CN115004041A - 使用了磁阻效应元件的磁传感器以及电流传感器 - Google Patents

使用了磁阻效应元件的磁传感器以及电流传感器 Download PDF

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CN115004041A CN202180010666.3A CN202180010666A CN115004041A CN 115004041 A CN115004041 A CN 115004041A CN 202180010666 A CN202180010666 A CN 202180010666A CN 115004041 A CN115004041 A CN 115004041A
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Abstract

磁传感器(13)具备：由磁阻效应元件(122a～122d)构成的磁场检测部(122)、反馈线圈(121)以及屏蔽件(124)。反馈线圈(121)与磁场检测部(122)重叠地配置，屏蔽件(124)与反馈线圈(121)重叠地配置，因此，由于反馈线圈(121)的抵消磁场而难以磁饱和。屏蔽件(124)的从其法线方向观察时的形状为环状，因此，能够维持屏蔽件(124)的磁场遮蔽作用从而提高对灵敏度正交方向的磁场进行屏蔽的效果。

Description

使用了磁阻效应元件的磁传感器以及电流传感器
技术领域
本发明涉及具有反馈线圈以及屏蔽件的、使用了磁阻效应元件的磁传感器以及电流传感器。
背景技术
在电动汽车等的马达驱动技术等领域中会使用比较大的电流，因此需要能够非接触地测定大电流的传感器。并且，作为这样的传感器，通过磁传感器对被测定电流所产生的磁场的变化进行检测的方式的电流传感器被实用化。在该方式的电流传感器中，为了减少磁传感器所受到的外部磁场，有时会设置成为外部磁场的屏蔽件的部件。通过设置这样的屏蔽件，对灵敏度正交方向的磁场的正交磁场耐性提高，此外，磁传感器所受到的磁场强度变小，实质上能够测定的磁场强度的上限变高，能够扩大电流传感器的可测定范围(动态范围)。
在专利文献1中，以减小外部磁场并且抑制磁滞的影响为目的，记载有具备磁阻效应元件、磁屏蔽件以及反馈线圈的电流传感器，其中，磁屏蔽件被构成为包括平板状的第一磁屏蔽件以及在第一磁屏蔽件的主表面的面内方向上与第一磁屏蔽件分离地配置的平板状的第二磁屏蔽件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本特开2013－53903号公报
发明内容
发明所要解决的问题
对于专利文献1的电流传感器，为了抑制由第一磁屏蔽件的剩余磁化产生的闭合磁场对磁阻效应元件的影响，在第一磁屏蔽件的灵敏度方向两侧配置有第二磁屏蔽件。但是，由于第二磁屏蔽件配置于不与反馈线圈重叠的位置，因此，无法使用来自反馈线圈的磁来抑制第二磁屏蔽件的磁饱和。若第二磁屏蔽件发生磁饱和，则无法减小干扰磁场(干扰磁场)，因此，对灵敏度正交方向的磁场的屏蔽效果、从表面上看增大第一磁屏蔽件的各向异性磁场的效果不足。
本发明的课题是提供对灵敏度正交方向的磁场进行屏蔽的效果好的、正交磁场耐性优良的磁传感器以及电流传感器。
此外，本发明的另一课题是提供使施加于磁场检测部的被测定磁场的强度减弱的屏蔽件的各向异性磁场大且可测定范围广的磁传感器以及电流传感器。
用于解决问题的方案
本发明的磁传感器是具备由磁阻效应元件构成的磁场检测部、反馈线圈以及屏蔽件的磁传感器，其特征在于，上述反馈线圈与上述磁场检测部重叠地配置，上述屏蔽件与上述反馈线圈重叠地配置，上述屏蔽件的从其法线方向观察时的形状为环状。
由于屏蔽件与反馈线圈重叠地配置，因此，能够通过抵消磁场使屏蔽件难以磁饱和。因此，能够维持由屏蔽件实现的磁场遮蔽作用从而使磁传感器的正交磁场耐性提高。
本发明的磁传感器是具备由磁阻效应元件构成的磁场检测部、反馈线圈以及屏蔽件的磁传感器，其特征在于，上述反馈线圈与上述磁场检测部重叠地配置，上述屏蔽件与上述反馈线圈重叠地配置，上述屏蔽件具有：内侧屏蔽件，被配置为减弱施加于上述磁场检测部的被测定磁场的强度；以及外侧屏蔽件，被配置为减弱施加于上述内侧屏蔽件的上述被测定磁场的强度。
通过外侧屏蔽件，来自灵敏度方向的被测定磁场被遮蔽，因此施加于内侧屏蔽件的磁场变小。通过减小所施加的磁场，饱和磁场变大，因此能够增大内侧屏蔽件的表面上的各向异性磁场(以下，适当地称为“Hk”)。即，通过设置外侧屏蔽件来减小施于内侧屏蔽件的有效磁场，由此，无需使内侧屏蔽件的Hk本质上地发生变化，就能够增大表面上的内侧屏蔽件的Hk。内侧屏蔽件的Hk从表面上看变大，由此，内侧屏蔽件的磁导率(μ)为恒定的范围变广，因此，能够提供可测定范围广的磁传感器。
此外，由于外侧屏蔽件与反馈线圈重叠地配置，因此能够使用抵消磁场来使外侧屏蔽件难以磁饱和。由此，能够维持由外侧屏蔽件实现的磁场的遮蔽作用来减少到达内侧屏蔽件的磁场，从而增大内侧屏蔽件的表面上的Hk。
优选的是，在上述内侧屏蔽件中，上述被测定磁场的方向与上述反馈线圈的抵消磁场的方向相同，在上述外侧屏蔽件中，具有上述被测定磁场的方向与上述反馈线圈的上述抵消磁场的方向相反的部分。
