JP6403326B2 - 電流センサ - Google Patents

Description

本発明は、電流センサに関し、具体的には、温度補償に磁気トンネル接合抵抗器を利用した磁気トンネル接合電流センサに関する。

ホール効果は、電流センサの検出素子の中で普通に使用される。加えて、普通とまでは言えないが、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）効果および巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）効果も、電流センサの検出素子の中で使用される。これらの効果が共通に有することは、それらが磁気センサを構築するために使用され、これは導体を流れる電流によって生成された磁場を測定するためであることである。磁場は、導体を流れる電流の値に比例する。

ホール素子の感度は非常に低いので、ホール素子が電流センサの中で使用されるとき、ホールセンサの感度を増加させるため、磁束集中器が通常使用されて磁場を増幅する。不都合なことに、これは電流センサのサイズおよび重さを増加し、線形性を劣化させる。加えて、ホールセンサは高い電力消費を有し、これは望ましくない。ＡＭＲセンサは、ホールセンサよりもずっと高い感度を有するが、より狭い線形範囲を有し、セット／リセットコイルを必要とし、複雑な製造プロセス、増加されたサイズ、および増加された電力消費を引き起こす。ＧＭＲセンサも、ホールセンサより高い感度を有するが、線形範囲は狭い。

磁気トンネル接合（ＭＴＪ，Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ）は、産業上の応用に磁気抵抗センサとしての応用を発見し始めている。磁気抵抗センサは、多層磁気材料スタックのトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ，Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）効果を使用し、ＡＭＲ、ホール、およびＧＭＲセンサよりも有意に大きな感度で磁場の大きさおよび方向を検出し、さらに、より良好な温度安定性を提供する。ゆえに、ＭＴＪ検出素子を利用する電流センサは、追加の磁束集中器構造を有しないホール効果ベースの電流センサよりも、改善された温度安定性、高い感度、低い電力消費、および良好な線形性を提供し、ＡＭＲ電流センサと比較して、追加のセット／リセットコイル構造なしに、改善された温度安定性、より高い感度、より広い線形範囲を提供し、ＧＭＲベースの電流センサと比較して、より良好な温度安定性、より高い感度、より低い電力消費、および、より広い線形範囲を提供する。

ＴＭＲベースの電流センサの温度特性は、ホール効果、ＡＭＲ、およびＧＭＲベースの電流センサよりも優れているが、高い精度を得るためには、依然として温度補償が必要である。

本発明は電流センサを提供し、この電流センサは、ＭＴＪ素子を使用して電流からの磁場の検出および温度ドリフトの補償の双方を行い、これによって高い感度、広い線形範囲、低い電力消費、小さいサイズ、および良好な温度性能特性を提供する。

上記の目的を達成するため、本発明は、ＭＴＪセンサブリッジを備えるシングルチップ電流センサであって、前記ＭＴＪセンサブリッジは、１つまたは複数のＭＴＪ素子、センサブリッジの近くにあってテスト電流を搬送する導体、および少なくとも１つのＭＴＪ温度補償抵抗器を含み、磁石が、１つまたは複数のＭＴＪ温度補償抵抗器の横に置かれ、温度補償抵抗器の中のＭＴＪ素子の自由層をバイアスする磁場を産出して、各々のＭＴＪ温度補償素子の自由層の磁化方向が、そのピンド層の磁化方向と反平行になるようにし、したがって１つまたは複数のＭＴＪ温度補償抵抗器が、電流センサの測定範囲で温度の関数としてのみ変化する高い抵抗状態になるようにし、センサブリッジは、１つまたは複数のＭＴＪ温度補償抵抗器と直列に接続されて、センサブリッジ電圧出力を安定化させ、導体の中のテスト電流によって産出された磁場を測定することによってテスト電流を決定し、テスト電流は出力電圧として提供されるシングルチップ電流センサを提供する。

