(57)【要約】【課題】検出感度の向上が可能な磁気センサおよび磁気センサ装置を提供する。【解決手段】実施形態によれば、磁気センサは第１電極と、第２電極と、膜面内の第１方向の長さが膜面で直交する第２方向の長さより長い磁気抵抗効果素子であって、前記磁気抵抗効果素子はピン磁性層、中間非磁性層、フリー磁性層を備え、前記ピン磁性層の磁化方向は前記第１方向に沿う磁気抵抗効果素子と、前記第１電極と前記磁気抵抗効果素子の間に設けられた絶縁層と、前記第１電極および前記第２電極に接続し、交流電流を印加可能な電流印加部と、前記磁気抵抗効果素子から出力された交流電流周波数の２次高周波成分を検出可能な検出部と、を備え、前記第１電極と前記磁気抵抗効果素子は前記第１方向及び前記第２方向と交差する第３方向に沿って重なる。【選択図】  図１
2018146314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
第２電極と、
膜面内の第１方向の長さが前記第１方向と膜面内で直交する第２方向の長さより長い磁気
抵抗効果素子であって、前記磁気抵抗効果素子はピン磁性層、中間非磁性層、フリー磁性
層を備え、前記ピン磁性層の磁化方向は前記第１方向に沿う磁気抵抗効果素子と、
前記第１電極と前記磁気抵抗効果素子の間に設けられた絶縁層と、
前記第１電極および前記第２電極に接続し、交流電流を印加可能な電流印加部と、
前記磁気抵抗効果素子から出力された交流電流周波数の２次高周波成分を検出可能な検出
部と、を備え、前記第１電極と前記磁気抵抗効果素子は前記第１方向及び前記第２方向と
直交する第３方向に沿って重なる磁気センサ。
【請求項２】
前記第１電極と前記第２電極は交差するように配置される請求項１に記載の磁気センサ
。
【請求項３】
前記第１電極の通電方向と前記第２電極の通電方向は交差する請求項１または２のいずれ
かに記載の磁気センサ。
【請求項４】
前記中間非磁性層はＭｇＯを含む請求項３に記載の磁気センサ。
【請求項５】
前記磁気抵抗効果素子の前記第１方向の長さは前記第２方向の長さより１０倍以上大きい
請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の磁気センサ。
【請求項６】
前記第１磁気効果素子から出力された交流信号を受信し、前記交流電流周波数の２倍近傍
に制限して前記検出部に向けて出力するバンドパスフィルターをさらに備えた請求項１乃
至請求項５のいずれか１つに記載の磁気センサ。
【請求項７】
前記電流印加部は前記交流電流より電流値が小さい直流電流をさらに印加する請求項１乃
至請求項６のいずれか１つに記載の磁気センサ。
【請求項８】
前記磁気抵抗効果素子をさらに備えた参照部を備え、前記参照部と前記磁気抵抗効果素子
の交流通電による出力差分を検出する差分検出部を備える請求項１乃至請求項７のいずれ
か１つに記載の磁気センサ。
【請求項９】
第３電極と、  前記第２方向の長さが前記第１方向の長さより長い第２の磁気抵抗効果
素子をさらに備え、
前記第２電極と前記第２の磁気抵抗効果素子は前記第２方向に沿って重なり、前記第３電
極と前記第２電極により前記第２の磁気抵抗効果による通電される請求項１乃至請求項８
のいずれか１つに記載の磁気センサ。
【請求項１０】
前記第１電極及と前記第２電極および前記第３電極と前記第２電極はそれぞれ交差する
請求項９に記載の磁気センサ。
【請求項１１】
複数の前記磁気抵抗効果素子および複数の前記第２の磁気抵抗効果素子を備え、
前記磁気抵抗効果素子は前記第１電極に沿って、前記第２の磁気抵抗効果素子は前記第２
電極に沿って、格子状に配置される請求項９または請求項１０のいずれかに記載の磁気セ
ンサ。
【請求項１２】
生体細胞と、
前記生体細胞と前記磁気抵抗効果素子の間に設けられた第２の絶縁層とを備える請求項
１乃至請求項１１のいずれか１つに記載の磁気センサ。
