特表 2022-545929 電気的に隔離されたトンネル磁気抵抗センシング素子を利用する水素ガス・センサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-11-01

(54)【発明の名称】電気的に隔離されたトンネル磁気抵抗センシング素子を利用する水素ガス・センサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/74 20060101AFI20221025BHJP

   G01R 33/09 20060101ALI20221025BHJP

   G01R 33/02 20060101ALI20221025BHJP

【ＦＩ】

G01N27/74

G01R33/09

G01R33/02 K

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022513288

(86)(22)【出願日】2020-08-18

(85)【翻訳文提出日】2022-04-21

(86)【国際出願番号】 CN2020109816

(87)【国際公開番号】W WO2021036867

(87)【国際公開日】2021-03-04

(31)【優先権主張番号】201910817744.5

(32)【優先日】2019-08-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】514116947

【氏名又は名称】江▲蘇▼多▲維▼科技有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＭＵＬＴＩＤＩＭＥＮＳＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＣＯ．， ＬＴＤ．

【住所又は居所原語表記】Ｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｄ ＆ Ｅ， Ｎｏ．２ Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ Ｒｏａｄ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ Ｆｒｅｅ Ｔｒａｄｅ Ｚｏｎｅ，Ｚｈａｎｇｊｉａｇａｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ，２１５６３４ Ｃｈｉｎａ

(74)【代理人】

【識別番号】110000729

【氏名又は名称】特許業務法人 ユニアス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ディーク、ジェイムズ ゲーザ

(72)【発明者】

【氏名】チョウ、チーミン

【テーマコード（参考）】

2G017

2G053

【Ｆターム（参考）】

2G017AA02

2G017AC09

2G017AD55

2G017AD65

2G017BA09

2G053AA04

2G053AB11

2G053BA06

2G053BC14

2G053BC20

2G053CA06

2G053CB05

2G053CB09

2G053DA01

2G053DB01

(57)【要約】

【課題】電気的に隔離されたトンネル磁気抵抗センシング素子を利用する水素ガス・センサを提供すること。
【解決手段】水素ガス・センサは、Ｘ－Ｙ平面内の基板（９）と、基板（９）上に位置するトンネル磁気抵抗センサ（２）と、トンネル磁気抵抗センサ（２）上に位置する水素感知層（１）とを備える。水素感知層（１）およびトンネル磁気抵抗センサ（２）は、互いから電気的に隔離されている。水素感知層（１）は、パラジウム層（１－１）および強磁性層（１－３）から形成された多層薄膜構造を含み、パラジウム層（１－１）は、Ｘ－Ｚ平面内の強磁性層（１－３）ごとの磁気異方性場の配向角の変化をＸ軸方向に引き起こす空気中の水素を吸収するために使用される。トンネル磁気抵抗センサ（２）は、水素感知層（１）の磁場信号を検出するのに使用され、磁気信号は、水素ガス濃度を決定する。この水素ガス・センサは、測定の安全性を確実にする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気的に隔離されたトンネル磁気抵抗センシング素子を利用する水素ガス・センサであって、
Ｘ－Ｙ平面内の基板と、該基板上に位置するトンネル磁気抵抗センサと、該トンネル磁気抵抗センサ上に位置する水素感知層とを備え、該水素感知層および該トンネル磁気抵抗センサは、互いから電気的に隔離され、該水素感知層は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造を備え、ただし、ｎは１以上の整数であり、
該パラジウム層は、該Ｘ－Ｚ平面内のＸ軸方向に沿って該強磁性層ごとに磁気異方性場の配向角の変化を引き起こす空気中の水素を吸収するのに使用され、該トンネル磁気抵抗センサは、該水素感知層の磁場信号を検出するのに使用され、該磁気信号は、水素ガス濃度を決定する、水素ガス・センサ。

【請求項2】

非水素感知層をさらに備え、該非水素感知層は、前記トンネル磁気抵抗センサ上に位置し、前記水素感知層、該非水素感知層、および前記トンネル磁気抵抗センサは、互いから電気的に隔離されており、
該非水素感知層は、［非パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造であり、または該非水素感知層は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造と、該多層薄膜構造を覆うパッシベーション層とを備える、請求項１に記載の水素ガス・センサ。

【請求項3】

前記トンネル磁気抵抗センサは基準ブリッジ・センサであり、前記トンネル磁気抵抗センサは感知ブリッジ・アームおよび基準ブリッジ・アームを備え、該感知ブリッジ・アームは磁気抵抗感知ユニット・ストリングを備え、該基準ブリッジ・アームは基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングを備え、該磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび該基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングの磁場感知方向は共に前記Ｘ軸方向であり、
前記水素感知層および前記非水素感知層は共にストリップ状であり、該ストリップの長軸はＹ軸方向であり、該ストリップの短軸は前記Ｘ軸方向であり、
前記Ｘ－Ｙ平面内で、該磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、前記水素感知層の該ストリップ内のＹ軸中心線上に位置し、および／または該磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、前記水素感知層の該ストリップ内で該Ｙ軸中心線の両側で同じ位置に位置し、前記Ｘ－Ｙ平面内で、該基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、前記非水素感知層の該ストリップ内のＹ軸中心線上に位置し、および／または該基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、前記非水素感知層の該ストリップ内で該Ｙ軸中心線の両側で同じ位置に位置し、該磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび該基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、同じように配置され、
前記水素感知層は、該感知ブリッジ・アームに磁気的に結合され、該基準ブリッジ・アームから磁気的に隔離され、前記非水素感知層は、該感知ブリッジ・アームから磁気的に隔離され、該基準ブリッジ・アームに磁気的に結合されている、請求項２に記載の水素ガス・センサ。

【請求項4】

前記水素感知層は、同じ層内で電気的に隔離されるように配置されているプッシュ水素感知層およびプル水素感知層を備え、該プッシュ水素感知層は、外部磁場がないときに正のＸ軸方向に磁気モーメントを有し、該プル水素感知層は、外部磁場がないときに負のＸ軸方向に磁気モーメントを有し、
該プッシュ水素感知層の該正のＸ軸方向磁気モーメントおよび該プル水素感知層の該負のＸ軸方向磁気モーメントを書き込む方法は、レーザ熱磁気書き込み、書き込みヘッド書き込み、書き込みコイル書き込み、および永久磁石ブロック書き込みのいずれかの書き込み方法を含み、
書き込みコイルは、前記基板と前記水素感知層との間に位置し、該書き込みコイルは、該プッシュ水素感知層のＹ軸中心線に沿ったおよび正のＹ軸電流方向を有する第１の書き込みワイヤ、ならびに該プル水素感知層のＹ軸中心線に沿ったおよび負のＹ軸電流方向を有する第２の書き込みワイヤを備え、
永久磁石ブロックは、ストリップ状であり、該永久磁石ブロックは、前記水素感知層とは反対の一方の側で前記基板の表面上に位置し、該永久磁石ブロックは、Ｚ軸方向に磁化方向を有し、該プッシュ水素感知層および該プル水素感知層は、該永久磁石ブロックのＺ軸中心線の両側の領域内にそれぞれ位置し、該両側の領域は、前記Ｘ軸方向に対称的で反対の磁場成分を有する、請求項１に記載の水素ガス・センサ。

【請求項5】

前記水素感知層上に位置する磁気シールド層をさらに備え、該磁気シールド層は、少なくとも１つの貫通穴を備え、前記プッシュ水素感知層のパラジウム層および前記プル水素感知層のパラジウム層は、該少なくとも１つの貫通穴を介して前記空気と直接接触している、請求項４に記載の水素ガス・センサ。

【請求項6】

前記トンネル磁気抵抗センサはプッシュ・プル・ブリッジ・センサであり、前記トンネル磁気抵抗センサはプッシュ・アームおよびプル・アームを備え、該プッシュ・アームはプッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングを備え、該プル・アームはプル磁気抵抗感知ユニット・ストリングを備え、該プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび該プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングの磁場感知方向は共に前記Ｘ軸方向であり、
前記プッシュ水素感知層および前記プル水素感知層は共にストリップ状であり、該ストリップの長軸はＹ軸方向であり、該ストリップの短軸は前記Ｘ軸方向であり、
前記Ｘ－Ｙ平面内で、該プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、前記プッシュ水素感知層の該ストリップ内で前記Ｙ軸中心線上に位置し、および／または該プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、前記プッシュ水素感知層の該ストリップ内で前記Ｙ軸中心線の両側で同じ位置に位置し、前記Ｘ－Ｙ平面内で、該プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、前記プル水素感知層の該ストリップ内で前記Ｙ軸中心線上に位置し、および／または該プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、前記プル水素感知層の該ストリップ内で前記Ｙ軸中心線の両側で同じ位置に位置し、該プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび該プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、同じように配置され、
前記プッシュ水素感知層は、該プッシュ・アームに磁気的に結合され、該プル・アームから磁気的に隔離され、前記プル水素感知層は、該プル・アームに磁気的に結合され、該プッシュ・アームから磁気的に隔離されている、請求項４に記載の水素ガス・センサ。

【請求項7】

バイアス・コイルをさらに備え、該バイアス・コイルが位置するフィルム層は、前記基板と前記水素感知層との間に位置し、該バイアス・コイルは、前記トンネル磁気抵抗センサの真上または真下に位置し、該バイアス・コイルは、渦巻きコイルであり、
前記Ｘ軸方向またはＹ軸方向のバイアス磁場について、該バイアス・コイルが位置する平面は、第１のバイアス領域および第２のバイアス領域を備え、該第１のバイアス領域および該第２のバイアス領域は、それぞれ、平行に配置されると共に同じ電流方向を有するＮ個の直線セグメントを備え、ただし、ｎは１以上の整数であり、該第１のバイアス領域および該第２のバイアス領域内の該直線セグメントの電流は、同じ方向または反対方向にあり、前記水素感知層は、該第１のバイアス領域内に等しく分布し、前記非水素感知層は、該第２のバイアス領域内に等しく分布し、
Ｚ軸方向のバイアス磁場について、該バイアス・コイルが位置する平面は、中央バイアス領域を備え、該中央バイアス領域は、対称的に配置されると共に対称的で反対の電流方向を有する同じ個数の２Ｍ個の直線セグメントを備え、ただし、Ｍは１以上の整数であり、前記水素感知層および前記非水素感知層は、該中央バイアス領域内に配置されると共に対称的に配置され、前記水素感知層に対応して配置された該直線セグメントの該電流方向は、対称的で反対であり、前記非水素感知層に対応して配置された該直線セグメントの該電流方向は、対称的で反対であり、該電流方向は、Ｙ軸中心線に全て直交する、請求項２に記載の水素ガス・センサ。

【請求項8】

永久磁石バイアス層をさらに備え、
前記Ｘ軸方向またはＹ軸方向のバイアス磁場について、該永久磁石バイアス層は、平行に配置された少なくとも２つの永久磁石棒を備え、該永久磁石棒は、前記水素感知層の両側におよび前記非水素感知層の両側に位置し、前記Ｘ軸方向のバイアス磁場または前記Ｙ軸方向のバイアス磁場は、隣接した永久磁石棒間で生成され、
Ｚ軸方向のバイアス磁場について、該永久磁石バイアス層は、前記基板の下方に位置する永久磁石棒を備え、前記水素感知層および前記非水素感知層は、それぞれ、前記Ｚ軸方向に同じ磁場成分を有する該永久磁石棒の２つの領域内に位置し、前記水素感知層および前記非水素感知層は、前記Ｙ軸方向に対称的で反対の磁場成分を有する該永久磁石棒の２つの領域内に位置する、請求項２に記載の水素ガス・センサ。

