(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数の信号源からの第一入力信号と第２の周波数の信号源からの第二入力信号とを混合して混合信号を得る磁気抵抗ミキサであって、
平面状の渦巻きコイルと、ブリッジ式磁気抵抗センサと、磁気遮へい層とを備えており、
平面状の前記渦巻きコイルは、前記磁気遮へい層と前記ブリッジ式磁気抵抗センサの層との間に位置しており、
前記渦巻きコイルは、一方端と他方端と有して渦巻き状に形成されており、
前記ブリッジ式磁気抵抗センサは、ブリッジ型の構造を形成する４つの磁気抵抗センサユニットを備え、該磁気抵抗センサユニットは、ペアにて、反対の電流方向を有する前記渦巻きコイルの上方または下方の２つの領域にそれぞれ位置し、ペアとなる２つの前記磁気抵抗センサユニットは、半ブリッジを構成し、半ブリッジの総抵抗は一定であり、半ブリッジの各出力端から信号が出力され、
前記磁気抵抗センサユニットの各々は、Ｎ個のアレイ型磁気トンネル接合列を備え、各々のアレイ型磁気トンネル接合列は、Ｍ個の磁気トンネル接合で構成され、ＭおよびＮの両者は、正の整数であり、前記アレイ型磁気トンネル接合列は、２ポート構造を形成するように直列接続、並列接続、または直列接続と並列接続との組み合わせにて接続され、前記磁気トンネル接合の検出軸は、前記磁気抵抗センサユニットが位置する前記領域内の前記渦巻きコイルにおける電流方向に垂直であり、
前記領域のうちの２つにおいて、前記磁気抵抗センサユニット内の前記磁気トンネル接合の検出軸の方向における磁界の分布特性が、反対である一方で、前記領域のうちの１つにおいて、前記磁気抵抗センサユニット内の前記磁気トンネル接合の検出軸の方向における磁界の分布特性が、同じであり、
前記第１の周波数の信号源からの第一入力信号が、前記渦巻きコイルの前記一方端から前記他方端まで通って入力されることで、該第１の周波数の信号源からの第一入力信号が、前記磁気トンネル接合の検出軸の方向の磁界の周波数と同じ周波数を有する磁界信号へと変換され、前記磁気トンネル接合に作用して、前記磁気抵抗センサユニットの抵抗を変化させ、前記第２の周波数の信号源からの第二入力信号が、前記ブリッジ式磁気抵抗センサの電源および接地ポートを介して入力され、前記磁気抵抗センサユニットの２つの端部における電圧を変化させ、
前記混合信号は、前記ブリッジ式磁気抵抗センサを構成する前記半ブリッジの各出力端を介して出力され、該出力される混合信号の信号周波数は、前記第１の周波数の信号源および前記第２の周波数の信号源の周波数の和または差である、磁気抵抗ミキサ。
【請求項２】
前記４つの磁気抵抗センサユニットは、同じ磁気抵抗応答特性を有する、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項３】
反対の電流方向を有する前記渦巻きコイルの上方または下方の２つの領域に位置する前記磁気抵抗センサユニットは、同じ磁気トンネル接合接続構造を有し、位相において反対である、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項４】
前記渦巻きコイルを介して前記第１の周波数の信号源からの第一入力信号によって生み出される磁気トンネル接合の検出軸の方向の磁界の範囲内において、前記磁気抵抗センサユニット内の前記磁気トンネル接合の抵抗が、外部磁界に線形に比例する、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項５】
前記渦巻きコイルの上方または下方に位置する前記磁気抵抗センサユニット内の前記アレイ型磁気トンネル接合列の検出軸の方向の磁界が、一様または非一様な磁界分布を有する、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項６】
前記渦巻きコイルの上方または下方の前記領域に位置する前記磁気抵抗センサユニットの前記アレイ型磁気トンネル接合列が、前記領域内の前記渦巻きコイルにおける電流方向に垂直または平行である、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項７】