通过上述的构成，内侧屏蔽件作为使抵消磁场增强的磁轭来发挥功能，因此，能够减小流至反馈线圈的电流。此外，由于能够通过抵消磁场来减小施于外侧屏蔽件的有效的磁场，因此能够使外侧屏蔽件的磁场遮蔽效果提高。
优选的是，上述反馈线圈具备第一线圈部以及第二线圈部，上述第一线圈部和上述第二线圈部被配置为从上述内侧屏蔽件的法线方向观察时的形状夹着与上述磁阻效应元件的灵敏度方向正交的假想中心线呈线对称。
在该情况下，上述磁场检测部是配置有四个上述磁阻效应元件的全桥电路，优选的是，四个上述磁阻效应元件被设为从上述内侧屏蔽件的法线方向观察时与上述假想中心线重叠。
通过由呈线对称地配置的两个线圈部构成反馈线圈，能够在以沿着反馈线圈的外周的方式将外部磁屏蔽件与反馈线圈重叠地配置时，将反馈线圈以及屏蔽件设置为相对于假想中心线呈线对称。因此，通过被设为与假想中心线重叠的全桥电路，能够在正磁场侧和负磁场侧获得相对于灵敏度方向对称的输出。
优选的是，上述外侧屏蔽件被形成为包围上述内侧屏蔽件。优选的是，上述内侧屏蔽件的从其法线方向观察时的形状为大致矩形。在此，所谓“大致矩形”包括四角形以及使角成为圆角的圆角四角形。从制造上的观点来看，在角处具有R(角并非直角)的圆角四角形的内侧屏蔽件更为优选。
通过上述的构成，由外侧屏蔽件实现的磁场的遮蔽性变好，因此，能够增大内侧屏蔽件的表面上的Hk并扩大磁传感器的可测定范围。
优选的是，上述外侧屏蔽件被形成为环状。通过形成为环状，以内侧屏蔽件为基准，除了在灵敏度方向设有外侧屏蔽件，在与灵敏度方向正交的方向也设有外侧屏蔽件，因此，能够增强对来自与灵敏度方向正交的方向等的干扰磁场的正交磁场耐性。
可以是，上述外侧屏蔽件的宽度为上述内侧屏蔽件的宽度以下。
通过将上述外侧屏蔽件的宽度设为内侧屏蔽件的宽度以下，能够使外侧屏蔽件的饱和磁场比内侧屏蔽件的饱和磁场更大。
本发明的电流传感器的特征在于具备本发明的磁传感器。
发明效果
本发明的磁传感器具有与反馈线圈重叠地配置的环状的屏蔽件，因此，能够通过抵消磁场使屏蔽件难以磁饱和，从而能够使磁传感器的正交磁场耐性提高。
对于本发明的磁传感器，其屏蔽件具有内侧屏蔽件和外侧屏蔽件，并且被配置为外侧屏蔽件使施加于内侧屏蔽件的被测定磁场的强度减弱，因此，无需使内侧屏蔽件的磁场遮蔽效果减弱就能够使表面上的Hk增大。因此，能够提供干扰磁场耐性优异且可测定范围广的磁传感器以及电流传感器。
附图说明
图1为表示具备第一实施方式的磁传感器的电流传感器的构成的示意图。
图2为第一实施方式的磁传感器的(a)磁场检测部的俯视图、(b)反馈线圈的俯视图、(c)屏蔽件的俯视图。
图3为表示第一实施方式的磁传感器的构成的俯视图。
图4为第一实施方式的磁阻效应元件的局部放大图。
图5为图3的磁传感器的(a)PP剖面的俯视图、(b)Q1Q1剖面的俯视图、(c)R1R1剖面的示意图。
图6的(a)为表示设为环状的外侧屏蔽件的周边的磁场的示意图，(b)为表示第一实施方式的磁场检测部、反馈线圈以及屏蔽件的示意图。
图7的(a)为示意地表示内侧屏蔽件的宽度与各向异性磁场(Hk)的关系的图表，(b)为示意地表示内侧屏蔽件的厚度与各向异性磁场(Hk)的关系的图表。
图8为表示第一实施方式的变形例的磁传感器的构成的俯视图。
图9为表示比较例1的磁传感器的构成的俯视图。
图10为示意地表示实施例1、2的线性的计算方法的图表。
图11为表示对实施例1、2以及比较例1的磁传感器的线性进行了评价而得到的结果的图表。
图12为第二实施方式的磁传感器的(a)磁场检测部的俯视图、(b)反馈线圈的平俯视图、(c)屏蔽件的平俯视图。
图13为表示第二实施方式的磁传感器的构成的俯视图。
图14为图13的磁传感器的(a)PP剖面的示意图、(b)Q1Q1剖面的示意图、(c)R1R1剖面的示意图。
图15的(a)为表示设为环状的屏蔽件的周边的磁场的示意图，(b)为表示第二实施方式的磁场检测部、反馈线圈以及屏蔽件的示意图。
图16为表示比较例2的磁传感器的构成的俯视图。
图17为表示实施例3的磁传感器的外部磁场耐性的图表。
图18为表示比较例2的磁传感器的外部磁场耐性的图表。
图19为示意地表示GMR元件的层叠构造的剖视图。
图20为对起因于磁滞的自由磁性层的电阻的偏移(offset)的说明图。
具体实施方式
对于本发明的实施方式，参照附图如下进行说明。在各图中，对相同附件赋予相同编号，并适当地省略说明。
(第一实施方式)
图1为示意地表示具备本实施方式的磁传感器12的磁平衡式电流传感器的构成的示意图。在图1中，主要示出构成磁传感器12的磁场检测部122的磁阻效应元件122a～122d等的连接关系，其具体的构成、配置、反馈线圈、屏蔽件的位置关系等在图2之后加以记述。
如图1所示，磁传感器12配置于测定对象的电流I所流通的导体(电流线)11的附近。该磁传感器12具备产生抵消磁场(日文原文：キャンセル磁界)B的反馈电路，该抵消磁场B抵消作为由电流I产生的感应磁场的感应磁场A。
反馈线圈121由漩涡状的平面的配线图案构成，通过在该配线图案中流通电流，能够产生与感应磁场A对应的反向的抵消磁场B。
