(57)【要約】【課題】経年変化に伴うＭＲセンサの抵抗値シフトの問題を解消する。【解決手段】ＭＲセンサが特定の状態下にあるときのセンサ出力を基準として磁界測定時のＭＲセンサの出力を規格化する。具体的には、磁化コイル５に電流を流して磁界を発生させＭＲセンサ１，２に印加する。これにより、選択した「特定の状態」の下にＭＲセンサ１，２を置く。ここでＭＲセンサ２は、磁化コイル５からの磁界以外を遮断する磁気シールド構造３によって取り囲まれている。磁化コイル５への電流を遮断したのち、外部ソースに由来する未知の磁界が付与されたＭＲセンサ１の出力電圧と、未知の磁界の影響を受けないＭＲセンサ２の出力電圧との差分を求め、未知の磁界を推定する。【選択図】図５
2011039060.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗効果センサの経年変化を補正する方法であって、
励起されると所定の空間の内部に磁界を発生させるデバイスを用意するステップと、
第１および第２の磁気抵抗効果センサを、前記空間の内部に配置するステップと、
前記第２の磁気抵抗効果センサを、前記デバイスが形成する磁界以外の全ての磁界から遮蔽するステップと、
前記デバイスを励起することにより、予想可能な態様での経年変化が既知である特定状態に前記第１および第２の磁気抵抗効果センサを置くこととなるような特定の強度を有する磁界を前記空間の内部に形成するステップと、
電流源の使用を通じて、前記第１および第２の磁気抵抗効果センサをそれぞれ通過する電流ＩS1，ＩS2を供給し、前記第１および第２の磁気抵抗効果センサに対して互いに等しい電圧ＶS1，ＶS2を印加するステップと、
前記デバイスに対するエネルギーの供給を断つことにより、前記デバイスから前記第２の磁気抵抗効果センサに及ぶ磁界を零とし、前記空間の内部に依然として存在する、外部ソースに由来する未知の磁界を露わにすると共に、電流ＩS1，ＩS2の供給を続けることにより前記第１および第２の磁気抵抗効果センサが出力電圧Ｖu1，Ｖ02を出力するようにするステップと、
前記未知の磁界を、Ｖu1 −Ｖ02として求めるステップと
を含む磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法。
【請求項２】
前記第１および第２の磁気抵抗効果センサの双方において磁気的に飽和し、かつ、それらの抵抗値が最大となるように、前記特定の強度の磁界を、外部ソースを用いて必要に応じて補充するステップをさらに含む
請求項１記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法。
【請求項３】
前記第１および第２の磁気抵抗効果センサの双方において磁気的に飽和し、かつ、それらの抵抗値が最小となるように、前記特定の強度の磁界を、外部ソースを用いて必要に応じて補充するステップをさらに含む
磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法。
【請求項４】
前記第１および第２の磁気抵抗効果センサは、ＡＭＲデバイス、ＣＩＰ−ＧＭＲデバイス、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイス、ＴＭＲデバイス、ＣＣＰ−ＧＭＲデバイスおよびスピン偏極デバイスのうちの少なくとも一種からなる
請求項１記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法。
【請求項５】
磁気抵抗効果センサの経年変化を補正する方法であって、
励起されると所定の空間の内部に磁界を生じるデバイスを用意するステップと、
第１および第２の磁気抵抗効果センサを、前記空間の内部に配置するステップと、
前記第２の磁気抵抗効果センサを、前記デバイスが形成する磁界以外の全ての磁界から遮蔽するステップと、
前記デバイスを励起することにより第１の方向へ飽和磁界を形成し、その結果、前記第１および第２の磁気抵抗効果センサを、それらが最大の抵抗値Ｒ1SH ，Ｒ2SH を示す最大抵抗状態とするステップと、
前記デバイスを励起することにより前記第１の方向と反対の第２の方向へ飽和磁界を形成し、その結果、前記第１および第２の磁気抵抗効果センサを、それらが最小の抵抗値Ｒ1SL ，Ｒ2SL を示す最小抵抗状態とするステップと、
抵抗値Ｒ1SHおよび抵抗値Ｒ1SL の線形関数ならびに抵抗値Ｒ2SH および抵抗値Ｒ2SL の線形関数から新たな抵抗値Ｒ1Sおよび抵抗値Ｒ2S を求めるステップと
を含む磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法。
【請求項６】
前記線形関数は、算術平均、合計、差および加重算術平均のうちの少なくとも１つである
請求項５記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法。
【請求項７】
前記第１および第２の磁気抵抗効果センサは、ＡＭＲデバイス、ＣＩＰ−ＧＭＲデバイス、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイス、ＴＭＲデバイス、ＣＣＰ−ＧＭＲデバイスおよびスピン偏極デバイスのうちの少なくとも一種からなる
請求項６記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法。
【請求項８】
励起されると所定の空間の内部に磁界を生じるデバイスを用意するステップと、
磁気抵抗効果センサを、前記空間の内部に配置するステップと、
前記デバイスを励起することにより、前記磁気抵抗効果センサが最大の抵抗値を示す最大抵抗状態となるのに要する磁界を形成するステップと、
前記磁気抵抗効果センサに第１の電流を通過させることにより、前記磁気抵抗効果センサに電位差Ｖ０を生じさせるステップと、
