JP7434287B2 - 複数の感度範囲を有する電流センサ - Google Patents

Description

本開示は、一般に、電流センサに関する。

従来のいくつかの電気電流センサは、電流伝達導体の近くに位置決めされて、その導体を流れる電流によって生成された磁界を感知する。電流センサは、導体を流れる電流によって誘導された磁界に比例した大きさを有する出力信号を生成する。

複数の電流センサは、開ループ構成または閉ループ構成のいずれかで配置され得る。「開ループ」電流センサは、電流伝達導体すなわち一次導体に近接した磁界トランスデューサを含む。磁界トランスデューサは、一次導体を流通する電流によって生成された磁界に比例した出力信号を供給する。「閉ループ」電流センサは、磁界トランスデューサに近接した二次導体を追加で含む。一次導体を流通する電流によって生成された磁界に対抗してそれを打ち消す磁界を生成するために、二次導体を電流が流通する。いくつかの閉ループ電流センサでは、二次導体電流の測定量は、一次導体を流通する電流レベルの指標を提供することができる。

種々のパラメータが、磁界センサおよび磁界感知素子の性能を特徴付ける。磁界感知素子に関しては、パラメータは、磁界の変化に応答した磁界感知素子の出力信号の変化である感度と、磁界センサの出力信号が磁界に対して線形に（すなわち、正比例で）変化する度合いである線形度とを含むものである。

本明細書で説明される概念、システム、方法、および技法に従って、磁界強度に応じて複数の異なる感度範囲を与える複数のセンサ装置（ｓｅｎｓｏｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｓ）を有する電流センサが提供される。複数のセンサ装置の出力は、単一の出力信号を生成するために、合成されてよい。

本出願は、２つ以上の電流範囲で電流を感知するように構成された電流センサを使用して、導体を流れる電流の正確でコアレスな測定を提供する。たとえば、導体は、同じプリント回路基板（ＰＣＢ）にはんだ付けされた電流センサとともにＰＣＢに一体化されてもよいし、またはスタンドアロン型のバスバーであってもよい。

電流センサは、第１の感度範囲および第２の異なる感度範囲など（これらに限定されない）の複数の感度範囲を含むことができる。いくつかの実施形態において、第１の感度範囲は、信号対雑音比が実質最大ではあるがより高い電流で飽和する低電流測定範囲を含むことができ、第２の感度範囲は、コモンモード磁界に対する耐性がより高くかつ閉ループの消費が低減する、より高い電流測定範囲を含むことができる。いくつかの実施形態において、電流センサは、２つよりも多い感度範囲を含むことができる。たとえば、電流センサは、第１の感度範囲（すなわち、低電流測定範囲）と第２の感度範囲（すなわち、高電流測定範囲）との間の１つ以上の中間電流範囲を測定するように構成されてもよい。

電流センサは、１つ以上の磁界感知素子を有する第１のセンサ装置と、１つ以上の磁界感知素子を有する第２のセンサ装置とを含むことができる。第１および第２のセンサ装置の両方の磁界感知素子は、１つ以上の磁気抵抗素子を含むことができる。たとえば、いくつかの実施形態において、電流センサは、複数の巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子を有するＧＭＲ積層体を含むことができる。ＧＭＲ積層体は、対称的な応答と所定の範囲内で許容できる線形範囲とを与えるデュアルスピンバルブであってよい。より高い感度を与えるために、ＧＭＲ積層体の層（たとえば、フリー層）の内部バイアスは低くてよい。

いくつかの実施形態において、電流センサは、同じダイの上に複数の磁気抵抗素子を含むことができる。

複数のセンサ装置の複数の異なる特性は、それぞれのセンサ装置の感度を変えるように変更されてよい。たとえば、形状異方性特性、シールド特性、それぞれのセンサ装置の磁界感知素子間の間隔、および／または積層特性のうちの１つ以上が、それぞれのセンサ装置の感度を変えるために変更されてよい。

１つ以上の異なる形状異方性特性を有する異なるセンサ装置が提供されてよい。たとえば、ヨーク形状など（これに限定されない）の様々な異なる形状を有する複数の異なるセンサ装置が提供されてもよい。いくつかの実施形態において、電流センサは、第１の幅（たとえば、第１のヨーク幅）を有する第１のセンサ装置と、第２の異なる幅（たとえば、第２のヨーク幅）を有する第２のセンサ装置とを含むことができる。一実施形態において、より広い幅が、より低い電流測定範囲のために使用されてよく、より小さい、またはより狭いヨーク幅が、より高い電流測定範囲のために使用されてよい。

電流センサにおける複数の異なるセンサ装置は、閉ループ構成を有するように形成されてよい。たとえば、当該複数のセンサ装置の各々は、それぞれのセンサ装置に近接した二次導体を含むことができる。

いくつかの実施形態において、複数の異なるセンサ装置と導体との間での結合比は、異なってよい。第１のセンサ装置は、より低い電流測定範囲を感知し、導体に対して第１の高い結合比を有するように構成されてよい。閉ループ構成によって補償される磁界は、導体における低電流に適応されるので、導体と第１のセンサ装置との間の第１の結合比は、大きくなり得る。第２のセンサ装置は、より高い電流測定範囲を感知し、導体に対して第２のより低い結合比を有するように構成されてよい。第２のセンサ装置の閉ループ構成によって補償される磁界は、第１のセンサ装置と同程度のものである。したがって、導体と第２のセンサ装置との間の第２の結合比は、導体と第１のセンサ装置との間の第１の結合比と比較して、より低く、または低減され得る。