【請求項9】

バイアス・コイルをさらに備え、該バイアス・コイルが位置するフィルム層は、前記基板と前記水素感知層との間に位置し、該バイアス・コイルは、前記トンネル磁気抵抗センサの真上または真下に位置し、該バイアス・コイルは、渦巻きコイルであり、
Ｙ軸方向のバイアス磁場について、該バイアス・コイルが位置する平面は、第３のバイアス領域および第４のバイアス領域を備え、該第３のバイアス領域および該第４のバイアス領域は、それぞれ、平行に配置されると共に同じ電流方向を有するＰ個の直線セグメントを備え、ただし、Ｐは１以上の整数であり、該第３のバイアス領域および該第４のバイアス領域内の該直線セグメントの電流は、同じ方向または反対方向にあり、前記プッシュ水素感知層は、該第３のバイアス領域内に等しく分布し、前記プル水素感知層は、該第４のバイアス領域内に等しく分布し、
前記Ｚ軸方向のバイアス磁場について、該バイアス・コイルが位置する平面は、中央バイアス領域を備え、該中央バイアス領域は、対称的に配置されると共に対称的で反対の電流方向を有する同じ個数の２Ｑ個の直線セグメントを備え、ただし、Ｑは１以上の整数であり、前記プッシュ水素感知層および前記プル水素感知層は、該中央バイアス領域内に配置されると共に対称的に配置され、前記プッシュ水素感知層に対応して配置された該直線セグメントの該電流方向は、対称的で反対であり、前記プル水素感知層に対応して配置された該直線セグメントの該電流方向は、対称的で反対であり、該電流方向は、前記Ｙ軸中心線に全て直交する、請求項４に記載の水素ガス・センサ。

【請求項10】

永久磁石バイアス層をさらに備え、
Ｙ軸方向のバイアス磁場について、該永久磁石バイアス層は、平行に配置された少なくとも２つの永久磁石棒を備え、該永久磁石棒は、前記プッシュ水素感知層の両側におよび前記プル水素感知層の両側に位置し、前記Ｙ軸方向の前記バイアス磁場は、隣接した永久磁石棒間で生成され、
前記Ｚ軸方向のバイアス磁場について、該永久磁石バイアス層は、前記基板の下方に位置する永久磁石棒を備え、前記プッシュ水素感知層および前記プル水素感知層は、それぞれ、前記Ｚ軸方向に同じ磁場成分を有する該永久磁石棒の２つの領域内に位置し、前記プッシュ水素感知層および前記プル水素感知層は、前記Ｙ軸方向に前記対称的で反対の磁場成分を有する該永久磁石棒の２つの領域内に位置する、請求項４に記載の水素ガス・センサ。

【請求項11】

マイクロストリップをさらに備え、該マイクロストリップは、シングル・ストリップ構造またはダブル・ストリップ構造であり、該マイクロストリップは、前記基板と前記トンネル磁気抵抗センサとの間に位置し、該マイクロストリップの両端は、バイアス磁場がＺ軸方向またはＹ軸方向にあるように、マイクロ波ポートに接続され、マイクロ波励起電源に接続される、請求項２または４に記載の水素ガス・センサ。

【請求項12】

前記トンネル磁気抵抗センサが基準ブリッジ・センサであるとき、前記マイクロストリップは、Ｙ軸中心線の前記方向に平行または直交し、
前記トンネル磁気抵抗センサがプッシュ・プル・ブリッジ・センサであるとき、前記マイクロストリップは、前記Ｙ軸中心線の前記方向に直交する、請求項１１に記載の水素ガス・センサ。

【請求項13】

前記水素感知層は、シード層および隔離層をさらに備え、該隔離層は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの該シード層と前記多層薄膜構造との間に位置し、前記強磁性層の磁化強度の配向角は、１０°から８０°の範囲内で変化する、請求項１に記載の水素ガス・センサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガス・センサの技術分野に関し、詳細には、電気的に隔離されたトンネル磁気抵抗センシング素子を利用する水素ガス・センサに関する。

【背景技術】

【0002】

化石燃料エネルギーに取って代わる再生可能な有害放出物のない新しいエネルギー源として、水素ガスが、近年、世界中でますますより多くの注目を集めており、急速に発展してきた。現在、米国、欧州連合、および日本などの世界の主要経済大国は、将来の自動車および家財のための新しいエネルギーおよび新しい燃料として水素ガスを探求するための努力を惜しんでいない。

【0003】

水素ガスは、人間の感覚によって感知することができないが、水素ガスは、非常に燃えやすくて爆発を起こしやすい。空気中の水素ガスの可燃閾値は、約４％である。水素ガスをエネルギー源として使用するデバイスの安全性を確実にするために、信頼できるおよび非常に感度のよい水素ガス・センサが、水素ガス濃度を検出するために必要とされている。

【0004】

多くのタイプの従来の水素ガス・センサがある。例えば、表面プラズモン共鳴を利用する光学センサは、分光計によって金属ナノロッド・アレイの表面反射光スペクトルの表面プラズモン共鳴ピークのピーク位置および強度変化を監視することができ、したがって、環境中の水素ガスのリアルタイム感知を実現する。例えば、抵抗薄膜水素ガス・センサは、水素ガスを吸収する金属パラジウムの特性を使用し、水素ガス濃度を検出する目的を、金属パラジウムの抵抗値の変化を検出することによって達成することができる。

【0005】

しかしながら、既存の水素ガス・センサが実際に働いているとき、感知ユニットは全て、電流を通させる必要がある。空気中の水素ガス濃度が爆発限界に到達する場合、感知ユニット内の回路は、水素ガスを点火し、爆発を引き起こすことができる。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記技術の不足を解決するために、本開示の一実施形態は、電気的に隔離されたトンネル磁気抵抗センシング素子を利用する水素ガス・センサであって、
Ｘ－Ｙ平面内の基板と、基板上に位置するトンネル磁気抵抗センサと、トンネル磁気抵抗センサ上に位置する水素感知層とを含み、水素感知層およびトンネル磁気抵抗センサは、互いから電気的に隔離され、水素感知層は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造を含み、ただし、ｎは１以上の整数であり、
パラジウム層は、Ｘ－Ｚ平面内のＸ軸方向に沿って強磁性層ごとに磁気異方性場の配向角の変化を引き起こす空気中の水素を吸収するのに使用され、トンネル磁気抵抗センサは、水素感知層の磁場信号を検出するのに使用され、磁気信号は、水素ガス濃度を決定する、水素ガス・センサを提案する。

【0007】

開示された実施形態では、水素感知層とトンネル磁気抵抗センサとの間で電気的隔離が採用される。水素感知層は、水素ガスを吸収し、配向角の対応する変化を生成する。トンネル磁気抵抗センサは、水素ガス濃度を検出するために磁場信号を取得する。本開示の実施形態では、電流または電圧が水素感知層を通過することはなく、したがって、空気中の水素ガス濃度が爆発限界に到達する場合でも、水素感知層は、爆発を引き起こさない。水素感知層およびトンネル磁気抵抗センサは、電気的に隔離され、トンネル磁気抵抗センサの電流または電圧は、水素感知層を介して空気中の水素ガスと反応せず、トンネル磁気抵抗センサは、水素ガスを点火せず爆発を引き起こさない。先行技術と比較して、試験セキュリティが保証される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の一実施形態による水素ガス・センサの概略図である。

【図2】本開示の一実施形態による水素感知層の磁気異方性場の配向角の概略図である。

【図3】本開示の一実施形態による非水素感知層と基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングとの間の位置関係の概略図である。

【図4】本開示の一実施形態による水素感知層と磁気抵抗感知ユニット・ストリングとの間の位置関係の概略図である。

【図5】本開示の一実施形態による水素ガス・センサの概略図である。

【図6】本開示の一実施形態による水素感知層および磁気抵抗感知ユニット・ストリングの平面図である。

【図7】本開示の一実施形態によるトンネル磁気抵抗センサの基準ハーフ・ブリッジ構造図である。

【図8】本開示の一実施形態によるトンネル磁気抵抗センサの基準フル・ブリッジ構造図である。

【図9】本開示の一実施形態による水素感知層、非水素感知層、およびそれらのトンネル磁気抵抗センサの第２の構造概略図である。

【図10】本開示の一実施形態による水素ガス・センサの概略図である。

【図11】本開示の一実施形態による水素ガス・センサの概略図である。

【図12】本開示の一実施形態による水素感知層の概略図である。

【図13】本開示の一実施形態によるトンネル磁気抵抗センサの位置における静磁場と水素感知層の磁気モーメントのＸ軸の配向角との間の関係の線形変換図である。

【図14】本開示の一実施形態による渦巻きコイルおよびトンネル磁気抵抗センサの分布の概略図である。

【図15】本開示の一実施形態による渦巻きコイルおよび磁気抵抗感知ユニット・ストリングの分布の概略図である。

【図16】本開示の一実施形態による渦巻きコイルおよび基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングの分布の概略図である。

【図17】本開示の一実施形態によるトンネル磁気抵抗センサにおけるＹ軸方向にバイアスされた渦巻きコイルのバイアス磁場分布図である。

【図18】本開示の一実施形態による渦巻きコイルおよびトンネル磁気抵抗センサの分布の概略図である。

【図19】本開示の一実施形態による渦巻きコイルおよびトンネル磁気抵抗センサの分布の概略図である。

【図20】本開示の一実施形態による渦巻きコイルおよびトンネル磁気抵抗センサの分布の概略図である。

【図21】本開示の一実施形態による渦巻きコイルおよび基準ブリッジ・トンネル磁気抵抗センサの概略図である。

【図22】本開示の一実施形態による静磁場基準磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの水素ガス測定の概略図である。

【図23a】本開示の一実施形態によるバイアス・コイル基準磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの水素ガス測定の図である。

【図23b】本開示の一実施形態によるバイアス・コイル基準磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの水素ガス測定の図である。

【図24a】本開示の一実施形態によるＸ軸方向のバイアス磁場の磁気モーメント偏向図である。

【図24b】本開示の一実施形態によるＸ軸方向のバイアス磁場の永久磁石棒の分布の概略図である。

【図25a】本開示の一実施形態によるＹ軸方向のバイアス磁場の磁気モーメント偏向図である。

【図25b】本開示の一実施形態によるＹ軸方向のバイアス磁場の永久磁石棒の分布の概略図である。

【図26a】本開示の一実施形態によるＺ軸方向の磁場バイアスの磁気モーメント偏向図である。

【図26b】本開示の一実施形態によるＺ軸方向のバイアス磁場の永久磁石棒の分布の概略図である。

【図27a】本開示の一実施形態による強磁性共鳴マイクロストリップを含む基準磁気抵抗感知ユニット・ブリッジ構造の正面図である。

【図27b】本開示の一実施形態によるＹ軸方向のマイクロ波励起磁場の平面図である。

【図27c】本開示の一実施形態によるＸ軸方向のマイクロ波励起磁場の平面図である。

【図28】本開示の一実施形態による強磁性共鳴法の基準磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの水素ガス測定の図である。

