WO2015137277A1

WO2015137277A1 - 磁気センサー

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Publication number: WO2015137277A1
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Authority: WO
Inventors: 卓男西川
Original assignee: Konica Minolta Inc
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Priority date: 2014-03-11
Filing date: 2015-03-09
Publication date: 2015-09-17
Anticipated expiration: 2016-09-11
Also published as: JP2017083173A

Abstract

トンネル磁気抵抗素子を利用した磁気センサーにおいて、高感度化を達成し、微弱な磁気変化を高精度に計測する。磁気センサーは、強磁性金属磁化自由層４の磁化の向きに変化を与える磁場発生源ａ６１を制御して、強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを、強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸ｃ４から回転させて、強磁性金属磁化固定層６の容易磁化軸に対して所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させるフィードバック回路を備える。例えば、強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸が強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸ｃ１に対し平行で、所定のねじれ角は９０度である。このねじれの位置を、磁気を検出するための中立位置（計測上のゼロ点）にし、磁気信号に変動があれば、これをフィードバック回路のループからはじき出すか、フィードバック回路の磁場発生源を制御する制御信号から抽出して、検出磁気信号を出力する。

Description

磁気センサー

　本発明は、微弱な磁場を感知することに適した磁気センサーに関する。

　特許文献１にも記載されるように、常温で使用可能で、小型軽薄化、高密度化等が可能なセンサーデバイスとして、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ（Tunnel Magneto Resistive）素子）を生体磁気の計測に適用することが提案されている。
　トンネル磁気抵抗素子は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、強磁性金属磁化固定層と強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により絶縁層の抵抗を変化させる。
　特許文献１に記載の発明は、このようなトンネル磁気抵抗素子を含む生体磁気センサーにおいて、高感度化を図るために、検出磁場ゼロでの強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸は、強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあることを特徴とする。

特開２０１３－１０５８２５号公報

　ＴＭＲ素子を、磁場の強弱を精度よく計測する磁気センサーとして使用していくためには検出磁場ゼロの状態（中立位置）からプラス磁場、マイナス磁場の変化に応じて上下に比例的に抵抗変化を起こすことが求められる。
　特許文献１に記載の発明によれば、検出磁場ゼロでの自由層の容易磁化軸が、固定層の容易磁化軸に対してねじれの位置にあるため、検出磁場ゼロの状態からプラス磁場、マイナス磁場の変化に応じて上下に比例的に抵抗変化を起こすことができる。
　この場合、ＴＭＲ素子は、図９に示すように検出磁場ゼロの状態での自由層１０４の磁化の方向Ｙ１に対して直交方向Ｙ２の磁場の強弱に応じた抵抗変化を示し、この困難磁化軸方向Ｙ２の磁場を検出するように用いられる。
　このようにＴＭＲ素子をその自由層の困難磁化軸方向の磁場を検出するように用いる場合、その感度は、ＴＭＲ素子の抵抗変化率／２Ｈｋとして表すことができる。ここで、２Ｈｋは、自由層の磁化の向きを困難磁化軸方向に反転させるのに必要な磁場に相当する。
　したがって、２Ｈｋを小さくすること、ＴＭＲ素子の抵抗変化率を大きくすることで感度を上げることが考えられた。
　しかしながら、ＴＭＲ素子によりその自由層の困難磁化軸方向Ｙ２の磁場を検出する場合、磁化の方向Ｙ１が容易磁化軸方向に向いている状態（図９のＧ３）及びその前後での磁場に対する抵抗変化は、直線的な変化特性を示すものの、磁化の方向Ｙ１が困難磁化軸方向に向いている状態（図９のＧ２又はＧ４）の付近では非線形な変化を示し、信頼性のある磁場の測定には適さないという問題がある。
　また、ＴＭＲ素子によりその自由層の容易磁化軸の磁場を検出しようとする場合は、検出磁場ゼロでの抵抗値は抵抗の上限値か下限値に安定しており、検出磁場ゼロからの磁場の変化を測定することはできないと考えられた（図８のＧ１参照）。

