(57)【要約】【課題】磁気トラック上の磁気情報を検知するための固体磁気センサを提供すること。【解決手段】固体磁気センサは、少なくとも２つの肢を含む、ホイートストンブリッジの少なくとも半分を含み、少なくとも２つの肢のそれぞれは、磁気材料のストリップの少なくとも一部分を含み、ストリップの一部分上に配置されるバーバー極非磁性短絡バーは、ホイートストンブリッジの少なくとも半分の少なくとも２つの肢を形成する。対応する少なくとも２つの肢の平行で隣接するストリップ間の内側ギャップは、検知される磁気トラック上の遷移部長さ程度である。【選択図】図１１
2014002725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気トラック（４１０）上の磁気情報を検知するための固体磁気センサ（１００／１７０）であって、
少なくとも２つの肢(legs)（１０１、１０２）を含むホイートストンブリッジの少なくとも半分（１０５／１０８）であって、前記少なくとも２つの肢のそれぞれは、磁気材料（２５１）のストリップ(strip)の少なくとも一部分を含み、対応する少なくとも２つの肢の平行で隣接するストリップ間の内側(inner)ギャップ（２３６）は、検知される磁気トラック（４１０）上の遷移部(transition)長さ（Ｌｔ）程度(on the order of)である、ホイートストンブリッジの少なくとも半分と、
前記ホイートストンブリッジの前記少なくとも半分の前記少なくとも２つの肢を形成するストリップ（２０１）の一部分上に配置されるバーバー極(barber pole)非磁性短絡(shorting)バー(bars)（２５０）と
を含む、固体磁気センサ。
【請求項２】
前記ホイートストンブリッジの前記少なくとも半分は、半ホイートストンブリッジ(half-Wheatstone bridge)（１０８）であり、前記半ホイートストンブリッジは、
２つの対応するストリップ（２５１）から形成される２つの肢（２０５、２０６）であって、前記バーバー極非磁性短絡バー（２５０）は、磁力計(magnetometer)（１４０）、グラジオメータ(gradiometer)（１５０）、および磁力計／グラジオメータの組合せ（１８０）のうちの１つを形成するために前記半ホイートストンブリッジの前記２つのストリップ上に配置される、２つの肢と、
前記対応する２つの肢に入力される定電流を提供する２つの定電流源（１９０）であって、前記半ホイートストンブリッジの前記２つの肢の両端の電圧（Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２）は差動的に(differentially)測定される、２つの定電流源と
を含む、請求項１に記載の固体磁気センサ（１７０）。
【請求項３】
前記ホイートストンブリッジの前記少なくとも半分は、完全ホイートストンブリッジ（１０５）であり、前記完全ホイートストンブリッジは、
少なくとも２つのストリップ（１０５−１、１０５−２）の少なくとも一部分から形成される少なくとも４つの肢（１０１〜１０４）であって、前記バーバー極非磁性短絡バー（２５０）は、磁力計（１４０）、グラジオメータ（１５０）、および磁力計／グラジオメータの組合せ（１６１）のうちの１つを形成するために、前記完全ホイートストンブリッジの前記少なくとも４つの肢上に配置される、４つの肢
を含み、固体磁気センサ（１００）は、
前記少なくとも４つの肢の長手方向寸法（Ｗ）に沿って電力パルスにより前記完全ホイートストンブリッジ（１０５）の前記少なくとも４つの肢（１０１〜１０４）を磁化するためのセットリセットストラップ（６６０）、および
前記完全ホイートストンブリッジ（１０５）の前記少なくとも４つの肢（１０１〜１０４）の上または下の一方に配置される磁化された永久磁石（６７０）のリニアアレイ
の一方をさらに含む、請求項１に記載の固体磁気センサ（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[1]本出願は、参照により全体が本明細書に組み込まれている、２０１２年６月１５日に出願したＡＮＩＳＯＴＲＯＰＩＣ  ＭＡＧＮＥＴＯ−ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥ（ＡＭＲ）  ＧＲＡＤＩＯＭＥＴＥＲ／ＭＡＧＮＥＴＯＭＥＴＥＲ  ＦＯＲ  ＵＳＥ  ＩＮ  ＭＡＧＮＥＴＩＣ  ＣＡＲＤ  ＲＥＡＤＥＲＳ（磁気カードリーダに使用するための異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）グラジオメータ／磁力計）という名称の米国仮出願第６１／６６０，４８２号の利益を主張するものである。
【背景技術】
【０００２】
[2]磁気クレジットカードリーダデバイスは、ユビキタスであり、現金自動預払機（ＡＴＭ）、ベンダー点検、ＩＤカードリーダなどにおいて存在する。これらの使用は、インターネット取引の増加と共に増加しており、それと共に安全性に対するより大きい要求をもたらす。誘導性ヘッドは、磁気カードリーダデバイスと共に磁気センサとして数十年間使用されてきた。誘導性ヘッドは、磁気トラック内の磁気ビット間の書込遷移部（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）上を動くとき、電圧出力を生成する。出力電圧波形は、電子回路に供給され、有線または無線のネットワークを通してサーバに伝送される前に、デジタル化および暗号化される。
【０００３】
[3]磁気書込媒体のそれぞれの部分は、固有のノイズ特性を有する。書込媒体上の書込遷移部間の領域のノイズ特性は、追加のセキュリティ特徴を提供する。各磁気カードのノイズ特性は、クレジットカードがユーザに発行されるとき、サーバ上に記憶される。店頭では、遷移部にエンコードされた情報（カード番号、ユーザＩＤなど）ならびにノイズ特性がサーバに伝送され、この情報が記憶される。記憶されたノイズ特性と、取引から受け取ったノイズ特性との間の高い相関は、認証の手段であり、追加の安全性を保証する。
【０００４】
[4]誘導性リーダと信号処理電子回路との間のインターフェースは、先行技術のシステムの弱点を示す。インターフェースにおいてカードリーダデバイスに侵入し、信号を盗み取り、したがって、デジタル化および暗号化をバイパスさせることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第５，５４６，４６２号
【特許文献２】米国特許第５，７４０，２４４号
【特許文献３】米国特許第７，３７７，４３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本願の実施例は、例えば、磁気トラックを読み取るための異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）グラジオメータ／磁力計に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[5]本出願は、磁気トラック上の磁気情報を検知するための固体磁気センサに関する。固体磁気センサは、少なくとも２つの肢を含む、ホイートストンブリッジの少なくとも半分を含み、少なくとも２つの肢のそれぞれは、磁気材料のストリップの少なくとも一部分を含み、ストリップの一部分上に配置されたバーバー極非磁性短絡バーは、ホイートストンブリッジの少なくとも半分の少なくとも２つの肢を形成する。対応する少なくとも２つの肢の平行で隣接するストリップ間の内側ギャップは、検知される磁気トラック上の遷移部長さ程度である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】[6]図１は磁気ストリップ内の３つの書込トラックを含む磁気カードの１つの実施形態の概略図である。[7]図１ｉは隣接する磁気ビット間に挿入された遷移部を含む、図１の１つの書込トラック内の４つの磁気ビットの拡大図である。
【図２】[8]磁気カード上の例示的な書込トラックおよび例示的な書込トラックの一部分内の遷移部に関連付けられた磁界の断面図である。
【図３】[9]先行技術の誘導性リーダの斜視図である。
【図４】[10]現在使用できるカードリーダデバイスの基板上の特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ）に取り付けられた、先行技術の誘導性リーダの実施形態を示す図である。
【図５】[11]図５Ａは周波数領域における図４の先行技術の誘導性リーダの出力の概形を示す図である。[12]図５Ｂは本発明による、周波数領域における磁気抵抗（ＭＲ）センサ出力の概形を示す図である。
【図６】[13]例示的な書込トラックの一部分上で読み取られる、例示的なｚ軸磁界を示す図である。
【図７】[14]書込トラック上の遷移部の数学モデルから計算された、トラック中央上のｚ軸磁界およびｘ軸磁界を示す図である。
【図８】[15]書込トラック上の遷移部の数学モデルから計算された、トラック中央上のｚ軸磁界およびｘ軸磁界の勾配を示す図である。
【図９】[16]本発明による異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサを示す図である。
【図１０】[17]本発明による、クレジットカード用途に合わせた磁力計構成の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサを示す図である。
【図１１】[18]本発明による、書込トラック上のｚ軸磁界を検知するためのＡＭＲセンサの実施形態を示す図である。
【図１２】[18]本発明による、書込トラック上のｚ軸磁界を検知するためのＡＭＲセンサの実施形態を示す図である。
【図１３】[19]本発明による、書込トラック上でｘ軸磁界を検知するために使用される磁力計の構成を示す図である。
【図１４】[20]図１４Ａは本発明による、書込トラック上で磁界を検知するために使用される磁力計の構成を示す図である。[21]図１４Ｂは本発明による、書込トラック上で磁界の勾配を検知するために使用されるグラジオメータの構成を示す図である。
【図１５】[22]磁力計とグラジオメータの組合せであるＡＭＲセンサの実施形態を示す図である。
【図１６】[23]本発明による、２つの定電流源を使用して半ホイートストンブリッジ構成で動作する磁力計構成を示す図である。
【図１７】[24]本発明による、グラジオメータおよび磁力計を含む異方性磁気抵抗センサを示す図である。
【図１８】[25]本発明による、クレジットカードトラックからｘ磁界を検出するのに使用される異方性磁気抵抗センサを示す図である。
【図１９】[26]本発明による、磁界および磁界勾配の少なくとも１つを検知するための一体化デバイスの実施形態を示す図である。
