KR20200094180A - 주파수 센서 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 주파수 센서에 관한 것이다. 상기 주파수 센서는: 최소한 자유 자성층, 기준 자성층, 및 자유 자성층 및 기준 자성층 사이에 배열된 비자성 중간층을 갖는 자성 헤테로구조를 포함하는 자기저항 나노-오밀레이터; 입력 신호를 자유 자성층의 적어도 하나의 자기 모드에 커플링하기 위한 커플링 어레인지먼트; 및 주파수 추정기를 포함할 수 있다. 상기 주파수 추정기는: 시간 경과에 따라 자기저항 나노 오실레이의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행하고; 상기 복수 번의 전압 측정을 기반으로 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 시간 평균 전압을 계산하며; 상기 계산된 시간 평균 전압을 기반으로 한정된 주파수 범위에서 입력 신호의 주파수를 추정하고; 상기 추정된 주파수를 나타내는 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 입력 신호의 주파수를 추정하는 방법도 제공된다.
Description
본 발명은 주파수 센서에 관한 것으로, 상세하게는, 자기저항 나노 오실레이터(magnetoresistive nano-oscillator)를 포함하는 주파수 센서에 관한 것이다.
주파수 범위가 50 MHz에서 1 GHz인 주파수의 신호는, 예를 들어 미국의 저대역 VHF (49 - 108 MHz), 고대역 VHF (169 - 216 MHz), 저대역 UHF (450 - 806 MHz), 고대역 UHF (900 - 952 MHz) 등을 포함하는 다양한 통신 애플리케이션에서 찾아볼 수 있다. 이러한 주파수 대역(band) 중 적어도 하나에서 작동하는 장치의 대략적인 목록에는 워키토키, 무선 마이크, 무선 전화기, 무선 조종 완구, 방송 텔레비전, FM 라디오, 육상 이동 라디오(LMR)/호출기, 무선 항법 보조시설(Radio Navigation Aid), 항공 교통 관제, 초단파 전방향 무선표지 (VOR, VHF Omnidirectional Range) 비컨(beacon), 계기 착륙 시스템(ILS), 및 3G 모바일 네트워크가 포함된다. 이 무선 대역들은 개인, 기업, 및 정부 기관에서 모두 사용된다. SHF 대역(3 - 30 GHz)에서는 와이파이, 4G 및 5G 이동통신, 및 디지털 텔레비전 방송 등이 잠재적 애플리케이션이다.
이러한 애플리케이션 및 장치와 관련된 주파수 검출 및 감지를 위해, 종래의 주파수 센서는, 쇼트키 다이오드와 필터 뱅크를 활용하거나, 한정된 간격에 걸쳐 주파수를 측정하기 위해 커플링(coupling)된 복수 개의 주파수 검출기에 의존할 수 있다.
주파수 감지 능력 및 대량 생산과 그 비용이라는 양쪽 모두의 측면에서 증가하는 요구를 충족시키기 위해 주파수 센서를 개선할 필요가 있다.
위에서 말한 요구를 적어도 일부라도 충족시키기 위해, 본 발명은 적어도 개선된 주파수 센서와 개선된 주파수 추정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 달성하기 위해, 본 발명의 청구범위의 독립항에 정의된 것과 같은, 주파수 센서와 입력 신호의 주파수를 추정하는 방법이 제공된다. 상기 주파수 센서와 상기 방법의 추가 실시예는 청구범위의 종속항에서 제공된다.
본 발명의 첫 번째 태양에 따르면, 주파수 센서가 제공된다. 상기 주파수 센서는 자기저항 나노 오실레이터(magnetoresistive nano-oscillator)를 포함할 수 있다. 상기 자기저항 나노 오실레이터는 적어도 자유 자성층(magnetic free layer), 기준 자성층(magnetic reference layer), 및 상기 자유 자성층과 상기 기준 자성층 사이에 배치되는 비자성 중간층(non-magnetic intermediate layer)을 갖는 자성 헤테로구조(magnetic heterostructure)를 포함할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 자기저항 나노 오실레이터는 일련의 스택된(stacked) 자성층을 포함할 수 있다. 상기 스택된 자성층 중 적어도 하나의 층는 기준 자성층으로서 작용하는 반면, 적어도 하나의 다른 층은 자유 자성층으로서 작용한다. 커플링(coupling)이 쓰일 경우, 둘 이상의 층이 기준 자성층으로서 작용할 수 있다. 예를 들어, RKKY 금속간 커플링을 통해 생성된 합성 반강자성체(SAF, synthetic antiferromagnet)를 기준 자성층으로서 사용할 수 있다.
자유 자성층의 자화(magnetization) 방향은, 예를 들면 직접 전기 DC 여기 또는 고주파 여기를 통하여, 시간 함수로서 변화할 수 있다. 상기 시스템(즉, 자성층 스택)의 총저항은, 기준 자성층 내 자화 방향에 대한 자유 자성층 내 자화 방향의 상대적인 방향(relative orientation)의 함수일 수 있다. 이는, 예를 들어 스핀-밸브에서의 거대 자기저항(GMR) 효과를 통해 또는 자기 터널 접합(MTJ, Magnetic Tunnel Junctions)에서의 터널링 자기저항(TMR) 효과를 통해 달성될 수 있다.
일 예시로, 절연층 양단의 전자 터널링(electrons tunneling) 확률은, 기준 자성층 내 자화의 방향에 대한 자유 자성층 내 자화의 상대적인 방향에 의해 결정될 수 있다. 만약 상기 두 자화의 방향이 평행하다면, 상기 전자 터널링 확률은 증가할 수 있다. 만약 상기 두 자화의 방향이 평행하지 않으면, 전자 터널링 확률은 감소할 수 있다. 자유 자성층과 기준 자성층 내 자화의 상대적인 방향을 제어함으로써, 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 터널링 전류(및 저항)를 제어할 수 있다. 이는, 예를 들어, 적어도 하나의 인가된 외부 자기장을 사용하여 달성될 수 있다.
상기 주파수 센서는 커플링 어레인지먼트(coupling arrangement)를 더 포함할 수 있다. 상기 커플링 어레인지먼트는, 입력 신호를 상기 자유 자성층의 적어도 하나의 자기 모드에 커플링하도록 배치될 수 있다. 자기 모드는 예를 들어 공간 모드 즉, 자유 자성층의 적어도 하나의 가장자리 및/또는 자유 자성층의 중간에 위치한 모드일 수 있다.
커플링 소자는, 예를 들어, 입력 신호가 전류로서 자기저항 나노 오실레이터를 통과하도록 하는 수단을 가짐으로써, STT(Spin Transfer Torque) 또는 상기 전류에 연관된 로컬 자기장과 같은 다양한 가능한 매커니즘을 통해 입력 신호의 전류를 자유 자성층의 자기 모드에 커플링할 수 있다. 커플링 소자는 또한, 예를 들어, 자기저항 나노 오실레이터에 인접한 자기장선(field line)에 입력 신호를 통과시키는 수단을 가짐으로써, 상기 자기장선에 흐르는 전류에 의해 발생된 자기장이 적어도 하나의 자기 모드에 커플링될 수 있다. 커플링 어레인지먼트는 입력 신호의 도움으로 자기저항 나노 오실레이터의 저항 특성에 영향을 미칠 수 있으므로, 입력 신호의 특성은 자기저항 나노 오실레이터의 거동(behavior)을 연구(예를 들어 측정)하여 결정될 수 있다.
상기 주파수 센서는 주파수 추정기를 포함할 수 있다. 상기 주파수 추정기는, 시간 경과에 따라 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행하도록 구성될 수 있다. 주파수 추정기는, 상기 복수 번의 전압 측정에 기초하여, 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 시간 평균 전압을 계산하도록 구성될 수 있다. 주파수 추정기는, 한정된 주파수 범위에서, 상기 계산된 시간 평균 전압에 기초하여 입력 신호의 주파수를 추정하도록 구성될 수 있다.
시간 평균 전압은, 예를 들어, 시간 경과에 따른 복수 번의 전압 측정에서 얻은 모든 값을 합산한 다음 이 합산값을 전압 측정값의 개수로 나누어 계산할 수 있다. 상기 복수 번의 전압 측정을 연속된 신호로 처리할 수 있는 경우, 시간 평균 전압은, 특정 시간 간격에 걸치는 전압 신호를 적분한 다음 그 적분값을 상기 특정 시간 간격의 길이로 나누어 계산할 수 있다. 또한, 상기 합산값 또는 상기 적분값이 상기 전압 측정값의 개수 또는 상기 특정 시간 간격의 길이에 의해 나누어지지 않으며, 계산된 시간 평균 전압은 "참" 평균 전압에 단지 비례한다고 예상할 수도 있다.
또한, 주파수 추정기는, 상기 추정된 주파수를 나타내는 신호를 출력하도록 구성될 수 있다. 상기 출력 신호는, 예를 들어, 전기 신호 또는 전자기 신호일 수 있으며, 추정된 주파수에 대한 정보는, 아날로그 또는 디지털 방법을 사용하여 출력 신호에 인코딩될 수 있다. 출력 신호는, 추정된 주파수를 직접 나타내거나, 추정된 주파수를 도출해낼 수 있는 충분한 정보를 포함할 수 있다.
