CN102812376A - 磁性传感器和使用磁性传感器的磁性平衡式电流传感器 - Google Patents

磁性传感器和使用磁性传感器的磁性平衡式电流传感器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种能够抑制由固定电阻元件引起的AMR效应的发生的磁性传感器以及在环境温度产生了变化时能够得到十分稳定的输出特性的磁性平衡式电流传感器。本发明的磁性传感器的特征在于，由通过来自被测量电流的感应磁场的施加而使电阻值变化的磁性电阻效应元件和固定电阻元件构成，固定电阻元件具有介由反平行耦合膜(54)使第1强磁性膜(53)和第2强磁性膜(55)反强磁性地耦合而构成的自销止型的强磁性固定层，反平行耦合膜(54)是具有反强磁性耦合效应的第1峰值的厚度的Ru膜，第1强磁性膜(53)和第2强磁性膜(55)的磁化量的差实质上是零。

Description

磁性传感器和使用磁性传感器的磁性平衡式电流传感器
技术领域
本发明涉及一种磁性传感器和使用它的磁性平衡式电流传感器。
背景技术
在电动汽车中，使用由发动机发电的电力来驱动电动机，该电动机驱动用的电流的大小，例如通过电流传感器进行检测。作为该电流传感器，是在导体的周围配置有在一部分上具有切口(磁芯间隙)的磁芯并在该磁芯间隙内配置了磁性检测元件的传感器。
作为电流传感器的磁性检测元件，使用包括磁化方向被固定的固定磁性层、非磁性层、以及磁化方向相对外部磁场进行变动的自由磁性层的层叠结构的磁性电阻效应元件(GMR元件、TMR元件)等。在这样的电流传感器中，由磁性电阻效应元件和固定电阻元件构成全桥式电路。在该情况下，公开了具有将磁性电阻效应元件的自由磁性层和非磁性层的层叠顺序进行改换的膜构成以及使用通过反强磁性材料来将强磁性层的磁化进行固定之类型的固定电阻元件(专利文献1、专利文献2)。通过这样的构成，能够使磁性电阻效应元件和固定电阻元件之间的电气电阻或者TCR(Temperature Coefficient Resistivity：电阻温度系数)均一致，即使环境温度变化，也能够得到某种程度稳定的输出特性。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2007-248054号公报
专利文献2：日本特开2007-263654号公报。
发明内容
发明所要解决的课题
但是，在上述专利文献的固定电阻元件中，使用反强磁性材料，用膜厚0.75nm～0.95nm(第2峰值)的Ru膜(反平行耦合膜)使上下的强磁性膜(Pin1，Pin2)进行反强磁性耦合。在该情况下，由于在用于反平行耦合膜的Ru上使用了第2峰值的膜厚，因此不能够使Pin1和Pin2之间的反强磁性耦合变成足够地大。因此，Pin1、Pin2变成通过外部磁场而易于移动的AMR效应(各向异性磁性电阻效应)。对于固定电阻元件，理想的是：即使外部磁场变化，电阻值也是恒定的；当AMR效应大时，不能够得到稳定的输出特性。因此，希望有能够抑制由外部磁场所产生的AMR效应的磁性传感器。
本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于，提供一种能够抑制由固定电阻元件引起的AMR效应的发生的磁性传感器以及提供一种在环境温度变化了时能得到十分稳定的输出特性的磁性平衡式电流传感器。
用于解决课题的手段
本发明的磁性传感器，是由通过来自被测量电流的感应磁场的施加而使电阻值变化的磁性电阻效应元件和固定电阻元件构成的磁性传感器，其特征在于，所述固定电阻元件具有介由反平行耦合膜使第1强磁性膜和第2强磁性膜反强磁性地耦合而构成的自销止(セルフピン止め)型的强磁性固定层，所述反平行耦合膜是具有反强磁性耦合效应的第1峰值的厚度的Ru膜，所述第1强磁性膜和所述第2强磁性膜的磁化量的差实质上是零。
根据该构成，由于自销止型的强磁性固定层的反平行耦合膜是具有反强磁性耦合效应的第1峰值的厚度的Ru膜，第1强磁性膜和第2强磁性膜的磁化量的差实质上是零，因此能够抑制由固定电阻元件引起的AMR效应的产生。
优选地，在本发明的磁性传感器中，所述磁性电阻效应元件具有介由反平行耦合膜使第1强磁性膜和第2强磁性膜反强磁性地耦合而构成的自销止型的强磁性固定层、非磁性中间层和软磁性自由层，所述第1强磁性膜和所述第2强磁性膜的居里温度是大致相同的，并且磁化量的差实质上是零。
优选地，在本发明的磁性传感器中，所述第1强磁性膜由包含40原子％～80原子％的Fe的CoFe合金构成，所述第2强磁性膜由包含0原子％～40原子％的Fe的CoFe合金构成。
本发明的磁性平衡式电流传感器，其特征在于，具有上述磁性传感器，还具备：磁场检测桥式电路，其包括用于产生与所述感应磁场相应的电压差的两个输出；反馈线圈，其被配置在所述磁性电阻效应元件的附近，并且产生用于相抵所述感应磁场的抵消磁场；以及磁屏蔽物，其使所述感应磁场衰减，并且增强所述抵消磁场，由所述电压差而给所述反馈线圈通电，基于在变成所述感应磁场和所述抵消磁场被相抵的平衡状态时的所述反馈线圈中所流过的电流，测量所述被测量电流。