【図29】本開示の一実施形態によるバイアス磁場に対する透磁率の変化を示すグラフである。

【図30】本開示の一実施形態による水素感知層およびプッシュ・プル・トンネル磁気抵抗センサの構造図である。

【図31a】本開示の一実施形態によるプッシュ・プル・トンネル磁気抵抗センサのハーフ・ブリッジ構造図である。

【図31b】本開示の一実施形態によるプッシュ・プル・トンネル磁気抵抗センサのフル・ブリッジ構造図である。

【図32a】本開示の一実施形態によるプッシュ水素感知層の磁気モーメントの書き込みの概略図である。

【図32b】本開示の一実施形態によるプル水素感知層の磁気モーメントの書き込みの概略図である。

【図33a】本開示の一実施形態によるプッシュ水素感知層の磁気モーメントの書き込みの概略図である。

【図33b】本開示の一実施形態によるプル水素感知層の磁気モーメントの書き込みの概略図である。

【図34a】本開示の一実施形態によるプッシュ水素感知層の磁気モーメントの書き込みの概略図である。

【図34b】本開示の一実施形態によるプル水素感知層の磁気モーメントの書き込みの概略図である。

【図35】本開示の一実施形態によるプッシュ水素感知層の磁気モーメントおよびプル水素感知層の磁気モーメントの書き込みの概略図である。

【図36】本開示の一実施形態による磁気シールド層を有する水素感知層、およびトンネル磁気抵抗センサの構造図である。

【図37】本開示の一実施形態によるＹ軸方向にバイアスされた渦巻きコイルおよびプッシュ・プル・トンネル磁気抵抗センサの分布図である。

【図38】本開示の一実施形態によるＹ軸方向にバイアスされた渦巻きコイルおよびプッシュ・プル・トンネル磁気抵抗センサの分布図である。

【図39】本開示の一実施形態によるＺ軸方向にバイアスされた渦巻きコイルおよびプッシュ・プル・トンネル磁気抵抗センサの分布図である。

【図40a】本開示の一実施形態によるＹ軸方向のバイアス磁場の磁気モーメント偏向図である。

【図40b】本開示の一実施形態によるＹ軸方向に磁場中でバイアスされた永久磁石棒の分布図である。

【図41】本開示の一実施形態によるＺ軸方向の永久磁石棒の磁場分布図である。

【図42】本開示の一実施形態による静磁場プッシュ・プル磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの水素ガス測定の概略図である。

【図43a】本開示の一実施形態による励磁コイル・プッシュ・プル磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの水素ガス測定の図である。

【図43b】本開示の一実施形態による励磁コイル・プッシュ・プル磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの水素ガス測定の図である。

【図44a】本開示の一実施形態による強磁性共鳴マイクロストリップを含むプッシュ・プル磁気抵抗感知ユニット・ブリッジ構造の正面図である。

【図44b】本開示の一実施形態によるＹ軸方向のマイクロ波励起磁場の平面図である。

【図45a】本開示の一実施形態による強磁性共鳴法のプッシュ・プル磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの水素ガス測定の図である。

【図45b】本開示の一実施形態による強磁性共鳴法のプッシュ・プル磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの水素ガス測定の図である。

【図46】本開示の一実施形態によるトンネル磁気抵抗センサの出力と水素ガスとの間の線形関係図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本開示の目的、技術的な解決手段、および利点をより明確にするために、本開示の技術的な解決手段が、本開示の実施形態において、添付図面を参照して、実施のやり方を通じて以下により明確におよび完全に説明される。説明される実施形態は、本開示のいくつかの実施形態であるが、本開示の実施形態の全てではないことは明らかである。本開示における実施形態に基づいて、創作的な努力なしに当業者によって得られる全ての他の実施形態は、本開示の保護範囲内に入る。

【0010】

図１を参照すると、図１は、本開示の一実施形態による電気的に隔離されたトンネル磁気抵抗センシング素子を利用する水素ガス・センサの概略図である。本実施形態で提供される水素ガス・センサは、Ｘ－Ｙ平面内の基板９と、基板９上に位置するトンネル磁気抵抗センサ２と、トンネル磁気抵抗センサ２上に位置する水素感知層１とを含む。水素感知層１およびトンネル磁気抵抗センサ２は、互いから電気的に隔離されている。水素感知層１は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造を含み、ただし、ｎは１以上の整数である。パラジウム層は、Ｘ－Ｚ平面内のＸ軸方向に沿って強磁性層ごとに磁気異方性場の配向角の変化を引き起こす空気中の水素を吸収するのに使用される。トンネル磁気抵抗センサ２は、水素感知層１の磁場信号を検出するのに使用され、磁気信号は、水素ガス濃度を決定する。

【0011】

この実施形態では、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、およびＺ軸によって確立されたＸＹＺ空間座標系によれば、Ｘ軸およびＹ軸によって形成される平面に平行な平面は、Ｘ－Ｙ平面であり、Ｘ軸およびＺ軸によって形成される平面に平行な平面は、Ｘ－Ｚ平面であり、Ｚ軸およびＹ軸によって形成される平面に平行な平面は、Ｙ－Ｚ平面である。

【0012】

この実施形態では、水素ガス・センサは、基板９と、トンネル磁気抵抗センサ２と、水素感知層１とを含む。水素感知層１およびトンネル磁気抵抗センサ２は、互いから電気的に隔離されている。電気隔離層１８は水素感知層１とトンネル磁気抵抗センサ２との間に配置されることが理解できる。電気隔離層１８は、不要な爆発を防ぐために水素ガス環境と電力供給環境の隔離を実現するように、水素感知層１とトンネル磁気抵抗センサ２との間に位置する。

【0013】

この実施形態では、水素感知層１は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造を含み、ただし、ｎは１以上の正の整数である。例えば、ｎ＝２の場合、水素感知層１は、第１および第３の層が共に強磁性層であり、第２および第４の層が共にパラジウム層である４層薄膜構造を含む。パラジウム層は、水素ガスを吸収するのに使用され、したがって、水素感知層１の多層薄膜構造におけるパラジウム層の１つは、空気と直接接触し、水素ガスを吸収するためのキャップ層であり。残りのパラジウム層は、中間層であり、空気と直接接触しない。キャップ層としてのパラジウム層は１－１として示され、中間層としてのパラジウム層は１－２として示され、強磁性層は１－３として示され、水素ガスを吸収するそれに続くパラジウム層は、１－１および１－２を含む。強磁性層は磁気異方性場を有し、パラジウム層による水素ガスの吸収は、Ｘ－Ｚ平面内のＸ軸方向に沿って強磁性層内の磁気異方性場の配向角の変化を引き起こす。

【0014】

この実施形態では、トンネル磁気抵抗センサ２は、水素感知層１の磁場の変化を感知し、最終的に、水素感知層１の磁場の変化に従って水素ガス濃度の測定を実現することができる。具体的には、図２に示されるように、水素ガスの作用の下で、強磁性層の磁気モーメントＭは、Ｘ－Ｚ平面内で偏向され、Ｘ－Ｚ平面内のＸ軸方向に沿った配向角は、Ωとして示される。強磁性層は、ナノスケールで厚さを有し、単一の磁区構造とみなすことができ、したがって、水素感知層１は、周囲の空間中に静磁場分布を生成する磁気モーメントＭを有する磁石とみなすことができる。水素感知層１の底部は、静磁場の試験を実現するために水素感知層１の磁場信号を感知することができるトンネル磁気抵抗センサ２を備える。次いで、磁気モーメントＭの配向角は、磁場信号に従って推定することができ、水素ガス濃度は、磁気モーメントＭの配向角と水素ガス濃度との間の対応する関係に従って最終的に測定することができる。

【0015】

この実施形態では、電気的隔離は、水素感知層とトンネル磁気抵抗センサとの間で採用される。水素感知層は、水素ガスを吸収し、配向角の対応する変化を生成し、トンネル磁気抵抗センサは、水素ガス濃度を検出するために磁場信号を取得する。この実施形態では、電流または電圧は、水素感知層を通過せず、したがって、空気中の水素ガス濃度が爆発限界に到達した場合でも、空気に接触している水素感知層は、爆発を引き起こさない。水素感知層とトンネル磁気抵抗センサとの間の電気的隔離により、トンネル磁気抵抗センサにおける電流または電圧は、水素感知層を介して空気中の水素ガスと反応せず、したがって、トンネル磁気抵抗センサは、やはり、水素ガスを点火せず爆発を引き起こしそうにない。先行技術と比較して、試験セキュリティが保証される。

【0016】

例えば、上記の技術的な解決手段に基づいて、任意選択の水素ガス・センサは、非水素感知層１０をさらに備える。非水素感知層１０は、トンネル磁気抵抗センサ２上に位置する。水素感知層１、非水素感知層１０、およびトンネル磁気抵抗センサ２は、互いから電気的に隔離されている。非水素感知層１０は、［非パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造であり、または非水素感知層１０は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造と、多層薄膜構造を覆うパッシベーション層とを含む。

【0017】

この実施形態では、電気隔離層１８は、不要な爆発を避けるためにトンネル磁気抵抗センサの水素ガス環境と電力供給環境との間の隔離を実現するように水素感知層１、非水素感知層１０、およびトンネル磁気抵抗センサ２の間に位置する。水素ガス・センサは、実際の動作中に環境によって、例えば、電力線によって生成されるバックグラウンド磁場により生成されるバックグラウンド磁場中にあり、バックグラウンド磁場Ｈｂは、水素感知層１の磁気モーメントＭの配向角に対するさらなる偏向効果も有し、したがって、それは、水素感知層１に対するバックグラウンド磁場Ｈｂの影響をなくす必要がある。

【0018】

図１に示されるように、任意選択の水素感知層１および非水素感知層１０は共に、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造を含み、非水素感知層１０は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造を覆うパッシベーション層をさらに含む。この実施形態では、非水素感知層１０は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造を含み、したがって、非水素感知層１０は、バックグラウンド磁場によって引き起こされる磁気モーメント配向角の変化を与える。水素ガスが吸収されないときに、水素感知層１がバックグラウンド磁場によって引き起こされる磁気モーメント配向角の変化をやはり反映することを理解できる。

【0019】

バックグラウンド磁場をなくすために、非水素感知層１０は、［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造を覆うパッシベーション層をさらに含む。パッシベーション層は、非水素感知層１０中のパラジウム層が空気中の水素ガスと接触することから隔離し、したがって、非水素感知層１０が水素ガスを吸収するのを防ぐ。したがって、非水素感知層１０の強磁性層によって表される磁気モーメントＭの配向角は、水素ガスに関連付けられず、バックグラウンド磁場Ｈｂにのみ関連付けられる。水素感知層１のパラジウム層は、水素ガスと接触しており、水素感知層１は、バックグラウンド磁場および水素ガスによって引き起こされる磁気モーメント配向角の変化を与える。このようにして、トンネル磁気抵抗センサ２は、水素ガスを吸収することによって引き起こされる水素感知層１の磁場の変化、およびバックグラウンド磁場によって引き起こされる非水素感知層１０の磁場の変化を得るために、水素感知層１の磁場信号および非水素感知層１０の磁場信号を検出するのに使用される。水素ガス濃度情報は、２つの磁場の変化に従って決定され、水素ガス濃度に対するバックグラウンド磁場の影響は取り除かれ、それによって検出精度を改善する。

