(57)【要約】本発明は、電流によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するため、前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、加えられた両極性パルスにより、前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを含むことを特徴とするスピントルク型磁気センサーに関する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加えられた直流電源によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するために前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを含むことを特徴とするスピントルク型磁気センサー。
【請求項２】
前記信号処理部は、前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数するカウンタと、前記カウンタで係数した値を演算処理する演算部とからなることを特徴とする、請求項１に記載のスピントルク型磁気センサー。
【請求項３】
前記両極性パルスによる高周波成分を除去するため、低周波帯域通過フィルタを前記信号処理部の前端に付加することを特徴とする、請求項１に記載のスピントルク型磁気センサー。
【請求項４】
前記スピントルク型素子の感応領域の位置を制御するため、前記スピントルク型素子にオフセットバイアスを印加するバイアス部を更に含むことを特徴とする、請求項１〜請求項３のうち、いずれか一項に記載のスピントルク型磁気センサー。
【請求項５】
前記スピントルク型素子と直列接続された抵抗特性のレジスタ部を含み、前記レジスタ部の抵抗値を制御して前記磁気センサーの出力レベルを調節することを特徴とする、請求項１〜請求項３のうち、いずれか一項に記載のスピントルク型磁気センサー。
【請求項６】
前記スピントルク型素子と直列接続された第２スピントルク型素子により、前記磁気センサーの出力レベルを調節することを特徴とする、請求項５に記載のスピントルク型磁気センサー。
【請求項７】
加えられた直流電源によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するため、前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、前記スピントルク型素子の変動する磁気抵抗の平均値を抽出する低周波帯域通過フィルタとを含むことを特徴とするスピントルク型磁気センサー。
【請求項８】
加えられた直流電流によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の出力でオフセットを制御するためのオフセット制御部と、前記スピントルク型素子に信号を入力・出力するための電極パッドとが１つの基板に集積されたスピントルク型磁気センサー集積回路チップ。
【請求項９】
前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するための保磁力・感応領域制御部と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを更に含むことを特徴とする、請求項８に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップ。
【請求項１０】
前記信号処理部の代わりに、前記スピントルク型素子の磁化度の平均値を抽出する低周波帯域通過フィルタを含むことを特徴とする、請求項９に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップ。
【請求項１１】
前記センサーのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤＣを更に含むことを特徴とする、請求項８に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップ。
【請求項１２】
請求項８に記載の集積回路チップを用いた使い捨てタイプのスピントルク型磁気センサー。
【請求項１３】
請求項１２に記載の使い捨てタイプのスピントルク型磁気センサーを用いて、移動通信端末のポートに接続し、前記移動通信端末の磁場測定アプリケーションを駆動して前記スピントルク型磁気センサーに印加された磁場を測定する方法。
【請求項１４】
請求項７〜請求項１０のうち、いずれかの一項に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップを用いて微細亀裂を感知する非破壊検査用センサー。