複数の異なるセンサ装置の出力は、電流センサ用の単一の出力信号を生成するために合成されてよい。複数の異なるセンサ装置の出力（たとえば、第１および第２の磁界信号）を合成するために、飽和係数および補数飽和係数が生成されてよい。たとえば、飽和係数は、複数の異なるセンサ装置からの出力のうちの少なくとも１つを使用して生成されてよく、補数飽和係数は、飽和係数から生成されてよい。飽和係数は、第１の電流範囲信号を生成するために、第１のセンサ装置の出力に対応する第１の磁界信号に適用されてよく、補数飽和係数は、第２の電流範囲信号を生成するために、第２のセンサ装置の出力に対応する第２の磁界信号に適用されてよい。第１および第２の電流範囲信号は、導体を流れる電流を示す、電流センサ用の出力を生成するために、合成されてよい。

本開示によれば、導体を流れる電流によって生成された磁界を感知する電流センサは、１つ以上の磁界感知素子を含む第１のセンサ装置を備え、第１のセンサ装置は、導体を流れる第１の電流範囲に対応する第１の測定範囲で磁界を感知するように構成され、第１の測定範囲で感知された磁界を示す第１の磁界信号を生成するようにさらに構成される。第２のセンサ装置は１つ以上の磁界感知素子を含み、第２のセンサ装置は、導体を流れる第２の電流範囲に対応する第２の測定範囲で磁界を感知するように構成され、第２の測定範囲で感知された磁界を示す第２の磁界信号を生成するようにさらに構成される。第１のセンサ装置と第２のセンサ装置とは、形状異方性特性、シールド特性、第１のセンサ装置および第２のセンサ装置の磁界感知素子間の間隔、並びに／または積層特性のうちの１つ以上の点で互いに異なる。また、第１の磁界信号および第２の磁界信号に応答して、第１の磁界信号と第２の磁界信号との合成を示す出力信号を生成するように構成された回路が提供される。ここで、出力信号は、導体を流れる電流に対応するものである。

本開示の様々な態様の特徴は、単独で、または組み合わせて、以下のうちの１つまたは複数を含むことができる。第１のセンサ装置は、第１のブリッジに配置された第１の複数の磁界感知素子を含むことができ、第２のセンサ装置は、第２のブリッジに配置された第２の複数の磁界感知素子を含むことができる。第１のブリッジにおける第１の複数の磁界感知素子間の間隔は、第２のブリッジにおける第２の複数の磁界感知素子間の間隔とは異なってよい。実施形態において、導体はエッジを有し、第１のブリッジにおける第１の複数の磁界感知素子の各々は、エッジから実質的に等距離にあってよく、第２のブリッジにおける第２の複数の磁界感知素子の各々は、エッジから実質的に等距離にあってよい。実施形態において、導体はエッジを有し、第１のブリッジにおける第１の複数の磁界感知素子の各々は、エッジから第１の距離に配置されてよく、第２のブリッジにおける第２の複数の磁界感知素子の各々は、エッジから第２の距離に配置されてよい。ここで、第２の距離は、第１の距離よりも大きい。第１のセンサ装置および第２のセンサ装置のうちの少なくとも一方は、軟磁性材料で作られたシールド層をさらに含むことができ、第１のセンサ装置および第２のセンサ装置のうちの少なくとも一方に感じられる磁界は、シールド層により生ずる要因によって低減されるものとされてよい。第１のセンサ装置と第２のセンサ装置とは、形状異方性特性の点で互いに異なってよい。ここで、第１のセンサ装置の少なくとも１つの磁界感知素子は、第１の幅を有し、第２のセンサ装置の少なくとも１つの磁界感知素子は、第１の幅とは異なる第２の幅を有する。感知された第１の電流範囲は、感知された第２の電流範囲よりも小さくてよい。ここで、第１の幅は、第２の幅よりも大きい。第１のセンサ装置は、第１の飽和閾値を有することができ、第２のセンサ装置は、第２の飽和閾値を有することができる。上記回路は、第１の磁界信号を飽和係数と合成して第１の電流範囲信号を生成するための第１のユニットと、第２の磁界信号を飽和係数の補数バージョンと合成して第１の電流範囲信号を生成するための第２のユニットと、第１の電流範囲信号と第２の電流範囲信号とを合成して、導体を流れる電流に対応する出力信号を生成するための第３のユニットとを含むことができる。

また、導体を流れる電流によって生成された磁界を感知する方法が説明され、この方法は、第１のセンサ装置が、導体を流れる第１の電流範囲に対応する第１の測定範囲で磁界を感知するとともに、第１の測定範囲で感知された磁界を示す第１の磁界信号を生成するステップと、第２のセンサ装置が、導体を流れる第２の電流範囲に対応する第２の測定範囲で磁界を感知するとともに、第２の測定範囲で感知された磁界を示す第２の磁界信号を生成するステップとを含む。ここで、第１のセンサ装置と第２のセンサ装置とは、形状異方性特性、シールド特性、第１のセンサ装置および第２のセンサ装置の磁界感知素子間の間隔、または積層特性のうちの１つ以上の点で互いに異なる。当該方法は、第１の磁界信号と第２の磁界信号とを合成して導体を流れる電流を示す出力信号を生成するステップをさらに含む。合成するステップは、第１の磁界信号に飽和係数を適用して第１の電流範囲信号を生成するステップと、第２の磁界信号に飽和係数の補数バージョンを適用して第２の電流範囲信号を生成するステップと、第１の電流範囲信号と第２の電流範囲信号とを合成して、導体で伝達される電流に対応する出力信号を生成するステップとを含むことができる。

