(57)【要約】固定磁性層２１と、自由磁性層２２と、固定磁性層２１及び自由磁性層２２間に設けられた絶縁層２３とをそれぞれ有し、外界磁場の影響で絶縁層２３のトンネル抵抗をそれぞれ変化させる複数のトンネル磁気抵抗素子２０を含む素子アレイ１０ａと、素子アレイ１０ａを構成する複数のトンネル磁気抵抗素子２０に電圧を印加する電気回路３０とを備え、各トンネル磁気抵抗素子２０に印加される電圧が、０．１ｍＶ以上５０ｍＶ以下である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定磁性層と、自由磁性層と、前記固定磁性層及び前記自由磁性層間に設けられた絶縁層とをそれぞれ有し、外界磁場の影響で前記絶縁層のトンネル抵抗をそれぞれ変化させる複数のトンネル磁気抵抗素子を含む素子アレイと、
前記素子アレイを構成する前記複数のトンネル磁気抵抗素子に電圧を印加する電気回路とを備え、
各トンネル磁気抵抗素子に印加される電圧が、０．１ｍＶ以上５０ｍＶ以下である、磁気センサー。
【請求項２】
前記各トンネル磁気抵抗素子に印加される電圧が、０．５ｍＶ以上２０ｍＶ以下である、請求項１に記載の磁気センサー。
【請求項３】
前記素子アレイは、前記複数のトンネル磁気抵抗素子の、直列接続、並列接続、又は直列接続及び並列接続の両方によって構成されている、請求項１及び２のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項４】
前記素子アレイは、直列接続された２０個以上１００００個以下の前記トンネル磁気抵抗素子を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項５】
前記素子アレイの抵抗値は、０．１ｋΩ以上１０ｋΩ以下である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項６】
各トンネル磁気抵抗素子の前記絶縁層の単位面積あたりの抵抗値は、１×１０３Ω／μｍ２以上１×１０１２Ω／μｍ２以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項７】
前記絶縁層は、コヒーレントトンネル効果をもつ材料で形成されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項８】
前記絶縁層は、酸化マグネシウム、スピネル、及び酸化アルミニウムのいずれか１つで形成されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項９】
各トンネル磁気抵抗素子の前記絶縁層の面積は、１μｍ２以上１ｍｍ２以下である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項１０】
前記素子アレイに印加される電圧は、０．１Ｖ以上２０Ｖ以下である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項１１】
前記電気回路は、前記素子アレイを１つ以上含むブリッジ回路を構成する一対の直列部に対して基準電圧を印加する電源部と、前記ブリッジ回路を構成する一方の直列部に対してオフセット電圧を印加する補正部と、前記ブリッジ回路の検出端子間の出力信号から得た信号を前記補正部にフィードバックするフィードバック部とを有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項１２】
前記電気回路は、前記ブリッジ回路の検出端子間の出力信号を増幅する増幅部と、前記増幅部からの増幅信号から所定の帯域の磁気信号成分を通過させるローパスフィルター、ハイパスフィルター、又はローパスフィルター及びハイパスフィルターの両方を有するフィルター部とを備える、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の磁気センサー。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の複数の磁気センサーを、直列接続、並列接続、又は直列接続及び並列接続の両方によって連結して一体化した、センサーユニット。
【請求項１４】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の少なくとも１つの磁気センサーと、前記少なくとも１つの磁気センサーからの検出出力を信号処理する制御部とを備える、磁気検出装置。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の複数の磁気センサーを有し生体からの磁場の影響下に配置される生体磁場検出部と、前記生体磁場検出部の出力を信号処理する制御部とを備える、生体用の磁気計測装置。
【請求項１６】
１００ｐＴ以下の磁界を計測する、請求項１５に記載の生体用の磁気計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサー、センサーユニット、磁気検出装置、及び磁気計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
トンネル磁気抵抗素子は、磁気センサー、磁気ヘッド、磁気メモリー等の分野で応用が期待されている。トンネル磁気抵抗素子を用いた磁気検出装置では、多数のトンネル磁気抵抗素子を並列や直列に接続して感度を高めている（特許文献１〜４参照）。【０００３】