【請求項１５】
請求項８〜請求項１１のうち、いずれかの一項に記載のスピントルク型磁気センサー集積回路チップを用いた医療用ナノ粒子センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピントルク型素子を用いた磁気センサーに関し、更に詳細にはスピントルク型素子に両極性パルスを印加して保磁力を制御することにより、磁場の強さに線形的に反応する磁気センサーに関する。
【０００２】
また、両極性パルスと共にオフセットバイアスを加えてオフセットバイアスに該当する磁場だけ移動する感応領域（ｄｙｎａｍｉｃ  ｒａｎｇｅ）の遷移及び両極性パルスの振幅の強さを調節して感度（ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）を制御することができる磁気センサーに関する。
【背景技術】
【０００３】
磁気センサーは、磁場によって物質の磁化度または磁気抵抗などが変わることを利用し、磁場の大きさまたは方向を測定する。一般的に使われている磁気センサーには、ホール（Ｈａｌｌ）効果を利用したホール磁気センサー、巨大磁気抵抗現象を利用した巨大磁気抵抗（Ｇｉａｎｔ  ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ：以下ＧＭＲと呼ぶ）センサー、トンネル型磁気抵抗（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ＭａｇｎｅｔｏＲｅｓｉｓｔａｎｃｅ：以下ＴＭＲと呼ぶ）センサー、フラックスゲート（Ｆｌｕｘｇａｔｅ）磁気センサー及び超伝導量子干渉計素子センサーなどがある。かかる磁気センサーは、磁場感応領域（Ｄｙｎａｍｉｃ  ｒａｎｇｅ）または感度（Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ）のような特性によりその用途が決まる。巨大磁気抵抗センサー及びトンネル型磁気抵抗センサーは、１００ガウスレベルの磁場を高い感度で感知することができ、マイクロスケールで非常に小さく作製が可能であることから、主にハードディスクドライブ（ＨＤＤ）の情報判読用として活用される。そして、フラックスゲート磁気センサーは、大型センサーから数百マイクロメートルレベルの小型センサーまで様々なサイズで作製が可能であり、１０ガウスレベルの磁場を高い感度で感知できることから、地磁気センサー若しくは電子羅針盤として活用される。
【０００４】
ＧＭＲセンサーは「磁性層／非磁性層／磁性層」からなる磁性多層薄膜構造において、外部磁場により２つの磁性層の磁化方向が平行（Ｐａｒａｌｌｅｌ：以下Ｐ状態と呼ぶ）であるとき、電気抵抗が小さいため多くの電流が流れ、反平行（Ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅｌ：以下ＡＰ状態と呼ぶ）であるときは、電気抵抗が大きいため少ない電流が流れる現象を利用して抵抗の変化を測定し、磁場を測定する。
【０００５】
既存のＧＭＲセンサーが磁場にのみ反応することと対照的に、電流（スピン電流）を加えることで磁化方向を変化させることが可能となるが、これがまさにＳＴＴ（Ｓｐｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｔｏｒｑｕｅ：スピン伝達トルク）である。電流を構成する伝導電子のスピンは、電流が磁性層を通過しながら分極する。その時、スピン角運動量は常に保存されるため、伝導電子のスピン角運動量の変化に相応する力が磁性層のスピンに伝達され、伝導電子のスピン分極方向と反対方向に磁性層の磁化方向を変化させるトルクが磁化に作用するようになる。ＳＴＴは、磁場ではなく、電流と直接に相互作用して磁化方向が変わる現象である。したがって、それを利用すると磁場がなくても電流を印加するだけで磁化方向を変えることができ、メモリ、センサー及びオシレータなどに利用することができる。
【０００６】
ＧＭＲ及びＴＭＲ素子の磁気抵抗変化率は、それぞれ１０％、５０％程度であるに比べ、ＳＴＴを利用したスピントルク型素子は１００％を超える高い磁気抵抗変化率を有し、感度が非常に高い。したがって、１００ガウス内外の磁場感知応用帯域でより高い信号対雑音比（ＳＮＲ）を得ることができる。しかし、このような高い感度にもかかわらず測定範囲（感応領域）が非常に狭い（１ガウス内外）という問題点と、製造工程及び熱安定性と関連してスイッチング磁場にばらつきが存在するという問題点がある。また、強磁性層の磁気履歴による保磁力（Ｃｏｅｒｃｉｖｅ  Ｆｉｅｌｄ、Ｈｃ）が存在するため、線型性に制限される。かかる磁気抵抗センサーの磁気履歴特性を線形磁気センサーに符合するよう改善するためには、物質そのものの特性を改善する、或いは磁気履歴特性を補正する回路的な付加機能が必要となる。
