JP5517315B2 - 電流センサ - Google Patents
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Description
本発明は、電流の大きさを測定する電流センサに関し、特に、磁気抵抗効果素子を備えた電流センサに関する。
従来、電気自動車やソーラー電池などの分野では、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する磁気検出素子を備えた電流センサが用いられている。電流センサに使用される磁気検出素子としては、例えば、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子がある。
ＧＭＲ素子は、反強磁性層、強磁性固定層、非磁性材料層及びフリー磁性層を基本的な膜構成としている。強磁性固定層は、反強磁性層上に接触形成されており、反強磁性層との間で生じる交換結合磁界（Ｈｅｘ）により磁化方向が一方向に固定されている。フリー磁性層は、強磁性固定層との間で非磁性材料層（非磁性中間層）を挟んで積層され、外部磁界により磁化方向が変化する。ＧＭＲ素子を備えた電流センサにおいては、被測定電流からの誘導磁界の印加によって変化するフリー磁性層の磁化方向と、強磁性固定層の磁化方向と、の関係で変動するＧＭＲ素子の電気抵抗値により被測定電流の電流値を検出する。ＧＭＲ素子を備えた電流センサとしては、ＧＭＲ素子の電気抵抗値と外部磁界の強さとの間の直線関係（線形性）を高めるために、フリー磁性層にバイアス磁界を印加するハードバイアス層を設けた電流センサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
かかる電流センサにおいては、複数のＧＭＲ素子が、そのストライプ形状の長手方向が互いに平行になるように配置される。各ＧＭＲ素子のストライプ形状の長手方向の両端部及び中央部には、電極を兼ねたハードバイアス層が設けられる。各ＧＭＲ素子は、ハードバイアス層上に積層され、両端部に設けられたハードバイアス層によって隣接するＧＭＲ素子と電気的に接続される。
ところで、電流センサの更なる測定精度の向上には、出力信号のオフセットの低減、ゲインバラツキの低減、及び出力特性の線形性（リニアリティ）の向上が必要となる。一方で、磁気抵抗効果素子を備えた電流センサにおいては、磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線におけるヒステリシスに起因して出力信号にオフセットが発生する問題がある。特許文献１記載の電流センサにおいては、ハードバイアス層からフリー磁性層にバイアス磁界を印加することにより、フリー磁性層の磁化方向を初期化してヒステリシスの低減を図っている。
しかしながら、特許文献１記載の電流センサにおいては、ＧＭＲ素子のフリー磁性層がハードバイアス層上に直接積層される。このため、フリー磁性層におけるハードバイアス層との接触部においては、ハードバイアス層からのバイアス磁界によって磁化方向が強く固着され、被測定電流からの誘導磁界が作用しても磁化方向が変化せず、出力信号が得られない不感領域となる。このように、不感領域が存在した場合には、ヒステリシスを十分に低減できない問題がある。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、磁気抵抗効果素子のヒステリシスを低減でき、測定精度が高い電流センサを提供することを目的とする。
本発明の電流センサは、特定の方向に感度軸を持つストライプ形状を有する磁気抵抗効果素子を具備する電流センサであって、前記磁気抵抗効果素子は、前記ストライプ形状の長手方向において互いに離間して設けられた複数の素子部と、前記各素子部間にそれぞれ設けられた複数の永久磁石部とを有し、前記素子部は、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、非磁性中間層、及び磁化方向が固定された強磁性固定層、の積層構造を有し、前記永久磁石部は、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するハードバイアス層、及び前記ハードバイアス層を覆うように設けられ隣接する前記素子部間を電気的に接続する電極層、を有することを特徴とする。
この構成によれば、永久磁石部のハードバイアス層から素子部のフリー磁性層に印加されるバイアス磁界により、素子部のフリー磁性層に一軸異方性が付与されると共に、各素子部間に永久磁石部を設けることにより、フリー磁性層におけるハードバイアス層との接触面積を低減できる。これにより、フリー磁性層の不感領域を削減することが可能となり、ヒステリシスを低減できる。さらに、永久磁石部に電極層を設けることにより、複数の素子部からの出力信号が、永久磁石部の電極層を介して出力されるので、各素子部間に永久磁石部を設けた場合であっても、寄生抵抗を低減することが可能となり、寄生抵抗に由来する磁気抵抗効果素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）や、ゼロ磁場での抵抗温度係数（ＴＣＲ０）のバラツキを抑制できる。したがって、測定精度が高い電流センサを実現することが可能となる。
本発明の電流センサにおいては、前記永久磁石部の前記ハードバイアス層と前記素子部の前記フリー磁性層との間に設けられる下地層を備えることが好ましい。
