部配線層２および下部配線層３が、磁化自由層７の断面に平行に形成されており、上部配線層２および下部配線層３を流れるセンス電流Ｉは、向きが同じでかつ平行である。そのため、図７に示すように、それぞれの磁化自由層７の直上および直下の上部配線層２および下部配線層３を流れるセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂは、磁化自由層７において、互いに逆向きとなり、磁界を弱め合う。これにより、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂが、被測定対象の磁界に及ぼす影響を低減することができる。
（変形例）
次に、本実施形態に係る磁気計測装置４０の変形例について説明する。上述したように、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂが磁気抵抗素子１の磁化自由層７で互いに弱め合うためには、それぞれの磁化自由層７の直上および直下の上部配線層２および下部配線層３を流れるセンス電流Ｉが、向きが同じでかつ平行であればよい。
図８は、本実施形態の変形例に係る磁気計測装置５０を示す模式図である。磁気計測装置５０は、磁気計測装置４０とは異なった上部配線層５２および下部配線層５３を備える。図８に示すように、磁気計測装置５０の上部配線層５２および下部配線層５３は、磁化自由層７の断面に平行な面内に形成されており、略コの字形である。上部配線層５２および下部配線層５３は、隣接する磁気抵抗素子１に対して互い違いとなるように配置されている。また、上部配線層５２および下部配線層５３を流れるセンス電流Ｉが、それぞれの磁化自由層７の直上および直下で、向きが同じでかつ平行となるように、上部配線層５２および下部配線層５３は、磁気抵抗素子１の並設方向に対してそれぞれ異なる側に配置されている。すなわち、上部層間配線４または下部層間配線５から上部配線層５２または下部配線層５３へと流れるセンス電流Ｉは、略コの字形に形成された上部配線層５２または下部配線層５３を通ることで、流れる方向を１８０度転換し、次の上部配線層５２または下部配線層５３へと流れる。
このように、上部配線層５２および下部配線層５３を流れるセンス電流Ｉが、それぞれの磁気抵抗素子１の直上および直下で、向きが同じでかつ平行であれば、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂが磁化自由層７で打ち消し合う。そのため、上部配線層５２または下部配線層５３の形状は、それぞれの磁化自由層７の直上および直下の上部配線層５２および下部配線層５３を流れるセンス電流Ｉが、向きが同じでかつ平行であれば特に限定されるものでは無い。
（比較例）
これに対して、上部配線層および下部配線層を流れるセンス電流Ｉが、それぞれの磁化自由層７の直上および直下で、平行ではあるが、逆向きである場合について説明する。
図９は、本実施形態の比較例に係る磁気計測装置６０を示す模式図である。磁気計測装置６０は、磁気計測装置５０と同様に、略コの字形に形成された、上部配線層６２および下部配線層６３を備える。磁気計測装置６０においては、上部配線層６２および下部配線層６３を流れるセンス電流Ｉが、それぞれの磁化自由層７の直上および直下で、平行かつ逆向きとなるように、磁気抵抗素子１の並設方向に対して同じ側に配置されている。
図９に示すように、磁化自由層７の直上および直下の上部配線層６２および下部配線層６３を流れるセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂは、それぞれの磁化自由層７において互いに同じ向きとなる。そのため、磁化自由層７において、磁界Ｂは互いに強め合う事となり、被測定対象の磁界に対して影響を及ぼす。特に、生体磁気といった微弱な磁界を測定する場合には、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響は大きい。
〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、図１０に基づいて説明すれる。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
