CN102193022A - 电流传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种对涉及较宽范围的检测对象电流高灵敏度且高精度地进行检测的电流传感器。其具备：GMR元件（11～14），沿着导体相互同向延伸配置，根据流过导体的检测对象电流所产生的感应磁场，各自的电阻值示出变化；补偿电流线（30），通过流过补偿电流，将与感应磁场相反方向的补偿磁场提供给GMR元件（11～14）的每一个。GMR元件（11～14）相互连接而形成桥接电路。补偿电流通过从该桥接电路的中点取出的电位的差分产生。补偿电流线（30）中的带状部分（31～34）与GMR元件（11～14）同向延伸并且在厚度方向上与其分别重合，而且具有分别比GMR元件（11～14）的宽度（W11～W14）小的宽度（W31～34）。

Description

电流传感器
技术领域
本发明涉及能够对流过导体的电流变化高灵敏度地进行感测的小型的电流传感器。
背景技术
一般作为测定用于进行控制设备等的控制的控制电流的方法，有对通过该控制电流产生的电流磁场的梯度进行检测而间接地进行测定的方法。具体地说，例如是如下方法：使用4个表现出巨磁阻效应（Giant Magneto-Resistive effect）的巨磁阻效应元件（以下，称为GMR元件）等磁阻效应元件形成惠斯通电桥，配置在上述电流磁场中，对其梯度进行检测（例如，参照专利文献1）。
这样，通过形成惠斯通电桥，能够将来自外部的噪声（干扰磁场）和环境温度产生的影响抑制到较低。特别是，在4个磁阻效应元件的特性均一的情况下，能够获得更稳定的检测特性。
此外，还公开有通过设置补偿电流线，进一步降低输出电压的起因于环境温度或来自外部的噪声的变化的例子（例如，参照专利文献2）。
进而，近年来由于对更微弱的电流进行检测的必要性正在提高，所以作为磁阻效应元件谋求阻抗大且灵敏度更高的元件。但是，当按这样使用高阻抗且高灵敏度的磁阻效应元件构成惠斯通电桥时，往往容易产生大的偏移输出或使连接电阻的偏差等变大。因此，构成惠斯通电桥的4个磁阻效应元件的平衡调整一般很困难。因此，本申请人之前提出了能够更简便地进行零磁场下的偏移输出调整并能对检测对象电流引起的电流磁场高灵敏度且高精度地进行检测的电流传感器（例如，参照专利文献3）。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第5621377号说明书
专利文献2：美国专利第5933003号说明书
专利文献3：日本专利第4360998号。
本申请人在上述专利文献3中还公开了，通过利用与多个磁阻效应元件中的压降的差分对应的补偿电流，从而更高精度地进行检测对象电流的测定的技术。
然而最近，关于这种电流传感器，除了整体构成的小型化之外还要求高性能化。
发明内容
本发明是鉴于这种问题而做出的，其目的在于提供一种能对涉及较宽范围的检测对象电流高灵敏度且高精度地进行检测的电流传感器。
本发明的第一电流传感器具备：第一至第四磁阻效应元件，沿着导体相互同向延伸配置，根据流过导体的检测对象电流所产生的感应磁场，各自的电阻值示出变化；以及补偿电流线，通过流过补偿电流，将与基于检测对象电流对所述第一至第四磁阻效应元件施加的各感应磁场相反方向的补偿磁场提供给第一至第四磁阻效应元件的每一个，基于补偿电流，对检测对象电流进行检测。在此，第一和第二磁阻效应元件的一端彼此在第一连接点连接，第三和第四磁阻效应元件的一端彼此在第二连接点连接，第一磁阻效应元件的另一端与第四磁阻效应元件的另一端在第三连接点连接，第二磁阻效应元件的另一端与第三磁阻效应元件的另一端在第四连接点连接，由此，形成桥接电路，第一和第三磁阻效应元件的电阻值根据感应磁场相互同向变化，第二和第四磁阻效应元件的电阻值均根据感应磁场与第一和第三磁阻效应元件反向变化。补偿电流是通过在第三连接点与第四连接点之间施加电压时的第一连接点与第二连接点之间的电位差而产生的。补偿电流线包含第一至第四带状部分，该第一至第四带状部分分别与第一至第四磁阻效应元件的延伸方向同向地延伸，并且在厚度方向上与第一至第四磁阻效应元件分别重合，而且具有分别比第一至第四磁阻效应元件小的宽度。
本发明的第二电流传感器具备：第一和第二磁阻效应元件，沿着导体分别配置，根据流过导体的检测对象电流所产生的感应磁场，各自的电阻值示出相互反向的变化，而且相互同向延伸；以及补偿电流线，通过读出电流的供给流过与在第一磁阻效应元件中产生的压降和在第二磁阻效应元件中产生的压降的差分对应的补偿电流，由此，将与基于检测对象电流对第一和第二磁阻效应元件施加的各感应磁场相反方向的补偿磁场提供给第一和第二磁阻效应元件的每一个，基于补偿电流，对检测对象电流进行检测。补偿电流线包含第一和第二带状部分，该第一和第二带状部分分别与第一和第二磁阻效应元件的延伸方向同向地延伸，并且在厚度方向上与第一和第二磁阻效应元件分别重合，而且具有分别比第一和第二磁阻效应元件小的宽度。
由于在本发明的第一和第二电流传感器中，设有补偿电流线，该补偿电流线用于基于通过在第三连接点与第四连接点之间施加电压时的第一连接点与第二连接点之间的电位差所产生的补偿电流，或者基于与在各磁阻效应元件中产生的压降彼此的差分对应的补偿电流，将与各感应磁场相反方向的补偿磁场提供给各磁阻效应元件，所以能够消除起因于磁阻效应元件间的特性偏差、连接电阻的偏差或者温度分布等的输出电压的变化。此外，由于补偿电流线中的各带状部分在厚度方向上与各磁阻效应元件分别重合，而且具有分别比各磁阻效应元件小的宽度，所以会提高补偿磁场中实际降临到各磁阻效应元件的有效磁场的最大强度和平均强度，在此基础上，会增大各磁阻效应元件相对于补偿电流的一定变化量的电阻变化量。