【０００７】
磁気抵抗センサーの保磁力と感応領域を制御する従来技術として、韓国登録特許第０８２００７９号にスピン素子の外部に励磁導線を通じて交流または直流の制御磁場を加えることにより、スピン素子の磁気履歴特性を改善する技術が提示されている。前記磁気抵抗センサーは磁場を外部から印加するため、励磁導線と磁場制御が追加的に必要となり、その構造が複雑である。また、保磁力を除去するため、駆動電力消耗が大きく、それによる発熱現象が発生する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、磁気センサーの磁気履歴特性を補正するため、スピントルク型素子に両極性パルス及びオフセットバイアスを加えて磁気センサーの保磁力を除去し、感度を改善するだけでなく、感応領域と感応領域のオフセットを制御する技術が適用されたスピントルク型磁気センサーを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記の技術的課題を達成するため、本発明に係るスピントルク型磁気センサーは、加えられた電流の方向及び強さによって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するために前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態（Ｐ）または反平行状態（ＡＰ）を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを含む。
【００１０】
本発明の望ましい実施例として、前記信号処理部は、前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数するカウンタと、前記カウンタで係数した値を演算処理する演算部とからなることを特徴とする。
【００１１】
本発明の望ましい実施例として、前記両極性パルスによる高周波成分を除去するための低周波帯域通過フィルタを前記信号処理部の前端に付加することを特徴とする。
【００１２】
本発明の望ましい実施例として、前記スピントルク型素子の感応領域を制御するため、前記スピントルク型素子にオフセットバイアスを印加するバイアス部を更に含むことを特徴とする。
【００１３】
本発明の望ましい実施例として、前記スピントルク型素子と直列に接続された抵抗特性のレジスタ部を含み、前記レジスタ部の抵抗値を制御し、前記磁気センサーの感応領域を調節することを特徴とする。
【００１４】
本発明の望ましい実施例として、前記レジスタ部に代わり、第２スピントルク型素子を接続し、前記磁気センサーの出力電圧レベルを調節することを特徴とする。
【００１５】
本発明の別の実施例として、加えられた電流によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子に加えられるオフセットバイアスを制御するためのオフセット制御部と、前記スピントルク型素子に信号を入力・出力するための電極パッドとが１つの基板に集積されたスピントルク型磁気センサー集積回路チップがある。
【００１６】
本発明の望ましい実施例として、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するための保磁力・感応領域制御部と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とが更に含まれていることを特徴とする。
【００１７】
本発明の望ましい実施例として、前記センサーのアナログ信号をデジタル信号に変換するＡＤＣが更に含まれていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による有利な効果は次の通りである。
【００１９】
第１に、高周波電流波形の振幅を調節して磁気抵抗素子の保磁力を制御し、ヒステリシスを除去することができる。
【００２０】
第２に、ヒステリシスがないため、披測定体から出てくる数エルステッド（Ｏｅ）の小さい磁場であってもその極性及び強さを判別することができる。
【００２１】
第３に、オフセットバイアスを調節したり外部磁場を追加的に印加したりすることで、磁場の感応領域を自由に移動させることができる。
【００２２】
第４に、抵抗、またはトランジスタを利用した能動型可変抵抗若しくはスピントルク型素子を、並列または直列接続して出力電圧領域を制御することができる。
【００２３】
