JP2005114727A

JP2005114727A - 複合化された２重目的磁気抵抗センサならびに電流および温度の測定方法

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Publication number: JP2005114727A
Application number: JP2004292146A
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Inventors: Randy K Rannow; ランディ・ケイ・ラノウ; Bradley D Winick; ブラッドレイ・ディー・ウィニック; Shaun L Harris; シャウン・エル・ハリス
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2003-10-09
Filing date: 2004-10-05
Publication date: 2005-04-28
Anticipated expiration: 2024-10-05
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Abstract

【課題】電子装置の動作を監視する手段のサイズを低減する。
【解決手段】本発明は、単一の磁気抵抗センサ(110,210)の抵抗測定(320,340)から温度と電流を求める。両目的センサ(100)は、一対の端子(112,113)を有する磁気抵抗センサ(110,210)を備える。センサ(110,210)は、別個の電流条件下で多重化されて(300)、センサの近傍における温度測定値と電流測定値の両方を生成する。センサシステム(200)は、両目的センサ(100)、抵抗検知サブシステム(220)、及び、電流条件を制御するコントローラ(230)を備える。温度と電流を測定する方法(300)は、第１の電流がセンサに近接する導体(102,202)に流れている間に両目的センサ(100)の第１の抵抗を測定するステップと、第２の電流が導体に流れている間にセンサの第２の抵抗を測定するステップを含む。温度と電流は、第１の抵抗の測定値と第２の抵抗の測定値からそれぞれ求められる。
【選択図】図３

Description

本発明は、電子デバイスに関する。特に、本発明は、電子デバイスの動作特性を監視するのに使用されるセンサに関する。

電子デバイスおよびそれらの構成部品は、ますます複雑になってきている。複雑さに伴い、このようなデバイスおよび部品のさまざまな性能パラメータを監視する必要性が増大している。特に、回路密度の増加により、多くの場合、回路の温度を監視する必要性が増大している。複雑な回路による電力利用によって、多くの場合、回路に流れ込む電流および／または回路から流れ出す電流に加えて、回路内を流れる電流も監視することが必要となる。このことは、電池を使用するデバイス等、電力が制限されるデバイスが関与するアプリケーションを考える場合に特に当てはまる。

従来、温度を測定する場合に、温度センサが使用される。同様に、電流を測定する場合には、電流センサが使用される。あいにく、このようなセンサは、特に監視対象の回路に一体化されると、かなりの回路面積を占有するおそれがある。加えて、センサが回路に一体化されるかどうかにかかわらず、センサの使用は、製造コストの一因にもなるおそれがある。このように、温度および電流の双方を測定する際に、温度用に１つのセンサと電流用に１つのセンサの２つのセンサを使用すると、一般に、単一のセンサの場合よりも２倍の回路面積と単一のセンサの場合よりも多くのコストが消費される。
米国特許第４，３８５，２７３号明細書米国特許第４，４１４，５１０号明細書米国特許第４，９３７，５２１号明細書米国特許第５，５０２，３２５号明細書米国特許第５，２０６，５９０号明細書米国特許第６，００２，５５３号明細書米国特許第６，２１５，３０１Ｂ１号明細書米国特許第６，４７３，２７５号明細書米国特許第６，４２９，６４０Ｂ１号明細書米国特許出願第２００３／０１１７２５４Ａ１号明細書 Michael J. Caruso等による「A New Perspective on Magnetic Field Sensing」、Honeywell, Inc., 5/98, pp. 1-19 S. TumanskiによるThin Film Magnetoresistive Sensors, Inst. of Physics Publication Ltd., Bristol and Philadelphia, 2001, pp. 1-163

本発明の１つの目的は、電子装置の動作を監視する手段のサイズを低減することである。

本発明のいくつかの実施形態では、２重目的センサが提供される。この２重目的センサは、単一対の端子を有する磁気抵抗電流センサを備える。このセンサは、当該センサに隣接する導体の個々の電流状況下で、該センサの近傍の温度測定値および電流測定値の双方を生成するように複合化される。

本発明の他の実施形態では、電流測定値および温度測定値を生成するセンサシステムが提供される。このセンサシステムは、磁気抵抗率（または磁気抵抗電流）を検知する手段と、この電流検知手段の抵抗値を測定する手段と、この電流検知手段に隣接する導体の電流を制御する手段とを備える。

本発明のさらに別の実施形態では、温度および電流を測定する方法が提供される。この方法は、第１の電流が磁気抵抗センサに隣接する導体に流れている間に、磁気抵抗センサの第１の抵抗値を測定するステップを含む。第１の電流は、既知の値を有し、第１の抵抗値は、センサの単一対の端子を使用して測定される。この方法は、さらに、第２の電流が導体に流れている間に、磁気抵抗センサの第２の抵抗値を測定するステップを含む。第２の電流は、未知の値を有し、第２の抵抗値は、センサの上記単一対の端子を使用して測定される。測定された第１の抵抗値は、温度測定値を生成するのに使用される一方、測定された第２の抵抗値は、電流測定値を生成するのに使用される。