前記磁気抵抗効果センサを通過する前記第１の電流を維持する一方、前記デバイスに対するエネルギーの供給を断つことにより、前記磁界を零とし、前記磁気抵抗効果センサに電位差Ｖrefを生じさせるステップと、
前記外部磁界を測定するステップと
を含み、
前記外部磁界を測定するステップは、
前記磁気抵抗効果センサを前記最大抵抗状態とするステップと、
前記磁気抵抗効果センサに第２の電流を通過させることにより前記磁気抵抗効果センサに電位差Ｖ０を生じさせるステップと、
前記第２の電流の供給を続ける一方、前記磁気抵抗効果センサを前記外部磁界に曝すことにより、前記磁気抵抗効果センサに電位差Ｖexを生じさせるステップと、
前記外部磁界を、Ｖref −Ｖexとして求めるステップと
を含む磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法。
【請求項９】
前記磁気抵抗効果センサは、ＡＭＲデバイス、ＣＩＰ−ＧＭＲデバイス、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイス、ＴＭＲデバイス、ＣＣＰ−ＧＭＲデバイスおよびスピン偏極デバイスのうちの少なくとも一種からなる
請求項８記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法。
【請求項１０】
磁気抵抗効果センサの経年変化を補正する装置であって、
励起されると、第１および第２の磁気抵抗効果センサを含む所定の空間の内部に特定の強度の磁界を形成することで、前記第１および第２の磁気抵抗効果センサを予想可能な態様での経年変化が既知である特定の状態に置くようにするデバイスと、
前記第１および第２の磁気抵抗効果センサの双方へ電流Ｉsを供給し、前記第１および第２の磁気抵抗効果センサに対して互いに等しい電圧ＶS1，ＶS2を印加する電流源と、
前記第１および第２の磁気抵抗効果センサに電圧を印加し、前記第１および第２の磁気抵抗効果センサに電流Ｉ1S ，Ｉ2Sを生じさせる電圧源（Ｖs）と、
前記電圧Ｖ1S ，Ｖ2S および電流Ｉ1S，Ｉ2S の数値を記録し、前記電圧ＶS1，ＶS2 および電流Ｉ1S ，Ｉ2S に基づく規格化因子を算出するマイクロプロセッサと
を備え、
前記第２の磁気抵抗効果センサは、前記デバイスが形成する磁界以外の全ての磁界から遮蔽されたものである
磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項１１】
前記デバイスを、前記第１および第２の磁気抵抗効果センサの有する１００μｍの幅に含まれる、導電材料の回路線とする
請求項１０記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項１２】
前記回路線を、前記第１および第２の磁気抵抗効果センサの間に配置し、または前記第１および第２の磁気抵抗効果センサの真上もしくは真下に配置する
請求項１１記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項１３】
前記デバイスは、さらに、１ターン以上のコイルと、軟磁気コアとを備えている
請求項１０記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項１４】
前記デバイス、磁気抵抗効果センサ、および前記マイクロプロセッサは、全て単一基板に設けられて集積ユニットを構成している
請求項１０記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項１５】
前記磁気抵抗効果センサは、ＡＭＲデバイス、ＣＩＰ−ＧＭＲデバイス、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイス、ＴＭＲデバイス、ＣＣＰ−ＧＭＲデバイスおよびスピン偏極デバイスのうちの少なくとも一種からなる
請求項１０記載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項１６】
磁気抵抗効果センサの経年変化を補正する装置であって、
励起されると、一の磁気抵抗効果センサを含む所定の空間の内部に、その磁気抵抗効果センサが最大の抵抗値を示す最大抵抗状態となるのに要する磁界を形成するデバイスと、
前記磁気抵抗効果センサへ電流Ｉｓを供給することにより、前記磁気抵抗効果センサに電位差を生じさせる電流源と、
差分電圧を測定するコンパレータ回路と
を備えた磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項１７】
前記デバイスは、前記磁気抵抗効果センサの有する１００μｍの幅に含まれる、導電材料の回路線である
請求項１６載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項１８】
前記回路線は、前記磁気抵抗効果センサの真上もしくは真下に位置する
請求項１６載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項１９】
前記デバイスは、さらに、１ターン以上のコイルと、軟磁気コアとを備えている
請求項１６載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【請求項２０】
前記デバイス、磁気抵抗効果センサ、および前記マイクロプロセッサは、全て単一基板に設けられて集積ユニットを構成している
