專利名稱：生物磁場測量裝置、生物磁場測量系統(tǒng)、以及生物磁場測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生物磁場測量裝置、生物磁場測量系統(tǒng)、以及生物磁場測量方法。
背景技術(shù)：
以往，作為測量從生物產(chǎn)生的磁場的裝置，研究了利用SQUID (SuperconductingQuantum Interference Device ;超導(dǎo)量子干擾元件)傳感器的生物磁場測量裝置(專利文獻(xiàn)1-5等)。通過排列多個(gè)SQUID傳感器用于生物磁場的測量，從而能夠獲得腦磁圖、心磁
圖等二維磁場信息。在通過SQUID傳感器測量生物磁場時(shí)，需要通過冷卻劑保證SQUID傳感器處于超導(dǎo)狀態(tài)。因此，SQUID傳感器被內(nèi)置于存有冷卻劑的真空瓶中，在被浸泡在該冷卻劑中的狀態(tài)下用于測量。提出了如下的生物磁場測量裝置:將該真空瓶的冷卻劑槽的外壁部的一部分形成為與生物的測量對(duì)象部位例如頭顱對(duì)應(yīng)的形狀，并在該外壁部的內(nèi)側(cè)排列多個(gè)SQUID傳感器而浸泡在冷卻劑中，通過使外壁部的外側(cè)接觸生物，從而使多個(gè)SQUID傳感器相對(duì)于生物靠近一定的距離而進(jìn)行測量，并且能夠獲得腦磁圖等。現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1:特開平2-40578號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2:特開平3-1839號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)3:特開2000-193364號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)4:特開2004-65605號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)5:特開2007-17248號(hào)公報(bào)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn)I JOURNAL OF APPLIED PHYSICS, V0LUME83NUMBER11, 1JUNE1998, “Picotesla field sensor design using spin-dependent tunneling devices，，copyright:1998Americam Institute of Physics.
非專利文獻(xiàn)2:APPLIED PHYSICS LETTERS91, 102504(2007), “Low frequencypicotesla field detection using hybrid MgObased tunnel sensors，，copyright:2007Americam Institute of Physics.

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明要解決的課題但是，在利用了 SQUID傳感器的生物磁場測量裝置中存在以下問題。用于將SQUID傳感器保持低溫的冷卻劑因蒸發(fā)等而減少，因此冷卻劑的管理煩雜，需要構(gòu)成絕熱的冷卻槽。
內(nèi)置了在測量時(shí)應(yīng)靠近生物的SQUID傳感器的傳感器單元、即真空瓶中由于存有冷卻劑因而大型且笨重，需要用于支承它的機(jī)械結(jié)構(gòu)，往往需要安置被檢體的底座、控制被檢體和內(nèi)置了 SQUID傳感器的真空瓶的相對(duì)位置的位置控制裝置。被檢者根據(jù)年齡和性別等，身體的大小和體型為多種。難以構(gòu)成使SQUID傳感器的排列配合被檢者的被檢部位而靈活應(yīng)對(duì)的真空瓶，無法與被檢者無關(guān)地將SQUID傳感器相對(duì)于其被檢部位配置在一定的距離，無法執(zhí)行準(zhǔn)確的測量，或者無法測量。此外，SQUID傳感器較大，難以靠近頭皮等生物表面而高密度地配置多個(gè)傳感器。因此，只能實(shí)現(xiàn)對(duì)來自生物表面的垂直方向的產(chǎn)生磁場進(jìn)行測量，除了垂直方向之外難以測量生物表面的平面內(nèi)方向的磁場。通過設(shè)為不僅能夠測量基于SQUID傳感器的磁場測量中的生物表面的垂直方向等從生物發(fā)出的磁場的一個(gè)軸方向的磁力，還能夠測量作為生物表面的垂直方向的一個(gè)軸以及生物表面在平面內(nèi)方向的相互正交的兩個(gè)軸等的三個(gè)軸方向的磁力，從而開啟獲得更多的磁場信息而用于診斷的可能性。