図１０は、本実施形態に係る磁気計測装置７０を示す模式図である。図１０に示すように、本実施形態に係る磁気計測装置７０は、前記実施形態４に係る磁気計測装置４０と同様に、磁気抵抗素子１、上部配線層２、下部配線層３、上部層間配線４、および下部層間配線５を備えている。ここで、磁化自由層７において、センス電流Ｉが磁化自由層７流れる方向（磁気抵抗素子１の積層方向）の中心を中心点Ｏとする。
図１０に示すように、本実施形態に係る上部層間配線４および下部層間配線５は、中心点Ｏから、上部配線層２および下部配線層３におけるセンス電流Ｉの流路までの距離ｒが互いに等しくなるように形成されている。
このように、本実施形態に係る磁気計測装置７０においては、磁化自由層７の直上および直下で、センス電流Ｉが、向きが同じでかつ平行に流れ、さらに、磁化自由層７の中心から、上部配線層２および下部配線層３のセンス電流Ｉの流路までの距離ｒが互いに等しい。そのため、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂは、磁化自由層７の中心において逆向きかつ同じ強度となり、互いに弱め合う。
なお、本実施形態においては、磁化自由層７の中心から、上部配線層２のセンス電流Ｉの流路までの距離と、磁化自由層７の中心から下部配線層３のセンス電流Ｉの流路までの距離とが等しい場合を示したが、磁化自由層７の直上および直下で、センス電流Ｉが、向きが同じでかつ平行に流れていれば、磁化自由層７の中心から、上部配線層２および下部配線層３のセンス電流Ｉの流路までの距離は略等しくなるように形成されていてもよい。つまり、磁化自由層７の中心から、上部配線層２のセンス電流Ｉの流路までの距離と、磁化自由層７の中心から下部配線層３のセンス電流Ｉの流路までの距離とは、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂが、磁化自由層７の中心において逆向きかつ同程度の強度となり、互いに弱め合うような距離に設定されていればよい。
（効果）
次に、本実施形態に係る磁気計測装置７０の効果について説明する。
まず、図１６を用いて、上部配線層２０２および下部配線層２０３を流れるセンス電流Ｉにより発生する磁界Ｂが磁化自由層２０７に及ぼす影響について説明する。
ここで、上部配線層２０２および下部配線層２０３の厚みを５ｎｍ、磁化自由層２０７の厚みを３ｎｍ、絶縁層２０８の厚みを２ｎｍ、磁化固定層２０６の厚みを２６ｎｍ、センス電流Ｉを１×１０−１１Ａとし、センス電流Ｉが上部配線層２０２の最上面、および下部配線層の最下面（磁化自由層２０７から一番遠い面）を流れると仮定する。すると、磁化自由層２０７の中心には、上部配線層２０２を流れるセンス電流Ｉにより、３×１０−１０Ｔの磁束密度の磁気が作用し、下部配線層２０３を流れるセンス電流Ｉにより０．６×１０−１０Ｔの磁束密度の磁気が作用する。
ここで、上部配線層２０２と下部配線層２０３を流れる電流は互いに平行であり、かつ同じ向きである。そのため、磁化自由層２０７の中心においてセンス電流Ｉにより発生する磁界Ｂは互いに打ち消し合い、２．４×１０−１０Ｔの磁界が残存することとなる。
これは、脳磁（１×１０−１５〜１×１０−１２Ｔ）や心磁（１×１０−１４〜１×１０−１０Ｔ）と比較すると、大きな磁界であることがわかる。一方、本実施形態に係る磁気計測装置７０は、センス電流Ｉが流れる方向を平行かつ同じ向きにするだけでは無く、磁化自由層７の中心から、上部配線層２および下部配線層３のセンス電流Ｉのまでの距離ｒを互いに等しくすることにより、上部配線層２を流れるセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂと、下部配線層３を流れるセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂとが磁化自由層７内で、逆向きの方向で、かつ、同じ強度で分布するため、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂを磁化自由層７内で弱め合わせることができる。そのため、脳磁や心磁といった生体磁気を計測対象の磁界とする場合であっても、上部配線層２および下部配線層３を流れるセンス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を磁化自由層７内でキャンセルすることができ、生体磁気といった微弱な磁気であったとしても正確に測定を行うことが可能となる。
（変形例１）