磁场检测部122的磁阻效应元件122a～122d是通过施加外部磁场而电阻值发生变化的元件。作为这样的元件，可以使用GMR(Giant Magneto Resistance：巨电阻)元件、TMR(Tunnel Magneto Resistance：隧穿磁阻)元件等。在本实施方式的磁传感器12中，磁阻效应元件122a～122d以规定的关系连接，由此构成对外部磁场的变动进行检测的磁场检测桥电路。通过使用包括磁阻效应元件122a～122d的磁场检测桥电路，能够实现能够高灵敏度地检测由电流I产生的测定对象的感应磁场A的磁传感器12。另外，磁场检测桥电路并不限于图1所示的电路。磁场检测桥电路可以被构成为包括不存在由外部磁场引起的电阻值变化的固定电阻元件等。磁传感器12能够通过测定感应磁场A来测定电流，因此，磁传感器12也是以电流I为测定对象的电流传感器。
在磁场检测部122的磁场检测桥电路中，在磁阻效应元件122b与磁阻效应元件122c的连接点连接有供给电源电压Vdd的电源。此外，在磁阻效应元件122a的一端和磁阻效应元件122d的一端连接有供给接地电压GND的地线。从磁阻效应元件122a与磁阻效应元件122b的连接点取出第一输出电压Out1，从磁阻效应元件122c与磁阻效应元件122d的连接点取出第二输出电压Out2。这两个输出的电压差与施加于磁阻效应元件122a～122d的外部磁场对应。
第一输出电压Out1与第二输出电压Out2的电压差被放大器123放大，并作为电流(反馈电流)被供给反馈线圈121。就是说，反馈电流成为对应于第一输出电压Out1与第二输出电压Out2的电压差的大小。若在反馈线圈121中流通反馈电流，则在反馈线圈121的周围以与由磁场检测部122检测出的感应磁场A相抵的方式产生抵消磁场B。在感应磁场A的磁场强度强的状态下，磁场检测桥电路的电压差变大，在反馈线圈121流通的反馈电流变大，因此，抵消磁场B也变大。在感应磁场A的磁场强度弱的状态下，磁场检测桥电路的电压差变小，在反馈线圈121流通的反馈电流变小，因此，抵消磁场B也变小。如此，反馈线圈121产生与感应磁场A相抵的抵消磁场B。然后，基于感应磁场A与抵消磁场B相抵的平衡状态下的反馈电流的电流值，在作为检测部的检测电阻R下计算感应磁场A以及电流I。
图2(a)、图2(b)以及图2(c)为本实施方式的磁传感器12的磁场检测部122、反馈线圈121以及屏蔽件124的俯视图。
图3为对实施方式的磁传感器12的构成加以说明的俯视图，示意性地示出图2(a)～图2(c)所示的各部分层叠的状态下的位置关系。
如这些图，本实施方式的磁传感器12具有由磁阻效应元件122a～122d构成的磁场检测部122、反馈线圈121以及屏蔽件124。
如图2(a)所示，磁场检测部122具备由磁阻效应元件122a～122d构成的磁场检测桥电路。在图2(a)中，以箭头表示使用GMR作为各磁阻效应元件122a～122d的情况下的PIN层的磁化方向，以中空箭头表示自由磁性层的磁化方向。图2(a)所示的磁场检测部122对磁进行检测的灵敏度方向为Y1Y2方向。另外，磁阻效应元件122a～122d呈直线状地在X1X2方向排列配置四个。
图4为放大地表示实施方式的磁阻效应元件122a～122d的局部放大图。如图4所示，磁阻效应元件122a～122d包括在与长条图案31的长尺寸方向(X1X2方向)正交的方向(Y1Y2方向)大致平行地对多个长条图案31进行排列而成的磁场检测图案。在图4中，灵敏度方向(方向S)是与长条图案31的长尺寸方向正交的方向。因此，磁阻效应元件122a～
122d被配置为磁阻效应元件122a～122d所受到的感应磁场A以及抵消磁场B的方向与方向S一致。在图4中示出包括七个长条图案31a～31g的磁场检测图案，长条图案31的数量不限于此。
在长条图案31的排列方向上，设于最外侧的长条图案31a的一端部(图4所示的左侧端部)与连接端子32a连接。另一方面，在长条图案31a的排列方向上，离长条图案31a最远地设置的长条图案31g的另一端部(图4所示的右侧端部)与连接端子32b连接。
长条图案31a的另一端部与邻接于该长条图案31a的长条图案31b的另一端部通过连接部33a连接，长条图案31b的一端部与邻接于该长条图案31b的长条图案31c的一端部通过连接部33b连接。同样地，长条图案31c的另一端部与邻接的长条图案31d的端部通过连接部33c连接，长条图案31d的一端部与邻接的长条图案31e的一端部通过连接部33d连接。如此，长条图案31的端部通过连接部33a～33f与邻接的长条图案31连接，由此构成回纹状的磁场检测图案。
若通过上述回纹状的磁场检测图案在电源(电源电压Vdd)与地线(接地电压GND)之间流过电流，则在回纹状的磁场检测图案中，与其电阻值相应地产生电压下降。回纹状的磁场检测图案的电阻值因外部磁场而变动，因此，磁场检测图案中的电压下降与感应磁场A以及抵消磁场B相应地变动。磁场检测图案的连接端子32a、32b的一方经由配线等与第一输出端子或第二输出端子的一方连接。由此，作为第一输出电压Out1或第二输出电压Out2，能够获得与在磁场检测图案中产生的电压下降对应的电压值。