前記第１の周波数の信号源は、能動的または受動的なやり方で前記渦巻きコイルに接続される、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項８】
前記第２の周波数の信号源は、受動的または能動的なやり方で前記ブリッジ式磁気抵抗センサの電圧ポートおよび接地ポートの間に接続される、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項９】
前記混合信号は、受動的または能動的なやり方で前記ブリッジ式磁気抵抗センサの前記信号出力端から出力される、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項１０】
前記渦巻きコイルは、銅、金、または銀などの高い導電率の金属材料で作られる、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項１１】
前記磁気遮へい層は、高い透磁率の強磁性合金ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＳｉＢ、およびＦｅＳｉＢＮｂＣｕのうちの１つから選択される材料で構成される、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項１２】
前記渦巻きコイルは、１μｍ〜２０μｍの厚さおよび５μｍ〜４０μｍの幅を有し、２つの隣接する単コイルの間の間隔は、１０μｍ〜１００μｍである、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【請求項１３】
前記磁気遮へい層は、１μｍ〜２０μｍの厚さを有する、請求項１に記載の磁気抵抗ミキサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気センサ技術の分野に関し、とくには磁気抵抗ミキサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ミキサは、ｆ１という周波数の入力信号およびｆ２という周波数の入力信号をｆ１＋ｆ２およびｆ１−ｆ２という特性周波数を有する出力信号へと変換する電子デバイスを指す。ミキサによって、信号処理を促進するために、入力信号の周波数をより高い周波数またはより低い周波数の値へとシフトさせることができる。例えば、信号の周波数をミキサによってシフトさせることで、信号をノイズ信号から分離し、次いでフィルタを使用してノイズを除去し、その後にミキサを使用して信号の周波数を元の値へと再びシフトさせることで、ノイズ信号の処理をもたらすことができる。したがって、ミキサは、信号処理回路技術において広く使用されている。
【０００３】
現在使用されているミキサは、２種類、即ち受動型と能動型を含む。受動型ミキサは、１つ以上のダイオードを使用し、ほぼ２次の特性を有するダイオードの電流−電圧特性曲線の非線形部分を使用することによって乗算の操作を達成し、動作において、２つの入力信号の和がダイオードに作用し、２つの入力信号の積を含む出力信号を、ダイオードの電流信号の出力を電圧信号へとさらに変換することによって得ることができる。
【０００４】
能動型ミキサは、或る周波数の入力信号を局部周波数と混合し、２つの周波数の加算および減算を含む周波数成分の出力信号を生成することによって、積信号の強度を増すために乗算器（例えば、トランジスタまたは真空管）を使用し、能動型ミキサは、２つの入力端の分離の程度を高めるが、ノイズが大きくなり、電力消費が多くなる可能性がある。
【０００５】
上述のミキサは、以下の問題を抱えている。
【０００６】
１）ダイオードミキサは、出力信号が、所望の周波数を含むだけでなく、他の周波数も有し、これらが比較的大きい信号強度を有するように、近似処理方法を使用する。したがって、干渉を分離して所望の信号をもたらすために、事後にフィルタまたは他の技術を使用する必要がある。
【０００７】
２）能動型ミキサは、局部発信器を使用することによって周波数混合を達成し、出力信号が多数の他の周波数を含み、やはり分離のためのフィルタを使用する必要があり、乗算器、局部発信器、および他のデバイスを使用する必要があるため、回路の複雑さおよび電力消費が増す。