雖然如此，但在用于磁記錄讀取裝置等的不需要冷卻機(jī)構(gòu)的磁傳感器中，無法獲得如SQUID傳感器那般的靈敏度，根本無法測量腦磁場等微弱的生物磁場。本發(fā)明鑒于以上的以往技術(shù)中的問題而完成，其課題在于提供一種通過能夠在常溫下使用的磁傳感器高精度地測量生物磁場的生物磁場測量裝置、生物磁場測量系統(tǒng)、以及生物磁場測量方法。用于解決課題的方案 用于解決以上課題的技術(shù)方案I所述的發(fā)明是一種生物磁場測量裝置，具備包含隧道磁阻元件的磁傳感器、以及保持所述磁傳感器使得所述隧道磁阻元件與生物對(duì)置的保持部件，其中，所述隧道磁阻元件具有磁化方向被固定的固定磁層、受到來自外部的磁通的影響而導(dǎo)致磁化方向變化的自由磁層、以及在所述固定磁層以及所述自由磁層之間配置的絕緣層，該隧道磁阻元件按照所述固定磁層的磁化方向和所述自由磁層的磁化方向的角度差并且根據(jù)隧道效應(yīng)來改變所述絕緣層的電阻，所述磁傳感器輸出與由于從生物發(fā)出的磁場而變化的所述絕緣層的電阻值相應(yīng)的輸出信號(hào)。技術(shù)方案2所述的發(fā)明是在技術(shù)方案I所述的生物磁場測量裝置中，所述磁傳感器具有多個(gè)所述隧道磁阻元件格子排列的隧道磁阻元件陣列，從對(duì)于多個(gè)所述隧道磁阻元件設(shè)置的公共的輸出端子輸出所述輸出信號(hào)。技術(shù)方案3所述的發(fā)明是在技術(shù)方案2所述的生物磁場測量裝置中，多個(gè)所述隧道磁阻元件的各自的所述固定磁層和所述絕緣層的連接面和/或所述自由磁層和所述絕緣層的連接面被配置在公共的平面上。技術(shù)方案4所述的發(fā)明是在技術(shù)方案2或3所述的生物磁場測量裝置中，其中，所述公共的平面是沿著相對(duì)于生物的測量對(duì)象部位垂直的方向的平面。技術(shù)方案5所述的發(fā)明是在技術(shù)方案I 4的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量裝置中，所述磁傳感器包含所述固定磁層的磁化方向被固定為第I方向的第I隧道磁阻元件陣列、以及所述固定磁層的磁化方向被固定為與所述第I方向交叉的第2方向的第2隧道磁阻元件陣列。技術(shù)方案6所述的發(fā)明是在技術(shù)方案5所述的生物磁場測量裝置中，所述磁傳感器包含所述固定磁層的磁化方向被固定為與所述第I方向以及所述第2方向正交的第3方向的第3隧道磁阻元件陣列。技術(shù)方案7所述的發(fā)明是在技術(shù)方案I 6的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量裝置中，具有包括了多個(gè)所述磁傳感器的傳感器集合體。技術(shù)方案8所述的發(fā)明是在技術(shù)方案7所述的生物磁場測量裝置中，具有多個(gè)所述傳感器集合體。技術(shù)方案9所述的發(fā)明是一種生物磁場測量系統(tǒng),包括技術(shù)方案I 8的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量裝置、以及基于所述輸出信號(hào)運(yùn)算腦磁圖的運(yùn)算裝置。技術(shù)方案10所述的發(fā)明是一種生物磁場測量方法，使包含隧道磁阻元件的磁傳感器與生物對(duì)置保持，其中 ，所述隧道磁阻元件具有磁化方向被固定的固定磁層、受到來自外部的磁通的影響而導(dǎo)致磁化方向變化的自由磁層、以及在所述固定磁層以及所述自由磁層之間配置的絕緣層，該隧道磁阻元件按照所述固定磁層的磁化方向和所述自由磁層的磁化方向的角度差并且根據(jù)隧道效應(yīng)來改變所述絕緣層的電阻，所述生物磁場測量方法基于與由于從生物發(fā)出的磁場而變化的所述絕緣層的電阻值相應(yīng)的來自所述磁傳感器的輸出信號(hào)，測量生物磁場。技術(shù)方案11所述的發(fā)明是在技術(shù)方案10所述的生物磁場測量方法中，所述磁傳感器具有多個(gè)所述隧道磁阻元件格子排列的隧道磁阻元件陣列，基于來自該隧道磁阻元件陣列的輸出信號(hào)來測量生物磁場。技術(shù)方案12所述的發(fā)明是在技術(shù)方案10或11所述的生物磁場測量方法中，所述磁傳感器針對(duì)向與生物的測量對(duì)象部位垂直的方向發(fā)出的磁場輸出輸出信號(hào)。技術(shù)方案13所述的發(fā)明是在技術(shù)方案10 12的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量方法中，所述磁傳感器針對(duì)從生物發(fā)出的相互正交的兩個(gè)軸方向的磁場輸出輸出信號(hào)。