如图3所示，在磁阻效应元件122a～122d的上方(纸面近前，Z1方向)隔着绝缘膜等形成有由漩涡状的配线图案形成的反馈线圈121。反馈线圈121的配线图案被配置为在朝Z2方向观察的俯视观察时一部分与下方(纸面里侧，Z2方向，参照图5(a))的磁阻效应元件122a～122d重叠。在与磁阻效应元件122a～122d重叠的区域，反馈线圈121的配线图案被设为与长条图案的延伸方向(X1X2方向)大致平行地延伸。由此，反馈线圈121能够产生与长条图案的延伸方向大致垂直的方向(Y1Y2方向)的抵消磁场B。就是说，在与磁阻效应元件122a～122d重叠的区域，磁阻效应元件122a～122d所受到的抵消磁场B的朝向与磁阻效应元件122a～122d的灵敏度方向一致。另外，在磁传感器12中，反馈线圈121的具体的构成不限于图2(b)、图3所示的构成。
如图3所示，反馈线圈121与磁场检测部122重叠地配置。在此，“重叠地配置”是指在从内侧屏蔽件124a的法线方向观察时，即从Z1方向朝Z2方向观察时，反馈线圈121的一部分与磁场检测部122被重叠地配置。
此外，如图2(b)所示，反馈线圈121具备第一线圈部121a以及第二线圈部121b。第一线圈部121a和第二线圈部121b被配置为其从内侧屏蔽件124a的法线方向观察时的形状隔着与作为磁阻效应元件122a～122d的灵敏度方向的Y1Y2方向正交的假想中心线CL呈线对称。另外，在重叠于磁阻效应元件122a～122d的区域附近，流过第一线圈部121a以及第二线圈部121b的电流的朝向相同，因此，第一线圈部121a以及第二线圈部121b所产生的抵消磁场B的朝向成为相同方向。
如图2(c)所示，屏蔽件124具备内侧屏蔽件124a，从其法线方向(Z1方向)观察时的形状为大致矩形；以及外侧屏蔽件124b，包围内侧屏蔽件124a而形成环状。
如图3所示，形成于XY平面的平板状的内侧屏蔽件124a被配置为在从内侧屏蔽件124a的法线方向(Z1方向)朝Z2方向观察时覆盖磁场检测部122的磁阻效应元件122a～122d。因此，能够通过内侧屏蔽件124a减弱来自施加于磁场检测部122的电流I的感应磁场A的强度。
外侧屏蔽件124b被配置为在从内侧屏蔽件124a的法线方向观察时，以包围内侧屏蔽件124a的周围的方式，沿着反馈线圈121的外周重叠于反馈线圈121。另外，内侧屏蔽件124a和外侧屏蔽件124b配置于同一平面上。内侧屏蔽件124a和外侧屏蔽件124b可以使用高磁导率材料等以相同的工序来形成。在该情况下，也可以将内侧屏蔽件124a和外侧屏蔽件124b设为相同厚度。
外侧屏蔽件124b重叠地设于反馈线圈121，因此，能够如后述那样通过抵消磁场增大饱和磁场。此外，对于屏蔽件124，使外侧屏蔽件124b的宽度W2小于内侧屏蔽件124a的宽度W1，由此能够使外侧屏蔽件124b的饱和磁场比内侧屏蔽件124a的饱和磁场更大。由此，内侧屏蔽件124a的表面上的各向异性磁场变大。另外，内侧屏蔽件124a的宽度W1是指矩形的短尺寸方向的距离，外侧屏蔽件124b的宽度W2是指环的宽度。在本实施方式中，宽度W1以及宽度W2均为磁场检测部122的灵敏度方向(Y1Y2方向)的长度。
反馈线圈121被配置为使第一线圈部121a和第二线圈部121b夹着假想中心线CL呈线对称。由此，易于在从内侧屏蔽件124a的法线方向观察时，以沿着反馈线圈121的外周的方式配置外侧屏蔽件124b，即，易于配置为从层叠方向(Z1Z2方向)观察时外侧屏蔽件124b重叠于反馈线圈121的外周(外廓)。
通过屏蔽件124的外侧屏蔽件124b与反馈线圈121重叠地配置的构成，能够使用抵消磁场来增大外侧屏蔽件124b的饱和磁场。因此，能够通过外侧屏蔽件124b有效地减小施加于内侧屏蔽件124a的磁场，所以，能够增大内侧屏蔽件124a的表面上的Hk。
在与磁阻效应元件122a～122d重叠的区域中，在反馈线圈121的上方(纸面近前，Z1方向)设有内侧屏蔽件124a。此外，在内侧屏蔽件124a的周围设有与内侧屏蔽件124a分离地配置的外侧屏蔽件124b。
外侧屏蔽件124b呈环状地配置于内侧屏蔽件124a的周围。即，外侧屏蔽件124b与内侧屏蔽件124a在感应磁场A以及抵消磁场B的方向(参照图1，Y1Y2方向)即磁阻效应元件122a～122d的灵敏度方向以及与其正交的方向(X1X2方向)分离地、无缝地连续配置。因此，能够降低灵敏度方向以及与灵敏度方向正交的方向的干扰磁场，从而增大内侧屏蔽件124a的表面上的Hk。
图5(a)、图5(b)以及图5(c)为图3的磁传感器12的PP剖面的示意图、Q1Q1剖面的示意图以及R1R1剖面的示意图。这些图示意地示出了磁平衡式的磁传感器12的层叠构造。
图5(a)表示包括第一线圈部121a、第二线圈部121b、磁阻效应元件122a以及内侧屏蔽件124a的剖面，图5(b)以及图5(c)表示包括第一线圈部121a以及外侧屏蔽件124b的剖面。另外，在这些图中，为了表示整个层叠构造，对构成进行简化，省略了构成的一部分。
