(57)【要約】【課題】発生後短時間で消滅する信号の存在を確実に検出し得る周波数検出装置を提供する。【解決手段】磁化固定層、磁化自由層、および磁化固定層と磁化自由層との間に配設されたスペーサー層を備えた２つの磁気抵抗効果素子（例えばＴＭＲ素子やＣＰＰ−ＧＭＲ素子など）２ａ，２ｂと、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの磁化自由層に磁場を印加する磁場印加部３ａ，３ｂと、入力端子４ａ，４ｂを介して磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂに交流信号Ｓ１が供給されたときに磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端に発生する直流電圧を増幅して出力信号Ｓ２として出力する差動増幅部６とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた２つの磁気抵抗効果素子と、
前記２つの磁気抵抗効果素子のうちの少なくとも１つの前記磁化自由層に磁場を印加する磁場印加部と、
入力端子を介して前記各磁気抵抗効果素子に交流信号が供給されたときに当該各磁気抵抗効果素子の両端に発生する直流電圧の差分を増幅して出力する差動増幅部とを備えている信号検出装置。
【請求項２】
前記磁場印加部は、前記磁場の強さを変更可能に構成されている請求項１記載の信号検出装置。
【請求項３】
前記磁場印加部は、印加する前記磁場の強さに対する漸増および漸減の少なくとも一方の制御が可能に構成されている請求項２記載の信号検出装置。
【請求項４】
前記差動増幅部は、前記２つの磁気抵抗効果素子のうちの一方の磁気抵抗効果素子における前記入力端子側の端子が電流出力端子に接続されると共に、当該２つの磁気抵抗効果素子のうちの他方の磁気抵抗効果素子における前記入力端子側の端子が制御端子に接続された少なくとも１つのトランジスタを備えて構成され、当該トランジスタは、当該制御端子と当該電流出力端子との間に入力された当該２つの磁気抵抗効果素子における前記入力端子側の端子間に発生する電圧を前記直流電圧の差分として増幅して出力する請求項１から３のいずれかに記載の信号検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を備えた信号検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気抵抗効果素子として、磁化固定層と磁化自由層との間に非磁性材料で形成されたスペーサ層を介在させて構成されたＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子が知られている。このＴＭＲ素子では、電流を流したときにスピン偏極電子が流れて、磁化自由層内に蓄積されるスピン偏極電子の数に応じて磁化自由層の磁化の向きが変化する。一定の磁場内に配置された磁化自由層では、その磁化の向きを変更しようとしたときに、磁場によって拘束される安定な方向へ復元するようにトルクが働き、特定の力で揺らされたときに、スピン歳差運動と呼ばれる振動が発生する。
【０００３】
近年、ＴＭＲ素子等の磁気抵抗効果素子に対して高い周波数の交流電流を流した場合において、磁化自由層に流れる交流電流の周波数と磁化の向きに戻ろうとするスピン歳差運動の振動数とが一致したときに、強い共振が発生する現象（スピントルク強磁性共鳴）が発見された（非特許文献１参照）。この共振が発生した状態においては、磁気抵抗効果素子における磁化自由層の磁化の向きは大きく振動し、これに伴い、磁気抵抗は大きく増減する。このため、磁気抵抗効果素子の両端には、スピントルクダイオード効果により、脈流電圧（＝電流×抵抗）が発生する。この非特許文献１では、この磁気抵抗効果素子の両端に発生する脈流電圧をバイアスＴのローパスフィルタを通過させることで直流電圧に平滑している。
【非特許文献１】Nature, Vol.438, 17 November, 2005, pp.339-342
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のようなＴＭＲ素子の現象が知られつつも、このような現象を工業的に利用できる磁気デバイスは知られておらず、発見の応用が期待されていた。このため、本願出願人は、鋭意研究を重ねることにより、磁気抵抗効果素子の磁化自由層に印加する磁場の強さを変えることにより、上記した共振の周波数の電圧ピークが変化することを見出し、これを利用して特定の周波数成分の信号波形をモニタ検出し得る周波数アナライザに適用することを提案している。
【０００５】
ところで、本願発明者は、非特許文献１において提案された測定回路を検討した結果、ＴＭＲ素子の両端間電圧（直流電圧（整流された脈流電圧））を検出するために使用されているローパスフィルタとしてインダクタを使用することにより、構成を簡略化できるというメリットがある反面、発生後短時間で消滅する信号についてはその直流成分を伝達し難いため、検出が困難であるという解決すべき課題が存在していることを見出した。また、上記した共振の発生する周波数以外の周波数においても、電圧値が小さいものの直流電圧が発生しており、共振の発生する周波数と同じ周波数の信号の存在を一層良好に検出するためには、共振の発生しない周波数において発生する直流電圧を低減すべきであるという課題も存在している。