例えば、特許文献１の装置では、トンネル磁気抵抗素子を並列に接続しさらに並列に接続した第１のセルと、トンネル磁気抵抗素子を並列に接続しさらに直列に接続した第２のセルとを、並列又は直列に接続して磁気センサーを構成し、ノイズ低減及び感度向上を図っている。【０００４】
特許文献２の装置では、磁化の向きが互いに異なるピンド層を備える２つ以上のトンネル磁気抵抗素子を単一チップ上に形成して、異なる向きの磁界を検出できるようにしている。ここで、トンネル磁気抵抗素子は、直列接続された複数のトンネル磁気抵抗素子からなるトンネル磁気抵抗素子群となっている。【０００５】
特許文献３の装置では、多数のトンネル磁気抵抗素子を並列及び／又は直列に配列したＴＭＲモジュールをそれぞれ備える多数の集積体からなる生体磁気計測システムを開示しており、ＴＭＲモジュールをブリッジ接続して差動増幅型の回路を構成することについての開示がある。【０００６】
特許文献４の装置では、複数の強磁性トンネル素子を直列に接続したセンサー素子に電圧を印加して感度の高い状態でセンサー素子を動作させている。【０００７】
上記特許文献１〜４に記載のように、トンネル磁気抵抗素子を直列又は並列接続して磁気センサーを構成するトンネル磁気抵抗素子の集積度を高めると、磁気センサーのノイズを低減することができる。その一方で、磁気センサーの集積度を高めた場合、素子間のバラツキや不良素子によって磁気センサーの信号レベルが低下する。なお、磁気センサーへの供給電圧を上げると感度も上がるが、一般的にノイズも上がってしまい、結果的に感度が実質的に向上しなくなってしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１０２７３０号公報
【特許文献２】特開２００４−９３５７６号公報
【特許文献３】国際公開第２０１２／１６１０３７号
【特許文献４】特開平１１−１１２０５４号公報
【発明の概要】
【０００９】
本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、信号レベルを上げつつノイズを低減した磁気センサーを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、上記磁気センサーを組み込んだセンサーユニット、磁気検出装置、及び磁気計測装置を提供することを目的とする。
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明に係る磁気センサーは、固定磁性層と、自由磁性層と、固定磁性層及び自由磁性層間に設けられた絶縁層とをそれぞれ有し、外界磁場の影響で絶縁層のトンネル抵抗をそれぞれ変化させる複数のトンネル磁気抵抗素子を含む素子アレイと、素子アレイを構成する複数のトンネル磁気抵抗素子に電圧を印加する電気回路とを備え、各トンネル磁気抵抗素子に印加される電圧が、０．１ｍＶ以上５０ｍＶ以下である。
【００１２】
上記磁気センサーでは、各トンネル磁気抵抗素子に印加される電圧を５０ｍＶ以下とすることにより、各トンネル磁気抵抗素子の感度を実質的に向上させつつ、各トンネル磁気抵抗素子で発生するノイズを低減できる。その一方、各トンネル磁気抵抗素子に印加される電圧を０．１ｍＶ以上とすることにより、トンネル磁気抵抗素子の直列数又は並列数が過度に増えることを防止でき、トンネル磁気抵抗素子の良品率等の信頼性を高めることにもなる。すなわち、絶縁層への印加電圧を０．１ｍＶ以上とすることで、感度を確保するためにトンネル磁気抵抗素子の直列数又は並列数を過度に増やしたり絶縁層を過度に薄くしたりする必要がなくなり、トンネル磁気抵抗素子に適度のバイアス効果を生じさせることが容易になる。
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明に係るセンサーユニットは、上述した複数の磁気センサーを、直列接続、並列接続、又は直列接続及び並列接続の両方によって連結して一体化している。
【００１４】
上記センサーユニットは、上述の磁気センサーを備えることにより、感度向上及びノイズ低減効果を有するものとなる。
【００１５】
上記目的を達成するため、本発明に係る磁気検出装置は、上述した少なくとも１つの磁気センサーと、少なくとも１つの磁気センサーからの検出出力を信号処理する制御部とを備える。
【００１６】
上記磁気検出装置は、上述の磁気センサーを備えることにより、感度向上及びノイズ低減効果を有するものとなる。
【００１７】
上記目的を達成するため、本発明に係る生体用の磁気計測装置は、上述した複数の磁気センサーを有し生体からの磁場の影響下に配置される生体磁場検出部と、前記生体磁場検出部の出力を信号処理する制御部とを備える。
【００１８】
上記磁気計測装置は、上述の磁気センサーを備えることにより、生体感度向上及びノイズ低減効果を有するものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態に係る磁気センサーを説明する概念図である。
【図２】図１の磁気センサーを構成する素子アレイを説明する概念図である。
【図３】図２に示す素子アレイの変形例を説明する図である。
【図４】図４Ａ〜４Ｅは、素子アレイにおける磁気抵抗素子の空間的配置を説明する概念図である。
【図５】図５Ａ及び５Ｂは、磁気センサーを構成するトンネル磁気抵抗素子を説明する拡大図である。
【図６】トンネル磁気抵抗素子にかかる電圧と感度との関係を説明する図である。