如图5(a)所示，在形成于被构成为包含硅的基板21上的绝缘膜22上设有磁阻效应元件122a。在磁阻效应元件122a的上方(Z1方向)，隔着未作图示的聚酰亚胺膜以及硅氧化膜设有第一线圈部121a以及第二线圈部121b(适当地将这些称为反馈线圈121)。反馈线圈121例如可以在形成包含金属等导电性材料的膜之后，通过使用光刻以及刻蚀的图案加工来形成。
隔着被形成为覆盖反馈线圈121的聚酰亚胺膜(未作图示)，在朝Z2方向观察的俯视观察时与磁阻效应元件122a重叠的区域形成有内侧屏蔽件124a。内侧屏蔽件124a可以使用无定形磁性材料、坡莫合金系磁性材料或者铁系微结晶材料等高磁导率材料来形成。在内侧屏蔽件124a上形成有硅氧化膜(未作图示)。
在图5(a)以及图5(b)中，以实线箭头表示来自导体11的感应磁场A，以虚线箭头表示来自第一线圈部121a的抵消磁场B。
如图5(a)所示，在内侧屏蔽件124a，感应磁场A的方向与反馈线圈121的抵消磁场B的方向相同。因此，在磁传感器12，内侧屏蔽件124a除了具有磁的衰减功能，还具有增强(enhence)反馈线圈121的抵消磁场B的功能。由于内侧屏蔽件124a作为磁轭发挥功能，因此，能够减小在反馈线圈121中流动的电流，从而节省电力。
如图5(b)所示，在外侧屏蔽件124b，感应磁场A的方向与第一线圈部121a的抵消磁场B的方向成为反向。如此，在外侧屏蔽件124b，抵消磁场B抵消感应磁场A，因此，外侧屏蔽件124b难以磁饱和。因此，能够增大外侧屏蔽件124b的饱和磁场，从而有效地屏蔽并减小感测方向(Y1Y2方向)的磁场。由此，能够增大内侧屏蔽件124a的表面上的各向异性磁场(Hk)并扩大磁传感器12的可测定范围。
图5(b)表示Q1Q1剖面，但在Q2Q2剖面，感应磁场A与抵消磁场B的关系与图5(b)相同，感应磁场A的方向与第二线圈部121b(参照图3)的抵消磁场B的方向成为反向。因此，无论感测方向(Y1Y2方向)上的磁场的朝向(Y1方向或者Y2方向)如何，都能够通过外侧屏蔽件124b同样地减小施加于内侧屏蔽件124a的磁场。
如图5(c)所示，在外侧屏蔽件124b的、位于以内侧屏蔽件124a为基准与感测方向正交的方向(X1X2方向)的部分处，感应磁场A与第一线圈部121a的抵消磁场B正交。图5(c)表示R1R1剖面，而在R2R2剖视图中，感应磁场A与第二线圈部121b的抵消磁场B也同样地正交。因此，无论与感测方向正交的方向(X1X2方向)的磁场的朝向如何，都能够通过外侧屏蔽件124b同样地减小施加于内侧屏蔽件124a的干扰磁场。另外，在R2R2剖视图中，抵消磁场B的方向与图5(c)中相反。
图6(a)为表示设为环状的外侧屏蔽件124b的周边的磁场的示意图，图6(b)为表示磁传感器12的磁场检测部122、反馈线圈121以及屏蔽件124的配置的示意图。
如图6(a)所示，通过将外侧屏蔽件124b构成为环状，能够使到达磁场检测部122的与检测方向正交的正交磁场衰减、减小。并且，能够使到达位于其内侧的内侧屏蔽件124a的来自外部的磁场衰减、减小。由此，能够增大内侧屏蔽件124a的表面上的各向异性磁场(Hk)。
此外，如图6(b)所示，在磁场检测部122中构成全桥电路的四个磁阻效应元件122a～122d在从内侧屏蔽件124a的法线方向观察时与假想中心线CL重叠，并且沿着假想中心线CL呈直线状地排列设置。反馈线圈121以及屏蔽件124相对于假想中心线CL分别呈线对称地配置。因此，在对感应磁场A进行感测的灵敏度方向上的Y1方向和Y2方向，反馈线圈121以及屏蔽件124与磁场检测部122的位置关系相同。因此，能够与磁场的朝向是Y1方向还是Y2方向无关地以相同精度对感应磁场A进行感测。即，能够与在导体11中流动的电流的朝向无关地、高精度地对电流I进行感测。
图7(a)为示意地表示内侧屏蔽件124a的宽度(W1)与各向异性磁场(Hk)的关系的图表，图7(b)为示意地表示内侧屏蔽件124a的厚度与各向异性磁场(Hk)的关系的图表。
扩大磁传感器12(参照图3)的可测定范围(动态范围)需要增大内侧屏蔽件124a的各向异性磁场(Hk)。为此，如图7(a)所示，有效的是：使从法线方向对内侧屏蔽件124a进行俯视观察的形状(矩形)的长宽比(aspect)更大、或者如图7(b)所示地增厚内侧屏蔽件124a的屏蔽件膜厚。
但是，在增大内侧屏蔽件124a的长宽比的情况下，因与磁阻效应元件122a～122d(参照图3、图6)的位置的平衡而特别限制短尺寸方向(宽度方向、灵敏度方向、Y1Y2方向)的尺寸。此外，若增大长宽比，则作为其相悖即不相容的性质，内侧屏蔽件124a的磁导率(μ)会变小，存在对感应磁场A进行屏蔽的效果减弱的问题。
此外，若增厚内侧屏蔽件124a的膜厚，则会产生制造非常困难的问题。作为在增厚膜厚的情况下容易产生的问题，例如，可以列举出：难以将厚的抗蚀剂均匀地涂布于晶片(wafer)内、容易与屏蔽件124的应力变大相伴地发生龟裂、膜剥离等。
因此，对于本实施方式的磁传感器12，以从内侧屏蔽件124a的法线方向(Z1方向)观察时沿着反馈线圈121的外周包围内侧屏蔽件124a的周围的方式，设置与内侧屏蔽件124a配置于同一平面上的外侧屏蔽件124b，由此，无需增厚屏蔽件124的膜厚就实现了对感应磁场A的高屏蔽效果。
