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JP6668176B2 - センサ - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、センサに関する。
半導体チップ上に細胞などの検体を配置してバイオ計測を行うセンサが開発されている。このようなセンサにおいて、検体への影響を抑制しつつ検体の状態をより正確に検出することが望まれる。
特開平８−６２２０９号公報
本発明の実施形態は、検体の状態をより正確に検出することが可能なセンサを提供する。
本発明の実施形態によれば、センサは、非磁性層と、複数の磁界センサと、複数の第１配線と、複数の第２配線と、を含む。前記非磁性層は、第１面と、第２面と、を有する。前記複数の磁界センサは、前記第２面に沿って並ぶ。前記第２面は、前記複数の磁界センサと前記第１面との間にある。前記複数の磁界センサのそれぞれは、第１磁性層と、前記第１磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第２磁性層と、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性の中間層と、を含む。前記第１面と前記第２磁性層との間の距離は、前記複数の磁界センサのピッチ以下である。前記複数の磁界センサは、前記第２面に沿う第１配列方向に沿って並ぶ。前記複数の磁界センサは、前記第２面に沿い前記第１配列方向と交差する第２配列方向に沿って並ぶ。前記複数の第１配線は、前記第１配列方向に延び、前記複数の第１配線の１つは、前記複数の磁界センサの１つに接続される。前記複数の第２配線は、前記第２配列方向に延び、前記複数の第２配線の１つは、前記複数の磁界センサの前記１つに接続される。前記複数の磁界センサは、検体に生じるパルス信号に応じた検出信号を出力する。前記パルス信号の空間分布の時間的な変化を検出する。
図１（ａ）〜図１（ｄ）は、第１の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。 図２（ａ）〜図２（ｄ）は、センサ及び検体の特性を例示する模式図である。 実施形態に係るセンサにおいて検知の対象とされる検体を例示する模式図である。 センサの特性のシミュレーションのモデルを例示する模式図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）は、センサの特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）は、センサの特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。 第１の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的断面図である。 第１の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的断面図である。 図９（ａ）〜図９（ｅ）は、実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的断面図である。 図１０（ａ）〜図１０（ｈ）は、第１の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的平面図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的平面図である。 図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第２の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。 第２の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的断面図である。 図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、第２の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。 第２の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。 図１７（ａ）〜図１７（ｃ）は、第２の実施形態に係るセンサの製造方法を例示する模式的断面図である。 図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第２の実施形態に係るセンサの製造方法を例示する模式的断面図である。 図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、第２の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。 第２の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。 第２の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。 第３の実施形態に係るセンサを例示する模式的平面図である。 第３の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的平面図である。 第３の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式図である。 第４の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。 図２６（ａ）及び図２６（ｂ）は、第４の実施形態に係るセンサの特性を例示する模式図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）〜図１（ｄ）は、第１の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図１（ａ）は、平面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。図１（ｃ）は、１つの状態における磁性層を例示している。図１（ｄ）は、別の１つの状態の磁性層の状態を例示している。
図１（ｂ）に示すように、本実施形態に係るセンサ１１０は、非磁性層５０と、複数の磁界センサ２０と、を含む。非磁性層５０は、第１面５０ａ及び第２面５０ｂを有する。第２面５０ｂは、第１面５０ａとは反対の面である。複数の磁界センサ２０は、第２面５０ｂに沿って並ぶ。
第２面５０ｂから第１面５０ａに向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
第２面５０ｂは、例えば、Ｘ−Ｙ平面に沿って広がる。第２面５０ｂは、曲面でも良い。
第２面５０ｂは、複数の磁界センサ２０と第１面５０ａとの間にある。すなわち、第２面５０ｂは、複数の磁界センサ２０の側の面である。
図１（ａ）に示すように、この例では、複数の磁界センサ２０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に並ぶ。複数の磁界センサ２０は、例えばマトリクス状に並ぶ。
センサ１１０において、複数の検出要素１０が設けられる。複数の検出要素１０の１つは、複数の磁界センサ２０の少なくとも１つを含む。複数の検出要素１０は、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に並ぶ。複数の検出要素１０は、例えばマトリクス状に並ぶ。
例えば、複数の磁界センサ２０の少なくとも一部は、第１配列方向ＡＤ１に沿って並ぶ。第１配列方向ＡＤ１は、第２面５０ｂに沿う。第１配列方向ＡＤ１は、例えば、Ｘ軸方向である。第１配列方向ＡＤ１における複数の磁界センサ２０の配列ピッチは、例えば、第１ピッチｐ１である。
複数の磁界センサ２０の少なくとも一部は、第２配列方向ＡＤ２に沿って並ぶ。第２配列方向ＡＤ２は、第２面５０ｂに沿い、第１配列方向ＡＤ１と交差する。第２配列方向ＡＤ２は、例えば、Ｙ軸方向である。第２配列方向ＡＤ２における複数の磁界センサ２０の配列ピッチは、例えば、第２ピッチｐ２である。第２配列方向ＡＤ２は、第１配列方向ＡＤ１に対して傾斜しても良い。
例えば、複数の検出要素１０の少なくとも一部は、第１配列方向ＡＤ１に沿って並ぶ。第１配列方向ＡＤ１における複数の検出要素１０の配列ピッチは、例えば、第１ピッチｐ１である。複数の検出要素１０の少なくとも一部は、第２配列方向ＡＤ２に沿って並ぶ。第２配列方向ＡＤ２における複数の検出要素１０の配列ピッチは、例えば、第２ピッチｐ２である。
図１（ｂ）に示すように、第１面５０ａに、検体５５が配置可能である。非磁性層５０は、例えば、検体載置層である。検体５５は、例えば、第１面５０ａに接する。第１面５０ａは、例えば検体載置面である。
検体５５は、例えば、細胞などである。検体５５は、例えば神経を含む。検体５５の例については後述する。
複数の磁界センサ２０のそれぞれ（少なくとも１つ）は、第１磁性層２０ａと、第２磁性層２０ｂと、中間層２０ｉと、を含む。第２磁性層２０ｂは、第１磁性層２０ａと非磁性層５０との間に設けられる。中間層２０ｉは、第１磁性層２０ａと第２磁性層２０ｂとの間に設けられる。中間層２０ｉは、非磁性である。
図１（ｂ）に示すように、この例では、基体７０（例えば基板）、絶縁層７１及びセンサ回路部６０が設けられる。基体７０と非磁性層５０との間に、絶縁層７１及びセンサ回路部６０が設けられる。絶縁層７１の一部は、基体７０と、複数の磁界センサ２０と、の間に設けられる。絶縁層７１の別の一部は、基体７０と、センサ回路部６０と、の間に設けられる。絶縁層７１の別の一部は、非磁性層５０と、センサ回路部６０と、の間に設けられる。
センサ回路部６０は、複数の磁界センサ２０の少なくとも１つに接続される。例えば、図１（ｂ）では図示しない導電体（後述する配線など）により、センサ回路部６０と、複数の磁界センサ２０の少なくとも１つと、が電気的に接続される。
この例では、Ｚ軸方向（第２面５０ｂから第１面５０ａに向かう方向）において、センサ回路部６０の少なくとも一部と、非磁性層５０と、の間に、複数の磁界センサ２０の少なくとも一部が配置されている。例えば、センサ回路部６０と複数の磁界センサ２０とが積層される。これにより、センサの面積が縮小でき、使いやすくなる。
検体５５が第１面５０ａに置かれ、検体５５においてパルス信号が生じる。パルス信号に応じた磁界が、複数の磁界センサ２０の少なくとも１つに印加される。複数の磁界センサ２０の少なくとも１つにおいて、検体５５のパルス信号に応じた磁界が検出される。