第５に、オフセットバイアスを変化させるスイープ法で数十エルステッド（Ｏｅ）領域を走査することができるため、磁場の感応領域を拡張及び探索することが可能である。
【００２４】
第６に、前記第５の効果を利用し、数十エルステッド（Ｏｅ）の広い領域を１エルステッド（Ｏｅ）以下の分解能で細かく分けることができ、ナノ粒子検出、非破壊検査、金属探知や地磁気検出など、広い分野に活用することができる。
【００２５】
第７に、前記第６の効果により、フラックスゲート、ホールセンサーなどの既存の磁場感知素子と並べられるため、該当分野において商業市場を共有することができる上、前記素子より小さいサイズに作製可能であることから超小型機器（マイクロマシン）にまで適用可能となり、その活用性が高い。
【００２６】
第８に、励磁導線を更に備えることができる。その場合、保磁力の大きさを変化させると、励磁導線に入力された電流波の位相と磁気センサーから出力される位相とが異なるため、位相変調素子として活用することができる。即ち、保磁力が小さければ励磁導線に入力された入力電流波による出力抵抗が直ちに変わるため、位相遅れが小さく、保磁力が大きければ前記電流波の振幅が磁化反転させるに十分な程に大きくなるまでの時間だけ遅れ、磁気センサーから電気信号が出力される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】スピントルク型素子に単極性及び両極性パルスを加えるときのスイッチング相の変化図（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ  ｐｈａｓｅ  ｄｉａｇｒａｍ）の差を示した図面である。
【図２】スピントルク型素子において、両極性パルス（図２ａ）と磁場の強さ及び方向による磁気抵抗の関係（図２ｂ、ｃ、ｄ）を時間関数で説明した図である。
【図３】両極性パルス電圧による磁場の変化をバイアス電圧変数で示した図であり、実験の結果である。
【図４】外部から印加された磁場の方向により、磁気抵抗曲線の表す領域に変化があることを示した図である。
【図５】交流磁場または電流が印加された、即ち、保磁力が除去された状態において、直流磁場（Ｈｂｉａｓ）または電圧を混ぜて動作領域の遷移（ｓｈｉｆｔ）を示した図である。
【図６】両極性パルスを印加して磁場感知機能を行うことができるシステムの例を示した図である。
【図７】本発明の一実施例に係る磁場の方向及び強さによる信号処理例を示した図である。
【図８】本発明の一実施例であり、バイアス部と低周波帯域通過フィルタが付加されたことを示した図である。
【図９】直流バイアスの符号及び強さによる感応領域の遷移を示した図である。
【図１０】スピントルク型素子を利用した磁場検出システムの出力電圧レベルを制御することができる回路例を示した図である。
【図１１】本発明に係る一実施例を示した図である。
【図１２】スピントルク型素子を利用した磁場センサー集積回路の例を示した図である。
【図１３】本発明に係る使い捨てタイプの磁場センサーモジュールの例を示した図である。
【図１４】本発明の実施例であり、使い捨てタイプの磁場センサーモジュールを携帯用判読器に装着した概念図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明に係るスピントルク型磁気センサーは、電流を加えると磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感応領域を制御するために前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを含むことを特徴とする。
【００２９】
以下、図面を参照し、本発明の実施のための具体的内容を説明する。例示した図面は、発明の明確性のために中核的内容のみを拡大して示し、付随的内容は省略したため、図面に限定して解釈してはならない。
【００３０】
本発明に用いられるスピントルク型素子は、一般的な「磁性層／非磁性層／磁性層」からなる磁性多層薄膜構造である。磁性層は電子同士のスピンと軌道の角運動量による磁気モーメントが互いに影響を及ぼす強磁性物質である。強磁性物質は、磁場が増加すると磁化が増加し、磁気飽和状態に至る。また、磁場を減少させると磁場がなくても残留磁化が残り、反対方向に磁場を掛けると前述のような現象が反対方向に生じ、磁化曲線は閉曲線の磁気履歴曲線（Ｈｙｓｔｅｒｅｓｉｓ  ｌｏｏｐ）を示す。したがって、加えられた磁場によって磁化が非線形的に行われ、自発磁化による残留磁化が発生する。それを除去するための反対方向の磁界を保磁力（Ｃｏｅｒｃｉｖｅ  ｆｉｅｌｄ、Ｈｃ）或いは抗磁力という。
【００３１】