【図２０】[26]本発明による、磁界および磁界勾配の少なくとも１つを検知するための一体化デバイスの実施形態を示す図である。
【図２１】[27]勾配を有する磁界に曝露される、図１０に示すＡＭＲセンサのホイートストンブリッジの回路を示す図である。
【図２２】[28]本発明による、固体ＡＭＲセンサの実施形態を示す図である。
【図２３】[28]本発明による、固体ＡＭＲセンサの実施形態を示す図である。
【図２４】[28]本発明による、固体ＡＭＲセンサの実施形態を示す図である。
【図２５】[28]本発明による、固体ＡＭＲセンサの実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
[29]一般的な慣行により、説明する様々な特徴部は、正確な縮尺で描かれず、本発明に関連する特徴部を強調するように描かれる。図および本文を通して、同様の参照文字は、同様の要素を示す。
【００１０】
[30]磁気カードリーダに関する上述の問題は、信号処理用のオンチップＣＭＯＳ電子回路上に、またはそれに隣接させて固体センサを構築することにより解決される。本明細書に規定されるように、固体センサは、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサである。本実施形態の１つの実装形態では、ＡＭＲセンサは、オンチップＣＭＯＳ電子回路に隣接しており、基板内のビアによりオンチップＣＭＯＳ電子回路と通信可能に結合する。
【００１１】
[31]固体センサは、センサと、磁気クレジットカードリーダの信号処理制御電子回路との間にロバストなインターフェースを提供する。ウエーハレベルにおいて電子回路と一体化したパッケージ式センサは、より高い安全レベルを示す。そうしたセンサからの生信号に侵入しようとするプロセスは、パッケージ全体をしばしば破壊する。固体センサは、個々の構成要素から組み立てられたものよりも安いサブシステムコストの可能性を提供する。この安価なサブシステムは、センサおよび補助電子回路を含む。
【００１２】
[32]ＡＭＲセンサは、クレジットカード用途に関連する帯域幅全体にわたって低ノイズレベルを提供する（Ｎａｔｈａｎ  Ａ．Ｓｔｕｔｚｋｅら、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．９７，１０Ｑ１０７（２００５））。得られる高分解能は、上述の遷移部間の領域内のノイズパターンからの低レベル磁気信号を読み取る際に役立つ。
【００１３】
[33]本明細書に説明する磁気トラックセンサは、クレジットカードおよびストアロイヤリティカードなどの現在使用できる磁気カード上の少なくとも１つの磁気トラック（書込トラック）を読み取るのに役立つ。現在使用できる磁気カードは通常、磁気カードの長さを拡張する３つの磁気トラックを含む磁気ストリップを有する。磁気ストリップの３つの磁気トラックは通常、ＩＳＯ／ＩＥＣ７８１１−６国際標準により、２つの異なるビット密度（２１０ビットパーインチ（ｂｐｉ）および７５ｂｐｉ）で書き込まれる。本明細書に説明する磁気トラックリーダは、現在使用できるか、または将来開発される、任意のデバイス、構成要素、オブジェクトなどの上の少なくとも１つの磁気トラックを読み取るのに役立つ。磁気カードリーダが現在使用できるので、本明細書における磁気トラックリーダの説明は、限定されないが、磁気カードリーダに関する。
【００１４】
[34]図１は、磁気ストリップ４０９内の３つの磁気トラック（１〜３）を含む磁気カード４５０の１つの実施形態の概略図である。図１ｉは、隣接する磁気ビット４７５−１／４７５−２、４７５−２／４７５−３、および４７５−３／４７５−４間に挿入された遷移部４７６（１〜３）を含む、図１の１つの磁気トラック４１０内の４つの磁気ビット４７５（１〜４）の拡大図を示す。隣接する磁気ビット４７５−１／４７５−２、４７５−２／４７５−３、および４７５−３／４７５−４間の遷移部４７６−１、４７６−２、および４７６−３はそれぞれ、データをエンコードするのに使用される磁気ストリップ媒体および書込ヘッドの磁気特性により決定される非ゼロ長さを有する。遷移部４７６（１〜３）の長さは、本明細書では「遷移部長さＬｔ」と呼ばれる。遷移部長さＬｔは、一般に、クレジットカードでは数ミクロン程度である。
【００１５】
[35]「磁気トラック４１０（１〜３）」は、「書込トラック４１０（１〜３）」、「トラック４１０（１〜３）」、および「記録面４１０（１〜３）」とも呼ばれる。磁気書込トラック４１０（１〜３）は、磁気カードの所有者、磁気カード４５０の発行者、および当業者に知られている他の任意の関連情報に関する情報を提供するデータをエンコードされる（書き込まれる）。各書込トラック４１０（１〜３）は、トラック幅Ｗｔｒａｃｋを有する。本実施形態の１つの実装形態では、各トラック幅Ｗｔｒａｃｋは、３ｍｍである。本実施形態の別の実装形態では、磁気カード上の磁気ストリップ４０９の全幅３Ｗｔｒａｃｋは、約１０ｍｍである。本実施形態のさらに別の実装形態では、トラック４１０−１および４１０−３上のビット密度は２１０ｂｐｉであるが、中間トラック４１０−２は７５ｂｐｉのビット密度を有する。磁気カードの主要面は、ｘｙ平面内にある。用語「磁気カード」および「クレジットカード」は、本明細書では交換可能に使用される。
【００１６】
[36]図２は、磁気カード４５０上の例示的な書込トラック４１０−ｉ、および例示的な書込トラック４１０−ｉの一部分内の遷移部に関連付けられた磁界の断面図である。書込トラック４１０−ｉは、磁気ストリップ４０９内のｉ番目のトラックである。磁気ビット（例えば、図１ｉに示す磁気ビット４７５（１〜３））間の遷移部（例えば、図１ｉに示す遷移部４７６（１〜３））は、磁気ストリップ４０９（図１）の平面上の領域のトラック下向き方向に沿って全体的に４００で示す磁界を生成する。本明細書に述べるように、正のｘ方向は、下向き方向であり、ｚ方向は、磁気カード４５０のｘｙ平面に垂直である。ｙ方向は、本明細書ではトラック交差方向と呼ばれる。
【００１７】
[37]小売店の店頭で現在見つけられる磁気カードリーダデバイスは、誘導性リーダを使用し、磁気ビット４７５−Ｍと４７５−（Ｍ＋１）との間の遷移部４７６−Ｍにより生成される磁界４００を読み取る（ここで、Ｍは正の整数である）。図３は、先行技術の誘導性リーダ５０５の斜視図である。誘導性リーダ５０５は、ワイヤコイル５０１を巻かれた誘導性鉄心５００（ヘッド５００）を含む。誘導性鉄心５００は、リード幅ＷＲおよびギャップｇを有する。ギャップｇは、トラック４１０−ｉからトラック下向き方向に速度ｖで移動する磁界４００をスキャンする。誘導性鉄心５００の幅ギャップｇは、隣接するｉ番目および（ｉ＋１）番目の磁気ビット４７５−ｉと４７５−（ｉ＋１）との間の遷移部長さＬｔ（図１ｉ）に相当する。誘導性リーダ５０５が、磁気トラック４１０−ｉと近接しながら（すなわち磁界４００内で）トラック下向き（＋ｘ方向）に移動するので、誘導性鉄心５００を通って変化する磁束によりコイル５０１の両端にリードバック起電力が生成される。矢印でラベル付けされたｖにより全体的に示すトラック下向速度で移動する磁気ストリップ４０９は、図３に示す誘導性リーダ５０５により読み取られる単一のトラック４１０−ｉである。
【００１８】
[38]誘導性ヘッド５００のリード幅ＷＲは、磁気トラック４１０−ｉのトラック幅Ｗｔｒａｃｋよりも小さくなるように設計される。このスロップ（ｓｌｏｐ）は、誘導性リーダ５０５のヘッド５００がｙ方向にずれても、磁気トラック４１０−ｉの中央領域の均一な磁界を確実に読み取るようにする。本明細書に述べるように、「磁気トラックの中央領域」は、書込トラック４１０−ｉのエッジ４１１と４１２との間の（ｘ方向に延びる）領域である。
【００１９】
[39]磁気トラック４１０−ｉ上の磁気ビット遷移部４７６（１〜Ｍ）からの磁界４００は、主に、ｚ軸成分およびｘ軸成分から成る。書込トラックの中央領域上では、磁界４００のｙ成分は、名目上０である。磁界のｘ、ｙ、およびｚ成分は、磁気ストリップ４０９がトラック４１０−ｉの長手方向に延びる中心線から横向き（ｙ軸に沿ってトラック交差方向）に動くとき、均一のままである。磁界は、トラックエッジ上では均一でない。第１のトラックエッジ４１１および第２のトラックエッジ４１２は、図１および３に示される。トラック４１０−１と４１０−２との間、トラック４１０−２と４１０−３との間にもトラックエッジ（図示せず）が存在する。図３に示すように、１つのトラック４１０のみを有する実施形態では、２つのトラックエッジ４１１および４１２のみが存在する。
【００２０】
[40]図４は、現在使用できる磁気カードリーダデバイス４９９の基板５３０上の特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ）５１０に取り付けられた、先行技術の誘導性リーダ５０５の実施形態を示す。誘導性リーダ５０５は、「誘導性ヘッドリーダ」とも呼ばれ、ワイヤコイル５０１を巻かれた誘導性鉄心５００を含む。磁気カードリーダデバイス４９９は、本明細書では「磁気カードリーダ組立体４９９」とも呼ばれる。磁気カードリーダ組立体４９９は、逆さまに示され、その結果、読み取られるべき磁気カード４５０（点線４５０で示す）は、磁気カードリーダ組立体４９９上にくるであろう。誘導性リーダ４９９の動作は、図３に示される。
【００２１】
[41]誘導性リーダ５０５の両端に発生する起電力は、以下の公式により与えられる。
【００２２】
【数１】
2014002725.tif 000003
【００２３】
ここで、Ａは、誘導性鉄心５００の磁気特性、ならびに誘導性鉄心５００およびコイル５０１の幾何学パラメータの関数である比例定数であり、ｖはトラック下向速度であり、Ｈｘは、誘導性鉄心５００のギャップｇ内の書込媒体から発するトラック下向磁界である。
【００２４】
[42]図４に示すカードリーダデバイス４９９は、さらに、誘導性リーダ５０５の出力を処理する。誘導性リーダ５０５の出力は、増幅され、デジタル化され、暗号化され、サーバに伝送される。本実施形態の１つの実装形態では、特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ）５１０およびマイクロコントローラ５２０は、コイル５０１に通信可能に結合され、トラック４１０を読み取る。ＡＳＩＣ５１０およびマイクロコントローラ５２０は、固体チップとして図４に示される。リーダ信号を伝送するワイヤ５０２は、基板５３０上のパッド５３１に取り付けられる。パッド５３１は、基板コネクタ５３２を介してＡＳＩＣ５１０に通信可能に結合される。増幅、デジタル化、伝送、および制御などの残りの機能は、固体チップ５１０および５２０の内部にある。集積回路間（例えば、ＡＳＩＣ５１０とマイクロコントローラ５２０との間）の接続は、基板コネクタ５３２を使用して行うことができる。
