JP2019528624A - 平衡磁気抵抗周波数ミキサ - Google Patents

Abstract

【課題】平衡磁気抵抗周波数ミキサを提供すること。【解決手段】平衡磁気抵抗周波数ミキサは、第１のらせんコイルと、第２のらせんコイルと、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジと、磁気シールド層とを備える。第１のらせんコイルおよび第２のらせんコイルは、それぞれ磁気シールド層と平衡磁気抵抗センサ・ブリッジとの間に位置する。平衡磁気抵抗センサ・ブリッジは、４つの磁気抵抗ブリッジ・アームからなる磁気抵抗フル・ブリッジと、磁気抵抗フル・ブリッジの電源端に接続されているバランス磁気抵抗ブリッジ・アームとを備える。４つの磁気抵抗ブリッジ・アームは第１のらせんコイルの上方または下方の第１のサブ領域および第２のサブ領域内に位置するペアを含み、サブ領域は、電流が反対方向に流れる領域であり、平衡磁気抵抗アームは、電流が一方向に流れる第２のらせんコイルの上方または下方の第３のサブ領域内に位置し、第１の周波数信号は、第１のらせんコイルに入力され、第２の周波数信号は第２のらせんコイルに入力され、周波数混合信号は、磁気抵抗フル・ブリッジの信号出力端から出力される。この周波数ミキサは、良好な線形性および単純な構造に加えて、手動で隔離された入力信号および電源を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、磁気センサ技術の分野に関し、より詳細には、平衡磁気抵抗周波数ミキサに関する。

周波数ミキサは、周波数ｆ１の信号および周波数ｆ２の信号を特性周波数ｆ１＋ｆ２およびｆ１−ｆ２の出力信号に変換する電子デバイスである。周波数ミキサを用いることによって、信号周波数は、高い周波数または低い周波数の位置へシフトされ、これにより信号処理を助ける。例えば、信号周波数は、周波数混合技術を用いてシフトされ、それによりノイズ信号を隔離し、次いでノイズは、フィルタリング技術を用いてフィルタで除去することができ、信号周波数は、周波数混合技術を用いることによって元の値に回復させられ、このようにして、ノイズ信号に対する処理を実現する。したがって、周波数混合技術は、信号処理回路技術に幅広く適用されている。

現在使用されている周波数ミキサは、受動的周波数ミキサと能動的周波数ミキサという２つのタイプを含む。受動的周波数ミキサは、１つまたは複数のダイオードを採用し、ダイオードの電流電圧特性曲線の非線形部分のおおよその二次特性を使用して、乗算を実施する。動作は以下の通りである。２つの入力信号が、ダイオードに加えられ、結果として得られるダイオードの出力電流信号が、２つの入力信号の出力積を表す電圧信号に変換される。

能動的周波数ミキサは、乗算器（例えば、トランジスタまたは真空管）を用いることで積信号の強度を増大させ、入力周波数信号と局部発振器周波数を混合し、これによって２つの周波数の加算および減算を含む信号出力周波数が得られ得る。能動的周波数ミキサは、２つの入力端の隔離の程度を高めるが、ノイズがより大きくなり得るとともに消費電力がより大きくなり得る。

前述の周波数ミキサは、以下の問題を抱えている。
１）ダイオード周波数ミキサは、近似処理法を使用する。必要な周波数に加えて、他の不要な周波数の高調波も存在し、これは出力信号強度においてかなり大きいパワーを伴う。したがって、ノイズは、後で必要な信号を得る前にフィルタなどの技術を用いて分離される必要がある。
２）能動的周波数ミキサは、周波数混合を実施するために局部発振器を使用し、様々なタイプの他の周波数を含む出力信号も、フィルタを用いて分離される必要がある。また、乗算器および局部発振器などのデバイスは、回路の複雑さおよび消費電力を増大させる。
３）入力信号および出力信号は、有効に隔離することができず、したがって入力信号および出力信号は、互いに影響を及ぼす。

磁気抵抗周波数ミキサは、上記問題を解決するために中国特許第２０１３１０３１３５３８．３号に提案されている。外部磁場が変化するときに磁気抵抗センサが良好な線形関係を有するという特性を用いることによって、一方の周波数信号は、コイルを通じて流れる電流によって生成される磁場信号に変換され、他方の周波数信号は、磁気抵抗センサに印加される電源信号に変換される。したがって、磁気抵抗センサの出力信号は２つの周波数の乗算動作信号であり、得られた周波数はその和および差である。他の冗長な信号は存在せず、したがって、フィルタなどの他の要素は、必要とされない。コイルおよびセンサは、磁場によって結合され、こうして入力信号と入力信号の間、および入力信号と出力信号の間の有効な隔離を実現する。