技術(shù)方案14所述的發(fā)明是在技術(shù)方案10 13的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量方法中，所述磁傳感器針對(duì)從生物發(fā)出的相互正交的三個(gè)軸方向的磁場輸出輸出信號(hào)。技術(shù)方案15所述的發(fā)明是在技術(shù)方案10 14的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量方法中，包括多個(gè)所述磁傳感器。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，應(yīng)用于生物磁場的測量的隧道磁阻元件(TMR (Tunnel MagnetoResistive)元件)能夠構(gòu)成高靈敏度的元件，因此能夠精密地測量生物磁場。并且，由于是能夠在常溫下使用的磁傳感器，因此在測量時(shí)應(yīng)靠近生物的傳感器單元中不需要用于冷卻隧道磁阻元件的冷卻劑，具有能夠更輕薄地構(gòu)成傳感器單元的效果。由于能夠更輕薄地構(gòu)成傳感器單元，因此具有能夠用人手操作放置以覆在被檢者的測量對(duì)象部位，或者以能夠安裝到被檢者的簡單且靈活的方式來構(gòu)成的效果。此外，由于是高靈敏度并且還不需要冷卻機(jī)構(gòu)，因此尺寸不大，能夠構(gòu)成在配置到生物上時(shí)制約小的磁傳感器。從而，容易將磁傳感器靠近生物而配置，能夠更精密地測量生物磁場。此外，就算使用多個(gè)磁傳感器也能夠緊密地配置它們，因此能夠進(jìn)一步精密地測量生物磁場。


圖1是本發(fā)明的一實(shí)施方式的生物磁場測量裝置以及生物磁場測量系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明的一實(shí)施方式的接口的構(gòu)成圖。圖3A是本發(fā)明的一實(shí)施方式的傳感器平板的結(jié)構(gòu)方框圖。圖3B是本發(fā)明的一實(shí)施方式的傳感器平板的外觀立體圖。圖4A是本發(fā)明的一實(shí)施方式的TMR陣列模塊的內(nèi)部透視平面圖。圖4B是本發(fā)明的一實(shí)施方式的TMR陣列模塊的背面的示意圖。圖5是本發(fā)明的一實(shí)施方式的TMR陣列的局部細(xì)節(jié)布局圖。圖6是本發(fā)明的一實(shí)施方式所示的TMR陣列的布局的說明圖。圖7是本發(fā)明的一實(shí)施方式的TMR陣列的布局的說明圖。圖8A是本發(fā)明的一實(shí)施方式的TMR陣列的電氣電路圖。圖8B是本發(fā)明的另一方式的TMR陣列的電氣電路圖。圖9是表示本發(fā)明的一實(shí)施方式的TMR元件(隧道磁阻元件)的基本結(jié)構(gòu)的示意圖。圖10是本發(fā)明的一實(shí)施方式的TMR元件的層疊截面圖。圖11是本發(fā)明的一實(shí)施方式的傳感器單元的安裝狀態(tài)圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照

本發(fā)明的一實(shí)施方式。以下是本發(fā)明的一實(shí)施方式，并非用于限定本發(fā)明。本實(shí)施方式關(guān)于測量從人的頭顱發(fā)出的磁場而獲得腦磁圖的生物磁場測量。如圖1所示，本實(shí)施方式的生物磁場測量系統(tǒng)100由生物磁場測量裝置I以及運(yùn)算裝置2構(gòu)成。生物磁場測量裝置I由接口 3和傳感器單元4構(gòu)成。運(yùn)算裝置2和傳感器單元4經(jīng)由接口 3連接。傳感器單元4和接口 3之間通過線纜5連接，在線纜5到達(dá)的范圍內(nèi)能夠自由地移動(dòng)傳感器單元4，能夠自由地改變方向。51是電源線，52是信號(hào)線(總線)。傳感器單元4具有多個(gè)傳感器平板41，41，…，通過電源線51分別提供電源。從運(yùn)算裝置2通過信號(hào)線52對(duì)傳感器平板41傳輸命令信號(hào)，并且，從傳感器平板41通過信號(hào)線52對(duì)運(yùn)算裝置2傳輸輸出信號(hào)。將傳感器平板41的數(shù)目設(shè)為n(n為2以上的整數(shù))。