在本发明的第一和第二电流传感器中，优选补偿磁场的强度为能够使第一至第四磁阻效应元件（第一和第二磁阻效应元件）各自包含的自由层的磁化旋转的阈值以上的大小，而且小于自由层的饱和磁场。这是因为能够对各磁阻效应元件更高效地提供补偿磁场。
在本发明第一和第二电流传感器中，优选补偿电流线的第一至第四带状部分（第一和第二带状部分），分别设有多个。这是因为能够对各磁阻效应元件高效地提供在宽度方向具有更均匀的强度的补偿磁场。在这种情况下，可以以在厚度方向上分别夹持第一至第四磁阻效应元件（第一和第二磁阻效应元件）的方式，配置一对第一至第四带状部分（一对第一带状部分和一对第二带状部分）。特别是，一对各带状部分可以在宽度方向上，以各自的中心点夹持各磁阻效应元件的中心点而位于其两侧的方式设置。这是因为能够提供更大的补偿磁场而不会损害均匀性。
此外，在本发明的第二电流传感器中，可以具备对第一和第二磁阻效应元件分别供给相互等值的恒定电流作为读出电流的第一和第二恒流源。在这种情况下，构成为：第一和第二磁阻效应元件其一端彼此在第一连接点连接，第一和第二恒流源其一端彼此在第二连接点连接，第一磁阻效应元件的另一端与第一恒流源的另一端在第三连接点连接，第二磁阻效应元件的另一端与第二恒流源的另一端在第四连接点连接，基于在第一连接点与第二连接点之间施加电压时的第三连接点与第四连接点之间的电位差，对检测对象电流进行检测。
此外，在本发明的第一和第二电流传感器中，可以是第一至第四磁阻效应元件（第一和第二磁阻效应元件）分别具有层叠体，该层叠体依次包含：具有固定于一定方向的磁化方向的被钉扎层、中间层、以及磁化方向根据外部磁场变化的自由层。在这种情况下，被钉扎层的磁化方向可以是与导体以及补偿电流线的各带状部分的延伸方向正交的方向。进而，可以具备对层叠体在与被钉扎层的磁化方向正交的方向上施加偏置磁场的偏置施加单元。
此外，在本发明的第一和第二电流传感器中，当具备与第一至第四磁阻效应元件（第一和第二磁阻效应元件）分离并且沿着它们的延伸方向设置的磁轭时，能够更高效地向各磁阻效应元件提供感应磁场和补偿磁场，故优选。
根据本发明的第一和第二电流传感器，由于设置补偿电流线，并且使其中至少与各磁阻效应元件重合的各带状部分的宽度比各磁阻效应元件的宽度小，所以能够向各磁阻效应元件提供必要的足够强度的补偿磁场。因此，能够消除例如起因于多个磁阻效应元件彼此的特性偏差、电路中的连接电阻的偏差或者温度分布等的输出电压的变化。由此，由于能够更高灵敏度且更高精度地检测感应磁场，所以能够谋求更准确的检测对象电流。
进而，会扩大可检测的检测对象电流的范围。即，能够在不增大补偿电流的情况下对涉及较宽范围的检测对象电流进行检测。
附图说明
图1是表示作为本发明第一实施方式的电流传感器的整体构成的立体图。
图2是表示图1所示传感器单元的主要部分构成的分解立体图。
图3是对图2所示补偿电流线和磁阻效应元件进行放大表示的立体图。
图4是表示图2所示传感器单元中的沿着IV－IV切断线的构成的剖视图。
图5是图1所示电流传感器的电路图。
图6是用于说明在图1所示电流传感器中降临到GMR元件的感应磁场和补偿磁场的方向的示意图。
图7是表示图2所示磁阻效应元件的详细构成的分解立体图。
图8是表示GMR元件从补偿电流线的带状部分受到的有效磁场的宽度方向的分布的特性图。
图9是表示补偿电流与被施加补偿磁场的GMR元件的电阻值的关系的概念图。
图10是表示外部磁场与GMR元件的输出的关系的特性图（实测值）。
图11是表示降临到GMR元件的有效磁场的平均强度与宽度之比的关系的特性图（计算值）。
图12是表示GMR元件和补偿电流线之间的破坏电压与两者宽度之比的关系的特性图（实测值）。
图13是对作为本发明第二实施方式的电流传感器中的主要部分构成进行放大表示的示意图。
图14是表示作为本发明第二实施方式的电流传感器中的主要部分构成的剖视图。
图15是表示图14所示补偿电流线的布局的概念图。
图16是表示作为本发明第三实施方式的电流传感器的整体构成的立体图。
图17是表示图16所示传感器单元的主要部分构成的立体图。
图18是表示沿着图17所示传感器单元中的XVIII-XVIII切断线的构成的剖视图。
图19是图16所示电流传感器的电路图。
图20是作为本发明第一变形例的电流传感器的电路图。
图21是作为本发明第二变形例的电流传感器的电路图。
附图标记说明
1、6…导体；2…基板；3、7…传感器单元；4…屏蔽构造；5…元件基板；20、20A、20B、80…检测电路；11～14…磁阻效应元件；30…补偿电流线；31～34…带状部分；61…固接层；62…中间层；63…自由层；64…磁化固定膜；65…反铁磁性膜；Hm…感应磁场；Hb…偏置磁场；Hd…补偿磁场；Id…补偿电流；Im…检测对象电流；L1～L3…第一～第三分层；HM1、HM2…永久磁铁；P1～P4…连接点；Z1～Z3…绝缘膜。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明实施方式进行详细说明。
[第一实施方式]
首先，参照图1～图4，对作为本发明中的第一实施方式的电流传感器的构成进行说明。图1是表示本实施方式的电流传感器的整体构成的立体图，图2是表示作为其主要部分的传感器单元3的构成的分解立体图。图3是表示传感器单元3中的补偿电流线30的具体构成等的立体图。进而，图4是与图2所示IV－IV切断线对应的剖视图。