請求項１６載の磁気抵抗効果センサの経年変化補正装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気測定に用いられる磁気抵抗効果（ＭＲ：magneto-resistive）センサに係り、特に、磁気抵抗効果センサの経年変化に伴って生ずる磁界強度の測定誤差に対して補正を行う磁気抵抗効果センサの経年変化補正方法、および経年変化補正装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＲセンサを用いて開ループ方式により磁界検出を行う際、ＭＲセンサの抵抗値から磁界の値は直接的に導かれる。これは、外部磁場に対する、正確な抵抗基準点および検出感度の正確な評価を必要とする。ＭＲセンサ、特にＴＭＲ（tunneling magneto-resistance）センサは、長時間に亘る、検出精度に影響を与えるのに十分な大きさのストレスに曝されたのち、大きな抵抗変化を示すことができる。しかしながら、センサ抵抗が、各々のセンサの変化曲線における最大、最小、平均の値に関して規格化されたとき、結果として得られる母集団（population）はシフトし、センサ内部の変化は十分に補償されることとなる。このタイプの規格化された数値が使われるならば、長期の正確な開ループ操作が可能となる。
【０００３】
ＭＲセンサは、現在市販の商品に用いられている従来のホールセンサの代わりとして磁界検出に使用した場合、そのホールセンサと比較して非常に高い検出感度を有する点で有利である。最先端の磁気トンネル接合センサであれば、ホールセンサよりも桁違いに高い感度を得ることができる。これは、磁界検出の際に従来のホールセンサでは達成し得なかった適用範囲における磁界検出の可能性を提案するものである。例えば、特許文献１，２における磁気抵抗効果センサは、電流センサとして、電流などによって誘導される磁界を検出するために用いられている。
【０００４】
図１は、従来の開ループ方式の検出構造を示している。ここで、電流源からＭＲセンサ９へ電力が供給され、ＭＲセンサ９における出力電圧と、外部磁界が零のときのＭＲセンサ９の出力電圧と等しく設定されたリファレンス電圧Ｖrefと比較される。したがって、出力電圧Ｖoutは、ＭＲセンサ９の抵抗変化に比例することとなる。もし、ＭＲセンサ９の抵抗値が外部磁界に対して実質的に線形の変化を示すのであれば、出力電圧Ｖoutは、ＭＲセンサ９における外部磁界の測定値として利用することができる。
【０００５】
関連する先行技術を検索したところ、以下の先行技術文献が見つかった。Needham等による特許文献１では、磁界センサと基準磁界センサとが連結されたものが開示されている。また、Berkcanによる特許文献２では、電流センサおよび基準センサが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５５７００３４号明細書
【特許文献２】米国特許第５４３８２５７号明細書
【特許文献５】米国特許出願公開第２００７／０１５４７４０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来から用いられている図１に示したような回路は、ＭＲセンサの抵抗値をそのまま利用するという点において不都合を招くことがある。図１に示したような開ループ方式の検出構造では、抵抗値の絶対値の変動、すなわち、検出動作中における、例えば熱的、電気的および機械的ストレスなどに起因する抵抗値シフトが敏感に現れる。これらは測定精度に直接的に影響する。さらに、場合によっては、従来技術が短時間での検出感度の変動に対処する方法を提案していたとしても、長期間に亘る抵抗値のシフトについては図１の開ループ方式の検出構造にとって重大な欠陥であると考えられる。
【０００８】
図２は、ランダムに選択された２つのＴＭＲセンサの零磁界での抵抗値Ｒ０が時間変化と共にどのように変化するかを表したものである。ここでは、２つのＴＭＲセンサを電源オン状態とし、室温よりも著しく高い温度環境下に曝した場合について測定した。図２に示したように、本来の零磁界での抵抗値と比較して全体的に４．５％に達する抵抗値の増加が見られる。その上、２つのＴＭＲセンサ間における差分が１％程度に達する。このデータは、こうした２つのＴＭＲセンサの抵抗値の変化の差が補正されないのであれば、図1に示した開ループ方式の検出構造では、時間経過と共に検出精度の劣化が生じることを示している。
【０００９】
本発明の第１の目的は、ＭＲセンサの経年変化に伴うセンサ抵抗値シフトが測定精度に与える影響を低減することを可能とするＭＲセンサの経年変化補正方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の目的は、上記ＭＲセンサの抵抗値シフトを補正するための現場法として利用可能なＭＲセンサの経年変化補正方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の第３の目的は、ＭＲセンサの検出感度の特徴付けを行うための、その場で補正する方法を提供することにある。
【００１２】
本発明の第４の目的は、上記の各方法を実施するための装置（経年変化補正装置）を提供することにある。
【００１３】
本発明の第５の目的は、２つのセンサを用いた磁界測定法の磁界検出精度を向上させることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、規格化ファクターを生成する２つの方法を開示する。その規格化ファクターは、経年の（特に何らかの応力を受けた場合の）結果として変化したセンサ出力の補正を行うためにＭＲセンサに適用されるものである。これら２つの方法のいずれにおいても、特定の状態に置くことが必要である。後者の方法は、特定の磁気環境、例えば飽和状態など、に置かれたセンサに関する何らかのセンサ状態として規定される。
【００１５】
より詳細には、以下のような手段により本発明の目的が達成可能である。
【００１６】