しかしながら、上記の磁気抵抗周波数ミキサは、以下の問題を有する。第１の周波数信号および第２の周波数信号は、周波数ミキサの信号として働くことに加えて、磁気抵抗センサの電源信号としても働く。一般に、電源信号の振幅は、上記信号の振幅よりも大きく、したがって、第２の周波数信号のための周波数ミキサによる選択に影響を及ぼす。

上記問題を解決するために、本発明における平衡磁気抵抗周波数ミキサが提供され、第１の周波数信号および第２の周波数信号が周波数混合を実行するようにらせんコイルを通じて磁気抵抗アームに共に印加されるとともに、同時に、電圧源が個々に安定であり、したがって電源および信号として同時に働くことにより引きおこされる問題を回避する。

本発明は、以下の技術的解決手段により実現される。

本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサは、らせんコイルと、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジと、磁気シールド層とを備える。
らせんコイルは、磁気シールド層と平衡磁気抵抗センサ・ブリッジとの間に位置する。
らせんコイルは、第１のらせんコイルと第２のらせんコイルとを備える。
第１のらせんコイルの上面または下面は、電流が反対方向に流れる第１のサブ領域および第２のサブ領域を有する。
第２のらせんコイルの上面または下面は、電流が一方向に流れる第３のサブ領域を有する。
平衡磁気抵抗センサ・ブリッジは、磁気抵抗フル・ブリッジとこの磁気抵抗フル・ブリッジに接続された平衡磁気抵抗アームとを備える。
磁気抵抗フル・ブリッジは、４つの磁気抵抗ブリッジ・アームからなり、そのうち２つは第１のサブ領域内に位置するとともに、他の２つは第２のサブ領域内に位置する。平衡磁気抵抗アームは、第３のサブ領域内に位置する。
第１の周波数信号は第１のらせんコイルに入力され、第２の周波数信号は第２のらせんコイルに入力され、周波数混合信号は磁気抵抗フル・ブリッジの信号出力端から出力される。
周波数混合信号の出力周波数は、第１の周波数信号の周波数と第２の周波数信号の周波数の和またはそれらの間の差である。

さらに、磁気抵抗フル・ブリッジの電源出力端または入力端に接続されている１つの平衡磁気抵抗アームがあり、または
それぞれ磁気抵抗フル・ブリッジの電源出力端および入力端に接続されている２つの平衡磁気抵抗アームがある。

さらに、磁気抵抗ブリッジ・アームおよび平衡磁気抵抗アームは、Ｍ＊Ｎで配列された磁気トンネル接合を別々に備え、列ごとの磁気トンネル接合は、磁気トンネル接合セル・ストリングを形成するように直列に接続され、磁気トンネル接合セル・ストリングは、２ポート構造を形成するように直列、並列、または直列／並列のやり方で接続されており、Ｎは配列構造の列を示し、Ｍは配列構造の行を示し、ＮおよびＭはそれぞれ１以上の正の整数である。

さらに、磁気抵抗ブリッジ・アームにおける磁気トンネル接合の感知軸は、第１のらせんコイルの電流方向に全て直交し、平衡磁気抵抗アームにおける磁気トンネル接合の感知軸は、第２のらせんコイルの電流方向に全て直交し、第１のサブ領域内の磁気トンネル接合の感知軸の磁場の分布特性は、第２のサブ領域内の磁気トンネル接合のものと反対である。

さらに、第１のサブ領域内の磁気トンネル接合および第２のサブ領域内の磁気トンネル接合は、同一構造に接続されるとともに対称的に配置される。

さらに、第１のサブ領域および第２のサブ領域内の磁気トンネル接合の抵抗は、それぞれ、第１のらせんコイルにより発生させられる磁気トンネル接合の感知軸の磁場に線形である。さらに、
第３のサブ領域内の磁気トンネル接合の抵抗は、第２のらせんコイルにより発生させられる磁気トンネル接合の感知軸の磁場に線形である。

さらに、第１のサブ領域および第２のサブ領域内の磁気トンネル接合は、第１のらせんコイルの電流方向に直交または平行であり、第３のサブ領域内の磁気トンネル接合は、第２のらせんコイルの電流方向に直交または平行である。

さらに、第１の周波数信号は第１のらせんコイルに能動的または受動的に接続され、第２の周波数信号は第２のらせんコイルに受動的または能動的に接続され、周波数混合信号は平衡磁気抵抗センサ・ブリッジの信号出力端に受動的または能動的に接続される。

さらに、らせんコイルは、銅、金、銀、アルミニウム、およびタンタルのうち１つまたは複数で構成される高伝導金属材料のコイルであり、磁気シールド層は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＳｉＢ、およびＦｅＳｉＢＮｂＣｕのうち１つまたは複数で構成される高透磁率強磁性合金の層である。

さらに、らせんコイルの厚さは１〜２０μｍであり、らせんコイルの幅は５〜４０μｍであり、２つの隣接したらせんコイル間の間隔は１０〜１００μｍであり、磁気シールド層の厚さは１〜２０μｍである。