運(yùn)算裝置2連接了出于顯示運(yùn)算結(jié)果等目的而使用的顯示裝置21。如圖2所示，接口 3由PCI/總線/控制器31、命令變換/緩沖/控制器32、SRAM33、串行接口驅(qū)動(dòng)器34構(gòu)成。通過驅(qū)動(dòng)器34、控制器31、以及控制器32進(jìn)行設(shè)置于各板41內(nèi)的后述的控制器和總線的控制，根據(jù)需要將信號(hào)緩沖到SRAM33，從而進(jìn)行控制以便從各板41串行地送出輸出信號(hào)。如圖3所示，在傳感器平板41中電連接多個(gè)TMR陣列模塊6，6，...，并且采用機(jī)械方式固定。傳感器平板41構(gòu)成具備了多個(gè)磁傳感器的傳感器集合體。如圖3 Ca)所示那樣，傳感器平板41包括控制器42、RAM43、放大/變換電路44，44，…。放大/變換電路44對(duì)每個(gè)TMR陣列模塊6設(shè)置，與TMR陣列模塊6 —對(duì)一連接。放大/變換電路44具有用于放大來自TMR陣列模塊6的輸出信號(hào)的放大器44a、將放大器44a的輸出變換為數(shù)字信號(hào)從而輸入到控制器42的A/D變換器44b。RAM43是存儲(chǔ)輸入到控制器42的信息和控制器42運(yùn)算的信息的存儲(chǔ)裝置?？刂破?2接收來自運(yùn)算裝置2的命令，運(yùn)行TMR陣列模塊6，6，...，并將其輸出信號(hào)采用規(guī)定的格式經(jīng)由信號(hào)線52向運(yùn)算裝置2送出。如圖4所示，TMR陣列模塊6由在背面具有連接端子61a 61h的布線基板61、在布線基板61的表面上構(gòu)成的TMR陣列模塊部62組成。并且，如圖3 (b)所示，采用在傳感器平板41上對(duì)齊布線基板61的背面的狀態(tài)進(jìn)行搭載。在傳感器平板41上縱橫排列了 TMR陣列模塊6，6，…。如圖4 Ca)所示，在TMR陣列模塊6中搭載了 TMR陣列芯片63X，63Y，63Z。圖4 (a)表示了正交3軸X_Y_Z坐標(biāo)。TMR陣列芯片63Χ是測量在與TMR陣列模塊6的布線基板61的表面平行的面內(nèi)的X軸方向的磁力的傳感器模塊。TMR陣列芯片63Υ是測量在與TMR陣列模塊6的布線基板61的表面平行的面內(nèi)的垂直于X軸方向的Y軸方向的磁力的傳感器模塊。TMR陣列芯片63Ζ是測量與TMR陣列模塊6的布線基板61的表面垂直的Z軸方向的磁力的傳感器模塊。TMR陣列芯片63Χ，63Υ，63Ζ內(nèi)分別如圖5所示，其結(jié)構(gòu)為上部電極65a、下部電極65b夾持TMR元件67的基本結(jié)構(gòu)陣列狀地排列了多個(gè)。如圖6中示意性地所示那樣,對(duì)4個(gè)TMR元件67配置公共的上部電極65a。并且，4個(gè)TMR元件67分別與另一周圍的3個(gè)TMR元件67成為一組，對(duì)各組的4個(gè)TMR元件67配置公共的下部電極65b。如圖7所示，在元件的截面方向，下部電極65b與相鄰的一對(duì)TMR元件67的一個(gè)面對(duì)置，上部電極65a與上述一對(duì)的TMR元件67中的一個(gè)和另一個(gè)相鄰的TMR元件67的另一個(gè)面對(duì)置。通過重復(fù)這樣的構(gòu)造從而多個(gè)TMR元件67通過上部電極65a以及下部電極65b相互電連接。另外，在圖6中，為了容易理解，上部電極65a僅圖示一個(gè)，省略了其他的上部電極65a。如果將TMR元件67作為電阻來記載TMR陣列芯片63的等效電路，則該電路圖成為圖8 (a)所示那樣。該電路構(gòu)成用于輸出單一的輸出信號(hào)的磁傳感器。如圖5以及圖8所示，TMR元件67，67，…排列成格子狀而構(gòu)成TMR陣列68。如圖8所示，TMR元件67，67,…在一對(duì)的電流輸入端子69之間、一對(duì)的電壓檢測端子70之間排列成格子狀。各端子的取出部位可以如圖8 (b)所示那樣，基于將各端子與TMR陣列的連接點(diǎn)設(shè)為各不相同的TMR陣列芯片63B的等效電路，不限于如圖8 Ca)所示那樣的將各端子與TMR陣列的連接點(diǎn)設(shè)為公共的方式。另外，在圖6中，為了簡化而記載了 6X6的TMR陣列，但如果實(shí)際設(shè)為50X50左右，則可知噪聲電平與一個(gè)元件的噪聲電平相比減少至1/50。在腦磁場的測量中，為了至少將噪聲電平減少為1/50以下，期望設(shè)為50X50陣列以上的元件數(shù)，更優(yōu)選的是，設(shè)為100X100陣列以上的元件數(shù)從而將噪聲電平降低至1/100以下。TMR陣列芯片63X，63Y，63Z的一對(duì)電流輸入端子69被引至連接端子61a、61e。X軸用TMR陣列芯片63X的一對(duì)電壓檢測端子70被引至連接端子61b、61f。Y軸用TMR陣列芯片63Y的一對(duì)電壓檢測端子70被引至連接端子61c、61g。Z軸用TMR陣列芯片63Z的一對(duì)電壓檢測端子70被引至連接端子61d、61h。