【００２５】
[43]基板５３０上のパッド５３１へのワイヤ５０２の取付点は、安全性の観点から見れば、弱点である。磁気カードリーダデバイス４９９のこの点は、侵入（例えば、盗取り）の影響を受けやすく、その結果、リーダからの生信号が望ましくない機関により読み取られる。例えば、ＡＳＩＣ５１０とマイクロコントローラ５２０との間の他の接続は、基板５３０の表面上（またはそれより上）のコネクタを使用して行うことができ、より安全になる。
【００２６】
[44]上述の磁気カードリーダデバイス４９９内の誘導性リーダを含む安全性の問題は、本明細書に説明する固体磁気センサの実施形態により解決される。本明細書に説明する固体磁気センサを使用する磁気カードリーダデバイスは、磁気センサから生信号を読み取りたい、望ましくない機関による侵入の影響をより受けにくい。
【００２７】
[45]磁気トラックを検知するための、本明細書に説明する固体磁気センサは、少なくとも２つの肢を含むホイートストンブリッジの少なくとも半分を含む。少なくとも２つの肢のそれぞれは、磁気材料のストリップの少なくとも一部分を含む。対応する少なくとも２つの肢の平行で隣接するストリップ間の内側ギャップは、検知される（読み取られる）磁気トラック上の遷移部長さ程度である。本明細書に説明する固体磁気センサは、ホイートストンブリッジの少なくとも半分の少なくとも２つの肢が形成される磁気材料のストリップの一部分上に配置されるバーバー極非磁性短絡バーも含む。最も簡単な実施形態では、完全ホイートストンブリッジまたは半ホイートストンブリッジの肢は、磁気材料の単一のストリップを含む。本実施形態の１つの実装形態では、半ホイートストンブリッジの肢は、磁気材料の２つ以上のストリップを含む。本実施形態の別の実装形態では、完全ホイートストンブリッジの肢は、磁気材料の２つ以上のストリップを含む。
【００２８】
[46]図５Ａは、周波数領域における図４の先行技術の誘導性リーダ５０５の出力６００の概形を示す。図５Ａに示すプロットの形状は、示唆的なものであり、実際の測定からのものではない。式１の速度項ｖは、周波数領域において周波数がＤＣ周波数に近づくとき（すなわち、スキャン速度が０に向かって進むとき）、誘導性リーダの出力が０に向かって進むことを意味する。高周波数では、磁界勾配ｄＨｘ／ｄｘにおいて減少する信号内容物のために、出力は再び減少する。
【００２９】
[47]図５Ｂは、本発明による、周波数領域における磁気抵抗（ＭＲ）センサ出力の概形を示す。図５Ｂに示すプロットの形状は、示唆的なものであり、実際の測定からのものではない。ＭＲリーダからの出力６０１は、先行技術の誘導性リーダの出力６００と比べて、ＤＣ周波数に向かうとき、平坦で０よりも大きい。高周波数では、出力６０１は、誘導性リーダ５０５（図４）と同じ理由で減少する。ＭＲセンサを含むリーダの低周波数において存在する追加の信号出力を、明細書に説明されるセンサに役立つように使用することができる。したがって、本明細書に説明する固体磁気センサ（すなわち、磁気抵抗（ＭＲ）センサ）の周波数依存性は、固体磁気センサの出力が磁気カード４５０（図１）の低スキャン速度で０に向かって進まないので、磁気カードリーダデバイスに使用するのにより良い。
【００３０】
[48]図６は、例示的な書込トラック４１０の一部分上で読み取られる、例示的なｚ軸磁界を示す。図６は、磁気ヘッドが、例示的な書込トラック４１０の表面上のｚ方向に一定の距離で保持されながら、磁気ビット４７５（図１ｉ）間の遷移部４７６上で動かされるときのｚ磁界を示す。磁界は、磁気ヘッドが磁気ビット間（例えば、図１ｉの４７５−１と４７５−２との間）の遷移部（例えば、図１ｉの４７６−１）上にあるとき、領域６０４で最大になる。ノイズパターン６０５は、遷移部４７６−１間のピーク領域６０４のいずれかの側に見られる。本明細書に規定されるように、「ｚ磁界」は、ｚ軸を向く磁界である。「ｚ磁界」は、本明細書では「ｚ軸磁界」および「ｚ軸磁場」とも呼ばれる。ｚ軸の勾配は、「ｚ軸磁界勾配」である。
【００３１】
[49]ｘ磁界（例えば、トラック下向磁界）の測定は、同じタイプのプロファイルを有する。本明細書に規定されるように、「ｘ磁界」は、ｘ軸を向く磁界である。「ｘ磁界」は、本明細書では「ｘ軸磁界」および「ｘ軸磁場」とも呼ばれる。ｘ軸の勾配は、「ｘ軸磁界勾配」である。本明細書に説明する一体型カードリーダによりｚ磁界またはｘ磁界を使用して、磁気特性評価（以下に示す）を行うことができる。
【００３２】
[50]図６に示すノイズパターンなどのノイズパターン６０５は、カード特有のものであり、２つの異なるカードは、異なるノイズパターンを有する。カードの「特性評価」として説明される、ノイズパターン６０５のそうした特異性は、安全性のために役立つように使用されてきた。Ｉｎｄｅｃｋらによる米国特許第５，５４６，４６２号、Ｉｎｄｅｃｋらによる米国特許第５，７４０，２４４号、およびＭｏｒｌｅｙ，Ｊｒ．らによる米国特許第７，３７７，４３３号を含む、いくつかの特許は、ノイズパターン６０５の特異性に基づく特性評価を説明する。カードからのノイズパターンは、クレジットカードを使用する前に（通常、サーバ上に）記憶される。
【００３３】
[51]店頭において、ノイズパターン６０５が読み取られ、読み取られたばかりのノイズパターンと、記憶されたノイズパターンとの間の相関係数が計算される。同じカードの相関係数は、高くなる傾向がある。オリジナルのクレジットカード（磁気トラック）の改ざんに基づいてクレジットカード（磁気トラック）が複製されるとき、複製されたクレジットカードは、オリジナルのクレジットカードと同じノイズパターンを有しない。したがって、オリジナルのカードと複製されたカードとの相関係数が低い傾向があるので、磁気センサは、クレジットカードが盗取りで複製されたかどうかを特定するために使用される出力を提供する。したがって、磁気特性評価は、カードの追加検証を提供する。先行技術のシステムにおいて測定されるように、異なるカードの相関係数は０．１未満であるが、同じカードの相関係数は０．２よりも大きいことを、Ｍｏｒｌｅｙ，Ｊｒ．らによる米国特許第７，３７７，４３３号は示す。
【００３４】
[52]センサが遷移部ピークおよびノイズパターンを読み取るために、センサは、広いダイナミックレンジを有しなければならない。本明細書に説明する異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサは、感度が高く、１００μＧ未満の最小検出可能磁界を有する。本明細書に説明する異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサは、広い磁界レンジ（すなわち、１０Ｇよりも大きい）を有する。そうしたダイナミックレンジは、遷移部およびノイズパターンの両方を検出するには十分である。したがって、本明細書に説明するＡＭＲセンサは、特性評価に役立つ。
【００３５】
[53]図７は、トラック中央上で、書込トラック４１０上の遷移部の数学モデルから計算された、トラック中央上のｚ軸磁界およびｘ軸磁界を示す。ｍ番目の遷移部、（ｍ＋１）番目の遷移部、および（ｍ＋２）番目の遷移部が、それぞれ、ラベルｍ、ｍ＋１、およびｍ＋２と共に水平軸上に示される。全体的に６２０（実線）で示すｚ軸磁界は、遷移部上にピークを有し、全体的に６２１（点線）で示すｘ軸磁界は、遷移部上に鋭い勾配を有する。
【００３６】
[54]図８は、書込トラック４１０上の遷移部の数学モデルから計算された、トラック中央上のｚ軸磁界およびｘ軸磁界の勾配を示す。ｚ軸磁界は、全体的に６３０（実線）で示され、ｘ軸磁界の勾配は、全体的にトラック中央上の６３１（点線）で示される。図７のビット密度は、図８のビット密度未満であり、したがって、ｍ番目の遷移部と（ｍ＋１）番目の遷移部との間のトラック下向距離は、図７では図８よりも大きい。ｚ磁界のｚ勾配（図示せず）を計算することもできる。
【００３７】
[55]本明細書に説明するＡＭＲセンサは、遷移部から磁界の勾配（または他の成分）を読み取ることを可能にする。ｘ磁界またはｚ磁界は、より高い磁界強度の利点を提供することができる。本実施形態の１つの実装形態では、磁気カードリーダのパッケージングは、１つまたは複数のＡＭＲセンサが有利なことにこれらの方向の１つを向くことができるように構成される。本実施形態の別の実装形態では、磁気カードリーダのパッケージングは、ＡＭＲセンサが有利なことにこれらの方向のどちらにも向くことができるように構成される。さらに別の実装形態では、本明細書に説明するＡＭＲセンサは、磁界およびその勾配を同時に測定し、それにより、遷移部および遷移部間のノイズパターンに関する追加情報を提供する。
【００３８】
[56]図９は、本発明による異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ２００を示す。図９のＡＭＲセンサ２２０は、１００マイクロガウス未満の分解能および約１０ガウスのダイナミックレンジで磁界を検知するために設計されたシリコンセンサ２２０である。ＡＭＲセンサ２２０は、約１ｋオームの合成抵抗値を有する４つの肢６５１〜６５４を含む完全ホイートストンブリッジ６５０から成る。完全ホイートストンブリッジ６５０の各肢６５１〜６５４は、寸法が数百ミクロンである。本明細書で設定構造体６６０とも呼ばれるセットリセットストラップ６６０も示される。セットリセットストラップ６６０は、短い電流パルスにより、その長手方向寸法に沿って（図９に示す線Ｗに平行に）完全ホイートストンブリッジ６５０の各肢６５１〜６５４を磁化する。セットリセットストラップ６６０は、１）検知のためにＡＭＲセンサ２２０を初期化し、２）実際の、または起こり得る消磁の場合の後、ＡＭＲセンサ２２０を再初期化し、および／または３）１つの方向に沿ってＡＭＲセンサ２２０の磁化を設定し、次いで反対方向でＡＭＲセンサ２２０の磁化をリセットするのに使用される。セットリセットストラップ６６０のこの後者の使用法は、ＡＭＲセンサ２２０のゼロオフセット（ｎｕｌｌ  ｏｆｆｓｅｔ）を取り除くために、２つの読取値間の差をとる。
【００３９】
[57]図９に示すＡＭＲセンサ２２０は、クレジットカードリーダ用途、および遷移部４７６−１（図１ｉ）間のノイズパターン６０５（図６）を検出するのに十分適する。分解能、ダイナミックレンジ、抵抗値、およびＡＭＲセンサの自然長スケールは、遷移部４７６−１（図１ｉ）間のノイズパターン６０５（図６）を検出するのにふさわしい程度の大きさである。磁気トラックリーダまたはクレジットカードリーダは、ＡＭＲのベース技術を使用して開発することができ、その結果、単一のセンサは、必要な分解能およびダイナミックレンジで磁気トラックの中央領域をカバーする。対照的に、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）およびトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）などの他の磁気抵抗技術は、ミクロン長スケールであり、書込トラック４１０（図１）の中央領域をカバーするために複数の磁気センサを必要とする。