本発明のいくつかの実施形態は、上述した特徴以外の他の特徴および上述した特徴に代わる他の特徴を有する。本発明のこれらの特徴及び利点並びに他の特徴及び利点を、添付図面を参照して以下に詳述する。

本発明のさまざまな特徴および利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって、より簡単に理解することができる。添付図面において、同じ参照符号は、同じ構造上の要素を示す。

実施形態

本発明は、磁気抵抗電流センサを複合化して、電子デバイスまたはその構成要素に２重目的の検知機能を提供する（以下では、複合化とは、たとえば、機能的に複合化または多重化することを意味する）。詳細には、センサに隣接して流れる電流およびセンサの近傍の温度の双方を、本発明の単一の磁気抵抗電流センサを使用して求めることができる。したがって、このような測定に２つまたは３つ以上の従来のセンサを使用する代わりに、１つの２重目的センサを使用することができる。さらに、センサの温度測定能力は、電流測定を補正するのに使用することもできるし、電流測定の調整を可能にするのに使用することもできる。それによって、２重目的センサの電流測定の精度が改善される。

本発明による２重目的センサは、スタンドアロンセンサ（独立型センサ）として実現することもできるし、一体化センサとして実現することもできる。さらに、２重目的センサは、集積回路、集積回路パッケージ、プリント回路基板、および電子デバイスに使用される関連した回路素子もしくは部品のうちの、１つまたは２つ以上のものの温度および電流の双方を測定するのに使用することもできる。例えば、いくつかの２重目的センサは、本発明に従って、集積回路（ＩＣ）内に一体化されて、そのＩＣの電力消費を監視し、および電力消費の制御を支援することができる。加えて、いくつかの一体化された２重目的センサは、例えばＶＬＳＩデバイスの性能向上または最適化を促進するのに使用することもできる。別の例では、本発明に従って、２重目的センサのアレイを使用して、設計目的または診断目的（例えば、欠陥または故障の検出）で回路の電流／温度および／または電力利用度をマッピングする（例えば図に表す）ことができる。

図１は、本発明の一実施形態による２重目的センサ１００の一実施形態のブロック図を示している。この２重目的センサ１００は、磁気抵抗（ＭＲ）電流センサ１１０を備える。このＭＲ電流センサ１１０は、当該ＭＲ電流センサ１１０に関連付けられた、または、当該ＭＲ電流センサ１１０から延びる１対の端子１１２、１１３を有する。ＭＲ電流センサ１１０は、当該ＭＲ電流センサ１１０に隣接した導体１０２に流れる電流１０４の状態または状況（または条件。以下同じ）を制御することによって複合化される。電流１０４の状況が制御され、その結果、電流１０４は、事前に知られた値または未知の値のいずれかをとる。事前に知られた値を有する電流１０４が、隣接する導体１０２に流れている場合には、２重目的センサ１００は、温度測定値を生成する。未知の値を有する電流１０４が、隣接する導体１０２に流れている場合には、２重目的センサ１００は、電流１０４の電流測定を行う。このように、本発明によると、電流の状況を制御することによって２重目的センサ１００のＭＲ電流センサ１１０を複合化することにより、２重目的センサ１００による測定は、センサ１００の近傍の温度測定と、隣接する導体１０２の電流１０４の未知の値の電流測定との双方を与えることができる。さらに、電流１０４の未知の値は、時間と共に一定であってもよいし、電流計測中に時間の関数として変化してもよい。

既述したように、温度測定値および電流測定値は共に、ＭＲ電流センサ１１０の単一対の端子（１１２、１１３）間で行われる測定によって生成される。詳細には、この１対の端子（１１２、１１３）間で、第１の抵抗値が測定され、温度測定値を求めるのに使用される。この第１の抵抗値は、隣接する導体１０２の事前に知られた値の電流状況について測定されるものである。事前に知られた電流状況は、導体１０２に流れる特定の電流であり、その特定の電流の値は、第１の抵抗値が測定された時に分かる。したがって、事前に知られた電流状況は、任意の特定の電流１０４とすることができる。この任意の特定の電流１０４は、例えば、ゼロアンペア（０Ａ）等であるが、これに限定されるものではない。換言すると、例示的な状況では、第１の抵抗値は、導体１０２の電流１０４が「ＯＦＦにされている」時、すなわち実質的に０Ａに設定されている時に測定することができる。あるいは、第１の抵抗値は、電流１０４が、別の非ゼロの値に設定されている時の電流状況において測定することもできる。この値は、例えば１Ａ等であるが、これに限定されるものではない。

測定された抵抗値とＭＲ電流センサ１１０の温度との既知の関係を使用すると、測定された抵抗値から温度測定値が求められる。例えば、「校正」曲線を使用することができる。この校正曲線は、製造中に電流センサ１１０について測定または求められる、温度と抵抗値との間の経験的関係（または実験的に求められた関係）である。校正曲線は、さまざまな形式で表現して使用することができる。このさまざまな形式には、グラフ形式、表形式（例えばルックアップテーブル）、および関数形式が含まれるが、これらに限定されるものではない。