さらなる態様によれば、導体を流れる電流によって生成された磁界を感知する電流センサは、導体を流れる第１の電流範囲に対応する第１の測定範囲で磁界を感知するように構成されるとともに、第１の測定範囲で感知された磁界を示す第１の磁界信号を生成するように構成された、１つ以上の磁界感知手段を含む第１の感知手段と、導体を流れる第２の電流範囲に対応する第２の測定範囲で磁界を感知するように構成されるとともに、第２の測定範囲で感知された磁界を示す第２の磁界信号を生成するように構成された、１つ以上の磁界感知手段を含む第２の感知手段とを備える。ここで、第１のセンサ装置と第２のセンサ装置とは、形状異方性特性、シールド特性、第１のセンサ装置および第２のセンサ装置の磁界感知素子間の間隔、または積層特性のうちの１つ以上の点で互いに異なる。また、第１の磁界信号および第２の磁界信号に応答して出力信号を生成するための手段が提供される。ここで、出力信号は、第１の磁界信号と第２の磁界信号との合成を示し、出力信号は、導体で伝達される電流に対応する。

本開示の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面および以下の説明にて記載される。本開示の他の特徴、目的および利点は、本説明および図面から、並びに特許請求の範囲から明らかになるであろう。

上述した特徴は、以下の図面の説明からより完全に理解され得るであろうし、図面においては、同様の参照符号は同様の構成要素を示している。

電流センサの回路図である。 ヨーク形状を有する磁界感知素子の上面図である。 異なる幅を有する複数の磁気感知素子の感度を比較したプロット図である。 導体に対する、図１の電流センサ内の１つ以上の磁界感知素子の間隔を示す図である。 導体のエッジの上に位置決めされた、２つのセンサ装置を有する図１の電流センサを示す図である。 それぞれのセンサ装置の各々について、導体からの距離に基づいた異なるセンサ装置の結合比を比較するプロット図である。 図１の電流センサのセンサ装置（たとえば、低電流ブリッジ）の出力信号を例示するプロット図である。 図１の電流センサのセンサ装置（たとえば、高電流ブリッジ）の出力信号を例示するプロット図である。 飽和係数を例示するプロット図である。 図１の、第１のセンサ装置の出力信号、第２のセンサ装置の出力信号、および電流センサの出力信号のプロット図である。 二重（またはデュアル）スピンバルブ型積層体を有する磁気抵抗素子の層を例示する図である。 シールド層を有する図１の第１および第２のセンサ装置を例示する図である。 導体を流れる電流によって生成された磁界を感知する方法のフローチャートである。

図１を参照すると、電流センサ１００は、導体１０６に近接して配置された第１のセンサ装置１０２および第２のセンサ装置１０４を含む。第１のセンサ装置１０２は、少なくとも２つの離間した磁界感知素子を含むことができ、第２のセンサ装置１０４は、少なくとも２つの離間した磁界感知素子を含むことができる。たとえば、第１のセンサ装置１０２は、２つ以上の磁界感知素子を有する第１のブリッジ構成１０３を含むことができ、第２のセンサ装置１０４は、２つ以上の磁界感知素子を有する１０５を有する第２のブリッジ構成を含むことができる。

図１の例示的な実施形態において、第１および第２のブリッジ構成１０３、１０５は、ホイートストンブリッジなどのブリッジ構成で結合された４つの磁気抵抗素子を含む。たとえば、第１および第２のブリッジ構成１０３、１０５の各々においては、ブリッジの各辺が互いに隣接して配置された２つの磁気抵抗素子を含み、ブリッジの一辺が他の一辺から離間した状態となるように、複数の磁気抵抗素子が結合されていればよい。

このような装置により、（各ブリッジ辺の中間ノード１０３ａ、１０３ｂ、１０５ａ、１０５ｂの間で得られる）ブリッジの差動出力信号は、導体１０６を流れる電流以外のソースからの浮遊磁界を阻止する差動信号をもたらすことができる。磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ：ｇｉａｎｔ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ：ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ：ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、または磁気トンネル接合（ＭＴＪ：ｍａｇｎｅｔｉｃ ｔｕｎｎｅｌ ｊｕｎｃｔｉｏｎ）素子のうちの少なくとも１つを含むことができる。いくつかの実施形態において、磁界感知素子は、１つ以上のホール効果素子として提供されてもよいことが認識されるべきである。

第１および第２のセンサ装置１０２、１０４は、導体１０６のうちの異なる部分に近接して配置されてよい。たとえば、第１のセンサ装置１０２は、導体１０６のうちの第１の部分１０８に近接して配置され、第２のセンサ装置１０４は、導体１０６のうちの異なる第２の部分１１０に近接して置かれる。

第１および第２のセンサ装置１０２、１０４は、導体１０６を流れる電流を、第１および第２の部分１０８、１１０でそれぞれ感知し、第１および第２の部分１０８、１１０で導体１０６を流れる電流に対応する出力信号（たとえば、それぞれ、第１および第２の磁界信号）を生成するように構成されてよい。一実施形態において、第１および第２のセンサ装置１０２、１０４は、導体１０６を流れる電流の異なる範囲に対応する異なる測定範囲で磁界を感知するように構成されてよい。たとえば、第１のセンサ装置１０２は、導体１０６を流れる第１の電流範囲に対応する第１の測定範囲で磁界を感知するように構成されてよく、第２のセンサ装置１０４は、導体１０６を流れる第２の電流範囲に対応する第２の測定範囲で磁界を感知するように構成されてよい。いくつかの実施形態において、第１の測定範囲は、より高い電流範囲に対応してよく、第２の測定範囲は、より低い電流範囲に対応してよい。他の実施形態において、第１の測定範囲は、より低い電流範囲に対応してもよく、第２の測定範囲は、より高い電流範囲に対応してもよい。第１の例の実施形態において、低電流範囲は、おおよそ２０ｍＡから１Ａまでの範囲であってよく、高電流範囲は、おおよそ１Ａから１００Ａまでの範囲であってよい。第２の例の実施形態において、低電流範囲は、おおよそ０Ａから４０ｍＡまでの範囲であってよく、第２の実施形態において、高電流範囲は、おおよそ４０ｍＡから１Ａまでの範囲であってよい。