この構成によれば、フリー磁性層とハードバイアス層とが下地層を介して接触するので、ハードバイアス層からのバイアス磁界によるフリー磁性層の磁化方向の固着を抑制することができ、電流センサの不感領域を低減することができる。
本発明の電流センサにおいては、前記永久磁石部のハードバイアス層が、前記磁気抵抗効果素子の前記素子部における前記強磁性固定層、前記非磁性中間層、及び前記フリー磁性層を除去した領域に設けられることが好ましい。
本発明の電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、前記ストライプ形状の長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターンが折り返してなる形状を有することが好ましい。
本発明の電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、ストライプ幅が２μｍ〜９μｍの範囲であることが好ましい。この構成により、ヒステリシスをより低減することができる。
本発明の電流センサにおいては、前記素子部を挟んで設けられた前記永久磁石部のハードバイアス層の間隔が、１μｍから５０μｍの範囲であることが好ましい。この構成により、ヒステリシスをさらに低減することができる。
本発明の電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であることが好ましい。
この構成によれば、磁気抵抗効果素子の製造工程において、磁気抵抗効果素子のストライプ幅方向に対する磁場中アニールが不要となるので、フリー磁性層成膜中に付与したストライプ長手方向の誘導磁気異方性を保持できる。これにより、検出対象となるストライプ幅方向からの誘導磁界に対して特にヒステリシスを低減することができる。
本発明によれば、磁気抵抗効果素子のヒステリシスを低減でき、測定精度が高い電流センサを提供することができる。
磁気抵抗効果素子を備えた電流センサにおいて、更なる測定精度の向上のためには、磁気抵抗効果素子のヒステリシスの低減、並びに磁気抵抗効果素子などの４素子で構成されるフルブリッジ回路の各素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）、及びゼロ磁場での抵抗温度係数（ＴＣＲ０）の一致が必要とされる。
磁気抵抗効果素子を備えた電流センサにおいては、ハードバイアス層を設けてフリー磁性層に一軸異方性を付与することにより、ヒステリシスの低減が可能となる。一方で、ハードバイアス層とフリー磁性層とを積層した場合には、フリー磁性層におけるハードバイアス層との接触部が強く磁化されて固着され、外部磁場に対する不感領域となり、この不感領域によりヒステリシスの低減が困難となる。
また、磁気抵抗効果素子の一部を除去してハードバイアス層を設けた場合、磁気抵抗効果素子のハードバイアス層を設けた領域が磁気抵抗効果素子として機能せず寄生抵抗となる。このように寄生抵抗が生じた場合、フルブリッジ回路を構成する各磁気抵抗効果素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）や、ゼロ磁場での抵抗温度係数（ＴＣＲ０）にバラツキが生じる問題がある。また、この寄生抵抗は、ハードバイアス層の数の増加に伴い増大するため、十分にヒステリシスを低減するべくハードバイアス層の数を増やした場合には、ゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）や、ゼロ磁場での抵抗温度係数（ＴＣＲ０）のバラツキが顕著となる。
本発明者らは、磁気抵抗効果素子を備えた電流センサにおいて、ストライプ形状の磁気抵抗効果素子の一部を除去し、この除去部にハードバイアス層を設けることにより、ハードバイアス層とフリー磁性層との接触面積を低減でき、磁気抵抗効素子の不感領域を削減できることを見出した。また、本発明者らは、磁気抵抗効果素子の除去部にハードバイアス層を設ける場合において、ハードバイアス層上に隣接する磁気抵抗効果素子間を電気的に接続する電極層を設けることにより、ハードバイアス層を複数設けた場合においても、各ハードバイアス層に由来する寄生抵抗の影響を低減できることを見出し、本発明を完成させるに至った。
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明においては、本発明に係る電流センサを磁気平衡式電流センサに適用した実施の形態について説明するが、本発明に係る電流センサは、誘導磁界に比例した２つの磁気抵抗効果素子の出力により被測定電流を測定する磁気比例式電流センサにも適用することも可能である。
図１は、本実施の形態に係る電流センサ１の模式的な斜視図であり、図２は、本実施の形態に係る電流センサ１の平面模式図である。図１及び図２に示すように、本実施の形態に係る電流センサ１は、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。この電流センサ１は、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈを打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１２を備える。このフィードバック回路１２は、被測定電流Ｉによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２１と、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄとを有する。
フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成されている。この構成においては、磁気コアを有しないので、低コストでフィードバックコイル１２１を作製することができる。また、トロイダルコイルの場合に比べて、フィードバックコイル１２１から生じるキャンセル磁界が広範囲に拡がることを防止でき、周辺回路に影響を与えることを回避できる。さらに、トロイダルコイルの場合に比べて、被測定電流Ｉが交流の場合に、フィードバックコイル１２１によるキャンセル磁界の制御が容易であり、制御のために流す電流もそれほど大きくならない。これらの効果については、被測定電流Ｉが交流で高周波になるほど大きくなる。フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成する場合において、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界Ｈとキャンセル磁界の両方が生じるように平面コイルが設けられていることが好ましい。
磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの印加により抵抗値が変化する。この４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄにより磁界検出ブリッジ回路１２３を構成している。このように磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを有する磁界検出ブリッジ回路１２３を用いることにより、高感度の電流センサ１を実現することができる。
この磁界検出ブリッジ回路１２３は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界Ｈに応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図２に示す磁界検出ブリッジ回路１２３においては、磁気抵抗効果素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２２ｃとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｄとの間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路１２３においては、磁気抵抗効果素子１２２ａ、１２２ｂ間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、磁気抵抗効果素子１２２ｃ、１２２ｄ間の接続点からもう一つの出力（Ｏｕｔ２）を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１２４で増幅され、フィードバックコイル１２１に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界Ｈに応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１には、誘導磁界Ｈを相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界Ｈとキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ）で被測定電流Ｉを測定する。
磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄとしては、図２の拡大図に示すように、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン（ストライプ）が折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有する磁気抵抗効果素子であることが好ましい。このミアンダ形状において、感度軸方向（Ｐｉｎ方向）は、長尺パターンの長手方向（ストライプ長手方向Ｄ１（図３参照））に対して直交する方向（ストライプ幅方向Ｄ２（図３参照））である。このミアンダ形状においては、誘導磁界Ｈ及びキャンセル磁界がストライプ長手方向Ｄ１に直交するストライプ幅方向Ｄ２に沿うように印加される。
このような構成を有する電流センサ１においては、図１に示すように、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界Ｈを磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄで受け、その誘導磁界Ｈをフィードバックしてフィードバックコイル１２１からキャンセル磁界を発生し、２つの磁界（誘導磁界Ｈ、キャンセル磁界）を相殺して磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄに印加する磁場がゼロになるように適宜調整する。