本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサでは、第１の周波数信号は、第１のコイルを通じて磁気抵抗ブリッジの４つの磁気抵抗ブリッジ・アームにさらに印加され、第２の周波数信号は、第２のコイルを通じて磁気抵抗ブリッジに直列接続された平衡磁気抵抗アームに印加され、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジの２つの端は、４つの磁気抵抗ブリッジ・アームからなり、平衡磁気抵抗アームは、電源および接地に直接接続されている。
周波数ミキサの動作中、電源と接地の間の電圧は不変であり、４つの磁気抵抗ブリッジ・アームからなる磁気抵抗フル・ブリッジの２つの端における電圧は、平衡磁気抵抗アームによって調整され、これによって第１の周波数信号の周波数と第２の周波数信号の周波数を同様に混合する。
この方法は、第１の周波数信号および第２の周波数信号が、周波数混合を実施するようにらせんコイルを通じて磁気抵抗アーム（磁気抵抗ブリッジ・アームおよび平衡磁気抵抗アーム）に共に印加されるとともに、同時に、電圧源は個々に安定であり、したがって電源および信号として同時に働くことによる引きこされる問題を回避するという利点を有する。

本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサの断面図である。 本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサの平面図である。 本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサの概略構造図である。 本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサの別の概略構造図である。 磁気抵抗に関しての本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサにおけるらせんコイルの磁場分布図である。 本発明による磁気シールド層がある場合またはない場合のらせんコイルの磁場分布図である。 本発明による磁気シールド層対外部磁場の減衰ファクタの計算図である。 本発明による磁気シールド層がない場合の外部磁場の分布図である。 本発明による磁気シールド層がある場合の外部磁場の分布図である。 本発明による磁気抵抗センサの磁気抵抗−外部磁場の特性図である。 本発明による磁気抵抗フル・ブリッジ・アームまたはバランス・アームに係る磁気トンネル接合の直列接続図である。 本発明による磁気抵抗フル・ブリッジ・アームまたはバランス・アームに係る磁気トンネル接合の並列接続図である。 本発明による磁気抵抗フル・ブリッジ・アームまたはバランス・アームに係る磁気トンネル接合の直列／並列接続図である。 本発明による磁気抵抗ブリッジ・アームに係る第１のらせんコイルおよびトンネル接合の概略配線図である。 本発明による平衡磁気抵抗アームに係る第２のらせんコイルおよびトンネル接合の概略配線図である。 本発明による磁気抵抗ブリッジ・アームに係る第１のらせんコイルおよびトンネル接合の別の概略配線図である。 本発明による平衡磁気抵抗アームに係る第２のらせんコイルおよびトンネル接合の別の概略配線図である。 本発明による磁気抵抗ブリッジ・アームに係る第１のらせんコイルおよびトンネル接合のさらに別の概略配線図である。 本発明による平衡磁気抵抗アームに係る第２のらせんコイルおよびトンネル接合のさらに別の概略配線図である。 本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサの第１の作動モード図である。 本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサの第２の作動モード図である。 本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサの第３の作動モード図である。 本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサの第４の作動モード図である。

図面において、１−基板、２−磁気シールド層、３−平衡磁気抵抗センサ・ブリッジ、４−らせんコイル、４０−第１のらせんコイル、４４−第２のらせんコイル、４１−第１のサブ領域、４２−第２のサブ領域、４３−第３のサブ領域、３１および３２−磁気抵抗ブリッジ・アーム、３３−平衡磁気抵抗アームである。

本発明の実施形態の目的、技術的解決手段、および利点をより明確にさせるために、以下、本発明の実施形態における技術的解決手段を、本発明の実施形態における添付図面を参照して明確かつ完全に説明する。説明される実施形態は、本発明の実施形態の全部ではなく一部であることが明らかである。

（実施形態１）
図１は、本発明による平衡磁気抵抗周波数ミキサの断面構造図である。周波数ミキサは、らせんコイル４と、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジ３と、磁気シールド層２とを備える。らせんコイル４は、磁気シールド層２と平衡磁気抵抗センサ・ブリッジ３との間に位置する。基板１上のらせんコイル４は、第１のらせんコイル４０と第２のらせんコイル４４とを備える。第１のらせんコイル４０は、電流が反対方向に流れる第１のサブ領域４１と第２のサブ領域４２とを備える。第２のらせんコイル４４は、電流が一方向に流れる第３のサブ領域４３を備える。平衡磁気抵抗センサ・ブリッジ３は、磁気抵抗フル・ブリッジと平衡磁気抵抗アームとを備える。平衡磁気抵抗アームは、磁気抵抗フル・ブリッジに接続されている。磁気抵抗フル・ブリッジは、４つの磁気抵抗ブリッジ・アームからなり、２つの磁気抵抗ブリッジ・アームは第１のサブ領域４１内に位置し、他の２つの磁気抵抗ブリッジ・アームは第２のサブ領域４２内に位置する。平衡磁気抵抗アームは、第３のサブ領域４３内に位置する。第１の周波数信号は第１のらせんコイル４０に入力され、第２の周波数信号は第２のらせんコイル４４に入力され、周波数混合信号は磁気抵抗フル・ブリッジの信号出力端から出力される。周波数混合信号の出力周波数は、第１の周波数信号の周波数と第２の周波数信号の周波数との和またはその間の差である。