例えば、図１（ｃ）においては、パルス信号の強度が低い。このとき、磁界の強度も低い。この状態において、例えば、第１磁性層２０ａの第１磁化Ｍ１は１つの方向に沿っており、第２磁性層２０ｂの第２磁化Ｍ２も１つの方向に沿っている。この例では、第２磁化Ｍ２は、第１磁化Ｍ１に対して平行である。
一方、図１（ｄ）において、パルス信号の強度が高い。このとき、検体５５で生じた磁界Ｍ５５の強度も高い。この状態において、例えば、第２磁性層２０ｂの第２磁化Ｍ２の方向が、図１（ｃ）に例示した方向から変化する。一方、第１磁性層２０ａの第１磁化Ｍ１の方向は、実質的に変化しない。第１磁化Ｍ１と第２磁化Ｍ２との間の角度は、第１（ｃ）に例示した状態における角度から変化する。角度の変化により、第１磁性層２０ａと第２磁性層２０ｂとを含む磁界センサ２０の電気抵抗が変化する。このようにして、磁界センサ２０において、検体５５に生じるパルス信号に応じた磁界が検出される。複数の磁界センサ２０の少なくとも１つは、検体５５に生じるパルス信号に応じた検出信号を出力する。
磁界の変化に応じた電気抵抗の変化は、例えば、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）効果またはＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）効果に基づく。図１（ｃ）に示した例では、第２磁化Ｍ２は、第１磁化Ｍ１に対して平行である。実施形態において、これらの磁化の間の角度（方向）は任意である。さらに、上記の例では、第１磁化Ｍ１の方向が実質的に変化しない。例えば、第１磁性層２０ａは、参照層であり、第２磁性層２０ｂは、フリー層である。実施形態において、第１磁化Ｍ１及び第２磁化Ｍ２の両方が変化しても良い。
検体５５から第２磁性層２０ｂまでの距離が長くなると、第２磁性層２０ｂに加わる磁界が弱くなる。この距離が、ある値よりも長くなると、第２磁性層２０ｂに加わる磁界が過度に弱くなる。この距離が一定以下の場合に、検体５５に生じるパルス信号を適切に検出することが可能になる。
図１（ｂ）に示すように、第１面５０ａと第２磁性層２０ｂとの間の距離を距離ｄ１とする。第１面５０ａの上に検体５５が載置されると、距離ｄ１は、検体５５と第２磁性層２０ｂとの間の距離に対応する。
実施形態においては、この距離ｄ１（第１面５０ａと第２磁性層２０ｂとの間の距離）は、複数の磁界センサ２０のピッチ（配設ピッチ）以下である。このピッチは、上記の第１ピッチｐ１及び上記の第２ピッチｐ２の小さい方としても良い。例えば、ピッチは、１０μｍ程度であり、このとき、距離ｄ１は１０マイクロメートル（μｍ）以下である。これにより、後述するように、検体の状態をより正確に検出できる。
以下、距離ｄ１と検出特性との間の関係について説明する。
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、センサ及び検体の特性を例示する模式図である。
図２（ａ）は、センサの特性についてのシミュレーション結果を例示するグラフである。図２（ｂ）は、シミュレーションに用いたモデルを示す模式図である。図２（ｃ）は、検体５５の特性を例示する模式図である。図２（ｄ）は、センサで検知される特性を例示する模式図である。このシミュレーションにおいては、検体５５として、生体が用いられる。生体は、例えば、神経細胞である。
図２（ｂ）に示すように、シミュレーションのモデルにおいて、神経細胞５１（検体５５）は、Ｘ軸方向に延びている。神経細胞５１中を電流モーメントＭｃが生じる。電流モーメントＭｃは、例えば、神経細胞５１へのイオンなどの流入または流出などに起因する。例えば、神経細胞５１中を電位の分布が移動する。この電位の分布の移動は、電荷の空間分布の移動に対応する。電荷の空間分布の移動は、電流の空間分布に対応する（等価パルス電流）。
図２（ｃ）の横軸は、Ｘ軸方向に沿った位置ｐｘである。縦軸は電流Ｉｓである。図２（ｃ）に例示するように、神経細胞５１においては、ある時刻において、位置ｐｘに対して、電流Ｉｓが変化する分布が生じる。Ｘ軸方向に沿った１つの位置ｐｘにおいて、電流Ｉｓはピーク（極大）を示し、その位置ｐｘの距離が大きくなると、電流Ｉｓは小さくなる。一方、検体５５が導電体５１ｘの場合は、パルス電流が流れたとしても、ある時刻において導電体５１ｘを流れる電流Ｉｓは、位置ｐｘに対して一定となる。このように、検体５５が神経細胞５１のような生体の場合は、特殊な電流Ｉｓが流れる。
シミュレーションにおいては、電流Ｉｓのこのような特殊な状態に着目したモデルが採用される。図２（ｂ）に示すように、２つの磁界センサ２０（磁界センサ２０ｐ及び２０ｑ）が設けられる。これらの磁界センサ２０と神経細胞５１との間の距離（Ｚ軸方向に沿う距離）を距離ｄｚとする。距離ｄｚは、図１（ｂ）に例示した距離ｄ１に対応する。２つの磁界センサ２０ｐ及び２０ｑのそれぞれの中心どうしの間の距離は、第１ピッチｐ１に対応する。磁界センサ２０ｐの中心を基準にしたＸ軸方向に沿う距離を、オフセットｄｘとする。
例えば、電流モーメントＭｃから生じる磁界は、磁界センサ２０ｐで強く検出され、磁界センサ２０ｑでは弱く検出される。これにより、例えば、電流モーメントＭｃの空間分布の時間的変化が検知される。すなわち、神経細胞５１の状態の時間的変化を検出することができる。電流モーメントＭｃから生じる磁界が、位置が互いに異なる複数の磁界センサ２０において、異なって検出される条件が、シミュレーションにより求められる。
図２（ｄ）は、電流モーメントＭｃにより生じる磁界を例示している。図２（ｄ）の横軸は、オフセットｄｘである。縦軸は、磁界の強度Ｈｓである。図２（ｄ）に示すように、オフセットｄｘが大きいと、磁界の強度Ｈｓは低くなる。例えば、オフセットｄｘが０のときの磁界の強度Ｈｓは、強度Ｈ０である。オフセットｄｘがｘ１のときの磁界の強度Ｈｓは、強度Ｈ１である。以下のパラメータＳＮＲを導入する。
ＳＮＲ＝（Ｈ０−Ｈ１）／Ｈ１
パラメータＳＮＲは、位置が互いに異なる複数の磁界センサ２０において検出される磁界の差に対応する。雑音成分が少ない場合には、たとえ磁界強度が小さくとも、パラメータＳＮＲが高ければ検知の空間分解能は高くなる。
シミュレーションにおいて、Ｓａｒｖａｓの式（Ｊｕｋｋａ Ｓａｒｖａｓ： Ｐｈｙｓ． Ｍｅｄ． Ｂｉｏｌ．， １９８７， Ｖｏｌ．３２， Ｎｏ．１， ｐｐ．１１−１２）が用いられる。シミュレーションにおいて、電流モーメントＭｃは、２０×１０−６ｎＡｍである。そして、距離ｄｚ（磁界センサ２０と神経細胞５１との間のＺ軸方向に沿う距離）が、１μｍ〜４０μｍの範囲で変更される。
図２（ａ）は、シミュレーション結果を例示している。横軸は、距離ｄｚである。この例では、複数の磁界センサ２０のピッチは、第１ピッチｐ１であり、第１ピッチｐ１は１０μｍである。横軸において、第１ピッチｐ１を基準にした距離ｄｚも表示されている。距離ｄｚが１０μｍであるとき、距離ｄｚは、第１ピッチｐ１に対応する。縦軸は、パラメータＳＮＲである。図２（ａ）には、オフセットｄｘが１μｍ〜７μｍの結果が示されている。
図２（ａ）からわかるように、距離ｄｚが１５μｍを超えると、パラメータＳＮＲは、非常に低い。距離ｄｚが１５μｍ以下のときに、パラメータＳＮＲは、高くなる。特に、距離ｄｚが１０μｍ以下のときに、パラメータＳＮＲは、非常に高くなる。すなわち、距離ｄｚがピッチ（第１ピッチｐ１）以下のときに、パラメータＳＮＲは、非常に高くなる。この特性は、特異的であり、臨界的である。
一方、図２（ｃ）に関して説明したように、検体５５が導電体５１ｘの場合の参考例においては、導電体５１ｘを流れる電流Ｉｓは、位置ｐｘに対して一定である。このため、磁界の強度Ｈｓも、オフセットｄｘ（距離）に対して一定である。すなわち、この参考例においては、図２（ｄ）のグラフにおいて、磁界の強度Ｈｓはオフセットｄｘに依存せず一定である。従って、この参考例においては、パラメータＳＮＲは、距離ｄｚに依存せず、常に０になる。
これに対して、検体５５が神経細胞５１のような生体の場合は、図２（ｃ）に例示したようなピーク状の電流Ｉｓが流れる。このようなピーク状の電流Ｉｓにより生じる磁界において、強度Ｈｓは、オフセットｄｘに対して一定ではなくなる（図２（ｄ）参照）。一定ではない強度Ｈｓを検出する際のパラメータＳＮＲにおいて、図２（ａ）のような特異的な特性が生じる。図２（ａ）に例示した特異的な特性は、検体５５が導電体５１ｘの場合には生しない。図２（ａ）の例示した特異的な特性は、本願発明者により初めて見いだされたものである。実施形態において、センサは、例えば生体用センサである。
ピッチ（第１ピッチｐ１）が１０μｍ以外のときにも、図２（ａ）に例示したのと同様な特性が得られる。すなわち、距離ｄｚが第１ピッチｐ１以下のときに、高いパラメータＳＮＲが得られる。実施形態においては、距離ｄ１（第１面５０ａと第２磁性層２０ｂとの間の距離）は、第１ピッチｐ１以下である。例えば、第１ピッチｐ１が１０μｍのときに、距離ｄ１は、１０μｍ以下とされる。これにより、高いパラメータＳＮＲが得られる。例えば、高い空間分解能が得られる。例えば、高い時間分解能が得られる。
実施形態によれば、検体の状態をより正確に検出することが可能なセンサを提供できる。
実施形態において、複数の磁界センサ２０の少なくとも１つは、検体５５に生じるパルス信号（例えば等価パルス電流）に応じた検出信号を出力する。これにより、検体５５の状態が検出される。
実施形態において、距離ｄ１は、１ナノメートル（ｎｍ）以上であることが好ましい。距離ｄ１を１ｎｍ以上にすることで、例えば、製造が容易になり、安定した検知が容易になる。
上記のオフセットｄｘが７μｍのときの位置を、例えば、２つの磁界センサ２０の中間の位置とする。このとき、第１ピッチｐ１は、１４μｍに対応する。例えば、４つの磁界センサ２０が、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の正方格子に配置され、第１ピッチｐ１及び第２ピッチｐ２のそれぞれが１０μｍの場合がある。このとき、対角線上の中間位置の位置が、オフセットｄｘが７μｍのときの位置に対応する。
例えば、複数の磁界センサ２０の配置のピッチが１４μｍ以下のときにおいて、距離ｄｚを１０μｍ以下とすることで、例えば、高い空間分解能が得られる。例えば、高い時間分解能が得られる。
実施形態において、ピッチは１４μｍ以上でも良い。例えば、複数の磁界センサ２０の数が多いとき（例えば、４以上のとき）は、着目している２つ以外の磁界センサ２０により、電流モーメントＭｃを推定検出することが可能である。
