JP5540326B2 - Current sensor - Google Patents
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Description
本発明は、電流の大きさを測定する電流センサに関し、例えば、磁気抵抗効果素子(TMR素子、GMR素子)を備えた電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor that measures the magnitude of a current, for example, a current sensor that includes a magnetoresistive element (TMR element, GMR element).
従来、電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では、モータの駆動電流を非接触で測定することが可能な電流センサが求められている。このような電流センサとして、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する磁気抵抗効果素子が備えたものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 2. Description of the Related Art Conventionally, in a field such as a motor driving technique in an electric vehicle or a hybrid car, a current sensor capable of measuring a motor driving current in a non-contact manner is required. As such a current sensor, a sensor having a magnetoresistive effect element that outputs an output signal by an induced magnetic field from a current to be measured has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1記載の電流センサは、4つの磁気抵抗効果素子で構成されるホイートストンブリッジ回路を備える。このホイートストンブリッジ回路においては、互いに逆相の出力信号が得られるように構成された二対の磁気抵抗効果素子からの出力信号により被測定電流を測定する。
The current sensor described in
ところで、特許文献1記載の電流センサにおいては、被測定電流の測定にホイートストンブリッジ回路を用いることから、二対の磁気抵抗効果素子から互いに異なる信号強度の出力信号を得る必要がある。このため、特許文献1記載の電流センサにおいては、被測定電流からの誘導磁界の印加方向に対して、二対の磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向を異なる方向に固定することにより、二対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号を逆相とすることで、被測定電流の測定を可能としている。
By the way, in the current sensor described in
しかしながら、特許文献1記載の電流センサにおいては、二対の磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が互いに異なるため、二対の磁気抵抗効果素子に外乱ノイズが作用した外乱ノイズ成分の影響で測定精度が低下する問題がある。また、磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向の固定するため、強磁性固定層と反強磁性層との間の交換結合磁界を用いることから、動作可能温度が制限されると共に、製造工程において、磁場中の高温アニール処理が必要となるので、製造コストが増大する問題がある。
However, in the current sensor described in
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高温での動作安定性に優れ、測定精度が高い電流センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a point, and an object thereof is to provide a current sensor that is excellent in operational stability at high temperatures and has high measurement accuracy.
本発明の電流センサは、一方向に延在する導電体と、前記導電体の延在方向に沿って並設され前記導電体を通流する被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する少なくとも二対の磁気抵抗効果素子とを具備し、前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、及び外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層を含む積層構造を有し、前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第1の強磁性膜と第2の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記少なくとも二対の磁気抵抗効果素子は、前記導電体の第1区間に沿って配設される一対の磁気抵抗効果素子と、前記導電体の第2区間に沿って配設される他の一対の磁気抵抗効果素子と、を含み、前記一対の磁気抵抗効果素子と前記他の一対の磁気抵抗効果素子とは、前記誘導磁界が互いに異なる強度で印加され、又は前記誘導磁界が互いに異なる方向から印加されるように配設されたことを特徴とする。 The current sensor of the present invention outputs an output signal by a conductor extending in one direction and an induced magnetic field from a current to be measured that is arranged in parallel along the extending direction of the conductor and flows through the conductor. At least two pairs of magnetoresistive elements, wherein the magnetoresistive element includes a ferromagnetic pinned layer whose magnetization direction is fixed, a nonmagnetic intermediate layer, and a free magnetic layer whose magnetization direction varies with respect to an external magnetic field And the ferromagnetic pinned layer is a self-pinning type in which the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film are antiferromagnetically coupled via an antiparallel coupling film. The at least two pairs of magnetoresistive elements are a pair of magnetoresistive elements disposed along the first section of the conductor and the other disposed along the second section of the conductor. A pair of magnetoresistive effect elements, and the pair of magnetoresistive effects The child and the other pair of the magnetoresistive element, the inductive magnetic field is applied to each other with different intensity, or wherein the induction magnetic field is arranged to be applied from different directions.
この構成によれば、被測定電流からの誘導磁界により一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが互いに異なる信号強度となるので、一対の磁気抵抗効果素子の出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子の出力信号と、の差動出力を得ることにより、出力信号の外乱ノイズ成分を低減でき、測定精度が高い電流センサを実現できる。また、一方向に延在する導電体に被測定電流を通流するので、電流センサの小型化が可能となると共に、被測定電流からの誘導磁界の干渉を低減できるので電流センサの測定精度が更に向上する。さらに、被測定電流が通流する際の導電体の抵抗を小さくできるので、電流センサの測定範囲を拡大することが可能となる。また、セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子を用いることから、反強磁性層を用いずに固定磁性層の磁化方向を固定できるので、高温での動作安定性に優れる電流センサを実現できる。 According to this configuration, the output signals output from the pair of magnetoresistive effect elements by the induced magnetic field from the current to be measured and the output signals output from the other pair of magnetoresistive effect elements have different signal intensities. Therefore, by obtaining the differential output between the output signals of a pair of magnetoresistive elements and the output signals of the other pair of magnetoresistive elements, the disturbance noise component of the output signals can be reduced, and the current with high measurement accuracy. A sensor can be realized. In addition, since the current to be measured flows through a conductor extending in one direction, the current sensor can be miniaturized and the interference of the induced magnetic field from the current to be measured can be reduced, so that the measurement accuracy of the current sensor is improved. Further improvement. Furthermore, since the resistance of the conductor when the current to be measured flows can be reduced, the measurement range of the current sensor can be expanded. In addition, since the self-pinned magnetoresistive element is used, the magnetization direction of the pinned magnetic layer can be fixed without using an antiferromagnetic layer, so that a current sensor having excellent operational stability at high temperatures can be realized.
本発明の電流センサにおいては、前記一対の磁気抵抗効果素子を含む第1のハーフブリッジ回路と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子を含む第2のハーフブリッジ回路とを具備し、前記第1のハーフブリッジ回路の各磁気抵抗効果素子における前記強磁性固定層の磁化方向と、前記第2のハーフブリッジ回路の各磁気抵抗効果素子における前記強磁性固定層の磁化方向と、が互いに同一であることが好ましい。この構成により、第1のハーフブリッジ回路から出力される出力信号中の外乱ノイズ成分と、第2のハーフブリッジ回路から出力される出力信号中の外乱ノイズ成分とが等しくなる。このため、二対の磁気抵抗効果素子の差動出力を得ることにより、外乱ノイズ成分を相殺でき、測定精度を更に向上できる。 The current sensor of the present invention includes a first half-bridge circuit including the pair of magnetoresistive elements and a second half-bridge circuit including the other pair of magnetoresistive elements. The magnetization direction of the ferromagnetic pinned layer in each magnetoresistive effect element of the half-bridge circuit is the same as the magnetization direction of the ferromagnetic pinned layer in each magnetoresistive effect element of the second half-bridge circuit. It is preferable. With this configuration, the disturbance noise component in the output signal output from the first half-bridge circuit is equal to the disturbance noise component in the output signal output from the second half-bridge circuit. For this reason, by obtaining the differential outputs of the two pairs of magnetoresistive elements, disturbance noise components can be canceled out, and the measurement accuracy can be further improved.