次に、本実施形態に係る磁気計測装置７０の変形例について説明する。図１１は、本実施形態の変形例１に係る磁気計測装置８０を示す模式図である。磁気計測装置８０は、磁気抵抗素子１、上部配線層８２、下部配線層８３、上部層間配線８４、および下部層間配線８５を備えている。
磁気計測装置８０の上部配線層８２および下部配線層８３は、前記実施形態４における図８に示した磁気計測装置５０の上部配線層５２および下部配線層５３と略同一の形状を有している。上部層間配線８４および下部層間配線８５は、前記実施形態５における図１０に示した磁気計測装置７０の上部層間配線７４および下部層間配線７５と同様に、磁気抵抗素子１の磁化自由層７の中心点Ｏから上部配線層８２および下部配線層８３におけるセンス電流Ｉの流路までの距離ｒが互いに等しくなるように形成されている。
磁気計測装置８０をこのような構成としても、前記実施形態５に係る磁気計測装置７０と同様の効果を得ることができる。
（変形例２、３）
図１２は、本実施形態に係る磁気計測装置７０の変形例を示す模式図であり、図１２の（ａ）は、変形例２に係る磁気計測装置９０を、図１２の（ｂ）は、変形例３に係る磁気計測装置１００を示している。
変形例２に係る磁気計測装置９０は、前記実施形態２における図２に示した磁気計測装置２０と、略同一の構成を有している。つまり、磁気計測装置９０は、磁気計測装置２０の上部層間配線２４の代わりに上部層間配線９４を、下部層間配線２５の代わりに下部層間配線９５を備えている以外は、当該磁気計測装置２０と同一である。
上部層間配線９４および下部層間配線９５は、磁気計測装置７０の上部層間配線７４および下部層間配線７５と同様に、磁気抵抗素子１の磁化自由層７の中心点Ｏから上部配線層２２および下部配線層２３におけるセンス電流Ｉの流路までの距離ｒが互いに等しくなるように形成されている。
磁気計測装置９０をこのような構成としても、前記実施形態５に係る磁気計測装置７０と同様の効果を得ることができる。
変形例３に係る磁気計測装置１００は、前記実施形態３における図５に示した磁気計測装置３０と、略同一の構成を有している。つまり、磁気計測装置１００は、磁気計測装置３０の上部層間配線３４の代わりに上部層間配線１０４を、下部層間配線３５の代わりに下部層間配線１０５を備えている以外は、当該磁気計測装置３０と同一である。
上部層間配線１０４および下部層間配線１０５は、前記実施形態５に係る磁気計測装置７０の上部層間配線７４および下部層間配線７５と同様に、磁気抵抗素子１の磁化自由層７の中心点Ｏから上部配線層３２および下部配線層３３におけるセンス電流Ｉの流路までの距離ｒが互いに等しくなるように形成されている。
磁気計測装置１００をこのような構成としても、前記実施形態５に係る磁気計測装置７０と同様の効果を得ることができる。
なお、前記変形例１〜３の磁気計測装置８０〜１００においても、磁化自由層７の中心から、上部配線層２のセンス電流Ｉの流路までの距離と、磁化自由層７の中心から下部配線層３のセンス電流Ｉの流路までの距離とは、必ずしも等しくなくてもよく、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂが、磁化自由層７の中心において逆向きかつ同程度の強度となり、互いに弱め合うような距離に設定されていればよい。
〔実施形態６〕
本発明の他の実施形態について、図１３〜１５に基づいて説明する。なお、説明の便宜上、前記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
（磁気計測ユニット）
図１３の（ａ）は、本実施形態に係る磁気計測ユニット１１０を示す概略図であり、図１３の（ｂ）は、磁気計測ユニット１１０が備えるセル１１３の部分拡大図である。図１３に示すように、磁気計測ユニット１１０は、行方向に伸びる複数の信号線１１１と列方向に伸びる複数の走査線１１２とが交差するように配置され、信号線１１１と走査線１１２とで囲まれる領域のそれぞれに複数個のセル１１３がアレイ状（格子状）に配置された略正方形のアクティブマトリクス基板で構成されている。
複数個のセル１１３のそれぞれは、複数個の磁気抵抗素子１が直列に接続された、磁気計測装置１１４と、基板の絶縁性表面上に形成された酸化物半導体からなるスイッチング素子１１５とを備える。
磁気計測装置１１４の一端は、スイッチング素子１１５を介して走査線１１２に、他端は、信号線１１１に接続している。ここで、磁気計測装置１１４は、上述した磁気計測装置１０、２０、３０、４０、５０、７０、８０、９０、１００のうちの何れかとする。