図２は、平衡磁気抵抗周波数ミキサの平面図であり、２は、磁気シールド層を示し、４０および４４は、それぞれ第１のらせんコイルおよび第２のらせんコイルを示し、４１および４２は、それぞれ電流が反対方向に流れる平行に配置されたリード線を有する第１のらせんコイル４０における第１のサブ領域４１および第２のサブ領域４２を示す。したがって、第１のサブ領域４１および第２のサブ領域４２内の第１のらせんコイル４０により発生させられる磁場の分布特性は反対方向であり、磁気抵抗ブリッジ・アーム３１および磁気抵抗ブリッジ・アーム３２は同じらせんコイル電流の下で同じ磁場を感知し、それにより磁気抵抗ブリッジ・アーム３１および磁気抵抗ブリッジ・アーム３２の磁気抵抗は、同じ値かつ反対方向を有することが確実にされる。同様に、第２のらせんコイル４４は、平行に配置されたリード線を有する第３のサブ領域４３の部分も含み、１つまたは２つの平衡磁気抵抗アーム３３は、電流が一方向に流れる第３のサブ領域４３内に位置する。

図３および図４は、それぞれ平衡ブリッジ型周波数ミキサの２つの構造図である。平衡磁気抵抗センサ・ブリッジは、磁気抵抗フル・ブリッジと平衡磁気抵抗アームとを備える。磁気抵抗フル・ブリッジは、４つの磁気抵抗ブリッジ・アームＲ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４からなる。１つの平衡磁気抵抗アームＲ５があり、この平衡磁気抵抗アームＲ５は、磁気抵抗フル・ブリッジの電源入力端または電流入力端に位置し、磁気抵抗フル・ブリッジに直列接続されている。代替として、２つの平衡磁気抵抗アームＲ５およびＲ６があり、これらの平衡磁気抵抗アームＲ５およびＲ６は、それぞれ磁気抵抗フル・ブリッジの電源出力端および入力端に直列接続されている。Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、およびＣ４は第１のらせんコイルを形成し、Ｃ５およびＣ６は第２のらせんコイルを形成し、Ｒ１およびＲ２は第１のサブ領域内に位置し、Ｒ３およびＲ４は第２のサブ領域内に位置し、Ｒ５およびＲ６は第３のサブ領域内に位置する。第１の周波数信号の２つの端における電圧信号の周波数はｆ１であり、第２の周波数信号の信号周波数はｆ２であり、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジの２つの端における電圧源は一定であり、それぞれＶｃｃおよびＧＮＤであり、信号出力端から差動的に出力される第３の信号の周波数はｆである。

図５は、第１のらせんコイルまたは第２のらせんコイルおよび磁気シールド層により発生させられる磁場の空間分布曲線図である。図６は、磁気シールド層がある場合またはない場合の第１のらせんコイルまたは第２のらせんコイルの上面または下面上の磁気抵抗センサ・ブリッジの第１のサブ領域、第２のサブ領域、または第３のサブ領域内の電流方向に直交する磁場成分の分布を比較する図である。見て分かるように、磁場強度は、磁気シールド層が適用された後にかなり大きく強化される。また、磁場は、第１のサブ領域および第２のサブ領域内で反対称の分布特性を有する。磁場は、第１のサブ領域、第２のサブ領域、または第３のサブ領域、および周辺領域１０および１１の対称の中心１２の近くで不均一に分布しており、一方、中間領域１２内で均一に分布している。

図７は、磁気シールド層の減衰率対平面に平行な外部磁場の計算モデルである。図８は、磁気シールド層が存在しないときに平衡磁気抵抗センサ・ブリッジの位置でらせんコイルにより発生させられる磁場分布図であり、図９は、磁気シールド層が存在する時に平衡磁気抵抗センサ・ブリッジの位置でらせんコイルにより発生させられる磁場の分布図である。見て分かるように、磁場の減衰率は１／９であり、磁気シールド層が外部磁場に対して望ましい磁気シールド性能を有することを示す。

図１０は、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジを形成するフル・ブリッジ・アームＲ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４ならびにバランス・アームＲ５および／またはＲ６の磁気トンネル接合の抵抗磁場特性曲線を示す。第１のらせんコイルおよび第２のらせんコイルによりそれぞれ発生させられる第１の信号磁場および第２の信号磁場の作動領域において、第１のサブ領域４１および第２のサブ領域４２内の磁気トンネル接合の抵抗は、第１の信号磁場にそれぞれ線形であり、第３のサブ領域４３内の磁気トンネル接合の抵抗は、第２の信号磁場に線形である。