종래의 한계 주파수 검출기(threshold frequency detector)는, 특정 주파수 성분이 특정 대역폭 내의 입력 신호 내에 있는지 여부에 대한 정보만 제공할 수 있다. 다르게 표현하자면, 종래의 주파수 검출기는 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 단일 전압 측정을 사용하고, "입력 신호의 주파수가 주파수 X인가?"라는 질문에 "예" 또는 "아니오"로 답한다. "입력 신호의 주파수 X는 무엇인가?"라는 광범위한 질문에 답할 수 있도록, 그러한 한계 주파수 검출기를 여러 개 구성하여 함께 작동할 수 있는데, 예를 들어 각각의 검출기 j의 자유 자성층의 직경/외연 및/또는 두께를 변경함으로써, 상기 각각의 검출기 j는 특정 주파수 X j 에 맞춰 조정된다. 상기 검출기의 출력을 분석하여, 즉, 각각의 검출기 j에게 "입력 신호의 주파수가 주파수 X J 인가?"라는 질문을 하고 응답들을 확인함으로써, 입력 신호의 주파수에 대한 정보를 적어도 일부 얻을 수 있다. 따라서, 응답의 정밀도는 사용된 한계 주파수 검출기의 개수에 따라 한계가 있을 수 있다.
그러나 본 발명에 따른 상기 주파수 센서는 단일 장치를 사용하여 주파수의 한정된 범위를 커버할 수 있다. 시간 경과에 따라 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행하고 시간 평균 전압을 계산함으로써, 상기 주파수 센서는 자유 자성층의 적어도 하나의 자기 모드와 연관된 특정 이벤트의 확률적 특성에 의존할 수 있다. 적어도 하나의 자기 모드와 관련된 특정 이벤트의 확률은, 적어도 하나의 자기 모드에 커플링되는 데 사용되는 입력 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있다. 자기저항 나노 오실레이터 양단에서 측정된 전압은 그러한 확률에 따라 달라질 수 있으며, 따라서 평균 시간 전압은 입력 신호의 주파수를 나타낼 수 있다.
다르게 표현하자면, 적어도 하나의 자기 모드와 관련된 특정 이벤트의 확률을 추정하는 것은, 본 발명의 주파수 센서로 하여금 단일 자기저항 나노 오실레이터와 장치를 사용하여 "입력 신호의 주파수 X는 무엇인가?"라는 광범위한 질문에 답할 수 있게 한다.
단 하나의 자기저항 나노 오실레이터와 장치만 필요하므로, 본 발명에 따른 주파수 센서의 상호 연결(interconnect) 수, 전체 크기, 회로 복잡성 및 전력 소비량 등은 동일한 질문에 답한다고 했을 때 종래의 다중 한계 주파수 검출기 시스템에 비해 감소할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 주파수 센서는, 충전 펌프 및 캐패시터의 충전 및 방전에 기초한 센서와 같은 종래의 주파수 센서에 비해 크기는 더 작고, 더 높은 주파수에서 작동하며, 전력 소비량은 적을 수 있다.
일부 실시예에서, 주파수 추정기는, 입력 신호의 주파수를 계산된 시간 평균 전압의 일대일 함수로서 추정하도록 구성될 수 있다. 여기서 "일대일 함수"란, 함수 범위 내의 각 요소에 대해, 함수가 정의역(domain)의 정확히 한 요소에 대응하는 함수로 정의될 수 있다. 예를 들어, 상기 함수는 선형 함수, 로그 함수, 지수 함수 등이 될 수 있다. 선형 일대일 함수를 가정할 경우, 예를 들어, 입력 신호의 주파수는, 계산된 시간 평균 전압에 비례 상수를 곱한 값에 0일 수 있는 상수를 더한 값으로 추정될 수 있다.
자기저항 나노 오실레이터(즉, "시스템")의 거동(또는 상태)이 입력 신호의 주파수와 관련하여 적어도 하나의 결정 영역(deterministic regions) 및 적어도 하나의 확률 영역(probabilistic region)으로 분할될 수 있다고 예상할 수 있다. 상기 적어도 하나의 결정 영역 각각에서 시스템의 상태(예: 자화)는 시간에 영향을 받지 않을 수 있으며, 특정 순간에 시스템이 특정 상태에 있는 것으로 확인될 경우, 예를 들어 입력 신호의 주파수가 변경될 때까지 그 상태에 머무른다. 적어도 하나의 확률 영역에서, 시스템은 둘 이상의 상태 사이에서 변할 수 있으며, 어느 한 상태의 시스템이 발견될 확률은 입력 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 적어도 하나의 결정 영역은 입력 신호의 더 낮은 주파수 및/또는 더 높은 주파수와 대응할 수 있다. 예를 들어 적어도 하나의 확률 영역은, 적어도 하나의 결정 영역에 대응하는 상기 더 낮은 주파수와 상기 더 높은 주파수 사이의 주파수와 대응할 수 있다.
주파수 추정기는, 예를 들어, 적어도 하나의 확률 영역 내 주파수에 대해 계산된 시간 평균 전압의 일대일 함수로서 입력 신호의 주파수를 추정하도록 구성될 수 있다.
여러 영역에 관한 자세한 내용은, 적어도 하나의 실시예를 포함하여 본 명세서의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에 수록되어 있다.
일부 실시예에서, 자기저항 나노 오실레이터는, 자기 터널 접합(MTJ)일 수 있다. MTJ는 적어도 하나의 자기 소용돌이 핵(magnetic vortex core)이 있는 상태에서 구성될 수 있다. 적어도 하나의 자기 소용돌이 핵을 포함하는 상태는 예를 들어 자유 자성층과 MTJ의 기저 상태일 수 있다.
자기 소용돌이 핵은 자기 소용돌이의 일부일 수 있다. 자기 소용돌이 핵은, 예를 들어, 자기 소용돌이의 중앙 평면외(out-of-plane) 구성요소로서 정의될 수 있는데, 상기 평면은 자유 자성층의 외연의 주요 평면에 의해 정의된다. 전류 및/또는 자기장에 의해 여기되는 경우, 자기 소용돌이 핵은, 예를 들어 원형 또는 대략의 원형 궤적으로 평면 내에서 이동하여 핵의 진동 운동을 유발할 수 있다. 그러한 진동 모드를 자이로트로픽(gyrotropic) 모드라고 할 수 있다. 자성 자유층의 적어도 하나의 자기 모드는 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽 모드를 포함할 수 있다. 예를 들어 자유 자성층의 적어도 하나의 자기 모드는, 자기 소용돌이의 평면 내 자화 구성요소와 연관된 스핀파(spin wave) 모드 및/또는 자기 소용돌이 핵과 연관된 방사 휴지(radial breathing) 모드를 추가적으로 혹은 대체적으로 포함할 수 있다.
커플링 어레인지먼트는, 자기장이 발생하도록 상기 입력 신호를 전류로서 통과시키기 위한, 상기 MTJ에 인접한 적어도 하나의 자기장선(field line)을 포함할 수 있는데, 여기서 자기장은 입력 신호 전류 흐름에 의해 발생하는 자기장을 말한다. 발생된 자기장은, 입력 신호를 사용하여 자기 소용돌이 핵의 적어도 하나의 자이로트로픽 모드를 여기시키는 데 사용할 수 있다.
자이로트로픽 모드에서 궤적의 반경은, 커플링 어레인지먼트를 통해 자기 소용돌이 핵을 여기시키는 데 사용되는 신호의 인입 주파수에 따라 달라질 수 있다. 이 진동(oscillation)은, 자기 소용돌이 핵이 평면에서 자성 자유층의 테두리에 접근하기에 충분히 클 수 있다(즉, 반경이 충분히 클 수 있다). 이 경우 자기 소용돌이 핵은 테두리(또는 가장자리)와 상호작용하여 소멸할 수 있다. 결과적으로, 자기 소용돌이 핵이 방출될 수 있으며, 자성 자유층의 자화는 본질적으로 균일한 상태로 되돌아갈 수 있다. 터널링 자기저항 효과로 인해, 균일 상태와 소용돌이 상태 사이에서 MTJ 양단의 저항의 관련 변화가 있을 수 있다. 자기 소용돌이 핵이 방출된 후, 새로운 소용돌이 핵이 생길 수 있으며, MTJ의 양단의 저항은 진동할 수 있다. 이 진동은 MTJ의 양단의 측정된 전압에 반영될 수 있다.
시간 경과에 따라 MTJ의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행함으로써, 주파수 추정기는, 자성 자유층의 테두리에 도달하여 적어도 하나의 자기 소용돌이 핵이 방출될 확률을 추정할 수 있다. 그 확률은 계산된 시간 평균 전압에 반영될 수 있다.
예를 들어 자기 소용돌이 핵이 자유 자성층의 가장자리에 도달할 수 있을 정도로 큰 진동 반경을 가짐으로써, 자기 소용돌이 핵을 방출하기 위해서는, 입력 신호의 주파수가 자기 소용돌이 핵의 적어도 하나의 공진 주파수(resonant frequency)와 크게 다르지 않을 것이 요구될 수 있다. 위에서 정의한 여러 영역과 연관된, 제1(및 제2) 결정 영역은, 인입 주파수와 자기 소용돌이 핵의 적어도 하나의 공진 주파수 사이의 절대차(absolute difference)를 매우 크게 만들어 방출이 일어나는 데 필요한 큰 자이로트로픽 궤도(orbit)를 막을 수 있을 만큼 충분히 낮은(또는 높은) 입력 신호 주파수에 대응될 수 있다. 따라서, 자기 소용돌이 핵이 방출될 확률은 낮거나 0일 수 있으며, 시스템은 높은 확률로 혹은 항상 소용돌이 상태로 발견될 수 있다. 그러한 소용돌이 상태가 진동할 수 있다(즉, 자기 소용돌이의 핵이 자유 자성층 내에서 이동할 수 있다) 하더라도, 자유 자성층의 자화는 변하지 않을 수 있다. 결과적으로, 계산된 시간 평균 전압은 이러한 결정 영역에서의 입력 신호의 주파수와 독립적일 수 있다.