〔变形例〕
图8为对图3所示的实施方式的变形例的磁平衡式的磁传感器52的构成进行说明的俯视图。对于本实施方式的磁传感器52，取代无缝地围住屏蔽件124(参照图1)的内侧屏蔽件124a的环状的外侧屏蔽件124b，而具备在磁传感器52的磁场检测方向上的两侧围住内侧屏蔽件124a的外侧屏蔽件124c、124d，在这一点上与磁传感器12不同，其他构成相同。
外侧屏蔽件124c、124d在磁阻效应元件122a～122d的磁场检测方向(Y1Y2方向)上，与内侧屏蔽件124a分离地配置于外侧。即，外侧屏蔽件124c、124d在感应磁场A以及抵消磁场B的方向上与内侧屏蔽件124a分离地配置。
在磁阻效应元件122a～122d的磁场检测方向的外侧，以重叠于反馈线圈121的方式配置外侧屏蔽件124c、124d，由此，外侧屏蔽件124b也同样难以磁饱和。由此，通过外侧屏蔽件124c、124d，能够减小从外部向内侧屏蔽件124a的磁场，增大内侧屏蔽件124a的表面上的各向异性磁场(Hk)，并扩大磁传感器52的可测定范围。
(第二的实施方式)
图12(a)、图12(b)以及图12(c)为本实施方式的磁传感器13的磁场检测部122、反馈线圈121以及屏蔽件124的俯视图。
图13为对实施方式的磁传感器13的构成进行说明的俯视图，图13示意地示出图12(a)～图12(c)所示的各部层叠的状态下的位置关系。
如图12(a)～图12(c)以及图13所示，对于本实施方式的磁传感器13，除了屏蔽件124由环状的外侧屏蔽件124b构成的点以外，具备与第一实施方式的磁传感器12相同的构成。因此，在本实施方式中，省略与磁传感器12共同的构成的说明，对不同的构成加以说明。
屏蔽件124(外侧屏蔽件124b)通过对灵敏度正交方向的磁场的屏蔽效果，使磁传感器13的正交磁场耐性提高。首先，以下对在正交磁场施加于磁传感器13的情况下在磁场检测部122的电阻产生的偏移加以说明。
图19为示意地表示由GMR元件构成的磁阻效应元件122a～d所具备的层叠构造的剖视图。磁阻效应元件122a～d具备固定磁性层111、非磁性材料层112以及自由磁性层113层叠而成的构成。其电阻值根据磁化方向固定的固定磁性层111与磁化方向根据外部磁场而变化的自由磁性层113的磁化方向的相对关系而变化。磁传感器13(参照图13)能够基于该电阻值的变化来感测外部磁场的朝向和强度。
若在自由磁性层113的内部磁壁发生移动，则会产生巴克豪森噪声。因此，作为对具备GMR元件110的磁传感器13的输出进行稳定化的偏置磁场，在与灵敏度轴正交的方向赋予使用了与反强磁性层114的交换结合磁场的交换偏置磁场。通过偏置磁场的施加，能够使形成自由磁性层113的软磁性材料的磁化方向一致。另外，偏置磁场并不限于交换偏置磁场，也可以是使用了永久磁铁的硬磁偏置磁场。
自由磁性层113在被施加了磁化方向不反转的弱的外部磁场的情况下，通过返回到零磁场而返回到被施加外部磁场之前的初始状态。但是，在被施加了磁化方向反转的强的外部磁场的情况下，即使返回到零磁场，自由磁性层113也不会返回到初始状态。即，若因强的外部磁场而自由磁性层113的磁化方向反转，则即使除了外部磁场以外返回到零磁场，也因自由磁性层113的磁滞而产生相对于初始状态的偏离(偏移)。
图20为对起因于磁阻效应元件122a～d的自由磁性层113的磁滞的电阻的偏移加以说明的说明图。如图20所示，在沿着与灵敏度轴正交的方向对自由磁性层113施加的外部磁场(正交磁场)小于反转磁场(Q)的情况下，如果外部磁场返回到零，则自由磁性层113沿实线向箭头(1)的方向变化而返回到初始的状态。因此，在外部磁场的大小从0到小于反转磁场的情况下，如果外部磁场成为零，则自由磁性层113的电阻成为初始的值(P)。
但是，在被施加了反转磁场以上的外部磁场的情况下，即使外部磁场返回到零，自由磁性层113也不会返回到初始的状态。例如，在对自由磁性层113施加了饱和磁场(R)的情况下，因自由磁性层113的磁滞，电阻会如虚线所示地变化。因此，若外部的磁场成为零，则沿着虚线向箭头(2)的方向变化，自由磁性层113的电阻成为(S)。如此，在外部磁场的大小为反转磁场以上的情况下，因自由磁性层113的磁滞而自由磁性层113的电阻会相对于初始的值发生偏离。
如以上那样，若被施加比反转磁场大的外部磁场而自由磁性层113从初始的磁化方向反转，则在成为零磁场后在自由磁性层113的电阻产生偏移。在自由磁性层113产生的电阻的偏移根据外部磁场的大小而变动，在图20中以中空的箭头表示的范围内变动。若自由磁性层113的电阻变动，则感测精度下降，因此，优选的是，磁传感器13具备对与灵敏度轴正交的外部磁场的高耐性。
为了使外部磁场衰减而使感测精度良好，磁传感器13具备屏蔽件124。外部磁场一边被屏蔽件124衰减，一边施加于磁场检测部122。因此，反转磁场偏向高磁场侧，能够良好地维持磁传感器的感测精度的范围变宽。
如图13所示，屏蔽件124被配置为在从其法线方向观察时，即在从Z1朝Z2方向观察时，沿着反馈线圈121的外周重叠于反馈线圈121。屏蔽件124优选完全覆盖反馈线圈121的外周，但也可以不覆盖整个外周而是覆盖一部分。此外，也可以是，屏蔽件124在从其法线方向观察时覆盖反馈线圈121的外周的一部分，而一部分从反馈线圈121伸出。
