CN102812367A - 电流测定装置 - Google Patents

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Abstract

一种能够以高灵敏度且高精度检测被检测电流，且能够实现结构的简化及小型化的电流测定装置。在电流测定装置(1)中，包括：具有磁化方向被固定的固定磁性层(18)和通过外部磁场使磁化方向变化的自由磁性层(20)的多个GMR元件(12-1～12-N)；根据多个GMR元件(12-1～12-N)的输出求出被检测电流大小的运算部(21)，在该电流测定装置(1)中，将多个GMR元件(12-1～12-N)在被检测电流所流动的导体(13)的周围以环状配置，并且以利用多个GMR元件(12-1～12-N)构成串联的可变电阻的方式进行电连接。

Description

电流测定装置
技术领域
本发明涉及测定在导体中流动的被检测电流大小的电流测定装置，尤其涉及通过磁阻的变化来检测被检测电流大小的电流测定装置。
背景技术
近年来，在电动机动车和太阳能电池等领域中，伴随电动机动车和太阳能电池装置的大输出化、高性能化，使用的电流值变大，以非接触方式测定直流大电流的电流传感器得到广泛应用。作为这种电流传感器提出了具有通过在导体周围产生的磁场检测流入导体的电流大小的霍尔元件的结构(例如，参照专利文献1)。
该电流传感器具备：具有开口部的半导体基板；配置在半导体基板上且因磁场的变化而输出霍尔电压信号的多个霍尔元件。被检测电流所流动的电流线以贯通半导体基板的开口部的方式相对于基板正交配置。各霍尔元件配置成以电流线为中心的圆状。在专利文献1记载的电流传感器中，使用因在电流线流过被检测电流时产生的电流线周围的磁场变化而从各霍尔元件输出的霍尔电压信号检测被检测电流的大小。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2007-107972号公报
发明概要
发明要解决的技术课题
然而，在专利文献1记载的电流传感器中，由于使用霍尔元件，因此，存在检测方向受到限制的问题。另外，除需要在各霍尔元件构成检测电路外，还需要设置对各个检测电路的输出信号进行加法运算的加法运算电路，因此存在电流传感器的小型化受到限制的问题。另外，当电流线和电流传感器的位置(距离)不均时，存在其测定值反映出不均的问题。
发明内容
本发明是鉴于该点而完成的，其目的在于，提供一种能够以高灵敏度且高精度检测被检测电流，且能够实现结构简化及小型化的电流测定装置。
用于解决课题的手段
本发明的电流测定装置具备多个磁阻效应元件和运算机构，所述磁阻效应元件具有磁化方向被固定的固定磁性层和通过外部磁场而使磁化方向变化的自由磁性层，所述运算机构根据所述多个磁阻效应元件的输出求出被检测电流的大小，所述电流测定装置的特征在于，所述多个磁阻效应元件在供被检测电流流动的导体周围以环状配置，并且以利用所述多个磁阻效应元件构成串联的可变电阻的方式进行电连接。
根据该结构，通过利用多个磁阻效应元件构成串联的可变电阻，将多个磁阻效应元件作为可变电阻使用，从而能够不设置加法运算电路地检测各磁阻效应元件的磁阻变化，能够使装置结构简化及小型化。另外，通过各磁阻效应元件在导体的周围呈环状地配置，从而能够将在导体流过被检测电流之际产生的磁场作为与固定磁性层的磁化方向和自由磁性层的磁化方向之间的磁化角度对应的磁阻变化而实施检测。
在上述电流测定装置中，优选所述多个磁阻效应元件的所述固定磁性层的磁化方向被固定成在所述多个元件的各自位置从导体所延伸的方向观察时相同的方向。
在上述电流测定装置中，所述多个磁阻效应元件的所述固定磁性层的磁化方向可以固定为所述各磁阻效应元件成为以环状相连的方向的环状方向。
或者，在上述电流测定装置中，所述多个磁阻效应元件中的所述固定磁性层的磁化方向可以被固定成朝向所述导体中央部。
另外，在上述电流测定装置中，所述多个磁阻效应元件的所述固定磁性层的磁化方向可以被固定成从所述导体中央部朝向放射方向。
通过上述结构，由于通过在导体周围产生的磁场使自由磁性层的磁化方向变化为相对于固定磁性层的磁化方向大致相同方向，因此，能够降低各磁阻效应元件间的灵敏度差，从而能够提高电流测定装置的检测精度。
另外，在上述电流测定装置中，所述多个磁阻效应元件可以设置在共用的导电体上。
另外，在上述电流测定装置中，所述多个磁阻效应元件可以形成在弹性体上，并且以包围所述导体周围的方式配置成使所述弹性体变形。