如图1所示，该电流传感器具备：流过检测对象电流Im（将在后图中出现）的直线状的导体1；在该导体1附近配置的基板2；以及在基板2上配置的传感器单元3。在基板2上沿着导体1的延伸方向（在此为Y轴方向）夹持传感器单元3地载置有一对永久磁铁HM1、HM2。进而，以将导体1和传感器单元3一并包围的方式，设有由例如强磁性铁镍合金等磁性材料构成的筒型屏蔽构造4。导体1例如由铜（Cu）等高导电率的金属材料构成，通过流过检测对象电流Im，从而在其周围产生感应磁场Hm（将在后图中出现）。屏蔽构造4发挥功能以便防止不需要的外部磁场降临到传感器单元3。
如图2～图4所示，传感器单元3中，例如在元件基板5（在图3中省略）上按顺序层叠形成：设有包含第一至第四巨磁阻效应（GMR：Giant Magneto－Resistive effect）元件11～14（以下，简称为GMR元件11～14）的检测电路20（将在后图中出现）的第一分层L1；包含补偿电流线30的第二分层L2；以及包含磁轭Y1、Y2的第三分层L3（在图3中省略）。另外，如图4所示，GMR元件11～14（检测电路20）、补偿电流线30和磁轭Y1、Y2分别通过氧化铝（Al2O3）等构成的绝缘膜Z1、Z2、Z3进行埋设而相互绝缘。
元件基板5例如由玻璃或氧化硅（SiO2）等硅（Si）的化合物或者 Al2O3等绝缘材料构成。
补偿电流线30由铜等高导电率的金属材料构成，是薄膜在层叠面内走线的一根薄膜导线。补偿电流线30例如从另一方的端部30T1流入来自检测电路20的补偿电流Id。补偿电流线30中，作为其一部分，包含：在导体1的延伸方向（在此为Y轴方向）上直线状延伸并且在与该延伸方向和厚度方向（层叠方向）正交的宽度方向（X轴方向）上并列的多个带状部分31～34。这些带状部分31～34分别在宽度方向上具有宽度W31～W34的尺寸。宽度W31～W34可以相互相同，也可以相互不同。另外，补偿电流线圈（coil）30的形状（布局）不限于图2和图3所示方式。
检测电路20是4个GMR元件11～14桥接连接的桥接电路。各GMR元件11～14分别为沿着导体1配置的带状的薄膜图案，根据通过流过导体1的检测对象电流Im（将在后图中出现）产生的感应磁场Hm（将在后图中出现），自身的电阻值示出变化。具体地说，GMR元件11、13A的各电阻值根据感应磁场Hm而相互同向地变化（增加或减少）。另一方面，GMR元件12、14的电阻值均根据感应磁场Hm而与GMR元件11、13A（的电阻值变化）反向地变化（减少或增加）。即，成为例如在GMR元件11、13的各电阻值增加时GMR元件12、14的各电阻值减少的关系。
GMR元件11～14相互同向（在此为Y轴方向）延伸。GMR元件11～14分别在与该延伸方向和厚度方向（层叠方向）正交的方向上具有宽度W11～W14的尺寸。宽度W11～W14可以相互相同，也可以相互不同。在此，GMR元件11～14分别与补偿电流线30中的带状部分31～34成为1对1的对应关系。即，如图3和图4所示，在层叠方向（Z轴方向）上，GMR元件11处于和带状部分31重合的位置，GMR元件12处于和带状部分32重合的位置，GMR元件13处于和带状部分33重合的位置，GMR元件14处于和带状部分34重合的位置。GMR元件11～14处于分别与补偿电流线30的各带状部分31～34在厚度方向上相互重合的位置关系，由此，会与感应磁场Hm一起受到来自带状部分31～34的补偿磁场Hd（Hd1～Hd4）的影响。在此，GMR元件11～14与补偿电流线30的各带状部分31～34，处于厚度方向上的带状部分31～34的射影（正射影）全部不会在面内方向溢出地包含于GMR元件11～14中这样的位置关系。因此，宽度W31～W34分别比宽度W11～W14窄。对于GMR元件11～14的详细构成将在后面叙述。
磁轭Y1、Y2主要具有将在导体1周围产生的感应磁场Hm引导成朝向GMR元件11～14的功能。磁轭Y1、Y2可以由强磁性铁镍合金（NiFe）、钴铁镍（CoFeNi）合金、铁硅合金（FeSi）、铁硅铝磁合金、镍－锌（NiZn）铁氧体、锰－锌（MnZn）铁氧体等具有高透磁率的软磁性材料构成。
永久磁铁HM1、HM2发挥作用，使得通过对GMR元件11～14的自由层63（将在后图中出现）提供偏置磁场从而减少它们的磁滞。
＜电流传感器的电路构成＞
接下来，参照图3以及图5，对该电流传感器的电路构成进行说明。
如图3和图5所示，检测电路20具有连接点P1～P4。连接点P1将GMR元件11和GMR元件12的一端彼此连接，连接点P2将GMR元件13和GMR元件14的一端彼此连接，连接点P3将GMR元件11的另一端与GMR元件14的另一端连接，连接点P4将GMR元件12的另一端与GMR元件13的另一端连接。各连接点P1～P4是由铜等具有高导电率的非磁性材料构成的薄膜图案。此外，连接点P1与电源Vcc连接，连接点P2接地。进而，连接点P3、P4均与差动放大器AMP（图5）的输入侧连接。
补偿电流线30中，其一方的端部30T1通过未图示的布线与差动放大器AMP的输出侧连接，另一方的端部30T2经由电阻体RL接地。在电阻体RL的差动放大器AMP一侧，补偿电流检测单元S在端部30T2上连接。由此，向补偿电流线30供给基于在连接点P1与连接点P2之间施加电压时的连接点P3与连接点P4之间的电位差的补偿电流Id。补偿电流线30在流过补偿电流Id时具有对GMR元件11～14分别提供补偿磁场Hd这样的路径。在此，带状部分31～34中产生的补偿磁场Hd与通过流过导体1的检测对象电流Im产生的感应磁场Hm为相反方向。即，在图5和图6中如箭头所示，在对GMR元件11～14例如向＋X方向施加感应磁场Hm时，补偿磁场Hd向－X方向施加。另外，图6是该电流传感器的与XZ平面平行的概略剖视图，是表示补偿电流Id和检测对象电流Hm的流动方向、与降临到GMR元件11～14的补偿磁场Hd和感应磁场Hm的方向的关系的示意图。