図１１から図１３は、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジのフル・ブリッジ・アームＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ならびにバランス・アームＲ５および／またはＲ６の構造図である。各磁気抵抗ブリッジ・アームは、Ｍ＊Ｎで配列された磁気トンネル接合を備える。列ごとの磁気トンネル接合は、磁気トンネル接合セル・ストリングを形成するように直列に接続されており、各磁気トンネル接合セル・ストリングは、２ポート構造を形成するように直列、並列、または直列／並列なやり方で接続されている。Ｎは配列構造の列を示し、Ｍは配列構造の行を示し、ＮおよびＭはそれぞれ１以上の正の整数である。磁気トンネル接合セル・ストリングの直列接続は図１１に示されており、並列接続は図１２に示されており、または直列／並列接続構造は図１３に示されている。

第１のらせんコイルを通じて流れる電流Ｉにより発生させられる第１の信号の周波数がｆ１であると仮定すると、第１のらせんコイル内で発生する対応する磁場信号Ｈの周波数もｆ１であり、第２のらせんコイルを通じて流れる電流Ｉ１により発生させられる第２の信号の周波数がｆ２であると仮定すると、第２のらせんコイル内で発生させられる対応する磁場信号Ｈ１の周波数もｆ２である。第１のサブ領域内の対応する磁気抵抗ブリッジ・アームＲ１およびＲ２ならびに第２のサブ領域内の対応する磁気抵抗ブリッジ・アームＲ３およびＲ４は反対称の磁場分布特性を有し、Ｒ１およびＲ２は同じ磁場分布特性を有し、Ｒ３およびＲ４は同じ磁場分布特性を有する。したがって、磁場の影響の下で磁気抵抗ブリッジ・アームのうち１つの抵抗変化を分析しさえすれば十分である。同様に、第３のサブ領域Ｒ５および／またはＲ６は、同じ磁場分布特性を有し、やはりバランス・アームのうち１つを分析しさえすれば十分である。

図１０に示された磁気トンネル接合の抵抗磁場曲線の傾斜をｄＲ／ｄｈと仮定すると、磁気抵抗ブリッジ・アームＲ１のＭ＊Ｎで配列された磁気トンネル接合の各列は、Ｍ個（Ｍは１以上の整数である）の直列接続された磁気トンネル接合を含み、［ｎ（０＜ｎ≦Ｎ）］番目の列における［ｍ（０＜ｎ≦Ｍ）］番目の磁気トンネル接合の感知軸の磁場はＨ_ｎｍ１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ）であり、そこで、抵抗変動の振幅は、ｄＲ／ｄｈ・Ｈ_ｎｍ１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ）である。平衡磁気抵抗センサ・ブリッジの反対称性のため、対応するユニットが、磁気抵抗ブリッジ・アームＲ４内にはっきりと存在し、対応するユニットの逆磁場は、−Ｈ_ｎｍ１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ）であり、対応する磁気抵抗の変動は、−ｄＲ／ｄｈ・Ｈ_ｎｍ１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ）である。したがって、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジのブリッジ・アームＲ１、Ｒ４の全抵抗は変わらず、そのことは、ブリッジ・アームＲ２、Ｒ３にとってもその通りである。

したがって、直列または並列に接続された磁気トンネル接合セル・ストリングの抵抗変動は、電流Ｉ１の周波数ｆ１に正比例し、それは、磁気トンネル接合セル・ストリングが位置する感知軸の磁場Ｈ_ｎｍ１の分布に関連している。

他方で、Ｈ_ｎｍ１は、第１のらせんコイルにおける電流Ｉ１に正比例し、すなわち。Ｈ_ｎｍ１＝Ｋ_ｎｍ１・Ｉ１であり。Ｋ_ｎｍ１は、第１のらせんコイルおよび磁気シールド層の電磁性能および幾何学的サイズに関連した特性係数である。

したがって、トンネル接合セル・ストリング間の直列接続、並列接続、および直列／並列構造は、特性係数Ｋ_ｎｍ１の動作によって単に表される。トンネル接合セル・ストリングのＮ個の列の間の直列接続については、以下の通りである。

トンネル接合セル・ストリングのＮ個の列の間の並列接続については、特性ファクタは、以下のように表される。

直列／並列接続については、直列に接続されているＮ１個の列、および並列に接続されている（Ｎ−Ｎ１）個の列があると仮定すると、Ｋは以下のように表され得る。

４つのフル・ブリッジ・アームＲ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４の全抵抗変動は、
である。

同様に、バランス・アームＲ５および／またはＲ６からなる磁気抵抗センサの全抵抗変動は、
である。

外部磁場が存在しないと仮定すると、磁気抵抗センサ・フルブリッジの各ブリッジ・アームの全抵抗はＲ０であり、バランス・ブリッジ・アームの全抵抗はＲ０１であり、磁気抵抗センサ・フルブリッジの２つの端における電圧はＶ１であり、単一のアームを通じて流れる電流は、
である。