図１に例示されるように、第１および第２のセンサ装置１０２、１０４は、供給電圧１１２および基準端子１１３（たとえば、接地端子）に結合される。

次に第１のセンサ装置１０２を参照すると、第１のセンサ装置１０２は、第１および第２のノード１０３ａ、１０３ｂにもかかわらず、第１の差動増幅器１１４に結合する差分磁界信号を生成することができる。第１の増幅器１１４の１つ以上の出力は、第１のＨブリッジ回路１１６の１つ以上の入力部に結合される。第１のＨブリッジ回路１１６は、共に結合される複数の電界効果トランジスタを含んで、２つの入力信号を比較して雑音および／または干渉（たとえば、ＤＣオフセット）を除去または低減し、並びに、いくつかの実施形態では２つの入力信号間の差分に利得（ゲイン）を適用することができる。

第１のフィードバックコイル１１５は、同程度の逆磁界を感知素子に適用してブリッジ上の差分磁界をおおよそゼロガウスにするために、第１のセンサ装置１０２に近接して位置決めされてよい。第１のセンサ装置１０２の感知素子上の差分磁界をゼロにするのに必要な第１のコイル１１５を流れる電流は、第１の抵抗器１１７によって感知されるが、これにより閉ループ電流感知システムを実現するためである。

第１の感知抵抗器１１７の電圧は、第２の増幅器１１８に結合される。いくつかの実施形態において、増幅器１１８は、温度補償を含むオフセット調整および／またはゲイン調整を実行するように構成されてよい。

次に第２のセンサ装置１０４を参照すると、第２のセンサ装置１０４は、第１および第２のノード１０５ａ、１０５ｂにもかかわらず、第３の差動増幅器１２０に結合する差分磁界信号を生成することができる。第３の増幅器１２０の１つ以上の出力は、第２のＨブリッジ回路１２２の１つ以上の入力部に結合される。第２のＨブリッジ回路１２２は、共に結合される複数の電界効果トランジスタを含んで、２つの入力信号を比較して雑音および／または干渉（たとえば、ＤＣオフセット）を除去または低減し、並びに、いくつかの実施形態においては、２つの入力信号間の差分に利得（ゲイン）を適用することができる。

第２のフィードバックコイル１２１は、同程度の逆磁界を感知素子に適用してブリッジ上の差分磁界をおおよそゼロガウスにするために、第２のセンサ装置１０４に近接して位置決めされてよい。第２のセンサ装置１０４の感知素子上の差分磁界をゼロにするのに必要な第２のコイル１２１を流れる電流は、第２の抵抗器１２３によって感知されるが、これにより閉ループ電流感知システムを実現するためである。図１には電流センサ１００が閉ループセンサとして示されているが、いくつかの実施形態においては、電流センサ１００は、開ループセンサであってもよいことが認識されるべきである。

第２の感知抵抗器１２３の電圧は、第４の増幅器１２４に結合される。一実施形態において、第４の増幅器１２４は、温度補償を含むオフセット調整および／またはゲイン調整を実行するように構成されてよい。

増幅器１１８は、第１のセンサ装置１０２によって感知された磁界信号に対応し、導体１０６を流れる第１の電流範囲を示す第１の磁界信号１１９を生成することができる。増幅器１２４は、第２のセンサ装置１０４によって感知された磁界信号に対応し、導体１０６を流れる第２の電流範囲を示す第２の磁界信号１２５を生成することができる。

第１および第２の磁界信号１１９、１２５は、導体を流れる電流のレベルに対応する電流センサの出力１３９を生成するために、合成されてもよい。第１および第２の磁界信号１１９、１２５を合成するために、種々の方式が可能である。

例示的な実施形態において、図５～図５Ｃに関連してさらに以下に説明されるように、飽和係数または飽和係数関数が生成されてセンサ出力信号１３９を供給するために使用される。これを行うために、増幅器１２４の出力は、第１の飽和モジュール１３４の入力部、第２の飽和モジュール１３６の入力部、および第２の混合器すなわち増幅器１３２の第１の入力部に結合される。

第１の飽和モジュール１３４は、第２の磁界信号１２５を受信し、飽和係数を生成することができる。いくつかの実施形態において、飽和係数は、電流センサ１００の特定の用途、および測定される１つ以上の電流範囲に少なくとも部分的に基づいて決定され、２つの飽和係数（たとえば、０および１）の間で変化し得る。たとえば、一実施形態において、飽和係数は、第２の電流範囲を測定する（たとえば、低電流範囲を測定する）ときに、第１のセンサ装置１０２の出力（たとえば、高電流ブリッジの出力）を打ち消して、雑音が入ることを防ぐように選択されてよい。いくつかの実施形態において、第１の飽和モジュール１３４は、比較器および基準値（または基準閾値）を使用して、飽和係数を生成することができる。

増幅器１１８の出力は、第１の混合器すなわち増幅器１３０の第１の入力部に結合され、第１の飽和モジュール１３５の出力は、第１の混合器１３０の第２の入力部に結合されてよい。第１の混合器１３０は、第１の磁界信号１１９に飽和係数１３５を適用して第１の電流範囲信号１３１を生成するように構成されてよい。

第２の飽和モジュール１３６は、第２の磁界信号１２５を受信し、補数飽和係数１３７を生成するように構成されてよい。一実施形態において、補数飽和係数１３７は、飽和係数１３５の補数バージョンであってよい。

第２の飽和モジュール１３６の出力は、第２の混合器１３２の第２の入力部に結合される。第２の混合器１３２は、第２の磁界信号に補数飽和係数１３７を適用して第２の電流範囲信号１３３を生成するように構成されてよい。