제1 결정 영역과 제2 결정 영역 사이에서, 입력 신호의 주파수와 자기 소용돌이 핵의 적어도 하나의 공진 주파수 사이의 절대차는, 자성 소용돌이 핵이 자유 자성층에서 적어도 간헐적으로 방출될 수 있을 만큼 충분히 작을 수 있다. 이 확률 영역 내에서, 소용돌이 핵 상태가 방출될 확률은 입력 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있으며, 계산된 시간 평균 전압은 (이 앞에서 설명한 바와 같이) 일대일 방식으로 입력 신호의 주파수와 대응할 수 있다.
일부 실시예에서, 주파수 추정기는, 적어도 하나의 자기 소용돌이 핵의 여러 번의 진동에 걸치는 시간 간격 범위에서 전압 측정을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 전압(또는 확률)과 주파수를 추정할 때 여러 번의 진동에 걸쳐 전압 측정을 수행하면 정확도가 향상될 수 있다. 단일의 "순간" 전압 값은 특정 주파수에 고유하지 않을 수 있다. 대신에 주파수 추정기는, 개선된 정확도로 전압(또는 확률)과 주파수를 추정하기 위해 시간 평균값을 사용할 수 있다.
일부 실시예에서, 적어도 하나의 자기 모드는, 자유 자성층의 방위각 스핀파(azimuthal spin wave) 모드 및/또는 방사 휴지 모드를 포함할 수 있다. 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽 모드는 방위각 스핀파 모드 및/또는 방사 휴지 모드를 통해 간접적으로 여기될 수 있다. 자이로트로픽 모드를 직접 여기시키지 않고 고차(higher order) 모드(예: 방위각 스핀파 모드 및/또는 방사 휴지 모드)를 거쳐 커플링을 통해 간접적으로 여기시킴으로써, 주파수 센서가 더 높은 주파수에서 작동할 수 있다. 주파수 센서를 최소 10 GHz 이상에서 작동시키는 것이 예상될 수 있다.
일부 실시예에서, 자기저항 나노 오실레이터는 MTJ일 수 있다. 커플링 어레인지먼트는, 입력 신호를 MTJ에 전류로서 통과시키기 위한 적어도 하나의 도체를 포함할 수 있다. 입력 신호가 MTJ에 전류로서 통과하는 것은 자유 자성층 내 자화를 변조시킬 수 있다. 이는, 예를 들어 전류에 의해 유도된 자기장 및/또는 스핀 전달 토크(STT, spin transfer torque)를 통해 달성될 수 있다.
한정된 범위 내의 주파수를 가진 입력 신호의 경우, 전류는 자유 자성층의 자화를 진동시킬 수 있다(즉, 입력 신호 전류에 의해 변조된다). 이로 인해, MTJ의 저항은 시간의 함수로서 변화할 수 있다. 이 저항과 입력 신호 전류의 혼합으로, MTJ 양단에 정류 전압이 발생할 수 있다. 이는 스핀다이오드(spin-diode) 효과와 유사할 수 있지만, 더 넓은 주파수 범위에서 효과가 있는 공진 여기(resonance excitation)에 기초하기 보다는 변조 효과에 기초한다. 이 정류 전압은 결정 방식으로, 즉 높은 확률 또는 유닛 확률(unit probability)로, 위에서 언급한 제1 결정 영역에 대응하여, 저주파 신호에 대해 포화 상태일 수 있다. 입력 신호 주파수가 MTJ 및 자유 자성층의 진폭 완화율(amplitude relaxation rate)을 초과할 경우, 주파수 센서가 입력 신호 전류에 더 이상 응답하지 않을 수 있다. 변조가 없으면, 정류 전압이 사용 가능하지 않을 수 있으며, MTJ 양단에서 측정된 전압은 결정 방식으로, 즉 높은 확률 또는 유닛 확률로, 위에서 언급한 제2 결정 영역에 대응하여, 0일 수 있는 낮은 값에 근접할 수 있다. 제1 결정 영역과 제2 결정 영역 사이에서, 정류 전압은 확률 방식으로 주파수를 증가시키는 함수로서 감소될 수 있다. 이 영역, 즉 위에서 언급한, 세 번째 영역인 확률 영역에 대응하는 영역에서, 계산된 시간 평균 (정류) 전압은, 입력 신호의 주파수로 좌우되는 확률에 따라 변화할 수 있다.
다르게 표현하면, 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압은, 시스템이 입력 변조 신호(즉, 입력 신호 전류)에 "로킹(locking)"되는지 여부에 따라 달라질 수 있다. 로킹 확률은, 입력 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있으며, 계산된 시간 평균 전압에서 얻을 수 있다. 따라서 계산된 시간 평균 전압은 주파수에 대한 정보를 제공할 수 있다. 이 주파수와 로킹 확률 사이의 관계는 일대일 함수에 해당할 수 있으며, 예를 들어 로그 종속성(logarithmic dependency)을 가질 수 있다.
일부 실시예에서, 자유 자성층의 자화는 MTJ의 평면으로부터 기울어질 수 있다. 예를 들어, 상기 평면으로부터의 기울어짐은, 비자성 중간층과 자성 자유층 사이의 인터페이스 간의 표면 이방성(surface anisotropy)으로 인해 달성될 수 있다. 또한, 상기 평면으로부터의 기울어짐은, 예를 들어 CoPt 다중 레이어의 합금으로 인해 달성될 수 있다. 자유 자성층의 자화가 MTJ의 평면으로부터 기울어지면 바람직한 효과가 더 커지므로 센서가 개선될 수 있다.
일부 실시예에서, 주파수 추정기는, 입력 신호의 여러 번의 주기에 걸치는 시간 간격 범위에서 전압 측정을 수행하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 입력 신호의 주파수가 1 MHz인 경우, 주파수 추정기는 수 마이크로초에 걸치는 시간 간격 범위에서 전압 측정을 수행하도록 구성될 수 있다. 마찬가지로, 입력 신호의 주파수가 100 MHz인 경우, 전압 측정은 수 1/10 나노초에 걸치는 시간 간격 범위에서 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 주파수 추정기는, 입력 신호의 추정된 주파수의 바람직한 해상도(resolution)에 기초하여, 상기 시간 간격의 요구되는 길이(복수 번의 전압 측정이 수행되는 기간)를 결정하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 추정된 주파수의 더 높은 바람직한 해상도는 더 긴 시간 간격의 길이 요구할 수 있다. 마찬가지로, 추정된 주파수의 바람직한 해상도가 더 낮으면, 시간 간격의 길이가 줄어들 수 있다.
일부 실시예에서, 주파수 추정기는, 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압을 정류 전압으로서 측정하도록 구성될 수 있다. 여기에는, 시간 평균 전압을 계산하기 전에, 측정된 전압의 절댓값을 취하는 것이 포함될 수 있다.
일부 실시예에서, 주파수 센서는 바이어싱 어레인지먼트(biasing arragnement)를 더 포함할 수 있다. 바이어싱 어레인지먼트은 자기저항 나노 오실레이터를 통해 직류 바이어스(biasing DC current)를 제공할 수 있다. 고정(fixed) 직류 바이어스의 경우, 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 저항 변화는 자기저항 나노 오실레이터의 양단에서 측정된 전압의 변화로서 감지될 수 있다.
일부 실시예에서, 자기저항 나노 오실레이터는 나노필라(nanopillar) 형태로 제공될 수 있다.
본 발명의 두 번째 태양에 따르면, 입력 신호의 주파수를 추정하는 방법이 제공된다.
상기 방법은, 상기 입력 신호를 자유 자성층의 적어도 하나의 자기 모드에 커플링하는 단계를 포함할 수 있되, 상기 자유 자성층은 자기저항 나노 오실레이터의 일부분을 형성하되, 상기 자기저항 나노 오실레이터는 적어도 상기 자유 자성층, 기준 자성층, 및 상기 자유 자성층과 상기 기준 자성층 사이에 배치되는 비자성 중간층을 갖는 자성 헤테로구조를 포함한다. 상기 방법은, 시간 경과에 따라 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 복수 번의 전압 측정에 기초하여, 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 시간 평균 전압을 계산하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 한정된 주파수 범위에서, 상기 계산된 시간 평균 전압에 기초하여 상기 입력 신호의 주파수를 추정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 추정된 주파수를 나타내는 출력 신호를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.
두 번째 태양에 따른 상기 방법의 세부사항과 장점은 첫 번째 태양에 따른 주파수 센서의 세부사항과 장점에 대한 앞선 논의에서 찾을 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 주파수 추정 방법은, 상기 입력 신호의 주파수를 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 계산된 시간 평균 전압의 일대일 함수로서 추정하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방법은, 자기저항 나노 오실레이터를 자기 터널 접합(MTJ)으로서 제공하는 것이 포함될 수 있다. 상기 자유 자성층은 적어도 하나의 자기 소용돌이 핵을 갖는 상태에서 구성될 수 있다. 상기 적어도 하나의 자기 모드는 상기 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽 모드를 포함할 수 있다. 상기 입력 신호를 상기 적어도 하나의 자기 모드와 커플링하는 것은, 상기 입력 신호를, 자기장이 발생하도록, 상기 MTJ에 인접한 적어도 하나의 자기장선에 전류로서 통과시킴으로써 달성할 수 있다. 상기 자기장은, 상기 입력 신호를 사용하여 상기 자기 소용돌이 핵의 적어도 하나의 자이로트로픽 모드를 여기시키기 위해 사용가능할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 복수 번의 전압 측정은 상기 적어도 하나의 자기 소용돌이 핵의 여러 번의 진동에 걸치는 시간 간격 범위에서 수행될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 자기 모드는 방위각 스핀파 모드를 포함할 수 있다. 상기 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽 모드는 상기 방위각 스핀파 모드를 통해 간접적으로 여기될 수 있다. 일부 실시예에서, 상기 적어도 하나의 자기 모드는 또한 혹은 대신 방사 휴지 모드를 포함할 수 있다. 상기 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽 모드는 상기 방사 휴지 모드를 통해 간접적으로 여기될 수 있다.