好ましくは、ＭＴＪセンサブリッジおよびＭＴＪ温度補償抵抗器は、それぞれ、１つまたは直列に接続された複数のＭＴＪ素子を備え、前記ＭＴＪ素子は同じ温度係数、Ｒ_ＨおよびＲ_Ｌを有する。

好ましくは、センサブリッジはハーフブリッジである。

好ましくは、センサブリッジはフルブリッジである。

本発明は、上記の構造を使用して電流センサの温度ドリフトを補償し、高い感度、広い線形範囲、低い電力消費、小さいサイズ、および優れた熱安定性の利点を提供する。

磁気トンネル接合素子の図である。 困難軸方向に沿って印加された磁場を有するＭＴＪ線形磁場検出素子の伝達曲線の描画を示す。 磁気抵抗器を形成するため、幾つかのＭＴＪ素子がどのように直列に接続され得るかを示す。 異なる温度におけるＭＴＪ素子の磁気抵抗伝達曲線を示す。 プッシュプルハーフブリッジＭＴＪセンサの略図である。 プッシュプルハーフブリッジＭＴＪセンサの典型的出力を示す。 異なる温度におけるプッシュプルハーフブリッジＭＴＪセンサのシミュレーション出力を示す。 プッシュプルフルブリッジＭＴＪセンサの略図である。 プッシュプルフルブリッジＭＴＪセンサの典型的出力を示す。 異なる温度におけるプッシュプルフルブリッジＭＴＪセンサのシミュレーション出力を示す。 ハーフブリッジＴＭＲ電流センサへ応用される温度補償抵抗器の概念を示す。 ハーフブリッジＭＴＪ電流センサの中で温度補償抵抗器を実現する他の配列を示す。 フルブリッジＭＴＪ電流センサの中で温度補償抵抗器を使用する概念を示す。 温度補償されるＭＴＪ電流センサおよび温度補償されないＭＴＪ電流センサの出力の温度依存性について、２つの異なる曲線の描画を示す。

図１は、ＭＴＪ素子の多層膜および動作概念を略図的に示す。ＭＴＪ素子１は、一般的に、トンネル障壁層４の対向する側面に、強磁性層或は合成反強磁性層（Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ，ＳＡＦ）５および強磁性層或はＳＡＦ層３を含む。この構造において、上方の強磁性層（ＳＡＦ層）５は自由層であり、その磁化方向は外部磁場に応答して変化する。下方の強磁性層（ＳＡＦ層）３は固定磁気層であり、その磁化方向は１つの方向へ厳格にピン止めされ、通常の条件のもとでは変化しない。通常、ピン層２は反強磁性材料であり、これはピンド層ＳＡＦの上または下に堆積され得る。通常、ＭＴＪ構造は、底部電極として使用される導電性シード層１０の上部に堆積され、他の導電性キャッピング層６は、ＭＴＪ構造の上部に堆積される。ＭＴＪ素子の抵抗１１は、シード層１０とキャッピング層６との間で測定され、自由層５の磁化方向とピンド層３の磁化方向との相対的方位を表す。上方の強磁性自由層５の磁化方向および下方の強磁性ピンド層３の磁化方向が相互に平行であるとき、ＭＴＪ素子の抵抗１１は低い抵抗状態を表す。上方の強磁性自由層５の磁化方向および下方の強磁性ピンド層３の磁化方向が相互に反平行であるとき、素子１１の全体的抵抗は高い抵抗状態を表す。公知の手法によって、ＭＴＪ素子１は、低い抵抗状態および高い抵抗状態の間の抵抗変化が、磁場へ線形に依存するように組み立てられ得る。