　本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、トンネル磁気抵抗素子を利用した磁気センサーにおいて、高感度化を達成し、微弱な磁気変化を高精度に計測することができる磁気センサーを提供することを課題とする。

　以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサーにおいて、
　前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きに変化を与える磁場発生源を制御して、前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸から回転させて、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対して所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させるフィードバック回路を備え、
　変動する検出磁気信号を、前記フィードバック回路から出力することを特徴とする磁気センサーである。
　ここで、「ねじれの位置」とは、空間内の２直線が平行でなく、かつ、交わっていない位置関係、すなわち、同一平面に存在できない２直線の位置関係をいう。ねじれの位置にある２直線に直交する直線を「ねじれの軸」といい、ねじれの軸まわりの一方の直線に対する他方の直線の相対角を「ねじれの角」という。

　請求項２記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域外での外乱によって前記ねじれ角が影響を受けないように安定化させ、
　前記検出磁気信号の変動周波数域での前記ねじれ角の変動に応じた信号を、前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサーである。

　請求項３記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によって前記ねじれ角が影響を受けないように安定化させ、
　前記磁場発生源を制御する制御信号から前記検出磁気信号の変動周波数域にある信号を抽出して前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサーである。

　請求項４記載の発明は、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸が前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対し平行の関係にあることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。

　請求項５記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記強磁性金属磁化自由層の困難磁化軸の方向に前記磁場発生源からの磁場を作用させて前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを前記所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサーである。

　請求項６記載の発明は、前記フィードバック回路は、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸の方向に前記磁場発生源からの磁場を作用させて前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを前記所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサーである。

　請求項７記載の発明は、前記所定のねじれ角を、４５度から１３５度の間とすることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。

　請求項８記載の発明は、前記絶縁層がＭｇＯからなることを特徴とするより請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載の磁気センサーである。

　本発明によれば、自由層の磁化の向きに変化を与える磁場発生源を制御して、自由層の磁化の向きを、自由層の容易磁化軸から回転させて、固定層の容易磁化軸に対して所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させることで、磁気を検出するための中立位置（計測上のゼロ点）にし、磁気信号に変動があれば、これをフィードバック回路のループからはじき出すか、フィードバック回路の磁場発生源を制御する制御信号から抽出して、検出磁気信号を出力することができる。
　磁気を検出するための中立位置で、自由層の磁化の向きと固定層の容易磁化軸とが所定のねじれ角を有するので、トンネル磁気抵抗素子の磁場に対する抵抗変化が直線的な変化特性を示す領域で磁気を計測でき、高感度化が達成され、微弱な磁気変化を高精度に計測することができる。
　特に、自由層の容易磁化軸の方向に磁場発生源からの磁場を作用させて自由層の磁化の向きを所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させて中立位置にする場合には、トンネル磁気抵抗素子の磁場に対する抵抗変化が顕著となり、顕著に高感度化することができる。

本発明の一実施形態に係り、２つのＴＭＲ素子が構成されたＴＭＲモジュールの積層構造の断面図である。本発明の一実施形態に係る磁気センサーの回路ブロック図である。本発明の一実施形態に係る磁気センサーの回路ブロック図である。本発明の一実施形態に係り、自由層の磁化の向きを制御する様子を示す模式的斜視図である。本発明の一実施形態に係り、自由層の磁化の向きを制御する様子を示す模式的斜視図である。本発明の一実施形態に係り、自由層と、その磁化の向きを制御するための磁場を発生する磁場発生源の一形態を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係り、自由層と、その磁化の向きを制御するための磁場を発生する磁場発生源の他の一形態を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係り、自由層と、その磁化の向きを制御するための磁場を発生する磁場発生源の他の一形態を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係り、ＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性曲線と、この特性曲線上の３点におけるＴＭＲ素子の磁化方向の様子を示す模式的斜視図である。本発明の一実施形態に係り、ＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性曲線と、この特性曲線上の３点におけるＴＭＲ素子の磁化方向の様子を示す模式的斜視図である。従来の一例に係り、ＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性曲線と、この特性曲線上の３点におけるＴＭＲ素子の磁化方向の様子を示す模式的斜視図である。