従来は磁気センサーの保磁力と感応領域を除去するため、外部から磁場を印加して保磁力を相殺したが、本発明においてはＳＴＴ現象を利用し、スピントルク型素子に両極性パルスを直接加えて保磁力と感度を制御し、オフセットバイアスを加えて感応領域を遷移（ｓｈｉｆｔ）させる技術を提示する。
【００３２】
また、本発明は電圧、または電流だけで磁化反転（ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）が可能な最小電圧、または電流（臨界電圧または臨界電流）以上の高振幅の両極性パルスを付加的に印加し、感度を制御する技術を提示する。
【００３３】
１．保磁力制御方法
スピントルク型素子は、既存のスピン素子のようにバイアス電流または電圧のない状態で、磁場だけで磁気的スイッチングが発生する。スピントルク型素子の更に別の特徴は、磁場のない状態において前記スピントルク型素子を貫通する電流または電圧だけでも磁気的スイッチングが発生することである。したがって、スピントルク型素子は、磁気的スイッチングを発生させる変数が既存のスピン素子に比べ、もう１個増えている。
【００３４】
図１は、電圧または電流を横軸にし、スイッチング磁場を縦軸にして磁気的状態を示したスピントルク型素子のスイッチング状態図であり、図１（ａ）のような形状が典型的な状態図である。前記スイッチング状態図には２つの曲線が存在する。１つは平行（Ｐ）状態から反平行（ＡＰ）状態に変化する境界を表した線であり、もう１つは逆に反平行（ＡＰ）状態から平行（Ｐ）状態に変化する境界を表した線である。例えば、説明の便宜上、第４象限を通る右側線を反平行（ＡＰ）状態から平行（Ｐ）状態に変化する境界（ＡＰ→Ｐ）とし、第２象限を通る左側線を平行（Ｐ）状態から反平行（ＡＰ）状態に変化する境界（Ｐ→ＡＰ）とする。図１（ｂ）は、正の値を有する単極性パルスが印加されると平行（Ｐ）状態になりやすいため、第４象限を通る右側線が原点方向に移動することを示し、図１（ｃ）は、負の値を有する単極性パルスが印加されると反平行（ＡＰ）状態になりやすいため、第２象限を通る左側線が原点方向に移動することを示す。もし、正の符号と負の符号を交互に繰り返す両極性パルスが印加されると、第４象限と第２象限に存在する境界線は全て第１象限と第３象限を横切る対角線に収束されることになる。電圧または電流だけで磁化反転が可能な最小電圧または電流を、それぞれ臨界電圧、臨界電流と言うが、両極性パルスの振幅が前記臨界電圧または前記臨界電流以上になると、ＡＰ状態とＰ状態が交互に表れ、十分な時間の間に平均を取ると、ＡＰとＰの中間状態の抵抗を示す。また、数Ｏｅの小さい磁場の変化にもＡＰ状態、またはＰ状態を敏感に示す。そして、保磁力がなくなる効果がある。
【００３５】
スピントルク型素子において与えた両極性パルスによる磁化度は磁気抵抗に代替することができる。この関係を図２に示す。図２（ａ）は両極性パルス列（ｐｕｌｓｅ  ｔｒａｉｎ）を示したものである。正の磁場（Ｈ＞０）で飽和状態になったときの磁気抵抗をＲＨとし、負の磁場（Ｈ＜０）で飽和状態になったときの磁気抵抗をＲＬとすると、図２（ｂ）は正の磁場、即ち、正のパルスが多い場合、平均磁気抵抗値（Ｒａｖｇ）がＲＨとＲＬの平均値（（ＲＨ ＋ＲＬ）／２）より大きいことを示す。図２（ｃ）は正のパルスと負のパルスが同一である場合、平均磁気抵抗値（Ｒａｖｇ）が平均値と同一であることを示し、図２（ｄ）は負の磁場、即ち、負のパルスが多い場合、平均磁気抵抗値（Ｒａｖｇ）がＲＨとＲＬの平均値より小さいことを示す。
【００３６】
図３は、スピントルク素子に両極性パルスを加えるときに表れるスイッチング状態を示す。図３は直流バイアス電圧が変数として加えられたものであり、２個の変数が同時に作用する実験結果である。両極性パルスの振幅が臨界電流または臨界電圧に到達すると保磁力が除去され、直流バイアス電圧（ｘ軸）に沿って感応領域が遷移されることが分かる。
【００３７】
２．感度制御方法
スピントルク型素子に両極性パルスを加え、保磁力が相殺されると、平行状態と反平行状態の遷移が急激に行われる。それにより、低抵抗状態（ＲＬ）と高抵抗状態（ＲＨ）の遷移領域が狭くなる。遷移領域が狭くなると、制限された範囲の狭い領域の磁場のみを感知するという感度の問題が発生する。
【００３８】
図４は、本発明に係る感応領域の拡大方法を示したものである。それは、スイッチングに必要な臨界電圧または臨界電流以上の過度な振幅のパルス（ｏｖｅｒ  ｓｈｏｏｔ  ｐｕｒｓｅ、過度パルス）を加える方法である。既存のスピン素子では、磁場パルス（ＨＡＣ）を印加することにより本機能が具現化されたが、本発明に係るスピントルク型素子では、磁場パルスはさることながら、試料を通過する電圧（ＶＡＣ）や電流パルス（ＩＡＣ）を印加して感度を制御することが可能である。前述のようにスピントルク型素子において、磁化反転は電流と磁場で可能である。臨界値以上の高振幅の両極性電流パルスを印加すると、磁場より電流によって磁化反転が完成することになる。これは、磁化反転が磁場に鈍感になることを意味する。その代わりに磁場を感知できる範囲は、臨界電流以上に増加したパルスの振幅に該当する磁場程広くなる。