例えば、ＭＲ電流センサ１１０の動作温度範囲にわたる一連の離散的な温度のそれぞれにおいて、ＭＲ電流センサ１１０の端子（１１２、１１３）間の一連の抵抗値を測定することができる。このように作成された抵抗値／温度の対は、ルックアップテーブルに記憶することもできるし、温度が第１の軸に関連付けられ、抵抗値が第２の軸に関連付けられたグラフとしてプロットすることもできる。測定された対の間の抵抗値／温度の関係を求めるのに、補間および「最良適合」曲線当てはめを含む技法を使用できるが、使用できる技法は、これらに限定されるものではない。校正曲線の抵抗値／温度の測定は、上述した隣接する導体１０２の事前に知られた電流状況の下で行われるのが好ましい。

その結果生成された校正曲線は、電流センサ１１０の事前に知られた電流状況の下での抵抗値を、動作温度範囲にわたる温度に関係付ける、すなわちマッピングする。このように、測定された抵抗値から、校正曲線を使用して、対応する温度を求めることができる。別の例では、既知の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を使用して、温度の関数として抵抗値の変化を求めることができる。ＴＣＲを使用すると、電流センサ１１０について測定された抵抗値と、ベースライン温度（基準温度）において電流センサ１１０について測定されたベースライン抵抗値（基準抵抗値）とから温度を計算することができる。ＴＣＲを使用して電流センサ１１０の測定値から温度を求めることも、事前に知られた電流状況が、抵抗値の測定およびベースライン抵抗値の測定中に、隣接した導体１０２において維持されていることを前提とする。

測定された第１の抵抗値を使用して温度を求めると、端子対（１１２、１１３）の端子間で測定された第２の抵抗値を使用して、電流測定値を求めることができる。この第２の抵抗値は、決定される未知の電流１０４が導体１０２に流れている時に測定される。抵抗値と、隣接する導体１０２に流れる電流１０４によって生成される磁界との間の関係が、電流測定の計算に使用される。温度と同様に、流れる電流１０４を測定された抵抗値に関係付ける校正曲線を経験的に求めることができ、この校正曲線が、関係付けとしての機能を果たす。あるいは、この関係付けは、例えば、製造中に測定して、決定されたベースライン抵抗値を使用して、解析的に求めることもできる。

抵抗値または抵抗値の変化と電流１０４との間の１群または１組の関係を使用できることは、好都合である。特に、この１組の個々のメンバの関係は、電流センサによって決定された温度に応じて異なることがある。事前に知られた電流１０４について決定された温度を使用すると、適切なメンバの関係を決定された温度に基づいて選択することによって、決定された温度について、未知の電流１０４の値を補正することができる。上記のように、補間、曲線当てはめ、および関連技法をメンバの関係間で（例えば、校正データに明示的に含まれていない抵抗値から電流値を計算するのに）使用することができる。

磁気抵抗（ＭＲ）電流センサ１１０は、磁気抵抗材から構成される磁界センサを備える。磁気抵抗材は、印加される磁界の強度および／または方向に従って変化する抵抗率を有する材料である。したがって、磁界センサ（以下「ＭＲセンサ」）は、印加された磁界に応じて変化する抵抗値を示す。ＭＲセンサは、ＭＲ電流センサ１１０として使用されると、当該ＭＲセンサに隣接する導体に流れる電流によって生成される磁界を検知するか、または、磁界に反応する。通常、ＭＲセンサは、ベースライン抵抗値と比較したセンサ抵抗値の変化の点から電流を測定する。電流測定値は、解析的に求めることができ、かつ／または、ＭＲセンサの校正を使用して経験的に求めることができる。したがって、本発明のＭＲ電流センサ１１０は、一般に、１対の端子１１２、１１３の第１の端子１１２と第２の端子１１３との間で測定される抵抗値の変化の点から、隣接する導体１０２に流れる電流１０４を測定するＭＲセンサである。

実際には、どの磁気抵抗（ＭＲ）センサも、本発明のＭＲ電流センサ１１０として使用することができる。詳細には、例えば「異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）」センサとして知られている第１の部類のＭＲセンサ、および／または、「巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）」センサとして知られている第２の部類のＭＲセンサを、本発明によるＭＲ電流センサ１１０として使用することができる。

ＡＭＲセンサは、通常、基板上に堆積されて第１の端子と第２の端子との間を接続する磁気抵抗材料の薄膜を備える。例えば、集積回路（ＩＣ）の製造に使用されるシリコンウェハまたは別の基板材料上に、鉄材料（または強磁性材料）を薄膜として堆積させることができる。この鉄材料は、ニッケル鉄合金（Ｎｉ−Ｆｅまたはパーマロイ）等であるが、これに限定されるものではない。次いで、このＭＲ材料の薄膜は、第１の端子を第２の端子に接続する１つまたは複数の抵抗性ストリップにパターン形成される。さらに、製造中に、通常、強磁界が印加されて、「容易軸」またはＭＲ材料の磁化（Ｍ）ベクトルの好ましい向きが、設定または確立される。