　以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

　まず、図１に２つのＴＭＲ素子が構成されたＴＭＲモジュール１の積層構造の例を示す。図１に示すようにＴＭＲモジュール１は、シリコン基板２上に、下地層３、強磁性金属磁化自由層４、絶縁層５、強磁性金属磁化固定層６、ピンド層７、バッファー層８、上部電極層９が順次積層された積層構造を有する。強磁性金属磁化自由層４は軟磁性層４１、バリア層４２、強磁性層４３からなる。強磁性金属磁化固定層６は、強磁性層６１、バリア層６２、強磁性層６３からなる。

　図１に示すように強磁性金属磁化固定層６、ピンド層７、バッファー層８及び上部電極層は、互いに独立した２つの上部積層体１１，１２を構成する。一方の上部積層体１１に構成された強磁性金属磁化固定層６と、その下の絶縁層５と強磁性金属磁化自由層４とで、１つのＴＭＲ素子が構成される。同様に他方の上部積層体１２に構成された強磁性金属磁化固定層６と、その下の絶縁層５と強磁性金属磁化自由層４とで、１つのＴＭＲ素子が構成される。
　印加電圧の陽極側及び陰極側のうち一方を、上部積層体１１に構成された上部電極層９に接続し、他方を上部積層体１２に構成された上部電極層９に接続することで、以上の２つのＴＭＲ素子を直列にして利用する。
　さらに複数のＴＭＲモジュール１を直列に接続することで、４つ以上のＴＭＲ素子を直列にして使用することができる。
　但し、以上のＴＭＲモジュール１の構造は一例であって、強磁性金属磁化自由層４の下地に下部電極層を設けることで、最少単位として１つのＴＭＲ素子から適用できる。

　絶縁層５は、強磁性金属磁化固定層６と強磁性金属磁化自由層４との間に配置される。絶縁層５としては、各種の絶縁材料を用いることができ、例えば、ＭｇＯ、ＡｌＯｘ等が使用できる。素子の感度を向上させるという観点からはＭｇＯが好ましく、特に、生体磁気信号のような微弱磁場をＴＭＲ素子で検出するためには、絶縁層５としてＭｇＯ膜を用いることが好ましい。絶縁層５の層厚は、１ｎｍ～１０ｎｍ程度にすることが望ましい。

　以上のようなＴＭＲモジュール１を用いて、図２又は図３に示すようにブリッジを構成し、フィードバック回路を備えた磁気センター１０Ａ又は１０Ｂを構成する。
　図２及び図３に示すように、基準電圧Ｖ１が印加される電極間に、定抵抗Ｒ１及び定抵抗Ｒ２が直列に、定抵抗Ｒ３及びＴＭＲモジュール１が直列にそれぞれ接続される。
　定抵抗Ｒ１と定抵抗Ｒ２の間の電極、及び定抵抗Ｒ３とＴＭＲモジュール１の間の電極が計装増幅器ａ１に取り出され、計装増幅器ａ１がそれらの電極間の電位差を検出し、電圧増幅器ａ２に出力する。

　図２に示す磁気センター１０Ａにあっては、さらに次の構成を有する。
　電圧増幅器ａ２の出力信号は、ローパスフィルターａ３及びバッファー回路ａ７に出力される。ローパスフィルターａ３の出力信号は比較器ａ４で基準値と比較され、基準値との比較結果に応じた制御信号が電力増幅部ａ５に出力される。
　電力増幅部ａ５が制御信号に基づき、磁場発生コイルａ６に電流を流すための電力を生成し、磁場発生コイルａ６によってＴＭＲモジュール１に磁場を与える。

