JP5572208B2 - 磁気センサ及びそれを用いた磁気平衡式電流センサ - Google Patents
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Description
本発明は、磁気センサ及びそれを用いた磁気平衡式電流センサに関する。
電気自動車においては、エンジンで発電した電気を用いてモータを駆動しており、このモータ駆動用の電流の大きさは、例えば電流センサにより検出される。この電流センサとしては、導体の周囲に、一部に切り欠き（コアギャップ）を有する磁気コアを配置し、このコアギャップ内に磁気検出素子を配置してなるものである。
電流センサの磁気検出素子として、磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性層、及び磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の積層構造を備える磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）などが用いられている。このような電流センサにおいては、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子とでフルブリッジ回路を構成している。この場合においては、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層と非磁性層の積層順序を入れ替えた膜構成を有し、反強磁性材料により強磁性層の磁化を固定するタイプの固定抵抗素子を用いることが開示されている（特許文献１、特許文献２）。このような構成にすることにより、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子との間の電気抵抗や、ＴＣＲ（Temperature Coefficient Resistivity：抵抗温度係数）を共に一致させて、環境温度が変化してもある程度安定した出力特性を得ることができる。
しかしながら、上記特許文献における固定抵抗素子においては、反強磁性材料を用いて、膜厚０．７５ｎｍ〜０．９５ｎｍ（２ｎｄピーク）のＲｕ膜（反平行結合膜）で上下の強磁性膜（Ｐｉｎ１，Ｐｉｎ２）を反強磁性結合させている。この場合、反平行結合膜に使用するＲｕに２ｎｄピークの膜厚を使用しているため、Ｐｉｎ１とＰｉｎ２との間の反強磁性結合を十分に大きくできない。したがって、Ｐｉｎ１，Ｐｉｎ２が外部磁界によって動き易くＡＭＲ効果（異方性磁気抵抗効果）を発生し易くなる。固定抵抗素子は、外部磁界が変化しても抵抗値が一定であることが理想であり、ＡＭＲ効果が大きいと十分に安定した出力特性を得ることができない。このため、外部磁界により発生するＡＭＲ効果を抑えることができる磁気センサが望まれている。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、固定抵抗素子によるＡＭＲ効果の発生を抑えることができる磁気センサ、及び環境温度が変化したときに十分に安定した出力特性を得ることができる磁気平衡式電流センサを提供することを目的とする。
本発明の磁気センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子で構成された磁気センサであって、前記固定抵抗素子は、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の強磁性固定層を有しており、前記反平行結合膜は、０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍの厚さを有するＲｕ膜であり、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする。
この構成によれば、セルフピン止め型の強磁性固定層の反平行結合膜が、反強磁性結合効果の第１ピークの厚さである０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍの厚さを有するＲｕ膜であり、第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜の磁化量の差が実質的にゼロであるので、固定抵抗素子によるＡＭＲ効果の発生を抑えることができる。
本発明の磁気センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、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の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、キュリー温度が略同じであり、かつ、磁化量の差が実質的にゼロであることが好ましい。
本発明の磁気センサにおいては、前記第１の強磁性膜が４０原子％〜８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が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。
本発明の磁気平衡式電流センサは、上記磁気センサを有し、被測定電流からの誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界を減衰させると共に前記キャンセル磁界をエンハンスする磁気シールドと、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定することを特徴とする。
この構成によれば、ＡＭＲ効果の発生を抑えた固定抵抗素子を有する磁気センサを用いているので、十分に安定した出力特性を得ることができる。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイルが、前記磁気シールドと前記磁界検出ブリッジ回路の間に配置され、前記磁気シールドが前記被測定電流に近い側に配置されることが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、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が折り返してなる形状を有し、前記誘導磁界及び前記キャンセル磁界が前記長手方向に直交する方向に沿うように印加されることが好ましい。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気シールドは、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、及び鉄系微結晶材料からなる群より選ばれた高透磁率材料で構成されていることが好ましい。