另外，本发明以上述电流测定装置为基础，其特征在于，所述多个磁阻效应元件具备经由绝缘层而设置在所述自由磁性层上的导电层，使在所述多个磁阻效应元件中流动的电流从所述导电层反向回流。
根据该结构，通过使流过磁阻效应元件的电流在导电层反向流动，从而能够产生与在磁阻效应元件中流动电流之际所产生的磁场反向的磁场。因此，能够降低在磁阻效应元件中流过电流时产生的磁场引起的自由磁性层的磁化方向的变化，从而能够提高电流测定装置的检测灵敏度及检测精度。
发明效果
根据本发明，能够提供一种能够以高灵敏度且高精度检测被检测电流，且能够实现结构简化及小型化的电流测定装置。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式涉及的电流测定装置的俯视图。
图2是表示本发明第一实施方式涉及的电流测定装置的GMR元件的层叠结构的图。
图3是本发明第一实施方式涉及的电流测定装置的运算部的电路结构图。
图4是表示本发明第一实施方式涉及的电流测定装置中，在对GMR元件上作用外部磁场的情况下的固定磁性层与自由磁性层之间的磁化角度的变化的示意图。
图5是表示本发明第一实施方式涉及的磁化角度与磁阻的相关关系的图。
图6是表示本发明第一实施方式涉及的电流测定装置的GMR元件的磁化角度的变化的示意图。
图7是表示本发明第一实施方式涉及的电流测定装置的GMR元件的配置例的图。
图8是本发明第一实施方式涉及的电流测定装置的GMR元件的制造方法的说明图。
图9是表示本发明的第二实施方式涉及的电流测定装置的俯视图。
图10是表示本发明的第二实施方式涉及的电流测定装置的GMR元件的层叠结构的图。
图11(A)是表示本发明的第二实施方式涉及的电流测定装置的成膜工序的磁场施加的一例的示意图，图11(B)是(A)的A-A线箭头指向剖视图。
图12是表示本发明的实施方式涉及的电流测定装置的GMR元件的其他配置例的图。
图13是表示本发明的实施方式涉及的电流测定装置的其他结构例的图。
图14是表示本发明的实施方式涉及的电流测定装置的其他结构例的图。
图15是表示本发明的实施方式涉及的电流测定装置的GMR元件的其他层叠结构的图。
图16是本发明的实施方式涉及的电流测定装置的GMR元件的制造方法的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式详细地进行说明。
(第一实施方式)
图1是本发明的第一实施方式涉及的电流测定装置的俯视图。如图1所示，电流测定装置1具备：具有大致圆形的中央部开口11a的基板11；在基板11的中央部开口11a的外缘呈环状配置的多个GMR元件(GiantMagneto Resistance：巨磁阻)12-1～12-N；根据GMR元件12-1～12-N的输出求出被检测电流大小的运算部(未图示)。导体13由剖视下大致圆形状的线状体形成，且以贯通基板11的中央部开口11a的方式设置。在导体13中流动有被检测电流。
GMR元件12-1～12-N通过在相互相邻的元件之间分别夹设导电体14而连续配置，多个GMR元件12-1～12-N作为整体构成电串联连接的GMR元件列12。另外，GMR元件12-1～12-N具备：磁化方向固定的固定磁性层；因被检测电流流过导体13时产生的磁场而导致磁化方向变化的自由磁性层，磁阻根据固定磁性层的磁化方向与自由磁性层的磁化方向之间的磁化角度而变化。即，在本实施方式中，以包围导体13的周围的方式呈环状配置多个GMR元件12-1～12-N，能够通过GMR元件12-1～12-N根据自由磁性层的磁化方向的变化来检测被检测电流流过导体13时产生的磁场变化。
在本实施方式中，GMR元件12-1～12-N的固定磁性层的磁化方向被固定为朝向呈环状配设的GMR元件12-1～12-N相连的环状方向(参照图1的箭头)。需要说明的是，只要是以根据因被检测电流流过导体13时产生的磁场导致自由磁性层的磁化方向变化这种范围为基准，则GMR元件12-1～12-N可以配设为环状以外的形状。
另外，在基板11上设有将GMR元件12-1～12-N和运算部(未图示)电连接的电极垫15a、15b。电极垫15a与配置为环状的GMR元件列12的一端侧的GMR元件12-1连接，电极垫15b与另一端侧的GMR元件12-N连接。通过如此配置，能够利用配置为环状的GMR元件列12形成串联的可变电阻。