【0020】

図３は、非水素感知層の磁場の概略図である。非水素感知層１０は、パッシベーション層１－７を含む。パッシベーション層１－７は、水素ガスおよび［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造１’を隔離し、それにより非水素感知層１０は、水素ガスと反応しない。この場合には、非水素感知層１０の強磁性層は、配向角ｂを有する磁気異方性場を与え、すなわち、バックグラウンド磁場によって引き起こされる強磁性層の配向角はΩ（ｂ）であり、これは、水素ガスによって影響を受けない。パッシベーション層１－７の任意選択の材料は、フォトレジスト、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＮ、ＳｉＯ_２、またはＳｉＣであり得る。

【0021】

図４は、水素感知層の磁場の概略図である。水素感知層１のパラジウム層は、強磁性層の磁気モーメントの配向角の変化を引き起こす水素ガスを吸収する。同時に、バックグラウンド磁場は、強磁性層の磁気モーメントの配向角の変化も引き起こし、最終的に、強磁性層の配向角は、Ω（ｂ＋Ｈ）であり、ただしＨは、水素ガス要因によって引き起こされる強磁性層の磁気異方性場の変化である。これに基づいて、トンネル磁気抵抗センサ２は、バックグラウンド磁場の信号および水素ガスによって影響を受ける磁場の信号に従ってバックグラウンド磁場信号をなくすことができ、次いで水素ガス濃度を計算する。水素ガス濃度は、バックグラウンド磁場によって影響を受けず、これにより試験精度を改善し、高感度を有する。

【0022】

図５に示されるように、任意選択の非水素感知層１０は、［非パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造である。この実施形態では、任意選択の非パラジウム層は、銅層、チタン層、またはタンタル層であり、非パラジウム層中の金属のどれも、水素ガスを吸収することができず、したがって、非水素感知層１０の磁気モーメントの配向角は、バックグラウンド磁場によって影響されるだけである。非パラジウム層は、空気に接触することができる。水素感知層１が水素ガスを吸収しないとき、それは、バックグラウンド磁場によって引き起こされる磁気モーメントの配向角の変化をやはり反映することが理解できる。この実施形態では、非パラジウム層は、非水素感知層１０が水素ガスを吸収するのを防ぐことができ、したがって、トンネル磁気抵抗センサ２は、水素ガスの吸収によって引き起こされる水素感知層１の磁場の変化を得るために、水素感知層１の磁場信号および非水素感知層１０の磁場信号を検出するのに使用される。水素ガス濃度情報は、磁場の変化に従って決定される。このようにして、水素ガス濃度に対するバックグラウンド磁場の影響は取り除かれ、それによって検出精度を改善する。

【0023】

図６から図８に示されるように、任意選択のトンネル磁気抵抗センサ２は、基準ブリッジ・センサである。トンネル磁気抵抗センサ２は、感知ブリッジ・アームおよび基準ブリッジ・アームを含む。感知ブリッジ・アームは、磁気抵抗感知ユニット・ストリングを含み、基準ブリッジ・アームは、基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングを含む。磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングの磁場感知方向は共に、Ｘ軸方向である。水素感知層１および非水素感知層１０は共にストリップ状であり、ストリップの長軸はＹ軸方向であり、ストリップの短軸はＸ軸方向である。Ｘ－Ｙ平面内で、磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、水素感知層のストリップ内のＹ軸中心線上に位置し、および／または磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、水素感知層のストリップ内のＹ軸中心線の両側で同じ位置に位置する。Ｘ－Ｙ平面内で、基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、非水素感知層のストリップ内のＹ軸中心線上に位置し、および／または基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、非水素感知層のストリップ内のＹ軸中心線の両側で同じ位置に位置する。磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、同じように配置される。水素感知層は、感知ブリッジ・アームに磁気的に結合され、基準ブリッジ・アームから磁気的に隔離されている。非水素感知層は、感知ブリッジ・アームから磁気的に隔離され、基準ブリッジ・アームに磁気的に結合されている。

【0024】

図１から図５に示されるように、トンネル磁気抵抗センサ２は、感知ブリッジ・アームおよび基準ブリッジ・アームを含み、感知ブリッジ・アームは磁気抵抗感知ユニット・ストリングを含み、基準ブリッジ・アームは基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングを含む。磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、磁気抵抗感知ユニット２－１、２－２、および２－３を含み、基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、基準磁気抵抗感知ユニット２－１－１、２－２－１、および２－３－１を含む。磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、基板９と水素感知層１との間に位置し、基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、基板９と非水素感知層１０との間に位置する。

【0025】

図６に示されるように、水素感知層１および非水素感知層１０は共にストリップ状であり、ストリップの長軸はＹ軸方向であり、ストリップの短軸はＸ軸方向である。具体的には、水素感知層１および非水素感知層１０が位置する平面は、Ｘ－Ｙ平面であり、ストリップ状である。Ｘ－Ｙ平面のストリップ状の長軸延長方向、すなわち長軸方向は、Ｙ軸方向であり、短軸延長方向、すなわち短軸方向は、Ｘ軸方向である。ここで、磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングの磁場感知方向は共に、Ｘ軸方向である。水素感知層１と磁気抵抗感知ユニット・ストリングとの間の相対位置関係だけが、図６に示されている。Ｘ－Ｙ平面内の磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、Ｘ－Ｙ平面内の水素感知層１の正投影に位置する。磁気抵抗感知ユニットの長軸方向はＹ軸方向であり、短軸方向はＸ軸方向である。非水素感知層と基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングとの間の相対位置関係は、図６のものに類似し、ここで繰り返されないことが理解できる。

【0026】

図６に示されるように、磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび水素感知層１が同じＸ－Ｙ平面に投影される場合、磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、Ｘ－Ｙ平面内で水素感知層１に位置する。任意選択で、Ｘ－Ｙ平面内で、磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、水素感知層１内のＹ軸中心線１－６上に位置し、および／または、任意選択で、Ｘ－Ｙ平面内で、磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、水素感知層１に位置し、対称軸としてのＹ軸中心線１－６と対称的に配置される。別の実施形態では、基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングと非水素感知層の両方が同じＸ－Ｙ平面に投影される場合、基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、Ｘ－Ｙ平面内で非水素感知層１に位置する。任意選択で、Ｘ－Ｙ平面内で、磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、水素感知層内のＹ軸中心線上に位置し、および／または、任意選択で、Ｘ－Ｙ平面内で、磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、水素感知層に位置し、対称軸としてのＹ軸中心線と対称的に配置される。

【0027】

図７に示されるように、Ｘ－Ｙ平面内の磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、水素感知層１のＹ軸中心線上に位置することができ、同時に、Ｘ－Ｙ平面内の基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、非水素感知層１０のＹ軸中心線上に位置することができることに留意されたい。代替として、図８に示されるように、Ｘ－Ｙ平面内の磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、水素感知層１のＹ軸中心線の左側に位置してもよく、Ｘ－Ｙ平面内の基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、非水素感知層１０のＹ軸中心線の左側の同じ位置に位置してもよい。さらに、図８に示されるように、Ｘ－Ｙ平面内の磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、水素感知層１のＹ軸中心線の右側に位置してもよく、Ｘ－Ｙ平面内の基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、非水素感知層１０のＹ軸中心線の右側の同じ位置に位置してもよい。

【0028】

この実施形態では、任意選択の磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよび基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングの磁気抵抗感知ユニットは、順に、ピン止め層／絶縁層層／自由層／バイアス層をそれぞれ含む。ピン止め層は、反強磁性層／強磁性層または反強磁性層／強磁性層／金属伝導層／強磁性層である。バイアス層は、反強磁性層または反強磁性／強磁性層／金属層／強磁性層、または永久磁石層である。

【0029】

水素感知層１および非水素感知層１０は、Ｙ軸中心線１－６上の位置など、互いに対応する位置に磁気抵抗感知ユニット２－３および基準磁気抵抗感知ユニット２－３－１をそれぞれ含み、左側の位置に磁気抵抗感知ユニット２－２および基準磁気抵抗感知ユニット２－２－１をそれぞれ含み、右側の位置に磁気抵抗感知ユニット２－１および基準磁気抵抗感知ユニット２－１－１をそれぞれ含む。バックグラウンド磁場の作用および水素ガスの結合作用の下で、非水素感知層１０の磁化角は、Ω（ｂ）だけさらに偏向されるのみである。角度Ω（ｂ）だけ偏向されるのに加えて、水素感知層１は、水素ガスにより角度Ω（Ｈ）だけさらに偏向され、合計角度Ω（ｂ＋Ｈ）だけ偏向される。この実施形態では、基準ブリッジ構造は、バックグラウンド磁場Ω（ｂ）の影響をなくすように選択することができる。

【0030】

上記のバックグラウンド磁場消去法に対応するトンネル磁気抵抗センサの構造図に関し、図７は、水素感知層１および非水素感知層１０の磁気抵抗感知ユニット２－３および基準磁気抵抗感知ユニット２－３－１で構成されたハーフ・ブリッジ構造を同じ位置に含むハーフ・ブリッジ構造である。図８は、水素感知層１および非水素感知層１０に対応する２つの磁気抵抗感知ユニット２－１および２－２ならびに２つの基準磁気抵抗感知ユニット２－１－１および２－２－１で構成されるフル・ブリッジ構造を同じ位置に含むフル・ブリッジ構造である。トンネル磁気抵抗センサは、準ブリッジ構造、ハーフ・ブリッジ構造、またはフル・ブリッジ構造であってもよいことが理解できる。

【0031】

図９に示されるように、水素感知層１および非水素感知層１０について、水素感知層１は、パラジウム層および強磁性層１－３を含み、パラジウム層は、キャップ層に位置するパラジウム層１－１および中間層に位置するパラジウム層１－２を含む。非水素感知層１０の構造は、非水素感知層１０が非パラジウム層を含み、非パラジウム層は、Ｃｕ、Ｔｉ、およびＴａなどの水素ガスと反応しない金属で作製されたフィルム層であるという点で水素感知層１の構造とは異なる。パラジウム層および非パラジウム層は、同じ層に位置する。水素感知層１および非水素感知層１０は、２つの強磁性層の配向角がバックグラウンド磁場、すなわち環境磁場の影響により変わらないことを確実にするように層の厚さおよび個数を含む同じ幾何学的寸法を有することが理解できる。さらに、中間位置、左位置、および右位置などの水素感知層１および非水素感知層１０の位置に対応する同じ位置で磁気抵抗感知ユニット・ストリングと基準磁気抵抗感知ユニット・ストリングを接続することによって形成される基準ブリッジ構造は、図７および図８におけるものに類似しており、これは、ここで繰り返されない。