＜GMR元件的构成＞
接下来，参照图7（A）、7（B）对GMR元件11～14的构成进行更详细的说明。图7（A）、7（B）是对GMR元件11的构成进行分解表示的分解立体图。另外，由于除了磁化J61（将在后面叙述）的方向之外，GMR元件11～14全部具有相同的构成，所以在此举出GMR元件11为例进行说明。
GMR元件11具有自旋阀（spin-valve）构造，如图7（A）所示，成为如下构造，即，按顺序层叠：具有固定于例如＋X方向的磁化J61的固接层61；不示出特定的磁化的非磁性的中间层62；以及具有根据感应磁场Hm和补偿磁场Hd等施加磁场的大小和方向而变化的磁化J63的自由层63。自由层63的磁化容易轴AE63可以与Y轴平行。另外，如图5所示，GMR元件13的磁化J61固定于与GMR元件11的磁化J61相同的方向（＋X方向）。与此相对，GMR元件12、14的磁化J61都固定于与GMR元件11、13的磁化J61相反的方向（－X方向）。此外，图7（A）示出没有施加感应磁场Hm或补偿磁场Hd的无负载状态（即，外部磁场为零的状态）。在这种情况下，自由层63的磁化方向J63形成为与自身的磁化容易轴AE63平行，而且成为与固接层61的磁化J61大致正交的状态。
自由层63由镍铁合金（NiFe）等软磁性材料构成。中间层62由铜（Cu）构成，上表面与固接层61相接并且下表面与自由层63相接。中间层62除了铜之外还可以由金（Au）等导电率高的非磁性金属构成。中间层62也作为使电流传感器动作时供给的读出电流I1、I2（将在后图中出现）的大部分流过的通道路径（pass line）发挥功能。另外，自由层63的下表面（与中间层62相接的面的相反侧的面），可以分别通过未图示的保护膜进行保护。此外，在固接层61与自由层63之间产生磁化方向J61的交换偏置磁场Hin（以下，简记作“交换偏置磁场Hin”）， 经由中间层62相互配合作用。交换偏置磁场Hin的强度，通过自由层63的自旋方向根据固接层61与自由层63的相互间隔（即中间层62的厚度）而旋转，从而发生变化。因此，能够使交换偏置磁场Hin在表观上为零。此外，虽然在图7（A）中示出了从下到上按顺序层叠自由层63、中间层62、固接层61时的构成例，但不限于此，也可以按照相反顺序构成。
图7（B）示出固接层61的详细构成。固接层61成为例如从中间层62一侧起按顺序层叠磁化固定膜64、反铁磁性膜65、保护膜66的构成。磁化固定膜64由钴（Co）或钴铁合金（CoFe）等铁磁性材料构成，该磁化固定膜64示出的磁化方向成为作为固接层61整体的磁化J61的方向。另一方面，反铁磁性膜65由铂锰合金（PtMn）或铱锰合金（IrMn）等反铁磁性材料构成。反铁磁性膜65处于＋X方向的自旋磁力矩和与其相反方向（－X方向）的自旋磁力矩完全抵消的状态，发挥作用使得将磁化固定膜64的磁化方向（即，固接层61的磁化J61的方向）固定。保护膜66由钽（Ta）或铪（Hf）等化学性质比较稳定的非磁性材料构成，用于保护磁化固定膜64和反铁磁性膜65等。
在具有以上这样构造的GMR元件11～14中，自由层63的磁化J63通过施加感应磁场Hm与补偿磁场Hd的合成磁场而旋转，由此使磁化J63与磁化J61的相对角度变化。该相对角度由感应磁场Hm和补偿磁场Hd的大小和方向决定。在此，感应磁场Hm的方向为＋X方向而补偿磁场Hd的方向为－X方向，但是通常由于感应磁场Hm具有比补偿磁场Hd大的强度，因此它们的合成磁场方向为＋X方向。因此，GMR元件11～14中的自由层63的磁化J63从图7（A）所示的无负载状态向＋X方向倾斜，发生GMR元件11～14的各电阻值的增减。更具体地说，在GMR元件11、13中磁化J61为＋X方向，因此在被提供感应磁场Hm和补偿磁场Hd的合成磁场时磁化J63接近与磁化J61平行的状态，其电阻值减少。另一方面，在GMR元件12、14中磁化J61为－X方向，因此在被提供感应磁场Hm和补偿磁场Hd的合成磁场时磁化J63接近与磁化J61反平行的状态，其电阻值增大。
＜使用电流传感器的检测对象电流的检测方法＞
接下来，对使用本实施方式的电流传感器测定感应磁场Hm而求出检测对象电流Im的方法进行说明。
在图5中，首先考虑没有施加感应磁场Hm和补偿磁场Hd的状态。在此，设从电源Vcc流过读出电流I0时的GMR元件11～14中的各个电阻值为r1～r4。来自电源Vcc的读出电流I0在连接点P1分流为读出电流I1和读出电流I2这2支。其后，通过GMR元件11和GMR元件14的读出电流I1、与通过GMR元件12和GMR元件13的读出电流I2在连接点P2合流。在这种情况下，连接点P1与连接点P2之间的电位差V可以表示为：
V＝I1×r4＋I1×r1＝I2×r3＋I2×r2
＝I1（r4＋r1）＝I2（r3＋r2）……（1）。
此外，第三连接点P3的电位V1和第四连接点P4的电位V2分别表示为：
V1＝V－V4
＝V－I1×r4
V2＝V－V3
＝V－I2×r3。
由此，第三连接点P3与第四连接点P4之间的电位差V0成为：
V0＝V2－V1
＝（V－I2×r3）－（V－I1×r4）
＝I1×r4－I2×r3……（2）
在此，根据（1）式，
V0＝r4／（r4＋r1）×V－r3／（r3＋r2）×V
＝｛r4／（r4＋r1）－r3／（r3＋r2）｝×V……（3）。
在该桥接电路中，在施加感应磁场Hm时，测定上述式（3）所示连接点P3与连接点P4之间的电压V0，从而获得电阻变化量。在此，在施加感应磁场Hm时，当电阻值r1～r4分别以变化量ΔR1～ΔR4增加时，即，当施加感应磁场Hm时的电阻值R1～R4分别为，