本発明の磁気センサは、磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子で構成された磁気センサであって、前記固定抵抗素子は、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の強磁性固定層を有しており、前記反平行結合膜は、反強磁性結合効果の第１ピークの厚さを有するＲｕ膜であり、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、磁化量の差が実質的にゼロであるので、固定抵抗素子によるＡＭＲ効果の発生を抑えることができる。
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。
図１及び図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。本実施の形態においては、図１及び図２（ａ）に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。この磁気平衡式電流センサは、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界を打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１２を備えている。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、３つの固定抵抗素子１２２ａ〜１２２ｃと、１つの磁気抵抗効果素子１２３とを有する。
図１及び図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。本実施の形態においては、図１及び図２（ａ）に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。この磁気平衡式電流センサは、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界を打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１２を備えている。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、３つの固定抵抗素子１２２ａ〜１２２ｃと、１つの磁気抵抗効果素子１２３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、被測定電流が交流の場合に、フィードバックコイル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１２３は、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する。この１つの磁気抵抗効果素子１２３と、固定抵抗素子１２２ａ〜１２２ｃにより磁界検出ブリッジ回路を構成している。このように磁気抵抗効果素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。
この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図２（ｂ）に示す磁界検出ブリッジ回路においては、固定抵抗素子１２２ａ，１２２ｂとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、固定抵抗素子１２２ｃと磁気抵抗効果素子１２３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においては、固定抵抗素子１２２ａ，１２２ｃとの間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、固定抵抗素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２３との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、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界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）で被測定電流を測定する。
図３は、図１に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図である。図３に示すように、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおいては、フィードバックコイル、磁気シールド及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板２１上に形成されている。図３に示す構成においては、フィードバックコイルが、磁気シールドと磁界検出ブリッジ回路の間に配置され、磁気シールドが被測定電流Ｉに近い側に配置されている。すなわち、導体１１に近い側から磁気シールド、フィードバックコイル、磁気抵抗効果素子の順に配置する。これにより、磁気抵抗効果素子を導体１１から最も遠ざけることができ、被測定電流Ｉから磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を小さくすることができる。また、磁気シールドを最も導体１１に近づけることができるので、誘導磁界の減衰効果をより高めることができる。したがって、フィードバックコイルからのキャンセル磁界を小さくすることができる。
図３に示す層構成について詳細に説明する。図３に示す磁気平衡式電流センサにおいては、基板２１上に絶縁層である熱シリコン酸化膜２２が形成されている。熱シリコン酸化膜２２上には、アルミニウム酸化膜２３が形成されている。アルミニウム酸化膜２３は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。また、基板２１としては、シリコン基板などが用いられる。
アルミニウム酸化膜２３上には、固定抵抗素子１２２ａ〜１２２ｃ、磁気抵抗効果素子１２３が形成されており、磁界検出ブリッジ回路が作り込まれる。磁気抵抗効果素子１２３としては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。本発明に係る磁気平衡式電流センサにおいて用いられる磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子の膜構成については後述する。
磁気抵抗効果素子としては、図２（ａ）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ＧＭＲ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）に対して直交する方向（ストライプ幅方向）である。このミアンダ形状においては、誘導磁界及びキャンセル磁界がストライプ長手方向に直交する方向（ストライプ幅方向）に沿うように印加される。