【０００６】
本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、発生後短時間で消滅する信号の存在を確実かつ良好に検出し得る信号検出装置を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成すべく本発明に係る信号検出装置は、磁化固定層、磁化自由層、および前記磁化固定層と前記磁化自由層との間に配設された非磁性スペーサー層を備えた２つの磁気抵抗効果素子と、前記２つの磁気抵抗効果素子のうちの少なくとも１つの前記磁化自由層に磁場を印加する磁場印加部と、入力端子を介して前記各磁気抵抗効果素子に交流信号が供給されたときに当該各磁気抵抗効果素子の両端に発生する直流電圧の差分を増幅して出力する差動増幅部とを備えている。
【０００８】
また、本発明に係る信号検出装置は、前記磁場印加部は、前記磁場の強さを変更可能に構成されている。
【０００９】
さらに、本発明に係る信号検出装置は、前記磁場印加部は、印加する前記磁場の強さに対する漸増および漸減の少なくとも一方の制御が可能に構成されている。
【００１０】
また、本発明に係る信号検出装置は、前記差動増幅部は、前記２つの磁気抵抗効果素子のうちの一方の磁気抵抗効果素子における前記入力端子側の端子が電流出力端子に接続されると共に、当該２つの磁気抵抗効果素子のうちの他方の磁気抵抗効果素子における前記入力端子側の端子が制御端子に接続された少なくとも１つのトランジスタを備えて構成され、当該トランジスタは、当該制御端子と当該電流出力端子との間に入力された当該２つの磁気抵抗効果素子における前記入力端子側の端子間に発生する電圧を前記直流電圧の差分として増幅して出力する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る信号検出装置によれば、交流信号の供給時に２つの磁気抵抗効果素子の両端間に発生する直流電圧の差分を差動増幅部を用いて検出するように構成したことにより、インダクタを使用する構成とは異なり、交流信号が発生後短時間で消滅する信号であったとしても、差動増幅部が、一方の磁気抵抗効果素子の共振時に発生する各直流電圧の差分を確実に増幅して出力することができる。したがって、この信号検出装置によれば、発生後短時間で消滅する交流信号についても、連続して入力される交流信号と同様にして、この出力信号に基づいて、その交流信号の存在を確実に検出することができる。また、この信号検出装置によれば、交流信号を各磁気抵抗効果素子に供給した状態での各両端間電圧の差分を差動増幅部で検出するように構成したことにより、各磁気抵抗効果素子において交流信号の印加に起因して発生する同相ノイズ成分を大幅に低減することができるため、差動増幅部から出力される信号に基づいて、所定の周波数の信号を含む交流信号の存在を良好に検出することができる。
【００１２】
また、本発明に係る信号検出装置では、各磁気抵抗効果素子に印加する磁場の強さを変更可能に各磁場印加部が構成されている。したがって、この信号検出装置によれば、１つの磁気抵抗効果素子に印加する磁場の強さを変更することでこの磁気抵抗効果素子の共振周波数を変更できるため、入力端子に入力される交流信号に関して、検出する周波数成分を変更することができる。また、他の磁気抵抗効果素子に印加する磁場の強さを変更することでこの磁気抵抗効果素子の共振周波数を変更できるため、入力端子に入力される交流信号に含まれる周波数成分に対応させて、常に共振しない状態に他の磁気抵抗効果素子を維持することができ、これにより、各磁気抵抗効果素子において交流信号の印加に起因して発生する同相ノイズ成分を差動増幅部での差分検出動作によって確実に低減することができる。
【００１３】
また、本発明に係る信号検出装置によれば、印加する磁場の強さに対する漸増および漸減の少なくとも一方の制御が可能に磁場印加部を構成したことにより、交流信号に周波数が異なる複数の交流信号が含まれているときであっても、一方の磁場印加部が一方の磁気抵抗効果素子に印加する磁場の強さに対する漸増または／および漸減の制御を行いながら、上記の動作と同様にして、磁場の各強度における出力信号の電圧値をそれぞれ観測して、電圧波形にピーク波形が存在しているか否かを検出でき、この検出結果に基づいて、磁場の強さを漸増または漸減する１回の検出動作でこの複数の交流信号の存在を検出することができる。このため、信号検出装置を周波数アナライザとして作動させることができる。
【００１４】
また、本発明に係る信号検出装置によれば、少なくとも１つのトランジスタを備えて差動増幅部を構成し、２つの磁気抵抗効果素子における入力端子側の端子間に発生する電圧をこのトランジスタの電流出力端子と制御端子との間に入力して、このトランジスタで増幅して出力するようにしたことにより、差動増幅部を少ない部品点数で構成することができ、製品コストを低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明に係る信号検出装置の最良の形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１６】