R1＝r1＋ΔR1
R2＝r2＋ΔR2
R3＝r3＋ΔR3
R4＝r4＋ΔR4时，施加感应磁场Hm时的电位差V0根据式（3）成为，
V0＝｛（r4＋ΔR4）／（r4＋ΔR4＋r1＋ΔR1）＋（r3＋ΔR3）／（r3＋ΔR3＋r2＋ΔR2）｝×V……（4）。
如已经叙述的那样，在该电流传感器中，GMR元件11、13的电阻值R1、R3与GMR元件12、14的电阻值R2、R4在相反方向上变化，因此变化量ΔR3与变化量ΔR2相抵消并且变化量ΔR4与变化量ΔR1相抵消。因此，在对施加感应磁场Hm前后进行比较时，式（4）的各项中的分母几乎不增加。另一方面，对于各项的分子，因为变化量ΔR3和变化量ΔR4必定具有相反的符号，所以不会相抵消而会表现出增减。这是由于，通过施加感应磁场Hm，在GMR元件12、14中，电阻值以变化量ΔR2、ΔR4（ΔR2、ΔR4＜0）的量分别变化（实质上降低），另一方面，在GMR元件11、13中，电阻值以变化量ΔR1、ΔR3（ΔR1、ΔR3＞0）的量分别变化（实质上增加）。
由此，只要使用外部磁场与电阻变化量的关系为已知的GMR元件11～14，就能够测定感应磁场Hm的大小，能够推定产生该感应磁场Hm的检测对象电流Im的大小。
＜电流传感器的作用效果＞
但是一般地，电阻值r1～r4和变化量ΔR1～ΔR4因GMR元件11～14的个体差而相互不同，而且存在电路中的连接电阻的偏差或温度分布的偏向或者来自外部的干扰磁场等，因此电位差V包含上述重要因素引起的误差成分。由此，在该电流传感器中，利用补偿磁场Hd将电位差V的误差成分除去。具体地说，在该电流传感器中，将在连接点P3检测的电位V1和在连接点P4检测的电位V2向差动放大器AMP供给，输出使该差分（电位差V0）为零这样的补偿电流Id。来自差动放大器AMP的补偿电流Id，在GMR元件11～14的附近配置的带状部分31～34上向与检测对象电流Im正相反的方向流过，由此产生与感应磁场Hm相反方向的补偿磁场Hd。该补偿磁场Hd用于消除电路中的连接电阻的偏差或GMR元件11～14相互间的特性偏差、温度分布的偏向或者来自外部的干扰磁场等引起的误差成分。因此结果是，补偿电流Id接近仅与感应磁场Hm成比例的大小。因此，在补偿电流检测单元S中，测定输出电压V输出，根据已知的与电阻体RL的关系来计算补偿电流Id，从而能够更加准确地求出感应磁场Hm，进而能够高精度地推定检测对象电流Im的大小。此外，如后面出现的图10所示那样，GMR元件11～14对外部磁场示出非线性，但是通过形成这样的反馈电路（基于全桥接电路的输出施加补偿磁场Hd的电路），能够消除示出非线性的影响（输出的误差），能够进行高精度的测定。
进而，在本实施方式的电流传感器中构成为：补偿电流线30中的各带状部分31～34的宽度W31～W34比分别重合的各GMR元件11～14的宽度W11～W14窄。由此，能够对各GMR元件11～14无浪费而高效地提供补偿磁场Hd。即，会提高补偿磁场Hd中的分别实际降临到GMR元件11～14的有效磁场的最大强度和平均强度。
图8（A）～图8（C）示出GMR元件11从补偿电流线30的带状部分31受到的有效磁场的宽度方向的分布。在图8（A）～图8（C）中，横轴表示宽度方向（X轴方向）上的带状部分31离中心位置的距离D（μm），纵轴表示有效磁场Heff的强度（×250／π[A／m]）。在此，示出基于以下条件的有效磁场Heff的计算值。设补偿电流Id为100mA，GMR元件11与带状部分31的厚度方向（Z轴方向）的间隔为0.3μm，带状部分31的厚度为5.7μm。此外，图8（A）～图8（C）分别与设带状部分31的宽度W31为4μm、6μm和8μm的情况相当。如图8（A）～图8（C）所示可知，有效磁场Heff的强度分布示出宽度W31越窄就越陡峭的峰，最大强度上升。
因此，即使流过补偿电流线30的补偿电流Id为恒定大小，也会由于带状部分31的宽度W31较窄而对GMR元件11降临较大的有效磁场，因而结果是GMR元件11的电阻变化量ΔR增大。对此参照图9进行以下说明。图9为表示流过带状部分31的补偿电流Id、与施加补偿磁场Hd的GMR元件11的电阻值R的关系的概念图。在图9中，横轴表示补偿电流Id，纵轴表示电阻值R。曲线9W表示宽度W31相对较大的情况（样品W），曲线9N表示宽度W31相对较小的情况（样品N）。在此，例如当补偿电流Id增加到最大值Idmax时，在样品W（曲线9W）中其电阻值增加到RWH，而在样品N（曲线9N）中其电阻值增加到RNH（＞RWH）。此外，当设补偿电流Id减少到最小值Idmin时，在样品W（曲线9W）中其电阻值减少到RWL，而在样品N（曲线9N）中其电阻值减少到RNL（＜RWL）。因此，在补偿电流Id从最小值Idmin变化到最大值Idmax时，与在样品W中得到的电阻变化量ΔRW（＝RWH－RWL）相比，在样品N中得到的电阻变化量ΔRN（＝RNH－RNL）更大。
这样，带状部分31～34的宽度W31～34越窄，则越会高效地向各GMR元件11～14提供补偿磁场Hd，因此即使在对较大的检测对象电流Im（感应磁场Hm）进行测定时，也能够充分消除电位差V的误差成分。即，能够在不使补偿电流Id增大的情况下确保进行更大的检测对象电流Im（感应磁场Hm）的测定时所需的补偿磁场Hd（的有效磁场）。由此，能够扩大电流传感器中的检测对象电流Im（感应磁场Hm）的可测定范围。