일부 실시예에서, 자기저항 나노 오실레이터는 자기 터널 접합(MTJ)일 수 있다. 상기 입력 신호를 상기 적어도 하나의 자기 모드와 커플링하는 것은 상기 입력 신호를 상기 MTJ에 전류로서 통과시킴으로써 달성될 수 있다. 상기 전류를 MTJ에 통과시키는 것은 자유 자성층에서의 자화를 변조시킬 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 주파수 추정 방법은 상기 자유 자성층의 자화가 상기 MTJ의 평면으로부터 기울어지는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 입력 신호의 주파수를 추정하는 단계는 상기 입력 신호의 여러 번의 주기에 걸치는 시간 간격 범위에서 상기 전압 측정을 수행하는 단계가 포함될 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 입력 신호의 추정된 주파수의 바람직한 해상도(resolution)에 기초하여, 요구되는 상기 시간 간격의 길이를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압을 정류 전압으로서 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 자기저항 나노 오실레이터를 통해 직류 바이어스를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 방법은 나노필라 형태로 자기저항 나노 오실레이터를 제공하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명은, 위에 열거된 특징뿐만 아니라 다른 실시예에 관하여 다음에 설명될 다른 특징들을 포함하여, 본 명세서에 언급된 특징들의 가능한 모든 조합에 관한 것이다.
여기서 첫 번째 태양의 주파수 센서의 실시예에 관하여 설명한 장점 및/또는 세부 사항은 두 번째 양태의 주파수 추정 방법의 실시예에도 적용되며, 그 반대의 경우도 적용된다.
본 발명의 다양한 실시예의 다른 목적과 장점은 실시예를 통해 아래에 설명될 것이다.
실시예는 첨부된 도면을 참조하여 아래에 설명된다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 주파수 센서의 개략적인 실시예를 도시한 것이고,
도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터의 개략적인 실시예를 도시한 것이고,
도 3a 내지 도 3c는 도 2a 내지 도 2b에서 도시된 것과 같은 자기저항 나노 오실레이터와 관련된 데이터를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터 실시예와 관련된 데이터를 도시한 것이고,
도 5a는 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터의 개략적인 실시예를 도시한 것이고,
도 5b는 도 5a에서 도시된 것과 같은 자기저항 나노 오실레이터와 관련된 데이터를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명에 따른 주파수 추정 방법의 실시예의 흐름도를 개략적으로 도시한 것이고,
도 7은 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기 상태(magnetic state)의 일반적인 개념을 개략적으로 도시한 것이다.
도면에서, 유사한 참조 번호는 달리 명시되지 않는 한 유사한 구성 요소에 사용될 것이다. 반대로 명시되지 않는 한, 도면은 실시예를 설명하는데 필요한 구성 요소만 보여주고, 명료성을 위해 다른 구성 요소들은 생략되거나 단지 제안될 수 있다. 도면에 도시된 것처럼, 구성 요소의 크기와 위치는 예시를 위해 과장될 수 있으므로, 실시예의 일반적인 구조를 설명하기 위해 제공된다.
도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 주파수 센서의 개략적인 실시예를 도시한 것이고,
도 2a 내지 도 2b는 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터의 개략적인 실시예를 도시한 것이고,
도 3a 내지 도 3c는 도 2a 내지 도 2b에서 도시된 것과 같은 자기저항 나노 오실레이터와 관련된 데이터를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터 실시예와 관련된 데이터를 도시한 것이고,
도 5a는 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터의 개략적인 실시예를 도시한 것이고,
도 5b는 도 5a에서 도시된 것과 같은 자기저항 나노 오실레이터와 관련된 데이터를 도시한 것이고,
도 6은 본 발명에 따른 주파수 추정 방법의 실시예의 흐름도를 개략적으로 도시한 것이고,
도 7은 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기 상태(magnetic state)의 일반적인 개념을 개략적으로 도시한 것이다.
도면에서, 유사한 참조 번호는 달리 명시되지 않는 한 유사한 구성 요소에 사용될 것이다. 반대로 명시되지 않는 한, 도면은 실시예를 설명하는데 필요한 구성 요소만 보여주고, 명료성을 위해 다른 구성 요소들은 생략되거나 단지 제안될 수 있다. 도면에 도시된 것처럼, 구성 요소의 크기와 위치는 예시를 위해 과장될 수 있으므로, 실시예의 일반적인 구조를 설명하기 위해 제공된다.
본 발명에 대하여 본 발명의 현재 선호되는 실시예가 나타난 첨부된 도면을 참조로 하여 이하에 더 자세히 설명하기로 한다. 하지만 본 발명은 여러 다양한 형태에 포함될 수 있으며, 여기 나온 실시예로만 제한되어서는 안 된다. 그보다 이 같은 실시예는 통상의 기술자에게 본 발명의 범위를 온전히 전달하고 완전성과 완결성을 추구하기 위하여 제시된다.
이제 도 1a 내지 도 1c를 통해, 본 발명에 따른 주파수 센서의 실시예가 더 자세히 설명될 것이다.
도 1a는 주파수 센서(100)를 개략적으로 도시한다. 주파수 센서(100)는 자기저항 나노 오실레이터(magnetoresistive nano-oscillator)(110)를 포함한다. 자기저항 나노 오실레이터(110)는 자유 자성층(magnetic free layer)(120), 기준 자성층(magnetic reference layer)(122), 비자성 중간층(non-magnetic intermediate layer)(124)에 의해 형성된다. 비자성 중간층(124)은 자유 자성층(120)과 기준 자성층(122) 사이에 배치된다. 자유 자성층(120)의 자화(magnetization)는 어떤 특정한 방향에 고정되지 않지만, 예를 들어 인가된 자기장이나 자기저항 나노 오실레이터(110)를 통과하는 전류에 의해 영향을 받을 수 있다. 도 1a에서 자유 자성층(120)의 자화는 양방향 화살표(130)로 도시된다. 단방향 화살표(132)로 도시된 것과 같이, 기준 자성층(122)의 자화는 고정되어 있다.
여기서, 단일 층으로 도시되기는 하지만, 본 발명에 따른 주파수 센서의 실시예에서, 자유 자성층(120) 및/또는 기준 자성층(122) 중 적어도 하나는 여러 층을 함께 쌓아서 형성될 수 있다고 예상한다. 예를 들어, 기준 자성층(122)은 둘 이상의 층을 포함할 수 있으며, 필요한 경우 기준 자성층(122)의 각 층의 재료가 다를 수 있다. 이는 자유 자성층(120)에도 동일하게 적용되며, 비자성 중간층(124)에도 적용된다.
주파수 센서(100)는 커플링 어레인지먼트(coupling arrangement)(140) 또한 포함한다. 커플링 어레인지먼트(140)은 입력 신호(전류 IS로 표시됨)를 자유 자성층(120)의 적어도 하나의 자기 모드(magnetic mode)에 커플링한다. 이것은, 예를 들어, 전류 IS가 자기저항 나노 오실레이터(110)를 통과할 수 있도록 하는 커플링 어레인지먼트(140)에 의해, 또는 전류 IS가 자기저항 나노 오실레이터(110)에 인접한 자기장선(field line)을 통과할 수 있도록 하는 커플링 어레인지먼트(140)에 의해 발생할 수 있다. 이 때, 전류 IS에 의해 발생된 자기장은 자기저항 나노 오실레이터(110)과 자유 자성층(120)에 영향을 미칠 수 있다.
주파수 센서(100)는 또한 주파수 추정기(150)를 포함하는데, 주파수 추정기(150)는, 와이어(152)를 사용하여 자기저항 나노 오실레이터(110)의 양단에 부착된다. 주파수 추정기(150)는 시간 경과에 따라 자기저항 나노 오실레이터(110)의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행할 수 있다. 복수 번의 전압 측정의 값에 기초하여, 주파수 추정기(150)는 시간 평균 전압을 계산할 수 있다. 그 후, 주파수 추정기(150)는, 계산된 시간 평균 전압에 기초하여 입력 신호 IS의 주파수를 추정할 수 있다. 주파수 추정기(150)는, 추정된 주파수를 나타내는 신호를 출력한다. 출력 신호는 와이어(154)를 통해 나가게 된다.
주파수 추정기(150)는, 시간 경과에 따라 자기저항 나노 오실레이터(110)의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행하기 위한 전압계를 포함할 수 있다. 전압계는 바람직하게는 디지털 전압계일 수 있는데, 주파수 추정기(150) 내부에서 또는 주파수 추정기(150)에 사용할 수 있는 일부 메모리에 측정된 전압을 시계열로 기록하는 기능을 포함할 수 있다. 필요한 경우, 아날로그 전압계도 사용할 수 있을 것으로 예상된다. 주파수 추정기(150)는, 저장된 전압 측정 값에 기초하여 시간 평균 전압을 계산할 수 있도록, 적어도 하나의 프로세서, 마이크로프로세서, FPGA 등의 형태로 적어도 하나의 연산 장치를 추가로 포함할 수 있다. 다음으로, 동일하거나 유사한 연산 장치가 입력 신호의 주파수를 추정하고 와이어(154) 상의 출력 신호를 생성하는 데 사용될 수 있다.