最初に、信号検出装置１の構成について、図面を参照して説明する。
【００１７】
図１に示す信号検出装置１は、２つの磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ（以下、特に区別しないときには磁気抵抗効果素子２ともいう）、２つの磁場印加部３ａ，３ｂ（以下、特に区別しないときには磁場印加部３ともいう）、入力端子４ａ，４ｂ（以下、特に区別しないときには入力端子４ともいう）、２つのコンデンサ５ａ，５ｂ、差動増幅部６および出力端子７ａ，７ｂ（以下、特に区別しないときには出力端子７ともいう）を備え、入力端子４から入力した交流信号Ｓ１の周波数が、予め設定された磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂのうちの一方の共振周波数と一致したときに、大きな電圧値の出力信号（直流電圧信号）Ｓ２を出力可能に構成されている。なお、図１に示す信号検出装置１は、図２に示すような等価回路で表される。
【００１８】
２つの磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂは、一例として、図３，５に示すように磁化自由層２１を含むＴＭＲ素子で同一（少なくとも電気的特性が同一）に構成されている。具体的には、磁気抵抗効果素子２ａ（本発明における一方の磁気抵抗効果素子）は、磁化自由層２１、スペーサ層２２、磁化固定層２３および反強磁性層２４を備え、この順に積層された状態で、上部電極２５ａと下部電極２６ａとの間に、磁化自由層２１が上部電極２５ａに接続され、かつ反強磁性層２４が下部電極２６ａに接続された状態で配設されている。この場合、磁化自由層２１は、強磁性材料で感磁層として構成されている。スペーサ層２２は、本発明における非磁性スペーサ層であって、絶縁性を有する非磁性材料で構成されて、トンネルバリア層として機能する。なお、スペーサ層２２は、通常１ｎｍ以下の厚みで形成される。また、下部電極２６ａはグランドに接続されている。磁気抵抗効果素子２ｂ（本発明における他方の磁気抵抗効果素子）も、磁気抵抗効果素子２ａと同一の構成を備え、上部電極２５ｂと下部電極２６ｂとの間に、磁化自由層２１が上部電極２５ｂに接続され、かつ反強磁性層２４が下部電極２６ｂに接続された状態で配設されている。
【００１９】
磁化固定層２３は、一例として、図３，５に示すように、磁化方向が固定された強磁性層（第２磁性層）２３ａ、Ｃｕなどの金属からなる非磁性層２３ｂ、および磁化方向が強磁性層２３ａと逆向きとなるように固定された他の強磁性層（第１磁性層）２３ｃとを備え、強磁性層２３ｃが反強磁性層２４の上部に位置するように各層がこの順に積層されて構成されている。この場合、一対の強磁性層２３ａ，２３ｃは、その磁化方向が各磁気抵抗効果素子２の厚み方向（Ｚ軸方向）と垂直に設定されている。また、反強磁性層２４は、下側の強磁性層２３ｃに交換結合されている。
【００２０】
また、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂは、磁化自由層２１において磁化の向きの共振が発生し易いように、図４に示すように、磁化自由層２１における容易磁化軸Ｆａ，Ｆｂの向きと、対応する磁場印加部３ａ，３ｂから印加される後述の磁場Ｈａ，Ｈｂの向きとが、Ｘ−Ｙ平面内において、所定の角度θ（好ましくは５°〜１７５°の範囲の角度）で交差するように、磁気抵抗効果素子２ａと磁場印加部３ａとの位置関係、および磁気抵抗効果素子２ｂと磁場印加部３ｂとの位置関係が予め規定されている。
【００２１】
磁場印加部３ａは、図１，５に示すように、磁場発生用配線３１ａ、磁気ヨーク３２ａおよび電流供給部３３ａを備えている。磁場発生用配線３１ａは、図５に示すように、上部電極２５ａを介して磁気抵抗効果素子２ａの上方に配設されている。磁気ヨーク３２ａは、頂部磁性体ＴＭａ、側面部磁性体ＳＭ１ａ，ＳＭ２ａ、下部磁性体ＬＭ１ａ，ＬＭ２ａ、および底部磁性体ＢＭ１ａ，ＢＭ２ａを備えている。この場合、頂部磁性体ＴＭａは、磁場発生用配線３１ａの上方に配設されている。側面部磁性体ＳＭ１ａは、磁場発生用配線３１ａの一方の側方（一例として、図５では右側方）に配設されて、頂部磁性体ＴＭａに接続されている。また、側面部磁性体ＳＭ２ａは、磁場発生用配線３１ａの他方の側方（一例として、図５では左側方）に配設されて、頂部磁性体ＴＭａに接続されている。下部磁性体ＬＭ１ａは、磁気抵抗効果素子２ａの一方の側方（一例として、図５では右側方）に配設されて、側面部磁性体ＳＭ１ａに接続されている。また、下部磁性体ＬＭ２ａは、磁気抵抗効果素子２ａの他方の側方（一例として、図５では左側方）に配設されて、側面部磁性体ＳＭ２ａに接続されている。この構成により、下部磁性体ＬＭ２ａ、側面部磁性体ＳＭ２ａ、頂部磁性体ＴＭａ、側面部磁性体ＳＭ１ａおよび下部磁性体ＬＭ１ａは、この順に連結されて全体として平面視短冊状に形成され、かつ図１に示すように磁場発生用配線３１ａを跨ぐようにして磁気抵抗効果素子２ａの上方に配設されている。