本発明における第１のＭＲセンサの経年変化補正方法は、励起されると所定の空間の内部に磁界を発生させるデバイスを用意するステップと、第１および第２のＭＲセンサを、その空間の内部に配置するステップと、第２のＭＲセンサを、デバイスが形成する磁界以外の全ての磁界から遮蔽するステップと、デバイスを励起することにより、予想可能な態様での経年変化が既知である特定状態に第１および第２のＭＲセンサを置くこととなるような特定の強度を有する磁界を空間の内部に形成するステップと、電流源の使用を通じて、第１および第２のＭＲセンサをそれぞれ通過する電流ＩS1，ＩS2を供給し、第１および第２のＭＲセンサに対して互いに等しい電圧ＶS1，ＶS2を印加するステップと、デバイスに対するエネルギーの供給を断つことにより、デバイスから第２のＭＲセンサに及ぶ磁界を零とし、空間の内部に依然として存在する、外部ソースに由来する未知の磁界を露わにすると共に、電流ＩS1，ＩS2の供給を続けることにより第１および第２のＭＲセンサが出力電圧Ｖu1，Ｖ02を出力するようにするステップと、未知の磁界を、Ｖu1 −Ｖ02として求めるステップとを含むものである。
【００１７】
本発明における第１のＭＲセンサの経年変化補正方法では、第１および第２のＭＲセンサの双方において磁気的に飽和し、かつ、それらの抵抗値が最大となるように、特定の強度の磁界を、外部ソースを用いて必要に応じて補充するステップをさらに含むようにしてもよい。
【００１８】
本発明における第１のＭＲセンサの経年変化補正方法では、第１および第２のＭＲセンサの双方において磁気的に飽和し、かつ、それらの抵抗値が最小となるように、特定の強度の磁界を、外部ソースを用いて必要に応じて補充するステップをさらに含むようにしてもよい。
【００１９】
本発明における第１のＭＲセンサの経年変化補正方法では、第１および第２のＭＲセンサは、ＡＭＲデバイス、ＣＩＰ−ＧＭＲデバイス、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイス、ＴＭＲデバイス、ＣＣＰ−ＧＭＲデバイスおよびスピン偏極デバイスのうちの少なくとも一種からなるとよい。
【００２０】
本発明における第２のＭＲセンサの経年変化補正方法は、励起されると所定の空間の内部に磁界を生じるデバイスを用意するステップと、第１および第２のＭＲセンサを、その空間の内部に配置するステップと、第２のＭＲセンサを、デバイスが形成する磁界以外の全ての磁界から遮蔽するステップと、デバイスを励起することにより第１の方向へ飽和磁界を形成し、その結果、第１および第２のＭＲセンサを、それらが最大の抵抗値Ｒ1SH ，Ｒ2SH を示す最大抵抗状態とするステップと、デバイスを励起することにより第１の方向と反対の第２の方向へ飽和磁界を形成し、その結果、第１および第２のＭＲセンサを、それらが最小の抵抗値Ｒ1SL ，Ｒ2SL を示す最小抵抗状態とするステップと、抵抗値Ｒ1SHおよび抵抗値Ｒ1SL の線形関数ならびに抵抗値Ｒ2SH および抵抗値Ｒ2SL の線形関数から新たな抵抗値Ｒ1Sおよび抵抗値Ｒ2S を求めるステップとを含むものである。
【００２１】
本発明における第２のＭＲセンサの経年変化補正方法では、線形関数を、算術平均、合計、差および加重算術平均のうちの少なくとも１つとすることができる。その際、第１および第２のＭＲセンサを、ＡＭＲデバイス、ＣＩＰ−ＧＭＲデバイス、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイス、ＴＭＲデバイス、ＣＣＰ−ＧＭＲデバイスおよびスピン偏極デバイスのうちの少なくとも一種とすることができる。
【００２２】
本発明における第３のＭＲセンサの経年変化補正方法は、ＭＲセンサを用いるものであって、励起されると所定の空間の内部に磁界を生じるデバイスを用意するステップと、ＭＲセンサを、その空間の内部に配置するステップと、デバイスを励起することにより、ＭＲセンサが最大の抵抗値を示す最大抵抗状態となるのに要する磁界を形成するステップと、ＭＲセンサに第１の電流を通過させることによりＭＲセンサに電位差Ｖ０を生じさせるステップと、ＭＲセンサを通過する第１の電流を維持する一方、デバイスに対するエネルギーの供給を断つことにより磁界を零とし、ＭＲセンサに電位差Ｖrefを生じさせるステップと、外部磁界を測定するステップとを含むものである。ここで、外部磁界を測定するステップは、ＭＲセンサを最大抵抗状態とするステップと、ＭＲセンサに第２の電流を通過させることにより、ＭＲセンサに電位差Ｖ０を生じさせるステップと、第２の電流の供給を続ける一方、ＭＲセンサを外部磁界に曝すことにより、ＭＲセンサに電位差Ｖexを生じさせるステップと、外部磁界を、Ｖref −Ｖexとして求めるステップとを含む。
【００２３】
本発明における第３のＭＲセンサの経年変化補正方法では、ＭＲセンサを、ＡＭＲデバイス、ＣＩＰ−ＧＭＲデバイス、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイス、ＴＭＲデバイス、ＣＣＰ−ＧＭＲデバイスおよびスピン偏極デバイスのうちの少なくとも一種とすることができる。
【００２４】
本発明における第３のＭＲセンサの経年変化補正方法では、デバイスを、第１および第２のＭＲセンサの有する１００μｍの幅に含まれる導電材料の回路線とするとよい。その場合、回路線を、第１および第２のＭＲセンサの間に配置し、または第１および第２のＭＲセンサの真上もしくは真下に配置するとよい。
【００２５】
本発明における第３のＭＲセンサの経年変化補正方法では、デバイスが、さらに１ターン以上のコイルと軟磁気コアとを備えるようにするとよい。
【００２６】
本発明における第３のＭＲセンサの経年変化補正方法では、デバイス、ＭＲセンサ、およびマイクロプロセッサが全て単一基板に設けられて集積ユニットを構成するようにするとよい。また、ＭＲセンサは、ＡＭＲデバイス、ＣＩＰ−ＧＭＲデバイス、ＣＰＰ−ＧＭＲデバイス、ＴＭＲデバイス、ＣＣＰ−ＧＭＲデバイスおよびスピン偏極デバイスのうちの少なくとも一種からなるとよい。
【００２７】
本発明におけるＭＲセンサの経年変化補正装置は、ＭＲセンサの経年変化を補正する装置であって、励起されると、一のＭＲセンサを含む所定の空間の内部に、そのＭＲセンサが最大の抵抗値を示す最大抵抗状態となるのに要する磁界を形成するデバイスと、ＭＲセンサへ電流Ｉｓを供給することにより、ＭＲセンサに電位差を生じさせる電流源と、差分電圧を測定するコンパレータ回路とを備えるものである。