图2是表示GMR元件12-1～12-N的层叠结构的图，表示抽出一部分的GMR元件12-1～12-3后的层叠结构。如图2所示，GMR元件12-1～12-N具备：设于基板11上的种子层16；设置在种子层16上的反铁磁性层17；设置在反铁磁性层17上的固定磁性层(销层)18；设置在固定磁性层18上的非磁性层19；设置在非磁性层19上的自由磁性层20。另外，在GMR元件12-1～12-N之间分别设置导电体14。需要说明的是，在基板11和种子层16之间可以设置基底层，也可以在自由磁性层20上设置保护层。
对于GMR元件12-1～12-N而言，由于反铁磁性层17与固定磁性层18相接形成，因此，通过实施磁场中热处理(以下称为退火处理)而在反铁磁性层17和固定磁性层18的界面产生交换耦合磁场(Hex)。通过该交换耦合磁场使固定磁性层18的磁化方向固定为一方向。在图2中，固定磁性层18的磁化方向固定为朝向箭头D1方向。
另一方面，自由磁性层20以隔着非磁性层19与固定磁性层18对置的方式层叠。因此，自由磁性层20的磁化方向没有固定为一个方向，从而因外部磁场的影响而改变磁化方向。需要说明的是，固定磁性层18的磁化方向D1在后述的GMR元件12的制造工序中，可以按退火处理的条件调整为任意的方向。
种子层16由NiFeCr或Cr等形成。反铁磁性层17由含有从Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os构成的组中选出的至少一种元素和Mn的反铁磁性材料、或者含有从Pt、Pd、Ir、Rh、Ru、Os构成的组中选出的至少一种元素和从Ne、Ar、Kr、Xe、Be、B、C、N、Mg、Al、Si、P、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Zr、Nb、Mo、Ag、Cd、Sn、Hf、Ta、W、Re、Au、Pb以及稀土类元素构成的组中选出的至少一种元素和Mn的反铁磁性材料形成。例如，反铁磁性层17由IrMn或PtMn形成。固定磁性层18及自由磁性层20由CoFe合金、NiFe合金、CoFeNi合金等磁性材料形成。另外，非磁性层19及导电体14由Cu等形成。需要说明的是，在设置基底层的情况下，例如，可以由从Ta、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo、W构成的组中选出的至少一种元素等的非磁性材料形成，在设置保护层的情况下，可以由Ta等形成。
图3是电流测定装置1的运算部21的电路结构图。如图3所示，电流测定装置1的运算部21将配置为环状的多个GMR元件12-1～12-N整体作为一个可变电阻22使用，并构成包括可变电阻22和三个固定电阻23、24、25的桥式电路。GMR元件列12的一端侧的电极垫15a与被施加电源电压的端子26连接，GMR元件列12的另一端侧的电极垫15b与固定电阻23的一端连接。固定电阻23的另一端接地。另外，固定电阻24的一端与端子26连接，固定电阻24的另一端与固定电阻25的一端连接。固定电阻25的另一端接地。在与GMR元件列12的另一端侧连接的另一方的电极垫15b和固定电阻23一端之间的连接点、与固定电阻24的另一端和固定电阻25一端之间的连接点之间连接有检测部27。检测部27构成为对由GMR元件12-1～12-N整体形成的可变电阻22及固定电阻23侧的电压值、和固定电阻24及固定电阻25侧的电压值进行比较。
其次，参照图4(A)～(D)对电流测定装置1的检测原理进行说明。图4(A)～(D)是表示向GMR元件作用外部磁场时的固定磁性层18和自由磁性层20的磁化角度的变化的示意图。需要说明的是，在图4(A)～(D)中示意地示出固定磁性层18、非磁性层19及自由磁性层20的层叠结构，示出了在GMR元件的固定磁性层18的磁化方向D1固定为一个方向的状态下的外部磁场M1使自由磁性层20的磁化方向D2变化的情况。
如图4(A)所示，当与固定磁性层18的磁化方向D1平行地作用外部磁场M1时，自由磁性层20的磁化方向D2与固定磁性层18的磁化方向D1平行，磁化角度成为0度。如图4(B)、(C)所示，随着外部磁场M1的作用角度相对于固定磁性层18的磁化方向D1变大，自由磁性层20的磁化方向D2的变化增大而磁化角度变大。如图4(D)所示，当外部磁场M1相对于固定磁性层18的磁化方向D1向相反方向(180度)作用时，自由磁性层20的磁化方向D2成为与固定磁性层18的磁化方向D1相反的方向，磁化角度成为最大。