【図７】トンネル磁気抵抗素子の絶縁層膜厚とＴＭＲ比との関係を説明する図である。
【図８】第２実施形態に係るセンサーユニット及び磁気検出装置を説明する概念図である。
【図９】第３実施形態に係る磁気計測装置を説明する概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る第１実施形態の磁気センサーについて説明する。
【００２１】
図１に示す磁気センサー１０は、複合的な回路であり、例えば生体磁場のように非常に微小な磁場強度を室温以下で検出する。この磁気センサー１０は、ブリッジ回路ＶＣと、電圧制御回路ＣＣと、補正回路ＳＣと、出力回路ＯＣとを備える。磁気センサー１０のうち、電圧制御回路ＣＣと、補正回路ＳＣと、出力回路ＯＣとは、駆動用の電気回路３０となっている。
【００２２】
ブリッジ回路ＶＣは、ホイートストーンブリッジタイプの回路構成を有しており、複数のトンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）２０を含む素子アレイ１０ａと、固定抵抗１０ｂとで構成される。固定抵抗１０ｂは、抵抗値が固定された素子であり、温度その他の環境変動が少ないものとなっている。なお、図１の例では、磁気センサー１０は、１つの素子アレイ１０ａと３つの固定抵抗１０ｂとで構成されているが、２つ以上の素子アレイ１０ａで構成してもよい。具体的には、ブリッジ回路ＶＣを例えば直列に配置した２つの素子アレイ１０ａと、直列に配列した２つの固定抵抗１０ｂとで構成することができる。さらに、素子アレイ１０ａの感度方向を調整することにより、ブリッジ回路ＶＣを４つの素子アレイ１０ａで構成することもできる。
【００２３】
図２に示すように、図１の磁気センサー１０のうちブリッジ回路ＶＣを構成する素子アレイ１０ａは、複数のトンネル磁気抵抗素子２０の直列接続及び並列接続の両方によって構成されている。これにより、複数のトンネル磁気抵抗素子２０を適宜組合せることができ、磁気センサー１０の感度を向上させ及びノイズを低減することができる。隣接するトンネル磁気抵抗素子２０は、向きを揃えて配置され配線１１で直列に接続されて磁気抵抗素子群２０ａとなっている。直列接続型の磁気抵抗素子群２０ａは、複数存在し、これらが例えば２次元の格子点上に配置され、配線１２で並列に接続されている。素子アレイ１０ａは、直列接続された２０個以上１００００個以下のトンネル磁気抵抗素子２０を含む。トンネル磁気抵抗素子２０を２０個以上とすることで極微弱な磁界の検出に関して感度向上及びノイズ低減を実効的なものとできる。また、トンネル磁気抵抗素子２０を１００００個以下とすることで大型化を回避しつつコストを下げることができる。なお、図３に示すように、素子アレイ１０ａは、トンネル磁気抵抗素子２０を並列接続して磁気抵抗素子群２０ａを構成し、並列接続型の複数の磁気抵抗素子群２０ａを直列接続してもよい。
【００２４】
図２や図３の空間的配置を基本として、必要とする抵抗値になるようにトンネル磁気抵抗素子２０の直列数や並列数を設定する際、例えば下記図４Ａや図４Ｂに示すように、配線１１がジグザグ状になるように配置することもできる。これにより、素子アレイ１０ａの許容スペース内での自由度が高まる。また、図４Ｃに示すように、電極１３，１４を片側に集約させた構成でもトンネル磁気抵抗素子２０を直列及び並列に接続することもできる。
【００２５】
１つの磁気抵抗素子群２０ａだけが極端に抵抗値が低い場合、そこに電流が集中して素子アレイ１０ａ全体での性能が効率良く発揮できない。そのため、トンネル磁気抵抗素子２０を直列に接続したときに各磁気抵抗素子群２０ａでの抵抗値に差が発生しないようにすることが重要である。しかしながら、絶縁層２３の膜厚がバラつくことで、各トンネル磁気抵抗素子２０の抵抗値もバラツキが発生する。そこで、図４Ｄに示すように、絶縁層２３の膜厚が厚くなる部位ではトンネル磁気抵抗素子２０の面積を大きくして抵抗値を下げ、各磁気抵抗素子群２０ａ間では実質的なインピーダンスを合わせる構成にしてもよい。上記のインピーダンスマッチングは、トンネル磁気抵抗素子２０の面積で調整するだけではなく、図３の構成を基本として、各並列数を変えることで実施してもよい。
【００２６】
なお、トンネル磁気抵抗素子２０の形状は矩形であることに限らないため、例えば図４Ｅに示すように、円形のトンネル磁気抵抗素子２０を組み合わせた素子アレイ１０ａでもよい。
【００２７】
以上の説明は、トンネル磁気抵抗素子２０の空間配列を平面で考えた場合の一例であるが、例えば成膜したシリコンウエハを何枚も重ねた構成で、高さ方向にアレイ化の数を確保する構成であってもよい。
【００２８】
素子アレイ１０ａは、一方の電極１３を介して図１に示す電圧制御回路３１の高電位側に接続され、他方の電極１４を介して検出側の出力回路ＯＣに接続される。磁界の影響によりトンネル磁気抵抗素子２０の抵抗値が変化する。これにより、素子アレイ１０ａの電極１４の電位が変化し、結果的に全体の磁気センサー１０の出力も変化する。この素子アレイ１０ａの電位変化を検出することで、詳細は後述するが磁界を検出できる。さらに、多数の磁気抵抗素子群２０ａによって、電流を確保することができ、磁気センサー１０の検出出力の安定化を図ることができる。
【００２９】