【００２２】
底部磁性体ＢＭ１ａは、図１，５に示すように、下部磁性体ＬＭ１ａに接続された状態で下部磁性体ＬＭ１ａの下方に配設されている。また、底部磁性体ＢＭ１ａは、その磁気抵抗効果素子２ａ方向の端部側が、磁気抵抗効果素子２ａの上部電極２５ａおよび下部電極２６ａ間にこれらと絶縁された状態で進入すると共に、磁気抵抗効果素子２ａの磁化自由層２１における一方の側面近傍に達している。底部磁性体ＢＭ２ａは、下部磁性体ＬＭ２ａに接続された状態で下部磁性体ＬＭ２ａの下方に配設されている。また、底部磁性体ＢＭ２ａも、その磁気抵抗効果素子２ａ方向の端部側が、上部電極２５ａおよび下部電極２６ａ間にこれらと絶縁された状態で進入すると共に、磁気抵抗効果素子２ａの磁化自由層２１における他方の側面近傍に達している。
【００２３】
磁気ヨーク３２ａは、上記の構成により、磁場発生用配線３１ａに電流Ｉａが流れたときに磁場発生用配線３１ａの周囲に発生する磁界に対する閉磁路を形成して、図４に示すように、この閉磁路のギャップとなる部位（一対の底部磁性体ＢＭ１ａ，ＢＭ２ａ間の隙間）に配設された磁気抵抗効果素子２ａの磁化自由層２１に対して磁場Ｈａを印加する。また、本例では、一例として、上述した磁場印加部３ａの磁場発生用配線３１ａおよび磁気ヨーク３２ａは、磁気抵抗効果素子２ａと共に、公知の半導体製造プロセスを利用して、シリコンウェハ上に形成される。
【００２４】
電流供給部３３ａは、頂部磁性体ＴＭａの両側から延出する磁場発生用配線３１ａの各端部に接続されて、磁場発生用配線３１ａに電流Ｉａを供給する。また、電流供給部３３ａは、この電流Ｉａの電流値を変更可能に構成されている。したがって、磁場印加部３ａは、電流供給部３３ａから出力される電流Ｉａの電流値を変更することにより、磁気抵抗効果素子２ａに印加する磁場Ｈａの強さを変更可能となっている。
【００２５】
磁場印加部３ｂも、図１，５に示すように、磁場発生用配線３１ｂ、磁気ヨーク３２ｂおよび電流供給部３３ｂを備え、磁場印加部３ａと同一に構成されている。具体的には、磁気ヨーク３２ｂは、各同図に示すように、頂部磁性体ＴＭｂ、側面部磁性体ＳＭ１ｂ，ＳＭ２ｂ、下部磁性体ＬＭ１ｂ，ＬＭ２ｂ、および底部磁性体ＢＭ１ｂ，ＢＭ２ｂを備えて、磁気ヨーク３２ｂと同一に構成されている。また、磁気ヨーク３２ｂは、磁場発生用配線３１ｂに電流Ｉｂが流れたときに磁場発生用配線３１ｂの周囲に発生する磁界に対する閉磁路を形成して、図４に示すように、この閉磁路のギャップとなる部位（一対の底部磁性体ＢＭ１ｂ，ＢＭ２ｂ間の隙間）に配設された磁気抵抗効果素子２ｂの磁化自由層２１に対して磁場Ｈｂを印加する。また、本例では、一例として、上述した磁場印加部３ｂの磁場発生用配線３１ｂおよび磁気ヨーク３２ｂは、磁気抵抗効果素子２ａと共に、公知の半導体製造プロセスを利用して、共通のシリコンウェハ上に形成される。
【００２６】
電流供給部３３ｂは、頂部磁性体ＴＭｂの両側から延出する磁場発生用配線３１ｂの各端部に接続されて、磁場発生用配線３１ｂに電流Ｉｂを供給する。また、電流供給部３３ｂは、この電流Ｉｂの電流値を変更可能に構成されている。したがって、磁場印加部３ｂは、電流供給部３３ｂから出力される電流Ｉｂの電流値を変更することにより、磁気抵抗効果素子２ｂに印加する磁場Ｈｂの強さを変更可能となっている。なお、本例では、磁気ヨーク３２ａ，３２ｂ内を通過する磁場発生用配線３１ａ，３１ｂの数は１つに形成されているが、磁場発生用配線３１ａ，３１ｂをコイル状に形成して、対応する磁気ヨーク３２ａ，３２ｂ内を通過する磁場発生用配線３１ａ，３１ｂの数を複数とする構成を採用することにより、磁場Ｈの強さを強めることもできる。
【００２７】
入力端子４ａは、図１に示すように、コンデンサ５ａを介して上部電極２５ａに接続されると共に、コンデンサ５ｂを介して上部電極２５ｂに接続されている。一方、入力端子４ｂはグランドに接続されている。したがって、入力端子４ｂは、グランドを介して、各下部電極２６ａ，２６ｂに接続されている。この構成により、コンデンサ５ａは、図１，２に示すように、磁気抵抗効果素子２ａと直列に接続された状態で、入力端子４ａとグランドとの間に配設され、一方、コンデンサ５ｂは、各同図に示すように、磁気抵抗効果素子２ｂと直列に接続された状態で、入力端子４ａとグランドとの間に配設されている。差動増幅部６は、一例としてオペアンプを用いて構成されて、一方の入力端子が上部電極２５ａ（コンデンサ５ａと磁気抵抗効果素子２ａの接続点）に接続され、他方の入力端子が上部電極２５ｂ（コンデンサ５ｂと磁気抵抗効果素子２ｂの接続点）に接続されている。これにより、差動増幅部６は、磁気抵抗効果素子２ａの両端間に発生している直流電圧（両端間電圧）Ｖａと、磁気抵抗効果素子２ｂの両端間に発生している直流電圧（両端間電圧）Ｖｂとの差分（本発明における直流電圧の差分）を増幅して出力信号Ｓ２として出力端子７に出力する。
【００２８】