実施形態において、第１ピッチｐ１（図１（ａ）参照）は、例えば、距離ｄ１の２倍以上１０００倍以下である。第２ピッチｐ２（図１（ａ）参照）は、例えば、距離ｄ１の２倍以上１０００倍以下である。これにより、例えば、高い空間分解能が得られる。例えば、高い時間分解能が得られる。
第１ピッチｐ１及び第２ピッチｐ２の少なくともいずれかは、例えば、３００ｎｍ以上２０μｍ以下である。
上記の例は、電流パルスが神経細胞５１を流れる。実施形態は、例えば、神経細胞５１とは異なる検体５５の異なる活動状態も検出できる。
細胞の状態を検出方法として、ＳＱＵＩＤを用いる第１参考例がある。この場合、１ｍｍ〜１０ｍｍ程度のサイズのコイルが用いられるため、空間分解能が十分ではない。一方、１つのＧＭＲ素子を検体上でスキャンさせて検出する第２参考例がある。この場合、検体の状態の時間変化を高速で検知することが困難である。神経の活動に伴う特定のたんぱく質の排出／吸収を、蛍光の変化で検出する第３参考性がある。さらに、活動に伴う特定のイオンの排出／吸収をイオンセンサで検出する第４参考例がある。第３及び第４参考例においては、活動の結果として排出される物質が検出されるため、検出は直接的ではなく、さらに、高速の検出が困難である。さらに、検体に電極を設置して検体の活動（神経を流れるパルス電流）を検出する第５参考例がある。この場合、検出することが検体に大きな影響を与える。
これに対して、実施形態においては、検体５５から生じる磁界を計測することで検体５５の状況を検出する。このため、検体に影響を与える影響が抑制される。さらに、検体５５の状態の変化を高速で検出できる。
以下、検体５５の例について説明する。
図３は、実施形態に係るセンサにおいて検知の対象とされる検体を例示する模式図である。
図３に示すように、検体５５の１つの例は、神経細胞５１である。神経細胞５１において、神経線維５１ａの周りに、複数の髄鞘５１ｂが設けられている。神経線維５１ａの一部は髄鞘５１ｂに覆われていない。神経線維５１ａのこの一部に、ランビエ絞輪５１ｃが存在する。神経線維５１ａの中を、例えば、等価電流パルスが伝わる。神経線維５１ａは、絶縁性である。神経を介して情報が伝達されるときに、ランビエ絞輪５１ｃにおいて、イオンチャンネル開閉により、イオン５１ｄ（例えばＮａイオンまたはＫイオンなど）の流れ（流入または流出）が生じる。イオン５１ｄのこの流れのタイミングは、複数のランビエ絞輪５１ｃの間で異なる。これにより、複数のランビエ絞輪５１ｃの間で電位の差（分布）が生じる。この電位の差が、時間とともに神経線維に沿って移動する。これにより、情報が伝達される。
神経線維５１ａにおいて、電位の分布が移動する。電位の分布の移動は、電荷の動きとして、電流と等価であると考えられる。電位の分布の移動に応じた等価パルス電流により、磁界が生じる。電位の分布の移動に対応する電流Ｉｓは、図２（ｃ）に関して説明したように、神経線維５１ａの延びる方向に沿って変化する。すなわち、電流Ｉｓの空間分布が生じる。
このため、神経細胞５１を含む検体５５の検討においては、電流磁界を記述する際に一般的に用いられるビオ・サバールの式は適用できない。このため、本願明細書に記載するシミュレーションにおいては、Ｓａｒｖａｓの式が用いられる。
図４は、センサの特性のシミュレーションのモデルを例示する模式図である。
図４に示すように、絶縁媒質５５ｉ中を電流モーメントＭｃが移動する。このときに測定点Ｍｐにおける磁界が、Ｓａｒｖａｓの式により求められる。シミュレーション結果の例の１つが、図２（ａ）に対応する。以下、シミュレーション結果の別の例について説明する。
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、センサの特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。
これらの図は、距離ｄ１が１０μｍのときのＸ軸方向の磁界Ｂｘの空間分布を例示している。計算領域は、正方形であり、正方形の１つの辺の長さは、２００μｍである。計算の空間分解能は、１μｍである。電流モーメントＭｃの向きが矢印で示されている。図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、磁界Ｂｘの強度のピークは、約１００ｆＴである。磁界Ｂｘの強度の面内分布は、１０μｍ程度の距離（Ｘ−Ｙ平面内の距離）を超えると、急峻に減少する。
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、センサの特性のシミュレーション結果を例示する模式図である。
これらの図は、距離ｄ１が１μｍのときの磁界Ｂｘの空間分布を例示している。計算領域は、正方形であり、正方形の１つの辺の長さは、１００μｍである。計算の空間分解能は、１μｍである。電流モーメントＭｃの向きが矢印で示されている。図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、磁界Ｂｘの強度のピークは、約１００００ｆＴ（１０ｐＴ）であり、非常に高い。そのように高い磁界Ｂｘの強度は、約１μｍの空間範囲内で得られる。高い強度が得られる領域（Ｘ−Ｙ平面内の領域）の大きさは小さい。
このように、検体５５が生体などである場合は、高い磁界強度を持つ空間領域が、小さい。このため、磁界センサ２０の数が１である場合に、磁界センサ２０の位置が検体５５の位置からずれてしまうと、検出が困難になる。
実施形態においては、複数の磁界センサ２０を設けることで、例えば、検体５５が生体である場合にも、高い精度の検知が可能になる。実施形態においては、例えば、複数の磁界センサ２０がＸ−Ｙ平面内において２次元的に並べられる。例えばマトリクス状の配置が採用される。これにより、細胞全体の活動状態を把握することができる。
第２磁性層２０ｂは、例えば、軟磁性である。検体５５が発生する磁界に対しての磁化状態の変化の感度が高まる。第２磁性層２０ｂは、例えば、結晶性のＮｉＦｅ及び結晶性のＦｅＣｏの少なくともいずれかを含む。第２磁性層２０ｂは、例えば、非晶質のＣｏＺｒＢを含む。第２磁性層２０ｂは、上記の材料に加えて、他の元素（例えば添加元素）を含んでも良い。
第２磁性層２０ｂの第２磁化Ｍ２は、例えば、検出すべき磁界が零の場合に、１つの方向に沿う。第２磁性層２０ｂは、例えば、一軸磁気異方性を有する。例えば、第２磁性層２０ｂは、形状磁気異方性を有しても良い。第２磁性層２０ｂは、例えば、結晶磁気異方性を有しても良い。第２磁性層２０ｂとなる膜が磁界印加中で成膜されても良い。第２磁性層２０ｂは、保磁力の大きなハード磁性膜と交換結合しても良い。第２磁性層２０ｂは、反強磁性膜と交換結合しても良い。第２磁性層２０ｂに、他の磁性体からの漏洩磁界が印加されても良い。第２磁化Ｍ２の制御には、種々の手法を用いられる。
第１磁性層２０ａは、例えば、ハード磁性材料を含んでも良い。ハード磁性材料の磁化は、外部磁界によって変化しにくい。第１磁性層２０ａは、例えば、軟磁性材料を含んでも良い。この軟磁性材料には、例えば、他のハード磁性材料からの漏洩磁界が印加されても良い。第１磁性層２０ａは、ハード磁性材料層及び軟磁性材料層を含む積層体を含んでも良い。第１磁性層２０ａは、反強磁性体層及び軟磁性材料層を含む積層体を含んでも良い。この反強磁性体層及び軟磁性材料層において、交換結合が作用する。第２磁性層２０ａにおいて、反強磁性体の着磁方向に軟磁性材料層の磁化が固定されても良い。
例えば、第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂにおいて、交換結合力が作用しても良い。第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂにおいて、静磁結合力が作用しても良い。第１磁性層２０ａの第１磁化Ｍ１は、第２磁性層２０ｂの第２磁化Ｍ２に対して逆向きでも良い。例えば、第２磁性層２０ｂの第２磁化Ｍ２の状態の変化（磁化の回転）が、第１磁性層２０ａの第１磁化Ｍ１に対して逆向きの変化（回転）を誘起する。例えば、磁界の検出の感度が向上する。例えば、第１磁性層２０ａと第２磁性層２０ｂとの間に設けられる中間層２０ｉ（例えばＲｕまたはＩｒなど）の厚さは、２ｎｍよりも薄い。これにより、例えば、逆向きの交換結合力が作用する。例えば、第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂは、細長い形状を有しても良い。これにより、例えば、逆向きの静磁結合力が得られる。例えば、形状磁気異方性により、磁化が長軸方向に沿っても良い。例えば、漏洩磁界により、逆向きの静磁結合力が得られる。
複数の磁界センサ２０は、例えば、面内通電型（ＣＩＰ）のＧＭＲ構造を有しても良い。この場合、例えば、中間層２０ｉは、Ｃｕなどを含む。
複数の磁界センサ２０は、垂直通電型のＴＭＲ構造を有しても良い。この場合、中間層２０ｉは、ＭｇＯなどの絶縁性の材料を含む。
ＣＩＰ−ＧＭＲにおいて、磁気抵抗変化率は小さく、導電率が高い。ＣＩＰ−ＧＭＲにおいては、低周波においてノイズが低い。ＴＭＲにおいて、磁気抵抗変化率が大きく、導電率が低い。ＴＭＲにおいては、低周波においてノイズが高い。
図７は、第１の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的断面図である。
図７は、複数の磁界センサ２０の１つを例示している。この例では、磁界センサ２０は、面内通電型（ＣＩＰ）のＧＭＲ構造を有している。第１電極２５ｅ及び第２電極２６ｅが設けられている。第２電極２６ｅは、Ｚ軸方向と交差する方向において、第１電極２５ｅと並ぶ。これらの電極と、非磁性層５０と、の間に第１磁性層２０ａが設けられる。第１磁性層２０ａと非磁性層５０との間に第２磁性層２０ｂが設けられる。第１電極２５ｅは、例えば配線でも良い。第２電極２６ｅは、例えば、リターン電極である。この例では、基体７０と第１電極２５ｅとの間に、配線２７ｃ及びビア２７ｖが設けられている。この例では、複数の配線２７ｃがＺ軸方向に並ぶ。２つの配線２７ｃの間にビア２７ｖが設けられている。第１電極２５ｅは、ビア２７ｖにより配線２７ｃに電気的に接続される。
図８は、第１の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的断面図である。