上記構成を有する電流センサ１は、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ、特にＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子やＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を有する磁界検出ブリッジ回路１２３を用いる。これにより、高感度の電流センサ１を実現することができる。また、この電流センサ１は、磁界検出ブリッジ回路１２３が膜構成の同じ４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄで構成されている。また、上記構成を有する電流センサ１は、フィードバックコイル１２１、及び磁界検出ブリッジ回路１２３が同一基板上に形成されてなるので、小型化を図ることができる。さらに、この電流センサ１は、磁気コアを有しない構成であるので、小型化、低コスト化を図ることができる。
このように配置された４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを有する電流センサ１において、磁界検出ブリッジ回路１２３の２つの出力（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）の電圧差がゼロになるようにフィードバックコイル１２１から磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄにキャンセル磁界を印加し、その際にフィードバックコイル１２１に流れる電流値を検出することにより、被測定電流Ｉを測定する。
次に、図３及び図４を参照して、本実施の形態に係る電流センサ１における磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの素子構造について詳細に説明する。図３は、本実施の形態に係る電流センサ１の磁気抵抗効果素子１２２ａの素子構造を示す平面模式図であり、図４は、本実施の形態に係る電流センサ１の磁気抵抗効果素子１２２ａの積層構造を示す断面模式図である。なお、図４においては、図３の一点鎖線における矢視断面を示している。また、以下の説明においては、磁気抵抗効果素子１２２ａを例に素子構造を説明するが、磁気抵抗効果素子１２２ｂ〜１２２ｄも同様の素子構造を有する。
図３に示すように、電流センサ１の磁気抵抗効果素子１２２ａは、そのストライプ長手方向Ｄ１（以下、単に「長手方向Ｄ１」ともいう）が互いに平行になるように配置された複数のストライプ形状（帯状）の長尺パターン３１ａを有する。各長尺パターン３１ａは、両端部に設けられる外側永久磁石部３２ａ（以下、単に「永久磁石部３２ａ」ともいう）と、長手方向Ｄ１において互いに離間して配設された複数の素子部３３ａと、各素子部３３ａ間にそれぞれ配設される複数の中央永久磁石部３４ａ（以下、単に「永久磁石部３４ａ」ともいう）と、を有する。各永久磁石部３４ａは、長尺パターン３１ａの長手方向Ｄ１において、後述するハードバイアス層５０ａ（図４参照）が所定の間隔Ｌ１となるように設けられる。
隣接する２つの長尺パターン３１ａ両端は、長尺パターン３１ａの長手方向Ｄ１に直交するストライプ幅方向Ｄ２（以下、単に「幅方向Ｄ２」ともいう）において、永久磁石部３２ａによって接続されている。永久磁石部３２ａは、両端部で異なる長尺パターン３１ａを接続するように設けられている。すなわち、平行に配列された複数の長尺パターン３１ａのうち上から一番目の長尺パターン３１ａと二番目の長尺パターン３１ａとは、長手方向Ｄ１の一方の端部（右側の端部）で永久磁石部３２ａにより接続されており、上から二番目の長尺パターン３１ａと三番目の長尺パターン３１ａとは、長手方向Ｄ１の他方の端部（左側の端部）で永久磁石部３２ａにより接続されている。そして、一方の端部と他方の端部とで交互に隣接する２つの長尺パターン３１ａが永久磁石部３２ａにより接続されている。
磁気抵抗効果素子１２２ａの一方端には永久磁石部３２ａを介して接続端子３５ａが接続され、他方端には永久磁石部３２ａを介して接続端子３５ｂが接続される。接続端子３５ａ、３５ｂは、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの出力信号から被測定電流の大きさを算出する演算部（不図示）に接続されている。磁気抵抗効果素子１２２ａは、接続端子３５ａ、３５ｂを介して演算部（不図示）に出力信号を出力する。
次に、素子部３３ａの積層構造について説明する。図４に示すように、磁気抵抗効果素子１２２ａの素子部３３ａ及び永久磁石部３４ａは、シリコン基板などの基板（不図示）上に設けられたアルミニウム酸化膜４１ａ上に設けられる。各素子部３３ａは、互いに離間するように所定の間隔をとって設けられており、素子部３３ａ間に永久磁石部３４ａが設けられる。アルミニウム酸化膜４１ａは、例えば、スパッタリング法などにより成膜することができる。なお、図４においては、素子部３３ａと永久磁石部３４ａの積層構造について示しているが、永久磁石部３２ａは、永久磁石部３４ａと同様の積層構造を有する。
まず、素子部３３ａの積層構造について説明する。素子部３３ａは、シード層４２ａ、第１の強磁性膜４３ａ、反平行結合膜４４ａ、第２の強磁性膜４５ａ、非磁性中間層４６ａ、フリー磁性層４７ａ、及び保護層４８ａがこの順に積層されて構成される。
シード層４２ａは、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層４８ａは、Ｔａなどで構成される。なお、上記積層構造において、基板（不図示）とシード層４２ａとの間に、例えば、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１つの元素などの非磁性材料で構成される下地層を設けても良い。