本実施形態に係る磁気計測ユニット１１０は、ある走査線１１２からの入力信号を活線状態とし、ある信号線１１１にセンス電流Ｉを供給することで、１つのセル１１３が選択され、当該セル１１３における磁気抵抗を測定することができる。このようにして、活線状態とする走査線１１２およびセンス電流Ｉを入力する信号線１１１を順次切り替えることで、それぞれのセル１１３における磁気抵抗を測定することができる。また、セル１１３は、格子状に配置されているため、磁気抵抗の値を２次元的に得ることができ、これにより、被測定対象の磁界の２次元的な分布を得ることが可能となる。
また、スイッチング素子１１５として、オフリーク特性に優れた酸化物半導体を用いることで、アレイ中の他のセル１１３からのリーク電流の影響を低減することができる。そのため、例えば、センス電流Ｉを１×１０−１２Ａ以下の低電流にした場合でも、各セル１１３の磁気抵抗を計測することが可能となる。
なお、上述の実施形態では、スイッチング素子１１５として、オフリーク特性に優れた酸化物半導体素子を用いたが、センス電流Ｉが被測定対象の磁界に及ぼす影響を考慮した上で適用可能であるならば、他の半導体素子をスイッチング素子１１５として用いてもよい。
（磁気計測システム、および磁気計測方法）
次に、図１４および図１５に基づいて前記磁気計測ユニット１１０を備える磁気計測システム１２０、および磁気計測システム１２０を用いた磁気計測方法について説明する。
図１４は、本実施形態に係る磁気計測システム１２０の構成要素を示すブロック図である。図１４に示すように、磁気計測システム１２０は、磁気計測ユニット１１０と、電源１２１と、差分検出装置１２２と、磁気算出装置１２３とを備える。
電源１２１は、磁気計測ユニット１１０に接続され、磁気計測ユニット１１０のセル１１３に所定の大きさのセンス電流Ｉを印加する。
差分検出装置１２２は、磁気計測ユニット１１０に接続されている。差分検出装置１２２は、被測定対象の磁界がない状態で磁気計測ユニット１１０にセンス電流Ｉが印加された場合の出力電圧である第１出力電圧と、被測定対象の磁界がある状態で磁気計測ユニット１１０にセンス電流Ｉが印加された場合の出力電圧である第２出力電圧とを計測し、第１出力電圧と、第２出力電圧との差分を検出する。
磁気算出装置１２３は、差分検出装置１２２に接続され、差分検出装置１２２が検出した、第１出力電圧と第２出力電圧との差分を用いて被測定対象の磁界を算出する。
図１５は、磁気計測システム１２０を用いた磁気計測方法の流れを示すフローチャートである。まず、被測定対処の磁界が無い状態で、電源１２１によって、磁気計測ユニット１１０へ所定のセンス電流Ｉが印加される（Ｓ１）。差分検出装置１２２は、磁気計測ユニット１１０の出力電圧を測定し（Ｓ２）、第１出力電圧として記録する（Ｓ３）（第１ステップ）。次に、被測定対象の磁界が有る状態で、電源１２１によって、磁気計測ユニット１１０へ所定のセンス電流Ｉが印加され、（Ｓ４）、差分検出装置１２２は、磁気計測ユニット１１０の出力電圧を測定し（Ｓ５）、第２出力電圧として記録する（Ｓ６）（第２ステップ）。最後に、差分検出装置１２２が、第１出力電圧と第２出力電圧との差分を検出し、磁気算出装置１２３が当該差分を用いて被測定対象の磁界を算出する（Ｓ７）（第３ステップ）。
このように、本実施形態に係る磁気計測システム１２０、および磁気計測システム１２０を用いた磁気計測方法は、センス電流Ｉを所定値とすることで、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂを一定の値とすることができる。加えて、被測定対象の磁界が無く、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂが存在する場合の出力電圧を測定し、その後、被測定対象の磁界が有り、センス電流により発生する磁界Ｂも存在する場合の出力電圧を測定する。そのため、センス電流Ｉにより磁界Ｂの影響を加味することができ、被測定対象の磁界を正確に計測することが可能となる。
なお、上述したすべての実施形態において、磁化自由層が磁化固定層の上方に配置されている例を示したが、磁気抵抗素子において、磁化自由層は磁化固定層の下方に配置されていてもよい。さらに、被測定対象の磁界は、生体磁気に限られるものでは無く、上述した磁気計測装置、磁気計測ユニット、磁気計測システム、および磁気計測方法は、磁気計測に幅広く用いる事が可能である。