另外，如在图10中示出一个例子所示，GMR元件11～14当被提供具有某一定以上强度的外部磁场时，其输出（电阻值）饱和。在图10中，横轴表示外部磁场H（×250／π[A／m]），纵轴表示最大值为1进行规格化的输出（压降的大小）。曲线10W表示宽度W11～34为10μm时的外部磁场H与输出的关系，曲线10N表示宽度W11～34为5μm时的外部磁场H与输出的关系。在此，自由层63为厚度7nm的NiFe层与厚度1nm的CoFe层的双层构造。因此，自由层63中的磁力矩的总量（每单位体积的磁力矩Ms与自由层63的体积的积）为2.3×106A／m。如图10所示，在曲线10W和曲线10N的任一情况下，都是当超过50（×250／π[A／m]）时输出饱和（即，饱和磁场为50×250／π[A／m]）。因此，即使施加超过GMR元件11～14的饱和磁场的强度的补偿磁场Hd（在此为超过50×250／π[A／m]的补偿磁场Hd），在自由层63中也不会在此之上再存在产生旋转的磁化J63，因此会产生浪费。由此，补偿磁场Hd的强度只要为能够使GMR元件11～14各自包含的自由层63的磁化J63旋转的阈值以上的大小而且小于自由层63的饱和磁场，就会使补偿磁场Hd的大小和宽度方向的均匀性适当。由此，会适当地产生GMR元件11～14的输出变化（电阻变化）。另外，在图10中，使用永久磁铁HM1、HM2提供规定大小的偏置磁场Hb（＝60×250／π[A／m]），从而成为几乎不会在曲线10W和曲线10N中产生残留磁化的状态。
图11是表示补偿磁场Hd中的分别降临到GMR元件11～14的有效磁场的平均强度、与宽度W31～W34相对于宽度W11～W14的比（以下称为宽度之比）的关系的特性图（计算值）。在图11中，横轴表示宽度之比，纵轴表示有效磁场。在此，将宽度之比为1的情况作为基准进行规格化。如图11所示，可知相较于宽度之比为1以上的情况，小于1时能获得更高的有效磁场的平均强度。这一般考虑是由于，当带状部分31～34的宽度W31～W34比GMR元件11～14的宽度W11～W14宽时，各带状部分31～34中的补偿磁场Hd的产生位置在宽度方向上分散，而且带状部分31～34中在厚度方向不与GMR元件11～14重合的部分产生的补偿磁场Hd的成分，无法充分到达GMR元件11～14。
此外，由于在本实施方式中，使补偿电流线30中的各带状部分31～34的宽度W31～W34，比分别重合的各GMR元件11～14的宽度W11～W14窄，所以耐压性能也会提高。作为其一例，在图12中表示发生GMR元件11～14和补偿电流线30之间的绝缘破坏的破坏电压、与宽度的比（补偿电流线的宽度／GMR元件的宽度）的关系（实测值）。如图12所示，与宽度之比超过1的情况相比，小于1的情况下示出更高的破坏电压。另外，这里通过氧化铝构成的300nm厚的绝缘膜将GMR元件11～14与补偿电流线30之间间隔开。此外，宽度W11～W14均使为5μm，宽度W31～W34设为2.5μm、0.8μm、6.0μm、7.5μm、10.0μm的5个水平。
这样，由于在本实施方式中，能够对各GMR元件11～14无浪费而高效地提供补偿磁场Hd，所以能够更高灵敏度且更高精度地检测感应磁场。即，由于以往起因于该构造的补偿磁场的损失比较多，所以无法向各磁阻效应元件提供足够强度的补偿磁场，无法消除输出电压的误差成分，但是根据本实施方式，由于能够向GMR元件11～14提供必要的足够强度的补偿磁场Hd，所以能够消除上述这种问题，能更加准确地求出检测对象电流Im。进而，能够在不增大补偿电流Id的情况下检测涉及较宽范围的检测对象电流Im。此外，还能够在不使带状部分31～34与GMR元件11～14的间隔增大的情况下使两者间的破坏电压提高，能获得较高的耐压性能。
[第二实施方式]
接下来，参照图13（A）对作为本发明中的第二实施方式的电流传感器进行说明。图13（A）示出本实施方式的电流传感器的主要部分（GMR元件周边）的剖面构成，与上述第一实施方式的图4（A）的一部分对应。另外，虽然在图13（A）中以带状部分31和GMR元件11为代表进行了例示，但是对于其他带状部分32～34和GMR元件12～14也是相同的构成。这点对于后面出现的图13（B）和图13（C）也相同。
如图13（A）所示，在本实施方式的电流传感器中，将补偿电流线的带状部分相对于一个GMR元件各设置多个。具体地说，将相互串联连接的带状部分31A和带状部分31B双方一起与GMR元件11在厚度方向上重叠配置。带状部分31A和带状部分31B相互串联连接，因此对它们都供给补偿电流Id，分别产生补偿磁场HdA和补偿磁场HdB。此时，补偿磁场HdA与补偿磁场HdB的合成的补偿磁场Hd，在宽度方向上，成为图13（A）所示的曲线这样的分布。因此，在宽度方向上，能够向GMR元件11提供更加均匀的有效磁场而不会使其最大强度和平均强度降低。因此，可以期待检测精度的进一步提高和检测对象电流的范围进一步扩张。另外，虽然这里将带状部分31A和带状部分31B在相同的高度位置（Z轴方向的位置）上相互并列配置，但是也可以是相互不同的高度位置。
＜第二实施方式的变形例＞
此外，在本实施方式中，可以如图13（B）所示，将一对带状部分31A、31B在厚度方向上以夹持GMR元件11的方式配置。在这种情况下，可以是一对带状部分31A、31B在宽度方向上以各个中心点夹持GMR元件11的中心点而位于其两侧的方式设置。这是由于，能够对GMR元件11，在宽度方向上，提供更加均匀的有效磁场。在该情况下，例如图13（C）所示，可以将一对带状部分31A、31B在厚度方向上配置在离GMR元件11彼此相等的距离，并且能够扩大各自的宽度W31A、W31B。即，能够使一对带状部分31A、31B成为在厚度方向上彼此一部分相重叠的配置关系。在这种情况下，如图13（C）所示，合成的补偿磁场Hd在宽度方向上成为更平坦的分布，能够涉及GMR元件11 整体地提供更加均匀化的有效磁场，有利于提高检测精度。