【００４０】
[58]ＡＭＲ磁力計およびＡＭＲグラジオメータを含む固体磁気センサの様々な追加の実施形態は、単独で、または組み合わせてここに説明される。本明細書に説明する磁気カード上の磁気情報を読み取るための固体磁気センサの実施形態は、ホイートストンブリッジの少なくとも半分を含む。ホイートストンブリッジの少なくとも半分は、少なくとも２つの肢を含む。少なくとも２つの肢のそれぞれは、ストリップの少なくとも一部分により形成される。固体磁気センサは、対応する少なくとも２つの肢の平行で隣接するストリップ間の内側ギャップを含む。内側ギャップは、例えば読み取られる磁気カード上で検知される磁気トラック上の遷移部長さ程度である。バーバー極非磁性短絡バーは、ホイートストンブリッジの少なくとも半分の少なくとも２つのストリップ上に配置される。固体磁気センサは、肢を形成するストリップ上のバーバー極非磁性短絡バーの方向に基づく、ＡＭＲ磁力計、ＡＭＲグラジオメータ、またはＡＭＲ磁力計／グラジオメータの組合せである。
【００４１】
[59]図１０は、本発明による、クレジットカード用途に合わせた磁力計構成の異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）センサ１００を示す。図１０では、ＡＭＲセンサ１００は、４つの肢１０１、１０２、１０３、および１０４を含む、完全ホイートストンブリッジ１０５である。肢１０１および１０３ならびに肢１０２および１０４は、全体的にＷで示す幅を有する。４つの肢１０１、１０２、１０３、および１０４は、本明細書では「ブリッジ肢１０１、１０２、１０３、および１０４」と呼ばれるか、または個々に第１の肢１０２、第２の肢１０２、第３の肢１０３、および第４の肢１０４と呼ばれる。各ブリッジ肢１０１、１０２、１０３、および１０４は、全体的に２５０で示すバーバー極非磁性短絡バーを背後に見える、全体的に２５１で示す磁気材料を含む。磁気材料２５１は、その長尺の矩形状またはヘビ状のために、本明細書では「ストリップ２５１」または「磁気材料のストリップ２５１」とも呼ばれる。本実施形態の１つの実装形態では、磁気材料２５１は、パーマロイ（ＮｉＦｅ）である。本実施形態の別の実装形態では、磁気材料２５１は、遷移金属合金である。いくつかの実施形態では、遷移金属合金は、遷移金属Ｆｅ、Ｃｏ、および／またはＮｉの合金である。
【００４２】
[60]「バーバー極非磁性短絡バー２５０」は、本明細書では「バーバー極短絡金属バー２５０」および「バーバー極短絡バー２５０」とも呼ばれる。バーバー極非磁性短絡バー２５０は、リニアセンサを作る。
【００４３】
[61]第１の肢１０１および第３の肢１０３は、第１のストリップ１０５−１の両側（すなわち、第１の部分および第２の部分）にある。第１の肢１０１および第３の肢１０３は、バーバー極非磁性短絡バー２５０の異なる方向（すなわち鏡像）により互いに区別される。同様に、第２の肢１０２および第４の肢１０４は、第２のストリップ１０５−２の両側（すなわち、第１の部分および第２の部分）にあり、バーバー極非磁性短絡バー２５０の異なる方向（すなわち鏡像）により互いに区別される。第１のストリップ１０５−１と、平行で隣接する第２のストリップ１０５−２との間の内側ギャップ２３５は、検知される磁気トラック４１０（例えば読み取られる磁気カード４５０）上の遷移部４７６−１、４７６−２、および４７６−３（図１ｉ）の長さ（すなわち遷移部長さＬｔ）程度である。したがって、第１の肢１０１および第２の肢１０２は、内側ギャップ２３５により分離されており、第３の肢１０３および第４の肢１０４は、内側ギャップ２３５により分離される。
【００４４】
[62]クレジットカードセンサに必要ないくつかの重要な特徴がある。すなわち、１）肢１０１と１０２との間および肢１０３と１０４との間の内側ギャップ２３５は、遷移部長さＬｔ程度でなければならない。２）センサ動作領域のｘ寸法全体（トラック下向き方向）が遷移部間の最近接距離未満でなければならない。３）ｙ方向のセンサトラック交差幅が、トラック幅Ｗｔｒａｃｋよりも小さくなるように設計される。
【００４５】
[63]内側ギャップ２３５は、デバイスを形成するのに使用されるフォトリソグラフィプロセスの機能に基づいて変化する可能性がある。
[64]ｙ方向のＡＭＲセンサ１００の範囲（Ｗ）は、トラック幅Ｗｔｒａｃｋ（図１）の大きい部分に及ぶ。本実施形態の１つの実装形態では、センサ１００の幅Ｗは、１．４ｍｍであり、３ｍｍ幅トラックの中央部分を検知するように設計される。幅Ｗは、センサコストを低減するために必要に応じて調整することができる。完全ホイートストンブリッジ１０５は、当業者に知られているように、標準的な半導体および磁気付加（ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスを使用してシリコンウエーハ上に作成される。したがって、作成プロセスは、本明細書には詳述されない。図１０に示す完全ホイートストンブリッジ１０５は、一定のバイアス電圧Ｖｂｉａｓでバイアスされる。ブリッジの出力ノード間（例えば、Ｖｏｕｔ１とＶｏｕｔ２との間）の電圧差は、印加される磁界の関数である。
【００４６】
[65]図１１および１２は、本発明による、書込トラック４１０上のｚ軸磁界を検知するためのＡＭＲセンサ１１０および１２０の実施形態をそれぞれ示す。具体的には、図１１および１２に示すセンサ１１０および１２０の構成は、それぞれ、ＡＭＲセンサ１１０および１２０においてバイアス磁界を生成し、磁界または磁界勾配を読み取る前にセンサ肢１０１〜１０４の磁化を安定化するために使用される設定構造体を含む。図１１および１２に示すように、センサ１１０および１２０は、それぞれ、ｙｚ平面内にあり、スキャンされるクレジットカード４５０の表面（ｘｙ平面）に垂直であるとき、動作可能である。センサ１１０および１２０は、そうした形式で配置されるとき、磁気書込トラック４１０−１（図１１）により生成されるｚ磁界を読み取る。
【００４７】
[66]図１１のセンサ１１０の構成は、設定構造体として使用されるセットリセットストラップ６６０を含むセンサ１００を示す。セットリセットストラップ６６０は、短い電流パルスにより、（図１１に示すｙ軸に平行な）その長手方向寸法に沿った完全ホイートストンブリッジ１０５の肢１０１、１０２、１０３、および１０４を磁化する。図１１のＡＭＲセンサ１１０は、クレジットカードトラック４１０−２からｚ磁界を検出するために使用される。このセンサは、ブリッジ肢１０１〜１０４の長手方向寸法に沿った磁化を初期化するためにセットリセットストラップ６６０を使用する。
【００４８】
[67]図１２のセンサ１２０の構成は、完全ホイートストンブリッジの遷移金属よりも上または下に配置される永久磁石（ＰＭ）６７０を含むセンサ１２０を示す。本実施形態では、永久磁石６７０は、設定構造体である。このセンサ１２０は、リニアアレイ（１ｘＰ）を含む（ここで、Ｐは、４つのブリッジ肢１０１〜１０４よりも上または下（すなわち、遷移金属合金よりも上または下）に配置される磁化された永久磁石６７０の正の整数である）。本実施形態の１つの実装形態では、永久磁石６７０は、遷移金属合金の層の下の層に作成される。本実施形態の別の実装形態では、永久磁石６７０は、遷移金属合金の層の上の層に作成される。永久磁石６７０は、図１１に示すセットリセットストラップ６６０の代わりにセンサ１２０にバイアス磁界を供給する。
【００４９】
[68]セットリセットストラップ６６０も永久磁石６７０も、一時的または長期的なバイアス磁界を生成するために設計され、全体的に４００で示す磁界を検知するために使用されるブリッジ肢１０１〜１０４の長手方向寸法に沿った均一な磁化をもたらす。図１２のＡＭＲセンサ１２０の構成は、ＡＭＲセンサ１２０のエッジが、図１１のＡＭＲセンサ１１０よりも書込トラック４１０に近づくようにする。書込トラックと、ｚ軸磁界またはｘ軸磁界を検知するためのＡＭＲセンサのエッジまたは表面との間のスペースは、それぞれ、本明細書ではセンサ媒体間スペースと呼ばれる。センサ媒体間スペースは、磁気記録において重要なパラメータである。クレジットカード用途では、センサ媒体間スペースは、隣接ずる遷移部を識別するために数ミクロン内に保持される。
【００５０】
[69]図１３は、本発明による、書込トラック４１０上でｘ軸磁界を検知するために使用される磁力計１３０（ＡＭＲセンサ１３０）の構成を示す。ＡＭＲセンサ１３０は、クレジットカードトラック４１０からｘ磁界を検出するのに使用される。ＡＭＲセンサ１３０は、図１１のＡＭＲセンサ１１０と構造が類似する。ＡＭＲセンサ１３０は、記録面４１０のｘｙ平面に平行なｘｙ平面内に方向付けられる。センサ１３０の検知方向は、トラック下向き方向（ｘ方向）に平行である。わかりやすくするために、センサ１３０は、能動面を上にして（すなわち、逆さまにして）示される。ＡＭＲセンサ１３０の検知面は、動作中、記録面４１０に面する。ｘ軸センサでは、センサと記録媒体とのスペースは、ｘ軸センサがｚ軸センサ１１０と異なりｘ軸センサと記録面４１０との間のセットリセットストラップ６６０の一部分を全く有しないので、ｚ軸センサ１１０（図１１）のものよりも小さい。
【００５１】
[70]本実施形態の１つの実装形態では、ＡＭＲセンサ１３０は、図１２のＡＭＲ１２０と構造が類似しており、永久磁石を含む。
[71]ＡＭＲセンサ１３０の磁力計構成の出力は、次式により与えられる。
【００５２】
Ｖｏｕｔ（ｔ）＝ＳＨｉＶｂｉａｓ  （２）
ここで、添字ｉ＝ｘまたはｚ、Ｓは磁力計の感度（単位、Ｖｏｌｔ／Ｖｏｌｔ−Ｏｅ）、Ｈｉは磁界成分（単位、Ｏｅ）、Ｖｂｉａｓはセンサバイアスである。媒体およびセンサ媒体間スペースの詳細は、Ｈｉに組み込まれ、センサ構造の詳細は、感度パラメータＳに組み込まれる。ＳはＨｉの関数であり、低い磁界Ｈｉでは、Ｓは一定、すなわちＳ（Ｈｉ）→Ｓである。
【００５３】
[72]図９、１１、１２、および１３を参照して上述したＡＭＲセンサ２２０、１１０、１２０、および１３０の構成は、それぞれ、磁力計センサとして構成される。ＡＭＲセンサ２２０、１１０、１２０、および１３０のそれぞれは、グラジオメータセンサ構成において動作するように再設計することができる。図１４Ａは、本発明による、書込トラック４１０−ｉ上で磁界を検知するために使用される磁力計１４０の構成を示す。図１４Ｂは、本発明による、書込トラック４１０−ｉ上で磁界の勾配を検知するために使用されるグラジオメータ１５０の構成を示す。