本発明の電流センサにおいては、前記一対の磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層の磁化方向が互いに反平行であり、前記他の一対の磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層の磁化方向が互いに反平行であることが好ましい。この構成により、一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが逆相となる。このため、二対の磁気抵抗効果素子の差動出力を得ることにより、誘導磁界により出力された出力信号が加算されるので、電流センサの検出感度を向上できる。なお、反平行とは、互いに180°異なる方向であって、逆方向のことをいう。 In the current sensor of the present invention, the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers of the pair of magnetoresistive effect elements are antiparallel to each other, and the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers of the other pair of magnetoresistive effect elements are It is preferable that they are antiparallel to each other. With this configuration, the output signals output from the pair of magnetoresistive effect elements and the output signals output from the other pair of magnetoresistive effect elements are in opposite phases. For this reason, by obtaining the differential outputs of the two pairs of magnetoresistive elements, the output signals output by the induced magnetic field are added, so that the detection sensitivity of the current sensor can be improved. Note that antiparallel means directions that are 180 ° different from each other and are opposite to each other.
本発明の電流センサにおいては、前記導電体は、前記第1区間の前記延在方向に対する垂直断面における断面積と、前記第2区間の前記延在方向に対する垂直断面における断面積と、が異なることが好ましい。この構成により、一対の磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界と他の一対の磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界とが異なる磁界強度となるので、誘導磁界により一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが異なる信号強度となる。このため、一対の磁気抵抗効果素子からの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子の出力信号を用いることで、被測定電流の測定が可能となる。 In the current sensor according to the aspect of the invention, the conductor has a cross-sectional area in a vertical section with respect to the extending direction of the first section and a cross-sectional area in a vertical section with respect to the extending direction of the second section are different. Is preferred. With this configuration, the induced magnetic field applied to the pair of magnetoresistive effect elements and the induced magnetic field applied to the other pair of magnetoresistive effect elements have different magnetic field strengths. The output signal output and the output signal output from the other pair of magnetoresistive elements have different signal strengths. For this reason, the measured current can be measured by using the output signals from the pair of magnetoresistive elements and the output signals of the other pair of magnetoresistive elements.
本発明の電流センサにおいては、前記一対の磁気抵抗効果素子と前記導電体の前記第1区間との間の距離と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子と前記導電体の前記第2区間との間の距離と、が異なることが好ましい。この構成により、一対の磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界と他の一対の磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界とが異なる磁界強度となるので、誘導磁界により一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが異なる信号強度となる。このため、一対の磁気抵抗効果素子からの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子の出力信号を用いることで、被測定電流の測定が可能となる。 In the current sensor of the present invention, the distance between the pair of magnetoresistance effect elements and the first section of the conductor, the other pair of magnetoresistance effect elements and the second section of the conductor, It is preferable that the distance between is different. With this configuration, the induced magnetic field applied to the pair of magnetoresistive effect elements and the induced magnetic field applied to the other pair of magnetoresistive effect elements have different magnetic field strengths. The output signal output and the output signal output from the other pair of magnetoresistive elements have different signal strengths. For this reason, the measured current can be measured by using the output signals from the pair of magnetoresistive elements and the output signals of the other pair of magnetoresistive elements.
本発明の電流センサにおいては、前記一対の磁気抵抗効果素子と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子とは、前記誘導磁界が、互いに逆方向から印加されるように配設されたことが好ましい。この構成により、導電体の一方の面側に配設される一対の磁気抵抗効果素子対する誘導磁界の印加方向と、導電体の他方の面側に配設される他の一対の磁気抵抗効果素子に対する誘導磁界の印加方向とが、互いに逆方向となる。このため、一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが異なる信号強度及び逆相となるので、二対の磁気抵抗効果素子の差動出力をとることで、外乱ノイズ成分が除去され、誘導磁界からの出力信号が加算されるので、測定精度が高い電流センサを実現できる。 In the current sensor according to the aspect of the invention, it is preferable that the pair of magnetoresistive elements and the other pair of magnetoresistive elements are arranged so that the induction magnetic fields are applied in opposite directions. . With this configuration, the direction in which the induced magnetic field is applied to the pair of magnetoresistive elements disposed on one surface side of the conductor and the other pair of magnetoresistive elements disposed on the other surface side of the conductor The directions in which the induction magnetic field is applied to are opposite to each other. For this reason, since the output signals output from the pair of magnetoresistive elements and the output signals output from the other pair of magnetoresistive elements have different signal strengths and opposite phases, two pairs of magnetoresistive elements Since the disturbance noise component is removed and the output signal from the induced magnetic field is added, a current sensor with high measurement accuracy can be realized.
本発明によれば、高温での動作安定性に優れ、測定精度が高い電流センサを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a current sensor that has excellent operational stability at high temperatures and high measurement accuracy.
近年、電流センサの更なる小型化及び測定精度の向上が求められている。電流センサの小型化のため、基板上に設けた導電体パターンに被測定電流を引き込んで被測定電流を測定する電流引き込み型の電流センサが検討されている。 In recent years, further miniaturization of current sensors and improvement of measurement accuracy have been demanded. In order to reduce the size of the current sensor, a current drawing type current sensor that draws a current to be measured into a conductor pattern provided on a substrate and measures the current to be measured has been studied.
図1に電流引き込み型電流センサの一例を示す。かかる電流センサ100は、基板101上に設けられた平面視U字形状の導電体102と、この導電体102の一端部に設けられたGMR素子103a、103b、及び他端部に設けられたGMR素子103c、103dとを備える。4つのGMR素子103a〜103dは、強磁性固定層の磁化方向が同一方向(図1の矢印参照)に揃えられており、磁界検出ブリッジ回路を構成している。この電流引き込み型電流センサ100においては、U字形状の導電体102の一端部及び他端部において、互いに逆方向から印加される誘導磁界を4つのGMR素子103a〜103dを介して検出する。
FIG. 1 shows an example of a current draw type current sensor. The
電流引き込み型電流センサ100においては、磁界検出ブリッジ回路を介して被測定電流を測定するため、導電体102の一端部における一対のGMR素子103a、103bから出力される出力信号と、導電体102の他端部における他の一対のGMR素子103c、103dから出力される出力信号と、を互いに異なる信号強度とする必要がある。このため、上記電流引き込み型電流センサ100においては、導電体102をU字形状とし、導電体102の一端部から他端部に被測定電流を通流することにより、導電体102の一端部における被測定電流の通流方向と、他端部における被測定電流の通流方向とが互いに逆方向となるようにする。これにより、一対のGMR素子103a、103bに対する誘導磁界の印加方向と、他の一対のGMR素子103c、103dに対する誘導磁界の印加方向と、が互いに逆方向となるので、一対のGMR素子103a、103bから出力される出力信号と、他の一対のGMR素子103c、103dから出力される出力信号と、が異なる信号強度となり、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
In the current pull-in type
また、上記電流引き込み型電流センサ100においては、4つのGMR素子103a〜103dの強磁性固定層の磁化方向を同一方向に揃えているので、各GMR素子103a〜103dの感度軸に対して同一方向から外乱ノイズが作用する。このため、一対のGMR素子103a、103bから出力される出力信号と、他の一対のGMR素子103c、103dから出力される出力信号との差分値をとることにより、外乱ノイズの影響をキャンセルすることが可能となる。
In the current pull-in type
一方で、上記電流引き込み型の電流センサ100においては、一対のGMR素子103a、103bから出力される出力信号と、及び他の一対のGMR素子103c、103dから出力される出力信号と、を互いに異なる信号強度とするため、導電体102をU字形状に形成する必要があり、電流センサ100の小型化が制限される問題がある。また、U字形状に湾曲した導電体102に被測定電流を通流するため、誘導磁界に干渉が生じて測定精度が低下すると共に、導電体102の抵抗が増大して被測定電流の損失や発熱が生じるため、被測定電流の測定範囲が制限される問題があった。
On the other hand, in the current draw type
本発明者らは、磁気抵抗効果素子に印加される被測定電流からの誘導磁界の磁界強度、及び誘導磁界の印加方向に着目した。電流引き込み型の電流センサにおいては、一対の磁気抵抗効果素子と、他の一対の磁気抵抗効果素子と、から異なる信号強度の出力信号を得ることができれば、一方向に延在する導電体を用いた場合においても、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。 The present inventors paid attention to the magnetic field strength of the induced magnetic field from the current to be measured applied to the magnetoresistive effect element and the application direction of the induced magnetic field. In a current pull-in type current sensor, a conductor extending in one direction is used if an output signal with different signal strength can be obtained from a pair of magnetoresistive elements and another pair of magnetoresistive elements. Even in such a case, the current to be measured can be measured by the magnetic field detection bridge circuit.