第１の端子と第２の端子との間で測定されるＡＭＲセンサの抵抗値は、Ｍベクトルと、センサを通って流れる検知電流の方向との間の角度差θの関数として変化する。この検知電流は、ＡＭＲセンサ内の電流であり、抵抗値の測定に使用される。一般に、最大抵抗値は、検知電流がＭベクトルに平行な方向に流れる時に生成される一方、最小抵抗値は、検知電流の流れが、Ｍベクトルと実質的に直角である時に生成される。

外部磁界が、ＡＭＲセンサに印加されると、ＭＲ材料のＭベクトルは、回転することができ、その結果、角度差θが変化する。Ｍベクトルの回転によって生成される角度差θの変化の結果、ＡＭＲセンサの抵抗値は変化する。図１では、太線の矢印が、例示的な容易軸のＭベクトルを示している。外部磁界の作用によって生成される回転したＭベクトルを、図１の破線の矢印で例示する。このように、ＡＭＲセンサの抵抗は、外部磁界の印加に応答して変化する。

外部磁界の影響による抵抗の変化は、当業者には「磁気抵抗効果」として知られている。電流を検知するＡＭＲセンサならびにその製造および使用に関するさらなる背景情報は、Michael J. Caruso等による「A New Perspective on Magnetic Field Sensing」、Honeywell, Inc., 5/98, pp. 1-19およびS. TumanskiによるThin Film Magnetoresistive Sensors, Inst. of Physics Publishing Ltd., Bristol and Philadelphia, 2001, pp. 1-163に見ることができる。

ＡＭＲセンサが、電流センサとして使用されると、一般に、ＡＭＲセンサに隣接する導体に流れる電流が、外部磁界を生成する。マックスウェルの方程式は、導体に流れる電流と、その流れる電流によって生成される磁界との間の特有の関係を一意に画定する。したがって、導体に流れる電流の大きさは、ＡＭＲセンサによって測定された磁界から計算により、あるいは、他の方法で求めることができる。Lienhard他の米国特許第４，３８５，２７３号、Milkovicの米国特許第４，４１４，５１０号、Yoshino他の米国特許第４，９３７，５２１号、およびSokolich他の米国特許第５，５０２，３２５号は、それぞれ、本発明によるＭＲ電流センサ１１０として使用できるさまざまな例示的なＭＲ電流センサおよび／またはＡＭＲ電流センサを開示している。

ＧＭＲセンサは、いわゆる「巨大磁気抵抗」効果を使用して、印加された磁界を測定するＭＲセンサである。フランスのAlbert Fertおよび彼の協力者、ドイツのPeter Grunbergおよび彼の協力者は、それぞれれ別々に１９８８年頃に巨大磁気抵抗効果を発見した。ＧＭＲセンサは、交互に積み重ねられた、すなわち、層構造をなす１組の薄膜の磁性材料および非磁性材料を備える。例えば、銅（Ｃｕ）およびＮｉ−Ｆｅ（パーマロイ）の薄膜層が交互に積み重なったものを使用して、ＧＭＲセンサを製作することができる。この１組の交互の薄膜層は、巨大磁気抵抗効果を生成し、したがって、ＡＭＲセンサと比較すると、印加された磁界に対するＧＭＲセンサの抵抗変化の感度が大幅に向上する。さらに、上述したＡＭＲセンサと同様に、ＧＭＲセンサは、検知または求められる電流を運ぶ導体に隣接して当該ＧＭＲセンサを配置して当該ＧＭＲセンサの抵抗を測定することによって、電流センサとして使用することができる。次に、測定された抵抗を使用して、電流により生成された磁界が求められる。次いで、求めた磁界から、電流測定値が計算されるか、あるいは、他の方法で求められる。

本発明のＭＲ電流センサ１１０に適用可能なＧＭＲセンサのさまざまな構成には、膜面平行電流（ＣＩＰ（current in plane））構成および膜面垂直電流（ＣＰＰ（current perpendicular to plane））構成が含まれるが、これらに限定されるものではない。さらに、さまざまな種類のＧＭＲセンサを、本発明によるＭＲ電流センサ１１０として使用することができ、これらには、ピン止めされていないサンドイッチＧＭＲセンサ（unpinned sandwich GMR sensor）、反強磁性多層ＧＭＲセンサ、スピンバルブＧＭＲセンサ、およびスピン依存トンネル効果（ＳＤＴ）を使用するＧＭＲセンサが含まれるが、これらに限定されるものではない。このようなさまざまなＧＭＲセンサの種類およびそれらの動作は、Michael J. Caruso等による上記引用文献およびS. Tumanskiによる上記文献の第１６５〜３２４ページに記載されている。さらに、適用可能なさまざまなＧＭＲ電流センサおよびそれらの製造は、Dieny他の米国特許第５，２０６，５９０号、Stearns他の米国特許第６，００２，５５３号、Lenssenの米国特許第６，２１５，３０１Ｂ１号、Gillの米国特許第６，４７３，２７５号、Daughton他の米国特許第６，４２９，６４０Ｂ１号、およびWan他の米国特許出願公開第２００３／０１１７２５４Ａ１号によって開示されている。