图5是表示磁化角度和磁阻的相关关系的图。需要说明的是，图5所示的点P1表示图4(A)的磁化角度的磁阻，点P2表示图4(B)的磁化角度的磁阻。另外，点P3表示图4(C)的磁化角度的磁阻，点P4表示图4(D)的磁化角度的磁阻。如点P1所示，在磁化角度为0度的状态下，磁阻为最小值，如点P2及点P3所示，随着磁化角度变大而磁阻增大。另外，如点P4所示，在磁化角度为180度的状态下，磁阻最大。
如此，GMR元件12-1～12-N根据磁化角度不同而磁阻发生变化，因此，通过使固定磁性层18的磁化方向D1朝向任意方向来测定磁阻的变化，从而能够检测外部磁场M1的大小。另外，由于外部磁场M1根据在导体13流动的被检测电流的大小而变化，因此，通过对GMR元件12-1～12-N的磁阻进行乘法运算，能够测定在导体13流动的被检测电流的大小。需要说明的是，GMR元件12的磁阻可以通过下述关系式(1)算出。
R＝Rmin+ΔRm/2[1-cos(θf-θp)]...式(1)
(式(1)中、Rmin表示磁化角度为0时的磁阻，ΔRm表示磁阻，θf表示自由磁性层20的磁化方向的角度，θp表示固定磁性层18的磁化方向的角度。)
图6是表示电流测定装置1中的GMR元件12-1～12-N的磁化角度的变化的示意图。需要说明的是，在图6中，以环状曲线表示GMR元件列12，以实线箭头表示固定磁性层18的磁化方向D1，用虚线箭头表示自由磁性层20的磁化方向D2。如图6所示，在导体13中流动被检测电流，在导体13周围产生磁场时，在曲线上的各位置处的GMR元件12-1～12-N中，相对于固定磁性层18的磁化方向D1，自由磁性层20的磁化方向D2变化为导体13侧而磁化角度增大。
如图6所示，在电流测定装置1中，由于在导体13的周围以环状配置GMR元件12-1～12-N，因此，可以视作在导体13的外周GMR元件12-1～12-N形成环状的闭合路径。另外，如上所述，在电流测定装置1中，能够根据GMR元件12-1～12-N的磁阻变化而检测在导体13中流动被检测电流时产生的磁场。因此，按照安培法则，通过对GMR元件12-1～12-N的电阻值的变化进行乘法运算，能够算出在导体13中流动的被检测电流的大小。
其次，对运算处理的具体例进行说明。在本实施方式中，按照下述关系式(2)算出GMR元件12-1～12-N的电阻值的变化。下述关系式(2)表示通过对由GMR元件12-1～12-N检测的磁场强度进行积分，从而算出在导体13中流动的电流。另外，能够从下述关系式(2)导出下述关系式(3)及下述关系式(4)。由下述关系式(3)可知，对由GMR元件12-1～12-N检测出的磁场强度进行乘法运算，从而能够检测在导体13中流动的电流。进而由下述关系式(4)可知，根据GMR元件12-1～12-N中的自由磁性层20的磁化方向的变化，能够检测在导体13流动的电流的大小。
[式1]
Figure BDA00002128432300091
式(2)
Figure BDA00002128432300092
式(3)
Figure BDA00002128432300093
式(4)
(在式(2)～式(4)中，H表示磁场向量。)
需要说明的是，GMR元件列12未必配设为环状，只要以包围导体13周围的方式(不需要至完全包围)配设即可，没有特别限定。例如，如图7(A)所示，即使在GMR元件列12在导体13的周围配置为非对称(包含倾斜的形状)的环状、及/或导体13没有配置在GMR元件列的中心的情况下，由于在导体13周围形成通过GMR元件列12所实现的闭合路径，因此，能够测定在导体13中流动的被检测电流。另外，如图7(B)所示，GMR元件列12可以配置为俯视下矩形状。
固定磁性层18的磁化方向D1优选被固定为例如在GMR元件12-1～12-N的各个位置从导体13的延伸方向观察时相同的方向。通过如此固定磁化方向D1，从而通过在导体13中流动被检测电流而产生的磁场，使自由磁性层20的磁化方向相对于固定磁性层18的磁化方向变化为大致同一方向。因此，能够降低各个GMR元件12-1～12-N的相对于导体13中心的磁化角度变化的不均，能够减小被检测电流的检测灵敏度差。