图14(a)、图14(b)以及图14(c)为图13的磁传感器13的PP剖面的示意图、Q1Q1剖面的示意图以及R1R1剖面的示意图。这些图示意地表示磁平衡式的磁传感器12的层叠构造，以实线箭头示出来自导体11的感应磁场A，以虚线箭头示出来自第一线圈部121a的抵消磁场B。
如图14(a)所示，磁传感器13在导体11与反馈线圈121之间不具备内侧屏蔽件124a(参照图2(c)、图3)。内侧屏蔽件124a在检测宽的磁场范围时是必须的，但在比较小的磁场范围进行检测的情况下不是必须的。
例如，若在磁场检测部122为GMR元件的情况下设置有内侧屏蔽件124a，则磁场检测部122容易受到内侧屏蔽件124a的磁滞的影响。因此，如果能够确保所希望的检测范围，则优选如磁传感器13那样不具备内侧屏蔽件124a为好。因此，弱的磁场检测用的平衡式的磁传感器(电流传感器)有时仅通过由GMR元件构成的全桥电路和反馈线圈来构成。
但是，在仅由全桥电路和平衡线圈构成的磁传感器中存在容易受到干扰磁场的影响的问题。磁传感器元件(芯片)单体不具备干扰磁场衰减功能，也可以在封装或者模块内设置屏蔽件。但是，在该情况下，构造容易变得复杂，存在因尺寸变大而难以小型化的问题。
另一方面，屏蔽件124也兼具使作为检测磁场以外的成分的干扰磁场衰减的效果。因此，磁传感器13具备作为缓和干扰磁场的影响的屏蔽件124的外侧屏蔽件124b。磁传感器13在其芯片内设有干扰磁场衰减用的屏蔽件，因此对小型化有利。此外，外侧屏蔽件124b并不设于构成全桥电路的磁场检测部122的正上方，而是设为在稍稍偏离的位置进行包围。因此，能够减小屏蔽件124的磁滞对磁传感器13的影响。
图15(a)为表示设为环状的外侧屏蔽件124b的周边的磁场的示意图，图15(b)为表示磁传感器13的磁场检测部122、反馈线圈121以及屏蔽件124的配置的示意图。
如图15(a)所示，通过将外侧屏蔽件124b构成为环状，在其内侧的区域中难以受到周边的磁场的影响。即，通过在构成为环状的外侧屏蔽件124b的内侧配置磁场检测部122，能够使到达磁场检测部122的来自外部的磁场衰减、减小。由此，磁传感器13对外部磁场的耐性提高。
此外，如图15(b)所示，磁场检测部122以及反馈线圈121被配置为分别相对于假想中心线CL呈线对称，并以围住磁场检测部122以及反馈线圈121的方式在反馈线圈121上(Z1Z2轴的Z2侧)设置有由环状的外侧屏蔽件124b构成的屏蔽件124。因此，能够与在导体11中流动的电流的朝向无关地、高精度地感测感应磁场A以及电流I。
[实施例]
＜实施例1～2、比较例1＞
作为实施例1，使用具备实施方式的构成的磁传感器12(参照图3)，作为实施例2，使用具备变形例的构成的磁传感器52(参照图8)，对磁力进行测定来对线性进行评价。
图9为对比较例1的磁传感器的构成进行说明的俯视图。使用图9所示的与具备四个磁阻效应元件的磁场检测桥电路重叠地设有一个线圈部以及一个屏蔽件的电流传感器，对磁力进行测定来对线性进行评价，作为比较例1。
实施例1、2以及比较例1的电流传感器中共同的条件如下。
屏蔽件的材料：NiFe合金(19.5重量％Fe)
磁场检测部正上方的内侧屏蔽件(实施例)、屏蔽件(比较例)的尺寸：800μm×150μm
内侧屏蔽件(实施例1、2)、屏蔽件(比较例1)的膜厚：17μm
磁场检测部与屏蔽件的距离(Z1Z2方向)：10μm
磁场检测部的上部即与磁场检测部重叠的区域中的反馈线圈的圈数：24
图10为示意地表示磁传感器的输出线性的计算方法的图表。线性由输出的实测值与近似直线的差分(最大值)相对于满量程的比率(％/F.S.)来定义。根据该定义，线性(％/F.S.)的值越小，越接近理想的直线，越表示是精度高的磁传感器。
图10的图表中横轴表示磁场，纵轴表示反馈电流。如图10中实线所示，在磁场增加的情况和磁场减小的情况中，因磁滞而实际测定的反馈电流的实测值不同。因此，根据实测值，通过最小二乘近似求出近似直线，求出实测值与近似曲线的值的差分即从该实测值中减去根据与实测值相同磁场下的近似曲线求出的值而得到的值的绝对值的最大值，并计算出该最大值相对于满量程的比率来设为磁传感器的线性。另外，满量程(F.S.)是指计算出线性的磁场的范围内的最小磁场与最大磁场的反馈电流的差分。
将针对实施例以及比较例的磁传感器对线性进行了评价后的结果示于图11的图表以及表1。
[表1]
Figure BDA0003760494300000181
根据对实施例1、2以及比较例1的磁传感器的线性进行了评价的结果可知：通过由内侧屏蔽件和外侧屏蔽件来构成与反馈线圈重叠地配置的屏蔽件，能够高精度地检测感应磁场A，其中，内侧屏蔽件被配置为减弱施加于磁场检测部的被测定磁场的强度，外侧屏蔽件被配置为减弱施加于内侧屏蔽件的被测定磁场的强度。此外，从使线性良好的观点可知：与在磁场检测方向的两侧围住内侧屏蔽件的外侧屏蔽件相比，无缝地形成为环状的外侧屏蔽件更为优选。
＜实施例3、比较例2＞
实施例3以及比较例2的电流传感器中共同的条件如下。