このミアンダ形状においては、リニアリティを考慮すると、ピン（Ｐｉｎ）方向の幅が１μｍ〜１０μｍであることが好ましい。この場合において、リニアリティを考慮すると、長手方向が誘導磁界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。このようなミアンダ形状にすることにより、ホール素子よりも少ない端子数（２端子）で磁気抵抗効果素子の出力を採ることができる。
また、アルミニウム酸化膜２３上には、電極２４が形成されている。電極２４は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。
固定抵抗素子１２２ａ〜１２２ｃ、磁気抵抗効果素子１２３及び電極２４を形成したアルミニウム酸化膜２３上には、絶縁層としてポリイミド層２５が形成されている。ポリイミド層２５は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。
ポリイミド層２５上には、シリコン酸化膜２７が形成されている。シリコン酸化膜２７は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。
シリコン酸化膜２７上には、フィードバックコイル１２１が形成されている。フィードバックコイル１２１は、コイル材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。あるいは、フィードバックコイル１２１は、下地材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
また、シリコン酸化膜２７上には、フィードバックコイル１２１の近傍にコイル電極２８が形成されている。コイル電極２８は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。
フィードバックコイル１２１及びコイル電極２８を形成したシリコン酸化膜２７上には、絶縁層としてポリイミド層２９が形成されている。ポリイミド層２９は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。
ポリイミド層２９上には、磁気シールド３０が形成されている。磁気シールド３０を構成する材料としては、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いることができる。
ポリイミド層２９上には、シリコン酸化膜３１が形成されている。シリコン酸化膜３１は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。ポリイミド層２９及びシリコン酸化膜３１の所定の領域（コイル電極２８の領域及び電極２４の領域）にコンタクトホールが形成され、そのコンタクトホールに電極パッド３２，２６がそれぞれ形成されている。コンタクトホールの形成には、フォトリソグラフィ及びエッチングなどが用いられる。電極パッド３２，２６は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
このような構成を有する磁気平衡式電流センサにおいては、図３に示すように、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界Ａを磁気抵抗効果素子で受け、その誘導磁界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Ｂを発生し、２つの磁界（誘導磁界Ａ、キャンセル磁界Ｂ）を相殺して磁気抵抗効果素子１２１に印加する磁場が零になるように適宜調整する。
本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、図３に示すように、フィードバックコイル１２１に隣接して磁気シールド３０を有する。磁気シールド３０は、被測定電流Ｉから生じ磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を減衰させる（磁気抵抗効果素子においては誘導磁界Ａの方向とキャンセル磁界Ｂの方向が逆方向）と共に、フィードバックコイル１２１からのキャンセル磁界Ｂをエンハンスする（磁気シールドにおいては誘導磁界Ａの方向とキャンセル磁界Ｂの方向が同方向）ことができる。したがって、磁気シールド３０が磁気ヨークとして機能するため、フィードバックコイル１２１に流す電流を小さくすることができ、省電力化を図ることができる。また、この磁気シールド３０により、外部磁界の影響を低減させることができる。
上記構成を有する磁気平衡式電流センサは、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子、特にＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いる。これにより、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。また、上記構成を有する磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル１２１、磁気シールド３０及び磁界検出ブリッジ回路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、この磁気平衡式電流センサは、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。
本発明において使用する磁気抵抗効果素子の膜構成は、例えば、図４に示すものである。すなわち、磁気抵抗効果素子は、図４に示すように、基板４１に設けられた積層構造を有する。なお、図４においては、説明を簡単にするために、基板４１には磁気抵抗効果素子以外の下地層などは省略して図示している。磁気抵抗効果素子は、シード層４２、第１の強磁性膜４３、反平行結合膜４４、第２の強磁性膜４５、非磁性中間層４６、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７、及び保護層４８を含む。磁気抵抗効果素子において、第１の強磁性膜４３がＰｉｎ１であり、第２の強磁性膜４５がＰｉｎ２である。
シード層４２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層４８は、Ｔａなどで構成される。なお、上記積層構造において、基板４１とシード層４２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においては、反平行結合膜４４を介して第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５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（ＳＦＰ：Synthetic Ferri Pinned層）が構成されている。
この強磁性固定層において、反平行結合膜４４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４３と第２の強磁性膜４５との間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