この磁気抵抗効果素子１２２ａにおいては、反平行結合膜４４ａを介して第１の強磁性膜４３ａと第２の強磁性膜４５ａとを反強磁性的に結合させており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層６０ａ（ＳＦＰ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｆｅｒｒｉ Ｐｉｎｎｅｄ層）が構成されている。このように、セルフピン止め型の（Ｂｏｔｔｏｍ−Ｓｐｉｎ−Ｖａｌｖｅ）の磁気抵抗効果素子１２２ａを構成することにより、磁気抵抗効果素子１２２ａの製造工程において、従来の磁気抵抗効果素子において必須である磁場中アニールが不要となり、フリー磁性層４７ａ成膜中に付与したストライプ長手方向Ｄ１における誘導磁気異方性を保持できる。これにより、検出対象方向（ストライプ幅方向Ｄ２）に対してヒステリシスを低減することが可能となる。
この強磁性固定層６０ａにおいて、反平行結合膜４４ａの厚さを０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍ、もしくは、０．７５ｎｍ〜０．９５ｎｍにすることにより、第１の強磁性膜４３ａと第２の強磁性膜４５ａとの間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
第１の強磁性膜４３ａの磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜４５ａの磁化量（Ｍｓ・ｔ）とは実質的に同じである。すなわち、第１の強磁性膜４３ａと第２の強磁性膜４５ａとの間で磁化量の差が実質的にゼロである。このため、強磁性固定層の実効的な異方性磁界が大きい。したがって、反強磁性材料を用いなくても、強磁性固定層６０ａの磁化安定性を十分に確保できる。これは、第１の強磁性膜４３ａの膜厚をｔ１とし、第２の強磁性膜４５ａの膜厚をｔ２とし、両層の単位体積あたりの磁化及び誘導磁気異方性定数をそれぞれＭｓ,Ｋとすると、ＳＦＰ層の実効的な異方性磁界が下記関係式（１）で示されるためである。したがって、本実施の形態に係る電流センサ１に用いる磁気抵抗効果素子１２２ａは、反強磁性層を有しない膜構成を有する。
ｅｆｆ Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１−Ｍｓ・ｔ２） 式（１）
ｅｆｆ Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１−Ｍｓ・ｔ２） 式（１）
第１の強磁性膜４３ａのキュリー温度（Ｔｃ）と第２の強磁性膜４５ａのキュリー温度（Ｔｃ）とは、略同一である。これにより、高温環境においても第１の強磁性膜４３ａ、第２の強磁性４５ａの磁化量（Ｍｓ・ｔ）差が略ゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
第１の強磁性膜４３ａは、４０原子％〜８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が、大きな保磁力を有し、外部磁場に対して磁化を安定に維持できるからである。また、第２の強磁性膜４５ａは、０原子％〜４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が小さな保磁力を有し、第１の強磁性膜４３ａが優先的に磁化する方向に対して反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化し易くなるためである。この結果、上記関係式（１）で示すＨｋをより大きくすることが可能となる。また、第２の強磁性膜４５ａをこの組成範囲に限定することで、磁気抵抗効果素子１２２ａの抵抗変化率を大きくすることができる。
第１の強磁性膜４３ａ及び第２の強磁性膜４５ａは、その成膜中にミアンダ形状のストライプ幅方向Ｄ２に磁場が印加され、成膜後の第１の強磁性膜４３ａ及び第２の強磁性膜４５ａに誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、第１の強磁性膜４３ａ、第２の強磁性膜４５ａはストライプ幅方向Ｄ２に反平行に磁化することになる。また、第１の強磁性膜４３ａ及び第２の強磁性膜４５ａの磁化方向は、第１の強磁性膜４３ａの成膜時の磁場印加方向で決まるため、第１の強磁性膜４３ａの成膜時の磁場印加方向を変えることにより、同一基板上に磁化方向が異なる強磁性固定層６０ａを持つ複数の磁気抵抗効果素子１２２ａを形成することが可能である。
強磁性固定層６０ａの反平行結合膜４４ａは、Ｒｕなどにより構成される。また、フリー磁性層（フリー層）４７ａは、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で構成される。また、非磁性中間層４６ａは、Ｃｕなどにより構成される。また、フリー磁性層４７ａは、その成膜中にミアンダ形状のストライプ長手方向Ｄ１に磁場が印加され、成膜後のフリー磁性層４７ａには誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子においては、ストライプ幅方向Ｄ２の外部磁場（被測定電流からの磁場）に対して線形的に抵抗変化し、ヒステリシスを小さくすることができる。このような磁気抵抗効果素子においては、強磁性固定層６０ａ、非磁性中間層４６ａ及びフリー磁性層４７ａにより、スピンバルブ構成を採っている。