【0032】

例えば、上記の技術的な解決手段に基づいて、図１０に示されるように、任意選択の水素感知層は、同じ層上で電気的に隔離されたプッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００を含む。外部磁場がないときに、プッシュ水素感知層１は、正のＸ軸の方向に磁気モーメントを有し、プル水素感知層１００は、負のＸ軸の方向に磁気モーメントを有する。

【0033】

図１１に示されるように、図１１は、水素感知層上に位置する磁気シールド層３００も含む。磁気シールド層３００は、少なくとも１つの貫通穴３０１を含む。プッシュ水素感知層１のパラジウム層およびプル水素感知層１００のパラジウム層は、少なくとも１つの貫通穴３０１を介して空気と直接接触している。この実施形態では、磁気シールド層３００の機能は、Ｈ_２とパラジウム層との間の吸収反応を可能にしつつバックグラウンド磁場の干渉効果をなくすことであり、磁気シールド層３００は、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉを含有する軟磁性合金材料である。キャップ層に位置するパラジウム層は１－１として示すことができ、中間層に位置するパラジウム層は１－２として示すことができ、強磁性層は１－３として示すことができる。

【0034】

任意選択のトンネル磁気抵抗センサ２は、プッシュ・プル・ブリッジ・センサである。トンネル磁気抵抗センサ２は、プッシュ・アームおよびプル・アームを含む。プッシュ・アームは、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングを含み、プル・アームは、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングを含む。プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよびプル磁気抵抗感知ユニット・ストリングの磁場感知方向は共にＸ軸方向である。プッシュ水素感知層およびプル水素感知層は共にストリップ状であり、ストリップの長軸はＹ軸方向であり、ストリップの短軸はＸ軸方向である。Ｘ－Ｙ平面内で、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、プッシュ水素感知層のストリップのＹ軸中心線上に位置し、および／またはプッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、プッシュ水素感知層のストリップ内のＹ軸中心線の両側で同じ位置に位置する。Ｘ－Ｙ平面内で、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、プル水素感知層のストリップのＹ軸中心線上に位置し、および／またはプル磁気抵抗感知ユニット・ストリングの正投影は、プル水素感知層のストリップ内のＹ軸中心線の両側で同じ位置に位置する。プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングおよびプル磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、同じように配置される。プッシュ水素感知層は、プッシュ・アームに磁気的に結合され、プル・アームから磁気的に隔離されている。プル水素感知層は、プル・アームに磁気的に結合され、プッシュ・アームから磁気的に隔離されている。

【0035】

この実施形態では、プッシュ水素感知層１とプッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングとの間の相対位置関係は、図６を参照して得ることができ、プル水素感知層１００とプル磁気抵抗感知ユニット・ストリングとの間の相対位置関係は、それに類似する。プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングは２－１および２－２を含み、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリングは２－１－１および２－２－１を含み、プッシュ水素感知層１は、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１および２－２の上方に位置し、プル水素感知層１００は、プル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１－１および２－２－１の上方に位置する。電気隔離層１８は、水素ガス環境および電力供給環境の隔離を実現し、不要な爆発を防ぐように、プッシュ水素感知層１、プル水素感知層１００、およびトンネル磁気抵抗センサ２の間に位置する。プッシュ水素感知層１および水素感知層１００の表面が、空気に共に曝されることは指摘されるべきである。

【0036】

実際の動作では、バックグラウンド磁場Ｈｂの存在、ならびにプッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００中のＨ_２およびパラジウムによって生成される磁気モーメントのバイアスにより、プッシュ・プル・ブリッジ磁気抵抗センサ２は、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００の磁場信号を収集し、出力信号を生成する。バックグラウンド磁場の情報はなくされ、Ｈ_２濃度の測定が実現され、Ｈ_２環境と電気環境の物理的隔離が確実にされる。

【0037】

上記の実施形態のいずれかに記載された水素感知層について、図１２に示された任意選択の水素感知層は、シード層１－５および隔離層１－４をさらに含む。隔離層１－４は、シード層１－５と［パラジウム層／強磁性層］ｎの多層薄膜構造との間に位置し、強磁性層の磁化強度の配向角は、１０°から８０°の範囲内で変化する。隔離層１－４は、垂直磁気異方性（ＰＭＡ）層である。任意選択で、ｎ＝３、パラジウム層は、キャップ層として配置されたパラジウム層１－１と、中間層として配置されたパラジウム層１－２とを含む。パラジウム層１－１をキャップ層として配置することで、水素ガスとパラジウムとの間の反応のための接触面積を増大させることができ、強磁性層１－３は、パラジウム層間に位置する。

【0038】

この実施形態では、Ｈ_２の作用の下で、強磁性層１－３の磁気モーメントＭは、Ｘ－Ｚ平面内で偏向され、Ｘ軸方向の配向角は、Ωである。強磁性層１－３は、ナノスケールの厚さを有し、それは、単一の磁区構造とみなすことができ、したがって、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００は共に、周囲の空間中に静磁場分布を生成する磁気モーメントＭを有する磁石とみなすことができる。水素感知層の底部は、静磁場の試験を実現し、磁気モーメントＭの配向角を推定し、最終的にＨ_２濃度を測定するように、それぞれＹ軸中心線、左位置、および右位置に磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－３、２－２、および２－１を備える。

【0039】

図１３は、磁気モーメントＭの配向角Ωが０から９０°の範囲内で変化するときの水素感知層１のＹ軸中心線の中央位置、左位置、および右位置におけるＸ軸方向の静磁場の成分、および配向角Ωに関する左位置および右位置におけるＸ軸方向の静磁場差Ｒ－Ｌの変化を示す。見ることができるように、配向角Ωに関する静磁場の変化曲線は、直線状セグメントおよび非直線状セグメントを有する。非直線状セグメントは、磁場配向角Ωおよびトンネル磁気抵抗センサの線形結果を達成し、トンネル磁気抵抗センサによるＨ_２濃度の測定を実現するように、配向角Ωに関して０°に近いまたは９０°に近い磁場の位置に現れ、フル・レンジで線形化を達成するアルゴリズムによって補償することができる。

【0040】

上記の実施形態で説明された、水素感知層および非水素感知層を含む水素ガス・センサについて。

【0041】

任意選択で、それは、バイアス・コイルをさらに含む。バイアス・コイルが位置するフィルム層は、基板と水素感知層との間に位置し、バイアス・コイルは、トンネル磁気抵抗センサの真上または真下に位置し、バイアス・コイルは、渦巻きコイルである。Ｘ軸方向またはＹ軸方向のバイアス磁場について、バイアス・コイルが位置する平面は、第１のバイアス領域および第２のバイアス領域を含む。第１のバイアス領域および第２のバイアス領域は、それぞれ、平行に配置されると共に同じ電流方向を有するＮ個の直線セグメントを備え、ただし、Ｎは１以上の整数である。第１のバイアス領域および第２のバイアス領域内の直線セグメントの電流は、同じ方向または反対方向にあり、水素感知層は、第１のバイアス領域内に等しく分布し、非水素感知層は、第２のバイアス領域内に等しく分布している。Ｚ軸方向のバイアス磁場について、バイアス・コイルが位置する平面は、中央バイアス領域を含み、中央バイアス領域は、対称的に配置されると共に対称的で反対の電流方向を有する同じ個数の２Ｍ個の直線セグメントを備え、ただし、Ｍは１以上の整数である。水素感知層および非水素感知層は、中央バイアス領域内に配置されると共に対称的に配置される。水素感知層に対応して配置された直線セグメントの電流方向は、対称的で反対であり、非水素感知層に対応して配置された直線セグメントの電流方向は、対称的で反対であり、電流方向は、Ｙ軸中心線に全て直交する。

【0042】

任意選択で、それは、永久磁石バイアス層をさらに含む。Ｘ軸方向またはＹ軸方向のバイアス磁場について、永久磁石バイアス層は、平行に配置された少なくとも２つの永久磁石棒を含む。永久磁石棒は、水素感知層の両側におよび非水素感知層の両側に位置する。Ｘ軸方向のバイアス磁場またはＹ軸方向のバイアス磁場は、隣接した永久磁石棒間で生成される。Ｚ軸方向のバイアス磁場について、永久磁石バイアス層は、基板の下方に位置する永久磁石棒を含む。水素感知層および非水素感知層は、それぞれ、Ｚ軸方向に同じ磁場成分を有する永久磁石棒の２つの領域内に位置する。水素感知層および非水素感知層は、Ｙ軸方向に対称的で反対の磁場成分を有する永久磁石棒の２つの領域内に位置する。

【0043】

上述した水素ガス・センサでは、磁区の存在が、水素感知層および非水素感知層の磁気モーメントの分散を引き起こす。この実施形態では、磁区によって引き起こされる磁気モーメントの分散は、バイアス磁場によってなくされ、またはそれは、強磁性共鳴条件下の水素感知層および非水素感知層を飽和させて共鳴周波数を変化させるために使用される。バイアス・コイルを配置すると共に永久磁石棒を配置することは、共に解決手段である。

【0044】

磁区によって引き起こされる磁気モーメントの分散をなくすためにバイアス・コイルを配置する解決手段について。バイアス・コイルは、バイアス磁場を生成するのに使用することができ、これは、マイクロ波励起信号と同様に磁場を動的に励起させることができる。

【0045】

図１４を参照すると、渦巻きコイル８が、バイアス磁場を実現するのに使用される。図面は、Ｙ軸方向のバイアス磁場Ｈｙが使用されるときの渦巻きコイル８に対する水素感知層１および非水素感知層１０の分布を示す。水素感知層１は、Ｙ軸方向に延び、複数の水素感知層１が、Ｘ軸方向に配置されている。非水素感知層１０は、Ｙ軸方向に延び、複数の非水素感知層１０が、Ｘ軸方向に配置されている。水素感知層１および非水素感知層１０は、Ｙ軸方向に配置されている。渦巻きコイル８は、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメント、およびＸ軸方向に延びる複数の直線セグメントを含み、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントは、水素感知層１および非水素感知層１０に重なり合わず、Ｘ軸方向に延びる複数の直線セグメントは、水素感知層１および非水素感知層１０に重なり合い、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントおよびＸ軸方向に延びる複数の直線セグメントは、渦巻きバイアス・コイルを形成するように電気的に接続されている。具体的には、渦巻きコイル８は、２つの平行な直線セグメント領域８－１（すなわち、第１のバイアス領域）と、８－２（すなわち、第２のバイアス領域）とを含み、第１および第２のバイアス領域は、等しい距離に配置された３つの平行な直線セグメントでそれぞれ構成される。第１のバイアス領域は、３つの直線セグメント８－１－１を含み、第２のバイアス領域は、３つの直線セグメント８－２－１を含む。２つのバイアス領域の電流方向は反対であり、水素感知層１および非水素感知層１０のＹ軸中心線１－６は、電流方向に共に直交する。具体的には、水素感知層１は、平行な直線セグメント領域８－１内に均一に分布し、非水素感知層１０は、平行な直線セグメント領域８－２内に均一に分布する。