また、本発明者らは、反強磁性層を用いずに強磁性固定層の磁化方向を固定できるセルフピン止め型の磁気抵抗効果素子に着目した。ここで、セルフピン止め型の構造とは、後述する図6に示すように、強磁性固定層32と、非磁性中間層36と、フリー磁性層37とを含む積層構造を有し、強磁性固定層32の下に反強磁性層を持たない構造をいう。強磁性固定層32は、第1の強磁性膜33と、反平行結合膜34と、第2の強磁性膜35とを含み、第2の強磁性膜35が、非磁性中間層36と面している。セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子を電流引き込み型の電流センサに用いることにより、基板上に設ける複数の磁気抵抗効果素子の強磁性固定層32の磁化方向Xを任意の方向に固定することが可能となる。
In addition, the present inventors have paid attention to a self-pinned magnetoresistive element that can fix the magnetization direction of the ferromagnetic fixed layer without using an antiferromagnetic layer. Here, the self-pinned structure has a laminated structure including a ferromagnetic pinned
本発明者らは、一方向に延在する導電体の延在方向に沿って少なくとも二対の磁気抵抗効果素子を並設した場合においても、一対の磁気抵抗効果素子及び他の一対の磁気抵抗効果素子を誘導磁界が互いに異なる強度で印加され、又は誘導磁界が互いに異なる方向から印加されるように配設することにより、一対の磁気抵抗効果素子及び他の一対の磁気抵抗効果素子から互いに異なる信号強度の出力信号が得られることを見出した。これにより、一対の磁気抵抗効果素子からの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子からの出力信号と、を用いた磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。このような構成は、被測定電流を基板上の導電体に引き込む電流引き込み型の電流センサにおいて、少なくとも二対のセルフピン止め型の磁気抵抗効果素子を用いることで実現することができる。 In the case where at least two pairs of magnetoresistive effect elements are juxtaposed along the extending direction of the conductor extending in one direction, the present inventors also have a pair of magnetoresistive effect elements and another pair of magnetoresistive elements. By disposing the effect elements so that the induction magnetic fields are applied with different intensities, or the induction magnetic fields are applied from different directions, the pair of magnetoresistance effect elements and the other pair of magnetoresistance effect elements are different from each other. It has been found that an output signal of signal strength can be obtained. This makes it possible to measure the current to be measured by the magnetic field detection bridge circuit using the output signals from the pair of magnetoresistive elements and the output signals from the other pair of magnetoresistive elements. Such a configuration can be realized by using at least two pairs of self-pinning type magnetoresistive effect elements in a current drawing type current sensor that draws a current to be measured into a conductor on a substrate.
さらに、本発明者らは、電流引き込み型の電流センサにおいて、一方向に延在する導電体を用いることにより、基板の大きさを低減でき電流センサの小型化が可能となること、誘導磁界の干渉を低減でき測定精度を向上できること、及び外部磁界に対する誘導起電力を抑制できること、などを見出し、本発明を完成するに至った。 Furthermore, the present inventors can reduce the size of the substrate and reduce the size of the current sensor by using a conductor extending in one direction in the current-drawing type current sensor. The inventors have found that interference can be reduced and measurement accuracy can be improved, and that induced electromotive force against an external magnetic field can be suppressed, and the present invention has been completed.
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
(第1の実施の形態)
図2は、本発明の第1の実施の形態に係る電流センサ1の平面模式図である。図2に示すように、本実施の形態に係る電流センサ1は、基板11と、この基板11上に並設され被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する4つの磁気抵抗効果素子12a〜12dと、絶縁層を介して磁気抵抗効果素子12a〜12d上に積層される導電体13とを備える。導電体13は、基板11上に並設される磁気抵抗効果素子12a〜12dに沿って一方向に延在するように設けられており、両端部に外部から被測定電流を引き込む電極パッド13a、13bが設けられている。本実施の形態に係る電流センサ1においては、電極パッド13a、13bを介して外部から引き込まれ導電体13を一方向に通流する被測定電流を、4つの磁気抵抗効果素子12a〜12dを含んでなる磁界検出ブリッジ回路により測定する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
(First embodiment)
FIG. 2 is a schematic plan view of the
導電体13は、延在方向D1において、当該延在方向D1に対して直交する高さ方向D3に沿う垂直断面の断面積が互いに異なる第1区間S1と第2区間S2とを有する。本実施の形態においては、延在方向D1における電極パッド13a側の幅寸法L1が、電極パッド13b側の幅寸法L2に対して相対的に大きくなるように導電体13を設けることで、導電体13の電極パッド13a側を相対的に断面積が大きい第1区間S1とし、電極パッド13b側を相対的に断面積が小さい第2区間S2としている。
In the extending direction D1, the
磁気抵抗効果素子12a〜12dは、導電体13の延在方向D1に沿って導電体13と重畳するように配設される。本実施の形態においては、磁気抵抗効果素子12a〜12dは、同一平面内に配設され(図5参照)、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bが、導電体13の第1区間S1に沿って配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dが、導電体13の第2区間S2に沿って配設される。なお、磁気抵抗効果素子12a〜12dは、被測定電流からの誘導磁界により、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号とが互いに異なる信号強度となる配置であれば、必ずしも同一平面内に配設する必要はない。
The
磁気抵抗効果素子12a〜12dは、一対の磁気抵抗効果12a、12bの感度軸(Pin方向)と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dの感度軸(Pin方向)とが互いに反平行(180°異なる方向)となるように配設される。また、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bは、当該磁気抵抗効果素子12a、12bの感度軸(Pin方向)が互いに反平行(180°異なる方向)となるように配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dは、当該磁気抵抗効果素子12c、12dの感度軸(Pin方向)が互いに反平行(180°異なる方向)となるように配設される。なお、図2において、磁気抵抗効果素子12a〜12dに付された矢印は、磁気抵抗効果素子12a〜12dの第2の強磁性膜35(図1において不図示、図6参照)の磁化方向を表している。各磁気抵抗効果素子12a〜12dの両端部には、磁気抵抗効果素子12a〜12dのフリー磁性層37(図1において不図示、図6参照)にバイアス磁界を印加するハードバイアス層14(図1において不図示、図5参照)が設けられている。なお、ハードバイアス層14は、必ずしも設ける必要はない。
In the
磁気抵抗効果素子12a〜12dとしては、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン(ストライプ)が折り返してなる形状(ミアンダ形状)を有するGMR素子であることが好ましい。
