CN104919611A - 磁阻效应元件 - Google Patents

Abstract

在将电流计或电能计小型化时实施螺旋条纹电极的磁阻效应元件认为是有效的器件。以往认为螺旋条纹电极相对于易磁化轴(短片状的元件的长度方向)以45°形成是最有效的。但是，在导电率不同的物质的边界流通电流时，电流折射，不能说以45°形成的螺旋条纹电极最有效。一种磁阻效应元件，其特征在于，具有在长度方向感应易磁化轴的短片状的磁性膜、和在所述磁性膜上相对于所述长度方向以倾斜角θ形成的螺旋条纹电极，所述倾斜角θ小于45度，其中，考虑电极和磁性膜的边界的电流的折射，可以提供效率高的磁阻效应元件。

Description

磁阻效应元件

技术领域

本发明涉及适用于电流测量或电能测量的磁阻效应元件。

背景技术

近年来，以环境问题为背景，太阳能发电、风力发电等自然能量的利用、或燃料电池等新能源的开发、或包含汽车、家电的各种节能化非常盛行。能量消耗的降低化、电能消耗的降低化是今后的日本及全世界的重要的课题。认为其解决方法之一是实现电气设备、电子设备各自的“消耗电能的可视化”、及电能的蓄电·消耗的管理控制功能的强化。

近年来，在利用网络等的环境完备中，正在进行包含电能量计的远距离探针的电能管理系统的开发。最近，附加测量已有的积算电能量计的旋转的传感器、或新附加电流计(CT)、电压计(PT)进行基于电子电路或微处理机的乘法计算等，对住宅、工厂等综合进行宏观消耗电能的测量。

但是，这些测量装置大且价格高昂，另外，还可能会消耗浪费的大量的能量。另外，新的测量装置对已设设备的追加很难考虑到最近密集设计制造的已设设备的空余空间。因此，期望小型集成化了的电能传感器件的开发。

为测量电能，使用电能表或被称作简式表的积算电能量的表。最近常用的是感应型电能量计。其利用阿拉哥圆盘。使铝制的圆盘以与电能成比例的速度旋转，通过积算该旋转速度，测量电能量。但是，在测量电路的所希望部位的消耗电能时，这样的电能表过大。

专利文献1中公开有使用利用磁阻效应的磁传感器来测量电能的装置。该磁传感器由于利用磁性膜检测电流，所以考虑也可以搭载于较小型的电路。

另外，专利文献1的电能计分别测定电压和电流进行运算。但是，专利文献2中公开了仅测定利用磁阻效应的磁传感器的两端电压来测量电能 的电能计。无论如何，只要能够将利用磁阻效应的磁传感器制造为小型，就产生了能够测量所期望部位的消耗电能的可能性。

磁阻效应是电阻因从外部施加的磁场而变化的现象。该现象因磁性膜中流通的电流、和形成于磁性膜中的磁化的方向改变而产生。因此，相对于来自外部的磁场具有偶函数的特性。因此，为得到线形性，需要预先施加与来自外部的磁场处于相同方向的程度的偏置磁场。

这成为难以实现磁传感器的小型化的要因。但是，专利文献1中公开有在磁性薄膜上配置螺旋条纹电极，即使外观上不作用偏置磁场也能够利用磁阻效应的线形部分的磁阻效应元件。图12表示配置有螺旋条纹电极的磁阻效应元件100的结构。

磁性膜112通常在基板111上短片状地形成。该磁性膜112在短片状的长度方向上感应易磁化轴EA。磁性膜112例如适合使用铁和镍的合金即坡莫合金等。在该磁性膜112上形成被称为螺旋条纹(Barber's pole)电极114的电极。螺旋条纹电极114为相对于短片状的长度方向具有倾斜边114p的带状的良导电性膜。材质由铜、锌、镍、铝、银之类的材料或它们的合金形成。

就该螺旋条纹电极114而言，如果在磁阻效应元件100的两端的连接电极116a、116b中流过电流I₂，则从一倾斜边114p向另一倾斜边114p流通电流。于是，在与短片状的磁性膜112的长度方向(磁性膜112的磁化方向)不同的方向上流过电流I₂，因此，即使没有偏置也能够利用磁阻效应的线形部分。