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る磁気計測装置１０は、外部磁場により磁化の向きが変化する磁化自由層７、磁化の向きが固定された磁化固定層６、および前記磁化自由層７と前記磁化固定層６との間に配置された絶縁層８が積層された磁気抵抗素子１と、前記磁化自由層７に対して前記絶縁層８側とは反対側で対向する第１配線層（上部配線層２）と、前記磁化固定層６に対して前記絶縁層８側とは反対側で対向する第２配線層（下部配線層３）とを備え、前記磁気抵抗素子１に対して、前記第１配線層（上部配線層２）または前記第２配線層（下部配線層３）からセンス電流Ｉを流すことで磁気を計測する磁気計測装置１０であって、前記第１配線層（上部配線層２）と前記磁化自由層７との間に第１層間配線（上部層間配線４）が垂設されると共に、前記第２配線層（下部配線層３）と前記磁化固定層６との間に第２層間配線（下部層間配線５）が垂設されている。
上記の構成によれば、第１配線層（上部配線層２）と磁化自由層７との間に第１層間配線（上部層間配線４）を、第２配線層（下部配線層３）と磁化固定層６との間に第２層間配線（下部層間配線５）を設けることで、第１配線層（上部配線層２）および第２配線層（下部配線層３）から磁化自由層７までの距離を遠くすることができる。これにより、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂの影響を低減し、微弱な磁界であっても正確に測定することが可能となる。
本発明の態様２に係る磁気計測装置２０は、上記態様１において、前記第１層間配線（上部層間配線２４）が、当該第１層間配線（上部層間配線２４）の重心を含む第１所定領域を通る第１直線が前記磁化自由層７の重心を含む第２所定領域を通るように配置され、前記重心を含む第１所定領域および第２所定領域はそれぞれ、前記磁化自由層７内において、磁束密度の分布に偏りが生じない範囲に設定されていてもよい。
上記の構成によれば、磁化自由層７に近い第１層間配線（上部層間配線２４）を流れるセンス電流Ｉにより発生する磁界Ｂが、磁化自由層７内で対称的に分布する。そのため、第１層間配線（上部層間配線２４）を流れるセンス電流Ｉにより発生する磁界Ｂの影響を低減することができる。
本発明の態様３に係る磁気計測装置２０は、上記態様２において、前記第２層間配線（下部層間配線２５）は、当該第２層間配線（下部層間配線２５）の重心を含む第３所定領域を通る第２直線が前記磁化自由層７の重心を含む第２所定領域を通るように配置され、前記重心を含む第３所定領域は、前記磁化自由層７内において磁束密度の分布に偏りが生じない範囲に設定されていてもよい。
上記の構成によれば、第２層間配線（下部層間配線２５）を流れるセンス電流Ｉにより発生する磁界Ｂが、磁化自由層７内で対称的に分布する。そのため、第２層間配線（下部層間配線２５）を流れるセンス電流Ｉにより発生する磁界Ｂの影響を低減することができる。
本発明の態様４に係る磁気計測装置２０は、上記態様３において、前記第１層間配線（上部層間配線２４）および前記第２層間配線（下部層間配線２５）は、前記第１直線と前記第２直線とが同一直線（直線Ｌ）上を通るように配置されていてもよい。
上記の構成によれば、第１層間配線（上部層間配線２４）、磁化自由層７、第２層間配線（下部層間配線２５）、および磁化固定層６の重心を同一直線（直線Ｌ）上に配置することで、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂが磁化自由層７内で打ち消し合うように分布するため、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を低減することができる。
本発明の態様５に係る磁気計測装置３０は、上記態様２から４の何れかにおいて、少なくとも前記磁化自由層３７が、前記センス電流Ｉが流れる向きと直交する方向の断面が円形または楕円形であってもよい。
上記の構成によれば、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂが、磁化自由層３７内で対称かつ連続となる。そのため、センス電流Ｉがノイズ成分によって揺らいだとしても、ノイズ成分も含めて、センス電流Ｉによって発生する磁界Ｂの影響を緩和することができる。