図２は、図１に示す２重目的センサ１００の例示的な実施形態の斜視図を示している。この例示的な２重目的センサ１００は、ＣＩＰ構成を有するＭＲ電流センサ１１０としてＧＭＲ型センサを使用する。図示するように、ＧＭＲ電流センサ１１０のＭベクトルは、隣接する導体１０２に流れる電流１０４によって生成される磁界１０６に応答して回転する。Ｍベクトルの回転により、端子１１２、１１３間で測定される例示的なＧＭＲ電流センサ１１０の抵抗値は変化する。この抵抗値の変化は、電流１０４に比例する。より正確には、この抵抗値の変化は、隣接する導体１０２に流れる電流１０４によって生成され、かつ電流１０４に比例する磁界に比例する。

図２に示す例示的な２重目的センサ１００を使用する前に、１組の校正曲線が生成される。詳細には、隣接する導体１０２にゼロアンペアの電流１０４が流れている間、例示的なＧＭＲ電流センサ１１０を１組の既知の温度にさらすことができる。この１組の各温度において、ＧＭＲ電流センサ１１０の抵抗値が測定される。測定された抵抗値は、温度に対してプロットされ、温度校正（ＴＣ）曲線が生成される。次いで、ＧＭＲ電流センサ１１０は、第１の既知の温度にさらされ、１組の既知の電流１０４が、隣接する導体１０２に流される。この１組の各電流について、ＧＭＲ電流センサ１１０の抵抗値が測定される。測定された抵抗値は、電流に対してプロットされ、第１の温度に対応する第１の電流校正（ＣＣ）曲線が生成される。例示のＧＭＲ電流センサ１１０は、第２の既知の温度にさらされ、第２の温度に対応する第２のＣＣ曲線が、同様にして生成される。対象とする温度範囲をカバーする、すなわち、当該温度範囲にわたる１組のＣＣ曲線が生成されるまで、この電流校正プロセスは繰り返される。この時点で、例示的な２重目的センサ１００は、「校正された」と言われる。

校正されると、図２に示す例示的な２重目的センサ１００は、隣接する導体１０２の近傍の他の未知の温度、および、隣接する導体１０２に流れる他の未知の電流を測定するまたは求めるのに使用することができる。例えば、この未知の電流は、超大規模集積（ＶＬＳＩ）回路の一部に流れ込む電流および一部から流れ出す電流とすることができる。さらに、例示的な２重目的センサ１００は、ＶＬＳＩ回路に一体化することができ、ＶＬＳＩ回路の他の部分と共に製造することができる。

製造に続いて電流および温度の測定または決定を行うために、隣接する導体１０２の電流１０４がＯＦＦにされ、例示的なＧＭＲ電流センサ１１０の抵抗値が測定される。測定された抵抗値を温度測定値に変換するのに、ＴＣ曲線が使用される。次いで、隣接する導体１０２の電流１０４がＯＮにされて、ＧＭＲ電流センサ１１０の抵抗値が再び測定される。前に求めた温度測定値を使用して、対応するＣＣ曲線が選択される。選択されたＣＣ曲線を用いて、測定された抵抗値が電流測定値に変換される。２重目的センサ１００を使用する温度測定および／または電流測定は、任意の特定の監視状況に応じて、所望の回数だけ繰り返すことができる。例えば、温度はほぼ１分毎に決定でき、電流は１秒間隔で求めることができる。

このように生成された電流計測値が、本質的には、温度補正された電流測定値であることは好都合である。さらに、上述したように、特定のＴＣ曲線またはＣＣ曲線には見当たらない温度測定値および／または電流測定値を生成するために、補間または他の類似の技法を使用することもできる。

図３は、本発明の一実施形態によるセンサシステム２００の一実施形態を示している。このセンサシステム２００は、電流を運ぶ隣接する導体２０２の電流を検知する手段を備える。この手段は、磁気抵抗（ＭＲ）効果を使用する。センサシステム２００は、この電流検知手段の抵抗値を測定または検知する手段をさらに備える。センサシステム２００は、隣接する導体２０２の電流を制御する手段をさらに備える。具体的には、この制御手段は、第１の動作フェーズ、すなわち温度測定動作フェーズの間に、導体２０２の電流を既知の値に設定し、第２の動作フェーズ、すなわち電流測定動作フェーズの間、電流が未知の値を有することを可能にする。この未知の電流値は、電流測定フェーズの間にセンサシステム２００によって測定される一方、センサシステム２００の温度は、温度測定フェーズの間に測定される。

具体的には、図３に示すように、センサシステム２００は、導体２０２に隣接した磁気抵抗（ＭＲ）電流センサ２１０と、抵抗検知サブシステム２２０と、コントローラ２３０とを備える。抵抗検知サブシステム２２０は、ＭＲ電流センサ２１０の１対の端子に接続され、端子間の抵抗の測定値を生成する。コントローラ２３０は、温度測定フェーズおよび電流測定フェーズの間、導体２０２に流れる電流を制御する。また、コントローラ２３０は、抵抗検知サブシステム２２０によって生成された抵抗測定値を受け取って処理するように接続することもできる。

