磁気抵抗 (MR) センサー は、ハードディスク ドライブから宇宙探査、バイオメディカル、診断まで、あらゆる分野で応用されています。範囲は広いものの、ほとんどの衛星には、物体を検出するか、宇宙空間での位置を特定するかという2つの目的があります。
MRセンサーは、多くの材料の抵抗が磁場の存在によって変化するという事実を利用します。望ましい出力値を計算するには信号処理が必要です。これが、MRセンサーが特別な設計上の課題を提示する理由です。しかし、彼らは物理的な接触なしに正確で信頼できるデータを提供することでそれを補っています。また、非常に過酷な産業環境でも耐えることができ、広い温度範囲にわたって結果が安定しています。
設計エンジニアが最も頻繁に使用するMRセンサーには次の3種類があります。
- 異方性磁気抵抗効果（AMR）
- 巨大磁気抵抗効果（GMR）
- トンネル磁気抵抗効果（TMR）
それぞれのタイプの材質と製造方法は異なりますが、重要な違いの1つは、センサーが生成する信号強度です。AMRでは抵抗が約4パーセント変化し、GMRでは15パーセント以上、TMRでは400パーセント以上変化します。
AMRテクノロジーは、磁場の存在下で強磁性体の抵抗の変化を直接測定します。ただし、最良の結果を得るために、最新のアプリケーションでは微細加工と薄膜技術を使用してAMRチップを作成します。
GMRも強磁性材料を使用しますが、やや複雑です。電子散乱のスピン方向への依存性を利用します。これは、非常に薄い強磁性体と非磁性体の導電層が交互に積層された材料で発生します。効果は、隣接する強磁性層の磁化が平行になっているか、反平行になっているかによって異なります。全体的な抵抗は、平行配置の場合は比較的低く、反平行配置の場合は比較的高くなります。
TMRは微細加工技術と強磁性材料にも依存します。磁気トンネル接合 (MTJ) は、薄い絶縁体で分離された2つの強磁性体で構成されます。絶縁層が十分に薄い場合（数ナノメートル）、電子は一方の強磁性体からもう一方の強磁性体へトンネルすることができます。強磁性膜の磁化方向は外部磁場によって個別に切り替えることができます。
図1は、GMRおよびTMRと比較したAMRセンサーの製造の相対的な単純さを示しています。
図1: 3種類のMRデバイスの製造構造。
タイプに関係なく、MRセンサーは機械部品のないソリッド ステート スイッチです。磁場の北極または南極のいずれかの磁場が感知範囲内にあるときに作動します。MRデバイスの感知方向はICの平行面にあり、ICに垂直な磁場を感知するホール センサーとは異なります。スペースが非常に狭い場合は、センサー チップをシステムの回路基板に直接統合できます。ただし、ほとんどのMRセンサーは、依然としてリード付きの標準パッケージで販売されています。
最も正確な結果を得るために、通常は4つのMR抵抗器がホイートストン ブリッジとして構成されます。抵抗器のうち2つは検出抵抗器であり、他の2つは基準抵抗器です。外部磁場が存在する場合、検出抵抗器の抵抗は減少しますが、基準抵抗器は変化しないため、ブリッジ出力に電圧が発生します。このトポロジーは、印加された磁場に比例した電圧出力を提供しますが、MRデバイスの絶対抵抗の変化にも影響を受けません。
アプリケーション
MRセンサーは、空気の隙間から情報を収集できるため、情報処理において初めて広く利用されるようになりました。ハードディスク ドライブの読み取りヘッドに組み込まれたAMRセンサーにより、回転するディスク上に配置されているヘッドは、ディスク上の磁気データの極性 (基本的には0か1か) を判別できます。1990年にIBMによって導入されたAMR読み取りヘッドにより、データ密度が年間約100% という急速な増加を実現しました。1997年にAMRヘッドに代わってGMRヘッドが導入され、2004年にはTMRヘッドを採用した最初のドライブが導入されました。
消費者の世界では、スマートフォンはMRテクノロジーを使用して、次の3つの方法で地球の磁場を感知します。
- マッピング/運転ルート案内アプリケーションでは、MRベースの磁力計が 加速度計 車の位置と方向を判断するためのGPSチップも搭載しています。
- iPhoneまたはAndroidがコンパス モードの場合、磁力計が磁北を検出し、それに応じて画面の向きを調整します。
- 当然のことですが、金属探知機アプリがインストールされている場合、それを機能させるのは磁力計です。
MRセンサーは、ステアリング角度、車輪速度、電気モーターの整流を監視するために自動車アプリケーションで広く使用されています。産業用アプリケーションでは、同様のアプリケーションが一般的です。
図2: 自動車および産業用途向けホイールスピードセンサー
MRセンサーの堅牢性こそが、宇宙産業で広く使用されている理由です。宇宙探査中に遭遇する環境条件には、 – 130° C～85° C、打ち上げ時の高G力、太陽放射線、宇宙放射線など、これらすべてがシリコンベースの位置検知チップにとって大きな課題となります。
MRセンサーは200℃を超える温度でも問題なく機能します。° C.MRセンサーはサイズと重量が小さいため、機械的衝撃が大きな影響を与えることはありません。非常に高い放射線のみが彼らに影響を与えます。その結果、2012年に火星探査機キュリオシティが着陸した際には、40個を超えるMRセンサーが搭載されていた。
MRセンサーの医療用途には、位置検知のような単純な用途から医療診断のような複雑な用途までが含まれます。用途としては、病院用ベッドの位置決めや、輸液ポンプのカートリッジの位置測定などがあります。AMRセンサーは、従来のリード スイッチやホール効果センサーと同等の性能を備え、パッケージ サイズが小さく、消費電力が低いため、これらのアプリケーションで従来のリード スイッチやホール効果センサーに取って代わっています。感度が高いため、より小さな磁石を使用でき、システム全体のコストがさらに削減されます。
MRバイオセンサーは、高感度、よりシンプルな計測機器、コンパクトなサイズ、統合の柔軟性を備えているため、診断プラットフォームとして有望視されています。従来の蛍光ラベルをMRラベルに置き換えるというアイデアです。蛍光標識では、患者はX線などの機器で観察できる蛍光物質を摂取します。MRラベリングでは、患者は超常磁性マーカー（例：磁性マイクロナノ粒子または磁性ナノ構造）を摂取します。感度の向上以外にも、MRバイオセンサーは、外部から印加される磁力によって超常磁性マーカーを制御および調整する独自の機能と、電子機器を1つのチップ上にコンパクトに統合する機能を備えています。
結論
磁気抵抗技術が広く使用されるようになったのはほんの数十年前ですが、検出能力が向上した新しい形態の技術が常に研究室から生まれています。MRセンサーは堅牢で、高感度、コンパクトであり、エアギャップ上で動作するため、アプリケーションも急増しています。多くのアプリケーションにおいて、シリコン競合製品よりも大幅に優れた性能を発揮します。