【請求項１３】
基体と、
請求項１乃至請求項１２のいずれか１つに記載の磁気センサと、を備えた磁気センサ装置
。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、磁気センサ、磁気センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果型センサを応用した磁気センサが提案されている。磁気センサにおいて、
検出感度の向上が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１３７３０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、検出感度の向上が可能な磁気センサ、磁気センサ装置、診断装置
を、提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、磁気センサは第１電極と、第２電極と、膜面内の第１方向
の長さが第２方向の長さより長い磁気抵抗効果素子であって、前記磁気抵抗効果素子はピ
ン磁性層、中間非磁性層、フリー磁性層を備え、前記ピン磁性層の磁化方向は前記第１方
向に沿う磁気抵抗効果素子と、前記第１電極と前記磁気抵抗効果素子の間に設けられた絶
縁層と、前記第１電極および前記第２電極に接続し、交流電流を印加可能な電流印加部と
、前記磁気抵抗効果素子から出力された交流電流周波数の２次高周波成分を検出可能な検
出部と、を備え、前記第１電極と前記磁気抵抗効果素子は前記第１方向及び前記第２方向
と直交する第３方向に沿って重なる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】実施形態に係る磁気センサを示す上面図である。
【図２】実施形態に係る磁気センサを示す断面図である。
【図３】実施形態に係る磁気センサを示す断面図である。
【図４】実施形態に係る磁気センサが含む磁気抵抗効果素子を示す図である。
【図５】実施形態に係る磁気センサを示す図である。
【図６】実施形態に係る磁気センサにおける電流磁界Hと抵抗Rの関係を示す図である。
【図７】実施形態に係る磁気センサにおける交流電流周期と抵抗の関係を示す図である。
【図８】実施形態に係る磁気センサにおける正負の信号磁界に比例して発生する2次高調波信号を示す図である。
【図９】実施形態に係る磁気センサを用いて2次高調波を検出する回路ブロックの一例を示す図である。
【図１０】他の実施形態に係る磁気センサを示す図である。
【図１１】実施形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の長手方向の長さ依存のシミュレーション予想を示す図。
【図１２】実施形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の長手方向の長さ依存のシミュレーション予想を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
【０００８】
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の
大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場
合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
【０００９】
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同
一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１０】
図１は実施形態に係る磁気センサを示す上面図である。
【００１１】
磁気センサ素子は基板の絶縁層上に載置される（後述）。この図は磁気センサ素子を覆