在图14、图15中示出与图13（A）、13（B）的构成对应的补偿电流线30的构成例。图14是表示本变形例的电流传感器中的传感器单元3的整体构成的剖视图，图15是其俯视图。图14是沿着图15所示XIV－XIV线的向视方向的剖面。如图14和图15所示，在本变形例中，可以在元件基板5与第一分层L1之间插入的第四分层L4中设置带状部分31B、32B、33B、34B。带状部分31B、32B、33B、34B被绝缘膜Z4覆盖，与通过通路30V1～30V7连接的带状部分31A、32A、33A、34A一起构成作为一根薄膜导线的补偿电流线30。
另外，虽然在图13～15中示出了对一个GMR元件各设置2个补偿电流线的带状部分的例子，但是也可以对一个GMR元件设置3个以上的带状部分。
[第三实施方式]
接下来，参照图16～图19对作为本发明中的第三实施方式的电流传感器进行说明。另外，在本实施方式中，对与上述第一实施方式相同的构成要素标记相同附图标记，并且适宜省略其说明。图16是表示本实施方式的电流传感器的整体构成的立体图，图17是表示作为其主要部分的传感器单元7的一部分构成的立体图。此外，图18是图17所示XVIII- XVIII切断线的向视方向的剖视图。进而，图19是图16所示电流传感器的电路图。
如图16所示，该电流传感器具备流过检测对象电流Im（图19）的导体6；在该导体6附近配置的基板2；以及在基板2上配置的传感器单元7。导体6作为整体具有Ｕ字形状，例如具有在XY平面内彼此平行地相向配置的一对直线部6A、6B、以及将它们的一端彼此连结的曲线部6C。在基板2上例如沿着导体6的直线部6A、6B的延伸方向（这里为Ｙ轴方向）夹持传感器单元7地载置一对永久磁铁HM1、HM2。虽然这里没有图示，但还可以以将导体6和传感器单元7一并包围的方式设置例如强磁性铁镍合金等磁性材料构成的筒型屏蔽构造。传感器单元7设置在基板2上的X轴方向的直线部6A与直线部6B之间的区域。
如图17和图18所示，传感器单元7中，例如在元件基板5（图17中省略）上按顺序层叠形成：设有包含GMR元件11～14的检测电路80的第一分层L1；包含补偿电流线70的第二分层L2；以及包含磁轭Y1、Y2的第三分层L3（图17中省略）。
检测电路80如图19所示为4个GMR元件11～14桥接连接的桥接电路。各GMR元件11～14分别为沿着导体6的直线部6A、6B配置的带状的薄膜图案。各GMR元件11～14根据通过例如从端部6S朝向端部6E流过导体6的检测对象电流Im而感应的感应磁场Hm，自身的电阻值示出变化。将直线部6B的周围产生的感应磁场Hm在－X方向上提供给GMR元件11、13，将直线部6A的周围产生的感应磁场Hm在＋X方向上提供给GMR元件12、14。各GMR元件11～14分别包含具有在箭头所示方向上固定的磁化J61的固接层61。因此，GMR元件11、13的各电阻值根据感应磁场Hm彼此同向变化（增加或减少）。另一方面，GMR元件12、14的电阻值均根据感应磁场Hm与GMR元件11、13（的电阻值变化）反向地变化（减少或增加）。即，成为例如在GMR元件11、13的各电阻值增加时GMR元件12、14的各电阻值减少的关系。
补偿电流线70由铜等高导电率的金属材料构成，是薄膜在层叠面内走线的一根薄膜导线。补偿电流线70中，作为其一部分，包含在导体6的直线部6A、6B的延伸方向（这里为Y轴方向）上直线状延伸并且在与该延伸方向和厚度方向（层叠方向）正交的宽度方向（X轴方向）上并列的多个带状部分71～74。这些带状部分71～74如图18所示，分别在宽度方向上具有宽度W71～W74的尺寸。宽度W71～W74可以相互相同，也可以相互不同。补偿电流线70如图19所示，其一方的端部70T1与差动放大器AMP的输出侧连接，另一方的端部70T2经由电阻体RL接地。在电阻体RL的差动放大器AMP的一侧，补偿电流检测单元S在端部70T2上连接。由此，向补偿电流线70供给基于在连接点P1与连接点P2之间施加电压时的连接点P3与连接点P4之间的电位差的补偿电流Id。补偿电流线70在流过补偿电流Id时具有对GMR元件11～14分别提供补偿磁场Hd的路径。这里，在带状部分71～74中产生的补偿磁场Hd，与流过导体6的检测对象电流Im所产生的感应磁场Hm反向。具体而言，例如在对GMR元件11、13朝－X方向施加感应磁场Hm并且对GMR元件12、14朝＋X方向施加感应磁场Hm时，从带状部分71、73对GMR元件11、13提供＋X方向的补偿磁场Hd并且从带状部分72、74对GMR元件12、14提供－X方向的补偿磁场Hd。
在具有这种构成的本实施方式的电流传感器中，也能够获得与上述第一实施方式中的电流传感器相同的效果。
以上，举出实施方式和变形例对本发明进行了说明，但是本发明不限于这些实施方式等，可以进行各种变形。例如，在上述实施方式等中对使用含有4个GMR元件的检测电路进行检测对象电流的检测的情况进行了说明，但是本发明不限于此。例如图20所示本发明的第一变形例那样，也可以使用将GMR元件11、12置换为恒流源41、42的检测电路20A。进而，如图21所示本发明的第二变形例那样，也可以使用将GMR元件11、12置换为电阻43、44的检测电路20B。
此外，虽然在上述实施方式等中，通过一个带状图案构成一个GMR元件，但是也可以将多个带状图案并联连接而构成一个GMR元件。但是在这种情况下，要求与GMR元件的带状图案分别对应地配置补偿电流线的带状部分，并且使补偿电流线的带状部分的宽度比各带状图案的宽度窄。通过这样，会使补偿磁场更高效地降临到GMR元件，并且会进一步提高GMR元件相对于补偿磁场和感应磁场的灵敏度。