根据该构成，由于使用具有抑制了AMR效应之产生的固定电阻元件的磁性传感器，因此能够获得十分稳定的输出特性。
优选地，在本发明的磁性平衡式电流传感器中，所述反馈线圈、所述磁屏蔽物和所述磁场检测桥式电路被形成在同一基板上。
优选地，在本发明的磁性平衡式电流传感器中，所述反馈线圈被配置在所述磁屏蔽物和所述磁场检测桥式电路之间，所述磁屏蔽物被配置在靠近所述被测量电流的一侧。
优选地，在本发明的磁性平衡式电流传感器中，所述磁性电阻效应元件，具有将多个带状的长尺寸图案进行折叠而构成的形状，上述多个带状的长尺寸图案被配置为其长度方向变成相互平行，所述感应磁场和所述抵消磁场使得沿着与所述长度方向正交的方向被施加。
优选地，在本发明的磁性平衡式电流传感器中，所述磁屏蔽物，由从由非晶磁性材料、坡莫合金系磁性材料以及铁系微结晶材料构成的组中选择的高导磁率材料构成。
发明效果
本发明的磁性传感器，由通过来自被测量电流的感应磁场的施加而使电阻值变化的磁性电阻效应元件和固定电阻元件构成，所述固定电阻元件具有介由反平行耦合膜使第1强磁性膜和第2强磁性膜反强磁性地耦合而构成的自销止型的强磁性固定层，所述反平行耦合膜是具有反强磁性耦合效应的第1峰值的厚度的Ru膜，所述第1强磁性膜和所述第2强磁性膜的磁化量的差实质上是零，因此能够抑制由固定电阻元件引起的AMR效应的发生。
附图说明
图1是表示本发明实施方式的磁性平衡式电流传感器的示意图。
图2(a)是表示本发明实施方式的磁性平衡式电流传感器的示意图，图2(b)是表示图2(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图3是表示图1所示的磁性平衡式电流传感器的剖面图。
图4是表示本发明的磁性传感器的磁性电阻效应元件的膜构成的一个例子的示意图。
图5是表示本发明的磁性传感器的固定电阻元件的膜构成的一个例子的示意图。
图6(a)是表示图2所示的磁性平衡式电流传感器的电流测量状态的示意图，图6(b)是表示图6(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图7(a)是表示图2所示的磁性平衡式电流传感器的电流测量状态的示意图，图6(b)是表示图6(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图8是表示本发明实施方式的磁性平衡式电流传感器中的磁性电阻效应元件的R-H曲线的示意图。
图9(a)、(b)是表示本发明实施方式的磁性传感器的AMR效应的示意图。
图10(a)是表示本发明实施方式的磁性平衡式电流传感器的其他例子的示意图，图10(b)是表示图10(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图11(a)是表示图10所示的磁性平衡式电流传感器的电流测量状态的示意图，图11(b)是表示图11(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图12(a)是表示图10所示的磁性平衡式电流传感器的电流测量状态的示意图，图12(b)是表示图12(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图13(a)是表示本发明实施方式的磁性平衡式电流传感器的其他例子的示意图，图13(b)是表示图13(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图14(a)是表示图13所示的磁性平衡式电流传感器的电流测量状态的示意图，图14(b)是表示图14(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图15(a)是表示图13所示的磁性平衡式电流传感器的电流测量状态的示意图，图15(b)是表示图15(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，详细说明本发明的实施方式。
图1和图2(a)是表示本发明的实施方式的磁性平衡式电流传感器的示意图。在本实施方式中，图1和图2(a)所示的磁性平衡式电流传感器被配设在被测量电流I流过的导体11的附近。该磁性平衡式电流传感器包括反馈电路12，其产生用于对由在导体11中流动的被测量电流I引起的感应磁场进行消除的磁场(抵消(cancellation)磁场)。该反馈电路12具有：在用于对由被测量电流I产生的磁场进行消除的方向上所卷绕的反馈线圈121；三个固定电阻元件122a～122c；和一个磁性电阻效应元件123。
反馈线圈121由平面线圈构成。在该构成中，由于没有磁芯，因此能够以低成本制作反馈线圈。此外，与环形线圈的情况相比，能够防止从反馈线圈产生的抵消磁场扩大到大范围，能够避免对周边电路施与影响。而且，与环形线圈的情况相比，在被测量电流是交流的情况下，由反馈线圈引起的抵消磁场的控制是容易的，由于控制而流过的电流也不那么大。在被测量电流为交流时，越是变成高频，这些效果变得越大。在反馈线圈121由平面线圈构成的情况下，优选地，设置平面线圈使得在与平面线圈的形成面平行的面内产生感应磁场和抵消磁场这两者。