次に、入力端子４から各コンデンサ５ａ，５ｂを経由して各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂに交流信号Ｓ１が流れたときの各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端間に発生する直流電圧Ｖｄｃについて説明する。なお、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂについては、図１２に示すように、磁場Ｈの強さをＨｗ，Ｈｘ，Ｈｙ（Ｈｗ＜Ｈｘ＜Ｈｙ）というように変更することにより、共振周波数をｆｗ，ｆｘ，ｆｙ（ｆｗ＜ｆｘ＜ｆｙ）というように変化させることができる。信号検出装置１では、磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの各共振周波数がｆ２，ｆ０（ｆ２＞ｆ０）となるように、各電流供給部３３ａ，３３ｂから各磁場発生用配線３１ａ，３１ｂに供給される電流Ｉａ，Ｉｂが予め設定されて、周波数ｆ０を超える周波数成分で構成される交流信号Ｓ１について、交流信号Ｓ１内に周波数ｆ２の成分が含まれているか否かを検出（測定）可能に構成されている。
【００２９】
図６は、交流信号Ｓ１の周波数ｆと磁気抵抗効果素子２ａの両端間に発生する直流電圧Ｖｄｃのピーク値の平均値との関係を示すグラフであり、図７は、交流信号Ｓ１の周波数ｆと磁気抵抗効果素子２ｂの両端間に発生する直流電圧Ｖｄｃのピーク値の平均値との関係を示すグラフである。ここで、この直流電圧Ｖｄｃとは、磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの各両端間に発生する整流された脈流電圧である。
【００３０】
これらのグラフから明らかなように、交流信号Ｓ１の周波数ｆを変化させた（掃引操作した）場合、磁気抵抗効果素子２ａの共振周波数と交流信号Ｓ１の周波数とが一致したとき（周波数ｆ２のとき）に磁気抵抗効果素子２ａの両端間に発生する直流電圧Ｖｄｃのピーク値は大きな電圧値を示すが、共振周波数ｆ２とは異なる周波数ｆ１（＜ｆ２），ｆ３（＞ｆ２）では小さな電圧値となる。磁気抵抗効果素子２ｂについても同様にして、磁気抵抗効果素子２ｂの共振周波数と交流信号Ｓ１の周波数とが一致したとき（周波数ｆ０のとき）に磁気抵抗効果素子２ｂの両端間に発生する直流電圧Ｖｄｃのピーク値は大きな電圧値を示すが、共振周波数ｆ０とは異なる周波数ｆ１（＞ｆ０），ｆ２（＞ｆ１），ｆ３（＞ｆ２）では小さな電圧値となる。
【００３１】
実際に周波数がｆ０を超える交流信号（一例として周波数がｆ１，ｆ２，ｆ３の各交流信号（正弦波信号））Ｓ１を入力したときの磁気抵抗効果素子２ａの両端間電圧Ｖａ（磁気抵抗効果素子２ａにおける入力端子４ａ側の端部の電圧。図２参照）の電圧波形はそれぞれ図８，９，１０に示すようになる。この場合、周波数ｆ２の交流信号Ｓ１のときには、図９に示すように、磁気抵抗効果素子２ａの共振によって発生した大きな直流電圧（約１ｍＶ）が重畳することにより、磁気抵抗効果素子２ａの両端間電圧Ｖａの電圧波形は正側にシフトしているが、共振周波数ｆ２とは異なる周波数ｆ１，ｆ３の交流信号Ｓ１のときには、磁気抵抗効果素子２ａが共振しないため、図８，１０に示すように、磁気抵抗効果素子２ａの両端間電圧Ｖａの電圧波形には直流成分は発生（重畳）していない。
【００３２】
詳細には、交流信号Ｓ１（図１１における１段目の波形）の周波数が磁気抵抗効果素子２ａの共振周波数ｆ２と一致しているとき（または、交流信号Ｓ１に共振周波数ｆ２と等しい周波数の交流信号が含まれているとき）には、磁気抵抗効果素子２ａにおいて共振が発生する。このため、磁気抵抗効果素子２ａの抵抗値は共振周波数ｆ２で大きく増減し、これによって磁気抵抗効果素子２ａの両端には、スピントルクダイオード効果により、図１１における２段目の波形図において破線で示すような整流された脈流電圧（直流電圧Ｖｄｃ）が発生する。したがって、コンデンサ５ａにおける磁気抵抗効果素子２ａ側の端部の電圧波形（磁気抵抗効果素子２ａの両端間電圧Ｖａの電圧波形）は、同図における２段目の波形図において実線で示すように、交流信号Ｓ１にこの整流された脈流電圧（直流電圧Ｖｄｃ）が重畳した波形となる。
【００３３】
一方、周波数がｆ０を超える交流信号（正弦波信号）Ｓ１を入力したときの磁気抵抗効果素子２ｂの両端間電圧Ｖｂ（磁気抵抗効果素子２ｂにおける入力端子４ａ側の端部の電圧。図２参照）の電圧波形は、交流信号Ｓ１に共振周波数ｆ０と同じ周波数成分が含まれていないことから磁気抵抗効果素子２ｂが共振しないため、図示はしないが、図８，１０に示す非共振時における磁気抵抗効果素子２ａの両端間電圧Ｖａについての電圧波形と同様にして両端間電圧Ｖｂの電圧波形に直流成分が重畳しない電圧波形となる。
【００３４】