う膜面の上方向から見た図である。ここでは膜面および基板は図示しない。
【００１２】
この実施形態の磁気センサにおいては、例えば複数の磁気抵抗効果素子１を基板上に密
に配置する。そして、複数の磁気抵抗効果素子１を備えた磁気センサ上の絶縁層上に載置
された細胞等の検体の信号磁界を測定する。
【００１３】
例えば、磁気センサ上の絶縁層上に培養した細胞等から発生した信号磁界（細胞活動磁
界）を測定する。そして、磁気センサと検体の間の絶縁層の厚みを薄くすることにより、
高分解能に信号磁界を測定することが可能である。
【００１４】
細胞活動磁界の検出には磁気センサと検体の間の絶縁層の厚みを１〜２０ｕｍ程度とし
た分解能が望ましい。また、磁気抵抗効果素子１の長手方向（Ｙ方向）の長さをＬとする
と、それぞれの磁気抵抗効果素子１のＬは１０〜２０ｕｍが望ましい。また、集団細胞の
活動検出の場合には、上記Ｌより大きなサイズの素子を用いても良い。
【００１５】
この実施形態においては、磁気抵抗効果素子１は例えば、膜面のＹ方向に長くＸ方向に
短い長方形に構成される。
【００１６】
Ｘ方向は磁気抵抗効果素子１の幅方向（長さ：Ｗ）、Ｙ方向は磁気抵抗効果素子１の長手
方向（長さ：Ｌ）、またＺ方向は磁気抵抗効果素子１の膜面垂直方向を示す。
【００１７】
そして、配線部（第１電極）２（ａライン）と配線部（第２電極）３（ｂライン）を２
次元クロスすなわち、交差するように配置する。同様に図に示すように、複数の配線部（
第１電極）２（ａライン）と複数の配線部（第２電極）３（ｂライン）の各クロス部に対
応してそれぞれ磁気抵抗効果素子１を配置する（検出クロス部）。そして、各検出クロス
部に対応するａラインからｂラインに通電することで信号磁界を検出する。この実施形態
においては、各磁気抵抗効果素子１および複数の配線部（第１電極）２（ａライン）と複
数の配線部（第２電極）３（ｂライン）には交流電流を通電して、その交流の２次高調波
を信号出力として検出する。
【００１８】
図２は実施形態に係る磁気センサを示す断面図である。
【００１９】
図２は、図１に示すａ１−ａ２ラインの断面から見た磁気抵抗効果素子１近傍の構成を
示したものである。
【００２０】
図２に示すにように、基板８０上に配線部（第１電極）２の一部を磁気抵抗効果素子１
の直下に磁気抵抗効果素子１面を覆うように近接配置する（後述する図３中の２２の領域
）。
【００２１】
磁気抵抗効果素子１は磁性層（フリー層）１１、中間非磁性層１２、磁性層（ピン層）
１３を構成する。中間非磁性層１２は例えば、ＭｇＯなどの大きなトンネル磁気抵抗効果
を発現する材料を用いる。これらの磁性層（フリー層）１１、中間非磁性層１２、磁性層
（ピン層）１３は第１電極２、第２電極３、第３電極２１と図に示すように、接続する。
【００２２】
磁気抵抗効果素子１は絶縁膜８２に覆われる。絶縁膜８２の表面はなるべく凹凸が少な
い方が望ましい。
【００２３】
図３は実施形態に係る磁気センサを示す断面図である。
【００２４】
図３に示すにように、基板８０上に配線部（第１電極）２の一部を磁気抵抗効果素子１
の直下に磁気抵抗効果素子１面を覆うように近接配置する（２２の領域）。すなわち、Ｚ
方向（第３方向）に沿って配線部（第１電極）２の一部と磁気抵抗効果素子１が重なる。
【００２５】
図４は実施形態に係る磁気センサが含む磁気抵抗効果素子を示す図である。
【００２６】
図４（ａ）は、図示しない基板８０を下側として磁気抵抗効果素子１が配置され、磁気
抵抗効果素子１の磁性層（フリー層）１１を上部、磁性層（ピン層）１３を下部と配置し
た例を示す。
【００２７】
この実施形態においては、図上部の磁性層（フリー層）１１が分割され、Ｘ軸方向に沿
って並んで配置されている。これら分割された磁性層（フリー層）１１上に、配線部と接
続した電極（第３電極）２１を各々形成する。
【００２８】