其次，对如上构成的电流测定装置1的检测动作进行说明。当对在导体13中流动的被检测电流进行检测之际，对图3所示的运算部21的端子26施加电压。在该状态下，通过使被检测电流在导体13中流动，从而在导体13的周围产生磁场。根据该磁场而使GMR元件12-1～12-N的自由磁性层20的磁化方向分别变化，GMR元件12-1～12-N的磁阻变化。在此，由于GMR元件12-1～12-N电串联连接，因此，作为GMR元件12-1～12-N所构成的GMR元件列12整体的磁阻成为可变电阻22的电阻值。如此，作为GMR元件列12整体的磁阻成为可变电阻22的电阻值，在桥式电路的固定电阻24及固定电阻25侧检测到的电压和在可变电阻22及固定电阻23侧检测到的电压发生变化而产生电压差。通过利用检测部27检测该电压差，从而能够测定被检测电流的大小。
如此，在本实施方式中，在导体13的周围呈环状地配置有多个GMR元件12-1～12-N，并以由GMR元件12-1～12-N构成串联的可变电阻22的方式连接，从而能够根据固定磁性层18的磁化方向和自由磁性层20的磁化方向的磁化角度的变化通过磁阻的变化而测定被检测电流的大小。从而，即使不设置加法运算电路等，也能够对GMR元件12-1～12-N的输出进行乘法运算，从而实现高灵敏度的电流测定装置。另外，在本实施方式中，由于元件结构基于安培法则设定，因此，即使导体13和配设为环状的多个GMR元件12-1～12-N之间的位置(距离)稍有偏差，也能够正确地测定被测定电流的大小。
其次，参照图8(A)～(D)对GMR元件12-1～12-N的制造方法进行说明。图8(A)～(D)是GMR元件12-1～12-N的制造工序的局部剖视图。首先，在基板11上的整个面上通过溅射法等依次层叠种子层16、反铁磁性层17、固定磁性层18、非磁性层19、自由磁性层20而形成层叠体28(图8(A))。其次，在自由磁性层20上设置抗蚀剂层(未图示)，在形成GMR元件12-1～12-N的部分形成抗蚀剂层的图案。抗蚀剂层的图案形成通过曝光、显影来完成。
其次，通过离子研磨等干式蚀刻来除去层叠体28的被抗蚀剂层覆盖以外的部分(图8(B))。其次，通过溅射法等，形成导电体14而除去抗蚀剂层(图8(C))。通过以上工序形成GMR元件12-1～12-N。
其次，对GMR元件12-1～12-N的固定磁性层18的磁化方向的固定进行说明。固定磁性层18的磁化方向的固定通过在形成层叠体28后，在磁场中进行退火处理而进行。在退火处理中，在反铁磁性层17和固定磁性层18之间产生交换耦合磁场，固定磁性层18的磁化方向被固定。自由磁性层20的磁化方向受到固定磁性层18的磁化方向的影响，在没有外部磁场的状态下，成为与固定磁性层18的磁化方向相同的方向。另外，在自由磁性层20与反铁磁性层17之间不产生交换耦合磁场，自由磁性层20隔着非磁性层19层叠在固定磁性层18上，因此，磁化方向容易变化。需要说明的是，退火处理在至少图8(A)～(C)所示的任一工序中进行即可。
在本实施方式中，如图1所示，由于将固定磁性层18的磁化方向固定为环状方向，因此，在形成GMR元件12-1～12-N的元件结构后，在与导体13相同的位置设置磁场产生用电线，在向该磁场产生用电线通电的同时进行退火处理。如此一来，通过在向磁场产生用电线通电的同时进行退火处理，从而，向沿着配设为环状的GMR元件12-1～12-N的环状方向通过电流而形成环状的磁场。因此，能够将固定磁性层18的磁化方向进行固定为沿着向磁场产生用电线通电而产生的磁场的方向。需要说明的是，退火处理的温度例如为270℃左右。另外，可以在配置为环状的GMR元件列12的周围卷绕螺线管线圈而固定GMR元件12-1～12-N的磁化方向。在该情况下，例如，在匝数为1万圈/m的螺线管线圈中通过电流1A，且同时进行温度270℃、1.5小时的退火处理，从而能够固定固定磁性层18的磁化方向。
需要说明的是，作为GMR元件12-1～12-N的层叠结构，至少GMR元件12-1～12-N的自由磁性层20在各个GMR元件12-1～12-N之间离开配置即可，例如，可以为图8(D)所示的层叠结构。在图8(D)所示的例子中，种子层16、反铁磁性层17、固定磁性层18及非磁性层19在相邻接的GMR元件12-1、12-2、12-3之间作为同一层而共有，自由磁性层20相邻接的每个GMR元件12-1、12-2、12-3以相离开的方式层叠。通过如此形成GMR元件12-1～12-N，能够不形成导电体14地电串联连接GMR元件12-1～12-N。
图8(D)所示的GMR元件12-1～12-N以如下方式制造。首先，在基板11上依次形成种子层16、反铁磁性层17、固定磁性层18及非磁性层19。其次，在非磁性层19上形成抗蚀剂层(未图示)，通过曝光、显影自由磁性层20形成部位(GMR元件12-1、12-2、12-3形成部位)来进行图案形成。其次，通过形成自由磁性层20并除去抗蚀剂层，从而能够制造图8(D)所示的GMR元件12-1～12-N。通过如此制造，能够简化GMR元件12-1～12-N的制造工序。