図８は、複数の磁界センサ２０の別の例を示している。この例では、磁界センサ２０は、ＴＭＲ型である。第１電極２５ｅと非磁性層５０との間に第１磁性層２０ａが設けられる。第１磁性層２０ａと非磁性層５０との間に第２磁性層２０ｂが設けられる。第２磁性層２０ｂと非磁性層５０との間に第２電極２６ｅが設けられる。第１電極２５ｅは、例えば配線でも良い。この例では、基体７０と第１電極２５ｅとの間に、配線２７ｃ及びビア２７ｖが設けられている。この例では、複数の配線２７ｃがＺ軸方向に並ぶ。２つの配線２７ｃの間にビア２７ｖが設けられている。第１電極２５ｅは、ビア２７ｖにより配線２７ｃに電気的に接続される。
図７及び図８に示す例において、例えば、第１電極２５ｅと第２電極２６ｅとの間の電気抵抗が、検体５５の状態に応じて変化する。例えば、検体５５に生じるパルス信号に応じた検出信号が、第１電極２５ｅに電気的に接続された配線、及び、第２電極２６ｅに電気的に接続された配線から出力可能である。
以下、磁界センサのいくつかの例について説明する。
図９（ａ）〜図９（ｅ）は、実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的断面図である。
これらの図は、複数の磁界センサ２０の例を示している。
図９（ａ）に示す例において、第１磁性層２０ａと第２磁性層２０ｂとの間に、中間層２０ｉが設けられている。この例では、中間層２０ｉは、非磁性の導電層である。この例では、第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂが、中間層２０ｉを介して反強磁性結合している。例えば、磁界センサ２０に磁界が実質的に印加されない状態において、第１磁性層２０ａの第１磁化Ｍ１は、第２磁性層２０ｂの第２磁化Ｍ２に対して逆向きである。
この例では、第１磁性層２０ａ、第２磁性層２０ｂ及び中間層２０ｉは、長方形である。長方形において、１つの方向（例えば長軸）の長さは、別の方向（例えば短軸）の方向の長さよりも長い。これらの磁性層のそれぞれの磁化は、例えば、長方形の長軸に沿う。この例の磁界センサ２０は、例えば、シザーズ型のＣＩＰ−ＧＭＲの構成を有する。例えば、これらの磁性層の磁化の方向の間の角度が、印加される磁界に応じて変化する。
中間層２０ｉとして用いられる非磁性の導電層は、例えば、Ｃｕ、Ｒｕ及びＩｒの少なくともいずれかを含む。中間層２０ｉの厚さは、例えば、２ｎｍ以下である。これにより、例えば、反強磁性結合が誘起される。
実施形態において、第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂの少なくともいずれかの磁化は、長方形の短軸に沿っても良い。例えば、磁場中冷却などの処理により、このような構成が得られる。例えば、磁界センサ２０に実質的に磁界が印加されないときの２つの磁化の間の角度が１８０度よりも小さくても良い。高い検出感度が得られる。
実施形態において、第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂの少なくともいずれかは、例えば、ＦｅＣｏ合金を含む。第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂの少なくともいずれかは、例えば、ホイスラー合金を含んでも良い。例えば、高スピン偏極が得られる。例えば、高い抵抗変化率が得られる。
例えば、第１磁性層２０ａからの漏洩磁界が、第２磁性層２０ｂに印加されても良い。例えば、第２磁性層２０ｂからの漏洩磁界が、第１磁性層２０ａに印加されても良い。
図９（ｂ）に示すように、複数の磁界センサ２０の１つにおいて、第１磁性層２０ａの第１磁化Ｍ１は、実質的に固定されている。第１磁性層２０ａは、例えば、参照層である。一方、第２磁性層２０ｂは、自由層である。磁界センサ２０は、例えば、スピンバルブ型のＧＭＲの構成を有しても良い。第１磁性層２０ａ、第２磁性層２０ｂ及び中間層２０ｉは、長方形である。
例えば、第１磁性層２０ａは、結晶磁気異方性及び形状磁気異方性を有する。これにより、第１磁化Ｍ１が実質的に固定される。第１磁化Ｍ１は、例えば、長方形の長軸に沿う。
この例においても、第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂの少なくともいずれかの磁化は、長方形の短軸に沿っても良い。例えば、磁界センサ２０に実質的に磁界が印加されないときの２つの磁化の間の角度が１８０度よりも小さくても良い。高い検出感度が得られる。
この例においても、第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂの少なくともいずれかは、例えば、ＦｅＣｏ合金及びホイスラー合金の少なくともいずれかを含んでも良い。例えば、高スピン偏極が得られる。例えば、高い抵抗変化率が得られる。
第１磁性層２０ａは、例えば、ＣｏＰｔ合金及びＣｏＰｄ合金の少なくともいずれかを含んでも良い。第１磁性層２０ａは、例えば、ＦｅＰｔの規則相合金、ＣｏＰの規則相合金、及び、ＣｏＰｄの規則相合金の少なくともいずれかを含んでも良い。第１磁性層２０ａは、Ｃｏ／Ｐｄの人工格子膜、Ｃｏ／Ｐｔの人工格子膜、及び、Ｃｏ／Ｎｉの人工格子膜の少なくともいずれかを含んでも良い。例えば、高い結晶磁気異方性が得られる。
図９（ｃ）に示す例においては、複数の磁界センサ２０の１つは、第１磁性層２０ａ、第２磁性層２０ｂ及び中間層２０ｉに加えて、第３磁性層２０ｃ及び非磁性膜２０ｊをさらに含む。第３磁性層２０ｃと第２磁性層２０ｂとの間に第１磁性層２０ａが設けられる。第３磁性層２０ｃと第１磁性層２０ａとの間に非磁性膜２０ｊが設けられる。非磁性膜２０ｊは、例えば、Ｒｕを含む。非磁性膜２０ｊの厚さは、例えば、２ｎｍ以下である。第３磁性層２０ｃは、例えば、反強磁性層である。例えば、第３磁性層２０ｃにより、第１磁性層２０ａの磁化が、実質的に固定される。この例において、非磁性膜２０ｊは省略しても良い。
第３磁性層２０ｃは、例えば、ＩｒＭｎを含む。これにより、例えば、安定した反強磁性状態を得ることができる。
図９（ａ）〜図９（ｃ）に示した例において、中間層２０ｉは、非磁性の絶縁性でも良い。磁界センサ２０は、垂直通電型ＴＭＲの構成を有しても良い。中間層２０ｉは、例えば、ＭｇＯ及びＴｉＯの少なくともいずれかを含む。中間層２０ｉは、これらの材料と、他の元素（添加元素）と、を含んでも良い。
図９（ｄ）に示す例においては、第１磁性層２０ａは、第１高電気抵抗層２０ａａと、第１低電気抵抗層２０ａｂと、第１非磁性膜２０ａｃと、を含む。第１高電気抵抗層２０ａａと、中間層２０ｉと、の間に、第１低電気抵抗層２０ａｂが設けられる。第１高電気抵抗層２０ａａと第１低電気抵抗層２０ａｂとの間に、第１非磁性膜２０ａｃが設けられる。例えば、第１低電気抵抗層２０ａｂは、中間層２０ｉと接する。
第２磁性層２０ｂは、第２高電気抵抗層２０ｂａと、第２低電気抵抗層２０ｂｂと、第２非磁性膜２０ｂｃと、を含む。第２高電気抵抗層２０ｂａと、中間層２０ｉと、の間に、第２低電気抵抗層２０ｂｂが設けられる。第２高電気抵抗層２０ｂａと第２低電気抵抗層２０ｂｂとの間に、第２非磁性膜２０ｂｃが設けられる。例えば、第２低電気抵抗層２０ｂｂは、中間層２０ｉと接する。
第１高電気抵抗層２０ａａ、第１低電気抵抗層２０ａｂ、第２高電気抵抗層２０ｂａ及び第２低電気抵抗層２０ｂｂは、例えば、軟磁性材料を含む。第１非磁性膜２０ａｃ及び第２非磁性膜２０ｂｃは、例えばＲｕを含む。
例えば、第１高電気抵抗層２０ａａ及び第１低電気抵抗層２０ａｂは、互いに反強磁性交換結合する。例えば、第２高電気抵抗層２０ｂａ及び第２低電気抵抗層２０ｂｂは、互いに反強磁性交換結合する。この例では、中間層２０ｉは、導電性である。ＣＩＰ−ＧＭＲの構成が適用される。
この例においては、上記の構成を採用することで、各層の界面における伝導電子の散乱回数が増える。そして、高電気抵抗層を設けることで高電気抵抗層を流れる電流を抑制できる。例えば、高い抵抗変化率が得られる。さらに、第１磁性層２０ａ及び第２磁性層２０ｂのそれぞれにおいて、高電気抵抗層及び低電気抵抗層を設けることで、これらの層において、磁化の回転が一体化して生じる。このため、磁気的な体積が大きくなる。例えば、熱揺らぎ起因のノイズを低減することができる。
この例において、軟磁性の低電気抵抗層は、例えば、ＦｅＣｏ合金及びホイスラー合金の少なくともいずれかを含む。例えば、非磁性の中間層２０ｉとの界面でのスピン偏極度を高くすることができる。例えば、高い磁気抵抗変化率が得られる。
一方、軟磁性の高電気抵抗層は、例えば、ＣｏＦｅＳｉ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＣｏＺｒＮｂ及びＣｏＦｅＢの少なくともいずれかを含む。軟磁性の高電気抵抗層は、例えば、これらの材料のアモルファス合金を含む。例えば、良好な軟磁気特性を得ることができる。
図９（ｅ）に示す例においては、複数の磁界センサ２０の１つは、第１磁性層２０ａ、第２磁性層２０ｂ及び中間層２０ｉに加えて、図９（ｃ）に関して説明した第３磁性層２０ｃ及び非磁性膜２０ｊをさらに含む。そして、第２磁性層２０ｂは、第２高電気抵抗層２０ｂａと、第２低電気抵抗層２０ｂｂと、第２非磁性膜２０ｂｃと、を含む。すなわち、第２磁性層２０ｂにおいて、図９（ｄ）に関して説明した構成が適用される。
このように、実施形態において、複数の磁界センサ２０において、種々の変形が可能である。
図１０（ａ）〜図１０（ｈ）は、第１の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的平面図である。
これらの図は、複数の磁界センサ２０をいくつかを例示している。
図１０（ａ）に示すように、複数の磁界センサ２０は、第１磁界センサ２１と、第２磁界センサ２２と、を含む。それぞれの磁界センサ２０の１つの方向に沿う長さは、別の方向に沿う長さよりも長い。
例えば、第１延在方向ＥＤ１に沿った第１磁界センサ２１の長さは、第１延在方向ＥＤ１に対して垂直な方向に沿う第１磁界センサ２１の長さよりも長い。第１延在方向ＥＤ１、及び、第１延在方向ＥＤ１に対して垂直な上記の方向は、第２面５０ａ（図１（ｂ）参照）に沿う。第１延在方向ＥＤ１は、例えば、第１磁界センサ２１の長軸方向である。
一方、第２延在方向ＥＤ２に沿った第２磁界センサ２２の長さは、第２延在方向ＥＤ２に対して垂直な方向に沿った第２磁界センサ２２の長さよりも長い。第２延在方向ＥＤ２、及び、第２延在方向ＥＤ２に対して垂直な上記の方向は、第２面５０ａに沿う。第２延在方向ＥＤ２は、第１延在方向ＥＤ１と交差する。第２延在方向ＥＤ２は、例えば、長軸方向である。
この例では、第１延在方向ＥＤ１と第２延在方向ＥＤ２との間の角度は、８０度以上１００度以下である。実施形態において、この角度は、０度よりも大きく１８０度未満でもよい。