磁気抵抗センサ・ブリッジによって出力される電圧信号は、
である。

平衡磁気抵抗センサの２つの端における全電圧Ｖｄｄ−ＧＮＤは不変であり、バランス・アームおよびフル・ブリッジの２つの端における電圧の和は不変であり、したがって、第２のらせんコイル内で第２の周波数信号によって引き起こされる電圧変動は、
であるとき、フル・ブリッジの２つの端で引き起こされる電圧変動も、
である。

磁気抵抗センサ・ブリッジによって出力される引き起こされた電圧信号は、
である。

見て分かるように、出力信号の周波数は、第１のらせんコイル電流Ｉ１の周波数ｆ１と第２のらせんコイル電流Ｉ２の周波数ｆ２の和またはそれらの間の差であり、さらに周波数ｆ１を含む。

図１４は、３１１、３１２、３２１、３２２にそれぞれ対応する第１のらせんコイルの第１のサブ領域４１および第２のサブ領域４２内の４つの磁気抵抗ブリッジ・アームＲ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４の配置を示す図である。Ｒ１およびＲ２は、電流が反対方向に流れる第１のらせんコイル４０の上面または下面上の第１のサブ領域４１内に位置する。Ｒ３およびＲ４は、電流が反対方向に流れる第１のらせんコイル４０の上面または下面上の第２のサブ領域４２内に位置する。第１のサブ領域４１および第２のサブ領域４２内の磁気抵抗センサは、反対称の幾何学的特性を有する。磁気抵抗ブリッジ・アームＲ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４の磁気トンネル接合は、らせんコイルの電流の流れるセクションの面の中心に位置し、第１のらせんコイル４０の電流方向に平行である。Ｒ１およびＲ２のトンネル接合ユニットは、所定間隔で配置されており、Ｒ３およびＲ４のトンネル接合ユニットは、所定間隔で配置されている。Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４における磁気トンネル接合の感知軸は、第１のらせんコイル４０の伝導セクションの直交し、磁気トンネル接合は、磁場の均一領域内に位置する。

同様に、図１５は、バランス・アーム３３１および３３２、すなわち、第２のらせんコイルの第３のサブ領域４３内のＲ５およびＲ６の配置を示す図である。説明を簡単にするために、２つのバランス・アームを含む状況だけが与えられており、実際には、単一のバランス・アームも含まれ得る。同様に、Ｒ５およびＲ６は、それぞれ、電流が一方向に流れる第２のらせんコイルの上面または下面上の第３のサブ領域４３内に位置する。Ｒ５およびＲ６の磁気トンネル接合は、第２のらせんコイル４４の電流の流れるセクションの面の中心に位置し、電流方向に平行である。Ｒ５およびＲ６のトンネル接合ユニットは、所定間隔で配置され、磁気トンネル接合の感知軸は、らせんコイルの伝導セクションに直交する。

図１６および図１８は、第１のらせんコイルの上面または下面上の４つの磁気抵抗ブリッジ・アームの配置を示す図である。Ｒ１およびＲ２は第１のサブ領域４１内に位置し、Ｒ３およびＲ４は第２のサブ領域４２内に位置する。第１のサブ領域４１内のブリッジ・アームＲ１の磁気トンネル接合の軸方向磁場およびブリッジ・アームＲ２の磁気トンネル接合の軸方向磁場は、正確に同一の分布特性を有する。第２のサブ領域４２内のブリッジ・アームＲ３の磁気トンネル接合の軸方向磁場およびブリッジ・アームＲ４の磁気トンネル接合軸方向磁場は、正確に同一の分布特性を有する。Ｒ１およびＲ３は、構造的に対称的な特性を有し、Ｒ２およびＲ４は、構造的に対称的な特性を有する。第１のサブ領域４１内の磁気トンネル接合の感知軸の磁場は、第２のサブ領域４２内の磁気トンネル接合の感知軸の磁場の方向と反対の方向である。磁気抵抗ブリッジ・アームは、Ｍ＊Ｎで配列された磁気トンネル接合を別々に備える。列ごとの磁気トンネル接合は、磁気トンネル接合セル・ストリングを形成するように直列に接続されている。磁気トンネル接合セル・ストリングは、２ポート構造を形成するように直列、並列、または直列および並列のやり方で接続されている。Ｎは配列構造の列を示し、Ｍはこの配列構造の行を示し、ＮおよびＭはそれぞれ１以上の正の整数である。磁気抵抗ブリッジ・アームにおける磁気トンネル接合は、対応する第１のらせんコイル４０に平行である、または第１のらせんコイル４０に直交する。磁気抵抗ブリッジ・アームＲ１、Ｒ２、Ｒ３、およびＲ４の磁気トンネル接合の感知軸は、第１のらせんコイル４０に直交する。この場合には、磁気トンネル接合は、磁場の均一領域内に位置する、磁場の不均一領域内に位置する、または磁場の均一領域内に一部位置するとともに磁場の不均一領域内に一部位置することができる。