【０００８】
３）入力信号と出力信号を効果的に分離することができず、入力信号と出力信号が互いに影響を及ぼす。
【発明の概要】
【０００９】
上述の既存の問題を解決するために、本発明は、磁気抵抗ミキサを説明し、そこでは、磁気抵抗センサの抵抗が外部磁界の変化に線形に比例するという特徴を使用することによって、渦巻きコイルを通って流れる１つの周波数信号が磁界信号へと変換され、もう１つの周波数信号が磁気抵抗センサに作用する電源信号へと変換され、したがって磁気抵抗センサの出力信号は２つの信号の周波数の乗算信号であり、得られる信号の周波数成分がその和または差であり、他の冗長な信号が存在せず、したがってフィルタや他の要素が不要である。渦巻きコイルと磁気抵抗センサとが、磁界を使用することによって結合させられるため、入力信号の間の、および入力信号と出力信号との間の効果的な分離が達成される。加えて、磁気抵抗センサは、少ない電力消費および高い磁界感度という特徴をさらに有し、したがって大きな出力信号を提供するために磁界をもたらすために使用される電流を過度に大きくする必要がなく、これら全てが少ない電力消費と少ないノイズを確保する。
【００１０】
本発明において提案される第１の信号源からの入力の周波数と第２の信号源からの入力の周波数とを混合して混合信号を得る磁気抵抗ミキサは、
渦巻きコイルと、ブリッジ式磁気抵抗センサと、磁気遮へい層とを備え、前記渦巻きコイルは、前記磁気遮へい層と前記ブリッジ式磁気抵抗センサとの間に位置し、前記ブリッジ式磁気抵抗センサは、ブリッジ型の構造を形成する４つの磁気抵抗センサユニットを備え、該磁気抵抗センサユニットは、ペアにて、反対の電流方向を有する前記渦巻きコイルの上方または下方部分の２つの領域にそれぞれ位置し、前記磁気抵抗センサユニットの各々は、Ｎ個のアレイ型磁気トンネル接合列を備え、各々のアレイ型磁気トンネル接合列は、Ｍ個の磁気トンネル接合で構成され、ＭおよびＮの両者は、正の整数であり、前記アレイ型磁気トンネル接合列は、２ポート構造を形成するように直列接続、並列接続、または直列接続と並列接続との組み合わせにて接続され、前記磁気トンネル接合の検出軸は、前記磁気抵抗センサユニットが位置する前記領域内の前記渦巻きコイルにおける電流方向に垂直であり、前記領域のうちの２つにおいて、前記磁気抵抗センサユニット内の前記磁気トンネル接合の検出軸に沿った磁界の向きが、反対である一方で、前記領域のうちの１つにおいて、前記磁気抵抗センサユニット内の前記磁気トンネル接合の検出軸に沿った磁界の向きが、同じであり、前記第１の周波数の信号源が、前記渦巻きコイルを通って入力されることで、該第１の周波数の信号源が、前記磁気トンネル接合の検出軸の方向の磁界の周波数と同じ周波数を有する磁界信号へと変換され、前記磁気トンネル接合に作用して、前記磁気抵抗センサユニットの抵抗を変化させ、前記第２の周波数の信号源が、前記ブリッジ式磁気抵抗センサの電源−接地ポートを介して入力され、前記磁気抵抗センサユニットの２つの端部における電圧を変化させ、前記混合信号は、前記ブリッジ式磁気抵抗センサの信号出力端を介して出力され、該出力される混合信号の信号周波数は、前記第１の周波数の信号源および前記第２の周波数の信号源の周波数の和または差である。
【００１１】
好ましくは、前記４つの磁気抵抗センサユニットは、同じ抵抗−磁界特性を有する。
【００１２】
好ましくは、前記２つの領域に位置する前記磁気抵抗センサユニットは、同じ磁気トンネル接合接続構造を有し、位相において反対である。
【００１３】
好ましくは、前記渦巻きコイルを介して前記第１の周波数の信号源によって生み出される磁界の範囲内において、前記磁気抵抗センサユニット内の前記磁気トンネル接合の抵抗が、外部磁界に線形に比例する。
【００１４】
好ましくは、前記渦巻きコイルの上方または下方に位置する前記単一の磁気抵抗センサユニット内の前記アレイ型磁気トンネル接合列の検出軸の方向の磁界が、一様または非一様な磁界分布を有する。
【００１５】