図２は、ＭＴＪ磁気抵抗素子１の線形応答を示す。飽和されたとき、出力曲線は低い抵抗１２の状態または高い抵抗１３の状態のいずれかになる。ピンド層の磁化方向８が自由層の磁化方向７と平行であるとき、ＭＴＪ素子１は低い抵抗状態１２になり、ピンド層の磁化方向８が自由層の磁化方向７と反平行であるとき、ＭＴＪ素子１は高い抵抗状態１３になる。飽和へ到達する前に、出力曲線は、印加された磁場Ｈへ線形に依存する。通常、出力曲線はＨ＝０に関して対称ではない。典型的には、飽和場２１および２２は、Ｈ＝０に関してオフセットされており、低い抵抗状態１２の飽和点がＨ＝０に近い。オフセット値は、多くの場合、「ミカン皮結合」または「ニール結合」と呼ばれ、このオフセットの典型的な値は、通常、１Ｏｅと２５Ｏｅとの間であり、ＭＴＪ素子１の粗さ、効果の影響は、オフセットを材料および製造プロセスに依存させる。飽和領域の間では、出力曲線の式は、次のように近似され得る。

図３は、ＭＴＪ磁気抵抗器を形成するため、直列に接続された幾つかのＭＴＪ素子１を示す。この直列接続されたＭＴＪ磁気抵抗構造は、雑音を低減し、センサの安定性を改善する助けとなる。ＭＴＪ磁気抵抗器において、各々のＭＴＪ素子１のバイアス電圧は、磁気トンネル接合の数が増加するにつれて減少する。これは、大きな出力電圧を産出するために要求される電流を低減し、ゆえに散弾雑音を低減し、さらにＥＳＤ耐性を増加する。加えて、ＭＴＪ素子１の数が増加するにつれて、対応的にＭＴＪの雑音は低減される。なぜなら、各々のＭＴＪ素子１の無相関ランダム変動が平均化されるからである。

図４は、様々な異なる温度で獲得されたＭＴＪ出力曲線を示す。図４は、温度が上昇するにつれて、ＭＴＪ素子の低い抵抗は有意に変化せず、高い抵抗値は有意に変化し、全体として、ＭＴＪ磁気抵抗は、温度の増加と共に減少することを示す。

図５は、プッシュプルハーフブリッジＭＴＪセンサの略図である。示されるように、２つのＭＴＪ抵抗器Ｒ１、Ｒ２は反平行ピンド層磁化方向を有し、自由層の磁化方向７は外部磁場に応答して変化し、定常電圧ＶバイアスはＶｃｃパッドとＧＮＤ端子パッドとの間に印加され、Ｖｏｕｔパッドはブリッジ出力である。外部磁場がプッシュプルハーフブリッジセンサへ印加されたとき、検出方向９に沿った磁場成分は抵抗器Ｒ１の抵抗を増加させるが抵抗器Ｒ２の抵抗を減少させ、反対方向に印加されたとき、磁場は抵抗器Ｒ１の抵抗を減少させるが抵抗器Ｒ２の抵抗を増加させる。プッシュプルハーフブリッジセンサの典型的な出力曲線は、図６に示される。

図７は、異なる温度におけるプッシュプルハーフブリッジＭＴＪセンサのシミュレーション出力を示す。示されるように、ハーフブリッジ回路の出力電圧は、温度が上昇するにつれて低減される。

図８は、プッシュプルフルブリッジＭＴＪセンサを略図的に示す。図に示されるように、４つのＭＴＪ抵抗器Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、Ｒ２２はフルブリッジ構成として接続され、定常バイアス電圧はＶバイアスパッドとＧＮＤ端子パッドとの間に印加され、パッドＶ＋およびＶ−は出力端子であり、４つの抵抗器の自由層の磁化方向７は外部で印加された磁場に応答して変化し、抵抗器Ｒ１１およびＲ２２（Ｒ１２およびＲ２１）は、同じ方向を指すピンド層磁化方向８を有し、隣接する抵抗器Ｒ１１およびＲ１２（Ｒ１１およびＲ２１、など）は、反対方向を指すピンド層磁化方向８を有し、ブリッジ回路の検出方向９は、ピンド層磁化方向８に平行および反平行な軸に沿っている。