各端子的引出布線基于未圖示的焊絲以及布線基板61內(nèi)的布線圖案。 這樣，TMR陣列芯片63X，63Y，63Z分別構(gòu)成一個(gè)磁傳感器。在本實(shí)施方式中，TMR陣列模塊具備三個(gè)磁傳感器，從而構(gòu)成能夠測量3軸的磁傳感器。各TMR元件67具備圖9所示的基本結(jié)構(gòu)。如圖9所示，具有在基板61上按照順序依次層疊了下部電極65b、氧化防止層67e、自由磁層67d、絕緣層67c、固定磁層67b、氧化防止層67a、上部電極65a的結(jié)構(gòu)。在上部電極65a和下部電極65b之間，設(shè)置了連接到用于輸入電流的電流源71的電流輸入端子69、以及連接到將絕緣層的電阻值的變化作為電壓值的變化來檢測的電壓計(jì)72的電壓檢測端子70。另外，也可以對(duì)TMR元件施加電壓，檢測流過TMR元件的絕緣層的電流從而檢測絕緣層的電阻值的變化。圖10表示各TMR元件67的更具體的元件構(gòu)造的一例。如圖10所示，具有在基板bl上層置了打底層al、輔助固定層a2、固定促進(jìn)層a3、固定磁層a4 a6、絕緣層a7、自由磁層a8、氧化防止層a9的結(jié)構(gòu)。在固定磁層中，a4是固定層，a5是磁稱合促進(jìn)層，a6是強(qiáng)磁層。自由磁層包括強(qiáng)磁層a8。固定磁層與絕緣層的上面連接且磁化的方向固定。自由磁層與絕緣層的下面連接且受到來自外部的磁通的影響而導(dǎo)致磁化的方向變化。作為基板bl，只要能夠耐于各層的形成則不特別限定材質(zhì)，但優(yōu)選兼具能夠耐于成膜時(shí)和熱處理等的耐熱性和絕緣性。此外，為了防止吸入磁通，優(yōu)選非磁性且表面比較平滑地形成的材質(zhì)。從這樣的觀點(diǎn)來看，例如可使用S1、SiO2等。打底層al是用于調(diào) 整基板的粗細(xì)的層，例如可使用Ta。打底層al的層厚度優(yōu)選設(shè)為2nm IOnm左右。取向輔助層a2用于補(bǔ)償固定促進(jìn)層a3的取向，可使用Ru或坡莫合金。從更加堅(jiān)固地固定固定磁層的觀點(diǎn)來看優(yōu)選Ru。取向輔助層a2的結(jié)晶構(gòu)造例如設(shè)為六角形緊密填充構(gòu)造。取向輔助層a2的層厚度優(yōu)選設(shè)為5nm 20nm左右。固定促進(jìn)層a3是用于促進(jìn)固定層a4的固定的層，適合利用IrMn、鉬錳等反鐵磁性膜。固定促進(jìn)層a3的結(jié)晶構(gòu)造例如設(shè)為面心立方晶。固定促進(jìn)層a3的層厚度優(yōu)選設(shè)為5nm 20nm左右。作為構(gòu)成固定磁層的固定層a4,例如可使用CoFe。Co和Fe的組成比能夠任意設(shè)定，但典型地，可設(shè)為Co:Fe=75:25或者Co:Fe=50:50。固定層a4的結(jié)晶構(gòu)造例如設(shè)為面心立方晶。作為固定層a4的層厚度,優(yōu)選設(shè)為0.5nm 5nm左右。磁耦合促進(jìn)層a5使固定層a4和強(qiáng)磁層a6磁耦合，并且用于將后者從前者的結(jié)晶構(gòu)造中分離，期望利用不具有結(jié)晶構(gòu)造的薄膜層。作為具體的材料的例子可舉出Ru。磁耦合促進(jìn)層a5的層厚度優(yōu)選設(shè)為0.5 Inm左右。作為強(qiáng)磁層a6，可使用各種材質(zhì)，作為代表性的材質(zhì)，可使用從非晶體構(gòu)造中對(duì)Co40Fe40B20進(jìn)行熱處理從而發(fā)現(xiàn)強(qiáng)磁性的材質(zhì)。該層的結(jié)晶構(gòu)造例如是體心立方晶。富Fe的材料例如也可使用Co16Fe64B2(l。強(qiáng)磁層a6的層厚度優(yōu)選為I 10nm。作為絕緣層a7，可利用各種絕緣材料，例如可使用Mg0、A10x等。從提高元件的靈敏度的觀點(diǎn)來看優(yōu)選MgO。絕緣層a7的層厚度期望設(shè)為Inm IOnm左右。作為自由磁層a8,可使用與強(qiáng)磁層a6同樣的材質(zhì),例如Co4ciFe4tlB2tl。自由磁層a8的層厚度優(yōu)選為Inm IOnm左右。也可以將自由磁層a8設(shè)為多層結(jié)構(gòu)。各層例如可以通過磁控濺射法形成。此外，為了獲得所期望的結(jié)晶構(gòu)造等目的，可以根據(jù)需要而施加退火等熱處理。固定磁層和自由磁層的位置也可以與圖示的相反配置。此外，也可以設(shè)為通過兩個(gè)固定磁層分別經(jīng)由絕緣層夾持自由磁層的結(jié)構(gòu)的雙接點(diǎn)構(gòu)造的元件。