The
次に、図2に示す電流センサ1の磁界検出ブリッジ回路の接続について説明する。磁気抵抗効果素子12bの一方の端子、及び磁気抵抗効果素子12cの一方の端子にはそれぞれ電源電位(Vdd)が与えられており、磁気抵抗効果素子12aの一方の端子、及び磁気抵抗効果素子12dの一方の端子にはそれぞれ接地電位(GND1、GND2)が与えられている。また、磁気抵抗効果素子12aの他方の端子、及び磁気抵抗効果素子12bの他方の端子がそれぞれ接続されて第一の出力(Out1)となっており、磁気抵抗効果素子12cの他方の端子、及び磁気抵抗効果素子12cの他方の端子がそれぞれ接続されて第二の出力(Out2)となっている。
Next, connection of the magnetic field detection bridge circuit of the
磁気抵抗効果素子12a〜12dは、被測定電流からの誘導磁界が印加されることで抵抗値が変化するという特性を備えているため、被測定電流からの誘導磁界に応じて第一の出力(Out1)と第二の出力(Out2)が変化する。第一の出力(Out1)と第二の出力(Out2)との電位差は誘導磁界に比例し、当該電位差(電圧)が電流センサ1の出力となる。
Since the
図3は、本実施の形態に係る電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す模式図である。本実施の形態に係る電流センサ1においては、図3に示すように、中点電位(Out1)を出力する2つの磁気抵抗効果素子12a、12bの強磁性固定層32の磁化方向(第2の強磁性膜の磁化方向:Pin2)が互いに180°異なっており(反平行)、中点電位(Out2)を出力する2つの磁気抵抗効果素子12c、12dの強磁性固定層32の磁化方向(第2の強磁性膜の磁化方向:Pin2)が互いに180°異なっている(反平行)。また、4つの磁気抵抗効果素子12a〜12dの抵抗変化率は同じである。磁気抵抗効果素子12a〜12dは、強磁性固定層32に対する印加磁界の角度が同一である場合、同一磁界強度で同一の抵抗変化率を示すことが好ましい。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a magnetic detection bridge circuit in the current sensor according to the present embodiment. In the
本実施の形態に係る電流センサ1においては、導電体13の幅寸法L1、L2が異なる区間S1、S2にそれぞれ一対の磁気抵抗効果素子12a、12bと、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dとが設けられ、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bにより第1のハーフブリッジ回路が構成され、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dにより第2のハーフブリッジ回路が構成される。
In the
図3に示すように、導電体13に被測定電流が通流されると、4つの磁気抵抗効果素子12a〜12dには、それぞれ誘導磁界Aが印加される。ここで、本実施の形態に係る電流センサ1においては、導電体13は、磁気抵抗効果素子12a、12b近傍の第1区間S1における断面積が、磁気抵抗効果素子12c、12d近傍の第2区間S2における導電体13の断面積より大きいので、磁気抵抗効果素子12a、12bに対して相対的に磁界強度の小さい誘導磁界Aが印加される。このため、第1のハーフブリッジ回路を構成する一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、第2のハーフブリッジ回路を構成する他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号と、が異なる信号強度となるので、磁界検出ブリッジ回路により被測定電流の測定が可能となる。
As shown in FIG. 3, when a current to be measured is passed through the
ここで、図4を参照して、磁気抵抗効果素子12a〜12dに誘導磁界が印加された際の出力信号について説明する。図4は、被測定電流の大きさと磁気抵抗効果素子12a〜12dからの出力信号との相関を示す概念図である。同図においては、横軸に誘導磁界の大きさを示し、縦軸に出力信号の大きさを示している。
Here, with reference to FIG. 4, an output signal when an induction magnetic field is applied to the
図4Aに示すように、導電体13の第1区間S1に沿って配設された一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号は、互いに逆相となり、同一強度となる(図4Aの破線参照)。一方、導電体13の第2区間S2に沿って配設された他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号は、互いに逆相となり、同一強度となると共に、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号に対して相対的に大きくなる(図4Aの実線参照)。このため、図4Bに示すように、同じ大きさの被測定電流Iが通流する場合に、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bを含む第1のハーフブリッジ回路からの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dを含む第2のハーフブリッジ回路からの出力信号との間には、信号強度に差が生じる(S3参照)。これにより、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
As shown in FIG. 4A, the output signals output from the pair of
このように、本実施の形態に係る電流センサ1においては、磁気抵抗効果素子12a、12dの強磁性固定層32の磁化方向を同一に揃え、この磁気抵抗効果素子12a、12dの強磁性固定層32の磁化方向に対して、磁気抵抗効果素子12b、12cの強磁性固定層32の磁化方向を反平行方向(180°異なる方向)に揃える。この構成により、誘導磁界Aにより一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号とが逆相になると共に、外乱ノイズBにより一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号とが等しくなる。このため、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bからの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dからの出力信号との差動出力を得ることにより、誘導磁界Aによる出力信号の加算及び外乱ノイズの相殺が可能となるので、測定精度及び検出感度を向上できる。したがって、検出感度及び測定精度が高い電流センサを実現できる。
As described above, in the
次に、電流センサ1の積層構造について詳細に説明する。図5は、図2に示す電流センサ1のV−V線における矢視断面図である。同図に示すように、本実施の形態に係る電流センサ1においては、磁界検出ブリッジ回路(磁気抵抗効果素子12a〜12d)、及び導電体13が同一基板11上に積層されている。
Next, the laminated structure of the
図5に示す電流センサ1においては、基板11上に絶縁層であるシリコン酸化膜21が形成されている。シリコン酸化膜21上には、アルミニウム酸化膜22が形成されている。アルミニウム酸化膜22は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。また、基板11としては、シリコン基板などが用いられる。
In the
アルミニウム酸化膜22上には、磁気抵抗効果素子12a〜12dが配設され、磁界検出ブリッジ回路が形成される。磁気抵抗効果素子12a〜12dとしては、TMR素子(トンネル型磁気抵抗効果素子)、GMR素子(巨大磁気抵抗効果素子)などを用いることができる。磁気抵抗効果素子12a〜12dの両端部には、磁気抵抗効果素子12a〜12dのフリー磁性層37にバイアス磁界を印加するハードバイアス層14が設けられる。
On the
磁気抵抗効果素子12a〜12d及びハードバイアス層14上には、絶縁層23を介して導電体13(被測定電流線)が積層される。導電体13は、下地材料をスパッタリング法などにより成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
On the
導電体13上には、絶縁層24を介して磁気抵抗効果素子12a〜12dへの外乱ノイズを吸収する磁気シールド25が設けられる。また、導電体13の両端部には、電極パッド13a、13bが形成される。電極パッド13a、13bは、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
On the
絶縁層23、24としては、例えば、ポリイミド材料を塗布し、硬化することで形成したポリイミド層などを用いることができる。磁気シールド25を構成する材料としては、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いることができる。
As the insulating
磁気シールド25上には、シリコン酸化膜26が積層される。シリコン酸化膜26は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。
A
絶縁層24及びシリコン酸化膜26の所定の領域(電極パッド13a、13bの形成領域)にはコンタクトホール27が形成され、このコンタクトホール27に電極パッド13a、13bが形成されている。コンタクトホール27の形成には、フォトリソグラフィ及びエッチングなどが用いられる。
A