同様に、図１７および図１９は、第２のらせんコイルの上面または下面上の２つのバランス磁気抵抗ブリッジ・アームの構成を示す図である。平衡磁気抵抗アームＲ５およびＲ６は、それぞれ第３のサブ領域４３内に位置する。Ｒ５およびＲ６は、Ｍ＊Ｎで配列された磁気トンネル接合を別々に備える。列ごとの磁気トンネル接合は、磁気トンネル接合セル・ストリングを形成するように直列に接続されている。磁気トンネル接合セル・ストリングは、２ポート構造を形成するように直列、並列、または直列および並列のやり方で接続されている。Ｎは配列構造の列を示し、Ｍはこの配列構造の行を示し、ＮおよびＭはそれぞれ１以上の正の整数である。ブリッジ・アームＲ５の磁気トンネル接合軸方向磁場およびブリッジ・アームＲ６の磁気トンネル接合軸方向磁場は、正確に同一の分布特性を有する。ブリッジ・アームＲ５およびＲ６の磁気トンネル接合は、対応する第２のらせんコイル４４に平行である、または第２のらせんコイル４４に直交する。ブリッジ・アームＲ５およびＲ６の磁気トンネル接合の感知軸は、第２のらせんコイル４４に直交する。この場合には、磁気トンネル接合は、磁場の均一領域内に位置する、磁場の不均一領域内に位置する、または磁場の均一領域内に一部位置するとともに磁場の不均一領域内に一部位置することができる。

第１の信号ｆ１は、第１のらせんコイル４０に能動的または受動的に接続され、第２の信号ｆ２は、第２のらせんコイル４４に受動的または能動的に接続され、周波数混合信号は、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジの信号出力端によって受動的または能動的に出力される。

図２０は、磁気抵抗周波数ミキサの信号処理の回路図である。第１の信号ｆ１は、第１のらせんコイルの２つの端に受動的に直接接続され、第２の信号ｆ２は、第２のらせんコイルの２つの端に受動的に直接接続され、周波数混合信号の周波数は、信号出力端を通じて受動的に直接出力される。

図２１は、磁気抵抗周波数ミキサの信号処理の別の回路図である。第１の信号ｆ１は、Ｖ−Ｉコンバータを用いて電圧信号を電流信号に変換することにより第１のらせんコイルの２つの端に能動的に接続される。第２の信号ｆ２は、Ｖ−Ｉコンバータを用いて電圧信号を電流信号に変換することにより第２のらせんコイルの２つの端に能動的に接続される。周波数混合信号は、受動的に出力される。

図２２は、磁気抵抗周波数ミキサの信号処理の第３の回路図である。第１の信号ｆ１は、Ｖ−Ｉコンバータを用いて電圧信号を電流信号に変換することによって第１のらせんコイルの２つの端に能動的に接続される。第２の信号ｆ２はＶ−Ｉコンバータを用いて電圧信号を電流信号に変換することによって第２のらせんコイルの２つの端に能動的に接続される。周波数混合信号は、バッファ電圧増幅器を通じて間接的に能動的に出力される。

図２３は、平衡磁気抵抗周波数ミキサの信号処理の第４の回路図である。第１の信号ｆ１は、第１のらせんコイルの２つの端に受動的に接続され、第２の信号ｆ２は、第２のらせんコイルの２つの端に受動的に接続され、周波数混合信号は、バッファ電圧増幅器を通じて間接的に能動的に出力される。

上記の説明は、本発明の好ましい実施形態にすぎず、本発明を限定するものではない。当業者にとって、本発明は、様々な修正形態および変形形態を有することができる。本発明の思想および原理の範囲内の任意の修正、均等な置換、改善などは、本発明の保護範囲内に全て含まれるものとする。

Claims (10)