另外，在本實(shí)施方式中，利用磁控濺射裝置，在SiO2基板上，作為層al而層疊5nm的Ta,作為層a2而層疊IOnm的Ru,作為層a3而層疊IOnm的IrMn,作為層a4而層疊2nm的CoFe,作為層a5而層疊0.85nm的Ru,作為層a6而層疊3nm的Co4ciFe4tlB2tl,作為層a7而層疊2nm的MgO,作為層a8而層疊3nm的Co4ciFe4tlB2tl,作為層a9而層疊5nm的Ta,從而制作了 TMR元件。膜厚度根據(jù)成膜速度和成膜時(shí)間進(jìn)行換算而求得。這樣的TMR元件能夠設(shè)為接近零磁場且適合高靈敏度的生物磁場測量的元件，能夠精密地測量來自生物的磁場。此外，是能夠在常溫下使用的磁傳感器，不需要用于冷卻的冷卻劑并且也不需要用于阻斷來自外部的熱量的侵入的隔熱材料，能夠更輕薄地構(gòu)成傳感器單元。并且，由于能夠更輕 薄地構(gòu)成傳感器單元，因此能夠用人手操作放置以覆在被檢者的測量對(duì)象部位，或者以能夠安裝到被檢者的簡單且靈活的方式來構(gòu)成，甚至，與被檢者的身體的大小或體型無關(guān)地，相對(duì)于被檢部位一定的距離而配置TMR元件從而能夠進(jìn)行準(zhǔn)確的測量。此外，與SQUID相比能夠廉價(jià)地構(gòu)成，并且是低功耗。在各TMR陣列芯片63X，63Y，63Z中，TMR元件67的各自的連接面朝向同一方向。此外，在各TMR陣列芯片63Χ, 63Υ, 63Ζ中，固定磁層的磁化的方向也朝向同一方向。在X軸用TMR陣列芯片63Χ上構(gòu)成的TMR元件67中的固定磁層的磁化方向、在Y軸用TMR陣列芯片63Υ上構(gòu)成的TMR元件67中的固定磁層的磁化方向、在Z軸用TMR陣列芯片63Ζ上構(gòu)成的TMR元件67中的固定磁層的磁化方向相互正交。X軸用TMR陣列芯片63Χ中的TMR元件67的連接面以及Y軸用TMR陣列芯片63Υ中的TMR元件67的連接面相對(duì)于布線基板61平行地配置。Z軸用TMR陣列芯片63Ζ中的TMR元件67的連接面相對(duì)于布線基板61垂直配置。在圖4 (a)中，將Z軸用TMR陣列芯片63Ζ分割成了兩個(gè)，但也可以用一個(gè)芯片來構(gòu)成它。這樣，TMR元件不需要冷卻機(jī)構(gòu)并且能夠減小磁傳感器之間的距離，因此配置的自由度高，能夠配置磁傳感器以便測量不同方向的磁場，從而能夠進(jìn)行3軸方向的測量。因此，不僅能夠測量基于以往的SQUID傳感器的磁場測量中的生物表面的垂直方向等從生物發(fā)出的磁場的一個(gè)軸方向的磁力，還能夠測量作為生物表面的垂直方向的一個(gè)軸以及生物表面在平面內(nèi)方向的相互正交的兩個(gè)軸等的三個(gè)軸方向的磁力，從而開啟獲得更多的磁場信息而用于診斷的可能性。已知從人體發(fā)出的磁通中有各種朝向的磁通，能夠獲得有關(guān)在SQUID傳感器中無法測量的各種朝向的磁場的信息。如圖11所示，傳感器單元4通過能夠相對(duì)于人的頭部進(jìn)行裝卸且支承傳感器平板41的安裝支承體45—體地構(gòu)成。作為安裝支承體45，由纖維和樹脂等撓性材料組成，例如圖11所示那樣設(shè)置露眼孔45a，可適用覆蓋頭部以及臉頰部的滑雪帽類型。這時(shí)，除了頭部以外，能夠測量從臉頰部發(fā)出的腦磁場。也可以實(shí)施不設(shè)置露眼孔45a而將眼睛的部分也包含在內(nèi)而覆蓋頭部以及臉頰部的方式。沿著安裝支承體45并排搭載了多個(gè)傳感器平板41。由此，將傳感器單元4的覆蓋人的頭部的面作為公共的面(在圖11的情況下，安裝支承體45的內(nèi)面)，多個(gè)磁傳感器分布在公共的面上。并且，如圖11所示那樣將安裝支承體45的內(nèi)面沿著人體頭部的表面而放置，從而傳感器單元4包住人的頭部而被安裝，在人的頭部的表面上順著上述公共的面，從而相對(duì)于人的頭部的表面靠近配置多個(gè)TMR元件67，多個(gè)磁傳感器分布在人的頭部的表面上。另外，在本實(shí)施方式中，作為安裝支承體，采用了包住人的頭部而被安裝的支承體，以便支承多個(gè)傳感器平板，并且它們沿著人體頭部的表面配置，但不限于此，也可以在各傳感器平板上設(shè)置吸盤或粘結(jié)層等的支承構(gòu)件，將各傳感器平板貼到生物頭部。如上所述那樣將傳感器單元4安裝到生物磁場的頭部的狀態(tài)下執(zhí)行以下測量。首先，對(duì)由生物磁場測量裝置I以及運(yùn)算裝置2組成的系統(tǒng)100整體接通電源，各TMR陣列68中也從電流輸入端子69被輸入電流。受到從人的頭部發(fā)出的磁通的影響，TMR陣列68中的各TMR元件67中，自由磁層的磁化方向變化。由此，按照固定磁層的磁化反向和自由磁層的磁化反向的角度差，根據(jù)隧道效應(yīng)導(dǎo)致絕緣層的電阻變化。因此，TMR陣列68的電壓檢測端子70之間的電壓變化，這成為與TMR陣列68的電阻的變化相應(yīng)的輸出信號(hào)。這里，單一的TMR元件67的電阻的變化原因不僅是磁通而存在各種原因，表現(xiàn)為熱噪聲、散射噪聲等噪聲。但是，TMR陣列68的電阻的變化成為減少了這些噪聲的值，TMR陣列68的輸出信號(hào)成為與磁通的變化相應(yīng)的可靠性高的值。其理論證明記載在非專利文獻(xiàn)1、2中。接著，通過操作者對(duì)運(yùn)算裝置2輸入測量執(zhí)行命令。