したがって、図の破線矢印のように電流が流れて、絶縁層を介してトンネル電流が膜面
垂直方向に流れる。
【００２９】
磁性層（フリー層）１１と中間層１２との界面にはＣｏＦｅＢなどの磁気抵抗効果発現
に適した材料を、界面から離れた箇所には軟磁性が良好なＮｉＦｅなどの材料を積層した
磁性層（フリー層）１１に用いることが好ましい。磁性層（ピン層）１３は、磁気抵抗効
果発現に適したＣｏＦｅＢなどの磁性層１３１、１３２はＲｕ層、１３３はＣｏＦｅなど
の磁性層、１３４は磁化固着のためのＩｒＭｎ等の反強磁性層からなる。
【００３０】
この実施形態においては、磁性層（ピン層）１３は分割せず、磁性層（フリー層）１１
に比べてＸ軸方向に２倍以上、長い形状とする。１４は下地層（Ｔａ, Ｒｕ, Ｃｕ等）で
あり、通電配線部を兼ねるので、出来る限り低抵抗とすることが望ましい。ここで、磁性
層（ピン層）１３の磁化を長手方向（Ｘ方向）に着磁する、磁性層（フリー層）１１の磁
化も、ピン層との層間磁気結合により同じ長手方向（Ｘ方向）に着磁する。幅は０．５〜
１μｍとして、Ｌを１０μｍ以上、Ｌ／Ｗ＞１０として形状磁気異方性を利用することが
、外部磁界無でフリー層およびピン層の磁化を長手方向に向けるために好ましい。ピン磁
性層１３が幅方向に固着すると、ピン層、フリー層の磁化方向に乱れが発生して、磁気ノ
イズを低減しにくくなる。
【００３１】
図４（ｂ）は、図示しない基板８０を下側として磁気抵抗効果素子１が配置され、磁気
抵抗効果素子１の磁性層（ピン層）１３を上部、磁性層（フリー層）１１を下部と配置し
た例を示す。
【００３２】
同図に示すように、磁性層（ピン層）１３と磁性層（フリー層）１１の上下配置を反転
してもよい。また、図４に示す磁気抵抗効果素子１を、上部電極部２１を介して複数、連
結しても良い。磁気抵抗効果素子１と近接配線部２２の距離は例えば、０．５〜３ｕｍと
する。なお、この距離は、磁気抵抗効果素子１に加わる交流磁界強度に応じて調整しても
良い。
【００３３】
磁気抵抗効果素子１の抵抗−磁界特性の傾斜が急峻であるならば必要な高周波磁界は弱
くなる。このため、近接配線部２２と磁気抵抗効果素子１の距離を離すことが望ましい。
【００３４】
また、絶縁層トンネル接合の数を増やすと、磁気センサ全体の適正と思われる抵抗値１
〜１０ｋΩを実現するために接合部の抵抗を小さくする必要がある。小さな接合部抵抗で
はトンネル電流を増大することが可能となり、交流電流磁界が増加する。このため、配線
部２２と磁気抵抗効果素子１の距離を離すことが望ましい。
【００３５】
この実施形態においては、近接配線部２２を磁性ライン数に応じて分割した場合を示し
ている。この構成においては、近接配線部２２間の隙間の細胞状態を光検出することが可
能になる。
【００３６】
図５実施形態に係る磁気センサを示す図である。
【００３７】
この実施形態においては図５に示すように、複数の磁気抵抗効果素子１を、長手方向（
Ｙ方向）を同一方向として揃え、幅方向（Ｘ方向）に隣接配置して、長手方向（Ｙ方向）
端部を電極２１で連結し、直列接続により絶縁層界面数を増大させている。
【００３８】
このように絶縁層界面数を増大させると、電圧増大による出力の増大が期待できる。電
圧増大は、１／ｆノイズも増大する。１／ｆノイズは、周波密度が周波数の逆数となるよ
うな周波スペクトルをもった信号、または過程を指す。
【００３９】
この発明の実施形態に係る磁気センサで用いる２次高調波検出方式では後述するように
、電圧が増大しても交流周波数が増大するため１／ｆノイズが低減できる。このため、電
圧増大による出力増大及び、ＳＮ比改善効果が明確となる。
【００４０】
図６は実施形態に係る磁気センサにおける電流磁界Hと抵抗Rの関係を示す図である。
【００４１】
ここでは、正信号磁界（＋Ｈｓｉｇ）、ゼロ信号磁界（Ｈｓｉｇ＝０）、負信号磁界（
−Ｈｓｉｇ）における、電流磁界Ｈと抵抗Ｒの関係を示す。