素子アレイ１０ａの抵抗値は、０．１ｋΩ以上１０ｋΩ以下である。素子アレイ１０ａに印加される電圧は、０．１Ｖ以上２０Ｖ以下である。上記抵抗値及び電圧が以上のような範囲であれば、比較的一般的なセンサー回路の守備範囲であり、磁気センサー１０の電気回路３０の構成要素として汎用的な増幅回路、電圧源等を活用することができ、簡易な回路で高精度の信号検出が容易になる。
【００３０】
図５Ａ及び５Ｂに拡大して示すように、個々のトンネル磁気抵抗素子２０は、固定磁性層２１と、自由磁性層２２と、固定磁性層２１及び自由磁性層２２間に設けられた絶縁層２３とを有する。トンネル磁気抵抗素子２０の両端には、電極２４が設けられており、電極２４は、配線１１（又は配線１２）に接続されている。
【００３１】
固定磁性層２１は、磁化の向きが固定されており、自由磁性層２２は、外部からの磁束の影響を受けて磁化の向きが変化する。絶縁層２３は、固定磁性層２１の磁化の向きと自由磁性層２２の磁化の向きとの角度差によって固定磁性層２１から自由磁性層２２に流れるトンネル電流を変化させる。つまり、トンネル磁気抵抗素子２０を通過する磁束の変化に応じてトンネル磁気抵抗素子２０の抵抗値が変化する。
【００３２】
同一の素子アレイ１０ａ内において、これを構成する複数のトンネル磁気抵抗素子２０は向きを揃えて配置されており、複数のトンネル磁気抵抗素子２０の固定磁性層２１の磁化の向きは、実質的に互いに一致している。なお、素子アレイ１０ａ内では、全てのトンネル磁気抵抗素子２０の固定磁性層２１の磁化の向きが互いに一致していることが理想的ではあるが、生体磁気の測定に支障のない範囲で磁化の向きが揃っていればよい。
【００３３】
また、同一の素子アレイ１０ａ内において、これを構成する複数のトンネル磁気抵抗素子２０が向きを揃えて配置されている結果として、複数のトンネル磁気抵抗素子２０の磁場のかからない状態における自由磁性層２２の磁化の向きも実質的に互いに一致している。自由磁性層２２の磁化の向きも固定磁性層２１の場合と同様に、生体磁気の測定に支障のない範囲で磁化の向きが揃っていればよい。
【００３４】
以下、トンネル磁気抵抗素子２０の磁化の向き及び特性変化の例について説明する。図５（Ａ）及び５（Ｂ）に示すトンネル磁気抵抗素子２０の固定磁性層２１の磁化の向きＳは、＋ｘ方向に平行となっている。トンネル磁気抵抗素子２０の磁場のかからない状態での自由磁性層２２の磁化の向きＦ１は、固定磁性層２１の磁化の向きＳと異なる方向、具体的には直交する＋ｙ方向に平行となっている。
【００３５】
トンネル磁気抵抗素子２０に外部磁場等により大きな磁界Ｈがかかると、自由磁性層２２は、特定の向きに沿って磁化する。図５Ａに示すように、固定磁性層２１と同じ方向に磁界Ｈがかかると、トンネル磁気抵抗素子２０の自由磁性層２２の磁化の向きＦ２は、固定磁性層２１と同じ方向である矢印Ａの方向へ振れる。一方、図５Ｂに示すように、固定磁性層２１と反対方向に磁界Ｈがかかると、トンネル磁気抵抗素子２０の自由磁性層２２の磁化の向きＦ３は、固定磁性層２１と反対方向である矢印Ｂの方向へ振れる。
【００３６】
ここで、トンネル磁気抵抗素子２０において、自由磁性層２２の磁化の向きが固定磁性層２１の磁化の向きと同じ方向に振れるとトンネル電流が増加して絶縁層２３の抵抗値が下がり、反対方向に振れるとトンネル電流が減少して絶縁層２３の抵抗値が上がる。したがって、図５Ａに示すトンネル磁気抵抗素子２０の抵抗値は下がり、図５Ｂに示すトンネル磁気抵抗素子２０の抵抗値は上がる。トンネル磁気抵抗素子２０の抵抗値は、磁界Ｈの強さにしたがって所定の範囲で変化する。これにより、トンネル磁気抵抗素子２０を直列に集積した素子アレイ１０ａ全体での抵抗が変化し、素子アレイ１０ａの電極１３，１４間の電位が変化する。素子アレイ１０ａの電極１３，１４間の電位は、図１のブリッジ回路ＶＣの電位差として検出され、磁気センサー１０の出力（具体的には出力電圧）が変化し、磁気検出信号が得られる。
【００３７】
固定磁性層２１は、例えばＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅ等で形成されている。また、自由磁性層２２は、例えばＮｉＦｅ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ等で形成されている。
【００３８】
各トンネル磁気抵抗素子２０に印加される電圧（実質的には絶縁層２３に印加される電圧）は、０．１ｍＶ以上５０ｍＶ以下である。トンネル磁気抵抗素子２０は、既に説明したように、外界磁場の影響で絶縁層２３のトンネル抵抗をそれぞれ変化させる。
【００３９】
各トンネル磁気抵抗素子２０に印加される電圧（実質的には絶縁層２３に印加される電圧）を５０ｍＶ以下とすることにより、各トンネル磁気抵抗素子２０の感度を実質的に向上させつつ、各トンネル磁気抵抗素子２０で発生するノイズを低減できる。その一方、各トンネル磁気抵抗素子２０の絶縁層２３に印加される電圧を０．１ｍＶ以上とすることにより、トンネル磁気抵抗素子２０の直列数又は並列数が過度に増えることを防止でき、トンネル磁気抵抗素子２０の良品率等の信頼性を高めることにもなる。すなわち、絶縁層２３への印加電圧を０．１ｍＶ以上とすることで、トンネル磁気抵抗素子２０の直列数又は並列数を過度に増やしたり絶縁層２３を過度に薄くしたりする必要がなくなり、トンネル磁気抵抗素子２０に適度のバイアス効果を生じさせることが容易になる。
【００４０】