【0046】

図１５は、渦巻きコイルおよび水素感知層１の断面図であり、図１６は、渦巻きコイルおよび非水素感知層１０の断面図である。明らかに、渦巻きコイルの直線セグメント８－１－１および８－２－１の電流方向は反対である。一方のバイアス領域の電流方向は＋Ｘ方向であり、他方のバイアス領域の回路方向は－Ｘ方向である。第１のバイアス領域８－１の直線セグメントは、水素感知層１の真下に位置し、第２のバイアス領域８－２の直線セグメントは、非水素感知層１０の真下に位置する。図１７は、渦巻きコイル８によって生成されるＹ軸方向のバイアス磁場を示す。見ることができるように、水素感知層１および非水素感知層１０内のＹ軸方向のバイアス磁場分布は、同じ振幅および反対方向を有する。

【0047】

図１８に示されるように、水素感知層１はＹ軸方向に延び、複数の水素感知層１はＸ軸方向に配置される。非水素感知層１０はＹ軸方向に延び、複数の非水素感知層１０はＸ軸方向に配置される。水素感知層１および非水素感知層１０は、Ｘ軸方向に配置される。渦巻きコイル８は、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントと、Ｘ軸方向に延びる複数の直線セグメントとを含み、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントは、水素感知層１および非水素感知層１０に重なり合わず、Ｘ軸方向に延びる直線セグメントの少なくとも一部は、水素感知層１および非水素感知層１０に重なり合い、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントおよびＸ軸方向に延びる複数の直線セグメントは、渦巻きバイアス・コイルを形成するように電気的に接続されている。この実施形態では、水素感知層１および非水素感知層１０は、それぞれ、２つの平行な直線セグメント領域８－１および８－２内に配置されている。２つの平行な直線セグメント領域８－１および８－２は、等しい距離に配置された３つの同一の平行な直線セグメント、すなわち、３つの平行な直線セグメントが等しい距離に配置されているエリアでそれぞれ構成されている。すなわち、等しい距離に配置された３つの同一の平行な直線セグメントが水素感知層１に重なり合う領域は、第１のバイアス領域８－１であり、等しい距離に配置された３つの同一の平行な直線セグメントが非水素感知層１０に重なり合う領域は、第２のバイアス領域８－２である。したがって、３つの平行な直線セグメント８－１－１および８－２－１は、同じ電流方向をそれぞれ有し、この電流方向は、Ｙ軸中心線１－６に直交する。

【0048】

図１９に示されるように、図１９は、バイアス磁場がＸ軸方向にある状態の渦巻きコイル８、水素感知層１、および非水素感知層１０の分布図である。水素感知層１はＹ軸方向に延び、複数の水素感知層１はＸ軸方向に配置されている。非水素感知層１０はＹ軸方向に延び、複数の非水素感知層１０はＸ軸方向に配置されている。水素感知層１および非水素感知層１０は、Ｙ軸方向に配置されている。渦巻きコイル８は、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントと、Ｘ軸方向に延びる複数の直線セグメントとを含む。Ｘ軸方向に延びる複数の直線セグメントは、水素感知層１および非水素感知層１０に重なり合わず、Ｙ軸方向に延びる直線セグメントの少なくとも一部は、水素感知層１および非水素感知層１０に重なり合い、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントおよびＸ軸方向に延びる複数の直線セグメントは、渦巻きバイアス・コイルを形成するように電気的に接続されている。この実施形態では、Ｙ軸方向のバイアス磁場からの差は、水素感知層１および非水素感知層１０がそれぞれ２つの平行な直線セグメント領域８－１および８－２内に配置されるように、水素感知層１および非水素感知層１０が９０°だけ回転するものである。平行な直線セグメント８－１－１および８－２－１の電流方向は、Ｙ軸中心線１－６に平行であり、２つの平行な直線セグメント領域８－１および８－２は、等しい距離に配置された３つの同一の平行な直線セグメントで構成される。すなわち、等しい距離に配置された３つの同一の平行な直線セグメントが水素感知層１に重なり合う領域が、第１のバイアス領域８－１であり、等しい距離に配置された３つの同一の平行な直線セグメントが非水素感知層１０に重なり合う領域は、第２のバイアス領域８－２である。

【0049】

図２０に示されるように、図２０は、バイアス磁場がＺ軸方向にある状態の渦巻きコイル８、水素感知層１、および非水素感知層１０の分布図である。水素感知層１はＹ軸方向に延び、複数の水素感知層１はＸ軸方向に配置されている。非水素感知層１０はＹ軸方向に延び、複数の非水素感知層１０はＸ軸方向に配置されている。水素感知層１および非水素感知層１０は、Ｘ軸方向に配置されている。渦巻きコイル８は、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントと、Ｘ軸方向に延びる複数の直線セグメントとを含む。Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントは、水素感知層１および非水素感知層１０に重なり合わず、Ｘ軸方向に延びる直線セグメントの少なくとも一部は、水素感知層１および非水素感知層１０に重なり合い、Ｙ軸方向に延びる複数の直線セグメントおよびＸ軸方向に延びる複数の直線セグメントは、渦巻きバイアス・コイルを形成するように電気的に接続されている。この実施形態では、Ｘ軸またはＹ軸方向のバイアス磁場からの差は、水素感知層１および非水素感知層１０が渦巻きコイル８の中間領域８－４（すなわち、中央バイアス領域）内に位置するものである。中間領域８－４は、正のＸ軸方向の２つの同一の電流直線セグメントと、負のＸ軸方向の２つの電流直線セグメントとを含む。水素感知層１および非水素感知層１０のＹ軸中心線１－６は、共に、電流方向に直交し、４つの直線セグメントに対称的にまたがり、それにより渦巻きコイル８が、Ｙ軸方向などの他の方向の磁場成分よりも大きいＺ軸方向の磁場成分を生成することができる。

【0050】

図２１に示されるように、図２１は、基準ブリッジ・トンネル磁気抵抗センサを利用する水素ガス・センサの概略図である。渦巻きコイル８において、平行な直線セグメント領域８－１に対応する水素感知層１の磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１および２－２、ならびに平行な直線セグメント領域８－２に対応する非水素感知層１０の基準磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１－１および２－２－１は、基準フル・ブリッジ構造を形成するように電気的に接続され、ＶＣＣ、ＧＮＤ、Ｖ＋、およびＶ－の４つのピンに接続されている。

【0051】

図２２に示されるように、上記の実施形態の水素ガス・センサに基づく水素ガスを測定する原理は、水素感知層１がＨ_２およびバックグラウンド磁場Ｈｂを感知し、非水素感知層１０がバックグラウンド磁場Ｈｂだけを感知し、渦巻きコイル８がバイアス磁場を印加するのに使用されるものである。水素感知層１に対応する磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１および２－２、ならびに非水素感知層１０に対応する基準磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１－２および２－２－１は、直接出力することができるまたはアナログ・フロント・エンド回路を介して出力することができる出力端を有する基準ブリッジ構造を構成する。

【0052】

図２３ａおよび図２３ｂに示されるように、コイル駆動回路は、渦巻きコイル８に電力を供給するのに使用され、渦巻きコイル８は、水素感知層１および非水素感知層１０を同時に動的に励起する。基準ブリッジ・トンネル磁気抵抗センサのブリッジ出力電圧は、直接出力されてもよくまたはアナログ・フロント・エンド回路を介して出力されてもよく、励起信号の周波数および位相に対応する周波数および位相を有する誘起電圧が集められる。したがって、コイル駆動回路、および基準ブリッジ・トンネル磁気抵抗センサのブリッジ出力電圧は、渦巻きコイルの電力供給の励起磁場信号Ｈｅとトンネル磁気抵抗センサの応答信号との間の関係を解析および処理し、圧力濃度に関連した電圧信号を出力するために、デジタル制御および解析回路にジョイント接続される。励起磁場信号Ｈｅ、およびトンネル磁気抵抗センサによって測定される水素感知層および非水素感知層内の強磁性層の磁束Ｂの変化は、Ｂ－Ｈ曲線を形成することができる。Ｈ_２濃度の測定を実現するために、残留磁気Ｂｒ、または保磁力Ｈｃ、透磁率μ、飽和磁気誘導強度Ｂｓ、および飽和磁場Ｈｓなどのパラメータを抽出することによって。

【0053】

強磁性層中の磁気モーメントＭをできる限りトンネル磁気抵抗センサの静磁場に変換できるように水素感知層および非水素感知層内の磁区をなくすために、静磁気バイアス・ファンクションを使用することも必要であり、静磁場は、Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向のいずれかであり得る。図２４ａは、Ｘ軸方向のバイアス磁場Ｈｘを示し、実際の製品では、図２４ｂに示された永久磁石棒５－１、５－２、および５－３は、その磁化方向がＸ軸方向であるように基板上に用意することができる。図２５ａは、Ｙ軸方向のバイアス磁場Ｈｙを示し、実際の製品では、図２５ｂに示された永久磁石棒６－１および６－２は、その磁化方向がＹ軸方向であるように基板上に用意することができる。図２６ａは、Ｚ軸方向のバイアス磁場Ｈｚを示し、実際の製品では、図２６ｂに示された永久磁石ブロック７は、その磁化方向がＺ方向であるように基板の下面上に用意することができ、水素感知層１および非水素感知層１０は、それぞれ、Ｚ軸中心線の両側に対称的に位置し、永久磁石水平磁場成分は、それぞれ、正のＹ軸および負のＹ軸方向である。

【0054】

任意選択で、水素ガス・センサは、マイクロストリップをさらに備える。マイクロストリップは、シングル・ストリップまたはダブル・ストリップ構造である。マイクロストリップは、基板とトンネル磁気抵抗センサとの間に位置し、マイクロストリップの両端は、バイアス磁場がＺ軸方向またはＹ軸方向にあるように、マイクロ波ポートに接続され、マイクロ波励起電源に接続される。トンネル磁気抵抗センサが基準ブリッジ・センサであるとき、マイクロストリップは、Ｙ軸中心線に平行または直交する。図２７ａから図２７ｃは、強磁性共鳴（ＦＭＲ）法によって水素ガス濃度を測定するためのセンサ構造の概略図である。水素感知層１および非水素感知層１０の下方で、マイクロストリップ１１が、マイクロ波励起信号を伝送するために使用され、マイクロストリップ１１は、シングル・ストリップまたはダブル・ストリップ構造とすることができ、マイクロストリップ１１は、基板９上に直接製造される。ダブル・ストリップおよびシングル・ストリップのケースが、この実施形態で与えられる。同時に、水素感知層１および非水素感知層１０の平面内の磁場またはこの平面に直交する磁場が、バイアス磁場として使用される。この実施形態では、垂直磁場Ｈｚのケースが与えられる。図２７ｂに与えられた水素感知層１および非水素感知層１０内のマイクロ波励起磁場は、共にＹ軸方向であり、図２７ｃに与えられる水素感知層１および非水素感知層１０内のマイクロ波励起磁場は、共にＸ軸方向にある。