磁性电阻效应元件123，通过来自被测量电流I的感应磁场的施加而改变电阻值。由该一个磁性电阻效应元件123和固定电阻元件122a～122c构成磁场检测桥式电路。这样，通过使用具有磁性电阻效应元件的磁场检测桥式电路，能够实现高灵敏度的磁性平衡式电流传感器。
该磁场检测桥式电路，包括用于产生与由被测量电流I产生的感应磁场相应的电压差的两个输出。在图2(b)所示的磁场检测桥式电路中，电源Vdd被连接在固定电阻元件122a、122b之间的连接点上，固定电阻元件122c和磁性电阻效应元件123之间的连接点连接到地(GND)。而且，在该磁场检测桥式电路中，从固定电阻元件122a、122c之间的连接点取出一个输出(Out 1)，从固定电阻元件122b和磁性电阻效应元件123之间的连接点取出另一个输出(Out2)。这两个输出由放大器124放大，作为电流(反馈电流)施与反馈线圈121。该反馈电流对应于与感应磁场相应的电压差。此时，在反馈线圈121上产生用于相抵感应磁场的抵消磁场。然后，基于在变成感应磁场和抵消磁场被相抵的平衡状态时的反馈线圈121中所流过的电流，由检测部(检测电阻R)测量被测量电流。
图3是表示图1所示的磁性平衡式电流传感器的剖面图。如图3所示，在本实施方式的磁性平衡式电流传感器中，反馈线圈、磁屏蔽物和磁场检测桥式电路被形成在相同的基板21上。在图3所示的构成中，反馈线圈被配置在磁屏蔽物和磁场检测桥式电路之间，磁屏蔽物被配置在靠近被测量电流I的一侧。即，从靠近导体11的一侧开始以磁屏蔽物、反馈线圈、磁性电阻效应元件的顺序进行配置。通过这样，能够使磁性电阻效应元件距导体11最远，能够使由被测量电流I施加在磁性电阻效应元件上的感应磁场变小。此外，由于能够使磁屏蔽物最接近导体11，因此能够使感应磁场的衰减效果更高。因此，能够使来自反馈线圈的抵消磁场变小。
对于图3所示的层构成，详细地进行说明。在图3所示的磁性平衡式电流传感器中，在基板21上形成作为绝缘层的热硅氧化膜22。在热硅氧化膜22上形成了铝氧化膜23。铝氧化膜23能够由例如溅射等方法来成膜。此外，作为基板21，使用硅基板等。
在铝氧化膜23上形成了固定电阻元件122a～122c、磁性电阻效应元件123，并装入磁场检测桥式电路。作为磁性电阻效应元件123，能够使用TMR元件(隧道型磁性电阻效应元件)、GMR元件(巨大磁性电阻效应元件)等。对于本发明的磁性平衡式电流传感器中使用的磁性电阻效应元件和固定电阻元件的膜构成，后述。
作为磁性电阻效应元件，如图2(a)的放大图所示，优选地，是具有将多个带状的长尺寸图案(长条(stripe))进行折叠而构成的形状(弯曲形状)的GMR元件，上述多个带状的长条图案配置为其长度方向变成相互平行。在该弯曲形状中，灵敏度轴方向(Pin方向)是对长尺寸图案的长度方向(长条长度方向)正交的方向(长条宽度方向)。在该弯曲形状中，感应磁场和抵消磁场沿着与长条长度方向正交的方向(长条宽度方向)施加。
在该弯曲形状中，当考虑到线性时，优选销(Pin)方向的宽度是1微米～10微米。在该情况下，当考虑到线性时，希望长度方向对感应磁场的方向和抵消磁场的方向均变成垂直。通过成为这样的弯曲形状，能够以比霍尔元件更少的端子数(2端子)来采集磁性电阻效应元件的输出。
此外，在铝氧化膜23上形成电极24。电极24能够在将电极材料成膜之后通过光刻和蚀刻而形成。
在形成了固定电阻元件122a～122c、磁性电阻效应元件123和电极24的铝氧化膜23上，形成聚酰亚胺层25作为绝缘层。聚酰亚胺层25能够通过涂覆并硬化聚酰亚胺材料而形成。
在聚酰亚胺层25上形成硅氧化膜27。硅氧化膜27例如能够通过溅射等方法来成膜。
在硅氧化膜27上形成反馈线圈121。反馈线圈121能够在将线圈材料成膜之后，通过光刻和蚀刻来形成。或者，反馈线圈121能够在将基底材料成膜之后，通过光刻和镀敷来形成。
此外，在硅氧化膜27上，在反馈线圈121的附近形成线圈电极28。线圈电极28能够在将电极材料成膜之后通过光刻和蚀刻而形成。
在形成了反馈电极121和线圈电极28的硅氧化膜27上形成聚酰亚胺层29作为绝缘层。聚酰亚胺层29能够通过涂覆并硬化聚酰亚胺材料而形成。
在聚酰亚胺层29上形成磁屏蔽物30。作为构成磁屏蔽物30的材料，能够使用非晶磁性材料、坡莫合金系磁性材料、或者铁系微结晶材料等高导磁率材料。
在聚酰亚胺层29上形成硅氧化膜31。硅氧化膜31例如能够通过溅射等方法而成膜。在聚酰亚胺层29和硅氧化膜31的预定区域(线圈电极28的区域和电极24的区域)上形成接触孔(contact hole)，在该接触孔中分别形成电极焊盘32、26。在接触孔的形成时，使用光刻和蚀刻等。电极焊盘32、26能够在将电极材料成膜之后通过光刻和镀敷来形成。