【００５４】
[73]図１４Ａに示すように、ＡＭＲ磁力計センサ１４０は、完全ホイートストンブリッジ１０５（図１０）を含む。図１４Ｂに示すように、グラジオメータ１５０（ＡＭＲグラジオメータセンサ１５０）は、完全ホイートストンブリッジ１０６を含む。図１４Ａおよび１４Ｂに示すように、ＡＭＲ磁力計センサ１４０の完全ホイートストンブリッジ１０５およびＡＭＲグラジオメータセンサ１５０の完全ホイートストンブリッジ１０６は、磁気ストリップ２５１上のバーバー極短絡金属バー２５０の方向が異なる。バーバー極短絡金属バー２５０は、センサ１４０または１５０の線形応答を実現するために使用される。バーバー極短絡金属バー２５０の方向の変化は、分解能、ダイナミックレンジ、抵抗値、および特にセンサの２つの半部分間の内側ギャップなどの、センサ１４０および１５０を規定する他のパラメータを変化させない。
【００５５】
[74]図１４Ａに示すように、ＡＭＲ磁力計センサ１４０では、第１の肢３０１および第２の肢３０２上のバーバー極短絡金属バー２５０の相対的方向は、ＡＭＲ磁力計センサ１４０の長手方向（すなわち、感度の方向に垂直な）範囲に関して反転する。第３の肢３０３および第４の肢３０４上のバーバー極短絡金属バー２５０の相対的方向も、ＡＭＲ磁力計センサ１４０の長手方向範囲に関して反転する。第１の肢３０１および第３の肢３０３上のバーバー極短絡金属バー２５０の相対的方向は、ＡＭＲ磁力計センサ１４０の短手方向（すなわち、感度の方向に平行な）範囲に関して反転する。第２の肢３０２および第４の肢３０４上のバーバー極短絡金属バー２５０の相対的方向は、ＡＭＲ磁力計センサ１４０の短手方向範囲に関して反転する。
【００５６】
[75]図１４Ｂに示すように、ＡＭＲグラジオメータセンサ１５０では、第１の肢３５１上のバーバー極短絡金属バー２５０の相対的方向は、第２の肢３５２上のバーバー極短絡金属バー２５０の方向と同じである。ＡＭＲグラジオメータセンサ１５０では、第３の肢３５３上のバーバー極短絡金属バー２５０の相対的方向は、第４の肢３５４上のバーバー極短絡金属バー２５０の方向と同じである。第１の肢３５１および第３の肢３５３上のバーバー極短絡金属バー２５０の相対的方向は、ＡＭＲグラジオメータセンサ１５０の短手方向範囲に関して反転する。第２の肢３５２および第４の肢３５４上のバーバー極短絡金属バー２５０の相対的方向は、ＡＭＲグラジオメータセンサ１５０の短手方向範囲に関して反転する。
【００５７】
[76]図１４Ｂに示すように構成されたＡＭＲグラジオメータセンサ１５０は、セットリセットストラップまたは永久磁石と共に使用することができる。ＡＭＲグラジオメータセンサ１５０は、ｚ磁界勾配センサ（ｄＨｚ／ｄｚ）またはｘ磁界勾配センサ（ｄＨｘ／ｄｘ）として使用することができる。図１４Ｂに示すように、バーバー極短絡金属バー２５０の方向を変えることにより、図１１、１２、および１３の磁力計構成をグラジオメータ構成と取り換えることができる。
【００５８】
[77]速度項を除けば、ｘ磁界グラジオメータの出力（ｄＨｘ／ｄｘ）は、図３に示す先行技術の誘導性リーダ５０５の出力と密接に関連する。ｘ磁界グラジオメータ（ｄＨｘ／ｄｘ）は、図１３の磁力計構成を図１４Ｂに示すグラジオメータと取り換えることにより得られる。すなわち、
【００５９】
【数２】
2014002725.tif 000004
【００６０】
ここで、Ｓｇはグラジオメータの感度（単位、Ｖｏｌｔ−ｍｉｃｒｏｎ／Ｖｏｌｔ−Ｏｅ）であり、ｄＨｘ／ｄｘは磁界勾配（単位、Ｏｅ／ｍｉｃｒｏｎ）であり、Ｖｂｉａｓはセンサバイアス電圧である。媒体およびセンサ媒体間スペースの詳細のすべては、ｄＨｘ／ｄｘに組み込まれ、センサ構造の詳細のすべては、感度パラメータＳｇに組み込まれる。出力が、媒体に対するリーダの速度に依存していないので、先行技術の誘導性リーダ５０５（図４）と比べて低周波数でさらに多くの信号内容物が存在する。
【００６１】
[78]検知用磁気トラックに合わせたＡＭＲセンサ（図１０、１１、１２、１３、１４Ａ、および１４Ｂ）の説明では、完全ホイートストンブリッジの各肢は、単一のストリップ２５１の少なくとも一部分から成る、様々な実施形態を説明した。しかし、完全ホイートストンブリッジの各肢は、直列に接続された複数のストリップ２５１から形成することができる。再び図９を参照すれば、ホイートストンブリッジ６５０の各肢６５１、６５２、６５３、および６５４は、直列に接続された遷移金属合金のいくつかのストリップを含む。これにより、センサの所望の抵抗値を作ることができ、したがって、定電圧供給源に関するセンサの電力消費を低減する。
【００６２】
[79]ＡＭＲセンサがシリコン上に作成されるので、グラジオメータおよび磁力計を互いに隣接させて容易に配置することができる。したがって、同じセンサチップ上で、同じカードスワイプにおいて複雑な組付けを必要とすることなく、磁気トラック４１０の磁界もその勾配も検知することができる。図１５は、磁力計とグラジオメータの組合せであるＡＭＲセンサ１６１の実施形態を示す。ＡＭＲセンサ１６１は、本明細書では「磁力計／グラジオメータ組合せセンサ１６１」または「磁力計／グラジオメータの組合せ１６１」と呼ばれる。図１５に示すように、磁力計／グラジオメータ組合せセンサ１６１は、６つの肢２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、および２０６を有する完全ホイートストンブリッジ１０７を含む。この例示的な実施形態では、各肢２０１、２０２、２０３、２０４、２０５、および２０６は、全体的に２６６で示す導電材料により直列に接続された複数のストリップ２５１から形成される。例えば、第１の肢２０１は、ストリップ２０１−Ａ、２０１−Ｂ、および２０１−Ｃを含む。同様に、第２の肢２０２は、ストリップ２０２−Ａ、２０２−Ｂ、および２０２−Ｃなどを含む。肢内のストリップ間（例えば、２０１−Ａと２０１−Ｂとの間および２０１−Ｂと２０１−Ｃとの間）のスペース２３７（ギャップ２３７とも呼ばれる）は、フォトリソグラフィおよび他の金属作成プロセスの機能により決定されるが、ほぼ数ミクロン程度である。したがって、肢内のストリップ間スペース２３７は、必ずしも検知される磁気トラック４１０上の遷移部の長さ程度ではない。
【００６３】
[80]肢２０１、２０２、２０４、および２０５は、磁力計構成におけるバーバー極非磁性短絡バーにより覆われる。したがって、肢２０１、２０２、２０４、および２０５は、磁力計／グラジオメータ組合せセンサ１６１にＡＭＲ磁力計センサ１４１を形成する。肢２０２、２０３、２０５、および２０６は、グラジオメータ構成のバーバー極非磁性短絡バーにより覆われる。したがって、肢２０２、２０３、２０５、および２０６は、磁力計／グラジオメータ組合せセンサ１６１にＡＭＲグラジオメータセンサ１５１を形成する。
【００６４】
[81]第１の肢２０１の第３のストリップ２０１−Ｃと、第２の肢２０２の平行で隣接する第１のストリップ２０２−Ａとの間の内側ギャップ２３５は、検知される磁気トラック４１０上（例えば、読み取られる磁気カード４５０上）の遷移部４７６−１、４７６−２、および４７６−３（図１ｉ）の長さ（すなわち遷移部長さＬｔ）程度である。
【００６５】
[82]第２の肢２０２の第３のストリップ２０２−Ｃと、第３の肢２０３の平行で隣接する第１のストリップ２０３−Ａとの間の内側ギャップ２３５は、遷移部長さＬｔの長さ程度である。第４の肢２０４の第３のストリップ２０４−Ｃと、第５の肢２０５の平行で隣接する第１のストリップ２０５−Ａとの間の内側ギャップ２３５は、遷移部長さＬｔの長さ程度である。第５の肢２０５の第３のストリップ２０５−Ｃと、第６の肢２０６の平行で隣接する第１のストリップ２０６−Ａとの間の内側ギャップ２３５は、遷移部長さＬｔの長さ程度である。
【００６６】
[83]したがって、第１の肢１０１および第２の肢１０２は、内側ギャップ２３５により分離され、第４の肢１０４および第５の肢１０５は、内側ギャップ２３５により分離される。同様に、第２の肢１０２および第３の肢１０３は、内側ギャップ２３５により分離され、第５の肢１０５および第６の肢１０６は、内側ギャップ２３５により分離される。図１５に示すように、ＡＭＲセンサ１６１のトラック交差幅は、トラック幅Ｗｔｒａｃｋ未満である。
【００６７】
[84]ＡＭＲセンサ１６１は、以下の電気接触点、すなわち、第２の肢２０２の第１のストリップ２０２−Ａに接続されたＣＯＭＭＯＮ１接触点、第５の肢２０５の第１のストリップ２０５−Ａに接続されたＣＯＭＭＯＮ２接触点、第２の肢２０２の第３のストリップ２０２−Ｃに接続されたＣＯＭＭＯＮ３接触点、第５の肢２０５の第３のストリップ２０５−Ｃに接続されたＣＯＭＭＯＮ４接触点、第１の肢２０１の第３のストリップ２０１−Ｃに接続されたＶｏｕｔ１ＭＡＧ接触点、第４の肢２０４の第３のストリップ２０４−Ｃに接続されたＶｏｕｔ２ＭＡＧ接触点、第３の肢２０３の第１のストリップ２０３−Ａに接続されたＶｏｕｔ１ＧＲＡＤ接触点、第６の肢２０６の第１のストリップ２０６−Ａに接続されたＶｏｕｔ２ＧＲＡＤ接触点、第１の肢２０１の第１のストリップ２０１−Ａにも第４の肢２０４の第１のストリップ２０４−Ａにも接続されたＶｂｉａｓＭＡＧ接触点、および第３の肢２０３の第１のストリップ２０３−Ａにも第６の肢２０６の第１のストリップ２０６−Ａにも接続されたＶｂｉａｓＧＲＡＤ接触点を有する。
【００６８】
[85]磁力計１４１としてＡＭＲセンサ１６１を動作させるために、Ｖｏｕｔ１ＭＡＧはＣＯＭＭＯＮ１に接続され、Ｖｏｕｔ２ＭＡＧはＣＯＭＭＯＮ２に接続されるが、ＣＯＭＭＯＮ４はＣＯＭＭＯＮ５に接続される。次いで、バイアス電圧がＶｂｉａｓＭＡＧにおいて測定される。
【００６９】
[86]グラジオメータ１５１としてＡＭＲセンサ１６１を動作させるために、Ｖｏｕｔ１ＧＲＡＤはＣＯＭＭＯＮ３に接続され、Ｖｏｕｔ２ＧＲＡＤはＣＯＭＭＯＮ４に接続されるが、ＣＯＭＭＯＮ１はＣＯＭＭＯＮ２に接続される。次いで、バイアス電圧がＶｂｉａｓＧＲＡＤにおいて測定される。
【００７０】
[87]本実施形態の１つの実装形態では、接触点を切り換えるために外部回路が使用され、その結果、ＡＭＲセンサ１６１は、磁力計１４１としての動作と、グラジオメータ１５１としての動作との間で切り換える。本実施形態の別の実装形態では、磁力計／グラジオメータ組合せセンサ１６１は、１つの肢につき４つ以上のストリップで構成される。本実施形態のさらに別の実装形態では、磁力計／グラジオメータ組合せセンサ１６１は、１つの肢につき２つ以下のストリップで構成される。
【００７１】