【００４２】
この実施形態に係る磁気抵抗効果素子１は、素子幅方向（Ｘ軸方向）の磁界成分による
抵抗変化を利用するので、図に示すように信号磁界は電流磁界と同様に素子幅方向（Ｘ軸
方向）に加える。また、交流電流周期と抵抗変動周期の関係を同図に示す。
【００４３】
ゼロ信号磁界（Ｈｓｉｇ＝０）では、正負電流に対して対称な抵抗増大特性を示し、正
と負の同一電流の磁化回転角度は一致する。交流電流に対する抵抗変動は、正負電流で同
じ値となる。正の信号磁界（＋Ｈｓｉｇ）が加わると、正負電流に対して対称な抵抗特性
は、負電流側にシフトする。正側電流磁界では磁化回転量は大きくなり、抵抗が大きくな
る。負側電流磁界では抵抗は小さくなる。負の信号磁界（−Ｈｓｉｇ）が幅方向（ｘ軸方
向）に加わると、正負電流に対して対称な抵抗特性は、正電流側にシフトする。正側電流
磁界では磁化回転量は小さくなり、抵抗は小さくなる。負側電流磁界側では抵抗は大きく
なる。その結果、抵抗変動は、信号磁界が加わると正負電流磁界に対して異なる値となる
。その差分は、線形な磁界―抵抗特性範囲では、信号磁界に比例する。
【００４４】
図７はこの発明の実施形態に係る磁気センサにおける交流電流周期と抵抗の関係を示す
図である。
【００４５】
図７（ａ）は交流電流周期と抵抗の関係を、交流電流周期と電圧に変換した関係を示し
ている。ゼロ信号磁界（Ｈｓｉｇ＝０）では電流周期に一致した電圧信号が得られる。正
信号磁界が加わると、正電流側の電圧信号は増大、負電流側の信号電圧は減少する。負信
号磁界が加わると、逆に負電流側の電圧信号が減少、正電流側の信号電圧が増大する。す
なわち、図７（ｂ）に示すように、信号磁界が加わると、電流周波数ｆの２倍、２ｆの２
次高調波信号と電流周波数ｆを合せた波形が発生する。正負電流では、位相が１８０度異
なる。すなわち、正負の信号磁界（−Ｈｓｉｇ）に比例して発生する２次高調波信号を、
必要に応じて位相を含めて検出することにより、正負信号磁界検出が可能になる。あるい
は、位相検出を行わないで信号磁界と同方向に直流電流重畳によるバイアス磁界を加えて
も、正負信号磁界検出が可能になる。
【００４６】
図８は実施形態に係る磁気センサにおける正負の信号磁界に比例して発生する2次高調
波信号を示す図である。
【００４７】
図８（ａ）に示すように、信号磁界よりも十分大きな正バイアス磁界が存在すると、信
号磁界ゼロで発生する２次高調波を基準として、正信号磁界が加わると２次高調波は増大
、負信号磁界が加わると２次高調波は減少する。
【００４８】
例えば、磁気抵抗効果素子に、交流電流に加えて微量の直流電流を重畳することで、バ
イアス磁界（Ｈｂ）を加えることができる。交流電流の周波数は、信号磁界の周波数(１
〜１０００Ｈｚ)よりは一桁以上大きな値に設定する。１／ｆノイズ低減効果の得るには
高い交流周波数が望ましいが、磁性体の高周波応答性や検出回路も考慮して最適周波数を
設定する。この直流電流の調整で、信号磁界ゼロで、２次高調波ゼロの実現も可能であり
、その場合には、図８（ｂ）に示すように、位相を検出して負側の２次高調波の符号を反
転して線形応答出力を得る。
【００４９】
図９はこの発明の実施形態に係る磁気センサを用いて2次高調波を検出する回路ブロッ
クの一例を示す図である。
【００５０】
図９（ａ）は、上述したバイアス磁界を用いた位相検出無の場合を示す。直流電流オフ
セット成分を含む交流電源６１により磁気抵抗効果素子１に交流電流を通電する。その周
波数ｆは検出磁界の最大周波数よりも十分大きな値（例えば一桁程度大きな値）に設定す
る。
【００５１】
磁気抵抗効果素子１に発生する電圧出力は、バンドパスフィルター６２にて２次高調波
に対応する２ｆ近傍に測定帯域を狭める。その２次高調波振幅電圧をアンプ６３により増
幅し、信号電圧検出部６４で信号電圧として検出する。
【００５２】