在具有这样的构成的磁性平衡式电流传感器中，如图3所示，由磁性电阻效应元件接受从被测量电流I产生的感应磁场A，将该感应磁场进行反馈，从反馈线圈121中产生抵消磁场B，进行合适地调整使得通过将两个磁场(感应磁场A、抵消磁场B)进行相抵，使施加在磁性电阻效应元件121上的磁场变成零。
在本发明的磁性平衡式电流传感器中，如图3所示，与反馈线圈121相邻而具有磁屏蔽物30。磁屏蔽物30能够使从被测量电流I中产生的被施加在磁性电阻效应元件上的感应磁场衰减(在磁性电阻效应元件中感应磁场A的方向和抵消磁场B的方向为相反方向)，并且能够增强来自反馈线圈121的抵消磁场B(在磁屏蔽物中感应磁场A的方向和抵消磁场B的方向为相同方向)。因此，由于磁屏蔽30起作为磁轭的作用，因此能够使反馈线圈121上流过的电流变小，能够谋求省电。此外通过该磁屏蔽物30，能够使外部磁场的影响减小。
具有上述构成的磁性平衡式电流传感器，作为磁性检测元件，使用具有磁性电阻效应元件特别地为GMR元件或者TMR元件的磁场检测桥式电路。通过它，能够实现高灵敏度的磁性平衡式电流传感器。此外，具有上述构成的磁性平衡式电流传感器，由于在同一基板上形成反馈线圈121、磁屏蔽物30和磁场检测桥式电路，因此能够谋求小型化。而且，该磁性平衡式电流传感器由于是没有磁芯的构成，因此能够谋求小型化、低成本化。
本发明中使用的磁性电阻效应元件的膜构成例如是图4所示的构成。即，磁性电阻效应元件，如图4所示，具有在基板41上所设置的层叠结构。而且，在图4中，为了使说明简单，基板41上图示省略磁性电阻效应元件以外的基底层等。磁性电阻效应元件包括：籽晶层42、第1强磁性膜43、反平行耦合膜44、第2强磁性膜45、非磁性中间层46、软磁性自由层(自由磁性层)47、以及保护层48。在磁性电阻效应元件中，第1强磁性膜43是Pin1，第2强磁性膜45是Pin2。
籽晶层42由NiFeCr或者Cr等构成。保护层48由Ta等构成。而且，在上述层叠结构中，在基板41和籽晶层42之间，可以设置由例如Ta、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo、W当中的至少一个元素等的非磁性材料构成的基底层。
在该磁性电阻效应元件中，介由反平行耦合膜44，使第1强磁性膜43和第2强磁性膜45反强磁性地耦合，构成所谓的自销止型的强磁性固定层(SFP：Synthetic Ferri Pinned层，合成含铁销止层)。
在该强磁性固定层中，通过使反平行耦合膜44的厚度成为0.3nm～0.45nm或者0.75nm～0.95nm，能够在第1强磁性膜43和第2强磁性膜45之间造成强的反强磁性耦合。
此外，第1强磁性膜43的磁化量(Ms·t)和第2强磁性膜45的磁化量(Ms·t)实质上是相同的。即，在第1强磁性膜43和第2强磁性膜45间，磁化量的差实质上是零。为此，SFP层的有效的各向异性磁场大。因此，即使不使用反强磁性材料，也能够充分地确保强磁性固定层(Pin层)的磁化稳定性。这是因为，在将第1强磁性膜的膜厚设为t1，将第2强磁性膜的膜厚设为t2，将两层的每个单位体积的磁化和感应磁性各向异性常数分别设为Ms、K时，SFP层的有效的各向异性磁场由下式(1)示出。
式(1)
eff Hk＝2(K·t1+K·t2)/(Ms·t1-Ms·t2)
因此，用于本发明的磁性平衡式电流传感器的磁性电阻效应元件具有没有反强磁性层的膜构成。
第1强磁性膜43的居里温度(Tc)和第2强磁性膜45的居里温度(Tc)是大致相同的。通过这样，即使在高温环境中，两膜43、45的磁化量(Ms·t)差也大致变成零，能够维持高的磁化稳定性。
第1强磁性膜43优选地由包含40原子％～80原子％的Fe的CoFe合金构成。这是因为，该组成范围的CoFe合金具有大的顽磁力，能够相对外部磁场稳定地维持磁化。此外，第2强磁性膜45优选地由包含0原子％～40原子％的Fe的CoFe合金构成。这是因为，该组成范围的CoFe合金具有小的顽磁力，相对第1强磁性膜43优先地进行磁化的方向，在反平行方向(180°不同方向)上变得容易磁化。其结果，能够使上述式(1)表示的Hk成为更大。此外，通过将第2强磁性膜45限定在该组成范围，能够使磁性电阻效应元件的电阻变化率变大。
优选地，第1强磁性膜43和第2强磁性膜45，在其成膜中在弯曲形状的长条宽度方向上被施加磁场，感应磁性各向异性被赋予到成膜后的第1强磁性膜43和第2强磁性膜45。通过这样，两膜43、45变成在长条宽度方向反平行地进行磁化。此外，第1强磁性膜43和第2强磁性膜45的磁化方向，由于由第1强磁性膜43的成膜时的磁场施加方向来决定，因此通过改变第1强磁性膜43的成膜时的磁场施加方向，能够在同一基板上形成具有磁化方向不同的强磁性固定层的多个磁性电阻效应元件。
强磁性固定层的反平行耦合膜44由Ru等构成。此外，软磁性自由层(自由层)47由CoFe合金、NiFe合金、CoFeNi合金等的磁性材料构成。此外，非磁性中间层46由Cu等构成。此外，软磁性自由层47，优选地，在其成膜中在弯曲形状的长条长度方向上被施加磁场，感应磁性各向异性被赋予到成膜后的软磁性自由层47。通过这样，在磁性电阻效应元件中，能够相对长条宽度方向的外部磁场(来自被测量电流的磁场)线性地进行电阻变化，能够使磁滞变小。在这样的磁性电阻效应元件中，通过强磁性固定层、非磁性中间层和软磁性自由层，采用自旋阀(spin valve)构成。