[88]これまで説明したセンサ構成はすべて、定電圧供給源を使用して電力供給される。磁力計構成にもグラジオメータ構成にも適用可能な別の構造の変形形態は、２つの定電流源を供給される「半ブリッジ」である。
【００７２】
[89]図１６は、本発明による、２つの定電流源１９０を使用して半ホイートストンブリッジ構成で動作する磁力計構成のＡＭＲセンサ１７０を示す。磁力計構成のＡＭＲセンサ１７０は、２つの肢２０５および２０６を有する半ホイートストンブリッジ１０８を含む。各肢２０５および２０６は、磁気材料２５１およびバーバー極非磁性短絡バー２５０のストリップを含む。本実施形態の１つの実装形態では、定電流モードは、センサのグラジオメータ構成に適用される。いずれの場合でも、半ホイートストンブリッジ１０８の２つの肢２０５および２０６の両端の電圧Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２は、差動的に測定される。電圧差は、トラック下向き方向の磁界またはその勾配に比例する。
【００７３】
[90]磁気トラック上の磁気情報を検知する用途（例えば、クレジットカード用途）では、センサトラック交差幅は、トラック幅Ｗｔｒａｃｋよりも小さくなるように設計される。本実施形態の１つの実装形態では、センサトラック交差幅は約１．４ｍｍであり、トラック幅Ｗｔｒａｃｋは約３ｍｍである。したがって、媒体遷移部からの磁界は、センサの幅（トラック交差幅）全体にわたって均一であることが期待される。しかし、これは、ノイズパターンには当てはまらないが、それは、ノイズが磁気ストリップ２５１の媒体の結晶構造の変化から生じるためである。半ブリッジ１０８の各肢２０５および２０６は、センサ１７０の幅（トラック交差幅）全体にわたる媒体から信号を統合する。これは、誘導性リーダと同様である。
【００７４】
[91]対照的に、図１０および１１、１２、１３、ならびに１４に示す完全ブリッジは、２つの半部分のセンサ信号領域を分割する。これは、遷移部からの信号の検出またはノイズ特性ベースの相関に関して、どんな問題ももたらさない。しかし、それは誘導性リーダと異なる。本実施形態の１つの実装形態では、完全ブリッジは、各肢が最長の範囲に沿って（すなわち、図１１および１２のｙ方向に）センサ全体からの信号を統合するように構成される。この後者の場合には、肢の少なくとも２つは、ギャップ長ｇを超えて分離される。
【００７５】
[92]図１７は、本発明による、グラジオメータ１６および磁力計１５の一体化から形成される異方性磁気抵抗センサ１８０を示す。ＡＭＲセンサ１８０は、同じカードスワイプにおいて複雑な組付けを必要とすることなく、磁気トラック４１０の磁界もその勾配も検知するように動作する。異方性磁気抵抗センサ１８０は、少なくとも３つの対応するストリップ２５１−１、２５１−２、および２５１−３から形成される３つの肢２０５、２０６、および２０７をそれぞれ含む、半ホイートストンブリッジを含む。３つの各定電流源１９０は、３つの肢２０５、２０６、および２０７に入力される定電流をそれぞれ提供する。
【００７６】
[93]バーバー極非磁性短絡バー２５０の第１の部分は、磁力計１５を形成するために２つの対応する肢２０７および２０６を形成する２つのストリップ２５１−３および２５１−２の第１の部分１５上に配置される。対応する肢２０７および２０６の両端の電圧Ｖｏｕｔ１およびＶｏｕｔ２は、磁界出力に関してオペアンプ２８１において差動的に測定される。
【００７７】
[94]バーバー極非磁性短絡バー２５０の第２の部分は、グラジオメータ１６を形成するために２つの対応する肢２０５および２０６を形成する２つのストリップ２５１−１および２５１−２の第２の部分１６上に配置される。対応する肢２０５および２０６の両端の電圧Ｖｏｕｔ２およびＶｏｕｔ３は、勾配出力に関して第２のオペアンプ２８２において差動的に測定される。
【００７８】
[95]本実施形態の１つの実装形態では、本明細書に説明する、磁力計、グラジオメータ、および磁力計／グラジオメータの組合せは、別個のセンサとしてシリコン上に作成される。本実施形態の別の実装形態では、本明細書に説明する、磁力計、グラジオメータ、および磁力計／グラジオメータの組合せは、ＣＭＯＳ（または他の）プロセスを使用して、信号処理制御電子回路をシリコン内に処理しながら、シリコン上に一体化される。一体化システム内のセンサと電子回路との間のインターフェースは、信号処理制御電子回路と共に組み立てられパッケージ化された別個の構成要素を使用したセンサよりもロバストであり、改ざんからより逃れやすい。したがって、信号処理制御電子回路と共にシリコン上に一体化された、磁力計、グラジオメータ、および磁力計／グラジオメータの組合せは、ハイレベルの安全性を提供する。一般に、ＩＣ組立技術を使用してパッケージ化された固体センサは、誘導性センサよりも改ざんに対して安全である。
【００７９】
[96]図１８は、本発明による、クレジットカードトラック４１０−２からｘ磁界４００を検出するのに使用される異方性磁気抵抗センサ１８５を示す。見やすくするために、ＡＭＲセンサ１８５は、能動面を上にして示される。ＡＭＲセンサ１８５は、ｘｙ平面内にあり、ｘｙ平面内で読み取られるカード４５０の表面に平行である。
【００８０】
[97]図１９および２０は、本発明による、磁界および磁界勾配の少なくとも１つを検知するための一体化デバイス３００および３１０の実施形態をそれぞれ示す。一体化デバイス３００および３１０は、本明細書ではそれぞれ、一体化カードリーダ３００および３１０、ならびに「一体化磁気トラックリーダ３００および３１０」とも呼ばれる。一体化デバイス３００および３１０はそれぞれ、すべて同じ基板５３０上にあり、基板コネクタ５３２を介して互いに通信可能に結合される、固体磁気センサ２２１、特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ）５１１、およびマイクロコントローラ５２１を含む。一体化磁気カードリーダ３００または３１０の固体磁気センサ２２１は、本明細書に説明するＡＭＲセンサの実施形態のいずれか１つである。
【００８１】
[98]磁気カード４５０上の磁気トラック４１０−ｉがトラック下向き方向に動くとき、磁界または磁界勾配の少なくとも１つは、一体化磁気カードリーダ３００または３１０により検知される。ノイズパターン６０５（図６）は、磁気カード４５０が複製カードであるかどうかを検出するために、一体化カードリーダ３００および３１０内の固体磁気センサ２２０により検出可能である。ＡＳＩＣ５１１およびマイクロコントローラ５２１は、読取磁気カード４５０からの情報を増幅し、デジタル化し、暗号化し、その情報のサーバへの伝送を開始させる。増幅、デジタル化、伝送、および制御などの機能は、固体ＡＳＩＣ５１１およびマイクロコントローラ５２１の内部にある。
【００８２】
[99]本実施形態の１つの実装形態では、固体ＡＳＩＣ５１１およびマイクロコントローラ５２１は、増幅機能、デジタル化機能、伝送機能、および制御機能の少なくともいくつかを実施するためにソフトウェアを実行する。固体ＡＳＩＣ５１１および／またはマイクロコントローラ５２１、ならびに任意の関連データ構造体により実行される、そうしたソフトウェアおよび／またはファームウェアの少なくとも一部分は、実行中、記憶媒体に記憶される。メモリには、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ならびに／または、固体ＡＳＩＣ５１１および／もしくはマイクロコントローラ５２１内のレジスタなどの、現在知られているか、または後に開発される適当な任意のメモリが含まれる。さらに、固体ＡＳＩＣ５１１およびマイクロコントローラ５２１が図１には別個の要素として示されているが、１つの実装形態では、ＡＳＩＣ５１１およびマイクロコントローラ５２１は、単一のデバイス（例えば、単一の集積回路デバイス）内に実装される。固体ＡＳＩＣ５１１および／またはマイクロコントローラ５２１により実行されるソフトウェアおよび／またはファームウェアには、記憶媒体上に記憶されるか、または別途具体化される複数のプログラム命令が含まれ、その記憶媒体から、そうしたプログラム命令の少なくとも一部分が、固体ＡＳＩＣ５１１および／またはマイクロコントローラ５２１により実行されるために読み取られる。１つの実装形態では、マイクロコントローラ５２１は、プロセッササポートチップおよび／またはシステムサポートチップを含む。本実施形態の別の実装形態では、ＡＳＩＣは、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）に取り換えられる。
【００８３】
[100]図１９に示すように、固体磁気センサ２２１（センサチップ２２１）は、当技術分野で知られている技術を使用して基板５３０上に搭載される。基板５３０内の基板コネクタ５３２は、基板５３０内またはその上の接触点５３２を介して基板５３０上で固体磁気センサ２２１をＡＳＩＣ５１１に通信可能に結合する。基板５３０内の基板コネクタ５３２は、基板５３０上でＡＳＩＣ５１１をマイクロコントローラ５２１に通信可能に結合する。このように、基板コネクタを使用して、異方性磁気抵抗センサ２２１とＡＳＩＣ５１１との間の接続は、行われ、図３および４に示す誘導性リーダ５０５などの誘導性ヘッドリーダを使用する先行技術よりも改ざんを受けにくい。
【００８４】
[101]具体的には、基板コネクタは、異方性磁気抵抗センサ２２１の基板５３０への取付けが、図４に示す先行技術のカードリーダデバイス４９９に示すワイヤ５０２のＡＳＩＣ５１０への取付けよりも確実になるようにする。異方性磁気抵抗センサ２２１の出力を読み取るための試行は、一体化磁気カードリーダ３００にダメージを及ぼすであろう。本実施形態の１つの実装形態では、異方性磁気抵抗センサ２２１およびＡＳＩＣ５１１は、保護コーティングで覆われ、一体化磁気カードリーダ３００を改ざんからさらに保護する。
【００８５】
[102]図２０に示すように、固体磁気センサ２２１（センサチップ２２１）は、特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ）５１１上に搭載される。基板５３０内またはその上の基板コネクタ５３２は、基板５３０上でＡＳＩＣ５１１をマイクロコントローラ５２１に通信可能に結合する。一体化磁気カードリーダ３１０が、ＡＳＩＣ５１１上に直接搭載される（およびＡＳＩＣ５１１に通信可能に結合される）異方性磁気抵抗センサ２２１を含むので、センサ２２１とＡＳＩＣ５１１との間の接続は、センサチップ２２１とＡＳＩＣチップ５１１との間の領域に限定される。したがって、一体化磁気カードリーダ３１０は、図１９の一体化磁気カードリーダ３００よりも改ざんを受けにくく、先行技術のカードリーダデバイス４９９（図４）に示す、ワイヤ５０２のＡＳＩＣ５１１への取付けよりも改ざんを受けにくい。半分または完全なホイートストンブリッジは、異方性磁気抵抗センサ２２１を形成するセンサチップ２２１の頂部側にある（すなわち、基板５３０から見て反対側にある）。センサチップ２２１（および他のシリコンチップ）の頂部側と底部側との間の電気接続は、シリコン貫通ビア（ＴＳＶ）技術を使用して行うことができる。本明細書に説明する異方性磁気抵抗センサ２２１は、改ざん防止セキュリティを追加するために保護コーティングで覆うことができる。