此外，虽然在上述实施方式等中作为磁阻效应元件例示了GMR元件，但是在本发明中也可以将各向异性磁阻效应（AMR：Anisotropic Magneto-Resistive effect）元件或隧道磁阻效应（TMR：Tunnel Magneto-Resistive effect）元件用作磁阻效应元件。

Claims (12)

1.一种电流传感器，其特征在于，具备：
第一至第四磁阻效应元件，沿着导体相互同向延伸配置，根据流过所述导体的检测对象电流所产生的感应磁场，各自的电阻值示出变化；以及
补偿电流线，通过流过补偿电流，将与基于所述检测对象电流对所述第一至第四磁阻效应元件施加的各感应磁场相反方向的补偿磁场提供给所述第一至第四磁阻效应元件的每一个，
所述第一和第二磁阻效应元件的一端彼此在第一连接点连接，所述第三和第四磁阻效应元件的一端彼此在第二连接点连接，所述第一磁阻效应元件的另一端与所述第四磁阻效应元件的另一端在第三连接点连接，所述第二磁阻效应元件的另一端与所述第三磁阻效应元件的另一端在第四连接点连接，由此，形成桥接电路，
所述第一和第三磁阻效应元件的电阻值根据所述感应磁场，相互同向地变化，
所述第二和第四磁阻效应元件的电阻值均根据所述感应磁场，与所述第一和第三磁阻效应元件反向地变化，
所述补偿电流是通过在所述第三连接点与所述第四连接点之间施加电压时的所述第一连接点与所述第二连接点之间的电位差而产生的，
所述补偿电流线包含第一至第四带状部分，该第一至第四带状部分分别与所述第一至第四磁阻效应元件的延伸方向同向地延伸，并且在厚度方向上与所述第一至第四磁阻效应元件分别重合，而且具有分别比所述第一至第四磁阻效应元件小的宽度，
所述电流传感器基于所述补偿电流，检测所述检测对象电流。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，所述补偿磁场的强度为能够使所述第一至第四磁阻效应元件各自包含的自由层的磁化旋转的阈值以上的大小，而且小于所述自由层的饱和磁场。
3.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，所述补偿电流线的第一至第四带状部分相对于所述第一至第四磁阻效应元件分别各设有多个。
4.根据权利要求3所述的电流传感器，其特征在于，以在厚度方向上分别夹持所述第一至第四磁阻效应元件的方式，配置有一对所述第一带状部分、一对所述第二带状部分、一对所述第三带状部分以及一对所述第四带状部分。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，
所述一对第一带状部分在宽度方向上，以各自的中心点夹持所述第一磁阻效应元件的中心点而位于其两侧的方式设置，
所述一对第二带状部分在宽度方向上，以各自的中心点夹持所述第二磁阻效应元件的中心点而位于其两侧的方式设置，
所述一对第三带状部分在宽度方向上，以各自的中心点夹持所述第三磁阻效应元件的中心点而位于其两侧的方式设置，
所述一对第四带状部分在宽度方向上，以各自的中心点夹持所述第四磁阻效应元件的中心点而位于其两侧的方式设置。
6.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，所述第一至第四磁阻效应元件分别具有层叠体，该层叠体依次包含：具有固定于一定方向的磁化方向的被钉扎层、中间层、以及磁化方向根据外部磁场变化的所述自由层。
7.根据权利要求6所述的电流传感器，其特征在于，具备偏置施加单元，该偏置施加单元对所述层叠体在与所述被钉扎层的磁化方向正交的方向上施加偏置磁场。
8.根据权利要求6所述的电流传感器，其特征在于，所述被钉扎层的磁化方向是与所述导体以及所述第一至第四带状部分的延伸方向正交的方向。
9.根据权利要求1或2所述的电流传感器，其特征在于，具备磁轭，该磁轭与所述第一至第四磁阻效应元件分离，并且沿着它们的延伸方向设置。
10.一种电流传感器，其特征在于，具备：
第一和第二磁阻效应元件，沿着导体延伸，根据流过所述导体的检测对象电流所产生的感应磁场，各自的电阻值示出相互反向的变化；以及
补偿电流线，通过读出电流的供给流过与在所述第一磁阻效应元件中产生的压降和在所述第二磁阻效应元件中产生的压降的差分对应的补偿电流，由此，将与基于所述检测对象电流对所述第一和第二磁阻效应元件施加的各感应磁场相反方向的补偿磁场提供给所述第一和第二磁阻效应元件的每一个，
所述补偿电流线包含第一和第二带状部分，该第一和第二带状部分分别与所述第一和第二磁阻效应元件的延伸方向同向地延伸，并且在厚度方向上与所述第一和第二磁阻效应元件分别重合，而且具有分别比所述第一和第二磁阻效应元件小的宽度，
所述电流传感器基于所述补偿电流，检测所述检测对象电流。
11.根据权利要求10所述的电流传感器，其特征在于，具备第一和第二恒流源，该第一和第二恒流源对所述第一和第二磁阻效应元件分别供给相互等值的恒定电流作为所述读出电流。
12.根据权利要求11所述的电流传感器，其特征在于，构成为：
所述第一和第二磁阻效应元件其一端彼此在第一连接点连接，
所述第一和第二恒流源其一端彼此在第二连接点连接，
所述第一磁阻效应元件的另一端与所述第一恒流源的另一端在第三连接点连接，
所述第二磁阻效应元件的另一端与所述第二恒流源的另一端在第四连接点连接，
基于在所述第一连接点与所述第二连接点之间施加电压时的所述第三连接点与所述第四连接点之间的电位差，检测所述检测对象电流。
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