ＭＲ電流センサ２１０は、基本的には、２重目的センサ１００と同様のものであり、特に、２重目的センサ１００について上述したＭＲ電流センサ１１０と同様のものである。ＭＲセンサ２１０は、電流を運ぶ導体２０２によって生成された磁界に磁気的に結合される任意のＭＲセンサとすることができる。したがって、ＭＲ電流センサ２１０は、例えば、ＡＭＲ電流センサおよび／またはＧＭＲ電流センサとすることができる。さらに、ＭＲ電流センサ２１０は、回路または回路パッケージの要素として、導体２０２と共に回路または回路パッケージ内に一体化されたセンサとすることもできる。あるいは、ＭＲ電流センサ２１０は、回路または回路パッケージに適用される個別のセンサとすることもできる。本明細書で使用されるように、「一体化」センサは、回路の一部として製造されるセンサである一方、「個別の」センサは、一般に、別々に製造されて、後で回路内に組み立てられるものである。

抵抗検知サブシステム２２０は、ＭＲ電流センサ２１０の抵抗または抵抗の変化を検知して測定することができる任意のサブシステムとすることができる。例えば、図３に示すように、抵抗検知サブシステム２２０は、定電流源２２２およびセンス増幅器２２４を備えることができる。この定電流源２２２は、ＭＲ電流センサ２１０と、一対の端子間で接続され、実質的に一定の電流をＭＲ電流センサ２１０に供給する。さらに、センス増幅器２２４は、ＭＲ電流センサ２１０と一対の端子で接続される。センス増幅器２２４は、供給された定電流の結果として生じるＭＲ電流センサ２１０の両端の電圧を測定する。センス増幅器２２４は、出力を生成することができる。この出力は、電圧Ｖ_Ｒ等であるが、これに限定されるものではない。この電圧Ｖ_Ｒは、測定された抵抗値に比例する。あるいは、センス増幅器２２４は、測定された電圧を、測定された抵抗値のデジタル表現に変換することができる。測定された電圧は、電流源２２２からの定電流の既知の値およびオームの法則を使用して、抵抗値に変換される。当業者は、このような抵抗検知サブシステムを実現するのに使用される多くの手法および回路に詳しい。これらの手法および回路のすべては、本発明の範囲内に含まれる。

コントローラ２３０は、温度測定フェーズおよび電流測定フェーズの間、導体２０２の電流の制御を容易にすることができる任意のコントローラとすることができる。詳細には、コントローラ２３０は、温度測定フェーズの間、電流を既知の値または状況（例えば、〜０Ａ）に設定し、電流測定フェーズの間、未知の電流値または電流状況が導体２０２に流れることが可能にする。

例えば、コントローラ２３０は、回路、コンポーネント、またはサブシステムの一部に流れる電流を制御するマイクロプロセッサとすることができる。これらの回路、コンポーネント、またはサブシステムは、多機能ＶＬＳＩ回路等であるが、これに限定されるものではない。あるいは、このマイクロプロセッサは、例えば、節電の理由から、当該マイクロプロセッサ自身の一部または複数の部分に流れる電流を制御することもできる。別の例では、コントローラ２３０は、導体２０２上に２値データシーケンスを生成する通信ドライバ回路とすることもできる。この２値データシーケンスが、第１の状態が「オフ」電流状況であり、第２の状態が「オン」電流状況である２つの状態を備える場合に、通信ドライバ回路は、上述したような既知の状況と未知の状況との間で導体の電流を切り換えるコントローラ２３０とみなすことができる。具体的には、「オフ」電流状況の間、センサシステム２００は、温度を測定できる一方、「オン」状況の間、センサシステム２００は、導体２０２に流れる未知の電流を測定することができる。電源コントローラやバッテリ充電サブシステム等、他のさまざまなコントローラおよびサブシステムも、本発明に従って、コントローラ２３０として使用することができる。

このように、コントローラ２３０、抵抗検知サブシステム２２０、およびＭＲ電流センサ２１０の協働動作を通じて、温度および電流の双方が、測定または求められる。具体的には、温度および電流は、２重目的センサ１００について上述したのと実質的に同様の方法で、センサシステム２００によって求められる。

図３に示すように、スイッチ２３２が、コントローラ２３０によって制御されて、導体２０２の電流を設定する。このスイッチ２３２は、一例として図３に示されており、本発明の範囲を限定するためのものではない。スイッチ２３２の機能を、図４を参照して以下にさらに説明する。

図４は、導体２０２に流れる例示的な電流Ｉが、時間Ｔの関数としてプロットされたグラフを示している。導体２０２は、図３に示すセンサシステム２００の電流センサ２１０に磁気的に結合される。時間の第１の部分の間、電流Ｉは、コントローラ２３０によって０Ａに設定される。例えば、コントローラ２３０は、スイッチ２３２を切る、すなわち「開放」にして電流を０Ａに設定することができる。