また、第１の強磁性膜４３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜４５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）が実質的に同じである。すなわち、第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５間で磁化量の差が実質的にゼロである。このため、ＳＦＰ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（Ｐｉｎ層）の磁化安定性を十分に確保できる。これは、第１の強磁性膜の膜厚をｔ１とし、第２の強磁性膜の膜厚を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次式（１）で示されるためである。
式（１）
eff Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１−Ｍｓ・ｔ２）
したがって、本発明の磁気平衡式電流センサに用いる磁気抵抗効果素子は、反強磁性層を有しない膜構成を有する。
式（１）
eff Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１−Ｍｓ・ｔ２）
したがって、本発明の磁気平衡式電流センサに用いる磁気抵抗効果素子は、反強磁性層を有しない膜構成を有する。
第１の強磁性膜４３のキュリー温度（Ｔｃ）と第２の強磁性膜４５のキュリー温度（Ｔｃ）とは、略同じである。これにより、高温環境においても両膜４３，４５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４３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４５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４３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４５をこの組成範囲に限定することで、磁気抵抗効果素子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４３及び第２の強磁性膜４５は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場が印加され、成膜後の第１の強磁性膜４３及び第２の強磁性膜４５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、両膜４３，４５はストライプ幅方向に反平行に磁化することになる。また、第１の強磁性膜４３及び第２の強磁性膜４５の磁化方向は、第１の強磁性膜４３の成膜時の磁場印加方向で決まるため、第１の強磁性膜４３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を持つ複数の磁気抵抗効果素子を形成することが可能である。
強磁性固定層の反平行結合膜４４は、Ｒｕなどにより構成される。また、軟磁性自由層（フリー層）４７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４６は、Ｃｕなどにより構成される。また、軟磁性自由層４７は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場が印加され、成膜後の軟磁性自由層４７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、非磁性中間層及び軟磁性自由層により、スピンバルブ構成を採っている。
本発明の磁気平衡式電流センサで用いる磁気抵抗効果素子の膜構成の例としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：５ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜：１．６５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：２ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層：５ｎｍ）である。このような膜構成の磁気抵抗効果素子について、Ｒ−Ｈ波形を調べたところ、図８に示すようになり、反強磁性膜により固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子のＲ−Ｈ波形と同じ特性が得られたことが分かった。なお、図８に示すＲ−Ｈ波形については、通常測定される条件で求めた。
本発明において使用する固定抵抗素子の膜構成は、例えば、図５に示すものである。すなわち、固定抵抗素子は、図５に示すように、基板５１に設けられた積層構造を有する。なお、図５においては、説明を簡単にするために、基板５１には固定抵抗素子以外の下地層などは省略して図示している。固定抵抗素子は、シード層５２、第１の強磁性膜５３、反平行結合膜５４、第２の強磁性膜５５、第３の強磁性膜５８、非磁性層５６、及び保護層５７を含む。固定抵抗素子において、第１の強磁性膜５３がＰｉｎ１であり、第２の強磁性膜５５がＰｉｎ２である。
すなわち、シード層５２、第１の強磁性膜５３、反平行結合膜５４、第２の強磁性膜５５までは、磁気抵抗効果素子のシード層、第１の強磁性膜、反平行結合膜、第２の強磁性膜と同じプロセスで同時又はシーケンシャルに形成することができる。そして、磁気抵抗効果素子における非磁性中間層を第２の強磁性膜の上に形成する代わりに、軟磁性自由層４７に相当する第３の強磁性膜５８を設け、その上に非磁性層５６を形成し、保護層５７を形成する。あるいは、第２の強磁性膜の上に第３の強磁性膜５８を設けずに、非磁性層５６を形成し、保護層５７を形成する。このような構成の固定抵抗素子においては、磁気抵抗効果素子の自由磁性層と非磁性層の積層順序を入れ替えられているか、又は自由磁性層がないので、ＧＭＲ効果が発現しにくくなり、固定層となる。
シード層５２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層５７は、Ｔａなどで構成される。なお、上記積層構造において、基板５１とシード層５２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。また、非磁性膜５６は、Ｃｕなどにより構成される。
この固定抵抗素子においては、反平行結合膜５４を介して第１の強磁性膜５３と第２の強磁性膜５５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（ＳＦＰ：Synthetic Ferri Pinned層）が構成されている。