図６は、トンネル磁気抵抗素子２０にかかる電圧と感度との関係を示すチャートである。横軸はトンネル磁気抵抗素子２０への印可電圧又はバイアス電圧（ｍＶ）を示し、縦軸は検出電位差（ｍＶ）と外界磁場の強度（μＴ）との比である。検出電位差（ｍＶ）とは、トンネル磁気抵抗素子２０が外界磁場を受け抵抗値が変化することによりブリッジ回路上で発生する電位差を、適当な増幅率を持つアンプを介して見た電位差のことである。アンプの増幅率は、トンネル磁気抵抗素子２０の性能、及び、検出する磁界強度に応じて、取扱い易い出力（例えば数１００ｍＶから１Ｖ程度の出力）が得られるよう設定する。図示のチャートにおいて、トンネル磁気抵抗素子２０の直列数が異なるものを試料としてプロットしている。図６に示す実施例の場合、絶縁層２３に印加される電圧を小さくするほど、感度の性能が向上する。これは、バリア層である絶縁層２３が薄いため、小さな電圧（数１０ｍＶ程度）でもバイアス効果が生じている可能性が考えられる。よって、トンネル磁気抵抗素子２０に印加される電圧（実質的には絶縁層２３に印加される電圧）は、さらに０．５ｍＶ以上２０ｍＶ以下であることが好ましい。この場合、トンネル磁気抵抗素子２０の感度向上及びノイズ低減がより確実になるとともに、信頼性の高いトンネル磁気抵抗素子２０を比較的容易に製造することができる。
【００４１】
トンネル磁気抵抗素子２０において、絶縁層２３の単位面積あたりの抵抗値は、１×１０３Ω／μｍ２以上１×１０１２Ω／μｍ２以下である。抵抗値を下限１×１０３Ω／μｍ２以上とすることにより、膜厚をある程度確保してショートの発生を抑制することができ、抵抗値を上限１×１０１２Ω／μｍ２以下とすることにより、トンネル電流の発生を確保してトンネル磁気抵抗素子２０の感度低下を防止できる。なお、抵抗値が上記範囲である場合、絶縁層２３の膜厚は、例えば１．０〜３．０ｎｍ程度となる。この程度の膜厚の場合、膜厚が増加するほどＴＭＲ比を高くすることができる。ＴＭＲ比は、（Ｒ２−Ｒ１）／Ｒ１×１００（％）で定義される。ここで、値Ｒ１は固定磁性層２１の磁化の向きと自由磁性層２２の磁化の向きとが同方向であるとき（平行状態という）の抵抗値であり、値Ｒ２は固定磁性層２１の磁化の向きと自由磁性層２２の磁化の向きとが逆方向であるとき（反平行状態という）の抵抗値である。
【００４２】
図７は、絶縁層２３が酸化マグネシウム（ＭｇＯ）で形成されている場合の絶縁層２３の膜厚とＴＭＲ比との関係を説明する図である。同図に示すように、絶縁層２３の膜厚が１．1〜１．４ｎｍの試料でのＴＭＲ比測定の結果から、膜厚が厚いほど感度が高いことが分かる。特に、膜厚１．４ｎｍでＴＭＲ比は最高に近い性能が得られている。この結果から、絶縁層２３の膜厚が１．１ｎｍ以上３．０ｎｍ以下、さらに１．２ｎｍ以上２．５ｎｍ以下であることが好ましい。よって、ＭｇＯで形成された絶縁層２３の単位面積あたりの抵抗値は、さらに２×１０３Ω／μｍ２以上２×１０９Ω／μｍ２以下であることが好ましいといえる。
【００４３】
絶縁層２３の面積は、１μｍ２以上１ｍｍ２以下である。絶縁層２３の面積は、絶縁層２３の膜厚方向に垂直な方向の面積である。絶縁層２３の面積を下限１μｍ２以上とすることで絶縁層２３を含めたトンネル磁気抵抗素子２０の製造精度や加工性を向上させることができ、絶縁層２３の面積を上限１ｍｍ２以下とすることで製造時のホコリ等による初期不良の発生を抑制でき、トンネル磁気抵抗素子２０の信頼性を高めることができる。
【００４４】
絶縁層２３の面積は、さらに２５μｍ２以上０．０４ｍｍ２以下であることが好ましい。
【００４５】
絶縁層２３は、コヒーレントトンネル効果をもつ材料で形成されている。コヒーレントトンネル効果により、ＴＭＲ比を高めることができ、トンネル磁気抵抗素子２０延いては素子アレイ１０ａの感度を高めることができる。絶縁層２３は、具体的には、酸化マグネシウム、スピネル、及び酸化アルミニウムのいずれか１つで形成されている。
【００４６】
以下、トンネル磁気抵抗素子２０の集積化によるノイズの低減効果について説明する。
【００４７】
例えば、ブリッジ回路ＶＣにかかるブリッジ電圧又は磁気センサー１０への印可電圧が一定で、トンネル磁気抵抗素子２０の直列数を増やすということは、１個のトンネル磁気抵抗素子２０にかかる電圧が直列数に応じて小さくなるということである。トンネル磁気抵抗素子２０の１／ｆノイズの大きさＳｖは、以下の代表式（１）で与えられる。
2017115839.tif 000003
ただし、上記式（１）において、αは係数であり、Ｖは１個のトンネル磁気抵抗素子２０の電圧（素子電圧）であり、であり、Ａは素子面積であり、ｆは周波数である。つまり、１個のトンネル磁気抵抗素子２０内で発生するノイズの電圧成分は、素子電圧Ｖのみが変数であるとき、上記ノイズの大きさＳｖの平方根すなわち素子電圧Ｖに比例すると考えられる。
【００４８】
直列した全てのトンネル磁気抵抗素子２０のノイズ総量、つまり磁気センサー１０の出力中のノイズの電圧ノイズ強度Ｓｎｏｉｓｅが各トンネル磁気抵抗素子２０で発生するノイズの電圧成分の二乗平方和で与えられるとすれば、直列の素子数をＮとし、他の要素を係数Ｃ又はＣ’に纏めると、ノイズ総量を示す電圧ノイズ強度Ｓｎｏｉｓｅについては、以下の式（２）又は（３）が成り立つことが期待できる。なお、式（３）では、Ｎ×Ｖ、つまり磁気センサー１０への印可電圧が一定としている。このことは、印可電圧を一定にして直列の素子数を増やせば、１／√Ｎのファクターでノイズが減ることを意味する。