このように構成することで２ｆ近傍に帯域が限定されるので、ＳＮ比が向上する。例え
ば、直流オフセット成分を調整して、バイアス磁界の大きさを制御することにより、安定
した磁気センサ動作が可能となる。この実施形態の２次高調波検出は、ｆ近傍時間での正
負電流磁界出力の差分検出と見なすことができるので、１／ｆのような長周期振幅揺らぎ
ノイズの影響を除去または低減することができる。
【００５３】
図９（ｂ）は、信号磁界ゼロで２次高調波出力ゼロの場合の、検出ブロック回路図を示
す。周波数発生器７１により周波数ｆの交流電流を生成して、さらに直流オフセット成分
を加えて、磁気抵抗効果素子１に通電する。磁気抵抗効果素子１の抵抗変化に応じた電圧
信号を、ｆの２倍近傍となるバンドバスフィルター６２を通じて、信号電圧検出部６４で
２次高調波信号を検出する。直流オフセット成分を調整して、図８（ｂ）のように信号磁
界無での２次高調波発生を実質的にゼロにすることが出来る。この調整には負帰還回路を
用いても良い。周波数発生器の２ｆと参照した位相検出器７２により、正側歪と負側歪起
因の２次高調波信号の符号を分別する。さらに、ローパスフィルター（ＬＰＦ）７３によ
り、位相器ノイズを除去してＳＮ比を改善した２次高調波信号を取り出す。ＬＰＦ７３か
らの検出信号を負帰還回路７４により磁気抵抗効果素子１にフィードバックすると、信号
磁界に応じた２次高調波信号の線形応答性が改善できる。その結果、上記図８（ｂ）に示
すような、信号磁界と２次高調波の線形応答関係が得られる。
【００５４】
図１０はこの発明の他の実施形態に係る磁気センサを示す図である。
【００５５】
ここでは例えば、上記図１に示す磁気抵抗効果素子１Ａに加え、長手方向（Ｙ方向）を
９０度回転し、Ｘ軸方向を長手方向とした磁気抵抗効果素子１Ｂを載置している。
【００５６】
配線３は、磁気抵抗効果素子１Ａおよび磁気抵抗効果素子１Ｂで共通に使用する。また
上記配線２は磁気抵抗効果素子１Ａと磁気抵抗効果素子１Ｂを分離して検出するために別
配線としそれぞれ、配線２Ａ、配線２Ｂとする。
【００５７】
磁気抵抗効果素子１Ａおよび磁気抵抗効果素子１Ｂの２組の磁気抵抗効果素子により信
号磁界を検出すると、Ｘ方向成分、Ｙ方向成分の信号磁界が測定できるので、Ｘ−Ｙ面で
の２次元内での細胞磁界のベクトル情報が得られる。
【００５８】
例えば、磁気抵抗効果素子１Ａのセンサ群を第１面に形成して、その上部に配置する第
２面に磁気抵抗効果素子１Ｂのセンサ群を形成するようにして、細胞磁界のベクトル情報
を得ても良い。
【００５９】
この発明の実施形態では、信号磁界無では交流周波数（基本波）や奇数時の高調波周波
数に大きなノイズ電圧出力が発生する。信号磁界により発生する２次高調波に比べて巨大
であるため回路によるフィルタリングで完全に取り除きにくいと思われる。
【００６０】
例えば、磁気センサで一般的に用いられるホイットストーンブリッジにより、信号磁界
に無関係な成分を除去することも可能であるが、この場合には磁気抵抗効果素子１が４つ
必要となる。このため、磁気抵抗効果素子１の集積度を上げて分解能を向上させることに
はあまり向いていない。
【００６１】
基本波や奇数次高周波ノイズを取り除くためには、信号磁界が大幅に減衰した場所に、
信号磁界検出と形状・特性が近い参照用の磁気抵抗効果素子１を設けて、参照と検出磁気
抵抗効果素子１の差分出力を検出することが望ましい。
【００６２】
参照と磁界検出の磁気抵抗効果素子１の同一特性の精度を向上させるには、参照と磁界
検出の磁気抵抗効果素子１との特性差分をフィードバックして補正する回路を用いること
も可能である。
【００６３】
また、参照用の磁気抵抗効果素子１へ入力される信号磁界を減衰するには、磁気シール
ドでセンサを覆う、測定生体から十分に離れた位置に配置する、などで実現可能である。
また、信号処理回路内に参照磁気抵抗効果素子１を組み込むことも可能である。