差動増幅部６は、コンデンサ５ａ，５ｂにおける磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ側の端部の各電圧（すなわち、磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端間電圧Ｖａ，Ｖｂ）の差分電圧を増幅して、出力信号Ｓ２として出力する。具体的には、周波数がｆ０を超える周波数成分で構成される交流信号（正弦波信号）Ｓ１を入力した場合において、この交流信号Ｓ１に周波数ｆ２の成分が含まれていないときには磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂは共に共振しないため、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端間電圧Ｖａ，Ｖｂは共に図８，１０に示すように直流成分が重畳しないほぼ同一の電圧波形となる。したがって、この状態のときには、差動増幅部６は、図１１中の下段において破線で示すように、振幅の極めて低い脈流電圧を出力信号Ｓ２として出力する。一方、交流信号Ｓ１に周波数ｆ２の成分が含まれているときには、磁気抵抗効果素子２ａのみが共振する。このため、磁気抵抗効果素子２ａの両端間電圧Ｖａは、図９、および図１１中の３段目の波形図に示すように直流成分（脈流電圧）が重畳した電圧波形となるが、磁気抵抗効果素子２ｂの両端間電圧Ｖｂは図１１中の３段目の波形図に示すように直流成分が重畳しない電圧波形となる。したがって、差動増幅部６は、コンデンサ５ａ，５ｂにおける磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ側の端部の各電圧（すなわち、磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端間電圧Ｖａ，Ｖｂ）の差分電圧（図１１における３段目の２つの両端間電圧Ｖａ，Ｖｂの差分電圧、すなわち２段目の破線で示す直流電圧Ｖｄｃ）を増幅して、同図における４段目に示すように、振幅の大きな脈流電圧である出力信号Ｓ２を出力する。この場合、出力信号Ｓ２は交流信号Ｓ１に対して二乗検波された信号を増幅したものであるため、交流信号Ｓ１の周波数（共振周波数ｆ２と同じ周波数）の２倍の周波数が検出される。
【００３５】
また、信号検出装置１では、上記したように、磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端間電圧Ｖａ，Ｖｂの差分電圧を平滑することなく差動増幅部６で増幅して、直流電圧としての出力信号Ｓ２を出力している。このため、インダクタを使用して平滑する従来の構成とは異なり、この信号検出装置１では、交流信号Ｓ１が発生後短時間で消滅する信号であったとしても、磁気抵抗効果素子２の共振時に発生する磁気抵抗効果素子２の両端間の直流電圧Ｖｄｃが確実に出力信号Ｓ２として出力される。このため、発生後短時間で消滅する交流信号Ｓ１についても、この出力信号Ｓ２に基づいて、その交流信号Ｓ１の存在が確実に検出される。また、差動増幅部６が、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端間電圧Ｖａ，Ｖｂの差分電圧を増幅して出力信号Ｓ２として出力するように作動する。この場合、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの電気的特性が互いに同等となっているため、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂにおいて交流信号Ｓ１の印加に起因して発生する同相ノイズ成分は、ほぼ同じレベルで発生する。したがって、この同相ノイズ成分は、差動増幅部６によって相殺される結果、大幅に低減される。
【００３６】
このように、この信号検出装置１によれば、交流信号Ｓ１の供給時に各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端間に発生する直流電圧（両端間電圧）Ｖａ，Ｖｂの差分を差動増幅部６を用いて検出するように構成したことにより、インダクタを使用する構成とは異なり、交流信号Ｓ１が発生後短時間で消滅する信号であったとしても、差動増幅部６が、一方の磁気抵抗効果素子２ａの共振時に発生する各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端間電圧Ｖａ，Ｖｂの差分（直流電圧Ｖｄｃ（整流された脈流電圧））を確実に増幅して出力信号Ｓ２として出力することができる。したがって、この信号検出装置１によれば、発生後短時間で消滅する交流信号Ｓ１についても、連続して入力される交流信号Ｓ１と同様にして、この出力信号Ｓ２に基づいて、その交流信号Ｓ１の存在を確実に検出することができる。また、この信号検出装置１によれば、交流信号Ｓ１を各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂに供給した状態での各両端間電圧Ｖａ，Ｖｂの差分を差動増幅部６で検出するように構成したことにより、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂにおいて交流信号Ｓ１の印加に起因して発生する同相ノイズ成分を大幅に低減することができるため、出力信号Ｓ２に基づいて、所定の周波数の信号を含む交流信号Ｓ１の存在を良好に検出することができる。
【００３７】