【００２８】
本発明におけるＭＲセンサの経年変化補正装置では、デバイスが、ＭＲセンサの有する１００μｍの幅に含まれる、導電材料の回路線であるとよい。また、回路線は、ＭＲセンサの真上もしくは真下に位置するとよい。また、デバイスは、１ターン以上のコイルと軟磁気コアとをさらに備えるようにしてもよい。さらに、デバイス、ＭＲセンサ、およびマイクロプロセッサは、全て単一基板に設けられて集積ユニットを構成するようにするとよい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明のＭＲセンサの経年変化補正方法および経年変化補正装置によれば、ＭＲセンサが再現可能な特定の状態に置かれているときのセンサ出力を基準として、磁界測定時のＭＲセンサの出力を規格化するようにしたので、ＭＲセンサの経年変化に伴うセンサ抵抗値シフトが測定精度に与える影響を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来のＭＲセンサの一例を表している。
【図２】経年変化によりＭＲセンサの抵抗値が時間変化と共に増加する様子を表す特性図である。
【図３Ａ】経年変化に伴うＭＲセンサ抵抗値の増加ドリフトと印加磁界との関係を示す特性図である。
【図３Ｂ】経年変化に伴うＭＲセンサ抵抗値の変化が規格化ファクターの適用により補正された様子を表す特性図である。
【図４】規格化法を用いることにより、経年変化に伴う測定誤差が低減される様子を示す特性図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態を表す回路図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態を表す回路図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態を表す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
図３Ａは、磁気トンネル接合（ＭＴＪ）センサの抵抗値と印加磁界との関係を表す特性曲線を示している。この特性曲線は、ＭＴＪセンサを、電源オンの状態で長期間に亘って高温環境による応力下に曝した場合のものである。図３Ａでは、実線が応力印加前の状態を示し、点線が応力印加後の状態を示している。図３Ａに示したように、点線で示した応力印加後では、実線で示した応力印加前に比べてより高い抵抗値を示すように変位している。これは、図２において、時間０での抵抗値に対して時間ｔ３での抵抗値が増加していることと同様の抵抗値の増加を反映している。このような抵抗値の増加は、上述したように、磁界検出の結果に誤差をもたらすこととなる。
【００３２】
図３Ｂにおける実線および点線は、図３Ａに示した実線および点線をそれぞれの平均抵抗値を用いて規格化した場合のＭＲセンサ抵抗値と印加磁界との関係を表している。ここでの平均抵抗値は、図３Ａの各々の曲線が示す＋３Ｈの磁界での最大値および−３Ｈの磁界での最小値の平均値を求めたものである。なお、３Ｈは、ＭＴＪセンサを飽和状態、すなわち再現可能な状態とするのに十分な大きさである。図３Ｂに示したように、ほぼ正確に２つのＭＴＪセンサの曲線が重なり合っており、垂直方向においてはごく僅かにシフトしているに過ぎない。
【００３３】
したがって、磁界測定を行うにあたっては、磁界測定の物理量として用いられるＭＲセンサ抵抗値に代わり、規格化抵抗値がよりよいパラメータとなる。規格化抵抗値は、長期間に亘る応力（ストレス）に起因する抵抗値のベースラインシフトに影響されないからである。
【００３４】
図４は、抵抗値を規格化することにより、何らかの応力に起因した抵抗値の変位を最小限に抑えることができる様子を示している。ここでは、合計２０個のＭＴＪセンサに対し、電源オンの状態で長期間にわたって高温状態下に置くことによって応力を与える実験を行った。図４の横軸（Ｘ軸）は、各センサにおける初期のゼロ磁界抵抗値（ＺＦＶ：zero field value）を基準としたゼロ磁界抵抗値の平均シフト量（以下、ＺＦＶ平均シフト量という。）をパーセント（％）により示している。一方の縦軸（Ｙ軸）は、ゼロ磁界抵抗値のシフト量の標準偏差（ＳＴＤ：standard deviation，以下、ＺＦＶシフト量ＳＴＤという。）を示している。図４に示す４つの異なるマークは、「ＺＦＶシフト量ＳＴＤ」対「ＺＦＶ平均シフト量」の関係についての４つのケースを示している。具体的には、各センサのトランスファー曲線に沿って、センサ抵抗値の規格化を行わなかった場合（○）、センサ抵抗値を最大抵抗値で規格化した場合（□）、最小抵抗値で規格化した場合（△）、中央値（平均値）で規格化した場合（◇）をそれぞれ示している。
【００３５】
規格化を行わなかった場合、センサのＺＦＶ平均シフト量は、初期のＺＦＶに対して５．２％に達する増加を示し、ＺＦＶシフト量ＳＴＤは、３．２％に達する増加を示している。この場合、仮にセンサの抵抗値を対象磁界の測定にそのまま用いると、ゼロ磁界値の変位に起因して、閉ループ構造では最大で９％〜１０％の誤差が生じ、開ループ構造では同様に最大で１０％の誤差が生じることになる。しかしながら、センサ抵抗値を、トランスファー曲線に沿って、最大抵抗値、最小抵抗値、および平均値で規格化すると、規格化したゼロ磁界値の変位は、平均で０．７％から０．８％、ゼロ磁界値の標準偏差は、０．１％となる。したがって、最大誤差値は、閉ループ構造では０．３％以下、開ループ構造では１％未満となる。これらの発見を実際の測定に適用するにあたり、本発明者らは、この規格化技術を一連の外部磁界の値を測定するその都度用いることにより、長期間に亘る駆動もしくは外部応力の付与またはその両方による抵抗値変位に起因した測定誤差を低減することができた。
【００３６】