磁場がフルブリッジプッシュプルへ印加されたとき、検出方向９に沿った磁場成分は抵抗器Ｒ１１およびＲ２２の抵抗を増加させるが、他の２つの抵抗器Ｒ１２およびＲ２１の抵抗を減少させる。印加された磁場の極性が変化したとき、Ｒ１１およびＲ２２の抵抗は減少するが、Ｒ１２およびＲ２１の抵抗は増加する。したがって、反対の応答を有する二対の抵抗器−一対の抵抗器は増加する応答を有し、他の対は減少する応答を有する−を使用することは、ブリッジ回路出力の感度を増加し得る。この配列は「プッシュプル」フルブリッジ回路と呼ばれる。各々のハーフの出力電圧は、次のように定義される。

組み合わせられたブリッジ出力は、次のように定義される。

ブリッジ回路において、ＭＴＪ抵抗値は、次のように定義される。

したがって、次のようになる。

これはプッシュプルフルブリッジの出力であり、シミュレーション出力曲線は図９に示される。

図１０は、異なる温度におけるＭＴＪプッシュプルフルブリッジ回路出力のシミュレーションを示す。図１０は、温度が増加するにつれて、ブリッジ回路の出力電圧が低減されることを明瞭に示す。

ＭＴＪ素子の抵抗変化は出力電圧の変化を引き起こすので、ＭＴＪブリッジ出力は温度と共にドリフトすることが、困難なく理解される。温度ドリフトを補償するため、温度補償抵抗器が使用され得る。図１１は、チップの上でＭＴＪハーフブリッジ回路に接続された温度補償抵抗器１６を略図的に示す。示されるように、ハーフブリッジ回路１４は、温度補償抵抗器１６と直列に接続される。温度補償抵抗器１６は永久磁石１７の磁場によってバイアスされ、自由層の磁化方向７を設定するので、磁化方向７はピンド層の磁化方向８と反平行となり、それゆえに高い抵抗状態１３となり、外部場は測定温度範囲内で抵抗１１を変化させない。チップは導体２０を提供され、測定電流１９は導体２０の中でＩ_ｉｎ＋パッドとＩ_ｉｎ−パッドとの間を流れ、センサブリッジ回路１４は、電流１９によって産出された磁場２１を検出する。理想的には、温度補償抵抗器１６はハーフブリッジ腕抵抗器Ｒ１、Ｒ２と同じ温度係数を有し、温度の効果は打ち消される。磁気抵抗が温度と共に変化するとき、温度補償抵抗器およびブリッジ回路は、それぞれ同時に高および低へ移動し、ブリッジの出力は温度に対して安定になり、温度補償が提供される。

図１２は、温度補償抵抗器１６を加えたＭＴＪハーフブリッジの他のシングルチップ配列を示す。図で示されるように、ブリッジ抵抗器Ｒ１およびＲ２は同じ方向を指すピンド層磁化８を有するが、自由層の磁化方向７は外部場に応答して変動し、ハーフブリッジ回路１４および温度補償抵抗器１６は直列に接続され、温度補償抵抗器１６は強い永久磁石１７でバイアスされて、ピンド層の磁化方向８と反平行になるように自由層の磁化方向７を設定し、したがって抵抗が高抵抗状態１３になるようにし、外部場は測定温度範囲内で抵抗１１を変化させない。チップは、抵抗器Ｒ１およびＲ２の上または下でＵ形導体２０を提供され、測定電流１９はＵ形導体２０の中でＩ_ｉｎ＋パッドとＩ_ｉｎ−パッドとの間を流れ、センサブリッジ回路１４は、電流１９によって産出された磁場２１を検出する。