好ましくは、前記渦巻きコイルの上方または下方の前記領域に位置する前記磁気抵抗センサユニットの前記アレイ型磁気トンネル接合列が、前記領域内の前記渦巻きコイルにおける電流方向に垂直または平行である。
【００１６】
好ましくは、前記第１の周波数の信号源は、能動的または受動的なやり方で前記渦巻きコイルに接続される。
【００１７】
好ましくは、前記第２の周波数の信号源は、受動的または能動的なやり方で前記ブリッジ式磁気抵抗センサの電圧ポートと接地ポートとの間に接続される。
【００１８】
好ましくは、前記混合信号は、受動的または能動的なやり方で前記ブリッジ式磁気抵抗センサの前記信号出力端から出力される。
【００１９】
好ましくは、前記渦巻きコイルは、銅、金、または銀などの高い導電率の金属材料で作られる。
【００２０】
好ましくは、前記磁気遮へい層の構成材料は、高い透磁率の強磁性合金ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＳｉＢ、およびＦｅＳｉＢＮｂＣｕで構成されるグループから選択された１つである。
【００２１】
好ましくは、前記渦巻きコイルは、１μｍ〜２０μｍの厚さおよび５μｍ〜４０μｍの幅を有し、２つの隣接するコイル巻きの間の間隔は、１０μｍ〜１００μｍである。
【００２２】
好ましくは、前記磁気遮へい層は、１μｍ〜２０μｍの厚さを有する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
本発明の技術的実施形態の技術的解決策をより明瞭に説明するために、技術的実施形態の説明に使用される添付の図面を、以下で簡単に紹介する。当然ながら、以下の説明において、添付の図面は、本発明について考えられる実施形態の一部を提示するにすぎず、当業者であれば、いかなる創造的な努力も提供することなく添付の図面に従って他の図面を得ることができる。
【００２４】
【図１】本発明に係る磁気抵抗ミキサの断面図である。
【図２】本発明に係る磁気抵抗ミキサの上面図である。
【図３】本発明に係る磁気抵抗ミキサにおけるブリッジ式磁気抵抗センサの概略図である。
【図４】本発明に係る磁気抵抗ミキサにおける渦巻きコイルおよび磁気遮へい層の近傍の磁界の分布の図である。
【図５】本発明に係る磁気抵抗ミキサにおいて、磁気遮へい層の有無における渦巻きコイルの電流の方向に垂直な磁界成分の分布の図である。
【図６】本発明に係る磁気抵抗ミキサの磁気遮へい層によって生み出される平行な外部磁界の減衰のモデルを示している。
【図７】空気遮へい層（即ち、遮へい層が無い）によって生み出される本発明に係る磁気抵抗ミキサの磁界分布曲線を示している。
【図８】磁気遮へい層によって生み出される本発明に係る磁気抵抗ミキサの磁界分布曲線を示している。
【図９】本発明に係る磁気抵抗ミキサにおける磁気トンネル接合の磁気抵抗−外部磁界特性曲線の図である。
【図１０】本発明に係る磁気抵抗ミキサにおいて直列に接続されたＮ行の磁気トンネル接合によって形成された磁気抵抗センサユニットの概略図である。
【図１１】本発明に係る磁気抵抗ミキサにおいて並列に接続されたＮ行の磁気トンネル接合によって形成された磁気抵抗センサユニットの概略図である。
【図１２】本発明に係る磁気抵抗ミキサにおいて直列接続および並列接続の組み合わせにて接続されたＮ行の磁気トンネル接合によって形成された磁気抵抗センサユニットの概略図である。
【図１３】本発明の磁気抵抗ミキサの動作原理を示している。
【図１４】本発明に係る磁気抵抗ミキサの一様な磁界領域における磁気抵抗センサユニットおよび渦巻きコイルの位置の配置の図である。
【図１５】本発明に係る磁気抵抗ミキサの磁界領域における磁気抵抗センサユニットおよび渦巻きコイルの平行な位置の配置の図である。
【図１６】本発明に係る磁気抵抗ミキサの磁界領域における磁気抵抗センサユニットおよび渦巻きコイルの垂直な位置の配置の図である。
【図１７】本発明の磁気抵抗ミキサが受動的なコイル信号、受動的な電源信号、および受動的な出力信号を使用する場合のミキサの信号処理回路の図である。
【図１８】本発明の磁気抵抗ミキサが能動的なコイル信号、能動的な電源信号、および受動的な出力信号を使用する場合のミキサの信号処理回路の図である。