第１および第２の混合器１３０、１３２の出力は、第１および第２の電流範囲信号１３１、１３３をそれぞれ供給するために、第３の混合器すなわち増幅器１３８の第１の入力部および第２の入力部にそれぞれ結合されてよい。第３の混合器１３８は、第１の電流範囲信号１３１と第２の電流範囲信号１３３とを合成して、導体１０６を流れる電流に対応する出力信号１３９を生成するように構成されてよい。一実施形態において、出力信号１３９は、第１の磁界信号１１９と第２の磁界信号１２５との合成に対応してよい。

次に図２を参照すると、ヨーク形状を有する磁界感知素子２００が提供される。磁界感知素子２００は、図１の第１および第２のセンサ装置１０２、１０４における第１および第２のブリッジ構成１０３、１０５の磁気感知素子と同一または実質的に同種のものであってよい。

磁界感知素子２００は、主要部２０１と、当該主要部２０１に結合された２つのアーム２０６、２０８と、当該２つのアーム２０６、２０８にそれぞれ結合された２つの横方向アーム２１２、２１４とを有する。いくつかの実施形態において、主要部２０１と、２つのアーム２０６、２０８と、２つの横方向アーム２１２、２１４とは、各々が幅（Ｗ）を有する。しかしながら、他の実施形態において、幅は異なってもよい。

磁界感知素子２００の長さ（Ｌ）、および磁界感知素子２００の横方向アーム２１２、２１４の長さ（ｄ）は、各々、磁界感知素子２００の幅（Ｗ）の少なくとも３倍であってよく、磁界感知素子２００の幅（Ｗ）は、約１μｍから約２０μｍのまでの範囲であってよい。
磁界感知素子２００の寸法は、たとえば、以下の範囲内であってよい。
－ 磁界感知素子２００の主要部２０１の長さ（Ｌ）は、約１０μｍから１０ミリメートルまでの範囲であってよく、
－ 磁界感知素子２００のアーム２０６、２０８の長さ（ｌ）は、幅（Ｗ）の少なくとも３倍であってよく、
－ 磁界感知素子２００の幅（Ｗ）は、約１μｍから約２０μｍまでの範囲であってよい。

磁界感知素子２００のアーム２０６、２０８は、主要部２０１と平行である横方向アーム２１２、２１４に連結され、全体の長さ（Ｌ）の約４分の１から３分の１までの範囲である長さｌを有する。

一般に、ヨーク形状を有する磁界感知素子２００の感度は、幅（Ｗ）が増加するにつれて増加し、低周波数雑音は、幅（Ｗ）または長さ（Ｌ）が増加するときに減少する。

一実施形態において、ヨーク形状は、主要部２０１の長手方向中央領域において、よりよい磁気均一度を与えることができる。これは、主に主要部２０１に沿ったヨーク長の反磁界に起因し、これが、フリー（自由）層磁界感知素子２００の異方性を誘起し、磁界感知素子２００の長さに沿ったゼロ磁界での磁化としてみられるものである。固定層が磁界感知素子２００と直交する（たとえば、矢印２０２）磁界を有する場合に、矢印２０２の方向に外部磁界が印加されるとき、フリー層磁化は、均一に、すなわち磁区のジャンプなしに、回転する。フリー（自由）層の磁化の均一な回転は、応答において段差のない応答曲線をもたらす。

磁気抵抗素子２００は、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、または磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子のうちの少なくとも１つの形態を取ることができる。

ＧＭＲ素子の場合、積層体の全体がヨーク形状に設計されてもよいが、ＴＭＲ素子の場合、いくつかの実施形態において、自由層のみがヨーク形状を有することができる。図２にはヨーク形状を有する磁界感知素子２００が示されているが、他の実施形態において、磁界感知素子２００は、様々な異なる形状を有して形成されてもよいことが認識されるべきである。たとえば、いくつかの実施形態において、磁界感知素子２００は、直線バーの形状を有して形成されてもよい（たとえば、寸法Ｌおよびｗを有し、寸法ｌおよびｄに関連付けられた特徴を有さないように）。

電流センサ（たとえば、図１のセンサ１００）において使用される磁界感知素子の１つ以上の特性は、異なる感度を与えるために変更されてよい。たとえば、第１および第２のセンサ装置（たとえば、図１の１０２、１０４）における磁界感知素子は、形状異方性特性、シールド特性、磁界感知素子間の各間隔、および／または積層特性のうちの１つ以上の点において互いに異なってよい。一実施形態において、センサ装置における磁界感知素子の特定の特性は、所望の測定範囲（たとえば、測定される電流範囲）に少なくとも部分的に基づいて選択されてよい。

次に図２Ａを参照すると、異なる幅を有する複数の磁界感知素子の感度を比較したプロット図２５０が与えられており、縦軸（たとえば、ｙ軸）は、単位エルステッド当たりの感度パーセンテージ（％／Ｏｅ）を単位とする感度値に対応し、横軸（たとえば、ｘ軸）は、エルステッド（Ｏｅ）を単位とする磁界値に対応する。一実施形態において、異なる幅を有する複数の磁界感知素子が、異なる測定範囲を感知するために使用されてよい。たとえば、より大きい（すなわちより広い）幅を有する磁界感知素子は、より高い感度を有するので、低電流範囲を測定するために使用されてよい。さらに、より小さい（すなわち狭い）幅を有する磁界感知素子は、より低い感度とより高い浮遊磁界耐性とを有するので、より高い電流範囲を測定するために使用されてよい。