2017115839.tif 000004
2017115839.tif 000005
【００４９】
また、トンネル磁気抵抗素子２０で発生する１／ｆノイズの大きさＳｖを表す上記代表式（１）から、素子面積Ａが増えることによる電圧ノイズ強度Ｓｎｏｉｓｅへの影響については、別の係数Ｃ”を用いて以下の代表式（４）が成り立つことが期待できる。
2017115839.tif 000006
【００５０】
つまり、ブリッジ電圧が一定でトンネル磁気抵抗素子２０の並列数を増やすことによる素子面積Ａの実効的増加によるノイズ低減効果も、直列接続によるノイズ低減と同じ効果が期待できる。以上のことから、直列及び並列の接続数は、多ければ多いほど、ノイズ低減効果の改善が期待できるため（素子電圧の分散と素子面積の拡大）、加工が可能な範囲で多く設定することが望ましい。なお、詳細な説明を省略するが、実験でも上記の計算又は評価に近いノイズ低減の効果を確認できた。
【００５１】
図１に戻って、ブリッジ回路ＶＣを駆動するための電気回路３０は、既に説明したように、電圧制御回路ＣＣと、補正回路ＳＣと、出力回路ＯＣとを有する。ブリッジ回路ＶＣには、電気回路３０の電圧制御回路ＣＣと補正回路ＳＣとを接続して電圧をかける。つまり、電気回路３０は、ブリッジ回路ＶＣを構成する素子アレイ１０ａ（延いては複数のトンネル磁気抵抗素子２０）及び固定抵抗１０ｂに電圧を印加する。具体的には、電気回路３０のうち電圧制御回路ＣＣは、電源部３１ａを有し、素子アレイ１０ａを１つ以上含むブリッジ回路ＶＣを構成する一対の直列部Ｄ１，Ｄ２の一端に対して基準電圧を印加する。また、補正回路ＳＣは、フィードバック部３２と補正部３３とを有し、ブリッジ回路ＶＣを構成する一方の直列部Ｄ２の他端に対してオフセット電圧を印加する。つまり、ブリッジ回路ＶＣの一方の直列部Ｄ１には、電圧制御回路ＣＣから出力される基準の電圧のみが印可され、ブリッジ回路ＶＣの他方の直列部Ｄ２には、電圧制御回路ＣＣから出力される基準の電圧と、補正回路ＳＣから出力される補正用の電圧とが印可される。
【００５２】
補正回路ＳＣは、ブリッジ回路ＶＣの検出端子Ｐ１，Ｐ２間の電位差から得た電圧信号すなわちオフセット電圧を直列部Ｄ２の一端に印加することで、ブリッジ回路ＶＣの検出端子Ｐ１，Ｐ２間の電位差を打ち消すように動作する。
【００５３】
補正回路ＳＣにおいて、後述する出力回路ＯＣの増幅部３４からの差分増幅信号がフィードバック部３２に入力される。フィードバック部３２は、実際にはローパスフィルター等からなり、検出端子Ｐ１，Ｐ２間の電位差に相当する差分増幅信号から高周波成分を除いた低周波成分からなる電圧信号を補正部３３にフィードバックする。補正部３３は、フィードバック部３２から入力された電圧信号に基づいて、ブリッジ回路ＶＣの直列部Ｄ２の接地側（つまり、固定抵抗１０ｂ）に対して、検出端子Ｐ１，Ｐ２間の電位差を相殺するような電圧信号すなわちオフセット電圧を印可する。結果的に、ブリッジ回路ＶＣの検出端子Ｐ１，Ｐ２間の電圧差が、直流成分又は極低周波成分に関してある基準値以下（例えば０Ｖ）になるよう制御が行われる。この補正回路ＳＣの働きにより、ブリッジ回路ＶＣ内でわずかにでも一致しない抵抗値差によって生じる直流又は極低周波の電圧差を打ち消すことができ、非常に小さな磁場強度の変動を検出するために、増幅部３４における増幅率を高く設定することができる。また、例えば、環境温度や環境外乱によって生じる、検出したい磁場とは無関係に変動するブリッジ回路ＶＣ間の電位差も打ち消すことができる。さらに、素子アレイ１０ａの抵抗値が設計どおりでない場合（一部のトンネル磁気抵抗素子２０がショートしている場合を含む）であっても、ブリッジ回路ＶＣの検出端子Ｐ１，Ｐ２間の電圧差をその平均的な値が目標値（例えば０Ｖ）になるよう簡易に調整を行うことができる。
【００５４】
出力回路ＯＣは、増幅部３４とフィルター部３５とを有する。増幅部３４は、ブリッジ回路ＶＣの検出端子Ｐ１，Ｐ２間の出力信号つまり電位差を増幅する。増幅部３４としては、例えばオペレーショナル・アンプリファイア等で構成される差分増幅器３４ａが用いられる。つまり、ブリッジ回路ＶＣの検出端子Ｐ１，Ｐ２間の電圧差は、差分増幅器３４ａを介してアナログの電圧増幅信号として取り出される。
【００５５】
フィルター部３５は、増幅部３４からの増幅信号から所定帯域の磁気信号対応成分のみを選択的に通過させるローパスフィルター、ハイパスフィルター、又はローパスフィルター及びハイパスフィルターの両方のいずれかを有する。フィルター部３５としては、例えばアクティブタイプの帯域増幅器３５ａ等が用いられるが、パッシブタイプの帯域フィルターを用いることもできる。差分増幅器３４ａからの電圧増幅信号は、フィルター部３５に入力され、不要な周波数帯域の信号を除去した上で、検出したい磁場に相当する周波数帯域に絞った電圧の信号値が出力される。
【００５６】
以上において、磁気センサー１０を高感度化するために、磁気センサー１０から出力される信号強度を高くし、かつノイズを小さくする必要がある。
【００５７】
一般的には、信号強度を強くするためには、磁気センサーを、トンネル磁気抵抗効果を高くする構造にしたり、磁気センサーに印加する電圧を上げたりするといった対策がある。また、ノイズを小さくするためには、磁気センサー内のトンネル磁気抵抗素子を集積化したり、磁気センサーに印加する電圧を下げたりするといった対策がある。しかしながら、トンネル磁気抵抗素子を集積化すると、素子間の性能バラツキや不良素子の混入により、磁気センサーとしてのトンネル磁気抵抗効果が低下する傾向がある。また、磁気センサーに印加する電圧は、感度の性能とノイズの性能とでトレードオフになっており、磁気センサーを最適な構成にすることが難しい。