上記構成を有する電流センサ1は、磁気検出ブリッジ回路が膜構成の同じ4つの磁気抵抗効果素子12a〜12dで構成されているので、素子間におけるゼロ磁場抵抗値(R0)や抵抗温度係数(TCR0)のズレを無くすことができる。このため、環境温度によらず中点電位のばらつきを小さくでき、高精度に電流測定を行うことができる。また、上記構成を有する電流センサ1は、導電体13、磁気シールド25及び磁界検出ブリッジ回路(磁気抵抗効果素子12a〜12d)が同一基板上に積層されてなるので、小型化を図ることができる。さらに、この電流センサ1は、磁気コアを有しない構成であるので、小型化、低コスト化を図ることができる。In the
次に、図6を参照して本実施の形態に係る電流センサ1の積層構造について説明する。図6は、本実施の形態に係る電流センサ1の磁気抵抗効果素子12a〜12dの積層構造を示す断面模式図である。
Next, a laminated structure of the
図6に示すように、磁気抵抗効果素子12a〜12dは、アルミニウム酸化膜22上に積層される。磁気抵抗効果素子12a〜12dは、シード層31、強磁性固定層32(第1の強磁性膜33、反平行結合膜34、及び第2の強磁性膜35)、非磁性中間層36、フリー磁性層37、及び保護層38がこの順に積層されて構成される。
As shown in FIG. 6, the
磁気抵抗効果素子12a〜12dにおいては、反平行結合膜34を介して第1の強磁性膜33と第2の強磁性膜35とを反強磁性的に結合させており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層32(SFP:Synthetic Ferri Pinned層)が構成されている。このように、セルフピン止め型の(Bottom−Spin−Value)の磁気抵抗効果素子12a〜12dを構成することにより、磁気抵抗効果素子12a〜12dの製造工程において、従来の磁気抵抗効果素子において必須である強磁性固定層32の磁化方向の固定のための磁場中アニールが不要となり、フリー磁性層37成膜中に付与したストライプ長手方向D1における誘導磁気異方性を保持できる。これにより、検出対象方向に対してヒステリシスを低減することが可能となる。
In the
この強磁性固定層32において、反平行結合膜34の厚さを0.3nm〜0.45nm、もしくは、0.75nm〜0.95nmにすることにより、第1の強磁性膜33と第2の強磁性膜35との間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
In the ferromagnetic pinned
第1の強磁性膜33の磁化量(Ms・t)と第2の強磁性膜35の磁化量(Ms・t)とは実質的に同じである。すなわち、第1の強磁性膜33と第2の強磁性膜35との間で磁化量の差が実質的にゼロである。このため、強磁性固定層32の実効的な異方性磁界が大きい。したがって、反強磁性材料を用いなくても、強磁性固定層32の磁化安定性を十分に確保できる。これは、第1の強磁性膜33の膜厚をt1とし、第2の強磁性膜35の膜厚をt2とし、両層の単位体積あたりの磁化及び誘導磁気異方性定数をそれぞれMs,Kとすると、SFP層の実効的な異方性磁界が下記関係式(1)で示されるためである。したがって、本実施の形態に係る電流センサ1に用いる磁気抵抗効果素子12a〜12dは、反強磁性層を有しない膜構成を有する。
式(1)
eff Hk=2(K・t1+K・t2)/(Ms・t1−Ms・t2)The magnetization amount (Ms · t) of the first
Formula (1)
eff Hk = 2 (K · t 1 + K · t 2 ) / (Ms · t 1 −Ms · t 2 )
第1の強磁性膜33のキュリー温度(Tc)と第2の強磁性膜35のキュリー温度(Tc)とは、同一である。これにより、高温環境においても第1の強磁性膜33、第2の強磁性35の磁化量(Ms・t)差がゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
The Curie temperature (Tc) of the first
第1の強磁性膜33は、40原子%〜80原子%のFeを含むCoFe合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のCoFe合金が、大きな保磁力を有し、外部磁場に対して磁化を安定に維持できるからである。また、第2の強磁性膜35は、0原子%〜40原子%のFeを含むCoFe合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のCoFe合金が小さな保磁力を有し、第1の強磁性膜33が優先的に磁化する方向に対して反平行方向(180°異なる方向)に磁化し易くなるためである。この結果、上記関係式(1)で示すHkをより大きくすることが可能となる。また、第2の強磁性膜35をこの組成範囲に限定することで、磁気抵抗効果素子12a〜12dの抵抗変化率を大きくすることができる。
The first
第1の強磁性膜33及び第2の強磁性膜35は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場が印加され、成膜後の第1の強磁性膜33及び第2の強磁性膜35に誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、第1の強磁性膜33及び第2の強磁性膜35は、ストライプ幅方向に反平行に磁化することになる。また、第1の強磁性膜33及び第2の強磁性膜35の磁化方向(磁化を固定する方向)は、第1の強磁性膜33の成膜時の磁場印加方向で決まるため、第1の強磁性膜33の成膜時の磁場印加方向を変えることにより、同一基板上に磁化方向が異なる強磁性固定層を持つ複数の磁気抵抗効果素子を形成することが可能である。
A magnetic field is applied to the first
シード層31は、NiFeCrあるいはCrなどで構成される。保護層38は、Tなどで構成される。なお、上記積層構造において、アルミニウム酸化膜22とシード層31との間に、例えば、Ta,Hf,Nb,Zr,Ti,Mo,Wのうち少なくとも1つの元素などの非磁性材料で構成される下地層を設けてもよい。
The
強磁性固定層32の反平行結合膜34は、Ruなどにより構成される。また、フリー磁性層(フリー層)37は、CoFe合金、NiFe合金、CoFeNi合金などの磁性材料で構成される。また、非磁性中間層36は、Cuなどにより構成される。また、フリー磁性層37は、その成膜中にストライプ長手方向D1に磁場が印加され、成膜後のフリー磁性層37には誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子12a〜12dにおいては、ストライプ長手方向D1に直交するストライプ幅方向の外部磁場(被測定電流からの磁場)に対して線形的に抵抗変化し、ヒステリシスを小さくすることができる。このような磁気抵抗効果素子においては、強磁性固定層30、非磁性中間層36及びフリー磁性層37により、スピンバルブ構成を採っている。
The
本実施の形態に係る電流センサ1で用いる磁気抵抗効果素子12a〜12dの膜構成の例としては、例えば、NiFeCr(シード層31:5nm)/Fe70Co30(第1の強磁性膜33:1.65nm)/Ru(反平行結合膜34:0.4nm)/Co90Fe10(第2の強磁性膜35:2nm)/Cu(非磁性中間層36:2.2nm)/Co90Fe10(フリー磁性層37:1nm)/Ni81Fe19(フリー磁性層37:7nm)/Ta(保護層38:5nm)である。As an example of the film configuration of the
次に、本発明の実施の形態に係る電流センサ1の製造方法について説明する。本実施の形態に係る電流センサ1の製造方法においては、まず、アルミニウム酸化膜22上に、反平行結合膜34を介して第1の強磁性膜33と第2の強磁性膜35とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層32と、非磁性中間層36と、フリー磁性層37とを有し、特定方向に磁化方向が固定される磁気抵抗効果素子12a〜12dの第1積層膜を形成し(第1形成工程)、第1積層膜を残存させる領域以外の領域の第1積層膜をアルミニウム酸化膜22から除去し(除去工程)、第1積層膜を除去したアルミニウム酸化膜22上に、反平行結合膜34を介して第1の強磁性膜33と第2の強磁性膜35とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層32と、非磁性中間層36と、フリー磁性層37とを有し、上記特定方向と反平行方向に強磁性固定層32の磁化方向が固定される磁気抵抗効果素子12bの第2積層膜を形成する(第2形成工程)。これにより、強磁性固定層32の磁化方向が異なる磁気抵抗効果素子12a、12bを同一基板11上に近接して設けることができる。また、上記除去工程及び第2形成工程を繰り返して行うことにより、強磁性固定層32の磁化方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子12a〜12dを同一基板11上に近接して設けることができる。
Next, a method for manufacturing the
図7A〜図7C及び図8A〜図8Cは、本実施の形態に係る電流センサ1における磁気抵抗効果素子12a〜12dの製造方法の説明図である。本実施の形態に係る電流センサ1の製造方法においては、磁気抵抗効果素子12a、12dを形成してから、磁気抵抗効果素子12b、12cを形成する。まず、図7Aに示すように、アルミニウム酸化膜22上に、シード層31、第1の強磁性膜33、反平行結合膜34、第2の強磁性膜35、非磁性中間層36、フリー磁性層37、及び保護層38を順次形成する。第1の強磁性膜33及び第2の強磁性膜35の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図7A〜図7Cにおいて、第1の強磁性膜33(Pin1)については、印加磁場方向は紙面奥側から手前側に向かう方向であり、第2の強磁性膜35(Pin2)については、印加磁場方向は紙面手前側から奥側に向かう方向である。ただし、第2の強磁性膜35については、必ずしもこの方向に磁場を印加する必要はない。第1の強磁性膜33と同じ方向でも、無磁場でもよい。これは、反平行結合膜34を介して交換結合が働き、第1の強磁性膜33と反平行方向に必ず磁化方向が決まるからである。この場合、反平行結合膜34の膜厚最適化と第1の強磁性膜33及び第2の強磁性膜35のMs・tの一致が重要となる。また、フリー磁性層37の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
7A to 7C and FIGS. 8A to 8C are explanatory diagrams of a method of manufacturing the