運(yùn)算裝置2將測量執(zhí)行命令送到η個(gè)傳感器平板41。在各傳感器平板41中，控制器42接收測量執(zhí)行命令?？刂破?2接受經(jīng)由放大/變換電路44而數(shù)字化了的各TMR陣列68的輸出信號(hào)，采用將它們鏈接到各TMR陣列68的地址信息以及確定X，Y, Z方向的信息的規(guī)定的格式，作為生物磁場測量信息而送到運(yùn)算裝置2。運(yùn)算裝置2分析來自各控制器42的生物磁場測量信息，運(yùn)算由被檢者的頭部上的位置和磁場的強(qiáng)度方向的組合構(gòu)成的腦磁圖，并化為圖像信息在顯示裝置21上顯示輸出。此外，運(yùn)算裝置2生成將生物磁場測量信息的圖像的位置與被檢者的頭部的MRI圖像或頭部外形的三維掃描圖像等的位置對(duì)齊后的合成圖像，并在顯示裝置21上顯示輸出。作為測量執(zhí)行命令，可以設(shè)置一次的測量執(zhí)行命令，也可以設(shè)置測量開始命令和測量結(jié)束命令。在測量開始命令和測量結(jié)束命令之間的期間中，以一定的時(shí)間速率執(zhí)行測量，將實(shí)時(shí)變化的腦磁圖顯示到顯示裝置21是有效的。此外，生物磁場測量信息、腦磁圖信息、為了顯示而生成的圖像信息采用能夠通過運(yùn)算裝置2讀出的方式記錄，能夠在顯示裝置21上顯示或再現(xiàn)。在以上的實(shí)施方式中，將測量對(duì)象設(shè)為人的頭部，但不限于此，也可以將生物的其他部位設(shè)為測量對(duì)象，例如也可以將人的胸部作為測量對(duì)象而取得胸磁圖。在以上的實(shí)施方式中，通過設(shè)為檢測生物磁場的3軸方向的結(jié)構(gòu)，與只能實(shí)現(xiàn)對(duì)來自生物表面的垂直方向的產(chǎn)生磁場進(jìn)行測量的SQUID傳感器相比，開啟獲得更多的磁場信息而用于診斷的可能性。但是，不限于此，也可以檢測一個(gè)軸方向或者兩個(gè)軸方向。設(shè)為僅一個(gè)軸方向時(shí)，設(shè)為相對(duì)于生物表面垂直的方向(Ζ軸方向),設(shè)為兩個(gè)軸方向時(shí),優(yōu)選除了相對(duì)于生物表面垂直的方向(Ζ軸方向)之外設(shè)為相對(duì)于生物表面平行的一個(gè)軸方向(X軸或者Y軸)。設(shè)為兩個(gè)軸方向時(shí)，作為磁傳感器，包含固定磁層的磁化方向固定為第I方向的第I隧道磁阻元件陣列和固定磁層的磁化方向固定為與所述第I方向交叉的第2方向的第2隧道磁阻元件陣列即可。工業(yè)上的可利用性本發(fā)明能夠利用于測量從生物發(fā)出的磁場并獲得腦磁圖、心磁圖等磁場信息。標(biāo)號(hào)說明I 生物磁場測量裝置2 運(yùn)算裝置3 接口4 傳感器單元5 電纜6 TMR陣列模塊(磁傳感器)21 顯示裝置41 傳感器平板(傳感器集合體)42 控制器44 放大/變換電路45 安裝支承體51 電源線52 信號(hào)線61 布線基板61a 連接端子部61b 連接端子62 TMR陣列層疊部63 TMR陣列芯片(磁傳感器)64 粘結(jié)層65a 上部電極65b 下部電極67 TMR 元件68 TMR 陣列69 電流輸入端子70 電壓檢測端子100 生物磁場測量系統(tǒng)
權(quán)利要求
1.一種生物磁場測量裝置，具備包含隧道磁阻元件的磁傳感器、以及保持所述磁傳感器使得所述隧道磁阻元件與生物對(duì)置的保持部件，其中，所述隧道磁阻元件具有磁化方向被固定的固定磁層、受到來自外部的磁通的影響而導(dǎo)致磁化方向變化的自由磁層、以及在所述固定磁層以及所述自由磁層之間配置的絕緣層，該隧道磁阻元件按照所述固定磁層的磁化方向和所述自由磁層的磁化方向的角度差并且根據(jù)隧道效應(yīng)來改變所述絕緣層的電阻，所述磁傳感器輸出與由于從生物發(fā)出的磁場而變化的所述絕緣層的電阻值相應(yīng)的輸出信號(hào)。
2.如權(quán)利要求1所述的生物磁場測量裝置，其中， 所述磁傳感器具有多個(gè)所述隧道磁阻元件格子排列的隧道磁阻元件陣列，從對(duì)于多個(gè)所述隧道磁阻元件設(shè)置的公共的輸出端子輸出所述輸出信號(hào)。