２つの磁界センサ２０の延びる方向が交差することで、任意の方向の磁界を検出できる。
この例では、１つの検出要素１０に、第１磁界センサ２１及び第２磁界センサ２２が設けられている。実施形態において、設けられる複数の磁界センサ２０の数は、３以上でも良い。
図１０（ｂ）に示すように、１つの検出要素１０の中における磁界センサ２０の位置は、任意である。
図１０（ｃ）に示すように、第１延在方向ＥＤ１及び第２延在方向ＥＤ２は、Ｘ軸方向に対して傾斜している。傾斜の角度は、約４５度（例えば、４０度以上５０度以下）である。
図１０（ｄ）に示すように、第１延在方向ＥＤ１と第２延在方向ＥＤ２との間の角度は、約４５度（例えば、２０度以上６０度以下）である。
図１０（ｅ）〜図１０（ｈ）に示す例においても、図１０（ａ）に関して説明した第１磁界センサ２１及び第２磁界センサ２２が設けられる。この例では、１つの検出要素１０に第１磁界センサ２１が設けられる。別の１つの検出要素１０に第２磁界センサ２２が設けられる。
図１０（ａ）〜図１０（ｈ）に示す例において、複数の磁界センサ２０の少なくとも２つが、１つの配線に接続されても良い。すなわち、複数の磁界センサ２０の少なくとも２つの駆動電源を共通にしても良い。構成が簡単になる。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、第１の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的平面図である。
これらの図は、複数の磁界センサ２０をいくつかを例示している。
図１１（ａ）に示すように、複数の磁界センサ２０は、第１磁界センサ２１と、第２磁界センサ２２と、を含む。第２磁界センサ２２の第２延在方向ＥＤ２は、第１磁界センサ２１の第１延在方向ＥＤ１と交差する。さらに、複数の磁界センサ２０は、第３磁界センサ２３と、第４磁界センサ２４と、を含む。第４磁界センサ２４の第４延在方向ＥＤ４は、第３磁界センサ２３の第３延在方向ＥＤ３と交差する。この例では、１つの検出要素１０の中に、第１磁界センサ２１及び第３磁界センサ２３が設けられている。別の１つの検出要素１０の中に、第２磁界センサ２２及び第４磁界センサ２４が設けられている。
第１磁界センサ２１は、複数設けられる。第２磁界センサ２２は、複数設けられる。複数の第１磁界センサ２１の２つの間に、複数の第２磁界センサ２２の１つが配置される。複数の第２磁界センサ２２の２つの間に、複数の第１磁界センサ２１の１つが配置される。
第３磁界センサ２３は、複数設けられる。第４磁界センサ２４は、複数設けられる。複数の第３磁界センサ２３の２つの間に、複数の第４磁界センサ２４の１つが配置される。複数の第４磁界センサ２４の２つの間に、複数の第３磁界センサ２３の１つが配置される。
図１１（ａ）の例では、複数の第１磁界センサ２１及び複数の第２磁界センサ２２は、Ｘ軸方向に沿って並ぶ。複数の第３磁界センサ２３及び複数の第４磁界センサ２４は、Ｘ軸方向に沿って並ぶ。
図１１（ｂ）に示す例では、複数の第１磁界センサ２１及び複数の第２磁界センサ２２は、Ｘ軸方向に沿って並び、さらに、Ｙ軸方向に並ぶ。複数の第３磁界センサ２３及び複数の第４磁界センサ２４は、Ｘ軸方向に沿って並び、さらに、Ｙ軸方向に沿って並ぶ。
実施形態において、複数の第１〜第４磁界センサ２１〜２４の配置は、種々の変形が可能である。
実施形態において、例えば、第１磁性層２０ａが参照層であり、第２磁性層２０ｂが自由層である。例えば、第１磁性層２０ａの磁気ボリューム（Ｍｓ１・ｔ１）は、第２磁性層２０ｂの磁気ボリューム（Ｍｓ２・ｔ２）よりも小さい。例えば、第１磁性層２０ａの厚さｔ１及び第１磁性層２０ａの飽和磁化Ｍｓ１の積は、第２磁性層２０ｂの厚さｔ２及び第２磁性層２０ｂの飽和磁化Ｍｓ２の積よりも小さい。
実施形態において、基体７０（図１（ｂ）参照）は、例えば、半導体基板（例えばシリコン基板など）を含んでも良い。例えば、基体７０は、ＣＭＯＳの回路などを含んでも良い。基体７０は、例えば、ＧａＡｓなどの化合物半導体基板を含んでも良い。基体７０は、半導体基板と、その半導体基板の上に設けられた絶縁層（ＳｉＯ２層など）と、を含んでも良い。基体７０は、例えば、ＭｇＯまたはＡｌＯなどの単結晶基板を含んでも良い。基体７０は、ＣまたはＳｉＣなどの基板を含んでも良い。基体７０は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）のようなソフトマテリアルを含んでも良い。
絶縁層７１（図１（ｂ）参照）は、例えば、ＳｉＯ２及びＳｉＮの少なくともいずれかを含む。絶縁層７１は、例えば、金属酸化物、金属窒化物または金属酸窒化物を含んでも良い。非磁性層５０と基体７０との間に、金属配線、半導体素子、保護層または下地層などが設けられる場合、絶縁層７１は、これらの周りに設けられる。
非磁性層５０（図１（ｂ）参照）の表面は、例えば、検体５５に対しての親和性を有する。検体５５が細胞を含む場合、非磁性層５０は、ＳｉＯ２及びＳｉＮの少なくともいずれかを含む。例えば、イオン（例えばＣｕイオンなど）の検体５５側への移動が抑制される。非磁性層５０の表面は、例えば、六方稠密配列のナノ構造の形状を有しても良い、この形状は、例えば、自己組織化により形成されても良い。このような形状により、細胞培養の効率が高まる。非磁性層５０は、酸化シリコン、酸化アルミニウム及び酸化タンタルの少なくともいずれかを含んでも良い。
非磁性層５０の表面には、隔壁（後述）が設けられても良い。この隔壁により、例えば、細胞の保持液の漏れが抑制できる。隔壁は、例えば、複数の検出要素１０のそれぞれに対して設けられても良い。隔壁は、例えば、複数の検出要素１０に対して設けられても良い。隔壁は、センサの周縁部に設けられても良い。
（第２の実施形態）
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、第２の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図１２（ａ）は、平面図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示すように、本実施形態に係るセンサ１２０は、第１の実施形態に関して説明した非磁性層５０及び複数の磁界センサ２０に加えて、複数の光学センサ３１をさらに含む。複数の光学センサ３１は、非磁性層５０の第２面５０ｂに沿って並ぶ。
例えば、複数の磁界センサ２０の少なくとも１つと、複数の光学センサ３１の少なくとも１つが、複数の検出要素１０の１つに含まれる。
図１２（ｂ）に示すように、例えば、複数の磁界センサ２０の上記の少なくとも１つと、第１面５０ａと、の間の距離は、複数の光学センサ３１の上記の少なくとも１つと、第１面５０ａと、の間の距離よりも短い。例えば、複数の磁界センサ２０の上記の少なくとも１つは、Ｚ軸方向において、複数の光学センサ３１の上記の少なくとも１つと、非磁性層５０と、の間に位置しても良い。
センサ１２０においても、第１面５０ａと第２磁性層２０ｂとの間の距離ｄ１は、１０μｍ以下である。高いパラメータＳＮＲが得られ、高い空間分解能及び高い時間分解能が得られる。さらに、センサ１２０においては、磁界に基づく情報に加えて光学的な情報を用いることで、複数の検査項目についての情報（多項目）を得ることができる。検体５５の状態をより正確に検出することができる。
センサ１２０においては、複数の検出要素１０が、例えば、マトリクス状に配置される。複数の検出要素１０の１つは、複数のセンサ素子（磁界センサ２０及び光学センサ３１など）を含む。複数の検出要素１０は、例えば、全体としてセンサ画素アレイとなる。センサ１２０においても、センサ回路部６０が設けられる。センサ回路部６０は、例えば、複数の検出要素１０の選択回路、複数の検出要素１０の読み出し回路、及び、複数の検出要素１０への電流供給回路を含む。非磁性層５０は、複数の光学センサ３１が検出する光の波長に対して透過性を有する。
複数の検出要素１０の１つは、例えば、１つの画素に対応する。例えば、複数の検出要素１０に含まれる複数のセンサから得られる情報は、統合して処理されても良い。例えば、検体５５、及び、検体５５から発生する信号が、時間的に変化する画像として出力されても良い。例えば、画像が表示される。例えば、画像が、解析される。
複数の光学センサ３１は、例えば、フォトダイオードを含む。光学センサ３１は、さらに、光学フィルタを含んでも良い。光学フィルタは、例えば、多層膜を含んでも良い、多層膜は、例えば、無機物膜または有機物膜を含む。光学フィルタにより、測定対象の波長が制限される。光学センサ３１と重なる配線などは、例えば、光透過性でも良い。この配線は、例えば、ＩＴＯなどを含む。
図１３は、第２の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的断面図である。
図１３は、光学センサ３１を例示している。複数の光学センサ３１は、例えば基体７０の上側の一部に設けられる。光学センサ３１は、例えば、フォトダイオードを含む。この例では、配線２７ｃが設けられている。例えば、Ｚ軸方向において、配線２７ｃの少なくとも一部と、光学センサ３１と、は、互いに重ならない。この例では、隔壁５２が設けられている。隔壁５２と基体７０との間に非磁性層５０が設けられている。この例では、Ｚ軸方向において、隔壁５２及び配線２７ｃは、互いに重なる。Ｚ軸方向において、隔壁５２の少なくとも一部と、光学センサ３１と、は、互いに重ならない。
図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、第２の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図１４（ａ）は、平面図である。図１４（ｂ）は、センサの一部を例示する断面図である。
図１４（ａ）に示すように、本実施形態に係る別のセンサ１２１においては、１つの検出要素１０に、複数の光学センサ３１が設けられている。複数の光学センサ３１は、例えば、第１光学センサ３１Ａ及び第２光学センサ３１Ｂを含む。
図１４（ｂ）に示すように、光学フィルタ３１ｆが設けられる。Ｚ軸方向において、光学フィルタ３１ｆ及び第１光学センサ３１Ａは、互いに重なる。Ｚ軸方向において、光学フィルタ３１ｆ及び第２光学センサ３１Ｂは、互いに重ならない。
例えば、光学フィルタ３１ｆは、例えば、屈折率が互いに異なる複数の膜を含む。複数の膜は、Ｚ軸方向に交互に並ぶ。複数の膜は、例えば、無機膜である。複数の膜の１つは、例えば、酸化シリコン膜を含む。複数の膜の別の１つは、例えば、酸化ジルコニウムを含む。光学フィルタ３１ｆは、顔料及び染料の少なくともいずれかを含んでも良い。光学フィルタ３１ｆが設けられるＺ軸方向の位置は、任意である。