【００６４】
図１１は実施形態に係る磁気センサにおける磁気抵抗効果素子の長手方向の長さ依存の
シミュレーション予想を示す図である。
【００６５】
この発明の実施形態に係る磁気センサにおいて、再生出力ΔＶ、１／ｆとジョンソン熱
雑音ノイズの合せたノイズＮ、出力とノイズが一致する最小磁界検出感度Ｄのシミュレー
ション予想を示す。
【００６６】
図１１では磁気抵抗効果素子１の長手方向の長さＬについて、Ｌ＝２０ｕｍとした場合
を示している。
【００６７】
ここでは、上記図４（ａ）で説明した構成の磁気抵抗効果素子１を用いている。
【００６８】
磁性層（フリー層）１１１と112のギャップは1μｍである。また、磁気抵抗効果素子１
の幅方向の長さＷはＷ＝１μｍ、抵抗変化率を１５０％、接合部に加わる電圧を０．５Ｖ
とした。なお、センサ全体の電圧は接合部の直列数に比例して増大する。また、１／ｆの
比例定数αを５×１０‐８μｍ2、交流周波数を１０ＭＨｚ、磁気抵抗効果素子１の幅方
向飽和磁界を５０Ｏｅとして、センサの電気抵抗は１ＫΩとなるように接合部面積抵抗を
調整した。
【００６９】
そして、磁気抵抗効果素子１の直列接続数とΔＶ, Ｎ，Ｄの関係を、Ｌ＝２０ｕｍとし
た場合について示している。
【００７０】
図１２では磁気抵抗効果素子１の長手方向の長さＬについて、Ｌ＝１０ｕｍとした場合
を示している。
【００７１】
ここでは図１１と同様に、上記図４（ａ）で説明した構成の磁気抵抗効果素子１を用い
ている。
【００７２】
また、磁性層（フリー層）１１１と112のギャップは1μｍ、磁気抵抗効果素子１の幅方
向の長さＷ＝１μｍ、抵抗変化率を１５０％、接合部に加わる電圧０．５Ｖ、１／ｆの比
例定数α＝５×１０‐８μｍ2、交流周波数を１０ＭＨｚ、磁気抵抗効果素子１の幅方向
飽和磁界を５０Ｏｅとして、センサの電気抵抗は１ＫΩとなるように接合部面積抵抗を調
整した点も図１１と同じである。
【００７３】
そして、磁気抵抗効果素子１の直列接続数とΔＶ, Ｎ，Ｄの関係を、Ｌ＝１０ｕｍとし
た場合について示している。
【００７４】
これらの結果から、Ｌ＝１０〜２０ｕｍの微細形状のセンサにおいて、予想される細胞
磁界の大きさは数ｎＴ（ナノ・テスラ）程度である。しかし、最小磁界検出感度Ｄについ
て、Ｄ＜０．２ｎＴ（＝２００ｐＴ（ピコ・テスラ））が予想され、ノイズよりも一桁大
きな出力が期待できる。さらに磁気抵抗効果素子１の数を増やすと、Ｄは更に低下してＳ
Ｎ比の良好な信号検出が期待できる。
【００７５】
すなわちこの発明の実施形態に係る磁気センサは、第１電極２と、第２電極３と、膜面
内の第１方向の長さが膜面内で直交する第２方向の長さより長い磁気抵抗効果素子１であ
って、前記磁気抵抗効果素子１はピン磁性層１１、中間非磁性層１２、フリー磁性層１３
を備え、前記ピン磁性層１１の磁化方向は前記第１方向に沿う磁気抵抗効果素子１と、前
記第１電極２と前記磁気抵抗効果素子１の間に設けられた絶縁層８２と、前記第１電極２
および前記第２電極３に接続し、交流電流を印加可能な電流印加部６１と、前記磁気抵抗
効果素子１から出力された交流電流周波数の２次高周波成分を検出可能な検出部６４と、
を備え、前記第１電極２と前記磁気抵抗効果素子１は前記第１方向及び前記第２方向と直
交する第３方向に沿って重なる。
【００７６】
また、前記第１方向と前記第２方向は交差しても良い。
【００７７】
また、前記中間非磁性層はＭｇＯを含んでも良い。
【００７８】
また、前記磁気抵抗効果素子１の前記第１方向の長さは前記第２方向の長さより１０倍以
上大きくしても良い。
【００７９】
また、前記第１磁気効果素子１から出力された交流信号を受信し、前記交流電流周波数
の２倍近傍に制限して前記検出部に向けて出力するバンドパスフィルター６２をさらに備
えても良い。
【００８０】
また、前記電流印加部６１は前記交流電流より電流値が小さい直流電流をさらに印加し