作为由本发明的磁性平衡式电流传感器使用的磁性电阻效应元件的膜构成的例子，例如是NiFeCr(籽晶层：5nm)/Fe70Co30(第1强磁性膜：1.65nm)/Ru(反平行耦合膜：0.4nm)/Co90Fe10(第2强磁性膜：2nm)/Cu(非磁性中间层：2.2nm)/Co90Fe10(软磁性自由层：1nm)/NiFe(软磁性自由层：7nm)/Ta(保护层：5nm)。对于这样的膜构成的磁性电阻效应元件，在研究R-H波形时，变成如图8所示，可知通过反强磁性膜，得到与用于对固定磁性层的磁化进行固定的类型的磁性电阻效应元件的R-H波形相同的特性。而且，对于图8所示的R-H波形，在通常测量的条件下求得。
本发明中使用的固定电阻元件的膜构成例如是图5所示的膜构成。即，固定电阻元件，如图5所示，具有基板51上所设置的层叠结构。而且，在图5中，为了使说明简单，基板51上图示省略固定电阻元件以外的基底层等。固定电阻元件包括：籽晶层52、第1强磁性膜53、反平行耦合膜54、第2强磁性膜55、第3强磁性膜58、非磁性层56、以及保护层57。在固定电阻元件中，第1强磁性膜53是Pin1，第2强磁性膜55是Pin2。
即，对于至籽晶层52、第1强磁性膜53、反平行耦合膜54、第2强磁性膜55，能够用与磁性电阻效应元件的籽晶层、第1强磁性膜、反平行耦合膜、第2强磁性膜相同的工艺，同时或者按顺序地形成。然后，代替将磁性电阻效应元件中的非磁性中间层形成在第2强磁性膜之上，设置与软磁性自由层47相当的第3强磁性膜58，并在其上形成非磁性层56，形成保护层57。或者，在第2强磁性膜之上不设置第3强磁性膜58，而形成非磁性层56，形成保护层57。在这样构成的固定电阻元件中，由于将磁性电阻效应元件的自由磁性层和非磁性层的层叠顺序进行改换，或者没有自由磁性层，因此变成难以发现GMR效应，变成固定层。
籽晶层52由NiFeCr或者Cr等构成。保护层57由Ta等构成。而且，在上述层叠结构中，在基板51和籽晶层52之间，可以设置由例如Ta、Hf、Nb、Zr、Ti、Mo、W当中的至少一个元素等的非磁性材料构成的基底层。此外，非磁性膜56由Cu等构成。
在该固定电阻元件中，介由反平行耦合膜54，使第1强磁性膜53和第2强磁性膜55反强磁性地耦合，构成所谓的自销止型的强磁性固定层(SFP：Synthetic Ferri Pinned层，合成含铁销止层)。
在该强磁性固定层中，将反平行耦合膜54设为具有反强磁性耦合效应的第1峰值(第1峰值)的厚度即0.3nm～0.45nm的Ru膜。通过这样，能够在第1强磁性膜53和第2强磁性膜55之间造成强的反强磁性耦合。
如现有技术的固定电阻元件那样，使用反强磁性材料，使用具有0.3nm～0.45nm的Ru膜，使第1强磁性膜53和第2强磁性膜55的反强磁性耦合变强也是可能的。在该情况下，在为了反强磁性层和第1强磁性膜53的交换耦合而进行退火时，抑制第1强磁性膜53和第2强磁性膜55的磁化分散，为了使磁化方向一致，需要在第1强磁性膜53和第2强磁性膜55上也施加完全饱和的磁场。但是，反平行耦合膜54是第1峰值的Ru膜，所述饱和磁场变成非常大的值(例如3T以上)。因此，存在需要一边施加强磁场一边能够退火的高额的装置的问题。此外，由于产生充分的交换耦合磁场，因此尽管退火温度300℃左右是必要的，但是，对于具有0.3nm～0.45nm的Ru膜的层叠膜，当进行这样的高温热处理时，通过Ru的层间扩散，第1强磁性膜53和第2强磁性膜55的反强磁性耦合恶化了。其结果，第1强磁性膜53和第2强磁性膜55通过外部磁场而变得容易移动，变得容易产生AMR效应。
在本发明的磁性传感器中，Ru膜的上下强磁性膜53、55的Ms·t的差实质上是零。此外，在该磁性传感器中，由于没有反强磁性层，因此上述那样的退火处理是不需要的。因此，由于没有高温处理引起的Ru的热扩散的担心，因此在反平行耦合膜54上能够使用反强磁性耦合效应的第1峰值的厚度即0.3nm～0.45nm的Ru膜。因此，如上述式所示，能够使固定电阻元件的第1强磁性膜53/第2强磁性膜55的各向异性磁场变大。其结果，由于第1强磁性膜53/第2强磁性膜55对外部磁场的磁化变化变成非常地小，因此能够使AMR效应几乎成为零。其结果，使用这样的磁性传感器的磁性平衡式电流传感器，与现有技术的磁性平衡式电流传感器相比，能够得到更加稳定的输出特性。而且，通过调整非磁性层的膜厚，能够实现磁性电阻效应元件和固定电阻元件之间的电气电阻的一致，并且通过调整第1强磁性膜53/第2强磁性膜55的膜厚，能够实现两者的TCR的一致。
此外，第1强磁性膜53的磁化量(Ms·t)和第2强磁性膜55的磁化量(Ms·t)实质上是相同的。即，在第1强磁性膜53和第2强磁性膜55间，磁化量的差实质上是零。为此，SFP层的有效的各向异性磁场大。因此，即使不使用反强磁性材料，也能够充分地确保强磁性固定层的磁化稳定性。这是因为，在将第1强磁性膜的膜厚设为t1，将第2强磁性膜的膜厚设为t2，将两层的磁化和感应磁性各向异性常数分别设为Ms、K时，SFP层的有效的各向异性磁场由下式(1)示出。