　図３に示す磁気センター１０Ｂにあっては、さらに次の構成を有する。
　電圧増幅器ａ２の出力信号は、比較器ａ４で基準値と比較され、基準値との比較結果に応じた制御信号が電力増幅部ａ５に出力される。
　電力増幅部ａ５が制御信号に基づき、磁場発生コイルａ６に電流を流すための電力を生成し、磁場発生コイルａ６によってＴＭＲモジュール１に磁場を与える。
　なお、磁場発生コイルａ６は、強磁性金属磁化自由層４の磁化の向きに変化を与える磁場発生源である。

　次に、図４、図５を参照して、磁気を検出するための中立位置の磁化の向きと、上記の基準値との関係を説明する。
　図４に自由層４と固定層６を模式的に示す。自由層４と固定層６との間の絶縁層の図示を省略する。
　図４に示すように固定層６においては、容易磁化軸ｃ１方向に磁化の向きｃ２が一致しており、磁化の向きｃ２は固定されている。この容易磁化軸ｃ１に対し自由層４の容易磁化軸ｃ４が平行であるＴＭＲ素子を適用する。
　自由層４においては、制御磁場ｃ３の付与前の磁化の向きｃ５は容易磁化軸ｃ４方向に一致しているが、容易磁化軸ｃ４に略直交した制御磁場ｃ３の付与によって容易磁化軸ｃ４から回転させ、磁化の向きｃ６は容易磁化軸ｃ４に略直交した方向に向いている。このねじれの位置を、磁気を検出するための中立位置とする。制御磁場ｃ３は、上述した磁場発生コイルａ６によって発生した磁場であって、基準値との比較器ａ４を含めたフィードバック回路によって制御されたものである。

　なお、磁場発生コイルａ６は、図４、図５及び図６Ａにおいては符号ａ６１で示す。
　磁場発生源の形態としては、図６Ａに示す同軸配置されたコイルａ６１，ａ６１で自由層４を挟んだ構成、図６Ｂに示す逆方向電流が流される平行導線ａ６２，ａ６２で自由層４を挟んだ構成、図６Ｃに示すコイルａ６３で自由層４を囲んだ構成を挙げることができる。それぞれ磁力線を矢印付線で示す。

　以上のような中立位置を形成するために基準値を設定する。すなわち、この中立位置にある状態で比較器ａ４に入力される信号と基準値との差がゼロとなるように、基準値を設定する。比較器ａ４に入力される信号と基準値とに差が生じれば、差がゼロに収束するように、すなわち、自由層４の磁化の向きｃ６が中立位置に安定するようにフィードバック制御する。
　図４において中立位置にある磁化の向きｃ６に直交する方向（ｃ７）が、検出磁場の方向となる。すなわち、本磁気センサー１０Ａ，１０Ｂは、検出軸ｃ７の方向の磁場の強弱を検出する。図４からわかるように、この構成では、容易磁化軸ｃ４と平行な方向の外部磁場の変動を検出することとなる。
　以上のように図４に示す構成では、本磁気センサー１０Ａ，１０Ｂのフィードバック回路は、自由層４の困難磁化軸の方向に磁場発生コイルａ６１からの磁場ｃ３を作用させて自由層４の磁化の向きｃ６を所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させる。
　説明の明確化のために、以上の図４に示した中立位置を、「困難磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」と呼ぶ。

　図４に示す構成と異なり、本磁気センサー１０Ａ，１０Ｂのフィードバック回路が、自由層４の容易磁化軸ｃ４の方向に磁場発生コイルａ６１からの磁場ｃ３を作用させて自由層４の磁化の向きｃ６を所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させる構成は、図５に示す通りである。
　すなわち、図４では、容易磁化軸ｃ１、ｃ４が制御磁場ｃ３に直交しているが、図５では、容易磁化軸ｃ１、ｃ４が制御磁場ｃ３の方向と一致するように配置する。
　説明の明確化のために、以上の図５に示した中立位置を、「容易磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」と呼ぶ。