ても良い。
【００８１】
また、前記磁気抵抗効果素子１をさらに備えた参照部を備え、前記参照部と前記磁気抵抗効果素子の交流通電による出力差分を検出しても良い。
【００８２】
また、第３電極２Ｂと、前記第２方向の長さが前記第１方向の長さより長い第２の磁気
抵抗効果素子１Ｂをさらに備え、前記第２の磁気抵抗効果素子１Ｂには前記第２電極３と
前記第３電極２Ｂにより通電して、前記第２電極３と前記第２の磁気抵抗効果素子１Ｂは
第３方向に沿って少なくとも一部が重なるようにしても良い。
【００８３】
また、複数の前記磁気抵抗効果素子１Ａおよび複数の前記第２の磁気抵抗効果素子１Ｂ
を備え、前記磁気抵抗効果素子１Ａは前記第１電極に沿って、前記第２の磁気抵抗効果素
子１Ｂは前記第２電極に沿って、格子状に配置されるようにしても良い。
【００８４】
また、生体細胞と、前記生体細胞と前記磁気抵抗効果素子の間に設けられた第２の絶縁
層とを備えるようにしても良い。
【００８５】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明の実
施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、第１電極、第２電極、磁
気効果素子、検出部の各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選
択することができる。また、本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り
、本発明の範囲に包含される。
【００８６】
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも
、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【００８７】
その他、本発明の実施形態として上述した磁気センサを基にして、当業者が適宜設計変
更して実施し得る全ての磁気センサ装置、診断装置も、本発明の要旨を包含する限り、本
発明の範囲に属する。
【００８８】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に
想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するもの
と了解される。
【００８９】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したも
のであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その
他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の
省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や
要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる
。
【符号の説明】
【００９０】
１…磁気抵抗効果素子
１Ａ…磁気抵抗効果素子
１Ｂ…磁気抵抗効果素子
２…配線部（第１電極）
２Ａ…配線
２Ｂ…配線
３…配線部（第２電極）
１１…磁性層（フリー層）
１２…中間非磁性層
１３…磁性層（ピン層）
１４…下地層
２１…第３電極
２２…近接配線部
６２…バンドパスフィルター
６３…アンプ
６４…信号電圧検出部
７１…周波数発生器
７３…ローパスフィルター（ＬＰＦ）
８０…基板
８２…絶縁膜
１３２…Ｒｕ層
１３３…磁性層
１３４…反強磁性層
【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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