この強磁性固定層において、反平行結合膜５４を、反強磁性結合効果の第１ピーク（１ｓｔピーク）の厚である０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍを持つＲｕ膜とする。これにより、第１の強磁性膜５３と第２の強磁性膜５５との間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
従来の固定抵抗素子のように、反強磁性材料を用い、０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍを持つＲｕ膜を用いて、第１の強磁性膜５３と第２の強磁性膜５５の反強磁性結合を強くすることも可能である。この場合においては、反強磁性層と第１の強磁性膜５３の交換結合のためにアニールを行う際に、第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５の磁化分散を抑えて、磁化方向を揃えるためには、第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５とも完全に飽和する磁界を印加する必要がある。しかしながら、反平行結合膜５４が１ｓｔピークのＲｕ膜では、前記飽和磁界が非常に大きな値（例えば、３Ｔ以上）となる。したがって、強磁場を印加しながらアニールできる高額の装置が必要になるという問題がある。また、十分な交換結合磁界を発生させるため、アニール温度は３００℃程度必要であるが、０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍを持つＲｕ膜を持つ積層膜に対してそのような高温熱処理を行うと、Ｒｕの層間拡散により、第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５の反強磁性結合が劣化してしまい、その結果、第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５が外部磁界によって動き易くなり、ＡＭＲ効果を発生し易くなる。
本発明に係る磁気センサにおいては、Ｒｕ膜の上下の強磁性膜５３，５５のＭｓ・ｔの差が実質的にゼロである。また、この磁気センサにおいては、反強磁性層を有していないので、上述したようなアニール処理が不要である。このため、高温処理によりＲｕの熱拡散の懸念がないので、反平行結合膜５４に、反強磁性結合効果の１ｓｔピークの厚である０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍのＲｕ膜を使用することができる。したがって、上記式に示すように、固定抵抗素子の第１の強磁性膜５３／第２の強磁性膜５５の異方性磁界を大きくすることができる。その結果、外部磁界に対する第１の強磁性膜５３／第２の強磁性膜５５の磁化変化は非常に小さくなるため、ＡＭＲ効果をほぼゼロにすることができる。その結果、このような磁気センサを用いた磁気平衡式電流センサは、従来の磁気平衡式電流センサよりもさらに安定した出力特性を得ることが可能となる。なお、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子との間の電気抵抗の一致は非磁性層の膜厚を調整することで実現でき、両者のＴＣＲの一致は第１の強磁性膜５３／第２の強磁性膜５５の膜厚を調整することで実現できる。
また、第１の強磁性膜５３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜５５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）が実質的に同じである。すなわち、第１の強磁性膜５３と第２の強磁性膜５５間で磁化量の差が実質的にゼロである。このため、ＳＦＰ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の強磁性膜の膜厚をｔ１とし、第２の強磁性膜の膜厚をｔ２とし、両層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次式（１）で示されるためである。
式（１）
eff Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１−Ｍｓ・ｔ２）
したがって、本発明の磁気平衡式電流センサに用いる固定抵抗素子は、反強磁性層を有しない膜構成を有する。
式（１）
eff Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１−Ｍｓ・ｔ２）
したがって、本発明の磁気平衡式電流センサに用いる固定抵抗素子は、反強磁性層を有しない膜構成を有する。
第１の強磁性膜５３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５５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５３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５５をこの組成範囲に限定することで、磁気抵抗効果素子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５３及び第２の強磁性膜５５は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場が印加され、成膜後の第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５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、両膜５３，５５はストライプ幅方向に反平行に磁化することになる。また、第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５の磁化方向は、第１の強磁性膜５３の成膜時の磁場印加方向で決まるため、第１の強磁性膜５３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を持つ複数の磁気抵抗効果素子を形成することが可能である。
本発明の磁気平衡式電流センサで用いる固定抵抗素子の膜構成の例としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：５ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜：４ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（第２の強磁性膜：６ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性層：３ｎｍ）／Ｔａ（保護層：５ｎｍ）である。