【００８６】
[103]図２１は、勾配を有する磁界ｈ＝Ｈａに曝露されるＡＭＲセンサのホイートストンブリッジ１０５’の回路を示す。図２１の概略図では、完全ホイートストンブリッジ１０５’は、４つの肢１０１’、１０２’、１０３’、および１０４’を有し、一定のバイアス電圧ＶｂまたはＶｂｒｉｄｇｅでバイアスされる。一般性を失っていなければ、印加される磁界がないとき、４つのすべての肢は、最初は同じ抵抗値を有することを仮定されたい。例えば、Ｒ１＝Ｒ２＝Ｒ３＝Ｒ４＝Ｒである。各肢は、外部の磁界および／または磁界勾配に曝露されるとき、以下のように初期値から変化することも仮定されたい。
Ｒ１＝Ｒ＋δＲ１、
Ｒ２＝Ｒ＋δＲ２、
Ｒ３＝Ｒ＋δＲ３、
Ｒ４＝Ｒ＋δＲ４      （４）
[104]この変化は、初期値と比べて小さい、すなわち、δＲ１＜＜Ｒなどとなることも仮定されたい。分数変化率、すなわちδｒ１＜＜δＲ１／Ｒも規定されたい。その際、
【００８７】
【数３】
2014002725.tif 000005
【００８８】
を得る。ここで、分数変化率δｒｉの線形項のみが保たれた。印加される磁界Ｈａは、４つの肢１０１’〜１０４’の抵抗値を変化させる。ブリッジの出力ノード間の電圧差（例えば、Ｏｕｔ＋＝Ｖ１およびＯｕｔ−＝Ｖ２）は、印加される磁界Ｈａの関数である。
【００８９】
[105]完全ホイートストンブリッジ１０５’は、以下の図２２〜２５に示す完全ホイートストンブリッジの概略図である。それに加えて、完全ホイートストンブリッジ１０５’は、図９に示す異方性磁気抵抗センサ２２０の完全ホイートストンブリッジ５５０の概略図である。完全ホイートストンブリッジ１０５’は、図１０に示す異方性磁気抵抗センサ１００の完全ホイートストンブリッジ１０５の概略図でもある。
【００９０】
[106]図２２〜２５は、本発明による、固体ＡＭＲセンサの様々な実施形態を示す。図２２は、ＡＭＲ磁力計１８１の概略図である。ＡＭＲ磁力計１８１は、バーバー極非磁性短絡バー２５０が磁力計構成用に配置された、４つの肢１０１、１０２、１０３、および１０４を含む。肢１０１および１０４を覆うバーバー極非磁性短絡バー２５０は、互いに平行であるが、肢１０２および１０３を覆うバーバー極非磁性短絡バー２５０は、互いに平行であり、肢１０１および１０４を覆うバーバー極非磁性短絡バー２５０に対し、ＡＭＲ磁力計１８１の長手方向に関して反転する。ＡＭＲ磁力計１８１は、勾配を有する、図示した磁界ｈ＝Ｈａを受ける。
【００９１】
[107]各肢の抵抗値の変化は、抵抗値の隣の矢印で示す。図２２に示すように、第１の肢１０１は、磁界と共に増加する（Ｒ１の隣の矢印が上を向く）抵抗値Ｒ１を有し、第２の肢１０２は、磁界と共に減少する（Ｒ２の隣の矢印が下を向く）抵抗値Ｒ２を有し、第３の肢１０３は、磁界と共に減少する抵抗値Ｒ３を有し、第４の肢１０４は、磁界と共に増加する抵抗値Ｒ４を有する。したがって、図示した磁界の影響の下で、肢１０１および１０４の抵抗値は増加し、肢１０２および１０３の抵抗値は減少する。
【００９２】
[108]グランドへの電気接続部７００は、第３の肢１０３および第４の肢１０４の端部に接続される。供給源Ｖｂへの電気接続部７０３は、第１の肢１０１の端部に接続される。供給源Ｖｂへの電気接続部７０４は、第２の肢１０２の端部に接続される。第１の出力端子７０１（Ｖ１）は、肢１０１および１０３の他方の端部に接続される。第２の出力端子７０２（Ｖ２）は、肢１０２および１０４の他方の端部に接続される。
【００９３】
[109]図２３は、ＡＭＲグラジオメータ１８２の実施形態の概略図である。ＡＭＲグラジオメータ１８２は、図２２のＡＭＲ磁力計１８１において示すものと同じ電気接続部を有する。しかし、バーバー極非磁性短絡バー２５０は、グラジオメータ構成用に配置される。バーバー極非磁性短絡バー２５０は、すべての肢１０１〜１０４にわたって互いに平行である。ＡＭＲグラジオメータ１８２は、図示するように、図２２の勾配を有する、同じ磁界ｈ＝Ｈａを受ける。図示した磁界の影響の下で、すべての肢１０１〜１０４の抵抗値は増加する。
【００９４】
[110]さらに計算を行えば、肢１０１〜１０４は、均等に離間することを仮定されたい。点線７１０は、対応する抵抗値Ｒ３およびＲ４を有する、第３の肢１０３と第４の肢１０４との中間に示される。肢１０１〜１０４のそれぞれの磁界は、第１の肢１０１でｈ０＋２ｄ、第３の肢１０３でｈ０＋ｄ、第４の肢１０４でｈ０−ｄ、第２の肢１０２でｈ０−２ｄとなる。印加磁界ｈがないとき、肢１０１〜１０４のそれぞれの抵抗値は、同じ、すなわちＲとなることも仮定されたい。４つの肢１０１〜１０４の抵抗値の分数変化率は、次式により与えられる。
【００９５】
δｒ１＝Ｓ（ｈ０＋２ｄ）、
δｒ３＝−Ｓ（ｈ０＋ｄ）、
δｒ４＝Ｓ（ｈ０−ｄ）、
δｒ１＝−Ｓ（ｈ０−２ｄ）      （６）
[111]Ｓは、％／ＧａｕｓｓまたはＶ／Ｖ−Ｇａｕｓｓで測定される印加磁界ｈの単位当りの抵抗値の分数変化率である。式（６）の様々な項を式（５）に代入すると、
【００９６】
【数４】
2014002725.tif 000006
【００９７】
を得る。
[112]したがって、勾配項は相殺される。より一般的には、座標系の中心は、２つの中間ストリップ間、すなわち第３の肢１０３と第４の肢１０４との間にあり、ストリップの中心の座標は、図２３に示すように、ｚａ２、ｚａ１、ｚｂ１、およびｚｂ２であることを仮定されたい。磁界ｈは、肢１０１〜１０４を形成するストリップの長手方向に沿って並進方向で不変であることも仮定されたい。その際、各肢の抵抗値の変化は、次式により与えられる。
【００９８】
δｒ１＝Ｓｈ（ｚａ２）、
δｒ３＝−Ｓｈ（ｚａ１）、
δｒ４＝Ｓｈ（ｚｂ１）、および
δｒ２＝−Ｓｈ（ｚｂ２）      （８）
ここで、ｈ（ｚ）は、位置ｚにおける磁界である。テイラー級数展開で線形次数に展開すれば、
ｈ（ｚ）＝ｈ０＋ｈ０’ｚ      （９）
を得る。
ここで、
【００９９】
【数５】
2014002725.tif 000007
【０１００】
[113]式（８）を式（５）に代入すれば、
【０１０１】
【数６】
2014002725.tif 000008
【０１０２】
を得る。
最後の表式（ｚａ２＋ｚｂ２＋ｚａ１＋ｚｂ１）／４は、その方法で座標系が規定される、ストリップの平均位置であり、原点の周りに対称に置かれたストリップでは、０となる。
【０１０３】
[114]したがって、
【０１０４】
【数７】
2014002725.tif 000009
【０１０５】
[115]グラジオメータの例示的な実施形態は、図２３〜２５に示される。図２３に示す構成では、抵抗値の分数変化率は、
δｒ１＝Ｓｈ（ｚａ２）、
δｒ３＝Ｓｈ（ｚａ１）、
δｒ４＝Ｓｈ（ｚｂ１）、
δｒ２＝Ｓｈ（ｚｂ２）      （１２）
となる。
【０１０６】
[116]テイラー級数展開式（９）と共に式（１１）を式（５）に代入すれば、
【０１０７】
【数８】
2014002725.tif 000010
【０１０８】
が与えられる。
[117]（磁界ｈの方向に）等しい幅（ｗ）のストリップ、およびストリップ間の等しいギャップ（ｇ）を有する構造では、座標は、
ｚａ２＝３（ｇ＋ｗ）／２
ｚｂ２＝−３（ｇ＋ｗ）／２
ｚａ１＝（ｇ＋ｗ）／２
ｚｂ１＝−（ｇ＋ｗ）／２      （１４）
であり、その結果、
【０１０９】
【数９】
2014002725.tif 000011
【０１１０】
となる。図２４に示す構成では、抵抗値の分数変化率は、
δｒ１＝Ｓｈ（ｚａ２）、
δｒ３＝−Ｓｈ（ｚａ１）、
δｒ４＝−Ｓｈ（ｚｂ１）、
δｒ２＝Ｓｈ（ｚｂ２）      （１６）
となる。
【０１１１】
[118]式（９）のテイラー級数展開と共に式（１６）を式（５）に代入すれば、
【０１１２】
【数１０】
2014002725.tif 000012
【０１１３】
が与えられる。
[119]式（１４）に示すように、等しい幅およびストリップ間の等しいギャップを有するストリップでは、これは
【０１１４】
【数１１】
2014002725.tif 000013
【０１１５】
をもたらす。
[120]図２５に示す構成では、抵抗値の分数変化率は、
δｒ１＝Ｓｈ（ｚａ２）、
δｒ３＝Ｓｈ（ｚａ１）、
δｒ４＝−Ｓｈ（ｚｂ１）、
δｒ２＝−Ｓｈ（ｚｂ２）      （１９）
となる。
【０１１６】
[121]式（６）のテイラー級数展開と共に式（１９）を式（５）に代入すれば、
【０１１７】
【数１２】
2014002725.tif 000014
【０１１８】
が与えられる。
[122]対称構成（ｚａ２＋ｚｂ２）＝０および（ｚａ１＋ｚｂ１）＝０では、したがって、式２０は、
【０１１９】
【数１３】
2014002725.tif 000015
【０１２０】
を与える。
[123]したがって、センサ１８４は、磁界もその勾配も検知しない。ｘ磁界またはｚ磁界は、より高い磁界強度の利点を提供することができる。本実施形態の１つの実装形態では、一体化磁気カードリーダ３００および３１０のパッケージは、有利なことにセンサチップ２２１をこれらの方向の１つに向けることができるように配置される。本実施形態の別の実装形態では、一体化磁気カードリーダ３００および３１０のパッケージは、有利なことにセンサチップ２２１をこれらの方向のどちらにも向けることができるように配置される。本実施形態のさらに別の実装形態では、一体化磁気カードリーダ３００および３１０は、センサチップ２２１により生成される信号に基づいて、特性を示す情報をサーバに送出する。本実施形態のさらに別の実装形態では、ＡＭＲセンサは、電子機能を一体的に統合される。本実施形態の別の実装形態では、ＡＭＲセンサは、ＣＭＯＳ技術に基づいて電子機能を一体的に統合される。本実施形態のさらに別の実装形態では、ＡＭＲセンサおよび関連する処理技術を有するチップは、射出成形などの技術を使用して小さいプラスチックパッケージ内のシリコン上にパッケージ化される。センサの生信号の盗取りは、非破壊的に行うのが極めて難しくなるであろう。
【０１２１】
[124]本実施形態の１つの実装形態では、複数のＡＭＲセンサは、本明細書を読み理解すれば当業者にはわかるように、磁気ストリップ上の対応する複数の磁気トラックを読み取るために、リーダ内に配置される。
実施例