와이어(154)는, 물리적 와이어로 도시되어 있지만, 추정된 주파수 또는 추정된 주파수를 나타내는 신호가 무선으로 출력되도록 무선 링크(radio link) 또는 광회선(optical link)인 것으로 예상할 수도 있다.
도 1b는, 커플링 어레인지먼트(140)에 자기장선(142)이 포함되는, 주파수 센서(100)의 실시예를 도시한다. 자기장선(142)은 자기저항 나노 오실레이터(110)에 인접해 배치되어, (IS 형태의) 입력 신호가 자기장선(142)을 통과할 수 있다. 전류 IS가 자기장선(142)을 통과할 때, 그에 따라 발생된 자기장은 자기저항 나노 오실레이터(110)의 자유 자성층(120)의 적어도 하나의 자기 모드에 입력 신호를 커플링시킬 수 있다. 자기장 나노 오실레이터(110)에 의해 감지되는 자기장은 자기장선(142)과 자기저항 나노 오실레이터(110) 사이의 거리에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 자기저항 나노 오실레이터(110)에 의해 감지되는 자기장은, 자기장선(142)을 자기저항 나노 오실레이터(110)에 더 가깝게(또는 더 멀리) 이동함으로써 필요에 따라 조절할 수 있다.
도 1c는, 전극(146)을 사용하여 자기저항 나노 오실레이터(110)에 연결된 와이어(144)가 커플링 어레인지먼트(140)에 포함되는, 주파수 센서(100)의 실시예를 나타낸다. 와이어(144)를 사용하여, 입력 신호는 자기저항 나노 오실레이터(110)에 전류 IS로서 통과될 수 있다. 전류 IS를 자기저항 나노 오실레이터(110)에 통과시킬 때, 전류는 입력 신호를 자기저항 나노 오실레이터(110)의 자유 자성층(120)의 적어도 하나의 자기 모드에 커플링 시킬 수 있다.
도 2a와 2b를 참조하여, 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터의 일 실시예가 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 2a는, 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터(210)를 도시한다. 자기저항 나노 오실레이터(210)는, 도 1a와 도 1b에 예시된 자기저항 나노 오실레이터(110)로서 사용될 수 있다. 자기저항 나노 오실레이터(210)는, 자기터널 접합(MTJ, magnetic tunnel junction)이며, 나노필라(nanopillar)로 제작된다. MTJ(210)는 자유 자성층(220), 기준 자성층(222) 및 비자성 중간층(224)을 포함하되, 비자성 중간층(224)은 자유 자성층(220)과 기준 자성층(224) 사이에 배치되어 있다. 앞에서 설명한 바와 같이, 자유 자성층(220)의 자화(양방향 화살표(230)으로 도시됨)는 어떤 특정 방향으로도 고정되지 않는다. 그러나 기준 자성층(222)의 자화는, 단방향 화살표(232)로 표시된 것처럼 특정 방향으로 고정된다.
예를 들어, 자유 자성층(220)은, 강자성(ferromagnetic)일 수 있으며, NiFe, CoFe 또는 CoFeB를 포함할 수 있다. 예를 들어, 자유 자성층(220)의 두께는 5 nm에서 10 nm 사이일 수 있다. 예를 들어, MTJ(210)의 직경은 100 nm에서 2 μm 사이일 수 있다.
예를 들어, 기준 자성층(222)는 합성 반강자성체(SAF, synthetic antiferromagnet)를 포함할 수 있다. SAF의 예시로는 PtMn (또는 IrMn) / CoFe / Ru / CoFeB의 다층 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, CoFeB는, Ni, Fe, Co 또는 이의 합금과 같은 다른 강자성체로 대체될 수 있다. 예를 들어, Ru는, Cu 또는 다양한 다른 전이 금속으로 대체될 수 있다. 예를 들어, 기준 자성층(222)의 두께는 2.0nm CoFe30 / 0.7nm Ru / 2.6nm CoFe40B20일 수 있다. 대안으로, 예를 들어 기준 자성층(222)은 강자성체와 반강자성체의 스택된(stacked) 구성을 포함할 수 있되, 강자성체의 자화는, 예를 들어 교환 커플링(exchange coupling) 및/또는 교환 바이어스(exchange bias)로 인해 반강자성체에 의해 고정될 수 있다. 위의 SAF 구성에 추가하여, 층이 고정되는 자기장 범위를 개선하기 위해 기준 자성층(222)을 고정하는 데 반강자성체을 사용할 수 있다. SAF 구성을 포함하면 기준 자성층(222)의 안정성을 개선할 수 있다.
예를 들어, 비자성 중간층(224)은 MgO 또는 Al2O3를 포함할 수 있다. 비자성 중간층(224)은, 자유 자성층(220)과 기준 자성층(222) 사이에서 움직여 전자들이 터널링을 하는 터널링 장벽 역할을 할 수 있다. 이러한 터널링의 발생 확률은 자화(230, 232)의 상대적 정렬에 따라 달라질 수 있다.
또한, 자기 터널 접합이 형성될 수 있는 한, 자유 자성층(220), 비자성 중간층(224) 및 기준 자성층(222)은 여기에 예시로 나열된 것에 추가하여 또는 그 대신의 다른 재료를 포함할 수 있다고 예상할 수 있다. 또한, 나중에 설명될 것처럼, 자유 자성층(220)이 적어도 하나의 자기 소용돌이 핵을 가지고 있는 상태로 구성될 수 있다고 예상할 수 있다.
자유 자성층(220)은 적어도 하나의 자기 소용돌이(자기 소용돌이 핵)가 있는 상태에서 구성될 수 있다. 예를 들어, NiFe 자유 자성층(220)은 이의 기저 상태로서 자기 소용돌이(260)를 가지고 있을 수 있다.
자유 자성층(220)의 적어도 하나의 자기 모드는, 그러한 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽(gyrotropic) 모드를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 1a 또는 도 1b와 관련하여 설명된 커플링 어레인지먼트를 사용하여, 입력 신호는 예를 들면 자기장을 통해 자이로트로픽 모드에 커플링 될 수 있으며, 따라서 입력 신호는 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽 모드를 여기시킬 수 있다. 예를 들어 파형 화살표(248)로 도시된 것처럼 입력 신호에 의해 여기되었 때, 자기 소용돌이 핵(260)은, 자유 자성층(220) 내에서 움직이고 특정한 궤도 경로(262)를 따를 수 있다.
도 2b는 상술한 자기저항 나노 오실레이터(MTJ)(210)를 개략적으로 보여준다. 자유 자성층(220)은 테두리(221)을 가지며, 자유 자성층(220)의 자기 모멘트(magnetic moments)의 평면내(in-plane) 방향은 작은 검은 화살표들로 도시된다. MTJ(210) 내 자유 자성층(220)의 자기 상태는, 중앙 평면외(out-of-plane) 구성 요소가 자기 소용돌이의 핵(261)을 정의하는 자기 소용돌이를 포함한다. 예를 들어, 발생된 자기장을 통해 입력 신호에 의해 여기되는 경우, 자기 소용돌이 핵(261)은. 진동하며 궤도(262)를 따라 이동할 수 있다. 그러한 궤도(262)의 반경은 입력 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있다.
입력 신호의 주파수와 자성 자유층(220)의 적어도 하나의 자기 모드의 공진 주파수(resonant frequency) 사이의 절대차(absolute difference)가 충분히 큰 경우, 궤도(262)의 반경은, 자기 소용돌이 핵(261)이 자유 자성층(220)의 테두리(221)에 도달하지 못할 수 있을 정도로 충분히 작을 수 있다. 이 상황에서, 자기 소용돌이 핵(261)은, 화살표 S1이 가리키는 MTJ(210) 내 자유 자성층(220)의 상태가 도시된 것처럼, 자유 자성층(220)에 남아 있을 수 있다. 이 상태에서, 자화는, 예를 들어, 자유 자성층(220)의 서로 다른 영역에서의 y-방향 평균 자화를 나타내는 화살표 264y로 도시된 것처럼, 자유 자성층(220)의 평면의 y-방향에서 균일하지 않을 수 있다. 이 상태는 기준 자성층(222)의 자화와 부분적으로 정렬될 수 있으며, MTJ(210)을 통해 전자가 터널링할 확률은 중간일 수 있으므로 중간 정도의 MTJ 저항이 발생할 수 있다.
입력 신호의 주파수와 자유 자성층(220)의 적어도 하나의 자기 모드의 공진 주파수 사이의 절대차가 충분히 작을 경우, 궤도(262)의 반경은, 자기 소용돌이 핵(261)이 자유 자성층(220)의 테두리(221)에 도달할 수 있을 정도로 충분히 클 수 있다. 이 상황에서는, 화살표 S2가 가리키는 MTJ(210')의 자유 자성층(220)의 상태가 도시된 것처럼, 자기 소용돌이 핵(261)은 테두리(221)에서 소멸되고 자유 자성층(220)에서 방출될 수 있다. 이 상태에서, 자화는 균일(또는 최소한 준균일)할 수 있으며, 이에 부응하여 기준 자성층(222)의 자화(232)가 구성되는 경우, 기준 자성층(222)의 자화(232)와 평행(정렬)이거나 기준 자성층(222)의 자화(232)와 역평행(비정렬)이 된다. 기준 자성층(222)의 자화(232)와 평행(정렬)하면, MTJ(210')의 양단의 전자 터널링 확률은 높을 수 있다. 기준 자성층(222)의 자화(232)와 역평행(비정렬)할 경우, MTJ(210')의 양단의 전자 터널링 확률은 낮을 수 있다. 어느 경우든, 터널링 자기저항 효과는, (준)균일한 상태와 여전히 자기 소용돌이 핵을 가진 상태 사이에서 MTJ 양단의 관련 저항의 변화를 일으킬 수 있다. 앞서 언급한 바와 같이, 이러한 저항 변화는 한계 주파수 검출기의 기초를 형성할 수 있다.