光学フィルタ３１ｆを設けることで、例えば、特定のたんぱく質に反応して発生する蛍光を、高いＳＮで検出することができる。例えば、外乱ノイズとなる波長帯の光の影響を抑制できる。
複数の光学センサ３１の１つと、複数の光学フィルタ３１ｆの１つが、Ｚ軸方向で重なり、複数の光学センサ３１の別の１つと、複数の光学フィルタ３１ｆの別の１つが、Ｚ軸方向で重なっても良い。この場合、例えば、複数の光学フィルタ３１ｆの上記の１つの光学特性は、複数の光学フィルタ３１ｆの上記の別の１つの光学特性とは異なる。
図１４（ｂ）の例では、光学フィルタ３１ｆと重ならない第２光学センサ３１Ｂにより、例えば、検体５５の実画像情報を得ることができる。
センサ１２１のように、１つの検出要素１０に、複数の光学センサ３１を設けてもよい。複数の光学センサにおいて、光学特性が互いに異なる。この例では、光学フィルタ３１ｆの有無が異なる。光学フィルタ３１ｆの光学特性を互いに異ならせても良い。例えば、特定のイオンまたはたんぱく質に反応して特定の蛍光を発するような物質を用いて、検体５５を検知しても良い。例えば、検体５５の活動状況（例えば、イオンまたはたんぱく質の吸収及び排出の少なくともいずれか）を、時間的に変化する空間分布像として検出できる。光学特性が互いに異なる複数の光学センサ３１を設けることで、このような検出が効率的に実施できる。検体５５の散乱光及び透過光の少なくともいずれかを利用した検体５５の形状像に加えて、このような検出を行うことにより、検体５５の状態をより正確に検出できる。
図１５は、第２の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。
図１５に示すように、センサ１２２においては、非磁性層５０は、絶縁層５０Ｉと、導電層５０Ｃと、を含む。Ｚ軸方向において、導電層５０Ｃの少なくとも一部と、配線２７ｃとの間に、絶縁層５０Ｉが設けられる。導電層５０Ｃの一部が絶縁層５０Ｉ中をＺ軸方向に延び、配線２７ｃと電気的に接続される。絶縁層５０Ｉは、例えばＳｉＮを含む。導電層５０Ｃは、例えば、金属酸化物（ＩＴＯ、ＩｎＧａＺｎＯ及びＴｉＯ２など）を含む。導電層５０Ｃは、光透過性である。
例えば、導電層５０Ｃにより、検体５５を泳動させても良い。導電層５０Ｃにより、検体５５を誘導しても良い。導電層５０Ｃにより、検体５５に電気刺激を与えても良い。このような状態で照射された光を光学センサ３１で検出しても良い。光学センサ３１による検出と同時に、検体５５の電気信号（電圧信号または電位信号など）を測定しても良い。
図１６は、第２の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。
図１６に示すように、センサ１２３においては、第１電極２５ｅ及び第２電極２６ｅと、非磁性層５０と、の間に、第１磁性層２０ａ、第２磁性層２０ｂ及び中間層２０ｉが設けられている。磁界センサ２０は、例えば、ＣＩＰ−ＧＭＲの構成を有する。一方、光学センサ３１の上に、光学フィルタ３１ｆが設けられている。
以下、センサ１２３の製造方法の例について説明する。
図１７（ａ）〜図１７（ｃ）及び図１８（ａ）及び図１８（ｂ）は、第２の実施形態に係るセンサの製造方法を例示する模式的断面図である。
図１７（ａ）に示すように、基体７０（例えばシリコン基板）に、不純物を導入して、光学センサ３１（例えばフォトダイオード）を形成する。さらに、絶縁層７１の一部（例えばＳｉＯ２）、及び、配線２７ｃを形成する。第１電極２５ｅ及び第２電極２６ｅを形成する。配線２７ｃ及び電極には、例えば、銅およびアルミニウムの少なくともいずれかを用いても良い。これらには、他の材料を用いても良い。第１電極２５ｅ、第２電極２６ｅ、及び、配線２７ｃの一部のそれぞれの上面に対して、絶縁層７１の上面は、後退していても良い。
図１７（ｂ）に示すように、第１磁性層２０ａとなる膜、中間層２０ｉとなる膜、及び、第２磁性層２０ｂとなる膜を形成し、これらの膜を加工して、第１磁性層２０ａ、中間層２０ｉ及び第２磁性層２０ｂを含む積層体を形成する。加工は、例えば、レジストマスクの形成、及び、レジストマスクを介したエッチングを含む。
図１７（ｃ）に示すように、ＳｉＯ２膜（絶縁層７１の一部）を形成し、表面を化学機械研磨（ＣＭＰ）により平坦化する。その後、例えば、ＣＶＤ法により非磁性層５０（例えばＳｉＮ膜）を形成する。
図１８（ａ）に示すように、非磁性層５０の上に、隔壁５２となるＳｉＯ２膜を形成し、レジストマスク５２ｍを形成し、エッチングしてＳｉＯ２膜の一部を除去する。これにより、非磁性層５０の一部が露出する。
図１８（ｂ）に示すように、非磁性層５０の露出した一部の上、及び、レジストマスク５２ｍの上に、光学フィルタ３１ｆとなる膜（例えば多層膜）を形成する。この多層膜は、例えば、スパッタなどに形成される。この後、レジストマスク５２ｍを除去し、リフトオフにより、光学フィルタ３１ｆが形成される。
これにより、センサ１２３が作製される。上記の製造方法を適宜変更して、上記のセンサ１１０、及び、１２０〜１２２が製造される。さらに、上記の製造方法を適宜変更して、以下に説明するセンサなどが製造される。
図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、第２の実施形態に係る別のセンサを例示する模式図である。
図１９（ａ）は、平面図である。図１９（ｂ）は、断面図である。
図１９（ａ）及び図１９（ｂ）に示すように、本実施形態に係るセンサ１２４は、センサ１２０と比較して、複数の他センサ３２をさらに含む。複数の他センサ３２は、非磁性層５０の第２面５０ｂに沿って並ぶ。
複数の他センサ３２は、例えば、化学物質センサ、温度センサ、及び、電気センサの少なくとも１つを含む。電気センサは、例えば、検体５５の電流、検体５５の電圧、及び、検体５５のインピーダンスのいずれかを検知する。以下、他センサのいくつかの例について説明する。
図２０は、第２の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。
図２０は、化学物質センサの例を示している。図２０に示すように、他センサ３２である化学物質センサは、例えば、イオン検出素子３２Ａと、水素イオン検出素子３２Ｂと、を含む。イオン検出素子３２Ａ及び水素イオン検出素子３２Ｂと、配線２７ｃと、の間に、非磁性層５０が設けられる。
イオン検出素子３２Ａは、例えば、イオン感応膜３２ｓを含む。イオン感応膜３２ｓと配線２７ｃとの間に、非磁性層５０が設けられる。イオン感応膜３２ｓは、例えば、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を含む。ＰＶＣは、例えば、ベース材料となる。イオン感応膜３２ｓは、さらに、イオノフォアを含む。イオノフォアは、例えば、単種のイオンと選択的に結合する。イオノフォアは、例えば、バリノマイシン等を含む。イオン感応膜３２ｓは、さらに、可塑剤及び排除剤の少なくともいずれかを含んでも良い。イオンに結合するイオノフォアは、例えば、Ｎａ＋：ビス（１２−クラウン−４）、Ｋ＋：ビス（ベンゾ−１５−クラウン−５）、バリノマイシン、Ｃａ＋：Ｋ２３Ｅ１、及び、ＮＨ４ ＋：ＴＤ１９Ｃ６の少なくともいずれかを含む。イオン検出素子３２Ａにトランジスタ（図視しない）が接続されても良い。このトランジスタは、基体７０に設けられても良い。このトランジスタは、イオン感応膜３２ｓにおけるイオン濃度の変化を検出する。
イオン検出素子３２Ａが設けられる場合、非磁性層５０は、酸化シリコン及び酸化アルミニウム及び酸化タンタルの少なくともいずれかを含んでも良い。
水素イオン検出素子３２Ｂにおいては、非磁性層５０（ＳｉＮ膜）が水素イオン感応膜として機能する。水素イオンは、ＳｉＮ膜の表面に生じるシラノール基を官能基として検出される。水素イオン検出素子３２Ｂにトランジスタ（図視しない）が接続されても良い。このトランジスタは、基体７０に設けられても良い。このトランジスタは、水素イオン濃度の変化を検出する。
図２１は、第２の実施形態に係る別のセンサの一部を例示する模式的断面図である。
図２１は、電気センサ及び温度センサの例を示している。図２１に示すように、非磁性層５０（例えばＳｉＮ膜）と配線２７ｃとの間に、電極２７ｅが設けられる。検体５５と、電極２７ｅとの間に、非磁性層５０が配置される。電極２７ｅと検体５５との間に、非磁性層５０を介した容量結合が形成される。容量の変化を検出することで、検体５５の電気的な特性の変化が検出される。電極２７ｅは、例えば、Ｎｉ、Ｐｔ、Ａｕ及びＴｉの少なくともいずれかを含んでも良い。
温度センサ３２Ｄにおいて、例えば、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）の閾値電圧の温度依存性が利用される。温度センサ３２Ｄは、例えば、複数の電界効果トランジスタを含むトランジスタ回路を含んでも良い。例えば、この回路は、電極２７ｆと、電極２７ｆと接続された第１ＦＥＴと、第１ＦＥＴと直列にダイオード接続された第２ＦＥＴと、第１及び第２ＦＥＴの直列回路と並列に接続された第３ＦＥＴと、を含む。温度検出画素は、センサ１２４の表面の領域を占有しなくても良い。このような複数のＦＥＴを利用した構成を、独立した温度センサ素子として設けても良い。
（第３の実施形態）
図２２は、第３の実施形態に係るセンサを例示する模式的平面図である。
図２２に示すように、第３の実施形態に係るセンサは、第１及び第２の実施形態に関して説明した、非磁性層５０（図２２では図示しない）と、複数の磁界センサ２０と、を含む。この例では、複数の検出要素１０が設けられている。複数の検出要素１０の１つは、複数の磁界センサ２０の少なくとも１つと、複数の光学センサの少なくとも１つと、複数の他センサ３２の少なくとも１つと、を含む。この例では、他センサ３２として、イオン検出素子３２Ａ及び水素イオン検出素子３２Ｂが設けられている。複数の検出要素１０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に並ぶ。複数の検出要素１０は、センサアレイ１０Ａ（画素アレイ）に含まれる。
さらに、センサ１３０は、選択回路６０Ｃと、読み出し回路６０Ｒと、電流供給回路６０Ｓと、を含む。選択回路６０Ｃは、複数の磁界センサ２０を選択する。すなわち、選択回路６０Ｃは、複数の検出要素１０を選択する。読み出し回路６０Ｒは、複数の磁界センサ２０の状態を読み出す。電流供給回路６０Ｓは、複数の磁界センサ２０に電流を供給する。