プロット図２５０において、第１の波形２５２は、第１の幅を有する磁界感知素子の感度に対応し、第２の波形２５４は、第２の幅を有する磁界感知素子の感度に対応し、第３の波形２５６は、第３の幅を有する磁界感知素子の感度に対応し、第４の波形２５８は、第４の幅を有する磁界感知素子の感度に対応する。一実施形態において、第１、第２、第３および第４の幅はそれぞれ異なる。たとえば、第１の幅は、第２、第３および第４の幅よりも大きくてよく、第２の幅は、第３および第４の幅よりも大きくてよく、第３の幅は、第４の幅よりも大きくてよい。一実施形態において、第１の幅は、おおよそ２０μｍであってよく、第２の幅は、おおよそ５μｍであってよく、第３の幅は、おおよそ３μｍであってよく、第４の幅は、おおよそ１μｍであってよい。しかしながら、特定の磁界感知素子の幅は、多様であってよく、電流センサの特定の用途に少なくとも部分的に基づいて選択されてよいことが認識されるべきである。

プロット２５０に例示されるように、磁界感知素子の幅が増加するにつれて、磁界感知素子の感度が増加し、磁界感知素子の幅が減少するにつれて、磁界感知素子の感度が減少する。たとえば、第１の波形２５２は、波形２５４、２４６、２５８と比較して、最も大きな幅を有する磁界感知素子に対応するので、第１の波形２５２は、最も高い感度値を有する。第４の波形２５８は、波形２５２、２５４、２５６と比較して、最も小さな幅を有するので、第４の波形２５８は、波形２５２、２５４、２５６の各々よりも小さい感度値を有する。

したがって、第１のセンサ装置が第１の測定範囲で磁界を感知することができ、第２のセンサ装置が第２の測定範囲で磁界を感知することができるように、測定される所望の電流範囲に応じて、異なる幅を持つ磁界感知素子を有するセンサ装置が形成され提供されればよい。特定の磁界感知素子の幅は、電流センサの特定の用途、および測定される１つ以上の電流範囲に基づいて選択されればよい。

次に図３を参照すると、第１のセンサ装置３０２が導体３０６に対して垂直に（ここではその上方に）配置されるとともに、第２のセンサ装置３０４が導体３０６に対して垂直に配置されず、その代わりに非電流伝達面３０８に対して配置されるように（すなわち、第１および第２のセンサ装置３０２、３０４が導体のエッジ３１２をまたぐように）、電流センサ３００が導体３０６のエッジ３１２の上に位置決めされてよい。一実施形態において、電流センサ３００、第１および第２のセンサ装置３０２、３０４、並びに導体３０６は、図１の電流センサ１００、第１および第２のセンサ装置１０２、１０４、並びに導体１０６と、それぞれ、同一または実質的に同種のものであってよい。

第１および第２のセンサ装置３０２、３０４は、１つ以上の磁界感知素子を含むことができる。たとえば、また図３に例示されるように、第１のセンサ装置３０２は、第１、第２、第３および第４の磁界感知素子３０２ａ～３０２ｄを含み、第２のセンサ装置３０４は、第１、第２、第３および第４の磁界感知素子３０４ａ～３０４ｄを含み、各磁界感知素子は、エッジ３１２から所定の距離ｄ２だけ離間している。

電流センサ３００は、第１および第２のセンサ装置３０２、３０４の各々が、それぞれ第１および第２のセンサ装置３０２、３０４内の素子で感知された磁界間で勾配を感知するように、構成されてよい。たとえば、第１のセンサ装置３０２は、素子３０２ａ、３０２ｂに感じられる磁界と、素子３０２ｃ、３０２ｄに感じられる磁界との間の差を示す磁界信号を生成することができる。同様に、第２のセンサ装置３０４は、素子３０４ａ、３０４ｂに感じられる磁界と、素子３０４ｃ、３０４ｄに感じられる磁界との間の差を示す磁界信号を生成することができる。したがって、感知の手法は、感知素子３０２ａ、３０２ｂ、３０４ａ、３０４ｄに感じられる磁界と、感知素子３０２ｃ、３０２ｄ、３０４ｃ、３０４ｄに感じられる磁界とにおける差（または勾配）を必要とする。

導体３０６に対する電流センサ３００の位置は、導体３０６を流れる電流レベルに少なくとも部分的に基づいて選択され得るので、予期される磁界強度、磁界感知素子の感度、および／または測定される磁界勾配に少なくとも部分的に基づいて選択され得る。いくつかの実施形態においては、各ブリッジにおいて、少なくとも１つの第１の磁界感知素子が電流伝達導体３０６に対して垂直に配置され、かつ少なくとも１つの第２の磁界感知素子が電流伝達導体３０６に対して垂直に配置されないときに生じ得るように、起こり得る最大の磁界勾配（すなわち、各ブリッジで離間した複数の磁界感知素子が感ずる磁界間の最大の差分）を第１および第２のセンサ装置３０２、３０４が感じるように、センサ３００を位置決めすることが望ましい場合がある。これを行うために、電流センサ３００の第１の部分３００ａは、導体３０６に対して（ここではその上方に）垂直に配置されるとともに、第２の部分３００ｂは、導体３０６に対して垂直に配置されず、その代わりに、非電流伝達面３０８に対して垂直に配置される。そのような一構成では、第１の部分３００ａのエッジ３００ｃと第２の部分３００ｂのエッジ３００ｄとが導体３０６のエッジ３１２から等距離（ここでは距離「ｄ１」で表される）となるように、電流センサ３００が位置付けら決めされてよい（また、いくつかの実施形態においては、感知素子３０２ａ～３０２ｄ、３０４ａ～３０４ｄが導体エッジ３１２から等距離（ここでは距離「ｄ２」で表される）となるようにされてよい）。したがって、第１の部分３００ａと第２の部分３００ｂとのサイズ（たとえば、幅、長さ）が等しくてよい。