式(1)
eff Hk＝2(K·t1+K·t2)/(Ms·t1-Ms·t2)
因此，用于本发明的磁性平衡式电流传感器的固定电阻元件具有没有反强磁性层的膜构成。
第1强磁性膜53优选地由包含40原子％～80原子％的Fe的CoFe合金构成。这是因为，该组成范围的CoFe合金具有大的顽磁力，能够相对外部磁场稳定地维持磁化。此外，第2强磁性膜55优选地由包含0原子％～40原子％的Fe的CoFe合金构成。这是因为，该组成范围的CoFe合金具有小的顽磁力，相对第1强磁性膜53优先磁化的方向，在反平行方向(180°不同方向)上变得容易磁化。其结果，能够使上述式(1)表示的Hk成为更大。此外，通过将第2强磁性膜55限定在该组成范围，能够使磁性电阻效应元件的电阻变化率变大。
优选地，第1强磁性膜53和第2强磁性膜55，在其成膜中在弯曲形状的长条宽度方向上被施加磁场，感应磁性各向异性被赋予到成膜后的第1强磁性膜53和第2强磁性膜55。通过这样，两膜53、55变成在长条宽度方向上反平行地进行磁化。此外，第1强磁性膜53和第2强磁性膜55的磁化方向，由于由第1强磁性膜53的成膜时的磁场施加方向来决定，因此通过改变第1强磁性膜53的成膜时的磁场施加方向，能够在同一基板上形成具有磁化方向不同的强磁性固定层的多个磁性电阻效应元件。
作为由本发明的磁性平衡式电流传感器使用的固定电阻元件的膜构成的例子，例如是NiFeCr(籽晶层：5nm)/Fe70Co30(第1强磁性膜：4nm)/Ru(反平行耦合膜：0.4nm)/Co90Fe10(第2强磁性膜：1nm)/NiFe(第2强磁性膜：6nm)/Cu(非磁性层：3nm)/Ta(保护层：5nm)。
这里，说明为了使本发明的效果明确而进行的实施例。
对于具有NiFeCr(籽晶层：4.2nm)/Fe70Co30(第1强磁性膜：4nm)/Ru(反平行耦合膜：0.38nm)/Co90Fe10(第2强磁性膜：1nm)/Ni81.5Fe18.5(第2强磁性膜：6nm)/Cu(非磁性层：3.5nm)/Ta(保护层：8nm)的膜构成以及5微米×200微米之大小的固定电阻元件，研究AMR效应。其结果示于图9(a)、(b)中。而且，AMR效应通过测量电阻变化率(ΔR/R(5))而求得。对于具有NiFeCr(籽晶层：6nm)/PtMn(反强磁性层：20nm)/Fe90Co10(第1强磁性膜：1.25nm)/Ru(反平行耦合膜：8.5nm)/Co90Fe10(第2强磁性膜：1.4nm)/Ni81.5Fe18.5(第2强磁性膜：6nm)/Cu(非磁性层：3nm)/Ta(保护层：8nm)的膜构成以及5微米×200微米之大小的固定电阻元件，同样地研究AMR效应。其结果并记于图9(a)、(b)中。
从图9(a)、(b)知道，对于本发明的磁性传感器(本发明：无AF)，AMR效应小。另一方面，对于现有技术的磁性传感器(现有技术：PtMn)，其AMR效应大。在现有技术的磁性传感器中，在磁场400Oe(×103/4πA/m)下电阻率是大约0.4％，当考虑到磁性电阻效应元件的电阻变化率是8％左右时，其是非常大的值。这样，根据本发明的磁性传感器，能够充分地降低由外部磁场引起的AMR效应。
在包括具有图4所示的膜构成的磁性电阻效应元件123和具有图5所示的膜构成的固定电阻元件122a～122c的磁性平衡式电流传感器中，从反馈线圈121将抵消磁场施加在磁性电阻效应元件上使得磁性检测桥式电路的两个输出(Out 1，Out2)的电压差变成零，通过检测此时在反馈线圈121中流动的电流值，测量被测量电流。
如图6(a)所示，当向着图6的纸面、被测量电流从左侧开始流动时，如图6(a)、(b)所示，感应磁场A和抵消磁场B以相同的方向(Pin方向)被施加在两个固定电阻元件122a、122c(Out1侧)上。另一方面，在固定电阻元件122b和磁性电阻效应元件123(Out2侧)上，抵消磁场B以与Pin方向相反的方向被施加，感应磁场A以Pin方向被施加。
此外，如图7(a)所示，当向着图7的纸面、被测量电流从右侧开始流动时，如图7(a)所示，感应磁场A和抵消磁场B以与Pin方向相反的方向被施加在两个固定电阻元件122a、122c(Out1侧)上。另一方面，在固定电阻元件122b和磁性电阻效应元件123(Out2侧)上，感应磁场A以与Pin方向相反的方向被施加，抵消磁场B以Pin方向被施加。
如本发明的磁性平衡式电路传感器那样，在将磁性检测桥式电路和反馈线圈一体地形成于同一基板上的情况下，由于需要将两者完全地进行绝缘，因此变成用诸如聚酰亚胺膜等的有机绝缘膜将两者进行分离。有机绝缘膜一般在由旋涂法等涂覆之后通过实施200℃以上的加热处理而形成。该有机绝缘膜由于由磁性检测桥式电路形成之后的工序来形成，因此磁性电阻效应元件也一起被加热了。在由反强磁性层将固定磁性层的磁化进行固定之类型的磁性电阻效应元件的制造工序中，需要一边施加磁场一边进行加热处理，使得通过该有机绝缘膜的形成工序的热履历而固定磁性层的特性不会恶化。在本发明的磁性平衡式电流传感器中，由于不使用反强磁性层，因此即使一边施加磁场一边不进行加热处理，也能够维持固定磁性层的特性。因此，能够抑制软磁性自由层的磁滞的恶化。