【0055】

図２８に示されるように、図２８は、強磁性共鳴（ＦＭＲ）法による水素ガス濃度の測定の概略図である。マイクロ波マイクロストリップの入力信号と出力信号の伝統的な解析との違いは、水素感知層１および非水素感知層１０に対応する磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１および２－２ならびに基準磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１－１および２－２－１によって形成された基準フル・ブリッジ構造が、強磁性層内の強磁性共鳴プロセス中の透磁率の変化によって引き起こされる磁束密度の変化を測定するために使用されることである。マイクロ波励起電源１５によって供給されるマイクロ波励起信号、および磁気抵抗センサによって出力される電圧信号は、周波数と位相の間の相互関係を有し、したがって、センサの出力、およびマイクロ波励起電源１５は、処理のためにデジタル制御および解析回路１６へ伝送され、次いで、水素ガス含有量に関する情報が出力される。図２９に示されるように、強磁性共鳴中、透磁率は、実数部μ’および虚数部μ’’を有する複素数の形態である。実際の動作では、垂直バイアス磁場Ｈｚは、ある一定の範囲内で走査され、マイクロ波励起電源１５は、ある一定の周波数ｆの範囲内で周波数掃引を実行する。したがって、透磁率μ”またはμ’のバイアス磁場Ｈｚが与えられる場合に得られる磁気スペクトル、あるいは周波数ｆが与えられる場合に得られるバイアス磁場Ｈｚの変化が、透磁率共鳴ピークＨｐｅａｋまたはその半値全幅Ｈ（ＦＷＨＭ）をパラメータとしてとることによって異なる水素ガス濃度における関係値を較正するために使用することができ、周波数ｆと共に変化する透磁率のグラフは、透磁率共鳴ピークｆｐｅａｋまたはその半値全幅ｆ（ＦＷＨＭ）をパラメータとしてとることによって異なる水素ガス濃度における関係値を較正するために使用することもできる。

【0056】

上記の実施形態に説明された、プッシュ水素感知層およびプル水素感知層を含む水素ガス・センサについて。

【0057】

任意選択で、それは、バイアス・コイルをさらに含む。バイアス・コイルが位置するフィルム層は、基板と水素感知層との間に位置し、バイアス・コイルは、トンネル磁気抵抗センサの真上または真下に位置し、バイアス・コイルは、渦巻きコイルである。Ｙ軸方向のバイアス磁場について、バイアス・コイルが位置する平面は、第３のバイアス領域および第４のバイアス領域を含む。第３のバイアス領域および第４のバイアス領域は、それぞれ、平行に配置されると共に同じ電流方向を有するＰ個の直線セグメントを備え、ただし、Ｐは１以上の整数である。第３のバイアス領域および第４のバイアス領域内の直線セグメントの電流は、同じ方向または反対方向にあり、プッシュ水素感知層は、第３のバイアス領域内に等しく分布し、プル水素感知層は、第４のバイアス領域内に等しく分布している。Ｚ軸方向のバイアス磁場について、バイアス・コイルが位置する平面は、中央バイアス領域を含み、中央バイアス領域は、対称的に配置されると共に対称的で反対の電流方向を有する同じ個数の２Ｑ個の直線セグメントを備え、ただし、Ｑは１以上の整数である。プッシュ水素感知層およびプル水素感知層は、中央バイアス領域内に配置されると共に対称的に配置される。プッシュ水素感知層に対応して配置された直線セグメントの電流方向は、対称的で反対であり、プル水素感知層に対応して配置された直線セグメントの電流方向は、対称的で反対であり、電流方向は、Ｙ軸中心線に全て直交する。

【0058】

任意選択で、それは、永久磁石バイアス層をさらに含む。Ｙ軸方向のバイアス磁場について、永久磁石バイアス層は、平行に配置された少なくとも２つの永久磁石棒を含む。永久磁石棒は、プッシュ水素感知層の両側におよびプル水素感知層の両側に位置する。Ｙ軸方向のバイアス磁場は、隣接した永久磁石棒間で生成される。Ｚ軸方向のバイアス磁場について、永久磁石バイアス層は、基板の下方に位置する永久磁石棒を含む。プッシュ水素感知層およびプル水素感知層は、それぞれ、Ｚ軸方向に同じ磁場成分を有する永久磁石棒の２つの領域内に位置する。プッシュ水素感知層およびプル水素感知層は、Ｙ軸方向に対称的で反対の磁場成分を有する永久磁石棒の２つの領域内に位置する。

【0059】

上述したような水素ガス・センサでは、水素ガス濃度が増加するときに正のＸ軸方向にバイアスされるプッシュ水素感知層１に加えて、水素感知層は、負のＸ軸方向に逆にバイアスされるプル水素感知層１００をさらに有する。図３０に示されるように、プッシュ水素感知層１に対応するプッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、２－１、２－２、および２－３を含み、プル水素感知層１００に対応するプル磁気抵抗感知ユニット・ストリングは、２－１－１、２－２－２、および２－３－１を含む。同じ水素ガス濃度条件下で、プッシュ水素感知層１の磁気モーメントが角度＋Ωだけ偏向され、一方プル水素感知層１００の磁気モーメントが角度－Ωだけ偏向され、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１、２－２、および２－３、ならびにプル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１－１、２－２－１、および２－３－１が、反対のＸ軸静磁場成分を有すると仮定する。加えて、環境磁場Ｈｂ、プッシュ水素感知層１、およびプル水素感知層１００は、同じ効果を有し、したがって、プッシュ・プル磁気抵抗ブリッジ構造によって、環境磁場Ｈｂをなくすことができ、水素ガスによって引き起こされる磁気モーメント偏向および静磁場を同時に増幅することができると仮定する。

【0060】

図３１ａは、プッシュ・プル磁気抵抗センサのハーフ・ブリッジ・ブリッジ構造図であり、図３１ｂは、プッシュ・プル磁気抵抗センサのフル・ブリッジ・ブリッジ構造図である。加えて、本明細書に説明されない準ブリッジ構造を形成することもできる。

【0061】

任意選択で、プッシュ水素感知層の正のＸ軸方向磁気モーメントおよびプル水素感知層の負のＸ軸方向磁気モーメントを書き込む方法は、レーザ熱磁気書き込み、書き込みヘッド書き込み、書き込みコイル書き込み、および永久磁石ブロック書き込みのうちの任意の書き込み方法を含む。書き込みコイルは、基板と水素感知層との間に位置し、書き込みコイルは、プッシュ水素感知層のＹ軸中心線に沿ったおよび正のＹ軸電流方向を有する第１の書き込みワイヤ、ならびにプル水素感知層のＹ軸中心線に沿ったおよび負のＹ軸電流方向を有する第２の書き込みワイヤを含む。永久磁石ブロックは、ストリップ状であり、永久磁石ブロックは、水素感知層とは反対の一方の側で基板の表面上に位置し、永久磁石ブロックは、Ｚ軸方向に磁化方向を有する。プッシュ水素感知層およびプル水素感知層は、永久磁石ブロックのＺ軸中心線の両側の領域内にそれぞれ位置し、両側の領域は、Ｘ軸方向に対称的で反対の磁場成分を有する。

【0062】

図３２ａおよび図３２ｂは、水素感知層の磁気モーメントの第１の書き込み方法を示す。磁気モーメントは、レーザ熱磁気書き込み方法を使用することによって書き込まれる。具体的には、図３２ａでは、レーザ・ビーム２００ならびに磁場コイル２０１および２０２が含まれる。レーザ・ビーム２００は、プッシュ水素感知層１に作用し、それをキュリー温度まで加熱し、磁場コイル２０１および２０２は、正のＸ軸方向に静磁場２０３を生成する。図３２ｂでは、レーザ・ビーム２００は、プル水素感知層１００に作用し、それをキュリー温度まで加熱し、磁場コイル２０１および２０２は、負のＸ軸方向に静磁場２０４を生成する。このようにして、正のＸ軸方向の磁気モーメントおよび負のＸ軸方向の磁気モーメントは、それぞれ、レーザ熱磁気書き込み方法によってプッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００について得られる。

【0063】

図３３ａおよび図３３ｂは、水素感知層の磁気モーメントの第２の書き込み方法を示す。磁気モーメントは、書き込みヘッドによって直接書き込まれる。書き込みヘッドは、開放磁気ヨーク２０５、および励磁コイル２０６を含む。図３３ａに示されるように、書き込みヘッドは、プッシュ水素感知層１の上方に正のＸ軸方向の磁場を生成する。図３３ｂに示されるように、書き込みヘッドは、プル水素感知層１００の上方で負のＸ軸方向に磁場を生成するものであり、これは、励磁コイル１０６の電流方向を変化させることによって実現される。

【0064】

図３４ａおよび図３４ｂは、水素感知層の磁気モーメントの第３の書き込み方法を示す。磁気モーメントは、基板上に書き込みコイルを製造することによって書き込まれる。具体的には、書き込みコイルは、基板と水素感知層との間に位置する。書き込みコイルは、プッシュ水素感知層のＹ軸中心線の方向の第１の書き込みワイヤであって、正のＹ軸電流方向を有する第１の書き込みワイヤと、プル水素感知層のＹ軸中心線の方向の第２の書き込みワイヤであって、負のＹ軸電流方向を有する第２の書き込みワイヤとを含む。図面に示されるように、第１の書き込みワイヤ２０９は、プッシュ水素感知層１の下方に形成され、第２の書き込みワイヤ２１２は、プル水素感知層１０の下方に形成される。第１の書き込みワイヤ２０９および第２の書き込みワイヤ２１２は、水素感知層のＹ軸中心線の方向にそれぞれ平行である。第１の書き込みワイヤ２０９の電流方向２１０は、正のＹ軸方向であり、第２の書き込みワイヤ２１２の電流方向は、負のＹ軸方向である。ここで、第１の書き込みワイヤ２０９の電流磁場２１１は、プッシュ水素感知層１に正のＸ軸方向磁場を形成するように使用され、第２の書き込みワイヤ２１２の電流磁場２１４は、プル水素感知層１００に負のＸ軸方向磁場を形成するように使用される。したがって、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００を書き込む磁気モーメントが完成される。

【0065】

図３５は、水素感知層の磁気モーメントの第４の書き込み方法を示す。磁気モーメントは、基板の背面上に永久磁石ブロック２１５を配置することによって書き込まれる。具体的には、永久磁石ブロック２１５は、ストリップ状であり、永久磁石ブロック２１５は、水素感知層とは反対の一方の側で基板の表面上に位置する。永久磁石ブロック２１５は、Ｚ軸方向に磁化方向を有する、プッシュ水素感知層１おおよびプル水素感知層１００は、永久磁石ブロック２１５のＺ軸中心線の両側の領域内にそれぞれ位置し、両側の領域は、Ｘ軸方向に対称的で反対の磁場成分を有する。永久磁石ブロック２１５の磁化方向は、Ｚ軸方向であり、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００は、永久磁石ブロック２１５のＺ軸中心線２１６の両側に対称的に配置され、それによって閉じた磁場２１８が、永久磁石ブロック２１５と上に位置するプッシュ水素感知層１との間に形成され、閉じた磁場２１７は、永久磁石ブロック２１５と上に位置するプル水素感知層１００との間にさらに形成される。さらに、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００の磁気モーメントの書き込みが実現される。

【0066】

図３６は、磁気シールド層３００を有するプッシュ・プル・ブリッジ型水素ガス・センサの概略図である。プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００は、磁気シールド層３００によって覆われ、磁気シールド層３００は、水素ガスがプッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００の表面に入ることを可能にするために複数の貫通穴３０１を備える。磁気シールド層３００の機能は、Ｈ_２とパラジウム層との間の反応を可能にしつつ、バックグラウンド磁場の干渉効果をなくすことである。磁気シールド層３００は、Ｆｅ、Ｃｏ、またはＮｉを含有する軟磁性合金材料である。