他の実施形態において、第１の部分３００ａと第２の部分３００ｂとのサイズが異なっていてもよい。たとえば、導体３０６のエッジ３１２から第１の部分３００ａのエッジ３００ｃまでの距離が、導体３０６のエッジ３１２から第２の部分３００ｂのエッジ３００ｄまでの距離よりも大きいように、電流センサ３００が位置決めされてもよい。そのような構成では、磁界感知素子３０２ａ～３０２ｄ、３０４ａ～３０４ｄは、導体エッジ３１２から等距離で離間していなくてもよい。

いくつかの実施形態において、電流センサ３００のすべて（または、少なくとも第１および第２のセンサ装置３０２、３０４の両方）が、導体３０６に対して垂直に配置（すなわち、その上方に位置決め）されてもよい。そのような実施形態において、第１および第２のセンサ装置３０２、３０４の感知素子３０２ａ～３０２ｄ、３０４ａ～３０４ｄは、感知素子に感じられる磁界勾配を確保するために、導体３０６に対して中心に配置されない。他の実施形態においては、そのいずれの部分も（または、第１および第２のセンサ装置３０２、３０４の感知素子３０２ａ～３０２ｄ、３０４ａ～３０４ｄの少なくともいずれも）、導体３０６に対して垂直に配置（すなわち、その上方に位置決め）されず、その代わりに、導体３０６に対して電流センサ３００が垂直方向にオフセットされるように、電流センサ３００が導体３０６に対して位置決めされてもよい。

図３には、第１および第２のセンサ装置３０２、３０４がそれぞれ４つの磁界感知素子３０２ａ～３０２ｄ、３０４ａ～３０４ｄを含むように示されているが、他の実施形態において、第１および第２のセンサ装置３０２、３０４（または、本明細書で説明される任意の電流センサ）は、４つよりも少ない磁界感知素子、または４つよりも多い磁界感知素子を含んでもよいことが認識されるべきである。

次に図４を参照すると、電流センサ４００は、導体４０６のエッジ４１２の上に位置決めされている。電流センサ４００は、第１、第２、第３および第４の磁界感知素子４０２ａ～４０２ｄを有する第１のセンサ装置４０２と、第１、第２、第３および第４の磁界感知素子４０４ａ～４０４ｄを有する第２のセンサ装置４０４とを含み、各々が同じダイの上に配置されている。一実施形態において、導体４０６は、同一プリント回路基板（ＰＣＢ）にはんだ付けされた電流センサ４００とともにＰＣＢに一体化されてもよいし、またはスタンドアロン型のバスバーであってもよい。

一実施形態において、電流センサ４００、第１および第２のセンサ装置４０２、４０４、並びに導体４０６は、図１の電流センサ１００、第１および第２のセンサ装置１０２、１０４、並びに導体１０６と、それぞれ、同一または実質的に同種のものであってよい。

導体４０６を流れる電流の異なる電流範囲を測定する能力を提供するために、第１のセンサ装置４０２の磁界感知素子４０２ａ～４０２ｄは、第２のセンサ装置４０４の磁界感知素子４０４ａ～４０４ｄとは異なる距離だけ、互いに離間してよい。たとえば、また図４で例示されるように、第１のセンサ装置４０２は、導体４０６のエッジ４１２にまたがるように位置決めされる。第１のセンサ装置４０２は、導体４０６の上に位置決めされない第１のペアの磁界感知素子４０２ａ、４０２ｂと、導体４０６の上に位置決めされる第２のペアの磁界感知素子４０２ｃ、４０２ｄとを含む。第１のペア４０２ａ、４０２ｂは、第２のペア４０２ｃ、４０２ｄから第１の距離４２０だけ離間する。一実施形態において、第１のペア４０２ａ、４０２ｂは、第２のペア４０２ｃ、４０２ｄと同じ距離だけエッジ４１２から離間する。他の実施形態においては、第１のペア４０２ａ、４０２ｂは、第２のペア４０２ｃ、４０２ｄとは異なる距離だけエッジ４１２から離間してもよい。

第２のセンサ装置４０４もまた、導体４０６のエッジ４１２にまたがるように位置決めされる。たとえば、第２のセンサ装置４０４は、導体４０６の上に位置決めされない第１のペアの磁界感知素子４０４ａ、４０４ｂと、導体４０６の上に位置決めされる第２のペアの磁界感知素子４０４ｃ、４０４ｄとを含む。第１のペア４０４ａ、４０４ｂは、第２のペア４０４ｃ、４０４ｄから第２の距離４２２だけ離間する。一実施形態において、第１のペア４０４ａ、４０４ｂは、第２のペア４０４ｃ、４０４ｄと同じ距離だけエッジ４１２から離間する。他の実施形態においては、第１のペア４０４ａ、４０４ｂは、第２のペア４０４ｃ、４０４ｄとは異なる距離だけエッジ４１２から離間してもよい。

第１のセンサ装置４０２の第１のペアの素子４０２ａ、４０２ｂと、第２のペアの素子４０２ｃ、４０２ｄとの間の第１の距離４２０は、第２のセンサ装置４０４の第１のペアの素子４０４ａ、４０４ｂと、第２のペアの素子４０２ｃ、４０２ｄとの間の第２の距離４２２とは異なってよい（たとえば、より小さく、より大きくてもよい）。したがって、第１のセンサ装置４０２は、導体４０６を流れる第１の電流範囲に対応する第１の測定範囲で磁界を感知するように構成されてよく、第２のセンサ装置４０４は、導体４０６を流れる第２の異なる電流範囲に対応する第２の異なる測定範囲で磁界を感知するように構成されてよい。