本実施の形態に係る電流センサ１で用いる磁気抵抗効果素子１２２ａの膜構成の例としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ（シード層４２ａ：５ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜４３ａ：１．６５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜４４ａ：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜４５ａ：２ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層４６ａ：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（フリー磁性層４７ａ：１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（フリー磁性層４７ａ：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層４８ａ：５ｎｍ）である。
次に、永久磁石部３４ａの積層構造について説明する。本実施の形態に係る電流センサ１においては、永久磁石部３４ａは、アルミニウム酸化膜４１ａ上を覆うように設けられた素子部３３ａの一部をエッチングなどによって除去した領域に設けられる。
永久磁石部３４ａは、アルミニウム酸化膜４１ａ上および素子部３３ａ上に設けられる下地層４９ａと、下地層４９ａ上に設けられるハードバイアス層５０ａと、ハードバイアス層５０ａ上に設けられる拡散防止層５１ａと、拡散防止層５１ａ上に設けられる電極層５２ａとを有する。
下地層４９ａは、Ｔａ／ＣｒＴｉなどを含む合金によって構成される。また、下地層４９ａは、ハードバイアス層５０ａと素子部３３ａのフリー磁性層４７ａとの間の接触部を含む領域に設けられ、ハードバイアス層５０ａから素子部３３ａのフリー磁性層４７ａへのバイアス磁界を低減する。このように下地層４９ａを設けることにより、ハードバイアス層５０ａとフリー磁性層４７ａとが直接接触しないので、フリー磁性層４７ａにおけるハードバイアス層５０ａとの接触部の磁化方向の固着が抑制され、フリー磁性層４７ａの不感領域を削減することができる。これにより、ヒステリシスを低減することが可能となる。
ハードバイアス層５０ａは、例えば、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔなどにより構成され、素子部３３ａのフリー磁性層４７ａに対してバイアス磁界を印加する。また、本実施の形態に係る電流センサ１において、永久磁石部３４ａは、ハードバイアス層５０ａの下面が素子部３３ａのアルミニウム酸化膜４１ａ中に対応する高さ位置（シード層４２ａの下面から下方側の高さ位置）となり、ハードバイアス層５０ａの上面が素子部３３ａの保護層４８ａの上面から上方に突出する高さ位置になるように積層される。このように、フリー磁性層４７ａの側面を含む領域を覆うようにハードバイアス層５０ａを設けることにより、フリー磁性層４７ａの感度軸方向に対して略直交方向からバイアス磁界を印加することが可能となる。これにより、ヒステリシスをより効果的に低減することが可能となる。
拡散防止層５１ａは、ハードバイアス層５０ａを覆うように設けられる。拡散防止層５１ａは、Ｔａなどで構成される。
電極層５２ａは、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒなどにより構成され、拡散防止層５１ａを覆うように設けられる。また、電極層５２ａは、長尺パターン３１ａの長手方向Ｄ１において、永久磁石部３４ａを挟んで前後に設けられた素子部３３ａの保護層４８ａと接触するように設けられており、永久磁石部３４ａを挟んで前後に設けられた素子部３３ａ間を電気的に接続する。
本実施の形態に係る電流センサ１においては、永久磁石部３４ａに電極層５２ａを設け、この電極層５２ａによって、隣接する素子部３３ａ間を電気的に接続することにより、電極層５２ａを介して磁気抵抗効果素子１２２ａから出力信号が出力される。このように、電極層５２ａを介して磁気抵抗効果素子１２２ａの出力信号が出力されるので、磁化方向が固定された永久磁石部３４ａのハードバイアス層５０ａによる寄生抵抗の影響を低減することが可能となり、素子抵抗のバラツキを抑えることができる。
本実施の形態に係る電流センサ１においては、磁気抵抗効果素子１２２ａの長尺方向Ｄ１におけるハードバイアス層５０ａの間隔Ｌ１としては、１μｍ〜５０μｍが好ましい。各ハードバイアス層５０ａの間隔Ｌ１を１μｍ〜５０μｍとすることにより、磁気抵抗効果素子１２２ａのヒステリシスを低減することが可能となる。
本実施の形態に係る電流センサ１において、磁気抵抗効果素子１２２ａの感度軸方向（ストライプ幅方向Ｄ２）ストライプ幅は、２μｍから９μｍの範囲であることが好ましい。ストライプ幅が２μｍから９μｍの範囲内であれば、ヒステリシスが低減され磁気抵抗効果素子１２２ａの出力信号のリニアリティが向上する。また、磁気抵抗効果素子１２２ａは、リニアリティを考慮すると、長尺パターン３１ａの長手方向Ｄ１が、誘導磁界Ｈの方向及びキャンセル磁界の方向に対して共に垂直になることが望ましい。