자기 모드의 공진 주파수는, 그에 따라 MTJ(210)의 재료와 크기를 선택함으로써 제어될 수 있다. 예를 들어, 그러한 크기는 두께와 직경 등을 포함할 수 있다.
그러한 한계 주파수 검출기보다 개선된 주파수 센서를 제공하기 위해, 본 발명에 따른 도 1a 내지 도 1c를 참조한 주파수 센서 및 도 2a 및 도 2b를 참조하여 기술된 MTJ(210)을 포함하는 주파수 센서도 자기 소용돌이 핵의 이러한 확률적 소멸이나 잔존을 고려한다. 이는, 시간 경과에 따라 자기저항 나노 오실레이터(110, 210)의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행하고, 계산된 시간 평균 전압을 기반으로 입력 신호의 주파수를 추정함으로써 고려할 수 있다.
입력 신호의 주파수와 자유 자성층(220)의 적어도 하나의 자기 모드 사이의 절대차가 충분히 클 때, 자기 소용돌이 핵(261)은, 궤도(262)의 반경이 자기 소용돌이 핵(261)이 방출될 수 있을 정도로 크지 않은 상태에서 진동할 것이다. 결과적으로, 자유 자성층(220)의 자화 상태는 그대로 유지된다. 다르게 표현하면, 자기 소용돌이 핵(261)이 진동할 수 있더라도, 자화는 그대로 유지될 것이다. 자유 자성층(220)은 이에 따라서 결정 방식(deterministic manner)으로 거동할 것이며, 시간이 지남에 따라 자화 상태가 변할 확률은 거의 또는 전혀 없을 것이다.
반대로, 입력 신호의 주파수와 자유 자성층(220)의 적어도 하나의 자기 모드 사이의 절대차가 충분히 작을 때, 궤도(262)의 반경은, 자기 소용돌이 핵(261)이 방출되고 시간이 지남에 따라 재핵화될 수 있을 만큼 충분히 클 수 있다. 자기 소용돌이 핵(261)이 방출/재핵화되면, 자유 자성층(220)의 자화 상태가 변화하며, 이는 시간이 지남에 따라 MTJ의 양단에서 측정된 전압에 반영될 수 있다. 다르게 표현하면 자유 자성층(220)은 확률 방식(probabilistic manner)으로 거동하며, 소용돌이 상태 또는 (준)균일한 상태의 자유 자성층(220)을 발견할 확률은 입력 신호의 주파수에 따라 달라진다.
이제 도 3a 내지 도 3c를 참조하여 MTJ(210)의 작동에 대하여 자세히 설명한다.
도 3a는 자유 자성층(220)의 y-방향 변동 자화에 대한 시뮬레이션 데이터를 시간 경과에 따라 보여준다. 도 3a는 그러한 데이터를 입력 신호의 서로 다른 세 개의 주파수, 즉 입력 신호의 주파수가 각각 195MHz(상단 그래프), 260MHz(중간 그래프), 330MHz(하단 그래프)인 경우에 대해 시간 함수로서 도시한다. 각 그래프에서 영역 A는, 자기 소용돌이 핵이 자유 자성층(220)의 테두리(221)에 충분히 근접하여 방출될 가능성이 큰 영역으로 정의될 수 있다.
입력 신호의 주파수가 195 MHz에 해당하는 상단 그래프에서, 곡선이 오히려 영역 A와 자주 만난다는 것을 알 수 있다. 또한 더 높은 주파수에서(중간 및 하단 그래프에서), 영역 A 내 곡선에 의해 소비되는 시간은 주파수가 증가함에 따라 감소한다는 점을 알 수 있다.
도 3b는 주파수 함수로서 y-방향의 평균(시간 단위) 자화를 도시한다. 도 3b의 그래프의 각 포인트는 해당 주파수에 대한 변동 자화 데이터의 시계열에 따라 계산된 시간 평균에 해당한다. 다르게 표현하면, 도 3b의 주파수 195MHz에서의 (시간 경과에 따른) 평균 자화 값은 도 3a의 상단 그래프에 나타난 시계열에 따른 시간 평균법으로 계산되었다. 도 3b의 260 MHz 주파수에서의 (시간 경과에 따른) 평균 자화 값은 도 3a의 중간 그래프에 나타난 시계열에 따른 시간 평균법으로 계산한 것이며, 도 3b에 수록된 각 주파수에 대해서도 마찬가지이다. 도면을 보면, 최소 195MHz에서 최소 330MHz 사이에서, y-방향의 평균 자화는 주파수 증가에 따라 선형적으로 감소한다는 것을 알 수 있다. 195 MHz 전후의 주파수의 경우, 자기 소용돌이 핵이 상당히 자주 방출되어 자유 자성층에서 다소 (준)균일한 평균 자화가 발생한다는 점을 알 수 있다. 330MHz 전후의 주파수의 경우, 자기 소용돌이 핵은 거의 방출되지 않아 자유 자성층에서 다소 균일하지 않은 평균 자화 현상이 발생한다는 점을 알 수 있다. 260 MHz와 같이 그 사이에 있는 주파수의 경우, 자기 소용돌이 핵은 낮은 주파수에서는 더 자주 방출되며, 높은 주파수에서는 더 드물게 방출된다는 점을 알 수 있다. 따라서, y-방향을 따른 자력저항 나노 오실레이터의 평균 자화는 주파수와 관하여 선형으로 변화한다. 그 결과, 자기저항 나노 오실레이터의 저항도 주파수와 관하여 선형으로 변화한다. 이 선형 거동의 "경사" 방향은, 즉 주파수가 증가함에 따라 저항이 증가하거나 감소하는 경우, 기준 자성층의 자화 방향에 따라 달라질 수 있다.
도 3c는, 도 3a 및 도 3b에 표시된 데이터에서 얻은, MTJ에 대한 시간 평균 전압에 대한 데이터를 도시한다. 여기서 MTJ는 기준 자성층의 자화 방향은 자유 자성층의 (준)균일한 자화와 평행하게 정렬된다. MTJ의 양단에 양의 직류 바이어스가 제공되었으며, 주파수 추정기에 의해 계산된 시간 평균 전압은 주파수의 함수로서 양의(예: 기울기 증가) 선형으로 변화한다는 점을 알 수 있다. 여기서 앞서 논의한 서로 다른 영역은 도 3c에서 영역 R1, R2 및 R3로 식별할 수 있다. 영역 R1과 R2는 제1 및 제2 결정 영역에 대응한다. 영역 R3은 본 발명의 주파수 센서가 입력 신호의 주파수를 시간 평균 전압의 일대일 함수로서 추정할 수 있는 확률 영역에 해당한다. 도 3a에서 도 3c까지의 예에서 일대일 함수는 영역 R3의 선형 함수와 유사하며, 주파수 센서는 예를 들어 시간 평균 전압에 정비례하는 이 영역에서의 입력 신호 주파수를 추정할 수 있다. 예를 들어, 비례 상수와 오프셋 상수(필요한 경우)는 도 3c에서 결정될 수 있다.
도 4를 참조하여, 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터의 추가 실시예에 대한 데이터를 제공한다.
자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽 모드에 직접 커플링하는 대신에, 입력 신호는, 자이로트로픽 모드에 커플링된 적어도 하나의 고차(방위각 스핀파) 모드를 여기하여 간접적으로 자이로트로픽 모드에 커플링될 수 있다. 이러한 자이로트로픽 모드의 간접적인 여기는 예를 들면 주파수 센서가 덜 사용하는 상위 주파수가 증가하도록 할 수 있다. 도 4는 그러한 커플링에 대한 시간 평균 전압 대 주파수의 데이터를 도시하고 있으며, 확률 영역 R3은 대략 2GHz에서 3.5GHz까지 확장된다는 점을 알 수 있다. 자이로트로픽 모드에 간접적으로 커플링되는 훨씬 더 높은 모드를 여기시킴으로써, 주파수 센서에 의해 예를 들면 10 GHz 이상을 초과하는 더 높은 주파수를 감지될 수 있을 것으로 예상한다. 도 4는, 직경이 약 200nm인 MTJ, 약 7mA의 인가된 직류 바이어스, 약 400mT의 인가된 자기장 및 약 10dBm에 해당하는 자기장선에 해당한다.
도 5a와 도 5b를 참조하여, 본 발명에 따른 주파수 센서의 자기저항 나노 오실레이터의 일 실시예과 이와 관련된 데이터를 더 자세히 설명한다.
도 5a는, 예를 들어 도 1a와 도 1c를 참조하여 설명한 주파수 센서(100)의 자기저항 나노 오실레이터(110)로 사용될 수 있는 자기저항 나노 오실레이터(510)를 나타낸다. 자기저항 나노오실레이터(510)는, 자기 터널 접합(MTJ)이며 자유 자성층(520), 기준 자성층(522), 비자성 중간층(524)을 포함한다. 비자성 중간층(524)은 자유 자성층(520)과 기준 자성층(522) 사이에 배치된다.