(第二实施方式)
其次，对本发明的第二实施方式进行说明。图9是本发明的第二实施方式涉及的电流测定装置的俯视图。需要说明的是，在以下的说明中，以与图1所示的电流测定装置1的不同点为中心进行说明。
如图9所示，本实施方式涉及的电流测定装置2具备：具有大致圆形的中央部开口31a的基板31；在基板31中央部开口31a的外缘形成为环状的导电层32；在导电层32上分别离开设置的多个GMR元件33-1～33-N。供被检测电流流动的导体34以贯通基板31的中央部开口31a的方式设置。位于GMR元件33-1～33-N的一端侧的GMR元件33-1与电极垫35a连接，位于另一端侧的GMR元件33-Nu与电极垫35b连接。如此一来，在本实施方式中，GMR元件33-1～33-N在导体34的周围呈环状配置，经由共同的导电层32电串联连接而构成GMR元件列33。
在本实施方式中，GMR元件33-1～33-N被固定成磁性层的磁化方向朝向导体34侧(中央部)(参照图9的箭头)。通过如此对固定磁性层的磁化方向进行固定，从而使在导体34流过电流之际导体周围产生的磁场方向与固定磁性层的磁化方向正交，因此，能够使自由磁性层的磁化角度变大，能够提高检测灵敏度。需要说明的是，GMR元件33-1～33-N的固定磁性层的磁化方向可以被固定成从导体34的中央部朝向放射方向。
其次，参照图10(A)对电流测定装置2的GMR元件33-1～33-N的层叠结构进行说明。需要说明的是，在图10(A)中，示出了抽出一部分后的GMR元件33-1、33-2的层叠结构。如图10(A)所示，GMR元件33-1、33-2具备：设置在基板31上的导电层32、设置在导电层32上的种子层36、设置在种子层36上的反铁磁性层37、设置在反铁磁性层37上的固定磁性层38、设置在固定磁性层38上的非磁性层39、设置在非磁性层39上的自由磁性层40。另外，GMR元件33-1、33-2各层分别离开配置，并经由导电层32而电连接。需要说明的是，可以在导电层32和种子层36之间设置基底层，也可以在自由磁性层40上设置保护层。另外，如图8(D)所示，GMR元件33-1～33-N的层叠结构可以构成为仅使自由磁性层40在GMR元件33-1～33-N之间分离。
其次，对GMR元件33-1～33-N的制造方法进行说明。首先，在基板31的整个面上依次层叠导电层32、种子层36、反铁磁性层37、固定磁性层38、非磁性层39及自由磁性层40(图10(B))。其次，在自由磁性层40上形成抗蚀剂层(未图示)，通过对抗蚀剂层进行曝光、显影而在GMR元件33-1～33-N的形成部位进行图案形成。然后，通过蚀刻除去导电层32、种子层36、反铁磁性层37、固定磁性层38、非磁性层39及自由磁性层40及抗蚀剂层而制造。
在本实施方式中，通过在施加磁场的同时成膜，从而以朝向导体34侧的方式使固定磁性层38的磁化方向固定。图11(A)是表示成膜工序中的磁场施加的一例的示意图，(B)是(A)的A-A线向视剖视图。如图11(A)所示，在成膜工序中，例如在使用电磁铁41施加磁场的同时，固定GMR元件31-1～31-N的固定磁性层38的磁化方向。该电磁铁41具备：设置在形成为圆环状的GMR元件列33外周侧的环状的外部电极42(例如，S极)和设置在GMR元件列33内侧的内部电极43(例如，N极)。另外，如图11(B)所示，在GMR元件列33的下表面侧设有线圈44a、44b，通过在该线圈44a、44b中流过电流，以横切GMR元件列33的方式在外部电极42和内部电极43之间产生磁场M2。通过如此使用电磁铁41来施加磁场M2，并在磁场中成膜GMR元件33-1～33-N，从而能够使固定磁性层38的磁化方向朝向导体34侧。
需要说明的是，在上述实施方式中，对在基板上配设GMR元件的实施方式进行了说明，但GMR元件也可以配设在基板以外的部位。图12是表示GMR元件的其他配置例的图。在图12所示的例子中，在矩形形状的弹性体51上直线地配置多个GMR元件52-1～52-N而构成GMR元件列52。通过如此在直线上形成多个GMR元件52-1～52-N，从而能够将固定磁性层的磁化方向朝向一个方向固定，进而能够容易地制造GMR元件52-1～52-N。