センサの動作中においてその場で規格化を行うには、ＭＲセンサに隣接して磁界発生コイル（図示せず）を挿入する。ＭＲセンサを用いて外部磁界を測定する前に、付加したコイルに必要な電流を流し、これにより、選択した「特定の状態」の下にＭＲセンサを置く。この「特定の状態」としては、例えば、素子の飽和状態が用いられる。飽和状態を用いる場合、センサの抵抗値は、飽和磁界の方向に依存して最大または最小となる。
【００３７】
図３Ａおよび図３Ｂに示す点線および実線において、センサの位置における全磁界は、＋Ｈ点または−Ｈ点を超えるものである必要がある。飽和状態のセンサ抵抗値（すなわち、ＲmaxおよびＲmin）を一旦保持したあと、Ｒmeanを求めて保持する。次に、付加コイルの磁界をオフにし、測定対象磁界のみをその場に残す。そして、保持したＲmax、Ｒmin、またはＲmeanの値を用いて規格化を行う。
【００３８】
規格化ファクターは、例えば、ＲmaxとＲminとの任意の線形結合が効果的である。ただし、飽和状態は必ずしも考えられ得る唯一の「特定の状態」ではなく、他の「特定の状態」として、例えばゼロ磁界における出力（すなわち、抵抗値と印加磁界との関係を示す曲線の中間部分の抵抗値）を用いてもよい。さらに他の「特定の状態」としては、最新の規格化ファクターを求めるごとにＭＲセンサにおいて正確に再現可能な任意の磁界が挙げられる。
【００３９】
規格化法においては、規格化された抵抗値のための基準点（一般には零磁界ポイント）は、零磁界における規格化抵抗値を反映する従来の電圧または抵抗リファレンス回路を用いることにより達成され得る。ＭＲセンサは、磁界検出に用いられるＭＲセンサとして同一の磁気特性および抵抗特性を有するものであることが望ましい。その一方で、ＭＲセンサは、磁界から隔離されており、その磁界に対して何らの反応を示さないことが望ましい。しかしながら、活性化したセンサとして、同一の電気的、熱的および機械的ストレスを受けると、（磁界を受けたときと）類似した抵抗変化を時間の経過と共に示すこととなる。リファレンスセンサを用いることで、図４に示したような平均値シフトは、検出精度に影響を与えるために、極めて小さな相対的な変動のみを除去することができる。
【００４０】
規格化に用いられるコイルは、その場でセンサの感度キャリブレーション（感度補正）を行う際にも用いることが可能である。もし、そのコイルが正確にセンサの近くに配置されるならば、事前に正確に調整された磁界がセンサにおいて確実に再生され、コイルの磁界が、磁界強度の関数としてのセンサ出力についての正確なその場調整に利用される。この方法により、開ループ方式のＭＲセンサの検出精度がさらに改善される。
【００４１】
要約すると、磁界検出に際してＭＲセンサの抵抗値を規格化することにより、以下の利点がもたらされる。
１．長期間に亘る応力に起因するセンサ抵抗値のベースラインシフトに影響されない開ループ方式の検出構造を用いることにより、センサ抵抗シフトに起因する誤差を著しく低減することができる。
２．その場での検出感度補正が、検出感度を向上させ、かつ、長期間に亘る使用もしくは応力が加わった後の検出感度の変動を低減することができる。
３．リファレンスセンサの使用により、抵抗値シフトの影響を弱め、検出感度を向上させることができる。
【００４２】
上記の利点により、以下のように問題を解決することができる。
（ａ）開ループ方式の磁界検出を行うためのＭＲセンサを用いた実行可能なスキームは、長期間に亘る使用もしくは応力が加わった後のセンサ抵抗値のベースラインシフトの悪影響を著しく低減することができる。
（ｂ）ＭＲセンサの検出感度についてのその場解析により、検出感度の変動に起因する検出誤差を低減することができる。
【００４３】
［第１の実施の形態］
以下、図５を参照して、本発明の第１の実施の形態としてのＭＲセンサの経年変化補正装置（以下、単に装置という。）およびそれを用いたＭＲセンサの経年変化補正方法について説明する。
【００４４】
＜装置構成＞
この装置は、基本的な構成要素として、未知の磁界を検出するＭＲセンサ１と、ＭＲセンサ１に零磁界基準点をもたらすＭＲセンサ２とを備えている。図５に示した磁化コイル５は、ＭＲセンサ１，２と極めて近接して配置されており、自らを流れる電流により励起されたときにＭＲセンサ１，２に対する磁界を生成する。
【００４５】
なお、合計２つの磁化コイル５をＭＲセンサ１，２に対して個別に設けるのではなく、図６に示した変形例のように、一の磁化コイル８をＭＲセンサ１，２に対して共通に設けることでより簡素化するようにしてもよい。この場合においても、磁化コイル８を流れる電流によって、特定の磁界が形成される。
【００４６】
薄膜技術の使用により、このタイプの装置における磁化コイル（回路線）は２つのＭＲセンサ１，２の間の５ｎｍ〜１００ｎｍの領域に配置することができる。あるいは、磁化コイル（回路線）はＭＲセンサ１，２のそれぞれの直上もしくは直下、またはそれらの間に配置してもよい。また、ＭＲセンサ１，２によって得られるデータを保持し、もしくはそのデータを用いた計算を行うために必要なマイクロプロセッサを、ＭＲセンサ１，２と同時に形成するようにしてもよい。
【００４７】
ＭＲセンサ２、およびこのＭＲセンサ２に影響を与える磁化コイル５は、磁気シールド構造３によってシールドされており、ＭＲセンサ２が、磁化コイル５によって生成される磁界を除く全ての外部磁界から孤立するようになっている。動作中において、電流源４からの電流がＭＲセンサ１，２の双方を駆動させ、ＭＲセンサ１，２がそれぞれ出力電圧を生じるようになっている。ＭＲセンサ１，２からの出力電圧は、ＭＲセンサ１に対する電圧補正ファクターを決定するために比較回路６へ向かうこととなる。
【００４８】
比較回路６は、ＭＲセンサ１に対するリファレンスセンサとしてＭＲセンサ２を用いることを可能とする。規格化は、ＭＲセンサ１，２の各々の回路において実施される。規格化が一度実施されると、ＭＲセンサ２は零磁界環境下に戻され、ＭＲセンサ１は測定対象となる外部磁界中に曝されることとなる。ＭＲセンサ１，２の間の差分電圧は、ＭＲセンサ１が受ける磁界の大きさとなる。
【００４９】