また、この信号検出装置１では、磁場発生用配線３１ａ，３１ｂに供給する電流Ｉａ，Ｉｂの電流値を変更可能に各電流供給部３３ａ，３３ｂが構成されて、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂに印加する磁場Ｈａ，Ｈｂの強さを変更可能に各磁場印加部３ａ，３ｂが構成されている。したがって、この信号検出装置１によれば、１つの磁気抵抗効果素子２ａに印加する磁場Ｈａの強さを変更することで磁気抵抗効果素子２ａの共振周波数を変更できるため、入力端子４に入力される交流信号Ｓ１に関して、検出する周波数成分を変更することができる。また、他の磁気抵抗効果素子２ｂに印加する磁場Ｈｂの強さを変更することで磁気抵抗効果素子２ｂの共振周波数を変更できるため、入力端子４に入力される交流信号Ｓ１に含まれる周波数成分に対応させて、常に共振しない状態に磁気抵抗効果素子２ｂを維持することができ、これにより、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂにおいて交流信号Ｓ１の印加に起因して発生する同相ノイズ成分を差動増幅部６での差分検出動作によって確実に低減することができる。
【００３８】
なお、本発明は上記の構成に限定されない。例えば、磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂとしてＴＭＲ素子を使用した例について上記したが、他の磁気抵抗効果素子を使用することもできる。具体的には、図１３に示す構成のＣＰＰ−ＧＭＲ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ  ｇｉａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を磁気抵抗効果素子２として使用することができる。このＣＰＰ−ＧＭＲ素子の概要について説明すると、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子は、同図に示すように、キャップ層４１、磁化自由層４２、スペーサ層（本発明における非磁性スペーサ層）４３、磁化固定層４４、反強磁性層４５、バッファ層４６を備え、この順に積層された状態で、上部電極２５ａ（２５ｂ）と下部電極２６ａ（２６ｂ）との間に、キャップ層４１が上部電極２５ａ（２５ｂ）に接続され、かつバッファ層４６が下部電極２６ａ（２６ｂ）に接続された状態で上部電極２５ａ（２５ｂ）と下部電極２６ａ（２６ｂ）との間に配設されている。この場合、磁化固定層４４は、一例として同図に示すように、磁化方向が固定された強磁性層（第２磁性層）４４ａ、Ｒｕなどの金属からなる非磁性層４４ｂ、および磁化方向が強磁性層（第２磁性層）４４ａと逆向きとなるように固定された他の強磁性層（第１磁性層）４４ｃとを備え、強磁性層４４ｃが反強磁性層４５の上部に位置するように各層がこの順に積層されて構成されている。磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂとしてＣＰＰ−ＧＭＲ素子を使用する構成では、ＴＭＲ素子を使用する構成と比較して、ピーク波形がより尖鋭な波形となるため、より精度良く交流信号Ｓ１の存在を検出することができる。
【００３９】
また、交流信号Ｓ１に周波数が異なる複数の交流信号が含まれているときであっても、磁場印加部３ａが印加する磁場Ｈａの強さに対する漸増または／および漸減の制御を行うことにより、上記の動作と同様にして、磁場Ｈａの各強度における出力信号Ｓ２の電圧値をそれぞれ観測して、電圧波形にピーク波形が存在しているか否かに基づいて、磁場Ｈａの強さを漸増または漸減する１回の検出動作でこの複数の交流信号の存在を検出することができる。このため、信号検出装置１を周波数アナライザとして作動させることができる。
【００４０】
また、差動増幅部６をオペアンプで構成した例について上記したが、図１４に示すように、１つのトランジスタ（少なくとも１つの一例）を使用して差動増幅部６を構成することもできる。なお、複数のトランジスタを用いて構成することもできる。また、図２と同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。この場合、同図に示すように、トランジスタとしてＮＰＮ型バイポーラトランジスタ（以下、「トランジスタ」ともいう）６１を使用したときには、そのエミッタ端子（電流出力端子）をインピーダンス素子６３を介してコンデンサ５ａと磁気抵抗効果素子２ａとの接続点（磁気抵抗効果素子２ａにおける入力端子４側の端子）に接続し、そのベース端子（制御端子）をインピーダンス素子６２を介してコンデンサ５ｂと磁気抵抗効果素子２ｂとの接続点（磁気抵抗効果素子２ｂにおける入力端子４側の端子）に接続し、そのコレクタ端子は抵抗６４を介して電源（Ｖｃｃ）に接続する。また、トランジスタ６１を線形領域で動作させるために、トランジスタ６１のベース端子側に接続される磁気抵抗効果素子２ｂとグランドとの間に直流定電圧源６５を配設して、エミッタ端子とベース端子との間の電位差が常にトランジスタ６１のＶＢＥ（約０．７ボルト）より大きくなるように設定する。