【図１９】本発明の磁気抵抗ミキサが能動的なコイル信号、能動的な電源信号、および能動的な出力信号を使用する場合のミキサの信号処理回路の図である。
【図２０】本発明の磁気抵抗ミキサが受動的なコイル信号、受動的な電源信号、および能動的な出力信号を使用する場合のミキサの信号処理回路の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明を、添付の図面を参照し、種々の実施形態と組み合わせて、以下で詳しく説明する。
【００２６】
実施形態１
図１が、磁気遮へい層１と、渦巻きコイル２と、ブリッジ式磁気抵抗センサ９とを備えており、渦巻きコイル２が磁気遮へい層１とブリッジ式磁気抵抗センサ９との間に位置している磁気抵抗ミキサの断面図である。この実施形態において、図１に示されている方向によれば、ブリッジ式磁気抵抗センサ９は、渦巻きコイル２の下方に位置している。当然ながら、ブリッジ式磁気抵抗センサ９が渦巻きコイル２の上方に位置する技術的解決策を採用することも、実現可能である。
【００２７】
渦巻きコイルは、高い導電率の金属材料（例えば、銅、金、銀など）で作製され、１μｍ〜２０μｍの厚さおよび５μｍ〜４０μｍの幅を有しており、２つの隣接する単コイルの間の間隔は１０μｍ〜１００μｍである。
【００２８】
磁気遮へい層は、高い透磁率の強磁性合金（例えば、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＳｉＢ、ＦｅＳｉＢＮｂＣｕなど）で作製され、１μｍ〜２０μｍの厚さを有する。
【００２９】
図２が、磁気抵抗ミキサの上面図である。ブリッジ式磁気抵抗センサ９が、図３に示されるように、ブリッジ型の構造を形成する４つの磁気抵抗センサユニットＲ３、Ｒ６、Ｒ４およびＲ５を備えており、磁気抵抗センサユニットは、ペアにて、反対の電流方向を有する渦巻きコイル２の表面の２つの領域７および８にそれぞれ位置しており、即ち同じ半ブリッジに位置する磁気抵抗センサユニットＲ３およびＲ４が、領域７および領域８にそれぞれ位置し、他方の半ブリッジに位置する磁気抵抗センサユニットＲ５およびＲ６が、領域８および領域７にそれぞれ位置する。領域７は、磁気抵抗センサユニットＲ３を含むサブ領域３および磁気抵抗センサユニットＲ６を含むサブ領域６へとさらに分割され、領域８は、磁気抵抗センサユニットＲ４を含むサブ領域４および磁気抵抗センサユニットＲ５を含むサブ領域５へとさらに分割される。ブリッジ式磁気抵抗センサ９は、４つの磁気抵抗センサユニットＲ３、Ｒ６、Ｒ４およびＲ５が外部磁界に対して同じ抵抗応答を有することを必要とし、領域７および８において、磁気抵抗センサユニットＲ３およびＲ６ならびにＲ４およびＲ５の磁界分布は反対の極性を有するが、サブ領域３および６において、磁気抵抗センサユニットＲ３およびＲ６の磁界分布は同じ極性を有し、サブ領域４および５において、磁気抵抗センサユニットＲ４およびＲ５の磁界分布は同じ極性を有する。
【００３０】
図４は、渦巻きコイル２および磁気遮へい層１によって生成される磁界の分布の曲線の図であり、ここから、渦巻きコイル２によって生成された電磁界が磁気遮へい層１を通過した後で磁束線が集中し、即ち磁界が強められることを、見て取ることができる。図５は、渦巻きコイル２の表面における領域７および８の電流方向に垂直な磁界成分の分布の図であり、ここでブリッジ式磁気抵抗センサ９は、２つの状態、即ち磁気遮へい層１がある状態および磁気遮へい層１がない状態に置かれており、図５から、磁気遮へい層１が適用された後にその磁界の強度が大きく高められることを、見て取ることができる。さらに、磁界分布が領域７および８において反対称であり、渦巻きコイル２の表面および渦巻きコイル２から離れた位置における磁界の方向が反対であり、渦巻きコイル２の対称の中心および縁に近い領域１０および１１における磁界が、非一様に分布している一方で、中間の領域１２においては一様な分布を有している。
【００３１】