【００５８】
そこで、本実施形態のように、磁気センサー１０を複数のトンネル磁気抵抗素子２０で集積化した構成とし、各トンネル磁気抵抗素子２０に印加される電圧を１．０ｍＶ以上５０ｍＶ以下とすることで、磁気センサー１０をノイズを大きく低減しつつ、高い感度性能を確保できる構造であり、優れた磁気分解能を有するものとすることができる。
【００５９】
以下、磁気センサー１０の具体的な実施例について説明する。
（実施例１）
以下、実施例１の磁気センサー１０の設計値を示す。実施例１の磁気センサー１０は、高磁気分解能タイプのセンサーである。実施例１の磁気センサー１０は、ノイズ低減効果が比較的大きくなっている。
磁気センサー抵抗値：１．０４ｋΩ
磁気センサー面積（概算）：４９．７３ｍｍ２
磁気センサー幅（正方形として）：７．０５ｍｍ
ブリッジ回路電圧（磁気センサーにかかる電圧）：８Ｖ
ＴＭＲ素子直列数：１１１０個
ＴＭＲ素子並列数：５列
絶縁層膜厚：１．３５ｎｍ
絶縁層の単位面積あたりの抵抗値：３×１０４Ω／μｍ２
ＴＭＲ素子寸法（縦）：８０μｍ
ＴＭＲ素子寸法（横）：８０μｍ
ＴＭＲ素子の面積（絶縁層の面積）：６４００μｍ２
ＴＭＲ素子の抵抗：４．６９Ω
ＴＭＲ素子にかかる電圧：３．６ｍＶ
【００６０】
（実施例２）
以下、実施例２の磁気センサー１０の設計値を示す。実施例２の磁気センサー１０は、高空間分解能タイプのセンサーである。実施例２の磁気センサー１０は、トンネル磁気抵抗素子２０が高密度に配置され、サイズが比較的小さくなっている。
磁気センサー抵抗値：１．４２ｋΩ
磁気センサー面積：（概算）２．２８ｍｍ２
磁気センサー幅：（正方形として）１．５１ｍｍ
ブリッジ回路電圧（磁気センサーにかかる電圧）：８Ｖ
ＴＭＲ素子直列数：３４０個
ＴＭＲ素子並列数：１２列
絶縁層膜厚：１．２ｎｍ
絶縁層の単位面積あたりの抵抗値：２×１０４Ω／μｍ２
ＴＭＲ素子寸法（縦）：２０μｍ
ＴＭＲ素子寸法（横）：２０μｍ
ＴＭＲ素子の面積（絶縁層の面積）：４００μｍ２
ＴＭＲ素子の抵抗：５０．００Ω
ＴＭＲ素子にかかる電圧：１１．８ｍＶ
【００６１】
（実施例３）
以下、実施例３の磁気センサー１０の設計値を示す。実施例３の磁気センサー１０は、絶縁層２３の膜厚が比較的厚くても本実施形態の効果を満たすものとなっている。
磁気センサー抵抗値：１．１１ｋΩ
磁気センサー面積（概算）：３．９４ｍｍ２
磁気センサー幅（正方形として）：１．９８ｍｍ
ブリッジ回路電圧：０．５Ｖ
ＴＭＲ素子直列数：２５個
ＴＭＲ素子並列数：５列
絶縁層膜厚：２．２ｎｍ
絶縁層の単位面積あたりの抵抗値：５×１０６Ω／μｍ２
ＴＭＲ素子寸法（縦）：１５０μｍ
ＴＭＲ素子寸法（横）：１５０μｍ
ＴＭＲ素子の面積（絶縁層の面積）：２２５００μｍ２
ＴＭＲ素子の抵抗：２２２．２２Ω
ＴＭＲ素子にかかる電圧：１０．０ｍＶ
【００６２】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係るセンサーユニット及び磁気検出装置について説明する。なお、第２実施形態のセンサーユニット等に含まれる磁気センサーは第１実施形態の磁気センサーを応用したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。
【００６３】
図８に示すように、磁気検出装置３００は、少なくとも１つのセンサーユニット２００と、制御部４０とを備える。センサーユニット２００は、配線部１５を介して制御部４０に接続されている。
【００６４】
センサーユニット２００は、上述した複数の磁気センサー１０（図１参照）を直列接続によって連結して一体化している。図８では、説明を簡単にするために、１つの磁気センサー１０を円筒状に図示している。図８の例では、磁気検出装置３００において、４つ磁気センサー１０を一直線上に配列し直列に接続して１つのセンサーユニット２００を構成し、複数のセンサーユニット２００を隣接的に並列に配列している。なお、センサーユニット２００において、磁気センサー１０を並列接続のみ又は直列接続及び並列接続の両方によって連結してもよい。
【００６５】
制御部４０は、信号検出部４１と、記憶部４２と、入出力部４３と、主制御部４４とを有する。
【００６６】
制御部４０のうち信号検出部４１は、主制御部４４の制御下で、各センサーユニット２００から出力された検出信号を受け付ける。信号検出部４１では、例えば各センサーユニット２００から入力検出された所定帯域の磁気信号が処理しやすい形に変化される。具体的には、センサーユニット２００からの磁気信号は、アナログ信号であり、主制御部４４での処理のため信号検出部４１においてデジタル信号に変換される。
【００６７】
記憶部４２は、主制御部４４を動作させるための所定のプログラムやデータを記憶する。また、記憶部４２は、主制御部４４の制御下で、信号検出部４１でデジタル変換された磁気信号を記憶する。各センサーユニット２００から得られる磁気信号は、個々のセンサーユニット２００と対応させて検出データとして記憶させることができ、このような経時的な検出データが時系列的に順次記録される。これにより、記憶部４２は、プログラムに基づいて動作する主制御部４４からの指示や入出力部４３を介したオペレーターの指示にしたがい、計測された磁気信号についてマッピング等を行った結果も記憶することができる。