＜経年変化補正方法１（方法１）＞
（１）磁化コイル５により、ＭＲセンサ１，２の双方を活性化させ、それらを飽和状態とすることで最大抵抗値Ｒ１max，Ｒ２maxを得る。
（２）ＭＲセンサ１，２とそれぞれ接続された２つの電流源４を、電圧降下Ｖ0がＭＲセンサ１，２の各々において生じるように調整する。
（３）電流源４からの電流レベルを変化させずに磁化コイル５をオフ状態とする。
（４）ＭＲセンサ２には（磁気シールド構造３の存在により）外部磁界が及ばないことから、ＭＲセンサ２における出力電圧Ｖ２0 が、Ｖ２0 ＝（Ｒ２0 ／Ｒ２max）×Ｖ0 で求められる。
（５）ＭＲセンサ１における出力電圧Ｖ１を、Ｖ１＝（Ｒ１／Ｒ２max）×Ｖ0 により求める。
仮に、ＭＲセンサ１，２が共通の基体に設けられているのであれば、以下の式が成り立つ。
Ｒ１0 ／Ｒ１max ＝Ｒ２0 ／Ｒ２max
よって、
（ＭＲセンサ１の出力電圧）−（ＭＲセンサ２の出力電圧）＝（Ｒ１／Ｒ１0 ）×Ｖ0 ／Ｒ１max  ……（１）
の式が成り立つ。
【００５０】
ＭＲセンサの経年変化により、Ｒ１，Ｒ１0およびＲ１maxはそれぞれ変化する可能性があるものの、上記の式（１）の右辺に示された比は一定となる。
【００５１】
ＭＲセンサ１，２は、例えば、外部磁界の存在により磁化が回転可能であり抵抗値変化に影響を及ぼす磁気フリー層を少なくとも有するものである。具体的には、例えば異方性磁気抵抗効果（ＡＭＲ：anisotropic magneto-resistance）素子、スピンバルブ型巨大磁気抵抗効果（ＧＭＲ：giant magneto-resistance）素子、電流狭窄（ＣＣＰ：current confined path）型ＧＭＲ素子、ＣＰＰ（current perpendicular to plane）型ＧＭＲ素子、またはトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ：tunneling magneto-resistance）素子である。
【００５２】
磁化コイル５は、最適な磁界をＭＲセンサ１，２に付与するため、それらＭＲセンサ１，２の直上もしくは直下に位置することが望ましい。ＭＲセンサ１，２における磁化コイル５からの磁界は、磁化コイル５におけるターン数や磁化コイル５の全体の厚さ、各ＭＲセンサのフリー層の厚さ、あるいはフリー層と磁化コイル５との積層方向の距離などのファクターによって決定され、その後制御される。シールド構造３は、磁気的に軟質の材料によって形成される。
【００５３】
＜抵抗値の規格化＞
磁化コイル５によって形成されるＭＲセンサ１，２に及ぶ磁界は、ＭＲセンサ１，２を磁気的に飽和させるのに十分な大きさを有し、もしくは不足する場合には付加的な外部磁界が付与される。磁化コイル５によって生成される磁界の方向に依存して、ＭＲセンサ１は、高抵抗状態（ＨＲ）もしくは低抵抗状態（ＬＲ）のいずれかとなる。電流源４による電流は、ＭＲセンサ１の出力電圧と、任意の事前に決められた値Ｖsat （例えば１ボルトであり、規格化工程において一定に維持される値）とが等しくなるように調整される。
【００５４】
そののち、磁化コイル５を通過する電流を切断することで磁化コイル５からＭＲセンサ１，２に及ぶ磁界を零とし、結果として、ＭＲセンサ１に及ぶ外部磁場のみが残されることとなる。一旦、電圧Ｖsatに到達すると、電流の大きさは一定に維持される。ＭＲセンサ１を電流が通過するとき、ＭＲセンサ１の出力電圧は、飽和状態での抵抗値に対する外部磁界が付与された状態での抵抗値（電圧Ｖsatを伴う）の比に比例する。この電圧は、外部磁界の強度の測定に利用可能である。ＭＲセンサ２は、ＭＲセンサ１と同様に、正確な規格化方法が適用される。なお、ＭＲセンサ２は、外部磁界を受けることがない。磁化コイル５からの磁界が零に至るまで低減されると、零磁場状態がＭＲセンサ２の内部に形成される。その結果、規格化後のＭＲセンサ２からの出力電圧は、常に、規格化された飽和状態での抵抗値に対する零磁場でのＭＲセンサ２の抵抗の比に比例する。この出力電圧は、ＭＲセンサ１に対する参照点として使用される。
【００５５】
＜経年変化補正方法２＞
ここで、上記の飽和状態が「特定の状態」の一例であることを明確にする必要がある。この「特定の状態」は、ＭＲセンサにおけるフリー層の実効的な磁化方向が、ＭＲセンサにおける全ての磁場が零であるときの基準となる磁化方向に対してなす角度として理解される。
【００５６】
例えば、もしもＭＲセンサにおける全体の磁場が測定を行う度に測定前の時間帯において所定の値に再生されるのであれば、特定の磁界でのＭＲセンサの抵抗値は規格化ファクターとして用いることができる。ＭＲセンサ１，２に及ぶ磁化コイル５によって生ずる磁界が事前に校正されている場合、同一の電流によって磁化コイル５が生成する磁界の強度は当然のことながら等しくなる。磁化コイル５を流れる電流が、ＭＲセンサ１およびＭＲセンサ２の双方に対して同じ強度の磁界を及ぼすとき、外部磁界は一時的に遮断され、その結果、ＭＲセンサ１，２に存在する磁界は磁化コイル５によるもののみとなる。この状態が「特定の状態」である。方法１と同様に、電流源４の調整を繰り返し行うことにより、ＭＲセンサ１，２の抵抗値は既知の状態での抵抗値を基準に規格化される。
【００５７】
＜経年変化補正方法３＞
方法１と異なり、この方法でのＭＲセンサ１，２における規格化ファクターは、飽和状態での抵抗値に基づくものではなく、最大抵抗状態ＨＲおよび最小抵抗状態ＬＲの双方でのセンサ抵抗値に基づいて算出されたものである。電流が磁化コイル５の内部を双方向に流れることで、ＭＲセンサ１，２は、最大抵抗状態ＨＲおよび最小抵抗状態ＬＲの双方で飽和する。電圧Ｖsatに達するのに必要とされる最大抵抗状態ＨＲおよび最小抵抗状態ＬＲでの電流値は記憶される。第３の電流値は、事前に測定された抵抗値ＬＲ，ＨＲの線形関数として求められる。一例として、抵抗値ＬＲ，ＨＲの平均値を利用する。
【００５８】
＜＜検出感度の校正＞＞