　上記の「困難磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態（図４）は、図７に示すＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性曲線Ｇ１上の点（Ｈ0，Ｒ0）にある状態に相当する。Ｈ0は磁場発生コイルａ６１よって発生した磁場である。
　検出対象となる外部磁場が検出軸ｃ７（図４）について変動すると、図７のＧ３において円弧矢印ｄ１、ｄ２で示すように自由層４の磁化の向きｃ６が振れる。円弧矢印ｄ１方向に自由層４の磁化の向きｃ６が振れることは、図７に示すＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性曲線Ｇ１上で、直線矢印ｄ１で示すように点（Ｈ0，Ｒ0）からスロープを上がることに相当し、大きく振れれば挿入図Ｇ３に示す状態から挿入図Ｇ４に示す状態に近づくことに相当する。反対に、円弧矢印ｄ２方向に自由層４の磁化の向きｃ６が振れることは、図７に示すＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性曲線Ｇ１上で、直線矢印ｄ２で示すように点（Ｈ0，Ｒ0）からスロープを下ることに相当し、大きく振れれば挿入図Ｇ３に示す状態から挿入図Ｇ２に示す状態に近づくことに相当する。

　上記の「容易磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態（図５）は、図８に示すＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性曲線Ｇ１上の点（Ｈ0，Ｒ0）にある状態に相当する。Ｈ0は磁場発生コイルａ６１よって発生した磁場である。
　検出対象となる外部磁場が検出軸ｃ７（図５）について変動すると、図８のＧ３において円弧矢印ｄ１、ｄ２で示すように自由層４の磁化の向きｃ６が振れる。円弧矢印ｄ１方向に自由層４の磁化の向きｃ６が振れることは、図８に示すＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性曲線Ｇ１上で、直線矢印ｄ１で示すように点（Ｈ0，Ｒ0）からスロープを上がることに相当し、大きく振れれば挿入図Ｇ３に示す状態から挿入図Ｇ４に示す状態に近づくことに相当する。反対に、円弧矢印ｄ２方向に自由層４の磁化の向きｃ６が振れることは、図８に示すＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性曲線Ｇ１上で、直線矢印ｄ２で示すように点（Ｈ0，Ｒ0）からスロープを下ることに相当し、大きく振れれば挿入図Ｇ３に示す状態から挿入図Ｇ２に示す状態に近づくことに相当する。

　なお、図７及び図８で、縦軸ＲはＴＭＲ素子の抵抗を、横軸ＨはＴＭＲ素子に作用する外部磁場を示す。挿入図Ｇ２では磁化の向きＣ２，Ｃ６が平行状態、挿入図Ｇ４では磁化の向きＣ２，Ｃ６が反平行状態、挿入図Ｇ３では磁化の向きＣ２，Ｃ６が中立位置までねじれた状態を示す。磁化の向きＣ２，Ｃ６が平行状態では抵抗Ｒは下限Ｒｂとなり、磁化の向きＣ２，Ｃ６が反平行状態では抵抗Ｒは上限Ｒａとなる。

　以上説明したＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性を利用して本磁気センサー１０Ａ、１０Ｂは、脳磁気などの生体磁気信号や、非破壊検査装置において検査対象物に印加され当該検査対象物から漏れてくる所定周波のパルス波形などを形成する磁気信号を測定することができる。
　一方、温度変化等の外乱により緩やかに変化する磁場変動についてはこれを検出しないように除去する。
　測定対象とする頭蓋などの生体外面や、配管、壁などの非破壊検査装置における検査対象物の外面に、本磁気センサー１０Ａ、１０Ｂを多数配置して、各センサーの検出値をマッピングできるように測定システムを構成して実施する。