次いで、図7Bに示すように、保護層38上にレジスト層40を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子12a、12dの領域上にレジスト層40を残存させる。次いで、図7Cに示すように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子12b、12cを設ける領域のアルミニウム酸化膜22を露出させる。
Next, as shown in FIG. 7B, a resist
次いで、図8Aに示すように、レジスト層40を除去してから、露出したアルミニウム酸化膜22上に、シード層31、第1の強磁性膜33、反平行結合膜34、第2の強磁性膜35、非磁性中間層36、フリー磁性層37、及び保護層38を順次形成する。第1の強磁性膜33及び第2の強磁性膜35の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図8A〜図8Cにおいて、磁気抵抗効果12a、12dとなる第1の強磁性膜33(Pin1)については、印加磁場方向は紙面奥側から紙面手前側に向かう方向であり、磁気抵抗効果12b、12cとなる第1の強磁性膜33(Pin1)については、印加磁場方向は紙面手前側から紙面奥側に向かう方向である。また、磁気抵抗効果12a、12dとなる第2の強磁性膜35(Pin2)については、印加磁場方向は紙面手前側から紙面奥側に向かう方向であり、磁気抵抗効果12b、12cとなる第2の強磁性膜35(Pin2)については、印加磁場方向は紙面奥側から紙面手前側に向かう方向である。また、フリー磁性層37の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
Next, as shown in FIG. 8A, after removing the resist
次いで、図8Bに示すように、保護層38上にレジスト層40を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子12a、12b、12c、12dの形成領域上にレジスト層40を残存させる。次いで、図8Cに示すように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、図2に示すような配置で、磁気抵抗効果素子12a、12b、12c、12dを形成する。
Next, as shown in FIG. 8B, a resist
このような電流センサの製造方法によれば、磁気抵抗効果素子12a〜12dの作り込みにおいて段差が生じないので、配線形成が容易であり、配線の厚さを厚くしたり、スルーホール形成などの追加の工程が不要となる。このため、感度軸がそれぞれ異なる複数の磁気抵抗効果素子12a〜12dを同一基板11上に近接して設けてなる電流センサを簡易に製造することができる。
According to such a current sensor manufacturing method, there is no step in the formation of the
以上説明したように、上記実施の形態に係る電流センサ1においては、セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子12a〜12dを備えることから、反強磁性層を設けることなく強磁性固定層32の磁化方向を任意の方向に固定できるので、基板上に4つの磁気抵抗効果素子を並設した場合であっても、各磁気抵抗効果素子12a〜12dの強磁性固定層32の磁化方向を任意の方向に固定できる。これにより、一方向に延在する導電体を用いた電流引き込み型の電流センサを実現できるので、湾曲した形状の導電体を用いる場合と比較して被測定電流が導電体13を通流する際の導電体13による抵抗を低減でき、被測定電流の損失及び被測定電流の通流による発熱を抑制できる。さらに、被測定電流からの誘導磁界の方向を揃えることができるので、誘導磁界の干渉及び外乱磁界に対する誘導起電力の発生を抑制することができ、測定範囲が広く、測定精度が高い電流センサを実現できる。
As described above, since the
特に、上記実施の形態においては、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bが、導電体13の相対的に断面積が大きい第1区間S1に沿って配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dが、相対的に断面積が小さい第2区間S2に沿って配設されるので、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bに対して印加される誘導磁界と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dと印加される誘導磁界と、が異なる磁界強度となる。これにより、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号と、が異なる信号強度となるので、固定抵抗素子を用いることなく磁界検出ブリッジ回路により被測定電流の測定が可能となる。
In particular, in the above embodiment, the pair of
また、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bの強磁性固定層32の磁化方向と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dの強磁性固定層32の磁化方向と、を互いに同一方向に固定するので、外乱ノイズにより一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号と、が同相となる。さらに、被測定電流により、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bに印加される誘導磁界と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dに印加される誘導磁界と、が異なる磁界強度となり、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号と、が同相で互いに異なる信号強度となるので、差動出力が発生する。この結果、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dの出力信号との差動出力により被測定電流からの誘導磁界に由来する出力信号が得られると共に、外乱ノイズ成分が相殺されるので、検出感度が高く、しかも測定精度が高い電流センサを実現できる。
Further, the magnetization direction of the ferromagnetic pinned
また、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、固定抵抗素子を用いることなく磁界検出ブリッジ回路を構成できるので、オフセットを低減することができると共に、一方向に延在する導電体を用いても被測定電流を測定することが可能となるので、基板の面積を削減でき、電流センサの小型化及び製造コストの削減が可能となる。また、反強磁性材料を用いずに磁気抵抗効果素子を構成することが可能となるので、高温環境下においても電流センサ1の動作の安定性を確保できると共に、反強磁性材料を用いないことによる材料コストの低減や、磁場中のアニール処理が不要となるので、製造コストの低減が可能となる。
Further, in the current sensor according to the above-described embodiment, the magnetic field detection bridge circuit can be configured without using a fixed resistance element, so that offset can be reduced and a conductor extending in one direction can be used. Since the current to be measured can be measured, the area of the substrate can be reduced, and the current sensor can be downsized and the manufacturing cost can be reduced. In addition, since it is possible to configure the magnetoresistive element without using an antiferromagnetic material, it is possible to ensure the stability of the operation of the
また、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、磁気検出ブリッジ回路が膜構成の同じ4つの磁気抵抗効果素子で構成されているので、素子間におけるゼロ磁場抵抗値(R0)や抵抗温度係数(TCR0)のズレを無くすことができる。このため、環境温度によらず中点電位のばらつきを小さくでき、被測定電流の測定精度を向上できる。In the current sensor according to the above embodiment, since the magnetic detection bridge circuit is composed of four magnetoresistive effect elements having the same film configuration, the zero magnetic field resistance value (R 0 ) and the resistance temperature coefficient between the elements. The deviation of (TCR 0 ) can be eliminated. For this reason, the variation in the midpoint potential can be reduced regardless of the environmental temperature, and the measurement accuracy of the current to be measured can be improved.