時間Ｔの第１の部分において、センサシステム２００は、電流センサ２１０の抵抗値を測定する。第１の時間部分の間にセンサシステム２００によって測定された抵抗値は、電流センサ２１０の近傍の温度に比例する。このため、時間Ｔの第１の部分は、図４では、「温度測定」というラベルが付けられている。

測定された抵抗値は、温度測定値に変換される。例えば、ＭＲ電流センサ２１０の温度校正曲線を使用して、測定された抵抗値を温度測定値に変換することができる。第１の時間の期間内に、１つまたは２つ以上の抵抗測定を行って、温度測定値に変換することができる。したがって、いくつかの温度測定値を平均して、温度測定値の精度を改善することができる。

いくつかの実施形態では、図３の破線で示すように、測定された抵抗値を抵抗検知サブシステム２２０からコントローラ２３０に伝達することができる。コントローラ２３０は、メモリに記憶された温度校正曲線にアクセスして、測定された抵抗値を温度測定値に変換するコンピュータプログラムを実行することができる。

図４を再び参照して、時間Ｔの第２の部分の間、コントローラ２３０によって、電流Ｉが未知の値を有することが可能になる。例えば、コントローラ２３０は、スイッチ２３２をオンにすることができ、それによって、電流Ｉが導体２０２に流れることを可能にする。時間の第２の部分は、図４では、「電流測定」というラベルが付けられている。時間Ｔの第２の部分において、センサシステム２００は、電流センサ２１０の抵抗値を測定する。時間の第２の部分の間に測定された抵抗値は、導体２０２に流れる電流の未知の値に比例する。測定された抵抗値は、未知の電流値の電流測定値に変換される。

例えば、温度測定に関連して使用されるのと同様の方法で、ＭＲ電流センサ２１０の電流校正曲線を使用して、測定された抵抗値を電流測定値に変換することができる。第２の時間部分内に、１つまたは２つ以上の抵抗測定を行って、電流測定値に変換することができる。したがって、いくつかの電流測定値を平均して、電流測定値の精度を改善することができる。これに代えて、または、これに加えて、第２の時間部分の間に取得されたいくつかの電流測定値を使用して、時間と共に変化する電流を追跡または求めることができる。

この場合も、いくつかの実施形態では、図３の破線で示すように、測定された抵抗値を抵抗検知サブシステム２２０からコントローラ２３０に伝達することができる。コントローラ２３０のコンピュータプログラムは、コントローラ２３０によって記憶された電流校正曲線にさらにアクセスして、電流測定の間、すなわち第２の時間部分の間に取得されて伝達された測定抵抗値から電流測定値を計算することができる。

図５は、本発明の一実施形態による、磁気抵抗（ＭＲ）センサを使用した電流および温度の測定方法３００の一実施形態を示している。具体的には、この測定方法３００は、単一のＭＲセンサから電流測定値および温度測定値の双方を生成することができる。さらに、方法３００は、単一対の端子を有する単一のＭＲセンサを使用して、当該ＭＲセンサの近傍の電流測定値および温度測定値を求める。測定された電流は、ＭＲセンサに隣接する導体に流れる電流である。具体的には、隣接する導体は、ＭＲセンサに磁気的に結合される。測定された温度は、ＭＲセンサの温度またはその近傍の温度である。

測定方法３００は、隣接する導体の電流を既知の値または状況に設定するステップ３１０を含む。例えば、電流を、既知の値として実質的に０Ａに設定することができる。

測定方法３００は、さらに、ＭＲセンサの抵抗値を測定して、ベースライン抵抗測定値を確定するステップ３２０も含む。導体に流れる電流は、既知の値を有するので、測定された（３１０）抵抗値の変化は、ＭＲセンサの抵抗温度係数（ＴＣＲ）の関数である。したがって、ＴＣＲまたはその経験的な表現（例えば、温度校正曲線）は、測定された（３２０）抵抗値をＭＲセンサの温度に関係付ける。

方法３００は、さらに、電流が未知の値または状況を有することを可能にするステップ３３０も含む。この未知の値は、方法３００に従って求められるまたは測定される電流値である。例えば、未知の値は、方法３００によって監視されているシステムまたはサブシステムの一部により消費される電流または当該一部に供給される電流とすることができる。監視を使用して、例えば、システムまたはサブシステムの動作状況を決定することもできるし、システムまたはサブシステムによる全体の電力利用を制御することもできる。

方法３００は、さらに、電流が未知の値を有することが可能である（３３０）の間、ＭＲセンサの抵抗値を測定するステップ３４０も含む。ＭＲセンサの測定（３４０）された抵抗値は、隣接する導体に流れる電流に比例するので、測定された（３４０）抵抗値により、未知の電流値が求められる。