インピーダンス素子６２，６３としては、通常、抵抗が使用され、その抵抗値は入力端子４に交流信号Ｓ１を供給する供給ラインのインピーダンス（通常は５０Ω）に対して十分に大きな抵抗値（約５００Ω以上）に設定される。この構成により、各磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの両端間電圧Ｖａ，Ｖｂの差分が１つのトランジスタ６１で増幅されてコレクタ端子に接続された出力端子７ａから出力信号Ｓ２が出力される。このように差動増幅部６を１つのトランジスタ６１で構成することにより、差動増幅部６を少ない部品点数で構成することができ、製品コストを低減することができる。また、トランジスタ６１の動作点をより安定化させるため、同図に示すように、エミッタ端子側に定電流源６６を配設する構成を採用することもできる。この場合、トランジスタ６１のエミッタ端子およびインピーダンス素子６３の接続点と定電流源６６との間にインダクタ６７を配設して、交流成分の定電流源６６への流れ込みを低減する構成とするのがより好ましい。また、トランジスタとして電界効果型トランジスタを使用してもよいのは勿論である。
【００４１】
また、上記の例では、磁場印加部３ａ，３ｂの磁場発生用配線３１ａ，３１ｂ、磁気ヨーク３２ａ，３２ｂおよび磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂを、公知の半導体製造プロセスを利用してシリコンウェハ上に形成しているが、磁場印加部３ａ，３ｂを構成する電流供給部３３ａ，３３ｂ、コンデンサ５ａ，５ｂおよび差動増幅部６を同じシリコンウェハ上に一体的に形成することもできる。また、信号検出装置１については、差動増幅部６から出力される出力信号Ｓ２の周波数が交流信号Ｓ１の周波数の２倍となるため、逓倍装置としても構成することができる。また、上記の例では、電流供給部３３ｂから出力される電流Ｉｂの電流値を変更することにより、磁場印加部３ｂが磁気抵抗効果素子２ｂに印加する磁場Ｈｂの強さを変更可能に構成されているが、これに限らない。例えば、電流供給部３３ｂから出力される電流Ｉｂの電流値を固定の一定値に規定しておく構成を採用することもできる。また、電流供給部３３ｂを用いることなく、磁気素子を配設して磁気抵抗効果素子２ｂに固定磁場を印加しておく構成を採用することができる。さらに、磁気抵抗効果素子２ｂに磁場を印加しない構成を採用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】信号検出装置１の構成を示す斜視図である。
【図２】図１の等価回路図である。
【図３】磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ（ＴＭＲ素子）近傍の斜視図である。
【図４】磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの磁化自由層２１近傍の斜視図である。
【図５】磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂの磁場発生用配線３１ａ，３１ｂと直交する方向に沿った断面図である。
【図６】磁気抵抗効果素子２ａに印加する磁場Ｈａを一定としたときの周波数ｆと磁気抵抗効果素子２ａの両端間の直流電圧Ｖｄｃとの関係図である。
【図７】磁気抵抗効果素子２ｂに印加する磁場Ｈｂを一定としたときの周波数ｆと磁気抵抗効果素子２ｂの両端間の直流電圧Ｖｄｃとの関係図である。
【図８】周波数がｆ１の交流信号Ｓ１を供給したときの磁気抵抗効果素子２ａの両端間電圧Ｖａの波形図である。
【図９】周波数がｆ２の交流信号Ｓ１を供給したときの磁気抵抗効果素子２ａの両端間電圧Ｖａの波形図である。
【図１０】周波数がｆ３の交流信号Ｓ１を供給したときの磁気抵抗効果素子２ａの両端間電圧Ｖａの波形図である。
【図１１】信号検出装置１の動作を説明するための波形図である。
【図１２】磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂに印加する磁場Ｈを変化させたときの共振周波数ｆと磁気抵抗効果素子２の両端間の直流電圧Ｖｄｃのピーク値との関係を示す波形図である。
【図１３】磁気抵抗効果素子２ａ，２ｂ（ＣＰＰ−ＧＭＲ素子）近傍の斜視図である。
【図１４】差動増幅部６を１つのトランジスタ６１で構成した場合の回路図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  信号検出装置
２ａ，２ｂ  磁気抵抗効果素子
３ａ，３ｂ  磁場印加部
４ａ，４ｂ  入力端子
５ａ，５ｂ  コンデンサ
６  差動増幅部
２１，４２  磁化自由層
２２，４３  スペーサ層
２３，４４  磁化固定層
【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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【図１３】
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【図１４】
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