本発明の態様６に係る磁気計測装置４０は、上記態様１から５の何れかにおいて、前記第１配線層（上部配線層２）に流れる前記センス電流Ｉと、前記第２配線層（下部配線層３）に流れる前記センス電流Ｉとが、向きが同じでかつ平行であってもよい。
上記の構成によれば、第１配線層（上部配線層２）に流れるセンス電流Ｉにより発生する磁界Ｂと、第２配線層（下部配線層３）に流れるセンス電流Ｉにより発生する磁界Ｂが、磁化自由層７で打ち消し合うように分布する。これにより、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂの影響を低減することができる。
本発明の態様７に係る磁気計測装置７０は、上記態様６において、前記磁化自由層７の積層方向の中心（中心点Ｏ）から前記第１配線層（上部配線層２）におけるセンス電流Ｉの流路までの距離ｒが、前記磁化自由層７の積層方向の中心（中心点Ｏ）から前記第２配線層（下部配線層３）におけるセンス電流Ｉの流路までの距離ｒに略等しくてもよい。
上記の構成によれば、第１配線層（上部配線層２）および第２配線層（下部配線層３）から磁化自由層７までの距離を略等しくすることで、磁化自由層７において、センス電流Ｉにより発生する磁界Ｂを互いに打ち消し合うように分布させることができる。
本発明の態様８に係る磁気計測ユニット１１０は、上記態様１から７の何れかの磁気計測装置１１４と、スイッチング素子１１５とが接続されたセル１１３を複数個備え、前記セル１１３がアレイ状に配置されている。
上記の構成によれば、磁気計測装置１１４を備えるセル１１３をアレイ状に配置することで、磁界の分布を２次元的に測定することができる。
本発明の態様９に係る磁気計測ユニットは、上記態様８において、前記スイッチング素子１１５が酸化物半導体素子であってもよい。
上記の構成によれば、スイッチング素子１１５として、オフリーク特性に優れた酸化物半導体からなる酸化物半導体素子を用いることで、センス電流Ｉを低電流とすることが可能となり、センス電流Ｉにより発生する磁界の影響を低減することができる。
本発明の態様１０に係る磁気計測システム１２０は、上記態様８または９の磁気計測ユニット１１０と、前記磁気計測ユニット１１０内の複数のセル１１３それぞれにセンス電流Ｉを印加する電源１２１と、被磁気計測対象の磁界が無いときに、前記電源１２１により前記セル１１３それぞれにセンス電流Ｉを印加することで、各セル１１３から計測される第１出力電圧と、前記被磁気計測対象の磁界が有るときに、前記電源１２１により前記セル１１３それぞれにセンス電流Ｉを印加することで、各セル１１３から計測される第２出力電圧との差分を検出する差分検出装置１２２と、前記差分検出装置１２２によって検出された差分を用いて、前記被磁気計測対象の磁気を算出する磁気算出装置１２３とを備える。
上記の構成によれば、差分検出装置１２２が、被測定対象の磁界が無い状態で、センス電流Ｉを流して出力電圧の測定を行う。そのため、センス電流Ｉ発生する磁界Ｂの影響を加味した測定を行うことができ、被測定対象の磁界を正確に計測することが可能となる。
本発明の態様１１に係る磁気計測方法は、上記態様８または９に係る磁気計測ユニット１１０にセンス電流Ｉを流すことで被磁気計測対象の磁気を計測する磁気計測方法であって、前記被磁気計測対象の磁気が無いときに前記センス電流Ｉを流すことで第１出力電圧を計測する第１ステップと、前記被磁気計測対象の磁気が有るときに前記センス電流Ｉを流すことで第２出力電圧を計測する第２ステップと、前記被磁気計測対象の磁気を、前記第１ステップにおいて計測した第１出力電圧と前記第２ステップにおいて計測した第２出力電圧との差分を用いて算出する第３ステップとを含む。
上記の方法によれば、上記磁気計測ユニット１１０と同様の効果を奏し、センス電流Ｉ発生する磁界Ｂの影響を加味した測定を行うことができ、被測定対象の磁界を正確に計測することが可能となる。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
本発明は、磁気を測定するための磁気計測装置に用いる事ができる。
１ 磁気抵抗素子
２ 上部配線層（第１配線層）
３ 下部配線層（第２配線層）
４、２４ 上部層間配線（第１層間配線）
５、２５ 下部層間配線（第２層間配線）
６ 磁化固定層
７、３７ 磁化自由層
８ 絶縁層
１０、２０、３０、４０、７０、１１４ 磁気計測装置
１１０ 磁気計測ユニット
１１３ セル
１１５ スイッチング素子
１２０ 磁気計測システム
１２１ 電源
１２２ 差分検出装置
１２３ 磁気算出装置