図６は、磁気遮へい層１に平行な面内外部磁界の減衰比を計算するモデルを示しており、該モデルにおいて、磁気遮へい層１と空気層は、ヘルムホルツコイル（図示されていない）によって生成される磁気遮へい層１に平行な磁界中にそれぞれ配置されている。図７は、磁気遮へい層１が存在しない場合のブリッジ式磁気抵抗センサ９の位置におけるヘルムホルツコイルによって生成された磁界の分布の図であり、図８は、磁気遮へい層１が存在する場合のブリッジ式磁気抵抗センサ９の位置におけるヘルムホルツコイルによって生成された磁界の分布の図であり、図７と図８を比較することによって、磁界減衰比が１／９であり、即ち磁気遮へい層１が外部磁界の良好な遮へいをもたらすことを、見て取ることができる。この実施形態は、遮へい層の有無における外部磁界への影響を説明することを意図しているにすぎず、使用されるコイルとは無関係であり、したがって到達した結論は、本発明における渦巻きコイル２にも当てはまる。図９は、磁気抵抗センサユニットＲ３、Ｒ４、Ｒ５およびＲ６を形成する磁気トンネル接合の磁気抵抗応答の曲線を示しており、作動領域において、応答は、図４に示した渦巻きコイル２によって生成される磁界に線形に比例している。
【００３２】
図１０〜１２は、磁気抵抗センサユニットＲ３、Ｒ４、Ｒ５およびＲ６の構造図であり、各々の磁気抵抗センサユニットは、Ｎ（Ｎは正の整数）個のアレイ型磁気トンネル接合列を備え、各々のアレイ型磁気トンネル接合列は、Ｍ（Ｍは正の整数）個の磁気トンネル接合によって形成され、アレイ型磁気トンネル接合列の各々の列は、図１１に示されるように直列に接続され、または図１２に示されるように並列に接続され、または図１３に示されるように直列と並列接続の組み合わせにて接続される。領域７および８の磁気抵抗センサユニットは、同じ磁気トンネル接合接続構造を有するが、位相において反対であり、渦巻きコイルの上方または下方に位置する単一の磁気抵抗センサユニット内のアレイ型磁気トンネル接合列の検出軸の方向の磁界は、一様または非一様な磁界分布を有し、渦巻きコイルの上方または下方に位置する単一の磁気抵抗センサユニット内のアレイ型磁気トンネル接合列は、この単一の磁気抵抗センサユニットが位置する領域７または８内の渦巻きコイル２における電流方向に垂直または平行である。
【００３３】
図１３は、磁気抵抗ミキサの動作原理の説明を提供し、ｆ１という周波数を有する第１の周波数の信号源が、渦巻きコイル２を介して入力されて、渦巻きコイル２を通って流れる電流Ｉを引き起こし、渦巻きコイル２において生じる磁界信号Ｈが、ｆ１という対応する周波数を有する。サブ領域３、６および５、４の対応する４つの磁気抵抗センサユニットＲ３およびＲ６ならびにＲ５およびＲ４が、反対称な磁界分布を有する一方で、磁気抵抗センサユニットＲ３およびＲ６ならびにＲ５およびＲ４における磁界分布が、ペアにて同じであるため、磁界の作用のもとでの１つの磁気抵抗センサユニットの抵抗変化を分析するだけでよい。
【００３４】
図９に示した磁気トンネル接合の抵抗−磁界曲線の傾きがｄＲ／ｄｈであると仮定し、ブリッジ式磁気抵抗センサ９における磁気抵抗センサユニットＲ３のアレイ型トンネル接合列のＮ個の行において、各々の列が、直列に接続されたＭ（Ｍは正の整数）個の磁気トンネル接合を備えると仮定する。ｎ番目（０＜ｎ≦Ｎ）の列におけるｍ番目（０＜ｍ≦Ｍ）の磁気トンネル接合の検出軸の方向における磁界が、Ｈｎｍｓｉｎ（２πｆ２ｔ）であると仮定し、ここでＨｎｍは、検出軸の方向における磁界の振幅であり、抵抗変化の振幅は、ｄＲ／ｄｈ・Ｈｎｍｓｉｎ（２πｆ２ｔ）である。渦巻きコイル２の磁界の反対称性ゆえに、磁気抵抗センサユニットＲ４は、対応する磁気トンネル接合を明らかに有し、その軸の方向における逆磁界は、−Ｈｎｍｓｉｎ（２πｆ２ｔ）であり、対応する抵抗変化は、−ｄＲ／ｄｈ・Ｈｎｍｓｉｎ（２πｆ２ｔ）であり、したがってブリッジ式磁気抵抗センサユニットＲ３およびＲ４によって形成される半ブリッジの総抵抗は一定であり、同じ状況が磁気抵抗センサユニットＲ５およびＲ６によって形成される半ブリッジにも当てはまる。
【００３５】
したがって、直列接続または並列接続にて形成された磁気トンネル接合列の抵抗変化は、電流Ｉの周波数ｆ１に直接比例し、磁気トンネル接合列における検出軸の方向の磁界Ｈｎｍの分布に関係がある。
【００３６】