【００３９】
もし磁場または電流（若しくは電圧）が時間に沿って非常に速いスピードで符号が変わりながら、交流磁場が印加されると、図４（ａ）と図４（ｂ）が互いに混ざって平均が取られたような結果（図４（ｃ））を得ることができ、前記交流磁場或いは電流の振幅がＨｃ（またはＩｃ：磁場Ｈｃを発生させる電流印加値）以上加えられるときは、図４（ｃ）の下側図面のように感度（傾き）は低くなり、磁場を判読できる感応領域は広くなって感度を制御できることを示している。
【００４０】
３．感応領域のオフセット制御方法
スピントルク型素子を利用した磁場センサーにおいて、磁場に反応する感応領域を移動できる方法は、両極性パルスを加えた状態でオフセットバイアス（直流磁場または電圧（電流））を追加的に加えることである。図５（ａ）は正（負）のオフセットバイアス磁場（電圧（電流））を加えながら両極性パルスを加える場合を示したものである。感応領域は、正のオフセット磁場程、負の磁場領域に遷移する。図５（ｂ）は負（正）のオフセットバイアス磁場（電圧（電流））を加えながら両極性パルスを加える場合を示したものである。感応領域は、負のオフセット磁場程、正の磁場領域に遷移する。かかる原理を利用し、オフセットバイアスを一定間隔に変化させながら両極性パルスを加えることにより、感応領域を移動または選択することができる。
【００４１】
４．実施例１
本発明に係る保磁力制御方法を図６に示す。図６に示した磁気センサーは、両極性パルス電源１と、スピントルク型素子２と、カウンタ３及び演算部４からなる信号処理部２２とを含む。
【００４２】
両極性パルス電源１は、スピントルク型素子２の保磁力を相殺するため、スピントルク型素子２に直接加える正・負の振幅を有するパルスであり、正・負を交互に加え、周期が短いほど磁気センサーの線形化に好ましい。両極性パルス電源１の波形は、図２（ａ）に示すように、両極性矩形波パルス（ｓｑｕａｒｅ  ｗａｖｅ  ｐｕｌｓｅ）の他、正弦波（ｓｉｎｅ  ｗａｖｅ）や三角波（ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ  ｗａｖｅ）も可能である。前記３つの両極性波形例の中で両極性矩形波パルスの消費電力が最も小さい。
【００４３】
スピントルク型素子２は一般的に固定磁性層／非磁性層／自由磁性層の多層薄膜構造を有するが、それに限定されず、単一磁性層でも可能である。また、ナノコンタクト若しくはナノフィラーで具現化される。必要に応じて単位スピントルク型素子を直列または磁気センサーで接続したアレイで具現化することもできる。
【００４４】
信号処理部２２は、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子２の平行状態、または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗が飽和した回数を計算する。信号処理部２２は、カウンタ３と演算部４とで構成することができる。
【００４５】
カウンタ３は、両極性パルスを加える場合、スピントルク型素子２が反平行状態であるとき及び平行状態であるときの時間当たり個数を係数する。スピントルク型素子２の磁気抵抗は、固定磁性層の磁化方向と自由磁性層の磁化方向が平行状態となる場合、減少する。逆に自由磁性層の磁化方向と固定磁性層の磁化方向が反平行状態となる場合、スピントルク型素子２の磁気抵抗値は増加する。
【００４６】
演算部４は、式（１）のように各パルスの滞留時間（ｄｗｅｌｌ  ｔｉｍｅ）とパルス周期（τｃ）、そしてカウンタ３で係数した反平行状態の個数（ｍ）及び平行状態の個数（ｎ）を介して平均値を計算する。
【００４７】
[数１]
ｎτｐ＋ｍτａｐ＝（ｎ＋ｍ）τｃ
【００４８】
ここで、τｐとｍτａｐは、それぞれ平行状態（Ｐ）と反平行（ＡＰ）状態における滞留時間である。
【００４９】
図７に演算過程例を示す。正の磁場が加えられた図７（ｂ）の場合、正のパルスが多いため、反平行状態の個数（ｍ）が多く、平均抵抗値が増加する。図７（ｃ）は、反平行状態の個数（ｍ）と平行状態の個数（ｎ）が同一であるため、平均抵抗値が中間値である。図７（ｄ）は、負のパルスが多い（Ｈ＜０）ため、平行状態の個数（ｎ）が多く、平均抵抗値が中間値より減少する。
【００５０】