1. らせんコイル（４）と、平衡磁気抵抗センサ・ブリッジ（３）と、磁気シールド層（２）とを備える平衡磁気抵抗周波数ミキサであって、
   該らせんコイル（４）は、該磁気シールド層（２）と該平衡磁気抵抗センサ・ブリッジ（３）との間に位置し、
   該らせんコイル（４）は、第１のらせんコイル（４０）と第２のらせんコイル（４４）とを備え、
   該第１のらせんコイル（４０）の上面または下面は、電流が反対方向に流れる第１のサブ領域（４１）および第２のサブ領域（４２）を有し、
   該第２のらせんコイル（４４）の上面または下面は、該電流が一方向に流れる第３のサブ領域（４３）を有し、
   該平衡磁気抵抗センサ・ブリッジは、磁気抵抗フル・ブリッジと該磁気抵抗フル・ブリッジに接続された平衡磁気抵抗アーム（３３）とを備え、
   該磁気抵抗フル・ブリッジは、４つの磁気抵抗ブリッジ・アーム（３１、３２）からなり、そのうち２つは該第１のサブ領域（４１）内に位置するとともに、他の２つは該第２のサブ領域（４２）内に位置し、
   該平衡磁気抵抗アーム（３３）は、該第３のサブ領域（４３）内に位置し、第１の周波数信号は該第１のらせんコイル（４０）に入力され、第２の周波数信号は該第２のらせんコイル（４４）に入力され、周波数混合信号は該磁気抵抗フル・ブリッジの信号出力端から出力されており、
   該周波数混合信号の出力周波数は、該第１の周波数信号の周波数と該第２の周波数信号の周波数の和またはそれらの間の差である、平衡磁気抵抗周波数ミキサ。
2. 前記磁気抵抗フル・ブリッジの電源出力端または入力端に接続されている１つの平衡磁気抵抗アーム（３３）があり、または
   それぞれ前記磁気抵抗フル・ブリッジの電源出力端および入力端に接続されている２つの平衡磁気抵抗アーム（３３）がある、
   請求項１に記載の平衡磁気抵抗周波数ミキサ。
3. 前記磁気抵抗ブリッジ・アーム（３１、３２）および前記平衡磁気抵抗アーム（３３）は、Ｍ＊Ｎで配列された磁気トンネル接合を別々に備え、
   列ごとの該磁気トンネル接合は、磁気トンネル接合セル・ストリングを形成するように直列に接続され、
   該磁気トンネル接合セル・ストリングは、２ポート構造を形成するように直列、並列、または直列および並列のやり方で接続されており、Ｎは配列構造の列を示し、Ｍは前記配列構造の行を示し、ＮおよびＭはそれぞれ１以上の正の整数である、
   請求項２に記載の平衡磁気抵抗周波数ミキサ。
4. 前記磁気抵抗ブリッジ・アーム（３１、３２）における前記磁気トンネル接合の感知軸は、前記第１のらせんコイル（４０）の電流方向に全て直交し、
   前記平衡磁気抵抗アーム（３３）における該磁気トンネル接合の感知軸は、前記第２のらせんコイル（４４）の電流方向に全て直交し、
   前記第１のサブ領域（４１）内の該磁気トンネル接合の感知軸の磁場の分布特性は、前記第２のサブ領域（４２）内の該磁気トンネル接合のものと反対である、請求項３に記載の平衡磁気抵抗周波数ミキサ。
5. 前記第１のサブ領域（４１）内の前記磁気トンネル接合および前記第２のサブ領域（４２）内の前記磁気トンネル接合は、同一構造に接続されるとともに対称的に配置される、請求項３または４に記載の平衡磁気抵抗周波数ミキサ。
6. 前記第１のサブ領域（４１）および前記第２のサブ領域（４２）内の前記磁気トンネル接合の抵抗は、それぞれ、前記第１のらせんコイル（４０）により発生させられる前記磁気トンネル接合の感知軸の磁場に線形であり、
   前記第３のサブ領域（４３）内の前記磁気トンネル接合の抵抗は、前記第２のらせんコイル（４４）により発生させられる前記磁気トンネル接合の感知軸の磁場に線形である、
   請求項３または４に記載の平衡磁気抵抗周波数ミキサ。
7. 前記第１のサブ領域（４１）および前記第２のサブ領域（４２）内の前記磁気トンネル接合は、前記第１のらせんコイル（４０）の前記電流方向に直交または平行であり、
   前記第３のサブ領域（４３）内の前記磁気トンネル接合は、前記第２のらせんコイル（４４）の前記電流方向に直交または平行である、請求項３または４に記載の平衡磁気抵抗周波数ミキサ。
8. 前記第１の周波数信号は前記第１のらせんコイル（４０）に能動的または受動的に接続され、
   前記第２の周波数信号は前記第２のらせんコイル（４４）に受動的または能動的に接続され、
   前記周波数混合信号は前記平衡磁気抵抗センサ・ブリッジの前記信号出力端に受動的または能動的に接続される、請求項１に記載の平衡磁気抵抗周波数ミキサ。
9. 前記らせんコイル（４）は、銅、金、銀、アルミニウム、およびタンタルのうち１つまたは複数で構成される高伝導金属材料のコイルであり、
   前記磁気シールド層（２）は、ＮｉＦｅ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＦｅＳｉＢ、およびＦｅＳｉＢＮｂＣｕのうち１つまたは複数で構成される高透磁率強磁性合金の層である、請求項１に記載の平衡磁気抵抗周波数ミキサ。
10. 前記らせんコイル（４）の厚さは１〜２０μｍであり、該らせんコイル（４）の幅は５〜４０μｍであり、
    ２つの隣接したらせんコイル間の間隔は１０〜１００μｍであり、前記磁気シールド層（２）の厚さは１〜２０μｍである、請求項１に記載の平衡磁気抵抗周波数ミキサ。