现有技术文献 

专利文献

专利文献1：日本特开2007－187530号公报

专利文献2：WO2012/105459

发明所要解决的课题

专利文献1中公开的螺旋条纹电极114相对于短片状的磁性膜112的长度方向具有倾斜角θ为45度的倾斜边114p而形成。这认为是因为，由于相对于外部磁场的磁阻效应为偶函数，所以在磁化和电流的角度为45度时，最能够高效地利用线形部分。

但是，由于螺旋条纹电极114和磁性膜112为不同的材质，所以不限于电流以由螺旋条纹电极114的形状决定的角度θ流动。关于这一点几乎没有详细研究的报告例。使用螺旋条纹电极114的磁阻效应元件在不需要另外准备偏置磁场这一点上构成小型的电流计或电能计，因此，认为其是重要的器件。为了提高灵敏度，该螺旋条纹电极114的最佳形状是非常重要的参数。

发明内容

用于解决课题的技术方案

本发明是鉴于上述那样的课题而创立的，是探讨用于提高具有螺旋条纹电极的磁阻效应元件的效率的螺旋条纹电极的形状的结果而想到的发明。

更具体而言，本发明的磁阻效应元件的特征在于，具有在长度方向感应易磁化轴的短片状的磁性膜、和相对于所述长度方向以倾斜角θ形成于所述磁性膜上的螺旋条纹电极，所述倾斜角θ小于45度。

发明效果

根据后述的探讨及实证，在以相对于磁性膜具有倾斜边的方式形成的螺旋条纹电极中，在电极到磁性膜的界面，电流向量受到折射作用。因此，利用具有以45度形成倾斜角的倾斜边的螺旋条纹电极也不能在易磁化轴方向流过45度的电流。

但是，如果将螺旋条纹电极的倾斜边的倾斜角度减小该折射角度的量，则可以将易磁化轴和电流向量的角度设为45度，可以使磁阻效应的直线性好的部分具有动作点。即，可以最高效地获得带螺旋条纹电极的磁阻效应元件。

附图说明

图1是表示本发明的磁阻效应元件的结构的图；

图2是说明在导电率不同的物质彼此的界面出入的电流向量的动作的图；

图3是使用立体图说明图2的关系的图；

图4是表示边界附近的电流向量i的举动的图；

图5是表示边界附近的电场向量E的举动的图；

图6是表示螺旋条纹电极和磁性膜的关系的图；

图7是表示导电率的不同所致的入射角和出射角的关系的坐标图；

图8是表示以45°制作倾斜角θ的带螺旋条纹电极的磁阻效应元件的特性的坐标图；

图9是写入使图8的特性位移40Oe的特性的坐标图；

图10是表示图7中、导电率的比仅为10：1的情况的坐标图；

图11是将以35度制作倾斜角θ的情况和以45°制作的情况的带螺旋条纹电极的磁阻效应元件的特性进行比较的坐标图；

图12是表示现有的带螺旋条纹电极的磁阻效应元件(倾斜角θ为45°)的结构的图。

符号说明

1 导电率为σ₁的物质1

2 导电率为σ₂的物质2

10 磁阻效应元件 

11 基板

12 磁性膜

14 螺旋条纹电极 

14p 倾斜边

16a、16b 连接电极

100 磁阻效应元件 

111 基板

112 磁性膜

114 螺旋条纹电极 

114p 倾斜边

116a、116b 连接电极

EA 易磁化轴

M 磁化

θ 倾斜角

 电流向量和磁化向量所形成的角度

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的磁阻效应元件。此外，以下的说明示例本发明的一实施方式，不限于以下的实施方式。只要不脱离本发明的宗旨，则以下的实施方式可以变更。

图1表示本发明的带螺旋条纹电极的磁阻效应元件10的结构。磁阻效应元件10基本上与图12中所记载的相同。在基板11上形成短片状的磁性膜12。基板11期望非磁性且绝缘性的材质。更具体而言，适宜利用玻璃、树脂基板、陶瓷等。基板11的表面粗糙度对磁性膜12的磁特性带来影响。优选表面粗糙度小，且具有光滑的表面。例如，如果由Ra表示表面粗糙度，则只要为形成于基板11上的磁性膜12的膜厚的1/2～1/10程度的表面粗糙度Ra即可。