他方で、検出軸の方向における磁界Ｈｎｍは、渦巻きコイル２における電流Ｉに直接比例し、即ちＨｎｍ＝ＫｎｍＩであり、ここでＫｎｍは、渦巻きコイル２および磁気遮へい層１の電磁特性および幾何学的寸法に関する特性係数である。
【００３７】
したがって、トンネル接合列の間の直列接続、並列接続、ならびに直列接続と並列接続との組み合わせの構造は、単に特性係数Ｋｎｍの間の演算として表される。Ｎ個の行の間の直列接続の場合、磁気抵抗センサユニットＲ３の特性因子は、
【数１】
0006429871.tif 000002
として表される。
【００３８】
Ｎ個の行の間の並列接続の場合、特性因子は、
【数２】
0006429871.tif 000003
として表される。
【００３９】
直列接続および並列接続の組み合わせの場合、Ｎ１個の列が直列接続であり、Ｎ−Ｎ１個の列が並列接続であると仮定すると、特性因子Ｋは、
【数３】
0006429871.tif 000004
として表すことができる。
【００４０】
磁気抵抗センサユニットＲ３の総抵抗の変化は、
【数４】
0006429871.tif 000005
である。
【００４１】
外部磁界が存在しない場合に、磁気抵抗センサユニットの総抵抗がＲ０であり、ブリッジ式磁気抵抗センサ９の電圧−接地の２つの端部における電圧がＶｄｄであると仮定すると、１つのアームを通って流れる電流は、
【数５】
0006429871.tif 000006
である。２つの半ブリッジの総抵抗は一定であるため、ブリッジ式磁気抵抗センサの出力電圧信号は、
【数６】
0006429871.tif 000007
である。
【００４２】
ブリッジ式磁気抵抗センサ９の電源−電圧特性周波数がｆであり、以下の形態
Ｖｄｄ＝Ｖｍ・ｓｉｎ（２πｆｔ）（ここで、ＶｍはＶｄｄの振幅）
を有すると仮定すると、ブリッジ式磁気抵抗センサの出力電圧信号は、
【数７】
0006429871.tif 000008
である。
【００４３】
出力信号の周波数が、渦巻きコイル２における電流Ｉの周波数ｆ１と、ブリッジ式磁気抵抗センサ９の電源−接地電圧Ｖｄｄの周波数ｆとの和または差であり、他の周波数を含まないことが分かる。したがって、混合されるべき第１の周波数の信号源が、渦巻きコイル２を通って入力され、第２の周波数の信号源が、ブリッジ式磁気抵抗センサ９の電源−接地ポートを介して入力され、得られる混合信号が、ブリッジ式磁気抵抗センサ９の信号出力端を通って出力される。
【００４４】
一様な磁界の場合、Ｈｍ＝ＫｍＩであって、Ｋｍは同じであり、直列接続の場合に
【数８】
0006429871.tif 000009
である。
【００４５】
並列接続の場合に、
【数９】
0006429871.tif 000010
である。
【００４６】
直列接続および並列接続の組み合わせの場合に、
【数１０】
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である。
【００４７】
図１４は、渦巻きコイル２の一様な磁界の領域１３におけるブリッジ式磁気抵抗センサ９の渦巻きコイル２上への配置の図である。磁気抵抗センサユニットＲ３、Ｒ６、およびＲ４、Ｒ５が、反対の電流方向を有する渦巻きコイル２の上面または下面の２つの領域７および８にそれぞれ配置され、２つの領域内の磁気抵抗センサユニットは、反対称な幾何学的特性を有し、磁気抵抗センサユニットＲ３、Ｒ５、Ｒ４およびＲ６における磁気トンネル接合列は、渦巻きコイル２の通電部分の表面の中央に位置し、電流の方向に平行であり、磁気抵抗センサユニットＲ３およびＲ６ならびにＲ４およびＲ５内のアレイ型トンネル接合列は、間隔を開けて配置され、磁気トンネル接合の検出軸は、渦巻きコイル２の導電部分に対して垂直である。
【００４８】
磁気抵抗センサユニットにおける磁気トンネル接合は、他のやり方で配置されてもよい。
【００４９】