なお、上記実施の形態においては、導電体13の電極パッド13a側の領域を第1区間S1として一対の磁気抵抗効果素子12a、12bを配設し、導電体13の電極パッド13b側の領域を第2区間S2として他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dを配設した構成について説明したが、磁気抵抗効果素子12a〜12dの配置は、一対の磁気抵抗効果素子12a、12b及び他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dからそれぞれ異なる信号強度の出力信号が出力される配置であれば適宜変更可能である。例えば、導電体13の延在方向D1における両端部をそれぞれ第1区間S1として一対の磁気抵抗効果素子12a、12bをそれぞれ配設し、当該第1区間S1の間の区間を第2区間S2として、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dを配設してもよい。また、導電体13の延在方向D1において、導電体13の電極パッド13a側から電極パッド13b側に向けて交互に第1区間S1と第2区間S2とを設けて、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bと、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dとを配設してもよい。
In the above embodiment, the pair of
また、上記実施の形態においては、第1区間S1の幅寸法L1と、第2区間S2の幅寸法L2と、を異なる大きさとすることで、互いに異なる断面積の第1区間S1及び第2区間S2を有する導電体13とする構成について説明したが、第1区間S1及び第2区間S2の断面積を異ならせる構成については、一対の磁気抵抗効果素子12a、12b及び他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dからそれぞれ異なる信号強度の出力信号が出力されれば適宜変更可能である。例えば、導電体13の幅寸法L1、L2を同一とし、導電体13の延在方向D1及び幅方向D2に互いに直交する高さ方向D3の寸法(厚み)を異なる大きさとすることで異なる断面積の第1区間S1及び第2区間S2を有する導電体13としてもよい。
Moreover, in the said embodiment, the width dimension L1 of 1st area S1 and the width dimension L2 of 2nd area S2 are made into different magnitude | sizes, and 1st area S1 and 2nd area of mutually different cross-sectional area are set. Although the configuration of the
(第2の実施の形態)
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。以下においては、上記第1の実施の形態に係る電流センサ1との相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。なお、上記第1の実施の形態に係る電流センサ1と同一の構成要素には、同一の符号を付している。(Second Embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the following, differences from the
図9は、本実施の形態に係る電流センサ2の平面模式図であり、図10は、図9X−X線における断面模式図である。本実施の形態に係る電流センサ2において、導電体51は、一方向に延在するように設けられており、均一の幅寸法L1を有している。磁気抵抗効果素子12a〜12dは、導電体51の延在方向D1に沿って並設される。
FIG. 9 is a schematic plan view of the
電流センサ2においては、基板11上の一対の磁気抵抗効果素子12a、12bが配設される電極パッド13a側の領域と、他の一対磁気抵抗効果素子12c、12dが配設される電極パッド13b側の領域とで積層構造が異なる。電流センサ2においては、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bが、第1区間S1において第1平面内(F1参照)に配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dが、第2区間S2において第2平面内(F2参照)に配設される。このため、電流センサ2においては、導電体13の高さ方向D3における一対の磁気抵抗効果素子12a、12bと導電体13との間の距離L3と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dと導電体13との間の距離L4とが互いに異なるので、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bに印加される誘導磁界と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dに印加される誘導磁界と、が異なる磁界強度となる。この結果、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号と、が異なる信号強度となるので、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
In the
電極パッド13a側の領域では、基板11上にシリコン酸化膜21が設けられ、このシリコン酸化膜21上にアルミニウム酸化膜22を介して磁気抵抗効果素子12a、12bが配設される。磁気抵抗効果素子12a、12bの両端部には、磁気抵抗効果素子12a、12bのフリー磁性層37にバイアス磁界を印加するハードバイアス層14が設けられる。磁気抵抗効果素子12a、12b上には、絶縁層23、アルミニウム酸化膜52、絶縁層53、及び導電体51などが積層される。
In the region on the
電極パッド13b側の領域では、基板11上にシリコン酸化膜21、アルミニウム酸化膜22、絶縁層23がこの順で積層され、この絶縁層23上にアルミニウム酸化膜52を介して磁気抵抗効果素子12c、12dが配設される。磁気抵抗効果素子12c、12dの両端部には、磁気抵抗効果素子12c、12dのフリー磁性層37にバイアス磁界を印加するハードバイアス層14が設けられる。磁気抵抗効果素子12a、12b上には、絶縁層53、導電体51などが積層される。その他の積層構造は、第1の実施の形態に係る電流センサ1と同一であるため、説明を省略する。
In the region on the
このように、電流センサ2においては、導電体51の電極パッド13a側の領域と、電極パッド13b側の領域とで異なる積層構造を有し、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bと導電体13との間の距離L3が、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12bと導電体13との間の距離L4に対して大きくなる。この構成により、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bに対して印加される誘導磁界の磁界強度が、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dに対して印加される誘導磁界の磁界強度より相対的に小さくなる。これにより、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号とが異なる信号強度となるので、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
As described above, the
(第3の実施の形態)
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。以下においては、上記第1及び第2の実施の形態に係る電流センサ1、2との相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。なお、上記第1の実施の形態に係る電流センサ1と同一の構成要素には、同一の符号を付している。(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the following, differences from the
図11は、本実施の形態に係る電流センサ3の断面模式図である。本実施の形態に係る電流センサ3において、導電体61は、同一方向に延在する第1及び第2の導電路61a、61bと、この第1の導電路61aと第2の導電路61bと接続する第3の導電路61cとを有する。第1及び第2の導電路61a、61bは、基板11表面に対して平行に延在するように設けられており、導電体61の延在方向D1に直交する高さ方向D3における相対位置が互いに異なるように設けられる。本実施の形態においては、第1の導電路61aが第1区間S1となり、第2の導電路61bが第2区間S2となる。
FIG. 11 is a schematic cross-sectional view of the
本実施の形態においては、導電体61は、基板11表面と第1の導電路61aとの間の距離が、基板11表面と第2の導電路61bとの間の距離より小さくなるように設けられる。第1の導電路61aの一端側には、電極パッド13aが設けられ、第2の導電路61bの他端側には、電極パッド13bが設けられる。第1の導電路61aの他端部と第2の導電路61bの一端部とは、第3の導電路61cにより接続される。
In the present embodiment, the
磁気抵抗効果素子12a〜12dは、導電体61の延在方向に沿って並設されており、同一平面内(F3参照)に配設される。一対の磁気抵抗効果素子12a、12bが、第1の導電路61aに沿って配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dが、第2の導電路61bに沿って配設される。本実施の形態においては、導電体13の延在方向D1に直交する高さ方向D3において、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bと第1の導電体61aとの間の距離L5が、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dと第2の導電路61bとの間の距離L6に対して相対的に小さくなるように配設される。なお、磁気抵抗効果素子12a〜12dは、被測定電流からの誘導磁界により一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号とが異なる信号強度となる配置であれば、同一平面内に配設される構成に限定されない。
The
このように、本実施の形態に係る電流センサ3においては、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bと第1の導電路61aとの間の距離L5が、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dと第2の導電路61bとの間の距離L6より小さくなるので、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bに対して印加される誘導磁界の磁界強度が、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dに対して印加される誘導磁界の磁界強度に対して相対的に大きくなる。これにより、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号とが異なる信号強度となるので、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
Thus, in the
(第4の実施の形態)
次に本発明の第4の実施の形態について説明する。以下においては、上記第1、第2、及び第3の実施の形態に係る電流センサ1、2、3との相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。なお、上記第1、第2、及び第3の実施の形態に係る電流センサ1、2、3と同一の構成要素には、同一の符号を付している。(Fourth embodiment)
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the following, differences from the