磁场检测部的上部即与磁场检测部重叠的区域中的反馈线圈的圈数：24
作为磁阻效应元件使用的GMR元件的膜构成。()内的数字表示层的厚度
Figure BDA0003760494300000182
基底层：NiFeCr(42)/固定磁性层：Fe60at％Co40at％(19)/非磁性材料层：Ru(3.6)/固定磁性层：Co90at％Fe10at％(24)/非磁性材料层：Cu(20)/自由磁性层：[Co90at％Fe10at％(10)/Ni82.5at％Fe17.5at％(70)]/反强磁性层：IrMn(80)/保护层：Ta(100)
(实施例3)
使用图13所示的具备由外侧屏蔽件124b构成的屏蔽件124的磁传感器。
屏蔽件的材料：NiFe合金(19.5重量％Fe)
屏蔽件的形状：外形1000μm×1500μm、宽度220μm
屏蔽件的膜厚：17μm
磁场检测部与屏蔽件的距离(Z1Z2方向)：10μm
(比较例2)
在不具备屏蔽件124的构成中，使用不同于实施例3的磁传感器13的、图16所示的磁传感器53。
(偏移变动量的测定)
针对实施例3以及比较例2的磁传感器的每一个，将在与灵敏度轴正交的方向施加的外部磁场(应力磁场、正交磁场)设为±XmT(X为5～22，每1mT)，一边使外部磁场以交替地施加的正的外部磁场和负的外部磁场的绝对值逐渐变大的方式变化，一边测定磁传感器的输出的偏移变动量。
图17为表示对实施例3的磁传感器(各10个)的外部磁场耐性的测定结果的图表。
图18为表示比较例2的磁传感器(各10个)的外部磁场耐性的测定结果的图表。
如图17所示，实施例3的磁传感器的偏移产生至外部磁场±15mT，偏移变动量被抑制得小。
与此相对，如图18所示，对于比较例2的磁传感器，外部磁场以±10mT产生偏移，此外，偏移变动量也大。
根据图17以及图18所示的结果可知：通过设置在感应磁场的方向与来自反馈线圈的抵消磁场B的方向成为反向的位置重叠地配置的环状的屏蔽件，磁传感器的正交磁场耐性提高。特别是，通过与具有从厚度方向观察配置为线对称的第一线圈和第二线圈的8字形状的磁平衡用的反馈线圈的组合，能够实现正交磁场耐性良好的磁传感器。
工业上的可利用性
本发明例如可以作为感测马达驱动用的电流的大小的传感器来使用。
附图标记说明
11：导体
12、13、52、53：磁传感器(电流传感器)
21：基板
22：绝缘膜
31、31a、31b、31c、31d、31e、31f、31g：长条图案
32a、32b：连接端子
33a、33b、33c、33d、33e、33f：连接部
111：固定磁性层
112：非磁性材料层
113：自由磁性层
114：反强磁性层
121：反馈线圈
121a：第一线圈部
121b：第二线圈部
122：磁场检测部
122a、122b、122c、122d：磁阻效应元件
123：放大器
124：屏蔽件
124a：内侧屏蔽件
124b、124c、124d：外侧屏蔽件
A：感应磁场(被测定磁场)
B：抵消磁场
I：电流
Out1：第一输出电压
Out2：第二输出电压
Vdd：电源电压
GND：接地电压
CL：假想中心线

Claims (10)

1.一种磁传感器，具备由磁阻效应元件构成的磁场检测部、反馈线圈以及屏蔽件，其特征在于，
上述反馈线圈与上述磁场检测部重叠地配置，
上述屏蔽件与上述反馈线圈重叠地配置，
上述屏蔽件的从其法线方向观察时的形状为环状。
2.一种磁传感器，具备由磁阻效应元件构成的磁场检测部、反馈线圈以及屏蔽件，其特征在于，
上述反馈线圈与上述磁场检测部重叠地配置，
上述屏蔽件与上述反馈线圈重叠地配置，
上述屏蔽件具有：
内侧屏蔽件，被配置为使施加于上述磁场检测部的被测定磁场的强度减弱；以及外侧屏蔽件，被配置为使施加于上述内侧屏蔽件的上述被测定磁场的强度减弱。
3.根据权利要求2所述的磁传感器，其中，
在上述内侧屏蔽件中，上述被测定磁场的方向与上述反馈线圈的抵消磁场的方向相同，
在上述外侧屏蔽件中，具有上述被测定磁场的方向与上述反馈线圈的上述抵消磁场的方向相反的部分。
4.根据权利要求2所述的磁传感器，其中，
上述反馈线圈具备第一线圈部以及第二线圈部，
上述第一线圈部和上述第二线圈部被配置为从上述内侧屏蔽件的法线方向观察时的形状夹着与上述磁阻效应元件的灵敏度方向正交的假想中心线呈线对称。
5.根据权利要求2所述的磁传感器，其中，
上述外侧屏蔽件被形成为包围上述内侧屏蔽件。
6.根据权利要求2所述的磁传感器，其中，
上述外侧屏蔽件被形成为环状。
7.根据权利要求2所述的磁传感器，其中，
上述内侧屏蔽件的从其法线方向观察时的形状为大致矩形。
8.根据权利要求2所述的磁传感器，其中，
上述外侧屏蔽件的宽度为上述内侧屏蔽件的宽度以下。
9.根据权利要求4所述的磁传感器，其中，
上述磁场检测部是配置有四个上述磁阻效应元件的全桥电路，
四个上述磁阻效应元件被设置为在从上述内侧屏蔽件的法线方向观察时与上述假想中心线重叠。
10.一种电流传感器，其特征在于，具备权利要求1或2所述的磁传感器。
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