本発明は、単一の磁気抵抗センサ(110,210)の抵抗測定(320,340)から温度と電流を求める。両目的（２重目的）センサ(100)は、一対の端子(112,113)を有する磁気抵抗センサ(110,210)を備える。センサ(110,210)は、別個の電流条件下で多重化されて(300)、センサの近傍における温度測定値と電流測定値の両方を生成する。センサシステム(200)は、両目的センサ(100)、抵抗検知サブシステム(220)、及び、電流条件を制御する(310,330)コントローラ(230)を備える。温度と電流を測定する方法(300)は、第１の電流がセンサに近接する導体(102,202)に流れている(310)間に両目的センサ(100)の第１の抵抗値を測定するステップ(320)と、第２の電流が導体に流れている(330)間にセンサの第２の抵抗を測定するステップ(340)を含む。第１の電流は既知の値を有し、第２の電流は未知の値を有する。温度と電流は、第１の抵抗の測定値と第２の抵抗の測定値からそれぞれ求められる。

以上、単一のＭＲセンサを複合化することを使用して、温度および電流の双方を測定する２重目的電流センサ１００およびセンサシステム２００を説明してきた。さらに、ＭＲセンサを使用して温度および電流を測定する方法も説明してきた。上述した実施形態は、本発明の原理を表す多くの具体的な実施形態の一部を例示したものにすぎないことが理解されるべきである。当業者であれば、添付の特許請求の範囲によって画定される本発明の範囲から逸脱することなく、他の多数の構成を容易に考え出すことが可能であることは明かである。

本発明の一実施形態による２重目的センサの一実施形態のブロック図を示す。図１に示す２重目的センサの例示的な実施形態の斜視図を示す。本発明の一実施形態によるセンサシステムの一実施形態のブロック図を示す。図３に示すセンサシステムに磁気的に結合された導体に流れる例示的な電流が、時間の関数としてプロットされたグラフを示す。本発明の一実施形態による、磁気抵抗センサを使用した電流および温度の測定方法の一実施形態のフローチャートを示す。

符号の説明

１１０、２１０磁気抵抗電流センサ
１１２、１１３一対の端子
１０２、２０２導体
２２０抵抗検知サブシステム
２３０コントローラ

Claims

２重目的センサ（１００）において、
単一対の端子（１１２、１１３）を有する磁気抵抗電流センサ（１１０、２１０）であって、別個の電流状況下で、該単一対の端子（１１２、１１３）間で行われる個々の抵抗測定から、該センサ（１１０、２１０）の近傍の温度測定値と、該センサ（１１０、２１０）に隣接する導体（１０２、２０２）の電流測定値との両方を生成するように複合化（３００）された磁気抵抗電流センサ（１１０、２１０）を備える、２重目的センサ。
前記温度測定値および前記電流測定値は、前記隣接する導体（１０２、２０２）に流れる個々の電流に関して求められることからなる、請求項１に記載の２重目的センサ。
前記別個の電流状況は、前記隣接する導体（１０２、２０２）を流れる電流（３１０）が事前に知られた値を有する第１の状況と、前記隣接する導体（１０２、２０２）を流れる電流（３３０）が未知の値を有する第２の状況とを含むことからなる、請求項１または２に記載の２重目的センサ。
第１の抵抗値が、前記第１の状況の間に前記単一対の端子（１１２、１１３）間で測定（３２０）されて、前記温度測定値が生成される、請求項１乃至３のいずれかに記載の２重目的センサ。
第２の抵抗値が、前記第２の状況の間に前記単一対の端子（１１２、１１３）間で測定（３４０）されて、前記隣接する導体（１０２、２０２）の前記電流測定値が生成されることからなる、請求項１乃至４のいずれかに記載の２重目的センサ。
前記磁気抵抗センサ（１１０、２１０）は巨大磁気抵抗センサである、請求項１乃至５のいずれかに記載の２重目的センサ。
前記磁気抵抗センサ（１１０、２１０）は異方性磁気抵抗センサである、請求項１乃至５のいずれかに記載の２重目的センサ。
電流測定値および温度測定値を提供するセンサシステム（２００）に使用される請求項１乃至７のいずれかに記載の２重目的センサであって、
前記センサシステム（２００）が、
前記電流センサ（１１０、２１０）の前記単一対の端子（１１２、１１３）に接続された抵抗検知サブシステム（２２０）と、
前記導体（１０２、２０２）に流れる電流を制御するように接続されたコントローラ（２３０）
を備えることからなる、２重目的センサ。
前記コントローラ（２３０）は、前記別個の電流状況の間に、前記導体（１０２、２０２）に流れる電流を制御（３１０、３３０）し、
前記抵抗検知サブシステム（２２０）は、前記別個の電流状況の間に、前記導体（１０２、２０２）に流れる電流に応答して、前記電流センサ（１１０、２１０）の前記単一対の端子（１１２、１１３）間の抵抗値を測定する（３２０、３４０）ことからなる、請求項８に記載の２重目的センサ。
前記コントローラ（２３０）は、前記抵抗検知サブシステム（２２０）のサブシステム（２２０）出力に接続され、前記コントローラ（２３０）は、コンピュータプログラムを含み、該コンピュータプログラムは、実施されると、前記サブシステム（２２０）出力からの前記抵抗測定値を、前記電流状況に応じて温度測定値または電流測定値のいずれかに変換することからなる、請求項８または９に記載の２重目的センサ。