磁性膜12可以为单层，另外为得到巨大磁阻效应，也可以由多层形成。更具体而言，适合利用包含铁、钴、镍的至少一种的材料。

磁性膜12的形成可利用可在常压中成膜的镀敷法、可在真空中成膜的真空蒸镀法或真空溅射法等。另外，要形成短片状，既可以通过掩模成膜为短片状，也可以形成平膜且通过蚀刻等方法除去不需要的部分而形成。在此，短片状是指具有两对相对的一对边的四边形内的一对边比另一对边长的形状。因此，四边形也包含梯形及平行四边形。另外，将长的一方的一对边的方向称为长度方向。

在成膜磁性膜12时，期望一边沿长度方向作用磁场一边进行成膜。这是为了在长度方向感应易磁化轴EA。当然，易磁化轴EA也可以通过在形成短片状的磁性膜12后，一边施加磁场一边退火而进行感应。图1表示向长度方向感应易磁化轴EA的状态。另外，此时，磁化M表示在纸面向右稳定的状态。

螺旋条纹电极14可以以与磁性膜12相同的方法形成于磁性膜12上。即，通过成膜、蚀刻等除去不需要的部分，或成膜为预先通过掩模形成的形状等。此外，螺旋条纹电极14直接形成于磁性膜12上。这是因为从螺 旋条纹电极14向磁性膜12流过电流。但是，不排除形成用于使电流容易地从螺旋条纹电极14向磁性膜12流过的层。

在磁性膜12上，在短片形状的两端设置连接用的电极(称作“连接电极16a、16b”)。螺旋条纹电极14为以倾斜边14p彼此平行的方式形成于磁性膜12上的带状的电极。距两端的连接电极16a、16b最近的螺旋条纹电极14与连接电极16a、16b导通。螺旋条纹电极14的数量没有特别限定。如果夹着磁性膜12相对的倾斜边14p至少有一对，则可以说是形成有螺旋条纹电极14。

将长度方向和螺旋条纹电极14的倾斜边14p所形成的角度称为“倾斜角θ”。倾斜角θ由0°～90°的角度表示。此外，角度可以以“度”表示，也可以表记为“°”。本发明的磁阻效应元件10的其倾斜角θ小于45°。另外，倾斜角θ优选为25°以上，期望为30°以上。另外，倾斜角θ期望设为相对于45°减去后述的通过(14)式求出的θ₂的平均值所得的值在±5°的范围的值。

该倾斜角θ小于45°。但是，电流向量I₂由于在从作为良电导体的螺旋条纹电极14向导电性低一级左右的磁性膜12过渡时折射，所以通过将倾斜角θ设为小于45°的角度，磁化向量M和电流向量I₂所形成的角度成为大致45°的关系。

其次，对将倾斜角θ设定为45°以下的理由进行说明。图2表示电流I流过具有不同的导电率σ₁、σ₂的物质1及物质2的边界BD的样子。在电流I流过具有不同的导电率σ₁、σ₂的物质的边界BD时，电流或电场的朝向和大小发生变化。因此，求通过边界BD时的入射角和折射角的关系。

首先，如图3所示，在物质1和物质2的边界BD考虑侧面3s无限接近0的圆筒3。将比边界BD更上侧的物质1的导电率设为σ₁，将下侧的物质2的导电率设为σ₂。进而将圆筒3的轴设为符号4。另外，将圆筒3的法线向量设为向量n。

图4中，为更容易观察，表示边界BD的侧面视图。根据高斯定律，(1)式成立。此外，文章中，将向量表述为“向量n”等，在式中用粗字表示。另外，将从物质1流向边界BD的电流设为向量i₁，将从边界BD流向物质2的电流设为向量i₂。

[数学式1]

∫_SE·n dS＝∫_VdivE dV               …(1)