反平行状態と平行状態はカウンタ３内部に設けられたフリップフロップのような回路で係数するが、高周波成分である両極性パルスを除去するため、カウンタ３の前端に低周波帯域通過フィルタを更に設けることができる。
【００５１】
本実施例１において感度を制御するため、臨界電圧（電流）以上の過度パルスを加えることができ、抵抗回路網（ｒｅｓｉｓｔｏｒ  ｎｅｔｗｏｒｋ  ｏｒ  ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）を加えて抵抗変化率を調整することもできる。
【００５２】
５．実施例２
本発明に係る感応領域のオフセット制御方法を図８に示す。図８に示した磁気センサーは、実施例１に、オフセットバイアスを加えられるバイアス部６が追加される。本発明において、感応領域のオフセットは電圧（電流）のオフセットバイアスだけでも制御可能であるが、オフセット制御を更に広い領域に拡大するため、励磁導線７を追加することができる。また、図６の信号処理部２２を低周波帯域通過フィルタ５に代替することもできる。低周波帯域通過フィルタは、両極性パルスによる高周波の雑音を除去する働きと、磁気抵抗値の変動に対しフィルタリングをする平滑化（ｓｍｏｏｔｈｉｎｇ）の働きをする。
【００５３】
図９は、オフセットバイアスの働きに関する実施例を示すものである。電圧にオフセットバイアスを加えない場合には、０付近の磁場を検出することができる。図１に示すよう、正（負）のオフセットバイアスを加えると負（正）の磁場を印加したような効果を奏する。したがって、負（正）の磁場の強さ程、感応領域が正（負）の磁場領域に移動する。かかる原理を利用し、オフセットバイアスを変化しながら両極性パルスを加えると、感応領域を希望する所に位置させることができる。
【００５４】
本実施例２においても感度を制御するため、臨界電流（電圧）または磁場以上の磁化できる過度パルスを加えることができ、抵抗回路網を加えて抵抗変化率を調整することができる。
【００５５】
６．実施例３
本発明に係る出力レベルの制御方法を図１０に示す。図１０に示した磁気センサーは、抵抗レベルが変化可能なレジスタ部（ｒｅｓｉｓｔｏｒ  ｎｅｔｗｏｒｋ  ｏｒ  ａｔｔｅｎｕａｔｏｒ）８をスピントルク型素子２ａに直列に加えたものである。抵抗の大きさを調整すると、出力信号（Ｖｏｕｔ）のレベルを分圧の法則で決定することができる。
【００５６】
図１１には、レジスタ部８の代わりにスピントルク型素子２ｂを直列に加えた実施例を示す。別途のスピン素子は、直列または並列で接続することができ、接続方法によって出力電圧のレベルに変動をもたらす。一例に、スピントルク型素子２ｂの磁場感知方向が前記スピントルク型素子２ａと反対方向の場合、プッシュ・プル機能が可能である。
【００５７】
７．実施例４
図１２は、本発明に係る磁気センサーをチップに集積化した実施例であり、シリコン基板９と、スピントルク型磁気センサー１０と、保磁力・感応領域制御部１１と、オフセット制御部１２と、アナログデジタルコンバーター１３とを含む。スピントルク型素子はシリコンＣＭＯＳ工程に互換性があるので、小型化及び集積回路化に有利である。
【００５８】
保磁力・可能領域制御部１１は、両極性パルス電源１及びバイアス部６を制御するための制御信号（ｃｔｒｌ１、ｃｔｒｌ２）をスピントルク型磁気センサー１０に出力する。オフセット制御部１２は、前記スピントルク型磁気センサー１０のオフセットを制御する。アナログデジタルコンバーター１３は、前記磁気センサー１０のアナログ出力信号をデジタル信号に変換させる。デジタル若しくはアナログを選択し、磁場情報を出力することができる。
【００５９】
図１３は、ホスト装置にＤＡＣ（Ｄｉｇｉｔａｌ  ｔｏ  Ａｎａｌｏｇ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）が備えられていれば、アナログ信号のみを出力するようにして前記センサーモジュールの構造を単純化し、製造単価を低減できる使い捨てタイプのスピントルク型磁気センサーを基板１４に集積した実施例である。使い捨てタイプの集積回路チップは、基板１４上にスピントルク型磁気センサー１５とオフセット制御部１６のみを集積化し、生産単価を低減することで使い捨てタイプが可能となる。
【００６０】
８．実施例５
図１４は、本発明に係る使い捨てタイプの磁気センサーが適用されたアプリケーションを示す。
【００６１】