ここで、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜：４ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３８ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：１ｎｍ）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（第２の強磁性膜：６ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性層：３．５ｎｍ）／Ｔａ（保護層：８ｎｍ）の膜構成を有し、５μｍ×２００μｍの大きさの固定抵抗素子について、ＡＭＲ効果を調べた。その結果を図９（ａ），（ｂ）に示す。なお、ＡＭＲ効果は、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ（％））を測定することにより求めた。また、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：６ｎｍ）／ＰｔＭｎ（反強磁性層：２０ｎｍ）／Ｆｅ９０Ｃｏ１０（第１の強磁性膜：１．２５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：８．５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：１．４ｎｍ）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（第２の強磁性膜：６ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性層：３ｎｍ）／Ｔａ（保護層：８ｎｍ）の膜構成を有し、５μｍ×２００μｍの大きさの固定抵抗素子について、同様にＡＭＲ効果を調べた。その結果を図９（ａ），（ｂ）に併記する。
ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜：４ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３８ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：１ｎｍ）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（第２の強磁性膜：６ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性層：３．５ｎｍ）／Ｔａ（保護層：８ｎｍ）の膜構成を有し、５μｍ×２００μｍの大きさの固定抵抗素子について、ＡＭＲ効果を調べた。その結果を図９（ａ），（ｂ）に示す。なお、ＡＭＲ効果は、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ（％））を測定することにより求めた。また、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：６ｎｍ）／ＰｔＭｎ（反強磁性層：２０ｎｍ）／Ｆｅ９０Ｃｏ１０（第１の強磁性膜：１．２５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：８．５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：１．４ｎｍ）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（第２の強磁性膜：６ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性層：３ｎｍ）／Ｔａ（保護層：８ｎｍ）の膜構成を有し、５μｍ×２００μｍの大きさの固定抵抗素子について、同様にＡＭＲ効果を調べた。その結果を図９（ａ），（ｂ）に併記する。
図９（ａ），（ｂ）から分かるように、本発明に係る磁気センサ（本発明：ＡＦレス）は、ＡＭＲ効果が小さかった。一方、従来の磁気センサ（従来：ＰｔＭｎ）は、ＡＭＲ効果が大きかった。従来の磁気センサにおいては、磁界４００Ｏｅ（×１０3／４π Ａ／ｍ）で抵抗率が約０．４％であり、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率が８％程度であることを考えると非常に大きな値である。このように、本発明に係る磁気センサによれば、外部磁界によるＡＭＲ効果を十分に低減することができる。
図４に示す膜構成を有する磁気抵抗効果素子１２３と、図５に示す膜構成を有する固定抵抗素子１２２ａ〜１２２ｃを有する磁気平衡式電流センサにおいて、磁気検出ブリッジ回路の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、被測定電流を測定する。
図６（ａ）に示すように、図６の紙面向かって左側から被測定電流が流れると、図６（ａ），（ｂ）に示すように、２つの固定抵抗素子１２２ａ，１２２ｃ（Ｏｕｔ１側）には、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂが同じ方向（Ｐｉｎ方向）に印加される。一方、固定抵抗素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２３（Ｏｕｔ２側）には、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向に印加される。
また、図７（ａ）に示すように、図７の紙面向かって右側から被測定電流が流れると、図７（ａ）に示すように、２つの固定抵抗素子１２２ａ，１２２ｃ（Ｏｕｔ１側）には、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加される。一方、固定抵抗素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２３（Ｏｕｔ２側）には、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向に印加される。
本発明に係る磁気平衡式電流センサのように、磁気検出ブリッジ回路とフィードバックコイルを同一基板上に一体形成する場合には、両者を完全に絶縁する必要があるため、ポリイミド膜などの有機絶縁膜で両者を分離することになる。有機絶縁膜は、一般にスピンコートなどで塗布した後に、２００℃以上の加熱処理を施すことにより形成される。この有機絶縁膜は磁気検出ブリッジ回路形成の後工程で形成されるため、磁気抵抗効果素子も一緒に加熱されてしまう。反強磁性層で固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子の製造工程においては、この有機絶縁膜の形成工程の熱履歴により固定磁性層の特性が劣化しないように、磁場を印加しながら加熱処理する必要がある。本発明に係る磁気平衡式電流センサでは、反強磁性層を用いていないため、磁場を印加しながら加熱処理を行わなくても固定磁性層の特性を維持することが可能である。したがって、軟磁性自由層のヒステリシスの劣化を抑えることができる。