其次，参照图13对使用了配置在图12所示的弹性体51上的GMR元件52-1～52-N的电流测定装置进行说明。图13是表示本实施方式涉及的电流测定装置的其他结构例的图。如图13所示，在本例中，通过以包围导体53的周围的方式使弹性体51变形而配置，从而能够与上述的电流测定装置1、2同样地将GMR元件52-1～52-N配置为环状。因此，可以使用在一样的磁场中制造的固定磁性层的磁化方向被固定为一个方向的GMR元件52-1～52-N，从而能够容易地制造电流测定装置。需要说明的是，GMR元件52-1～52-N可以设置导电体而电连接，也可以使用导电性的弹性体而电连接。
图14是表示本实施方式涉及的电流测定装置的其他结构例的图。如图14所示，在本例中，在截面矩形形状的导体54的周围配置四个弹性体51而构成电流测定装置。以在导体54的外周与导体54的各边对应的方式，在弹性体51上配置以直线状设置的GMR元件52-1～52-N。通过如此配置，可以使用在一样的磁场中制造的固定磁性层的磁化方向被固定为一个方向的GMR元件52-1～52-N，从而能够容易地构成电流测定装置。
需要说明的是，作为弹性体51，只要是能够在GMR元件52-1～52-N之间进行电连接，并能够弹性变形的物质即可，并没有特别限定，可以使用聚酰胺等。
图15是表示图1所示的电流测定装置1的GMR元件12-1～12-N的其他层叠结构的图。在本例中，除图2所示的GMR元件12-1～12-N的层叠结构之外，在自由磁性层20上经由绝缘层61而设有导电层62。该导电层62经由GMR元件列12的另一端侧的导电体14n及导电层63与GMR元件12-N的各层电连接。通过如此层叠，构成为使在GMR元件12-1～12-N的各层向D3方向流动的电流从导电层62向D4方向流动。
在本实施方式中，通过在GMR元件12-1～12-N沿D3方向流动电流而产生磁场。利用该磁场而使自由磁性层20的磁化方向变化。在本例中，设置导电层62而使在GMR元件12-1～12-N中流动的电流向与D3方向相反的D4方向流动，从而产生反向的磁场。因此，沿D3方向流过电流而产生的磁场与沿D4方向流过电流而产生的磁场相抵，从而能够降低自由磁性层20的磁化方向的变化，实现检测灵敏度高的电流测定装置。
其次，参照图16(A)～(C)对图15所示的GMR元件12-1～12-N的制造方法进行说明。首先，通过溅射法等在GMR元件12-1～12-N上的整个面(包括导电体14、14n)上形成绝缘层61(图16(A))。其次，在绝缘层61上形成抗蚀剂层(未图示)，通过图案形成而除去GMR元件列12另一端的导电体14n上的抗蚀剂层。其次，利用干式蚀刻等除去导电体14n上的绝缘层61(图16(B))。其次，通过溅射法等，同时实施在绝缘层61上形成导电层62以及在导电体14n上形成导电层63而进行制造(图16(C))。
需要说明的是，在上述实施方式中，对使用GMR元件的实施方式进行了说明，但被检测电流的测定只要是磁阻效应元件即可，没有特别的限定。例如，可以使用MR元件、TMR元件等。其中，优选使用相对于所需的方向具有高的磁场灵敏度且相对于检测对象以外的方向具有低的磁场灵敏度的GMR元件、TMR元件等。另外，作为GMR元件，优选使用由具有反铁磁性层、固定磁性层、非磁性层、自由磁性层的多层膜结构的自旋阀型GMR元件等。
如以上说明那样，根据本实施方式，通过在导体的周围以环状配置GMR元件，从而通过检测各个GMR元件的磁阻，能够测定在导体流动的被检测电流的大小。特别是，在本实施方式中，根据成为检测对象的电流的大小而将GMR元件的固定磁性层的磁化角度固定为规定的方向，从而能够调整固定磁性层的磁化方向和自由磁性层的磁化方向的磁化角度，进而能够调整检测灵敏度。另外，通过使用GMR元件，从而能够在大范围内检测磁场的变化，因此，能够扩大电流测定装置的检测范围。进而，通过使用GMR元件，从而即使相对于与磁场方向正交的方向也能够获得高的检测灵敏度，因此，与使用霍尔元件的情况相比，能够实现电流测定装置的小型化。
另外，GMR元件通过溅射法等直接形成在基板上，因此，能够容易地制造电流测定装置。进而，通过在GMR元件的自由磁性层上表面形成导体层，使电流在该导体层反向流动，从而能够使伴随向种子层通电而产生的磁场被与反向的磁场相抵，从而能够提高检测灵敏度。
本发明没有限定于上述实施方式，可以实施各种变更。另外，上述实施方式中的材料、磁传感器的配置位置、厚度、大小、制法等可以实施适当变更。此外，本发明可以在不脱离本发明的范围内适当变更而实施。