【0067】

図３７に示されるように、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００を含む水素ガス・センサは、強磁性層の磁区構造をなくすために静磁場によってバイアスすることもできる。プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００は、正および負のＸ軸方向に磁化方向を有し、したがって、Ｘ磁場が単純に使用される場合に、水素感知層のプッシュ・プル構造は破壊される。トンネル磁気抵抗センサは、同じ磁場感度方向を有し、正のＸ磁場および負のＸ磁場が使用される場合でも、トンネル磁気抵抗センサは、異常な稼働状態にある。したがって、Ｙ軸方向の磁場またはＺ軸方向のバイアス磁場だけが選択され得る。

【0068】

図３７は、Ｙ軸方向のバイアス・コイルおよびトンネル磁気抵抗センサの第１の分布図である。渦巻きコイルは、第１のバイアス領域８－１および第２のバイアス領域８－２を含み、各バイアス領域は、３個の平行な直線セグメントを含み、第１のバイアス領域８－１および第２のバイアス領域８－２のコイル直線セグメントは、反対の電流方向を有する。プッシュ水素感知層１ならびにプッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１および２－２は、第１のバイアス領域８－１内に配置され、プッシュ水素感知層１のＹ軸中心線１－６は、電流方向に直交する。プル水素感知層１０およびプル磁気抵抗感知ユニット２－１－１および２－２－１は、第２のバイアス領域８－２内に配置される。

【0069】

図３８は、Ｙ軸方向のバイアス・コイル、およびトンネル磁気抵抗センサの第２の分布図である。渦巻きコイルは、第１のバイアス領域８－１および第２のバイアス領域８－２を含む。図３７との違いは、第１のバイアス領域８－１の直線セグメント８－１－１および第２のバイアス領域８－２の直線セグメント８－２－１は、同じ電流方向を有し、水素感知層のＹ軸中心線１－６は、電流方向に直交することである。

【0070】

図３９は、Ｚ方向バイアス・コイルおよびトンネル磁気抵抗センサの分布図である。プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００は、それぞれ、渦巻きコイルの中央バイアス領域８－４に位置し、中央バイアス領域８－４は、正のＸ軸方向の２本の直線ワイヤ８－４と、負のＸ軸方向の２本の直線ワイヤ８－４－１とを含む。プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００のＹ軸中心線１－６は、電流方向に直交し、中央バイアス領域８－４がプッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００内のＺ軸方向の磁場ならびに正のＹ軸方向および負のＹ軸方向の磁場を生成するように、正のＸ軸方向に直線ワイヤ８－４をおよび負のＸ軸方向に直線ワイヤ８－４－１に対称的にまたがる。

【0071】

この実施形態では、任意選択で、永久磁石棒は、バイアス磁場を生成するために使用することができる。具体的には、図４０ａに示されるように、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００は、それぞれ、Ｙ軸方向に磁場を感知する。図４０ｂに示されるように、Ｙ軸方向のバイアス磁場は、２つの平行な永久磁石棒６－１と６－２の間に生成され、プッシュ水素感知層１とプル水素感知層１００との間に位置する。図４１は、永久磁石棒のＺ軸方向のバイアス磁場およびトンネル磁気抵抗センサの分布図である。永久磁石棒７は、トンネル磁気抵抗センサの下方に位置し、Ｚ軸方向の磁化方向を有する。プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００は、それぞれ、２つの閉磁気回路７２および７１を形成するようにＺ軸中心線の両側に対称的に位置する。プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００内の永久磁石棒７によって形成される磁気回路７２および７１がＹ－Ｚ平面上に位置し、Ｚ成分以外にＹ成分のみを有することが指摘されるべきである。

【0072】

図４２は、静磁場によってバイアスされるトンネル磁気抵抗センサ構造を利用する水素ガス・センサを示す。測定原理は、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００が逆磁場を形成するようにそれぞれ水素ガスと反応するというものである。逆磁場は、トンネル磁気抵抗センサのプッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１および２－２、ならびにプル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１－１および２－２－１に作用し、形成されたプッシュ・プル磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの出力端子は、アナログ・フロント・エンド回路を介して水素ガスに関連した電圧信号を直接出力するまたは出力する。加えて、それは、水素感知層の磁気モーメントのみに頼ることによってまたはバイアス静磁場７を印加することによって同時に実現することができ、バイアス静磁場は、渦巻きコイルまたは永久磁石棒あるいは同時に存在する両方であり得る。

【0073】

図４３ａおよび図４３ｂは、プッシュ・プル・ブリッジ・トンネル磁気抵抗センサの電磁コイルの動的水素ガス測定の概略図である。この実施形態では、コイル駆動回路は、電力を渦巻きコイル８に供給するために使用され、渦巻きコイル８は、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００を同時に動的に励起する。励起信号の周波数および位相に対応する周波数および位相を有する誘起電圧は、プッシュ・プル・ブリッジ・トンネル磁気抵抗センサによって集められる。プッシュ・プル・ブリッジ・トンネル磁気抵抗感知ユニット・ブリッジの出力電圧は、直接出力またはアナログ・フロント・エンド回路を介して出力することができ、したがって、コイル駆動回路、およびプッシュ・プル・ブリッジ・トンネル磁気抵抗センサ・ブリッジの出力電圧は、渦巻きコイル電源の励起磁場信号Ｈｅとトンネル磁気抵抗センサの応答信号との間の関係を解析および処理し、Ｈ_２の濃度に関連した電圧信号を出力するために、デジタル制御および解析回路にジョイント接続される。励起磁場信号Ｈｅおよびトンネル磁気抵抗ＴＭＲによって測定される水素感知層および非水素感知層内の強磁性層の磁束Ｂの変化は、Ｂ－Ｈ曲線を形成し得る。Ｈ_２濃度の測定を実現するために、残留磁気Ｂｒ、または保磁力Ｈｃ、透磁率μ、飽和磁気誘導強度Ｂｓ、および飽和磁場Ｈｓなどのパラメータを抽出することによって。プッシュ・プル・ブリッジ・トンネル磁気抵抗センサと基準ブリッジ・トンネル磁気抵抗センサとの間の差は、励起磁場ＨｅがＹまたはＺ方向に逆にされることのみであり得る。

【0074】

任意選択で、水素ガス・センサは、マイクロストリップをさらに含む。マイクロストリップは、シングル・ストリップまたはダブル・ストリップ構造である。マイクロストリップは、基板とトンネル磁気抵抗センサとの間に位置し、マイクロストリップの両端は、バイアス磁場がＺ軸方向またはＹ軸方向にあるように、マイクロ波ポートに接続され、マイクロ波励起電源に接続される。トンネル磁気抵抗センサがプッシュ・プル・ブリッジ・センサであるとき、マイクロストリップは、Ｙ軸方向中心線に直交する。

【0075】

図４４ａおよび図４４ｂに示されるように、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００の下方で、マイクロストリップ１１が、マイクロ波励起信号を伝送するために使用され、マイクロストリップ１１は、シングル・ストリップまたはダブル・ストリップ構造とすることができ、マイクロストリップ１１は、基板９上に直接製造される。この実施形態は、ダブル・ストリップの状況を示し、図４４ｂに示されるように、プッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００の平面内の磁場またはこの平面に直交する磁場が、バイアス磁場として使用される。この実施形態では、垂直磁場Ｈｚのケースが与えられる。さらに、上に示されたマイクロ波励起磁場は、プッシュ水素感知層１とプル水素感知層１００の両方の内のＹ軸方向にあるが、Ｘ軸方向にあることはできない。

【0076】

図４５ａおよび図４５ｂは、強磁性共鳴（ＦＭＲ）法を使用することによる水素ガス濃度の測定の概略図である。マイクロストリップの入力信号および出力信号の伝統的な解析との違いは、この実施形態は、強磁性層内の強磁性共鳴中の透磁率の変化によって引き起こされる磁束密度の変化を測定するために、プッシュ磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１および２－２ならびにプッシュ水素感知層１およびプル水素感知層１００に対応するプル磁気抵抗感知ユニット・ストリング２－１－１および２－２－１で構成されるプッシュ・プル・フル・ブリッジ構造を採用することである。マイクロ波励起電源１５によって供給されるマイクロ波励起信号、および磁気抵抗センサによって出力される電圧信号は、周波数と位相の間の相互関係を有し、したがって、トンネル磁気抵抗センサの出力、およびマイクロ波励起電源１５は、処理のためにデジタル制御および解析回路１６へ伝送され、次いで、水素ガス含有量に関する情報が出力される。強磁性共鳴中、透磁率は、実数部μ’および虚数部μ’’を有する複素数の形態である。実際の動作では、垂直バイアス磁場Ｈｚは、ある一定の範囲内で走査され、マイクロ波励起電源１５は、ある一定の周波数ｆの範囲内で周波数掃引を実行する。したがって、磁気スペクトルは、透磁率μ”またはμ’のバイアス磁場Ｈｚが与えられる場合に得ることができ、あるいはバイアス磁場Ｈｚの変化図は、周波数ｆが与えられる場合に得ることができる。図４５は、透磁率共鳴ピークＨｐｅａｋまたはその半値全幅Ｈ（ＦＷＨＭ）をパラメータとしてとることによって異なる水素ガス濃度で関係値を較正するためにバイアス磁場Ｈｚと共に変化する透磁率のグラフを与える。周波数ｆと共に変化する透磁率のグラフは、透磁率共鳴ピークｆｐｅａｋまたはその半値全幅ｆ（ＦＷＨＭ）をパラメータとしてとることによって異なる水素ガス濃度における関係値を較正するために使用することもできる。

【0077】

図４６は、典型的な出力パラメータ電圧および水素ガス濃度の変化を示し、これらの出力パラメータは、トンネル磁気抵抗センサ・ブリッジ回路の出力電圧信号であり得、または対応する励磁コイル電磁信号のＢ－Ｈループに対応するＢｒ、Ｈｃ、ｕ、Ｂｓ、またはＨｓの値であり得、あるいは強磁性共鳴に対応する透磁率の共鳴周波数のピークＨｐｅａｋシフトまたは半値全幅Ｈ（ＦＷＨＭ）値であり得る。

【0078】

上記のものは、本開示および適用される技術的原理の好ましい実施形態にすぎないことに留意されたい。当業者は、本開示が本明細書中に記載された特定の実施形態に限定されず、本開示の保護範囲から逸脱することなく、様々な明らかな変更、再調整、組合せ、および置換が、当業者によってなされてもよいことを理解されよう。したがって、本開示は上記の実施形態によって詳細に説明されてきたが、本開示は、上記の実施形態に限定されず、本開示の概念から逸脱することなく、より多くの他の均等な実施形態を含むこともできる。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23a】

【図23b】

【図24a】

【図24b】

【図25a】

【図25b】

【図26a】

【図26b】

【図27a】

【図27b】

【図27c】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31a】

【図31b】

【図32a】

【図32b】

【図33a】

【図33b】

【図34a】

【図34b】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40a】

【図40b】

【図41】

【図42】

【図43a】

【図43b】

【図44a】

【図44b】

【図45a】

【図45b】

【図46】

【国際調査報告】