在此，向量E和向量n之间的黑圈表示向量的内积。另外，将表示电场的向量设为向量E，将表示电流密度的向量设为向量i时，向量i＝σ向量E(在此，σ为导电率)，因此，(2)式成立。

[数学式2]

∫_Si·n dS＝∫_Vdivi dV              …(2)

右边表示电流的涌出，图3(图4)的圆筒3内没有电流源，因此，电流不涌出。因此，(2)式如(3)式那样改写。

[数学式3]

∫_Si·n dS＝0                …(3)

如果使图3(图4)的圆筒3的侧面3s接近0(零)，则只要仅考虑圆筒3的底面和上表面即可。将底面和上表面的面积设为S时，(3)式可以如以下的(4)式那样改写。

[数学式4]

∫_上面积Si₁·n dS+∫_底面积Si₂·n dS＝0      …(4)

该(4)式表示从物质1流向边界BD的电流i₁的垂直成分和从边界BD流向物质2的电流i₂的垂直成分之和为零。根据(4)式考虑微小面积ΔS时，可以说为(5)式。

[数学式5]

i₁·nΔS+i₂·nΔS＝0               …(5)

由于上表面和底面的法线向量的朝向相反，所以(6)式成立。

[数学式6]

i₁cosθ₁＝i₂cosθ₂               …(6)

其次，如图5，考虑电场入射到边界BD时。首先，考虑横跨边界BD的微小的长方形的闭曲线C0，并应用规定静电场的高斯定律(7)式。

[数学式7]

∫_C0E dS＝0             …(7)

此时，如果使与长方形的边界BD垂直的边C1的长度无限地接近0(零)，则只要仅考虑与边界BD平行的边即可，如果将与边界BD平行的单位向量设为向量t1、向量t2，则与(4)式、(5)式相同，(8)式成立。此外，将从物质1进入边界BD的电场设为向量E₁，将从边界BD进入物质2的电场设为向量E₂。

[数学式8]

∫_C0E dS＝E₁sinθ₁·t1·ΔS+E₂sinθ₂·t2ΔS＝0     …(8)

向量t1和向量t2由于朝向为反向，所以(9)式成立。

[数学式9]

E₁sinθ₁＝E₂sinθ₂               …(9)

在此，在(6)式中代入向量i＝σ向量E的关系时，成为(10)式。

[数学式10]

σ₁E₁cosθ₁＝σ₂E₂cosθ₂              …(10)

根据(9)式及(10)式，可以如(11)式那样变形。 

[数学式11]

$\left.\begin{array}{c}\frac{E_1{\mathrm{sin\θ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_1{E}_1{\mathrm{soc\θ}}_1}=\frac{E_2{\mathrm{sin\θ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_2{E}_2{\mathrm{soc\θ}}_2}\\ \frac{{\mathrm{tan\θ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_1}=\frac{{\mathrm{tan\θ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_2}\\ \frac{{\mathrm{tan\θ}}_1}{{\mathrm{tan\θ}}_2}=\frac{{\mathrm{\σ}}_1}{{\mathrm{\σ}}_2}\end{array}\right\}\mathrm{...}\left(11\right)$

这可以作为电流流过导电率不同的物质的边界时的电流的折射定律使用。在此，求出射角θ₂时，可以如(12)式那样求出。

[数学式12]

${\mathrm{\θ}}_2={\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_2}{{\mathrm{\σ}}_1}{\mathrm{tan\θ}}_1\right)\mathrm{...}\left(12\right)$

根据(11)式或(12)式，如果σ₂＞＞σ₁，则可知θ₂＞＞θ₁。另外，如果σ₂＜＜σ₁，则可知θ₂＜＜θ₁。这表示的是，在从导电率高的物质进入低的物质时，相对于入射角θ₁，出射角θ₂减小，另外，相反的情况下，出射角θ₂增大。

其次，如图6，考虑螺旋条纹电极14的倾斜边14p。以边界BD为界，纸面左侧为螺旋条纹电极14。以其为材质由铜形成。因此，将导电率设为σ_Cu。另一方面，边界BD的纸面右侧为坡莫合金，将导电率设为σ_P。此外，螺旋条纹电极14的倾斜边14p和磁性膜12的长度方向所形成的角度为倾斜角θ。目前设为θ＝45°。