磁化コイル５を流れる電流によって生成されるＭＲセンサ１での磁界は、磁界の検出動作を行う前に事前に校正される。ＭＲセンサ１に及ぶ磁化コイル５からの磁界の大きさに対応する、磁化コイル５に流れる電流の大きさは、事前の校正により正確に求めることができる。磁界検出を行う間、ＭＲセンサ１に及ぶ外部磁場は、ＭＲセンサ１における飽和磁界を超えるほど大きなものではない。ＭＲセンサ１に対し、磁化コイル５から少なくとも２つの事前校正磁界を付与することにより、２つのコイル磁界の差分に基づくセンサの規格化抵抗値の変化をＭＲセンサ１の感度特性（sensitivity characterization）として用いることが可能となる。このＭＲセンサ１の感度特性を用いることで、ＭＲセンサ１の規格化抵抗値とＭＲセンサ２の規格化抵抗値との差分を、ＭＲセンサ１に作用する外部磁界レベルと推定する（extrapolate）ことが可能となる。
【００５９】
［第２の実施の形態］
図７に示した第２の実施の形態としての装置は、以下の点を除き、上記第１の実施の形態と同じである。すなわち、本実施の形態では、基準電圧がリファレンスセンサとしてのＭＲセンサ２（外部磁界から遮蔽されている）によるものではなく、規格化されたＭＲセンサ１の抵抗値（飽和状態でのＭＲセンサ１の抵抗値に対する零磁界でのＭＲセンサ１の抵抗値の比）と等しい一定電圧である。このスキームでは、ＭＲセンサ１は、長期に亘って動作させ、もしくは応力を印加した後の最小限要求される精度よりも小さな規格化抵抗値のシフトを有するものとなる。
【００６０】
［第３の実施の形態］
本実施の形態は、以下の点を除き、上記第１の実施の形態と同じである。すなわち、本実施の形態は、磁化コイル５の磁界によるＭＲセンサ１の感度校正を利用するものではなく、外部磁界の推定のために事前に特徴付けられた感度の値を利用するものである。このスキームでは、ＭＲセンサ１が、長期に亘って動作させ、もしくは応力を印加した後の最小限要求される精度よりも小さな検出感度の変動を有するものとなる。
【００６１】
［第４の実施の形態］
本実施の形態は、以下の点を除き、上記第２の実施の形態と同じである。すなわち、本実施の形態は、磁化コイル５の磁界を用いてＭＲセンサ１の感度校正を行うものではなく、外部磁界の推定のために事前に特徴付けられた感度の値を利用するものである。このスキームでは、ＭＲセンサ１が、長期に亘って動作させ、もしくは応力を印加した後の最小限要求される精度よりも小さな検出感度の変動を有することが想定される。
【００６２】
［第５の実施の形態］
本実施の形態は、以下の点を除き、上記第１の実施の形態と同じである。すなわち、本実施の形態は、特定の電圧レベルに達するように電流源の調整を行うことによってセンサ抵抗値の規格化を達成するのではなく、特定のディジタルもしくはアナログ電気回路構成を通じて、飽和状態にあるセンサ抵抗値の記録、遅延および保持を直接的に行い、または間接的に行う（ＭＲセンサを流れる電流もしくは出力される電圧を記録、遅延、保持する）ことによってセンサ抵抗値の規格化を達成するものである。記録、遅延または保持された抵抗値データは、のちに他のディジタルもしくはアナログ回路の使用を通じて、センサ抵抗値の規格化を行うために用いられる。
【００６３】
［第６の実施の形態］
本実施の形態は、以下の点を除き上記第２の実施の形態と同じである。すなわち、ＭＲセンサ抵抗値の規格化を、上述した第１の実施の形態のように調整可能な電流源を用いた方法ではなく、飽和状態にあるセンサ抵抗値の記録、遅延および保持を直接的に行い、または間接的に行う（ＭＲセンサを流れる電流もしくは出力される電圧を記録、遅延、保持する）ものである。記録、遅延または格納された抵抗値データは、のちに他のディジタルもしくはアナログ回路の使用を通じて、センサ抵抗値の規格化を行うために用いられる。
【００６４】
［第７の実施の形態］
本実施の形態は、以下の点を除き上記第３の実施の形態と同じである。すなわち、ＭＲセンサ抵抗値の規格化を、上述した第１の実施の形態のように調整可能な電流源を用いた方法ではなく、特定のディジタルもしくはアナログ回路の使用を通じて、飽和状態にあるセンサ抵抗値の記録、遅延および保持を直接的に行い、または間接的に行う（ＭＲセンサを流れる電流もしくは出力される電圧を記録、遅延、保持する）ものである。記録、遅延または保持された抵抗値データは、のちに他のディジタルもしくはアナログ回路の使用を通じて、センサ抵抗値の規格化を行うために用いられる。
【００６５】
［第８の実施の形態］
本実施の形態は、以下の点を除き上記第４の実施の形態と同じである。すなわち、ＭＲセンサ抵抗値の規格化を、上述した第１の実施の形態のように調整可能な電流源を用いた方法ではなく、特定のディジタルもしくはアナログ回路の使用を通じて、飽和状態にあるセンサ抵抗値の記録、遅延および保持を直接的に行い、または間接的に行う（ＭＲセンサを流れる電流もしくは出力される電圧を記録、遅延、保持する）ものである。記録、遅延または保持された抵抗値データは、のちに他のディジタルもしくはアナログ回路の使用を通じて、センサ抵抗値の規格化を行うために用いられる。
【００６６】
以上、本発明を好適な実施の形態を参照して具体的に示し説明したが、当業者であれば、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形式的な変更および詳細な変更をなし得ることを理解することができるであろう。
【符号の説明】
【００６７】
１，２…ＭＲセンサ、３…磁気シールド構造、４…電流源、５…磁化コイル（回路線）、６…比較回路。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
2011039060.tif 000008
【図６】
2011039060.tif 000009
【図７】
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