【００６８】
入出力部４３は、オペレーターの指示により主制御部４４に所定のプログラムにしたがった動作を開始させたり、主制御部４４の動作により、センサーユニット２００の検出結果を信号検出部４１に読み取らせるとともに記憶部４２に記憶させたりする。入出力部４３は、主制御部４４の制御下で動作し、センサーユニット２００の検出結果から得た磁気計測結果を例えばディスプレイ等に表示する。
【００６９】
主制御部４４は、信号検出部４１、記憶部４２、入出力部４３の動作を統括的に制御する。主制御部４４は、信号検出部４１を介して得た磁気信号に対してフィルタリング、強調等の処理を行うことができる。また、主制御部４４は、信号検出部４１を介して得た磁気信号を編集することができる。具体的には、各センサーユニット２００から得た磁気信号データを２次元的にマッピングしたり、その経時的な変化をビデオ画像に変換したりして、結果を入出力部４３に表示させることができる。
【００７０】
以上説明したセンサーユニット２００及び磁気検出装置３００では、上述の磁気センサー１０を備えることにより、感度向上及びノイズ低減効果を有するものとなる。
【００７１】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態に係る磁気計測装置について説明する。なお、第３実施形態の磁気計測装置に含まれる磁気センサー及びセンサーユニットは第１及び第２実施形態の磁気センサー等を応用又は変形したものであり、特に説明しない事項は第１及び第２実施形態と同様である。
【００７２】
図９に示すように、生体用の磁気計測装置４００は、生体磁場検出部５０と、制御部６０とを備える。
【００７３】
生体磁場検出部５０は、生体からの磁場の影響下に配置され、生体からの微弱な磁界を磁気信号として取り出す。生体磁場検出部５０は、図８に示すものと同様のセンサーユニット２００（つまり、複数の磁気センサー１０（図１参照）を組み合わせたもの）を多数有し、これら多数のセンサーユニット２００を２次元的に配置した構造を有する。複数のセンサーユニット２００は、検出対象である生体の表面に沿って配置面を湾曲させたものとできる。図９の例では、センサーユニット２００は、例えば周囲を覆うシールド部５１ａと、シールド部５１ａの内側に配置されて多数のセンサーユニット２００を支持する本体５１ｂとを含むヘルメット型の磁気シールド装具５１に内蔵され、被験者ＨＳの頭部に沿って湾曲して配置される。生体磁場検出部５０は、被験者ＨＳの頭部に装着され、被験者ＨＳの生体磁気を検出する。
【００７４】
制御部６０は、生体磁場検出部５０の出力を信号処理する。制御部６０は、第２実施形態で説明した磁気検出装置３００の制御部４０と同様の動作を行う。
【００７５】
上記磁気計測装置４００では、上述の磁気センサー１０を備えることにより、生体感度向上及びノイズ低減効果を有するものとなる。磁気センサー１０は微細であるため、磁気センサー１０を２次元的又は３次元的に高密度に配置すれば、空間分解能が向上し、高精度化を図ることができる。
【００７６】
生体からの微弱な磁界は、例えば心臓に起因するもので数十ｐＴ程度、脳機能に起因するもので１００ｐＴ弱程度であると言われている。この磁界を検出する場合に必要な生体感度について説明する。
【００７７】
図１に記載のブリッジ回路ＶＣ内に抵抗値１ｋΩの素子アレイ１０ａを配置し、ブリッジ回路ＶＣに２Ｖの電圧を印加したとき、各素子アレイ１０ａにかかる電圧は１Ｖとなる。この状態において、例えば、各素子アレイ１０ａに１ｐＴ（１ｆＴの１，０００倍）の磁界が加わったときに、ブリッジ回路ＶＣ上で１ｍＶの電圧差が発生する。その際、ノイズが１μＶ程度の性能であれば、例えば１００ｐＴ弱程度の脳磁場も良好なＳＮ比で検出することができる。
【００７８】
上記の条件で信号検出したときの生体感度は、電圧表記では１ｍＶ／１ｐＴであり、ＴＭＲ比（つまり抵抗値の変化率）表記では０．１％／１ｐＴである。
【００７９】
以上、実施形態に係る磁気センサー等について説明したが、本発明に係る磁気センサー等は、上記のものには限られない。例えば、トンネル磁気抵抗素子２０の配列は、用途に応じて適宜変更することができる。また、トンネル磁気抵抗素子２０の固定磁性層２１の磁化の方向又は自由磁性層２２の磁化の方向も適宜変更することができる。
【００８０】
また、上記実施形態において、電気回路３０に増幅部３４やフィルター部３５を設けたが、設けなくてもよい。
【００８１】
また、上記実施形態において、磁気センサー１０は、集積体である素子アレイ１０ａを１つの単位として、例えば固定磁性層２１の磁化の方向又は自由磁性層２２の磁化の方向が異なる複数の素子アレイ１０ａを組み合わせて構成される。
【００８２】
また、第２実施形態において、磁気検出装置３００をセンサーユニット２００で構成したが、１つの磁気センサー１０で構成してもよい。
【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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【国際調査報告】
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