ここで、上記構成を有する電流センサ１において、ハードバイアス層５０ａの間隔Ｌ１と残存磁束密度（レマネンス）との関係について調べた。その結果を図５に示す。図５に示す例においては、長尺パターン３１ａのストライプ幅を所定の値で固定し、ハードバイアス層５０ａの間隔Ｌ１を変化させた場合のレマネンスを調べた。レマネンスとは、図６に示すように、磁気抵抗効果素子１２２ａの抵抗値差（ΔＲ）に対する、プラス磁場から０磁場に戻したときの抵抗値（Ｒ０（＋））からマイナス磁場から０磁場に戻したときの抵抗値（Ｒ０（−））を差し引いた値の割合で表わされる。このレマネンスが小さい方が、ヒステリシスが小さく好ましい。なお、レマネンスは、外部磁界に対する磁気抵抗効果素子１２２ａの抵抗値の変化を測定することにより算出した。
図５から分かるように、ハードバイアス層５０ａの間隔Ｌ１を０．３μｍから増大させるにつれてレマネンスは減少する。ハードバイアス層５０ａの間隔Ｌ１が１μｍ以上の場合には、レマネンスが１％以下となる。また、レマネンスは、ハードバイアス層５０ａの間隔Ｌ１が５μｍのときに最小値となり、５μｍを超えると増大する。ハードバイアス層５０ａの間隔Ｌ１が５０μｍ以上になるとレマネンスは１％以上となる。このように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、ハードバイアス層５０ａの間隔Ｌ１が１μｍ以上から５０μｍ以下の範囲でレマネンスが１％以下となり、ヒステリシスが大幅に低減されることが分かる。
次に、磁気抵抗効果素子１２２ａにおける電極層５２ａの効果について調べた。その結果を図７に示す。図７に示す例においては、永久磁石部３２ａ、３４ａに電極層５２ａを設けた上記実施の形態に係る電流センサ１と、永久磁石部３２ａ、３４ａに電極層５２ａを設けない比較例に係る電流センサとを用いて、磁気抵抗効果素子１２２ａのハードバイアス層５０ａの数を変化させた場合のフルブリッジ回路のゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）の平均値に対する標準偏差σの割合について測定した。図７においては、それぞれ２２４個の磁気抵抗効果素子を測定して評価した。
図７から分かるように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、磁気抵抗効果素子１２２ａの永久磁石部３２ａ、３４ａの数が約４０箇所の場合には、ゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）のσ／平均値は約０．５％程度となる。また、磁気抵抗効果素子１２２ａの永久磁石部３２ａ、３４ａを増やすにつれて、ゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）のσ／平均値が若干の増加傾向となり、約４００箇所程度の場合には、ゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）のσ／平均値が約０．９％となる。
これに対して、磁気抵抗効果素子１２２ａの永久磁石部３２ａ、３４ａに電極層５２ａを設けない比較例に係る電流センサにおいては、永久磁石部３２ａ、３４ａが約４０箇所の場合には、ゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）のσ／平均値が約０．６％となり、永久磁石部３２ａ、３４ａが約４００箇所の場合には、ゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）のσ／平均値が約２．１％と大幅に増大することが分かる。
このように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、永久磁石部３２ａ、３４ａに電極層５２ａを設けることにより、永久磁石部３２ａ、３４ａの数を増やした場合においてもゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）のσ／平均値の増大を大幅に抑制することが可能となる。このため、永久磁石部３２ａ、３４ａを複数配置して、各素子部３３ａのフリー磁性層４７ａに磁界を印加することにより、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）のバラツキを抑制することができ、ヒステリシスを大幅に低減できる。
次に、上記実施の形態に係る電流センサ１の磁気抵抗効果素子１２２ａにおける永久磁石部３２ａ、３４ａの積層構造とレマネンスとの相関について調べた。その結果を図８に示す。図８に示す例においては、図４に示した積層構造において、永久磁石部３２ａ、３４ａ形成時における素子部３３ａのエッチング量を変化させ、ハードバイアス層５０ａの下面の高さ位置を素子部３３ａの各層に対して変化させた場合のレマネンスについて調べた。なお、図８においては、ハードバイアス層５０ａの下面を、素子部３３ａの保護層４８ａの中間の高さ位置に対応させた場合（菱形のプロット）、非磁性中間層４６ａの上面の高さ位置に対応させた場合（四角形のプロット）、シード層４２ａの上面の高さ位置に対応させた場合（三角形のプロット）、及びアルミニウム酸化膜４１ａ内（シード層４２ａの下面から下方）の高さ位置に対応させた場合（円のプロット）について示している。