易磁化轴EA朝向水平方向。图6的水平方向为磁阻效应元件10的长度方向。因此，电流的流通在磁性膜12内为与长度方向成45°附近，因此，需要使出射角θ₂非常小。要减小θ₂，只要减小θ₁即可。但是，根据(12)式，夹着边界BD的两个材料的导电率之比也成为问题。即，(12)式中，如果σ₁＞＞σ₂，则θ₂减小。

图7表示使(12)式的θ₂和θ₁的关系按不同的导电率的比表示的坐标图。横轴为θ₁，纵轴为θ₂。θ₁是电流流入边界BD时的入射角，θ₂是电流从边界BD流出时的出射角。目前是以θ₂为零为目标。首先，如果θ₁减小，则θ₂也急剧减小。另外，如果σ₁和σ₂之比减小，则θ₂进一步减小的趋势提前。此外，图7中，σ₁为σ_Cu，σ₂为σ_P。另外，实线表示σ_Cu：σ_P为10：1，细的虚线表示σ_Cu：σ_P为12.5：1，长的虚线表示σ_Cu：σ_P为15：1。

再次参照图6，如果相对于边界BD成直角地流过电流(θ₁＝0)，则电流不会折射而直行，因此，θ₂＝0。θ₂为零时，与磁性膜的磁化所形成的角度为45°。但是，这是理想的情况，实际上认为具有各种角度的电流通过边界BD。

如上述，磁阻效应在磁化和电流所形成的角度为45°时可以利用直线性最高的部分，可以说灵敏度高。在考虑到上述那样的折射定律的情况下， 如果磁化朝向磁性膜12的长度方向，则电流向量和磁化向量所形成的角度为(45－θ₂)，从45°错开折射角的量。即，为修正该折射角的错位，需要将倾斜角也设为(45－θ₂)。

根据图6，θ₂可取至0°＜θ＜90°的值，但为了电阻变化为0的θ₂可以为45°以上，需要θ₁以约85°～90°入射。但是，在具有螺旋条纹电极14的磁阻效应元件10的情况下，不能说螺旋条纹电极14的电极宽度、长度足够大，因此，认为电流的入射角低于85°的情况非常多，且认为出射角θ₂低于45°。

在此，求假定为电流向边界BD的入射角θ₁在0°＜θ₁＜84°的范围内平均分布时的θ₂的值的平均时，如(13)式那样表示。

[数学式13]

将(13)式的正中的项称作“θ₂的平均值”。此外，σ₁是螺旋条纹电极14的导电率，σ₂是指磁性膜12的导电率，σ₁＞σ₂。(14)式中显然表示“θ₂的平均值”。

[数学式14]

流过螺旋条纹电极(铜)14的电流到达磁性膜12时，电流变化若干角度。因此，在将螺旋条纹电极14的条纹的角度(倾斜角θ)从45°减小约8°，决定为37°左右的角度时，电流在相对于水平方向(易磁化轴EA方向)成45°的方向流动。即，倾斜角θ可以设定为从45°减去θ₂的平均值所得的值。此外，也可以考虑制造时的误差，进一步变更±5°的范围。

另外，如果减小θ，则相邻的螺旋条纹电极14和螺旋条纹电极14相向的面积增大，且电流向相对于水平方向成45°的方向流通的面积增大，因此，也考虑电阻变化更大的效果。

实施例

图8表示制作将螺旋条纹电极(铜)14的倾斜边14p相对于磁阻效应元件10的长度方向以倾斜角θ＝45度配置的结构，并测定磁阻效应的结果。横轴表示从外部施加的磁场的强度(Oe：奥斯特)，纵轴是磁阻效应ΔR/R(％)。在此，R是未从外部作用施加磁场的情况下的磁性膜12的电阻值，ΔR是施加磁场的情况下的电阻值的变化量。

磁性膜12的宽度为50μm，螺旋条纹电极14间隔为40μm。尝试将电流的朝向相对于磁化的方向改变45度，但可知实际的元件的磁阻效应特性如图8那样线形区域LA在磁电阻的动态范围的上半部分的区域出现，不能实现如预定那样的位移。