また、反強磁性層で固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子を用いる場合、反強磁性材料のブロッキング温度（交換結合磁界が消失する温度）がおよそ３００℃〜４００℃であり、この温度に向けて交換結合磁界が徐々に低下していくため、高温になるほど固定磁性層の特性が不安定となる。本発明に係る磁気平衡式電流センサでは、反強磁性層を用いていないため、固定磁性層の特性は主に固定磁性層を構成する強磁性材料のキュリー温度に依存する。一般に、ＣｏＦｅなどの強磁性材料のキュリー温度は反強磁性材料のブロッキング温度よりもはるかに高い。したがって、第１の強磁性膜と第２の強磁性膜の強磁性材料のキュリー温度を一致させて高温領域においても磁化量（Ｍｓ・ｔ）差をゼロに保つことにより、高い磁化安定性を維持することができる。
また、反強磁性膜で固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子を用いる場合、アニール時の印加磁場方向に交換結合磁界を発生させるため、第１の強磁性膜の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜の磁化量（Ｍｓ・ｔ）とで意図的に差を付ける必要がある。これは、磁化量差がゼロの場合、第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜が共に飽和する磁界が、アニール時に印加できる磁場（〜１５ｋＯｅ（×１０3／４π Ａ／ｍ））を超えてしまい、その結果、アニール後の第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜の磁化分散が大きくなって、ΔＲ／Ｒの劣化を引き起こすためである。また、ΔＲ／Ｒをより大きくするため、第１の強磁性膜よりも第２の強磁性膜の膜厚を厚く（磁化量を大きく）する場合が多い。一般に、第２の強磁性膜の方が第１の強磁性膜より磁化量が多い場合、素子側壁において第２の強磁性膜から軟磁性自由層へ印加される還流磁界が大きくなり、出力のアシンメトリへ与える影響が大きくなる。また、この還流磁界は温度依存が大きいため、アシンメトリの温度依存も大きくなる。本発明に係る磁気平衡式電流センサにおいては、磁気抵抗効果素子の第１の強磁性膜と第２の強磁性膜の磁化量差がゼロであるため、このような問題を解決することもできる。
また、本発明に係る磁気平衡式電流センサの磁気抵抗効果素子は反強磁性材料を含まないため、材料コストや、製造コストを抑制することもできる。
図１０（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの他の例を示す図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。
図１０に示す磁気平衡式電流センサは、２つの磁気抵抗効果素子１２３ａ，１２３ｂと、固定抵抗素子１２２ｄ，１２２ｅにより磁界検出ブリッジ回路を構成している。この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。
図１０（ｂ）に示す磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２３ａと固定抵抗素子１２２ｄ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１２３ｂと固定抵抗素子１２２ｅ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においては、磁気抵抗効果素子１２３ａと固定抵抗素子１２２ｅとの間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、固定抵抗素子１２２ｄと磁気抵抗効果素子１２３ｂとの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、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界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）で被測定電流を測定する。
図１１（ａ）に示すように、図１１の紙面向かって左側から被測定電流が流れると、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、２つの固定抵抗素子１２２ｄ，１２２ｅには、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂが同じ方向（Ｐｉｎ方向）に印加される。一方、磁気抵抗効果素子１２３ａ，１２３ｂには、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向に印加される。
また、図１２（ａ）に示すように、図１２の紙面向かって右側から被測定電流が流れると、図１２（ａ）に示すように、２つの固定抵抗素子１２２ｄ，１２２ｅには、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加される。一方、磁気抵抗効果素子１２３ａ，１２３ｂには、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向に印加される。
図１３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの他の例を示す図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。
図１３に示す磁気平衡式電流センサは、３つの磁気抵抗効果素子１２３ｃ〜１２３ｅと、固定抵抗素子１２２ｆにより磁界検出ブリッジ回路を構成している。この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。測定時でない状態においては、３つの磁気抵抗効果素子１２３ｃ〜１２３ｅ及び固定抵抗素子１２２ｆの抵抗値は同じである。
図１３（ｂ）に示す磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２３ｃと固定抵抗素子１２２ｆ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１２３ｄ，１２３ｅ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においては、磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅ間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、固定抵抗素子１２２ｆと磁気抵抗効果素子１２３ｄとの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、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界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）で被測定電流を測定する。