此外，在使用由反强磁性层将固定磁性层的磁化进行固定之类型的磁性电阻效应元件的情况下，反强磁性材料的阻塞(blocking)温度(交换耦合磁场消失的温度)是大约300℃～400℃，由于向着该温度，交换耦合磁场慢慢地降低，因此越变成高温，固定磁性层的特性越变得不稳定。在本发明的磁性平衡式电流传感器中，由于不使用反强磁性层，因此固定磁性层的特性主要依赖于构成固定磁性层的强磁性材料的居里温度。一般地，诸如CoFe等的强磁性材料的居里温度，与反强磁性材料的阻塞温度相比，要高的多。因此，通过使第1强磁性膜和第2强磁性膜的强磁性材料的居里温度一致并即使在高温区域中也将磁化量(Ms·t)差保持为零，能够维持高的磁化稳定性。
此外，在使用由反强磁性膜将固定磁性层的磁化进行固定之类型的磁性电阻效应元件的情况下，由于在退火时的施加磁场方向上发生交换耦合磁场，因此需要在第1强磁性膜的磁化量(Ms·t)和第2强磁性膜的磁化量(Ms·t)上有意地赋予差。这是因为，在磁化量差为零的情况下，第1强磁性膜和第2强磁性膜均饱和的磁场超过了在退火时能够施加的磁场(～15kOe(×103/4πA/m))，其结果，退火后的第1强磁性膜和第2强磁性膜的磁化分散变大了，引起ΔR/R的劣化。此外，由于ΔR/R变得更大，与第1强磁性膜相比，使第2强磁性膜的膜厚变厚(使磁化量变大)的情况变多。一般地，在第2强磁性膜比第1强磁性膜的磁化量多的情况下，在元件侧壁上从第2强磁性膜施加到软磁性自由层的回流磁场变大，对输出的不对称施与的影响变大。此外，由于该回流磁场对温度依赖大，因此不对称的温度依赖也变大。在本发明的磁性平衡式电流传感器中，由于磁性电阻效应元件的第1强磁场膜和第2强磁场膜的磁化量差是零，因此也能够解决这样的问题。
此外，本发明的磁性平衡式电流传感器的磁性电阻效应元件，由于不包含反强磁性材料，因此还能够抑制材料成本和制造成本。
图10(a)是表示本发明实施方式的磁性平衡式电流传感器的其他例子的示意图，图10(b)是表示图10(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图10所示的磁性平衡式电流传感器，由两个磁性电阻效应元件123a、123b和固定电阻元件122d、122e构成磁场检测桥式电路。该磁场检测桥式电路包括用于产生与由被测量电流产生的感应磁场相应的电压差的两个输出。
图10(b)所示的磁场检测桥式电路中，电源Vdd被连接在磁性电阻效应元件123a和固定电阻元件122d之间的连接点上，磁性电阻效应元件123b和固定电阻元件122e之间的连接点被连接到地(GND)。而且，在该磁场检测桥式电路中，从磁性电阻效应元件123a和固定电阻元件122e之间的连接点取出一个输出(Out1)，从固定电阻元件122d和磁性电阻效应元件123b之间的连接点取出另一个输出(Out2)。这两个输出由放大器124放大，作为电流(反馈电流)提供给反馈线圈121。该反馈电流对应于与感应磁场相应的电压差。此时，在反馈线圈121上产生用于相抵感应磁场的抵消磁场。然后，基于在变成感应磁场和抵消磁场被相抵的平衡状态时的反馈线圈121中所流过的电流，由检测部(检测电阻R)测量被测量电流。
如图11(a)所示，当向着图11的纸面、被测量电流从左侧开始流动时，如图11(a)、(b)所示，感应磁场A和抵消磁场B以相同的方向(Pin方向)被施加在两个固定电阻元件122d、122e上。另一方面，在磁性电阻效应元件123a、123b上，抵消磁场B以与Pin方向相反的方向被施加，感应磁场A以Pin方向被施加。
如图12(a)所示，当向着图12的纸面、被测量电流从右侧开始流动时，如图12(a)所示，感应磁场A和抵消磁场B以与Pin方向相反的方向被施加在两个固定电阻元件122d、122e上。另一方面，在磁性电阻效应元件123a、123b上，感应磁场A以与Pin方向相反的方向被施加，抵消磁场B以Pin方向被施加。
图13(a)是表示本发明实施方式的磁性平衡式电流传感器的其他例子的示意图，图13(b)是表示图13(a)所示的磁性平衡式电流传感器中的磁性检测桥式电路的示意图。
图13所示的磁性平衡式电流传感器中，由三个磁性电阻效应元件123c～123e和固定电阻元件122f构成磁场检测桥式电路。该磁场检测桥式电路包括用于产生与由被测量电流I产生的感应磁场相应的电压差的两个输出。在不是测量时的状态下，三个磁性电阻效应元件123c～123e和固定电阻元件122f的电阻值是相同的。