更详细而言，动作点(磁场为0[Oe]的点)在磁阻效应的电阻变化的中途不会脱离直线部分的中心，而在磁阻效应17％左右的部位。同时，动作点(磁场为0[Oe]的点)的线形区域LA如图8所示那样窄。

图9表示以试制元件的磁阻效应特性和动作点(磁场在0[Oe]附近的点)成为电阻变化的中心的方式使其特性(白圈)向正的磁场方向移动40Oe左右的特性曲线(黑圈)。横轴表示从外部施加的磁场的强度(Oe：奥斯特)，纵轴是磁阻效应ΔR/R(％)。自图表明，作为动作范围的线形区域LA和灵敏度(变化的倾向)提高，作为传感器实现优异的特性。

如图6所示，在螺旋条纹电极(铜)14和磁性膜的边界BD考虑到电流的折射，如果电流从螺旋条纹电极(铜)14以入射角θ₁流入磁性膜12，则根据电流的折射定律，出射角θ₂以(15)式表示。

[数学式15]

${\mathrm{\θ}}_2={\tan }^{-1}\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_P}{{\mathrm{\σ}}_{Cu}}{\mathrm{tan\θ}}_1\right)\mathrm{...}\left(15\right)$

如果磁性膜12使用坡莫合金，则其导电率为铜的约1/10。如上，如果将θ₁和θ₂的关系改为坐标图进行表示，则如图10所示。

在以θ₁为0°～90°的角度入射电流时，与入射角相对应的出射角的平均值可以根据(13)式计算为θ₂≈10°。推定为(电流和磁化所形成的角度)减小该θ₂的量。因此，需要改变螺旋条纹电极(铜)14的角度并减小倾斜角θ。另外，通过减小倾斜角θ，可以延长电极的相向长度。

如上，相较于图8所示的试制元件，将螺旋条纹电极14间隔设为20μm，制作倾斜角θ＝35°的元件，测定磁电阻的变化。

图11表示结果。横轴表示从外部施加的磁场的强度(Oe：奥斯特)，纵轴是标准化的磁阻效应。纵轴以比率(0～－1.0)表示，以使将倾斜角θ设为45°的情况下(白圈)和将倾斜角θ设为35°的情况下(黑圈)的磁阻效应的最大值和最小值一致。

白圈是倾斜角θ为45°的情况，黑圈是倾斜角θ为35°的情况。另外，黑线及白线表示各自的线形区域。将倾斜角θ为45°时的线形区域设为DR45，将倾斜角θ为35°时的线形区域设为DR35。

根据图11，在将倾斜角θ设为35°的情况下，与倾斜角θ为45°的情况相比，动作点(磁场为0[Oe]的点)明显向电阻变化(纵轴)的中央附近移动，且动作范围(线形区域DR35和DR45)向各段扩展。另外，与黑线的倾斜相比，白线的倾斜稍急，因此，灵敏度同时稍微提高。

如上可知，考虑流过螺旋条纹电极内部的电流分布、电流向螺旋条纹电极和磁性膜的边界的进入角度和其分布、螺旋条纹电极部的导电率(电阻率)和磁性膜的导电率(电阻率)所引起的电流的回折现象，通过缩窄电极间隔，可以使磁阻效应接近理想状况。换言之，可知，通过进行螺旋条纹电极构造的最佳化，可以分各段改善螺旋条纹型磁性薄膜电力传感器的灵敏度、动作范围。

产业上的可利用性

本发明的磁阻效应元件由于实现微小的电流计或电能计，所以可以有效利用。

Claims (2)

1.一种磁阻效应元件，其特征在于，具有：

在长度方向感应易磁化轴的短片状的磁性膜、和

在所述磁性膜上相对于所述长度方向以倾斜角θ形成的螺旋条纹电极，

所述倾斜角θ小于45度。

2.根据权利要求1所述的磁阻效应元件，其特征在于，

所述倾斜角θ相对于从45度减去(14)式所示的θ₂的平均值所得的值在±5°的范围。

[数学式100]

其中，σ₁表示螺旋条纹电极的导电率，σ₂表示磁性膜的导电率。