3.如權(quán)利要求2所述的生物磁場測量裝置，其中， 多個(gè)所述隧道磁阻元件的各自的所述固定磁層和所述絕緣層的連接面和/或所述自由磁層和所述絕緣層的連接面被配置在公共的平面上。
4.如權(quán)利要求2或3所述的生物磁場測量裝置，其中， 所述公共的平面是沿著相對(duì)于生物的測量對(duì)象部位垂直的方向的平面。
5.如權(quán)利要求1 4的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量裝置，其中， 所述磁傳感器包含所述固定磁層的磁化方向被固定為第I方向的第I隧道磁阻元件陣列、以及所述固定磁層的磁化方向被固定為與所述第I方向交叉的第2方向的第2隧道磁阻元件陣列。
6.如權(quán)利要求5所述 的生物磁場測量裝置，其中， 所述磁傳感器包含所述固定磁層的磁化方向被固定為與所述第I方向以及所述第2方向正交的第3方向的第3隧道磁阻元件陣列。
7.如權(quán)利要求1 6的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量裝置，其中， 具有包括了多個(gè)所述磁傳感器的傳感器集合體。
8.如權(quán)利要求7所述的生物磁場測量裝置，其中， 具有多個(gè)所述傳感器集合體。
9.一種生物磁場測量系統(tǒng)，包括權(quán)利要求1 8的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量裝置、以及基于所述輸出信號(hào)運(yùn)算腦磁圖的運(yùn)算裝置。
10.一種生物磁場測量方法，使包含隧道磁阻元件的磁傳感器與生物對(duì)置保持，其中，所述隧道磁阻元件具有磁化方向被固定的固定磁層、受到來自外部的磁通的影響而導(dǎo)致磁化方向變化的自由磁層、以及在所述固定磁層以及所述自由磁層之間配置的絕緣層，該隧道磁阻元件按照所述固定磁層的磁化方向和所述自由磁層的磁化方向的角度差并且根據(jù)隧道效應(yīng)來改變所述絕緣層的電阻，所述生物磁場測量方法基于與由于從生物發(fā)出的磁場而變化的所述絕緣層的電阻值相應(yīng)的來自所述磁傳感器的輸出信號(hào)，測量生物磁場。
11.如權(quán)利要求10所述的生物磁場測量方法，其中， 所述磁傳感器具有多個(gè)所述隧道磁阻元件格子排列的隧道磁阻元件陣列，基于來自該隧道磁阻元件陣列的輸出信號(hào)來測量生物磁場。
12.如權(quán)利要求10或11所述的生物磁場測量方法，其中， 所述磁傳感器針對(duì)向與生物的測量對(duì)象部位垂直的方向發(fā)出的磁場輸出輸出信號(hào)。
13.如權(quán)利要求10 12的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量方法，其中，所述磁傳感器針對(duì)從生物發(fā)出的相互正交的兩個(gè)軸方向的磁場輸出輸出信號(hào)。
14.如權(quán)利要求10 13的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量方法，其中，所述磁傳感器針對(duì)從生物發(fā)出的相互正交的三個(gè)軸方向的磁場輸出輸出信號(hào)。
15.如權(quán)利要求10 14的任一項(xiàng)所述的生物磁場測量方法，其中，包括多個(gè)所 述磁傳感器。
全文摘要
提供一種通過能夠在常溫下使用的磁傳感器高精度地測量生物磁場的生物磁場測量裝置、生物磁場測量系統(tǒng)以及生物磁場測量方法。在本實(shí)施方式中，基于與隧道磁阻元件(TMR元件67)的電阻的變化相應(yīng)的輸出信號(hào)，測量生物磁場。輸出單一的輸出信號(hào)的磁傳感器由在輸入輸出電極之間格子配列TMR元件而組成的TMR陣列(68)構(gòu)成。將各磁傳感器配置在一個(gè)軸或者互相正交的兩個(gè)軸或者三個(gè)軸方向，靠近人體的表面的一部分(例如頭部)，從而使多個(gè)磁傳感器分布在該人體的表面的一部分的基礎(chǔ)上，獲得來自多個(gè)磁傳感器的輸出信號(hào)，基于這些輸出信號(hào)測量從該人體的表面的一部分發(fā)出的生物磁場。
文檔編號(hào)A61B5/05GK103188992SQ20118004319
公開日2013年7月3日 申請(qǐng)日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者西川卓男, 安藤康夫 申請(qǐng)人:柯尼卡美能達(dá)先進(jìn)多層薄膜株式會(huì)社, 國立大學(xué)法人 東北大學(xué)