자유 자성층(520)의 자화는 균일하지만 비자성 중간층(524)과 자유 자성층(520) 사이의 인터페이스 간의 표면 이방성 때문에 MTJ의 평면으로부터 기울어진다. 자유 자성층(520)의 자화(양방향 화살표(530)으로 도시)는 특정 방향으로 고정되거나 고정되지 않으며, 예를 들어 기준 자성층(522)의 평면을 따라 자화의 상대적 비율과 방향이 변경되도록 자기저항 나노 오실레이터를 통과하는 전류의 영향을 받을 수 있다. 기준 자성층(522)의 자화는, 여기서 앞서 설명한 바와 같이, 특정 방향으로 고정되어 있다. 기준 자성층(522)의 자화는 단방향 화살표(532)로 도시되어 있다.
예를 들어, 자유 자성층(520)은 CoFeB를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비자성 중간층(524)은 MgO를 포함할 수 있다. 예를 들어, 기준 자성층(522)은 합성 반강자성체(SAF)일 수 있다. SAF의 예시로는 PtMn (또는 IrMn) / CoFe / Ru / CoFeB의 다층 구조를 포함할 수 있다.
자기저항 나노 오실레이터(510)는 나노필라 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 그러한 필라의 직경은 50 nm에서 200 nm 사이일 수 있다. 예를 들어, 자유 자성층(524)의 두께는 약 1 nm일 수 있다.
입력 신호는 전류로서 자기저항 나노 오실레이터(510)를 통과할 수 있으며, 따라서 입력 신호를 자기저항 나노 오실레이터(510)와 자유 자성층(520)의 적어도 하나의 자기 모드에 커플링할 수 있다. 입력 신호는, 예를 들어 도 1a 및 1c를 참조하여 설명한 커플링 어레인지먼트(140)를 사용하여 커플링될 수 있다.
여기서 앞에서 설명한 바와 같이, 자유 자성층(520)의 자화는 입력 신호의 전류에 의해 변조될 수 있다. 변조/진동 자화는 자기저항 나노 오실레이터(510)의 양단에 진동 저항을 일으킬 수 있다. 입력 신호에서 나오는 진동 전류와 결합하면, 정류 전압이 자기저항 나노 오실레이터(510)의 양단에 발생할 수 있다. 예를 들어 도 1a과 관련하여 설명된 주파수 추정기(150)와 같은 주파수 추정기는, 시간 경과에 따른 이 정류 전압 측정을 복수 번 수행하고, 시간 평균 전압을 계산하며, 이 계산된 시간 평균 전압을 기반으로 입력 신호의 주파수를 추정할 수 있다. 이 실시예에서, 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압은 직류 바이어스 없이 측정할 수 있다. 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압은 자기저항 나노 오실레이터가 입력 (변조) 신호에 로킹되는지 여부에 따라 달라질 수 있다. 평균 시간 전압을 통해 추출될 수 있는 로킹 확률은 입력 신호의 주파수에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 주파수 추정기는 시간 평균 (정류) 전압을 계산하여 입력 신호의 주파수를 추정할 수 있다.
도 5b는 자기저항 나노 오실레이터(510)에 대한 데이터를 보여준다. 도 5b에서, 정류 전압은 입력 신호의 주파수 함수로서 그려진다. 주파수는 로그 스케일을 사용하여 그려진다. 도면에서 볼 때, 제1 결정 영역 R1, 제2 결정 영역 R2, 및 확률 영역 R3의 세 영역이 여전히 존재하지만, 시간 평균 (정류) 전압은 확률 영역 R3의 주파수에 따라 로그적으로(logarithmically) 의존한다는 것을 알 수 있다. 로그 의존성은 여전히 본 발명의 주파수 센서가 시간 평균 전압의 일대일 함수로서 입력 신호의 주파수를 추정할 수 있게 한다.
도 6을 참조하여, 본 발명에 따라 입력 신호의 주파수를 추정하는 방법이 설명될 것이다.
도 6은 주파수 추정 방법(600)의 흐름도를 개략적으로 보여준다. S610단계에서, 입력 신호는 자유 자성층의 적어도 하나의 자기 모드와 커플링된다. 자유 자성층은, 적어도 자유 자성층, 기준 자성층, 및 자유 자성층과 기준 자성층 사이에 배치되는 비자성 중간층을 갖는 자성 헤테로구조를 포함하는 자기성 나노-오밀레이터의 일부분을 형성한다. 비자성 중간층은 자유 자성층과 기준 자성층 사이에 배치된다. 여기서 자기저항 나노 오실레이터는 예를 들어 도 2a와 관련해 기술된 MTJ(210) 또는 도 5a와 관련해 기술된 MTJ(510)에 해당할 수 있다.
S620 단계에서는, 시간 경과에 따라 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압 측정이 복수 번 수행된다.
S630 단계에서는, 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 시간 평균 전압이, S620 단계에서 수행된 복수 번의 전압 측정에 기초하여 계산된다.
S640단계에서는, 입력 신호의 주파수는, S630단계에서 얻은 계산된 시간 평균 전압을 기초로 추정된다. 주파수는 한정된 범위의 주파수 범위에서 추정되는데, 즉 동일한 자기저항 나노 오실레이터/장치를 사용하여 다수의 주파수를 추정할 수 있다.
주파수 추정 방법(600)에는, 본 발명에 따른 주파수 센서의 실시예에 관하여 이미 여기에서 기술된 내용에 따라 다른 단계, 또는 S610단계 내지 S640 단계의 변형도 포함될 수 있다.
자기저항 나노 오실레이터를 사용함으로써, 그리고 자기저항 나노 오실레이터 양단의 시간 평균 전압을 계산하기 위해 시간 경과에 따라 자기저항 나노 오실레이터 양단의 전압 측정을 복수 번 수행함으로써, 발명가들은 개선된 주파수 센서를 제공했다. 개선된 주파수 센서는 단일 자기저항 나노 오실레이터/장치를 사용하여 더 넓은 간격에 걸쳐 입력 신호의 주파수를 감지할 수 있다. 복잡하고 부피가 큰 필터 뱅크나 여러 장치/디텍터가 함께 연결 및 작동할 필요 없이, 수십 MHz에서 최대 몇 GHz까지 주파수를 감지할 수 있다. 이는 감지 능력, 대량 생산과 그 비용이라는 양쪽 모두의 측면에서 개선을 제공한다.
발명가들이 깨달은 바와 같이, 예를 들어 자기 모드가 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽 모드를 포함하는 실시예에서 설명된 것과 같은 주파수 센서는, 보다 일반적인 메커니즘을 사용하여 구성/설명될 수도 있다. 그 예시는 도 7을 참조하여 아래에 설명된다.
MTJ의 자유 자성층은 서로 다른 가능한 상태를 가질 수 있다. 이러한 상태는 기하학적 구조, 인터페이스 효과, 또는 예를 들어 MTJ를 구성할 때 사용되는 재료에 따라 달라질 수 있다. 이러한 상태에는, 자기 소용돌이, 자기 스커미온, 자기 버블, 및 자화 방향이 자기 터널 접합의 평면 내에 있거나 평면 외에 있을 수 있는 준균일 자기 상태가 포함될 수 있지만, 이에 국한되지는 않는다.
따라서, 자유 자성층의 상태는 다수의 자기 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 다중 자기 상태는 에너지 장벽에 의해 분리될 수 있다. 본 발명에 따른 주파수 센서는, 예를 들면 대략/거의 동등한 에너지 수준을 가진 두 개의 가용 자기 상태를 요구할 수 있으며, 이러한 자기 상태는 상대적으로 작은 에너지 장벽에 의해 분리될 수 있다. 도 7은 에너지 장벽(710)에 의해 분리된 두 개의 자기 상태 A 및 B 의 에너지(700)를 개략적으로 도시한다.
본 발명에 따른 주파수 센서의 또 다른 요건은 앞에서 설명한 것과 같이 주파수 의존적 커플링 메커니즘일 수 있으며, 이는 자기 상태 A와 B 사이에서 이동하기 위해 에너지 장벽(710)을 극복하는 데 필요한 여기 메커니즘에 해당할 수 있다. 다르게 표현하면, 주파수 의존 커플링은 자기 상태 간의 전환을 유도할 수 있다. 즉, 에너지 장벽 위로 전환을 허용하는 여기가 있을 수 있다.
예를 들어 상태 A에서 상태 B로 스위칭할 수 있는 간단한 스위칭 메커니즘은, 스핀 전달 토크(예: STT MRAMs)를 사용하는 자기 메모리 또는 앞서 설명한 주파수 검출기에서 널리 사용되고 있다(Jenkins S et al., "Spin torque resonant vortex core expulsion for an efficient radio-frequency detection scheme", DOI: 10.1038/NNANO.2015.295). 반대로, 본 발명에 따른 주파수 센서에서는, 스위칭 메커니즘은 의사-정적(pseudo-static) 자기 상태 A를 의사 자기 상태 B로 두 번 이상 전환하는 것을 포함한다. 대신에, 본 발명에 따른 주파수 센서는 자기 상태 A와 자기 상태 B 사이의 지속적인 동적 전환(dynamic transition)을 제공하고 이에 의존한다. 자기 상태 A 또는 자기 상태 B에서의 상대적 시간 소비는 제공된 커플링 메커니즘을 통해 주파수에 따라 달라진다.