Ｉ センス電流
Ｂ 磁界
Ｌ 直線
ｒ 距離
Ｏ 中心点

Claims (11)

  1. 外部磁場により磁化の向きが変化する磁化自由層、磁化の向きが固定された磁化固定層、および前記磁化自由層と前記磁化固定層との間に配置された絶縁層が積層された磁気抵抗素子と、
    前記磁化自由層に対して前記絶縁層側とは反対側で対向する第１配線層と、
    前記磁化固定層に対して前記絶縁層側とは反対側で対向する第２配線層とを備え、
    前記磁気抵抗素子に対して、前記第１配線層または前記第２配線層からセンス電流を流すことで磁気を計測する磁気計測装置であって、
    前記第１配線層と前記磁化自由層との間に第１層間配線が垂設されると共に、前記第２配線層と前記磁化固定層との間に第２層間配線が垂設されていることを特徴とする磁気計測装置。
  2. 前記第１層間配線は、当該第１層間配線の重心を含む第１所定領域を通る第１直線が前記磁化自由層の重心を含む第２所定領域を通るように配置され、
    前記重心を含む第１所定領域および第２所定領域はそれぞれ、
    前記磁化自由層内において、磁束密度の分布に偏りが生じない範囲に設定されていることを特徴とする請求項１に記載の磁気計測装置。
  3. 前記第２層間配線は、当該第２層間配線の重心を含む第３所定領域を通る第２直線が前記磁化自由層の重心を含む第２所定領域を通るように配置され、
    前記重心を含む第３所定領域は、前記磁化自由層内において磁束密度の分布に偏りが生じない範囲に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の磁気計測装置。
  4. 前記第１層間配線および前記第２層間配線は、前記第１直線と前記第２直線とが同一直線上を通るように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の磁気計測装置。
  5. 少なくとも前記磁化自由層は、前記センス電流が流れる向きと直交する方向の断面が円形または楕円形であることを特徴とする請求項２から４の何れか１項に記載の磁気計測装置。
  6. 前記第１配線層に流れる前記センス電流と、前記第２配線層に流れる前記センス電流とは、向きが同じでかつ平行であることを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の磁気計測装置。
  7. 前記磁化自由層の積層方向の中心から前記第１配線層におけるセンス電流の流路までの距離は、前記磁化自由層の積層方向の中心から前記第２配線層におけるセンス電流の流路までの距離に略等しいことを特徴とする請求項６に記載の磁気計測装置。
  8. 請求項１から７の何れか１項に記載の磁気計測装置と、スイッチング素子とが接続されたセルを複数個備え、
    前記セルがアレイ状に配置されていることを特徴とする磁気計測ユニット。
  9. 前記スイッチング素子は、酸化物半導体素子であることを特徴とする請求項８に記載の磁気計測ユニット。
  10. 請求項８または９に記載の磁気計測ユニットと、
    前記磁気計測ユニット内の複数のセルそれぞれにセンス電流を印加する電源と、
    被磁気計測対象の磁界が無いときに、前記電源により前記セルそれぞれにセンス電流を印加することで、各セルから計測される第１出力電圧と、前記被磁気計測対象の磁界が有るときに、前記電源により前記セルそれぞれにセンス電流を印加することで、各セルから計測される第２出力電圧との差分を検出する差分検出装置と、
    前記差分検出装置によって検出された差分を用いて、前記被磁気計測対象の磁気を算出する磁気算出装置と、
    を備えたことを特徴とする磁気計測システム。
  11. 請求項８または９に記載の磁気計測ユニットにセンス電流を流すことで被磁気計測対象の磁気を計測する磁気計測方法であって、
    前記被磁気計測対象の磁気が無いときに前記センス電流を流すことで第１出力電圧を計測する第１ステップと、
    前記被磁気計測対象の磁気が有るときに前記センス電流を流すことで第２出力電圧を計測する第２ステップと、
    前記被磁気計測対象の磁気を、前記第１ステップにおいて計測した第１出力電圧と前記第２ステップにおいて計測した第２出力電圧との差分を用いて算出する第３ステップとを含むことを特徴とする磁気計測方法。
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