図１５と１６は、渦巻きコイル２の上面または下面に位置するブリッジ式磁気抵抗センサ９の渦巻きコイル２上の配置の図である。磁気抵抗センサユニットＲ３、Ｒ６、およびＲ４、Ｒ５は、反対の電流方向を有する渦巻きコイル２の上面または下面の２つの領域７および８にそれぞれ配置され、２つの領域内の磁気抵抗センサユニットは、反対称な幾何学的特性を有する。さらに、磁気抵抗センサユニットＲ３およびＲ４ならびにＲ５およびＲ６の構造は、反対称な特性を有し、この点において、Ｒ３とＲ６の構造は完全に同じであり、Ｒ４とＲ５の構造は完全に同じである。加えて、サブ領域３および６ならびに４および５内の磁気抵抗センサユニットにおけるアレイ型トンネル接合ユニットのＮ個の行の磁気トンネル接合の軸方向における磁界の分布は、完全に同じであり、サブ領域３および４ならびに５および６は、反対称な磁界分布特性を有する。各々の磁気抵抗センサユニットは、アレイ型磁気トンネル接合列のＮ個の行を備え、アレイ型トンネル接合列は、２ポート構造を形成するように直列接続、並列接続、または直列接続と並列接続との組み合わせの形態にて接続され、磁気抵抗センサの列は、対応する渦巻きコイルの列に平行または渦巻きコイルの列に垂直であり、磁気トンネル接合の検出軸は渦巻きコイルに垂直であり、この点において、磁気抵抗センサユニットを、磁界の一様な領域に配置でき、磁界の非一様な領域に配置でき、一部分を磁界の一様な領域に、一部分を磁界の非一様な領域に配置することもできる。
【００５０】
第１の周波数の信号源が、能動的または受動的なやり方で渦巻きコイルに接続され、第２の周波数の信号源が、受動的または能動的なやり方でブリッジ式磁気抵抗センサの電圧ポートと接地ポートとの間に接続され、混合信号が、受動的または能動的なやり方でブリッジ式磁気抵抗センサの信号出力端から出力される。
【００５１】
図１７は、磁気抵抗ミキサの信号処理回路の図であり、周波数ｆ１を有する第１の周波数の信号源が、受動的な形態で渦巻きコイル２の２つの端部に直接接続され、周波数ｆを有する第２の周波数の信号源が、受動的な形態でブリッジ式磁気抵抗センサ９の電源と接地ポートの間に直接入力され、混合信号の周波数が、ブリッジ式磁気抵抗センサ９の信号出力端を通って受動的な形態で直接出力される。
【００５２】
図１８は、磁気抵抗ミキサの別の信号処理回路の図であり、ｆ１が、能動的な形態で入力される第１の周波数の信号源の周波数であり、信号処理回路は、渦巻きコイル２の２つの端部の間に接続されたＶ−Ｉコンバータ１４によって電圧信号を電流信号へと変換し、周波数ｆの第２の周波数の信号源が、バッファ増幅器１３ならびにブリッジ式磁気抵抗センサ９の電源および接地ポートを介して能動的な形態で入力され、混合信号が、ブリッジ式磁気抵抗センサ９の信号出力端を通って受動的な形態で直接出力される。
【００５３】
図１９は、磁気抵抗ミキサの第３の信号処理回路の図であり、周波数ｆ１の第１の周波数の信号源が、能動的な形態で入力され、信号処理回路は、渦巻きコイル２の２つの端部に接続されるＶ−Ｉコンバータ１６によって電圧信号を電流信号へと変換し、周波数ｆを有する第２の周波数の信号源が、バッファ増幅器１５ならびにブリッジ式磁気抵抗センサ９の電源および接地ポートを介して能動的な形態で入力され、混合信号が、バッファ電圧増幅器１７を介して能動的に出力される。
【００５４】
図２０は、磁気抵抗ミキサの第４の信号処理回路の図であり、第１の周波数の信号源のｆ１が、能動的なやり方で渦巻きコイル２の２つの端部に接続され、第２の周波数の信号源のｆが、能動的なやり方でブリッジ式磁気抵抗センサ９の電源−接地ポートを介して入力され、混合信号が、バッファ電圧増幅器１８を介して能動的な形態で間接的に出力される。
【００５５】
以上の説明は、あくまでも本発明の好ましい実施形態にすぎず、本発明を限定しようとするものではない。当業者にとって、本発明は、種々の改変および変更を有することができる。本発明の技術的思想および原理の範囲内で行われるあらゆる改変、均等な置き換え、改善などは、本発明の保護の範囲に含まれなければならない。
【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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【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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