図８から分かるように、各条件におけるレマネンスは、ハードバイアス層５０ａの下面の高さ位置を、保護層４８ａに対応させた場合は約０．８％となり、非磁性中間層４６ａの上面の位置に対応させた場合は約０．５％となり、シード層４２ａの上面の位置に対応させた場合には約０．４％となり、アルミニウム酸化膜４１ａ内の位置に対応させた場合は約０．３％となる。このように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、ハードバイアス層５０ａの下面の位置を、素子部３３ａに対して低い高さ位置にするにつれてレマネンスが小さくなることが分かる。
以上説明したように、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、永久磁石部３２ａ、３４ａにハードバイアス層５０ａを設け、このハードバイアス層５０ａからフリー磁性層４７ａにバイアス磁界を印加することにより、磁気抵抗効果素子１２２ａのヒステリシスを低減することが可能となる。また、永久磁石部３２ａ、３４ａのハードバイアス層５０ａを覆うように電極層５２ａを設けることにより、素子部３３ａを通流する電流が電極層５２ａを介して分流するので、磁気抵抗効果素子１２２ａの寄生抵抗を低減することが可能となる。これにより、フルブリッジ回路を構成する各磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）や、ゼロ磁場での抵抗温度係数（ＴＣＲ０）のバラツキを低減することが可能となり、測定精度を向上することが可能となる。
また、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、素子部３３ａとハードバイアス層５０ａとの間に下地層４９ａを設けることにより、下地層４９ａを介してハードバイアス層５０ａとフリー磁性層４７ａとが接触するので、ハードバイアス層５０ａのバイアス磁界による素子部３３ａのフリー磁性層４７ａ不感領域を削減することができ、ヒステリシスを低減できる。
さらに、本実施の形態に係る電流センサ１においては、磁気抵抗効果素子１２２ａの素子部３３ａを除去した領域に永久磁石部３２ａ、３４ａを設ける。これにより、ハードバイアス層５０ａからフリー磁性層４７ａの感度軸方向に対して直交方向にバイアス磁界を印加できるので、フリー磁性層４７ａに一軸異方性を付与することができ、ヒステリシスを更に低減することができる。
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
本発明は、磁気抵抗効果素子のヒステリシスを低減でき、測定精度が高いという効果を有し、特に、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。
本出願は、２０１０年１１月１日出願の特願２０１０−２４５２９１に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
Claims (7)
- 特定の方向に感度軸を持つストライプ形状を有する磁気抵抗効果素子を具備する電流センサであって、
前記磁気抵抗効果素子は、前記ストライプ形状の長手方向において互いに離間して設けられた複数の素子部と、前記各素子部間にそれぞれ設けられた複数の永久磁石部とを有し、
前記素子部は、外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層、非磁性中間層、及び磁化方向が固定された強磁性固定層、の積層構造を有し、
前記永久磁石部は、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するハードバイアス層、及び前記ハードバイアス層を覆うように設けられ隣接する前記素子部間を電気的に接続する電極層、を有することを特徴とする電流センサ。 - 前記永久磁石部の前記ハードバイアス層と前記素子部の前記フリー磁性層との間に設けられる下地層を備えたことを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
- 前記永久磁石部のハードバイアス層が、前記磁気抵抗効果素子の前記素子部における前記強磁性固定層、前記非磁性中間層、及び前記フリー磁性層を除去した領域に設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電流センサ。
- 前記磁気抵抗効果素子は、前記ストライプ形状の長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターンが折り返してなる形状を有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
- 前記磁気抵抗効果素子は、ストライプ幅が２μｍ〜９μｍの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。
- 前記素子部を挟んで設けられた前記永久磁石部のハードバイアス層の間隔が、１μｍから５０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサ。
- 前記磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の電流センサ。
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