图13(b)所示的磁场检测桥式电路中，电源Vdd被连接在磁性电阻效应元件123c和固定电阻元件122f之间的连接点上，磁性电阻效应元件123d、123e间的连接点被连接到地(GND)。而且，在该磁场检测桥式电路中，从磁性电阻效应元件123c、123e间的连接点取出一个输出(Out1)，从固定电阻元件122f和磁性电阻效应元件123d之间的连接点取出另一个输出(Out2)。这两个输出由放大器124放大，作为电流(反馈电流)提供给反馈线圈121。该反馈电流对应于与感应磁场相应的电压差。此时，在反馈线圈121上产生用于相抵感应磁场的抵消磁场。然后，基于在变成感应磁场和抵消磁场被相抵的平衡状态时的反馈线圈121中所流过的电流，由检测部(检测电阻R)测量被测量电流。
如图14(a)所示，当向着图14的纸面、被测量电流从左侧开始流动时，如图14(a)、(b)所示，感应磁场A和抵消磁场B以相同的方向(Pin方向)被施加在两个磁性电阻效应元件123c、123e上。另一方面，在磁性电阻效应元件123d和固定电阻元件122f上，抵消磁场B以与Pin方向相反的方向被施加，感应磁场A以Pin方向被施加。在该情况下，磁性电阻效应元件123c、123e的电阻值，由于不管感应磁场A的大小都变成相同的值，因此在磁性检测桥式电路中完成固定电阻元件的任务。
此外，如图15(a)所示，当向着图15的纸面、被测量电流从右侧开始流动时，如图15(a)所示，感应磁场A和抵消磁场B以与Pin方向相反的方向被施加在两个磁性电阻效应元件123c、123e上。另一方面，在磁性电阻效应元件123d和固定电阻元件122f上，感应磁场A以与Pin方向相反的方向被施加，抵消磁场B以Pin方向被施加。在该情况下，磁性电阻效应元件123c、123e的电阻值，由于不管感应磁场A的大小都变成相同的值，因此在磁性检测桥式电路中完成固定电阻元件的任务。
这样，根据本发明的磁性传感器，由于自销止型的强磁性固定层的反平行耦合膜是具有反强磁性耦合效应的第1峰值的厚度的Ru膜，第1强磁性膜和第2强磁性膜的磁化量的差实质上是零，因此能够抑制由固定电阻元件引起的AMR效应的发生。根据本发明的磁性平衡式电流传感器，由于使用抑制了AMR效应的发生的磁性传感器，因此在环境温度变化了时能够得到十分稳定的输出特性。
本发明不局限于上述实施方式，能够进行各种变更来实施。例如，上述实施方式中的材料、各个元件的连接关系、厚度、大小、制法等都能够进行合适地变更而实施。此外，本发明在不脱离本发明的范围下能够进行合适变更而实施。
工业上的利用可能性
本发明能够适用于对电动汽车的电动机驱动用的电流的大小进行检测的电流传感器。
本申请基于2010年3月12日申请的专利申请2010-056156。其内容全部包含在此。

Claims (8)

1.一种磁性传感器，由通过来自被测量电流的感应磁场的施加而使电阻值变化的磁性电阻效应元件和固定电阻元件构成，该磁性传感器的特征在于，
所述固定电阻元件具有介由反平行耦合膜使第1强磁性膜和第2强磁性膜反强磁性地耦合而构成的自销止型的强磁性固定层，所述反平行耦合膜是具有反强磁性耦合效应的第1峰值的厚度的Ru膜，所述第1强磁性膜和所述第2强磁性膜的磁化量的差实质上是零。
2.根据权利要求1所述的磁性传感器，其特征在于，
所述磁性电阻效应元件具有介由反平行耦合膜使第1强磁性膜和第2强磁性膜反强磁性地耦合而构成的自销止型的强磁性固定层、非磁性中间层和软磁性自由层，所述第1强磁性膜和所述第2强磁性膜的居里温度大致相同，并且磁化量的差实质上是零。
3.根据权利要求1所述的磁性传感器，其特征在于，
所述第1强磁性膜由包含40原子％～80原子％的Fe的CoFe合金构成，所述第2强磁性膜由包含0原子％～40原子％的Fe的CoFe合金构成。
4.一种磁性平衡式电流传感器，其特征在于，具有权利要求1所述的磁性传感器，
该磁性平衡式电流传感器还具备：磁场检测桥式电路，其包括产生与所述感应磁场相应的电压差的两个输出；反馈线圈，其被配置在所述磁性电阻效应元件的附近，并且产生用于相抵所述感应磁场的抵消磁场；以及磁屏蔽物，其使所述感应磁场衰减，并且增强所述抵消磁场，
通过所述电压差而在所述反馈线圈中通电，基于在变成所述感应磁场和所述抵消磁场被相抵的平衡状态时的所述反馈线圈中所流动的电流，测量所述被测量电流。
5.根据权利要求4所述的磁性平衡式电流传感器，其特征在于，
所述反馈线圈、所述磁屏蔽物和所述磁场检测桥式电路被形成在同一基板上。
6.根据权利要求4所述的磁性平衡式电流传感器，其特征在于，
所述反馈线圈被配置在所述磁屏蔽物和所述磁场检测桥式电路之间，所述磁屏蔽物被配置在靠近所述被测量电流的一侧。
7.根据权利要求4所述的磁性平衡式电流传感器，其特征在于，
所述磁性电阻效应元件具有将多个带状的长尺寸图案进行折叠而构成的形状，上述多个带状的长尺寸图案按照其长度方向变成相互平行的方式而配置，所述感应磁场和所述抵消磁场沿着与所述长度方向正交的方向被施加。
8.根据权利要求4所述的磁性平衡式电流传感器，其特征在于，
所述磁屏蔽物由从由非晶磁性材料、坡莫合金系磁性材料以及铁系微结晶材料构成的组中选择的高导磁率材料构成。
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