選択回路６０Ｃは、カラムコントローラ６０ｃと、ロウコントローラ６０ｒと、を含む。カラムコントローラ６０ｃに、複数の第１配線Ｌ１が接続される。複数の第１配線Ｌ１は、例えば、Ｙ軸方向に延び、Ｘ軸方向に並ぶ。ロウコントローラ６０ｒに、複数の第２配線Ｌ２が接続される。複数の第２配線Ｌ２は、例えば、Ｘ軸方向に延び、Ｙ軸方向に並ぶ。読み出し回路６０Ｒに、複数の第３配線Ｌ３が接続される。複数の第３配線Ｌ３は、例えば、Ｘ軸方向に延び、Ｙ軸方向に並ぶ。
カラムコントローラ６０ｃ及びロウコントローラ６０ｒは、例えば、複数の検出要素１０のデータ検出動作を制御する。例えば、カラムコントローラ６０ｃ及びロウコントローラ６０ｒは、例えば、複数の磁界センサ２０からのデータの読み出し順を制御する。
例えば、ロウコントローラ６０ｒは、イネーブル信号ＥＮと活性化信号ＡＣとを発生する。これらの信号は、複数の第２配線Ｌ２に与えられる。イネーブル信号ＥＮにより、例えば、選択された素子が駆動状態にされる。活性化信号ＡＣにより、例えば、選択された素子が機能するための電力が供給される。
カラムコントローラ６０ｃは、リセット信号ＲＴと転送信号ＳＬとを発生する。これらの信号は、複数の第１配線Ｌ１に与えられる。リセット信号ＲＴにより、例えば、センサからの検出信号を増幅するアンプの入力電圧がリセットされる。転送信号ＳＬにより、例えば、アンプの出力信号Ｖｏが読み出し回路６０Ｒに転送される。
読み出し回路６０Ｒは、例えば、マルチプレクサを含む。
例えば、図１（ｂ）に例示したセンサ回路部６０は、上記の読み出し回路６０Ｒの少なくとも一部を含んでも良い。センサ回路部６０は、上記の選択回路６０Ｃの少なくとも一部を含んでも良い。センサ回路部６０は、上記の電流供給回路６０Ｓの少なくとも一部を含んでも良い。
図２３は、第３の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式的平面図である。
図２３は、複数の検出要素１０の１つの周辺の回路構成を模式的に示す。この例では、１つの検出要素１０に、４種のセンサ素子（センサ素子Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２及びＳ３）が設けられている。
１つの検出要素１０に、イネーブル信号ＥＮ＜０：３＞、及び、活性化信号ＡＣ＜０：３＞が与えられる。例えば、イネーブル信号ＥＮ＜０＞、及び、活性化信号ＡＣ＜０＞は、センサ素子Ｓ０に与えられる。例えば、イネーブル信号ＥＮ＜１＞、及び、活性化信号ＡＣ＜１＞は、センサ素子Ｓ１に与えられる。イネーブル信号ＥＮ＜２＞、及び、活性化信号ＡＣ＜２＞は、センサ素子Ｓ２に与えられる。イネーブル信号ＥＮ＜３＞、及び、活性化信号ＡＣ＜３＞は、センサ素子Ｓ３に与えられる。
１つの検出要素１０に、リセット信号ＲＴ＜０：３＞、及び、転送信号ＳＬ＜０：３＞が与えられる。リセット信号ＲＴ＜０＞、及び、転送信号ＳＬ＜０＞は、センサ素子Ｓ０に与えられる。リセット信号ＲＴ＜１＞、及び、転送信号ＳＬ＜１＞は、センサ素子Ｓ１に与えられる。リセット信号ＲＴ＜２＞、及び、転送信号ＳＬ＜２＞は、センサ素子Ｓ２に与えられる。リセット信号ＲＴ＜３＞、及び、転送信号ＳＬ＜３＞は、センサ素子Ｓ３に与えられる。
図２４は、第３の実施形態に係るセンサの一部を例示する模式図である。
図２４は、図２３に示したセンサ素子Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２及びＳ４の１つの回路の例を示す。この回路は、スイッチ素子ＳＷ１、スイッチ素子ＳＷ２、スイッチ素子ＳＷ３、及び、スイッチ素子ＳＷ４を含む。以下、「ｉ」を０〜３の整数とする。スイッチ素子ＳＷ１は、活性化信号ＡＣ＜ｉ＞によって、センサに接続される電極Ｅｉに電源電圧ＶＳを印加する。スイッチ素子ＳＷ２は、リセット信号ＲＴ＜ｉ＞に基づき、アンプＡＰの入力をリセット電圧ＶＲにリセットする。スイッチ素子ＳＷ３は、イネーブル信号ＥＮ＜ｉ＞に基づき、電極Ｅｉからの検出信号をアンプＡＰに転送する。スイッチ素子ＳＷ４は、転送信号ＳＬ＜ｉ＞に基づき、アンプＡＰの出力信号Ｖｏを有効化する。
スイッチ素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３及びＳＷ４の少なくとも１つは、例えば、Ｐチャネル型ＭＯＳトランジスタ、Ｎチャネル型ＭＯＳトランジスタ、及び、これらを含むＣＭＯＳスイッチの少なくとも１つを含む。また、アンプＡＰは、ソース接地型アンプ、ドレイン接地型アンプ、及び、差動型アンプの少なくともいずれかを含む。
センサ１３０は、Ａ／Ｄ変換回路をさらに含んでも良い。センサ１３０は、センサ素子からの信号を予め設定した手順に従って処理する信号処理回路を含んでも良い。信号処理回路は、例えば、時間積分、平均化処理、差分、オートゼロイング、チョッピング、相関二重サンプリング、および、相関多重サンプリングの少なくともいずれかを実施する。センサ１３０は、得られた結果を外部に送信する通信回路をさらに含んでも良い。センサ１３０は、測定条件、測定手順、試料との対応付け、および、得られた結果の少なくともいずれかを格納するメモリ回路をさらに含んでも良い。
（第４の実施形態）
図２５は、第４の実施形態に係るセンサを例示する模式図である。
図２５に示すように、本実施形態に係るセンサ１４０は、複数の磁界センサ２０に加えて、差分回路６５を含む。差分回路６５は、複数の磁界センサ２０の１つ（例えば第１磁界センサ２１）の出力２１ｏと、複数の磁界センサ２０の別の１つ（例えば第２磁界センサ２２）の出力２２ｏと、を差分した値（出力６５ｏ）を出力する。
例えば、第１磁界センサ２１と第２磁界センサ２２とにおいて、位置関係は任意である。第１磁界センサ２１と第２磁界センサ２２とは、例えば、Ｘ軸方向に並んでも良い。第１磁界センサ２１と第２磁界センサ２２とは、例えば、Ｙ軸方向に並んでも良い。第１磁界センサ２１と第２磁界センサ２２とは、例えば、Ｘ軸方向に対して傾斜する方向に並んでも良い。
センサ１４０によれば、複数の磁界センサ２０のそれぞれの出力画像が比較できる。例えば、磁界の発生源の位置を推定できる。磁界の発生源は、例えば、検体５５中の特定の位置に対応する。
例えば、図５（ａ）、図５（ｂ）、図６（ａ）及び図６（ｂ）に関して説明したように、検体５５から生じる磁界Ｂｘの強度の面内分布において、所定の範囲を超えると、磁界Ｂｘの強度は急峻に減少する。
磁界Ｂｘの強度のピークの数を１つとする。このとき、センサ１４０のように、複数の磁界センサ２０のそれぞれの出力を差分すると、得られる出力のピークは、複数（２つ）となる。差分で得られる２つのピークは、１つのピークの微分に対応する。この２つのピークの位置は、１つのピークの中心から離れた位置に形成される。これにより、複数の磁界センサ２０のピッチが大きい場合にも、高い精度の検出が実施できる。
図２６（ａ）及び図２６（ｂ）は、第４の実施形態に係るセンサの特性を例示する模式図である。
図２６（ａ）は、複数の磁界センサ２０で検出される磁界Ｂｘを例示している。この例では、複数の磁界センサ２０のＸ軸方向の長さ及びＹ軸方向の長さのそれぞれは、３μｍである。距離ｄ１（図１（ｂ）参照）は１μｍである。一方、磁界Ｂｘの分布は、１μｍの空間分解能でプロットされている。図２６（ｂ）は、図２６（ａ）に示す磁界Ｂｘの分布をＸ軸方向に沿って差分した結果である。これらの図中の黒丸印は、１０μｍのピッチで複数の磁界センサ２０を配置したときの、４つの磁界センサ２０の位置を示す。
図２６（ａ）に示すように、磁界Ｂｘの分布は、１つのピークを有する。この場合、４つの位置において、磁界Ｂｘは、約３０ｆＴである。
これに対して、図２６（ｂ）に示すように、複数の磁界センサ２０の出力を差分すると、磁界Ｂｘの分布は、２つのピークを有する。この場合は、４つの位置において、磁界Ｂｘは、例えば、−７０ｆＴとなり、検出強度が上昇する。ピークの位置がずれたために、４つの磁界センサ２０の位置が最悪の位置になる確率が減る。
このように、複数の磁界センサ２０の出力を差分することにより、検出効率が向上する。さらに、差分することにより、地磁気などによるバックグラウンドノイズを抑制できる。これにより、検出効率はさらに向上する。
例えば、上記の差分処理を高周波で行っても良い。高周波の周波数は、例えば０．８ｋＨｚ以上１．５ｋＨｚ以下である。例えば、交流電源に起因するバックグラウンド磁界ノイズが抑制される。例えば、複数の磁界センサ２０の信号の切り替え周波数を約１ｋＨｚにし、得られた信号を逐次差分処理を行っても良い。
より健康で快適に生活できる社会を目指すために、病気の原因やその発症メカニズムなどを明らかにするための研究や、それに基づく予防方法や治療方法などに関する研究が行われている。病気の発症リスクを軽減するために、病気に関する情報や、人における病気の要因（例えば、先天的要因、生活要因および後天的要因など）の情報を収集することが検討されている。それらの情報を解析することなどが、提案されている。
例えば、より詳細な情報を効率的に収集するバイオセンサの開発が望まれている。複数の検査項目についての情報（多項目）を得ることができるバイオセンサを提供することが望まれる。
実施形態においては、例えば、磁界センサを用いる。さらに、光学センサを用いても良い。検体５５の状態の時間変化を実時間で計測できる。例えば、検体５５の活動状況（神経を伝わる電流パルス信号など）を磁界として実時間で計測できる。磁界データを画素として取得することにより、形状と活動状況を複合させた情報を実時間で計測できる。
これら以外の複数のセンサを同じ画素（基本ブロック）に設置することにより、検体５５に関して複数の項目を同時に検出することができる。より迅速に検査を行うことができる。検査されるべき試料についての分析を、複数項目について得られた結果から総合的に行うことができる。より正確な分析結果が得られる。より高度な解析結果を得ることができる。実施形態のバイオセンサによれば、例えば、より高い信頼性で複数の検査項目についての情報（多項目）が得られる。
実施形態は、以下の構成を含んでも良い。
（構成１）
第１面と、第２面と、を有する非磁性層と、
前記第２面に沿って並ぶ複数の磁界センサと、
を備え、
前記第２面は、前記複数の磁界センサと前記第１面との間にあり、
前記複数の磁界センサのそれぞれは、
第１磁性層と、
前記第１磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性の中間層と、
を含み、
前記第１面と前記第２磁性層との間の距離は、前記複数の磁界センサのピッチ以下である、センサ。
（構成２）
前記距離は、１０マイクロメートル以下である、構成１記載のセンサ。