　図２に示した磁気センサー１０Ａにあっては、温度変化等の外乱により緩やかに変化する磁場変動については、点（Ｈ0，Ｒ0）で示す中立位置から矢印ｄ１，ｄ２に示すように磁化の向きＣ２とＣ６とのねじれ角、従ってＴＭＲ素子抵抗が変化しようとしても、ローパスフィルターａ３を通過する信号となるので、上述したフィードバック制御により、点（Ｈ0，Ｒ0）で示す中立位置に安定化させる。
　ローパスフィルターａ３を通過しない比較的高周波の磁気変動については、磁場発生コイルａ６までフィードバクされないので、磁化の向きＣ２とＣ６とのねじれ角、従ってＴＭＲ素子抵抗の変化を許し、その変化に応じた信号が計装増幅器ａ１、電圧増幅器ａ２、バッファー回路ａ７を介して、検出磁気信号として出力される。
　ローパスフィルターａ３のカットオフ周波数の設定により、温度変化等の外乱を除外し測定対象とする磁気信号を検出することができる。
　以上のように、磁気センサー１０Ａのフィードバック回路は、検出磁気信号の変動周波数域外での外乱によって磁化の向きＣ２とＣ６とのねじれ角が影響を受けないように安定化させる。そして、磁気センサー１０Ａは、検出磁気信号の変動周波数域での当該ねじれ角の変動に応じた信号を、検出磁気信号として出力する。

　図３に示した磁気センサー１０Ｂにあっては、ＴＭＲモジュール１から比較器ａ４までの間にフィルターを設けていないので、検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によって磁化の向きＣ２とＣ６とのねじれ角が影響を受けないように上述したフィードバック制御により、点（Ｈ0，Ｒ0）で示す中立位置に安定化する。
　さらに磁気センサー１０Ｂは、磁場発生コイルａ６を制御する制御信号から比較的高周波の信号成分をハイパスフィルターｂ１で通過させ、バッファー回路ｂ２を介して検出磁気信号として出力する。
　ハイパスフィルターｂ１のカットオフ周波数の設定により、温度変化等の外乱による信号成分を除外し測定対象とする磁気信号を検出することができる。
　以上のように、磁気センサー１０Ｂのフィードバック回路は、検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によって磁化の向きＣ２とＣ６とのねじれ角が影響を受けないように安定化させる。そして、磁気センサー１０Ｂは、磁場発生源を制御する制御信号から検出磁気信号の変動周波数域にある信号を抽出して検出磁気信号として出力する。

　以上説明したように本実施形態の磁気センサーによれば、図７又は図８に示したＴＭＲ素子のＨ－Ｒ特性のうち、点（Ｈ0，Ｒ0）を含んだ直線的な変化特性を示す領域を利用して磁気を計測でき、高感度化が達成され、微弱な磁気変化を高精度に計測することができる。直線的な変化特性を示す領域を利用するために、上記の中立位置における自由層の磁化の向きの固定層の容易磁化軸に対する所定のねじれ角を、４５度から１３５度の間とすることが好ましい。より好ましくは、６０度から１２０度である。
　特に、図５に示すように自由層４の容易磁化軸ｃ４の方向に磁場発生源からの磁場を作用させて自由層４の磁化の向きを所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させて中立位置にする場合には、図８に示すようにＴＭＲ素子の磁場に対する抵抗変化が顕著となり、顕著に高感度化することができる。すなわち、図８に示すようなヒステリシスの高いＨ－Ｒ特性においては自由層の磁化の向きの変化、従って抵抗変化は非常に急激であり、制御磁場Ｈ0を与えることにより、検出磁場ゼロ（計測上のゼロ点）を図８のＧ３に示すねじり状態であって図８のＧ１に示す急勾配上の点（Ｈ0，Ｒ0）に持っていくことができ、極微小な検出磁場の変化に伴ってより急峻に磁化反転、従って抵抗を変化させることができるから、顕著に高感度化することができる。
　なお、図９に示したＨ－Ｒ特性を利用した測定や、図７に示した点（Ｈ0，Ｒ0）及びその付近のＨ－Ｒ特性を利用した測定は、磁場のダイナミックレンジを要するような非破壊検査などに、図８に示した点（Ｈ0，Ｒ0）及びその付近のＨ－Ｒ特性を利用した測定は、脳磁場のような超微弱磁場の検出に向いている。