앞에서 예시로 설명한 자이로트로픽 모드를 사용한 실시예 중 하나를 사용함으로써, 예를 들어 자기 상태 A는 자기 소용돌이에 해당할 수 있으며, 자기 상태 B는 준균일 상태에 해당할 수 있다. 커플링 메커니즘은 집적 안테나를 통과하는 라디오주파수 전류에 의해 발생된 국부 자기장을 통한 자이로트로픽 모드(및 스핀파 모드)의 여기일 수 있다. 여기서 집적 안테나란 자기장을 발생시키도록 입력 신호를 전류로서 통과시키기 위한 MTJ에 인접한 적어도 하나의 자기장선 일 수 있다.
다른 실시예도 예상할 수 있는데, 예를 들면 자이로트로픽/휴지 모드인 스커미온의 공진 모드의 여기를 기반으로 스커미온의 연속 핵화 및 소멸이 포함될 수 있다. 그러한 구성에서 스커미온이 안정되는 시간은 주파수가 스커미온의 공진 모드에 근접할 때 주파수에 따라 달라진다. 예를 들어, 그러한 스커미온 구성을 사용하는 실시예는 본 발명의 주파수 센서의 첫 번째 태양에 따라 기술된 것과 동일한 재료 구조를 사용할 수 있다. 또한, 스커미온의 형성 개선하기 위해, Pd 또는 Ta와 같은 무거운 원소를 포함하는 캡층(capping layer)을 추가적으로 포함함으로써, 그러한 스커미온 기반 주파수 센서의 기능을 더 개선할 수 있다.
추가적으로 예상되는 실시예에는, 예를 들면 기준 자성층에 대한 평행 또는 역평행한 각각의 자유 자성층에서 두 개의 준균일 자기 상태 사이의 전환이 포함될 수 있다. 그러한 두 상태 사이의 에너지 장벽은 MRAM 애플리케이션에서 사용되는 것처럼 일반적으로 클 수 있지만, 초상자성체(superparamagnets)를 사용함으로써 및/또는 기하학적 구조를 감소시킴으로써 작은 에너지 장벽을 갖도록 설계할 수 있다. 그러한 작은 장벽은 본 발명의 주파수 의존적 커플링 메커니즘의 적용으로 극복될 수 있다. 다르게 표현하면, 시스템 설계에 의해 충분히 낮은 에너지 장벽이 달성될 수 있을 것으로 예상된다.
본 발명의 특징과 구성 요소는 위에서 특정한 조합으로 설명되어 있지만, 각 특징이나 요소는 다른 특징과 요소 없이 단독으로 사용되거나, 다른 특징과 요소의 다양한 형태의 조합으로 사용할 수 있다.
또한, 실시예에 대한 변형은, 도면, 명세서 및 청구 범위에 대한 연구를 통해 청구된 발명을 실천함에 있어 숙련된 사람에 의해 이해 및 도출될 수 있다. 본 명세서 및 청구 범위에서, "포함"이라는 단어는 다른 요소를 배제함을 의미하지 않으며, 부정관사 'a'나 'an'은 복수형을 배제하지 않는다. 특정 특징들이 서로 다른 종속항에 인용되어 있다는 사실은 이러한 특징들의 조합이 유리하게 사용될 수 없다는 것을 의미하지 않는다.
Claims (17)
- 주파수 센서에 있어서,
적어도 자유 자성층, 기준 자성층, 및 상기 자유 자성층과 상기 기준 자성층 사이에 배치되는 비자성 중간층을 갖는 자성 헤테로구조를 포함하는 자기저항 나노 오실레이터(magnetoresistive nano-oscillator);
입력 신호를 상기 자유 자성층의 적어도 하나의 자기 모드에 커플링(coupling)하도록 배치되는 커플링 어레인지먼트(Coupling arrangement); 및
주파수 추정기를 포함하되,
상기 주파수 추정기는,
시간 경과에 따라 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행하고,
상기 복수 번의 전압 측정에 기초하여, 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 시간 평균 전압을 계산하며,
한정된 주파수 범위에서, 상기 계산된 시간 평균 전압에 기초하여 상기 입력 신호의 주파수를 추정하고,
상기 추정된 주파수를 나타내는 신호를 출력하도록 구성되는
주파수 센서. - 제1항에 있어서,
상기 주파수 추정기는 상기 입력 신호의 주파수를 상기 계산된 시간 평균 전압의 일대일 함수로서 추정하도록 구성되는
주파수 센서. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 자기저항 나노 오실레이터는 자기 터널 접합(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)이고;
상기 자성 자유층은 적어도 하나의 자기 소용돌이 핵(magnetic vortex core)을 갖는 상태에서 구성될 수 있으며;
상기 적어도 하나의 자기 모드는 상기 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽(gyrotropic) 모드를 포함하고;
상기 커플링 어레인지먼트는, 자기장이 발생하도록 상기 입력 신호를 전류로서 통과시키기 위한, 상기 MTJ에 인접한 적어도 하나의 자기장선(field line)을 포함하되, 상기 자기장은, 상기 입력 신호를 사용하여 상기 자기 소용돌이 핵의 적어도 하나의 자이로트로픽 모드를 여기시키기 위해 사용가능한
주파수 센서. - 제3항에 있어서,
상기 주파수 추정기는, 상기 적어도 하나의 자기 소용돌이 핵의 여러 번의 진동(oscillation)에 걸치는 시간 간격 범위에서 상기 전압 측정을 수행하도록 구성되는
주파수 센서. - 제3항 또는 제4항에 있어서,
상기 적어도 하나의 자기 모드는 방위각 스핀파(azimuthal spin wave) 모드를 포함하고, 상기 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽 모드는 상기 방위각 스핀파 모드를 통해 간접적으로 여기되는
주파수 센서. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 자기저항 나노 오실레이터는 자기 터널 접합(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)이고,
상기 커플링 어레인지먼트는, 상기 자유 자성층의 자화(magnetization)를 조절하도록, 상기 입력 신호를 상기 MTJ에 전류로서 통과시키기 위한 적어도 하나의 도체를 포함하는
주파수 센서. - 제6항에 있어서,
상기 자유 자성층의 자화는 상기 MTJ의 평면(plane)으로부터 기울어진
주파수 센서. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
상기 주파수 추정기는, 상기 입력 신호의 여러 번의 주기에 걸치는 시간 간격 범위에서 상기 전압 측정을 수행하도록 구성되는
주파수 센서. - 제4항 또는 제6항에 종속되는 경우, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주파수 추정기는, 상기 입력 신호의 추정된 주파수의 바람직한 해상도(resolution)에 기초하여, 요구되는 상기 시간 간격의 길이를 결정하도록 구성되는
주파수 센서. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 주파수 추정기는, 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압을 정류 전압으로서 측정하도록 구성되는
주파수 센서. - 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기저항 나노 오실레이터를 통해 직류 바이어스(biasing DC current)를 제공하기 위한 바이어싱 어레인지먼트;
를 더 포함하는
주파수 센서. - 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 자기저항 나노 오실레이터는 나노필라(nanopillar) 형태로 제공되는
주파수 센서. - 입력 신호의 주파수를 추정하는 방법으로서,
상기 입력 신호를 자유 자성층의 적어도 하나의 자기 모드에 커플링(coupling) 하는 단계 - 상기 자유 자성층은 자기저항 나노 오실레이터(magnetoresistive nano-oscillator)의 일부분을 형성하되, 상기 자기저항 나노 오실레이터는 적어도 상기 자유 자성층, 기준 자성층, 및 상기 자유 자성층과 상기 기준 자성층 사이에 배치되는 비자성 중간층을 갖는 자성 헤테로구조를 포함함 - ;
시간 경과에 따라 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 전압 측정을 복수 번 수행하는 단계;
상기 복수 번의 전압 측정에 기초하여, 상기 자기저항 나노 오실레이터의 양단의 시간 평균 전압을 계산하는 단계; 및
한정된 주파수 범위에서, 상기 계산된 시간 평균 전압에 기초하여 상기 입력 신호의 주파수를 추정하는 단계;
를 포함하는 방법. - 제13항에 있어서,
상기 입력 신호의 주파수를 추정하는 단계는, 상기 입력 신호의 주파수를 상기 계산된 시간 평균 전압의 일대일 함수로서 추정하는 것을 포함하는 방법. - 제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 자기저항 나노 오실레이터는 자기 터널 접합(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)이며,
상기 방법은,
적어도 하나의 자기 소용돌이 핵(magnetic vortex core)을 갖는 상태에서 상기 자유 자성층을 구성하고, 상기 적어도 하나의 자기 모드는 상기 자기 소용돌이 핵의 자이로트로픽(gyrotropic) 모드를 포함하도록 구성하는 단계; 및
상기 입력 신호를, 자기장이 발생하도록, 상기 MTJ에 인접한 적어도 하나의 자기장선(field line)에 전류로서 통과시켜, 상기 입력 신호를 상기 적어도 하나의 자기 모드와 커플링하는 단계;
를 포함하는 방법. - 제13항 또는 제14항에 있어서,
상기 자기저항 나노 오실레이터는 자기 터널 접합(MTJ, Magnetic Tunnel Junction)이며,
상기 방법은,
상기 입력 신호를 상기 MTJ에 전류로서 통과시킴으로써, 상기 입력 신호를 상기 적어도 하나의 자기 모드와 커플링 하는 단계;
를 포함하는 방법. - 제16항에 있어서,
상기 자유 자성층의 자화(magnetization)가 상기 MTJ의 평면으로부터 기울어지는 단계;
를 더 포함하는 방법.
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