前記使い捨てタイプの磁気センサー１９を、移動通信端末のポート２０を介して移動通信端末２１に接続し、前記使い捨てタイプの磁気センサー１９から感知された情報を移動通信端末２１を介して読み取る。例えば、前記使い捨てタイプの磁気センサー１９は、ナノ粒子に付着された人体ＤＮＡ情報を感知するセンサーになり得る。前記ナノ粒子が磁化可能な磁性ナノ粒子であり、前記使い捨てタイプの磁気センサー１９にもＤＮＡプローブが付着されている場合、前記ナノ粒子が前記使い捨てタイプの磁気センサー１９に到達し、互いにくっつき得る。その時、前記使い捨てタイプの磁気センサー１９が前記ナノ粒子の周辺で発生した磁場に敏感に反応し、希望するＤＮＡが付着された前記ナノ粒子の個数を係数することも可能である。
【００６２】
また、本発明のスピントルク型磁気センサーは、微細亀裂を感知する非破壊検査用センサーや医療用ナノ粒子センサー、未来型マイクロロボットへの応用などに適用しやすい。特に、本発明のスピントルク型磁気センサーは、製造単価が低いため、使い捨てタイプの診断キットの開発にも適用容易である。超小型でありながら高感度特性を確保することができるため、モバイル機器用の電子羅針盤に適用可能であり、高い市場性を確保する可能性がある。
【００６３】
以上、実施例を参照して説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の精神及び範囲から逸脱しない範囲内で本発明を種々に修正及び変更できることは該当技術分野に熟練した当業者にとって自明である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明に係るスピントルク型磁気センサーは、微細亀裂を感知する非破壊検査用センサーや医療用ナノ粒子センサー、小型精密機械部品の歯車係数センサー（ｇｅａｒ  ｔｏｏｔｈ  ｓｅｎｓｏｒ）、未来型マイクロロボットへの応用などに適用することができる。
【００６５】
また、スピントルク型磁気センサーのサイズが非常に小さいため、透明センサーの開発に適用容易である。
【００６６】
特に、本発明のスピントルク型磁気センサーは、製造単価が低いため、使い捨てタイプの診断キットの開発にも適用容易である。そして、超小型でありながら高感度特性を確保することができるため、モバイル機器用の電子羅針盤に適用可能であり、高い市場性を確保する可能性がある。
【図１（ａ）】
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【図１（ｂ）】
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【図１（ｃ）】
2015527565.tif 000005
【図１（ｄ）】
2015527565.tif 000006
【図２（ａ）】
2015527565.tif 000007
【図２（ｂ）】
2015527565.tif 000008
【図２（ｃ）】
2015527565.tif 000009
【図２（ｄ）】
2015527565.tif 000010
【図３】
2015527565.tif 000011
【図４】
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【図５（ａ）】
2015527565.tif 000013
【図５（ｂ）】
2015527565.tif 000014
【図６】
2015527565.tif 000015
【図７（ａ）】
2015527565.tif 000016
【図７（ｂ）】
2015527565.tif 000017
【図７（ｃ）】
2015527565.tif 000018
【図７（ｄ）】
2015527565.tif 000019
【図８】
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【図９（ａ）】
2015527565.tif 000021
【図９（ｂ）】
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【図９（ｃ）】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成26年12月5日(2014.12.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
加えられた直流電源によって磁化方向が変わるスピントルク型素子と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するために前記スピントルク型素子に加えられる両極性パルス電源と、前記スピントルク型素子の保磁力及び感度を制御するように構成された制御部と、加えられた両極性パルスによって前記スピントルク型素子の平行状態または反平行状態を係数し、磁化度または磁気抵抗を計算する信号処理部とを含むことを特徴とするスピントルク型磁気センサー。
【国際調査報告】
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