（構成３）
前記第１面に検体が配置可能である、構成１または２に記載のセンサ。
（構成４）
前記複数の磁界センサの少なくとも一部は、前記第２面に沿う第１配列方向に沿って並び、
前記複数の磁界センサの少なくとも一部は、前記第２面に沿い前記第１配列方向と交差する第２配列方向に沿って並ぶ、構成１〜３のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成５）
前記複数の磁界センサの少なくとも一部は、前記第２面に沿う第１配列方向に沿って第１ピッチで並び、
前記第１ピッチは、前記距離の２倍以上１０００倍以下である、構成１〜３のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成６）
前記複数の磁界センサの少なくとも一部は、前記第２面に沿い前記第１配列方向と交差する第２配列方向に沿って第２ピッチで並び、
前記第２ピッチは、前記距離の２倍以上１０００倍以下である、構成５記載のセンサ。
（構成７）
前記複数の磁界センサの少なくとも一部は、前記第２面に沿う第１配列方向に沿って第１ピッチで並び、
前記第１ピッチは、１４μｍ以下である、構成１〜３のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成８）
前記複数の磁界センサの少なくとも一部は、前記第２面に沿い前記第１配列方向と交差する第２配列方向に沿って第２ピッチで並び、
前記第２ピッチは、１４μｍ以下である、構成７記載のセンサ。
（構成９）
前記複数の磁界センサは、第１磁界センサと、第２磁界センサと、を含み、
前記第２面に沿う第１延在方向に沿った前記第１磁界センサの長さは、前記第２面に沿い前記第１延在方向に対して垂直な方向に沿った前記第１磁界センサの長さよりも長く、
前記第２面に沿う前記第１延在方向と交差する第２延在方向に沿った前記第２磁界センサの長さは、前記第２面に沿い前記第２延在方向に対して垂直な方向に沿った前記第２磁界センサの長さよりも長い、構成１〜８のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成１０）
前記第１磁界センサは、複数設けられ、
前記第２磁界センサは、複数設けられ、
前記複数の第１磁界センサの２つの間に、前記複数の第２磁界センサの１つが配置され、
前記複数の第２磁界センサの２つの間に、前記複数の第１磁界センサの１つが配置された、構成９記載のセンサ。
（構成１１）
前記複数の磁界センサの少なくとも１つは、前記検体に生じるパルス信号に応じた検出信号を出力する、構成１〜１０のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成１２）
前記検体は、生体を含む、構成１〜１１のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成１３）
前記第２面に沿って並ぶ複数の光学センサをさらに備え、
前記複数の磁界センサの少なくとも１つと、前記複数の光学センサの少なくとも１つが、複数の検出要素の１つに含まれた、構成１〜１２のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成１４）
前記複数の磁界センサの前記少なくとも１つと、前記第１面との間の距離は、
前記複数の光学センサの前記少なくとも１つと、前記第１面との間の距離よりも短い、構成１〜１３のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成１５）
前記第２面に沿って並ぶ複数の他センサをさらに備え、
前記複数の磁界センサの少なくとも１つと、前記複数の他センサの少なくとも１つが、複数の検出要素の１つに含まれ、
前記複数の他センサの１つは、化学物質センサ、温度センサ、及び、電気センサの少なくとも１つを含む、構成１〜１４のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成１６）
前記複数の磁界センサの少なくとも１つに接続されたセンサ回路部をさらに備え、
前記第２面から前記第１面に向かう方向において、前記センサ回路部の少なくとも一部と、前記非磁性層と、の間に前記複数の磁界センサの少なくとも一部が配置された、構成１〜１５のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成１７）
前記センサ回路部は、前記複数の磁界センサの状態を読み出す読み出し回路を少なくとも一部を含む、構成１６記載のセンサ。
（構成１８）
前記複数の磁界センサを選択する選択回路と、
前記複数の磁界センサの状態を読み出す読み出し回路と、
をさらに備えた、構成１〜１７のいずれか１つに記載のセンサ。
（構成１９）
前記複数の磁界センサに電流を供給する電流供給回路をさらに備えた、構成１８記載のセンサ。
（構成２０）
前記複数の磁界センサの１つの出力と、前記複数の磁界センサの別の１つの出力と、を差分した値を出力する差分回路をさらに備えた、構成１〜１９のいずれか１つに記載のセンサ。
実施形態によれば、検体の状態をより正確に検出することが可能なセンサが提供できる。
本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、センサに含まれる磁界センサ、磁性層及び中間層などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述したセンサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全てのセンサも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０…検出要素、 １０Ａ…センサアレイ、 ２０…磁界センサ、 ２０ａ…第１磁性層、 ２０ａａ…第１高電気抵抗層、 ２０ａｂ…第１低電気抵抗層、 ２０ａｃ…第１非磁性膜、 ２０ｂ…第２磁性層、 ２０ｂａ…第２高電気抵抗層、 ２０ｂｂ…第２低電気抵抗層、 ２０ｂｃ…非磁性膜、 ２０ｃ…第３磁性層、 ２０ｉ…中間層、 ２０ｊ…非磁性膜、 ２０ｐ、２０ｑ…磁界センサ、 ２１〜２４…第１〜第４磁界センサ、 ２１ｏ、２２ｏ…出力、 ２５ｅ…第１電極、 ２６ｅ…第２電極、 ２７ｃ…配線、 ２７ｅ、２７ｆ…電極、 ２７ｖ…ビア、 ３１…光学センサ、 ３１Ａ、３１Ｂ…第１、第２光学センサ、 ３１ｆ…光学フィルタ、 ３２…他センサ、 ３２Ａ…イオン検出素子、 ３２Ｂ…水素イオン検出素子、 ３２Ｄ…温度センサ、 ３２ｓ…イオン感応膜、 ５０…非磁性層、 ５０Ｃ…導電層、 ５０Ｉ…絶縁層、 ５０ａ…第１面、 ５０ｂ…第２面、 ５１…神経細胞、 ５１ａ…神経線維、 ５１ｂ…髄鞘、 ５１ｃ…ランビエ絞輪、 ５１ｄ…イオン、 ５１ｘ…導電体、 ５２…隔壁、 ５２ｍ…レジストマスク、 ５５…検体、 ５５ｉ…絶縁媒質、 ６０…センサ回路部、 ６０Ｃ…選択回路、 ６０Ｒ…読み出し回路、 ６０Ｓ…電流供給回路、 ６０ｃ…カラムコントローラ、 ６０ｒ…ロウコントローラ、 ６５…差分回路、 ６５ｏ…出力、 ７０…基体、 ７１…絶縁層、 １１０、１２０〜１２４、１３０、１４０…センサ、 ＡＣ…活性化信号、 ＡＤ１、ＡＤ２…第１、第２配列方向、 ＡＰ…アンプ、 Ｂｘ…Ｘ軸方向の磁界、 ＥＤ１〜ＥＤ４…第１〜第４延在方向、 ＥＮ…イネーブル信号、 Ｅｉ…電極、 Ｈ０…強度、 Ｈ１…強度、 Ｈｓ…強度、 Ｉｓ…電流、 Ｌ１〜Ｌ３…第１〜第３配線、 Ｍ１、Ｍ２…第１、第２磁化、 Ｍ５５…磁界、 Ｍｃ…電流モーメント、 ＲＴ…リセット信号、 Ｓ０〜Ｓ３…センサ素子、 ＳＬ…転送信号、 ＳＮＲ…パラメータ、 ＳＷ１〜ＳＷ４…スイッチ素子、 ＶＲ…リセット電圧、 ＶＳ…電源電圧、 Ｖｏ…出力信号、 ｄ１…距離、 ｄｘ…オフセット、 ｄｚ…距離、 ｐ１、ｐ２…第１、第２ピッチ、 ｐｘ…位置

Claims (7)

  1. 第１面と、第２面と、を有する非磁性層と、
    前記第２面に沿って並ぶ複数の磁界センサと、
    複数の第１配線と、
    複数の第２配線と、
    を備え、
    前記第２面は、前記複数の磁界センサと前記第１面との間にあり、
    前記複数の磁界センサのそれぞれは、
    第１磁性層と、
    前記第１磁性層と前記非磁性層との間に設けられた第２磁性層と、
    前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性の中間層と、
    を含み、
    前記第１面と前記第２磁性層との間の距離は、前記複数の磁界センサのピッチ以下であり、
    前記複数の磁界センサは、前記第２面に沿う第１配列方向に沿って並び、
    前記複数の磁界センサは、前記第２面に沿い前記第１配列方向と交差する第２配列方向に沿って並び、
    前記複数の第１配線は、前記第１配列方向に延び、前記複数の第１配線の１つは、前記複数の磁界センサの１つに接続され、
    前記複数の第２配線は、前記第２配列方向に延び、前記複数の第２配線の１つは、前記複数の磁界センサの前記１つに接続され、
    前記複数の磁界センサは、検体に生じるパルス信号に応じた検出信号を出力し、
    前記パルス信号の空間分布の時間的な変化を検出する、センサ。
  2. 前記距離は、１０マイクロメートル以下である、請求項１記載のセンサ。
  3. 前記第１面に検体が配置可能である、請求項１または２に記載のセンサ。
  4. 前記第２面に沿って並ぶ複数の光学センサをさらに備え、
    前記複数の磁界センサの少なくとも１つと、前記複数の光学センサの少なくとも１つが、複数の検出要素の１つに含まれた、請求項１〜３のいずれか１つに記載のセンサ。
  5. 前記複数の磁界センサの前記少なくとも１つと、前記第１面との間の距離は、
    前記複数の光学センサの前記少なくとも１つと、前記第１面との間の距離よりも短い、請求項４記載のセンサ。
  6. 前記複数の磁界センサの少なくとも１つに接続されたセンサ回路部をさらに備え、
    前記第２面から前記第１面に向かう方向において、前記センサ回路部の少なくとも一部と、前記非磁性層と、の間に前記複数の磁界センサの少なくとも一部が配置された、請求項１〜５のいずれか１つに記載のセンサ。
  7. 前記複数の磁界センサの１つの出力と、前記複数の磁界センサの別の１つの出力と、を差分した値を出力する差分回路をさらに備えた、請求項１〜６のいずれか１つに記載のセンサ。
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