図12は、本実施の形態に係る電流センサ4の断面模式図である。本実施の形態に係る電流センサ4においては、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bと、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dとは、被測定電流Iからの誘導磁界の印加方向が、互いに逆方向から印加されるように配設される。本実施の形態においては、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bが、導電体13の電極パッド13a側の第1区間S1において、断面視にて導電体13の延在方向に対する下面側に配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dが、導電体13の電極パッド13b側の第2区間S2において、断面視にて導電体13の延在方向に対する上面側に配設される。この構成により、被測定電流Iが導電体13を電極パッド13a側から電極パッド13b側に通流する際の誘導磁界が、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bに対しては、紙面手前側から紙面奥側に向けて印加され、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dに対しては、紙面奥側から紙面手前に向けて印加される。これにより、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12bから出力される出力信号とが逆相となるので、被測定電流の測定が可能となる。
FIG. 12 is a schematic cross-sectional view of the current sensor 4 according to the present embodiment. In the current sensor 4 according to the present embodiment, the pair of
電極パッド13a側の領域では、基板11上にシリコン酸化膜21が設けられ、このシリコン酸化膜21上にアルミニウム酸化膜22を介して磁気抵抗効果素子12a、12bが配設される。磁気抵抗効果素子12a、12bの両端部には、磁気抵抗効果素子12a、12bのフリー磁性層37にバイアス磁界を印加するハードバイアス層14が設けられる。磁気抵抗効果素子12a、12b上には、絶縁層24、導電体13、絶縁層24、アルミニウム酸化膜52、及びシリコン酸化膜26がこの順で積層される。
In the region on the
電極パッド13b側の領域では、基板11上にシリコン酸化膜21、アルミニウム酸化膜22、絶縁層23、導電体13、及び絶縁層24がこの順で積層され、この絶縁層24上にアルミニウム酸化膜52を介して磁気抵抗効果素子12c、12dが配設される。磁気抵抗効果素子12c、12dの両端部には、磁気抵抗効果素子12c、12dのフリー磁性層37にバイアス磁界を印加するハードバイアス層14が設けられる。磁気抵抗効果素子12c、12d上には、シリコン酸化膜26が積層される。その他の積層構造は、第1、第2、及び第3の実施の形態に係る電流センサ1、2、3と同一であるため、説明を省略する。
In the region on the
このように、本実施の形態に係る電流センサ4においては、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bと、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dとは、被測定電流からの誘導磁界の印加方向が互いに逆方向から印加されるように配設される。この構成により、被測定電流が導電体13を通流する際に生じる誘導磁界が、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bに対しては、紙面手前から紙面奥側に向けて印加され、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dに対しては、紙面奥側から紙面手前側に向けて印加される。このように、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bに対する誘導磁界の印加方向と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dに対する誘導磁界の印加方向とが互いに異なる方向となるので、一対の磁気抵抗効果素子12a、12bから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子12c、12dから出力される出力信号とが異なる信号強度となる。これにより、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の検出が可能となる。
As described above, in the current sensor 4 according to the present embodiment, the pair of
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、「同一」、「平行」、「反平行」、「同相」、「逆相」などの用語については、本発明の効果を発揮する範囲内であれば、完全な「同一」、「平行」、「反平行」、「同相」、「逆相」でなくともよい。また、上記実施の形態において、「反平行」とは、互いに180°異なる方向であって、逆方向のことをいう。さらに、上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, It can change and implement variously. In the above embodiment, terms such as “same”, “parallel”, “antiparallel”, “in-phase”, “reverse phase”, etc., are completely “same” as long as they are within the range in which the effects of the present invention are exhibited. ”,“ Parallel ”,“ antiparallel ”,“ in-phase ”, and“ reverse phase ”. Further, in the above embodiment, “anti-parallel” means directions that are 180 ° different from each other and opposite to each other. Furthermore, in the above-described embodiment, the size, shape, and the like illustrated in the accompanying drawings are not limited thereto, and can be appropriately changed within a range in which the effect of the present invention is exhibited. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the object of the present invention.
本発明は、高温での動作安定性に優れ、測定精度が高い電流センサ実現できるという効果を有し、特に、各種電流センサや、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention has the effect of realizing a current sensor that is excellent in operational stability at high temperatures and has high measurement accuracy. It is possible to apply to.
本出願は、2011年3月2日出願の特願2011−044711に基づく。この内容は、全てここに含めておく。 This application is based on Japanese Patent Application No. 2011-044711 of an application on March 2, 2011. All this content is included here.
Claims (6)
前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、及び外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層を含む積層構造を有し、前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第1の強磁性膜と第2の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、
前記少なくとも二対の磁気抵抗効果素子は、前記導電体の第1区間に沿って配設される一対の磁気抵抗効果素子と、前記導電体の第2区間に沿って配設される他の一対の磁気抵抗効果素子と、を含み、
前記一対の磁気抵抗効果素子と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子とは、前記誘導磁界が互いに異なる強度で印加され、又は前記誘導磁界が互いに異なる方向から印加されるように配設されたことを特徴とする電流センサ。At least two pairs of magnetoresistive effects for outputting an output signal by a conductor extending in one direction and an induced magnetic field from a current to be measured that flows in parallel along the extending direction of the conductor and flows through the conductor Comprising an element,
The magnetoresistive element has a laminated structure including a ferromagnetic fixed layer whose magnetization direction is fixed, a nonmagnetic intermediate layer, and a free magnetic layer whose magnetization direction varies with respect to an external magnetic field. Is a self-pinning type in which the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film are antiferromagnetically coupled via the antiparallel coupling film,
The at least two pairs of magnetoresistive elements are a pair of magnetoresistive elements disposed along the first section of the conductor and another pair disposed along the second section of the conductor. Magnetoresistive effect element, and
The pair of magnetoresistive elements and the other pair of magnetoresistive elements are arranged so that the induced magnetic fields are applied with different strengths or the induced magnetic fields are applied from different directions. A current sensor characterized by that.
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