図１３は、温度補償抵抗器１６を加えたＭＴＪフルブリッジの他のシングルチップ配列を示す。示されるように、４つのＭＴＪ抵抗器Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２１、およびＲ２２は、フルブリッジとして相互に接続され、温度補償抵抗器１６と直列に接続され、４つのＭＴＪ抵抗器は同じ方向へ厳格に整列したピンド層の磁化方向８を有し、自由層の磁化方向７は外部磁場に応答して変化し、温度補償抵抗器１６は強い永久磁石１７でバイアスされて、ピンド層の磁化方向８に反平行な自由層の磁化方向７を設定し、抵抗が高抵抗状態１３になるようにし、外部場は測定温度範囲内で抵抗１１を変化させない。チップはＵ形導体２０を提供され、測定電流１９はＵ形導体２０の中でＩ_ｉｎ＋パッドとＩ_ｉｎ−パッドとの間を流れ、センサブリッジ回路１４は、電流１９によって産出された磁場２１を検出する。

ブリッジ回路の出力Ｖｏｕｔ（Ｔ）およびブリッジの実際の出力電圧Ｖｏｕｔは、次の関数によって線形に関係づけられる。

「ｋ_Ｔ」は、ブリッジの温度係数である。ホール電流センサにおいて、通常、ｋ_ＴはＰＰＭ／℃を単位として表される。図１４は、温度補償抵抗器を有するか、有しないＭＴＪプッシュプルフルブリッジについて、温度係数のテスト結果を示す。温度補償抵抗器を除去する前では、温度係数がずっと小さいことを明瞭に理解し得る。それゆえに、温度補償抵抗器の効果は明らかである。

本発明の具体的な実現が例示されたが、明らかに、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、本発明の様々な修正が行われてもよい。本発明の趣旨および意図が、そのような修正によって変更されないことは、本発明の当業者によって理解される。

Claims (3)

1. ＭＴＪセンサブリッジ、前記ＭＴＪセンサブリッジの近くにあってテスト電流を搬送する導体、および少なくとも１つのＭＴＪ温度補償抵抗器と前記少なくとも１つのＭＴＪ温度補償抵抗器の横に設置される磁石を備えるシングルチップ電流センサであって、
   前記ＭＴＪセンサブリッジは、１つまたは複数のＭＴＪ抵抗器を含み、
   前記ＭＴＪ抵抗器および前記ＭＴＪ温度補償抵抗器は、それぞれ、１つまたは直列に接続された複数のＭＴＪ素子を備え、
   前記ＭＴＪ素子のすべては、同じ温度係数、Ｒ_ＨおよびＲ_Ｌを有し、
   前記Ｒ_Ｈは高い抵抗状態での前記ＭＴＪ素子の抵抗であり、前記Ｒ_Ｌは低い抵抗状態での前記ＭＴＪ素子の抵抗であり、
   前記磁石が、前記少なくとも１つのＭＴＪ温度補償抵抗器の横に置かれることによって、前記少なくとも１つのＭＴＪ温度補償抵抗器の中の前記ＭＴＪ素子の自由層をバイアスする磁場を産出し、前記少なくとも１つのＭＴＪ温度補償抵抗器の中の前記ＭＴＪ素子の自由層の磁化方向が、そのピンド層の磁化方向と反平行になるようにし、したがって前記少なくとも１つのＭＴＪ温度補償抵抗器が、前記電流センサの測定範囲で温度の関数としてのみ変化する高い抵抗状態になるようにし、
   前記ＭＴＪセンサブリッジは、前記少なくとも１つのＭＴＪ温度補償抵抗器と直列に接続されてセンサブリッジ電圧出力を安定化し、前記導体の中のテスト電流によって産出された磁場を測定することによって前記テスト電流を決定し、次いで前記テスト電流は出力電圧として提供されるシングルチップ電流センサ。
2. 前記ＭＴＪセンサブリッジはハーフブリッジである、請求項１に記載のシングルチップ電流センサ。
3. 前記ＭＴＪセンサブリッジはフルブリッジである、請求項１に記載のシングルチップ電流センサ。

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