　図２に示した磁気センサー１０Ａを、図４に示した「困難磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態を形成するように構成して図７に示した点（Ｈ0，Ｒ0）及びその付近のＨ－Ｒ特性を利用して測定するようにしてもよいし、図５に示した「容易磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態を形成するように構成して図８に示した点（Ｈ0，Ｒ0）及びその付近のＨ－Ｒ特性を利用して測定するようにしてもよい。
　また、図３に示した磁気センサー１０Ｂを、図４に示した「困難磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態を形成するように構成して図７に示した点（Ｈ0，Ｒ0）及びその付近のＨ－Ｒ特性を利用して測定するようにしてもよいし、図５に示した「容易磁化軸の方向の制御磁場によって強制した中立位置」にある状態を形成するように構成して図８に示した点（Ｈ0，Ｒ0）及びその付近のＨ－Ｒ特性を利用して測定するようにしてもよい。

　本発明は、微弱な磁気変化を高精度に計測することに利用することができる。

１ＴＭＲモジュール
２シリコン基板
３下地層
４強磁性金属磁化自由層
５絶縁層
６強磁性金属磁化固定層
７ピンド層
８バッファー層
９上部電極層
１０Ａ磁気センター
１０Ｂ磁気センター
４１軟磁性層
４２バリア層
４３強磁性層
６１強磁性層
６２バリア層
６３強磁性層
ａ６磁場発生コイル
ｃ１容易磁化軸
ｃ３制御磁場
ｃ４容易磁化軸
ｃ７検出軸
Ｒ１定抵抗
Ｒ２定抵抗
Ｒ３定抵抗

Claims

　磁化の向きが固定された強磁性金属磁化固定層、外部からの磁場の影響を受けて磁化の向きが変化する強磁性金属磁化自由層、及び、前記強磁性金属磁化固定層と前記強磁性金属磁化自由層との間に配置された絶縁層を有し、前記強磁性金属磁化固定層の磁化の向きと前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きとの角度差に従ってトンネル効果により前記絶縁層の抵抗を変化させるトンネル磁気抵抗素子を含む磁気センサーにおいて、
　前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きに変化を与える磁場発生源を制御して、前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸から回転させて、前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対して所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させるフィードバック回路を備え、
　変動する検出磁気信号を、前記フィードバック回路から出力することを特徴とする磁気センサー。
　前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域外での外乱によって前記ねじれ角が影響を受けないように安定化させ、
　前記検出磁気信号の変動周波数域での前記ねじれ角の変動に応じた信号を、前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
　前記フィードバック回路は、前記検出磁気信号の変動周波数域を含めて外乱によって前記ねじれ角が影響を受けないように安定化させ、
　前記磁場発生源を制御する制御信号から前記検出磁気信号の変動周波数域にある信号を抽出して前記検出磁気信号として出力することを特徴とする請求項１に記載の磁気センサー。
　前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸が前記強磁性金属磁化固定層の容易磁化軸に対し平行の関係にあることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載の磁気センサー。
　前記フィードバック回路は、前記強磁性金属磁化自由層の困難磁化軸の方向に前記磁場発生源からの磁場を作用させて前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを前記所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサー。
　前記フィードバック回路は、前記強磁性金属磁化自由層の容易磁化軸の方向に前記磁場発生源からの磁場を作用させて前記強磁性金属磁化自由層の磁化の向きを前記所定のねじれ角を有したねじれの位置に安定化させることを特徴とする請求項４に記載の磁気センサー。
　前記所定のねじれ角を、４５度から１３５度の間とすることを特徴とする請求項１から請求項６のうちいずれか一に記載の磁気センサー。
　前記絶縁層がＭｇＯからなることを特徴とするより請求項１から請求項７のうちいずれか一に記載の磁気センサー。