図１４（ａ）に示すように、図１４の紙面向かって左側から被測定電流が流れると、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、２つの磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅには、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂが同じ方向（Ｐｉｎ方向）に印加される。一方、磁気抵抗効果素子１２３ｄ及び固定抵抗素子１２２ｆには、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向に印加される。この場合において、磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅの抵抗値は、誘導磁界Ａの大きさによらず同じ値となるため、磁気検出ブリッジ回路において固定抵抗素子の役割を果たす。
また、図１５（ａ）に示すように、図１５の紙面向かって右側から被測定電流が流れると、図１５（ａ）に示すように、２つの磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅには、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加される。一方、磁気抵抗効果素子１２３ｄ及び固定抵抗素子１２２ｆには、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向に印加される。この場合において、磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅの抵抗値は、誘導磁界Ａの大きさによらず同じ値となるため、磁気検出ブリッジ回路において固定抵抗素子の役割を果たす。
このように、本発明に係る磁気センサによれば、セルフピン止め型の強磁性固定層の反平行結合膜が、反強磁性結合効果の第１ピークの厚さを有するＲｕ膜であり、第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜の磁化量の差が実質的にゼロであるので、固定抵抗素子によるＡＭＲ効果の発生を抑えることができる。また、本発明に係る磁気平衡式電流センサによれば、ＡＭＲ効果の発生を抑えた磁気センサを用いているので、環境温度が変化したときに十分に安定した出力特性を得ることができる。
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、本発明は、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、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３月１２日出願の特願２０１０−０５６１５６に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
Claims (8)
- 被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子で構成された磁気センサであって、前記固定抵抗素子は、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の強磁性固定層を有しており、前記反平行結合膜は、０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍの厚さを有するＲｕ膜であり、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする磁気センサ。
- 前記磁気抵抗効果素子は、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の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、キュリー温度が略同じであり、かつ、磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
- 前記第１の強磁性膜が４０原子％〜８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％〜４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の磁気センサ。
- 請求項１から請求項３のいずれかに記載の磁気センサを有し、被測定電流からの誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界を減衰させると共に前記キャンセル磁界をエンハンスする磁気シールドと、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記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前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
- 前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることを特徴とする請求項４記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記フィードバックコイルが、前記磁気シールドと前記磁界検出ブリッジ回路の間に配置され、前記磁気シールドが前記被測定電流に近い側に配置されることを特徴とする請求項４又は請求項５記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記磁気抵抗効果素子は、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が折り返してなる形状を有し、前記誘導磁界及び前記キャンセル磁界が前記長手方向に直交する方向に沿うように印加されることを特徴とする請求項４から請求項６のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
- 前記磁気シールドは、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、及び鉄系微結晶材料からなる群より選ばれた高透磁率材料で構成されていることを特徴とする請求項４から請求項７のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサ。
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