产业上的可利用性
本发明能够适用于检测电动机动车的电动机驱动用的电流值或太阳能电池的电流值的电流测定装置等。
本申请基于2010年3月12日申请的日本特愿2010-056152。其内容全部包含于此。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.(修改后)一种电流测定装置，其具备多个磁阻效应元件和运算机构，所述磁阻效应元件具有磁化方向被固定的固定磁性层和通过外部磁场使磁化方向变化的自由磁性层，所述运算机构根据所述多个磁阻效应元件的输出求出被检测电流的大小，所述电流测定装置的特征在于，
所述多个磁阻效应元件在供被检测电流流动的导体周围排列成环状，并且以由所述多个磁阻效应元件构成串联的可变电阻的方式进行电连接，所述固定磁性层的磁化方向被固定成在所述多个元件的各自位置从导体所延伸的方向观察时相同的方向。
2.(删除)
3.根据权利要求1所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件中的所述固定磁性层的磁化方向被固定成所述各磁阻效应元件以环状相连而成的环状方向。
4.根据权利要求1所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件的所述固定磁性层的磁化方向被固定成朝向所述导体中央部。
5.根据权利要求1所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件的所述固定磁性层的磁化方向被固定成从所述导体中央部朝向放射方向。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件设置在共用的导电体上。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件形成在弹性体上，并以包围所述导体周围的方式配置成使所述弹性体变形。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件具备隔着绝缘层设置在所述自由磁性层上的导电层，使在所述多个磁阻效应元件中流动的电流从所述导电层反向回流。

Claims (8)

1.一种电流测定装置，其具备多个磁阻效应元件和运算机构，所述磁阻效应元件具有磁化方向被固定的固定磁性层和通过外部磁场使磁化方向变化的自由磁性层，所述运算机构根据所述多个磁阻效应元件的输出求出被检测电流的大小，所述电流测定装置的特征在于，
所述多个磁阻效应元件在供被检测电流流动的导体周围排列成环状，并且以由所述多个磁阻效应元件构成串联的可变电阻的方式进行电连接。
2.根据权利要求1所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件的所述固定磁性层的磁化方向被固定成在所述多个元件的各自位置从导体所延伸的方向观察时相同的方向。
3.根据权利要求1所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件中的所述固定磁性层的磁化方向被固定成所述各磁阻效应元件以环状相连而成的环状方向。
4.根据权利要求1所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件的所述固定磁性层的磁化方向被固定成朝向所述导体中央部。
5.根据权利要求1所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件的所述固定磁性层的磁化方向被固定成从所述导体中央部朝向放射方向。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件设置在共用的导电体上。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件形成在弹性体上，并以包围所述导体周围的方式配置成使所述弹性体变形。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的电流测定装置，其特征在于，
所述多个磁阻效应元件具备隔着绝缘层设置在所述自由磁性层上的导电层，使在所述多个磁阻效应元件中流动的电流从所述导电层反向回流。
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