[125]実施例１は、磁気トラック上の磁気情報を検知するための固体磁気センサを含み、固体磁気センサは、少なくとも２つの肢を含むホイートストンブリッジの少なくとも半分であって、少なくとも２つの肢のそれぞれは、磁気材料のストリップの少なくとも一部分を含み、対応する少なくとも２つの肢の平行で隣接するストリップ間の内側ギャップは、検知される磁気トラック上の遷移部長さ程度である、ホイートストンブリッジの少なくとも半分と、ホイートストンブリッジの少なくとも半分の少なくとも２つの肢を形成するストリップの一部分上に配置されるバーバー極非磁性短絡バーとを含む。
【０１２２】
[126]実施例２は、実施例１の固体磁気センサを含み、ホイートストンブリッジの少なくとも半分は、半ホイートストンブリッジであり、半ホイートストンブリッジは、２つの対応するストリップから形成される２つの肢であって、バーバー極非磁性短絡バーは磁力計またはグラジオメータの一方を形成するために半ホイートストンブリッジの２つのストリップ上に配置される、２つの肢と、対応する２つの肢に入力される定電流を提供する２つの定電流源であって、半ホイートストンブリッジの２つの肢の両端の電圧は差動的に測定される、２つの定電流源とを含む。
【０１２３】
[127]実施例３は、実施例１の固体磁気センサを含み、ホイートストンブリッジの少なくとも半分は、半ホイートストンブリッジであり、半ホイートストンブリッジは、少なくとも３つの対応するストリップから形成される少なくとも３つの肢と、対応する少なくとも３つの肢に入力される定電流を提供する少なくとも３つの対応する定電流源とを含み、バーバー極非磁性短絡バーの第１の部分は、磁力計を形成するために少なくとも３つのストリップの第１の部分上に配置され、少なくとも３つのストリップの第１の部分の両端の電圧は、磁界出力に関して差動的に測定され、バーバー極非磁性短絡バーの第２の部分は、グラジオメータを形成するために少なくとも３つのストリップの第２の部分上に配置され、少なくとも３つのストリップの第２の部分の両端の電圧は、勾配出力に関して差動的に測定される。
【０１２４】
[128]実施例４は、実施例３の固体磁気センサを含み、第１の部分および第２の部分は、少なくとも３つのストリップの少なくとも１つを共有する。
[129]実施例５は、実施例１の固体磁気センサを含み、ホイートストンブリッジの少なくとも半分は、完全ホイートストンブリッジであり、完全ホイートストンブリッジは、少なくとも２つのストリップの少なくとも一部分から形成される少なくとも４つの肢を含み、バーバー極非磁性短絡バーは、磁力計、グラジオメータ、および磁力計／グラジオメータの組合せのうちの１つを形成するために、完全ホイートストンブリッジの少なくとも４つの肢上に配置される。
【０１２５】
[130]実施例６は、実施例５の固体磁気センサを含み、少なくとも４つの肢の長手方向寸法に沿って電力パルスにより完全ホイートストンブリッジの少なくとも４つの肢を磁化するためのセットリセットストラップをさらに含む。
【０１２６】
[131]実施例７は、実施例５の固体磁気センサを含み、完全ホイートストンブリッジの少なくとも４つの肢の上または下の一方に配置される磁化された永久磁石のリニアアレイをさらに含む。
【０１２７】
[132]実施例８は、実施例５〜７のいずれかの固体磁気センサを含み、完全ホイートストンブリッジの少なくとも４つの肢の少なくとも１つは、３つ以上のストリップの少なくとも一部分を含み、バーバー極非磁性短絡バーの第１の部分は、磁力計を形成するために完全ホイートストンブリッジの少なくとも２つの肢上に配置され、バーバー極非磁性短絡バーの第２の部分は、グラジオメータを形成するために完全ホイートストンブリッジの少なくとも２つの他の肢上に配置される。
【０１２８】
[133]実施例９は、磁界および磁界勾配の少なくとも一方を検知するための一体化デバイスを含み、一体化デバイスは、少なくとも２つの肢を含むホイートストンブリッジの少なくとも半分であって、少なくとも２つの肢のそれぞれは、磁気材料のストリップの少なくとも一部分を含み、対応する少なくとも２つの肢の平行で隣接するストリップ間の内側ギャップは、検知される磁気トラック上の遷移部長さ程度である、ホイートストンブリッジの少なくとも半分と、ホイートストンブリッジの少なくとも半分の少なくとも２つの肢を形成するストリップの一部分上に配置されるバーバー極非磁性短絡バーと、固体磁気センサに通信可能に結合される、基板上の特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ）とを含む。
【０１２９】
[134]実施例１０は、実施例９の一体化デバイスを含み、ＡＳＩＣに通信可能に結合される、基板上のマイクロコントローラをさらに含む。
[135]実施例１１は、実施例９または１０のいずれかの一体化デバイスを含み、ホイートストンブリッジの少なくとも半分は、半ホイートストンブリッジであり、半ホイートストンブリッジは、２つの対応するストリップから形成される２つの肢であって、バーバー極非磁性短絡バーが磁力計またはグラジオメータの一方を形成するために半ホイートストンブリッジの２つのストリップ上に配置される、２つの肢と、対応する２つの肢に入力される定電流を提供する２つの定電流源であって、半ホイートストンブリッジの２つの肢の両端の電圧は差動的に測定される、２つの定電流源とを含む。
【０１３０】
[136]実施例１２は、実施例９または１０のいずれかの一体化デバイスを含み、ホイートストンブリッジの少なくとも半分は、半ホイートストンブリッジであり、半ホイートストンブリッジは、少なくとも３つの対応するストリップから形成される少なくとも３つの肢と、対応する少なくとも３つの肢に入力される定電流を提供する少なくとも３つの対応する定電流源とを含み、バーバー極非磁性短絡バーの第１の部分は、磁力計を形成するために少なくとも３つのストリップの第１の部分上に配置され、少なくとも３つのストリップの第１の部分の両端の電圧は、磁界出力に関して差動的に測定され、バーバー極非磁性短絡バーの第２の部分は、グラジオメータを形成するために少なくとも３つのストリップの第２の部分上に配置され、少なくとも３つのストリップの第２の部分の両端の電圧は、勾配出力に関して差動的に測定される。
【０１３１】
[137]実施例１３は、実施例１２の一体化デバイスを含み、第１の部分および第２の部分は、少なくとも３つのストリップの少なくとも１つを共有する。
[138]実施例１４は、実施例９〜１１のいずれかの一体化デバイスを含み、ホイートストンブリッジの少なくとも半分は、完全ホイートストンブリッジであり、完全ホイートストンブリッジは、少なくとも２つのストリップの少なくとも一部分から形成される少なくとも４つの肢を含み、バーバー極非磁性短絡バーは、磁力計、グラジオメータ、および磁力計／グラジオメータの組合せのうちの１つを形成するために、完全ホイートストンブリッジの少なくとも４つの肢上に配置される。
【０１３２】
[139]実施例１５は、実施例１４の一体化デバイスを含み、少なくとも４つの肢の長手方向寸法に沿って電力パルスにより完全ホイートストンブリッジの少なくとも４つの肢を磁化するためのセットリセットストラップをさらに含む。
【０１３３】
[140]実施例１６は、実施例１４の一体化デバイスを含み、完全ホイートストンブリッジの少なくとも４つの肢の上または下のいずれかに配置される磁化された永久磁石のリニアアレイをさらに含む。
【０１３４】
[141]実施例１７は、実施例９、１０および１４〜１６のいずれかの一体化デバイスを含み、完全ホイートストンブリッジの少なくとも４つの肢の少なくとも１つは、３つ以上のストリップの少なくとも一部分を含み、バーバー極非磁性短絡バーの第１の部分は、磁力計を形成するために完全ホイートストンブリッジの少なくとも２つの肢上に配置され、バーバー極非磁性短絡バーの第２の部分は、グラジオメータを形成するために完全ホイートストンブリッジの少なくとも２つの他の肢上に配置される。
【０１３５】
[142]実施例１８は、少なくとも２つの肢を含むホイートストンブリッジの少なくとも半分であって、少なくとも２つの肢のそれぞれは、磁気材料のストリップの少なくとも一部分を含み、対応する少なくとも２つの肢の平行で隣接するストリップ間の内側ギャップは、読み取られる磁気トラック上の遷移部長さ程度である、ホイートストンブリッジの少なくとも半分と、ホイートストンブリッジの少なくとも半分の少なくとも２つの肢を形成するストリップの一部分上に配置されるバーバー極非磁性短絡バーと、基板上の特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ）と、固体磁気センサをＡＳＩＣに通信可能に結合するための、基板内の基板コネクタとを含み、磁気トラックがトラック下向き方向に動くとき、磁界および磁界勾配の少なくとも一方が検知される、一体化磁気トラックリーダを含む。
【０１３６】
[143]実施例１９は、実施例１８の一体化磁気トラックリーダを含み、ｘ軸磁界、ｘ軸磁界勾配、ｚ軸磁界、およびｚ軸磁界勾配の少なくとも１つが検知される。
[144]実施例２０は、実施例１８または１９のいずれかの一体化磁気トラックリーダを含み、ホイートストンブリッジの少なくとも半分は、完全ホイートストンブリッジであり、完全ホイートストンブリッジは、少なくとも２つのストリップの少なくとも一部分から形成される少なくとも４つの肢を含み、バーバー極非磁性短絡バーは、磁力計、グラジオメータ、および磁力計／グラジオメータの組合せのうちの１つを形成するために、完全ホイートストンブリッジの少なくとも４つの肢上に配置される。
【０１３７】
[145]以下の特許請求の範囲により規定される本発明のいくつかの実施形態を説明してきた。それにもかかわらず、請求する発明の技術的思想および範囲から逸脱することなく、説明した実施形態に対して様々な変形を行うことができることが理解されよう。したがって、他の実施形態は、以下の特許請求の範囲の範囲内にある。
【符号の説明】
【０１３８】
１００  固体磁気センサ
１０１  肢
１０２  肢
１０３  肢
１０４  肢
１０５  完全ホイートストンブリッジ
１０５−１  ストリップ
１０５−２  ストリップ
１０８  半ホイートストンブリッジ
１４０  磁力計
１５０  グラジオメータ
１７０  固体磁気センサ
１８０  磁力計／グラジオメータの組合せ
１９０  定電流源
２０１  ストリップ
２０５  肢
２０６  肢
２３６  内側ギャップ
２５０  バーバー極非磁性短絡バー
２５１  磁気材料
４１０  磁気トラック
６６０  セットリセットストラップ
６７０  永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【外国語明細書】
2014002725000001.pdf