第１のセンサ装置４０２の第１および第２のペア４０２ａ～４０２ｄと、第２のセンサ装置４０４の第１および第２のペア４０４ａ～４０４ｄとの間の間隔が異なることで、第１および第２のセンサ装置４０２、４０４について異なる結合比が提供され得る。異なる結合比は、異なるレベルの感度を与えることができる。センサ装置の結合比とは、測定される電流によって、それぞれのセンサ装置の素子上で生成される差分磁界の量を意味する。たとえば、第１のセンサ装置４０２は、より高い電流測定範囲を感知し、導体４０６に対して第１の結合比を有するように構成されてよく、第２のセンサ装置４０４は、より低い電流測定範囲を感知し、導体４０６に対して第２の結合比を有するように構成されてよい。第１のセンサ装置の閉ループ構成によって補償される磁界は、第２のセンサ装置よりも大きくてよい。したがって、導体４０６と第１のセンサ装置４０２との間の第１の結合比は、導体４０６と第２のセンサ装置４０４との間の第２の結合比と比較して、より低い、または低減されたものとなり得る。たとえば、第２のセンサ装置の閉ループ構成によって補償される磁界は、より小さくてよいので、導体４０６と第２のセンサ装置４０４との間の第２の結合比は、より大きくてよい。

次に図４Ａを参照すると、プロット図４５０は、図４の第１のセンサ装置４０２についての第１の結合比４５２を、図４の第２のセンサ装置４０４についての第２の結合比４５４と比較しており、縦軸（たとえば、ｙ軸）は、導体を流れるアンペア当たりの磁界密度（Ｇ／Ａ）に対応し、横軸（たとえば、ｘ軸）は、ここではミリメートル単位の磁界感知素子間の距離値に対応する。

プロット図４５０において、第１のセンサ装置４０２の第１の素子ペア４０２ａ、４０２ｂは、第１のセンサ装置４０２の第２の素子ペア４０２ｃ、４０２ｄから第１の距離４２０だけ離間して第１の結合比４５２をもたらす。さらに、第２のセンサ装置４０４の第１の素子ペア４０４ａ、４０４ｂは、第２のセンサ装置４０４の第２の素子ペア４０４ｃ、４０４ｄから第２の距離４２２だけ離間して第２の結合比４５４をもたらす。

結合比４５２、４５４（たとえば、Ｒｃｐ［Ｇ／Ａ］）は、測定される導体４０６を流れる電流によって、第１および第２のセンサ装置４０２、４０４の感知素子上で生成された差分磁界の量に相当する。したがって、第１および第２のセンサ装置４０２、４０４は、異なる測定範囲で磁界を感知するために、それぞれ異なる結合比（ここでは第１および第２の結合比４５２、４５４）を有するように構成されてよい。

たとえば、第１のセンサ装置（たとえば、高電流ブリッジ）では、感知される最大磁界が高くなり得るので、第１のペア４０２ａ、４０２ｂと第２のペア４０２ｃ、４０２ｄとの間の結合比は、閉ループ構成において必要とされる電流を低減させるように（たとえばより低消費となるように）、小さくなり得る。第２のセンサ装置４０４（たとえば、低電流ブリッジ）の場合、感知される最大磁界が低くなり得るので、第１のペア４０４ａ、４０４ｂと第２のペア４０４ｃ、４０４ｄとの間の結合比は、閉ループ構成に過多な電流を要求することなく（たとえば、より高いフロントエンド感度で）、大きくなり得る。

次に図５を参照すると、プロット図５００は、図１の電流センサの第２のセンサ装置（たとえば、低電流ブリッジ）の出力信号５０２を示しており、縦軸（たとえば、ｙ軸）は、出力信号値（アンペア）に対応し、横軸（たとえば、ｘ軸）は、ここではミリ秒（ｍｓ）単位の時間値に対応する。一実施形態において、第２のセンサ装置は、図１の第２のセンサ装置１０４と同一または実質的に同種のものでよく、出力信号５０２は、第２の磁界信号１２５に対応してよい。

一実施形態において、第２のセンサ装置は、低電流ブリッジに対応し得、第２のセンサ装置によって感知される電流が１つ以上のそれぞれの閾値よりも大きいとき、または当該各閾値を超過するときに、、１つ以上の閾値の値で飽和または停滞状態になるように構成されてよい。たとえば、またプロット図５００で例示されるように、第２のセンサ装置（たとえば、低電流ブリッジ）は、測定される電流が第１の閾値の値５０４（たとえば、３０アンペア）および／または第２の閾値の値５０６（たとえば、－３０アンペア）よりも大きいときに、飽和または停滞状態になるように構成されてよい。

次に図５Ａを参照すると、プロット図５２０は、図１の電流センサの第１のセンサ装置（たとえば、高電流ブリッジ）の出力信号５２２を示しており、縦軸（たとえば、ｙ軸）は、出力信号値（アンペア）に対応し、横軸（たとえば、ｘ軸）は、ここではミリ秒（ｍｓ）単位の時間値に対応する。一実施形態において、第１のセンサ装置は、図１の第１のセンサ装置１０２と同一または実質的に同種のものであってよく、出力信号５２２は、第１の磁界信号１１９に対応してよい。

第１のセンサ装置は、高電流ブリッジに対応し得るので、その各出力信号５２２は、特定の閾値の値で飽和しない。たとえば、またプロット図５２０に例示されるように、出力信号５２２は、導体を流れる＋／－６０アンペアの電流によって生成される磁界の存在下で、飽和せず、または停滞状態にはならない。

一実施形態において、第２および第１のセンサ装置それぞれによって生成された出力信号５０２、５２２は、電流センサ１００の出力信号１３９など（これに限定されない）の出力信号を生成するために、合成されてよい。出力信号５０２、５２２を合成するために、出力信号５０２、５２２のうちの少なくとも１つに、飽和係数が適用されてよい。

次に図５Ｂを参照すると、プロット図５４０は、飽和係数または飽和係数関数５４２を示す。一実施形態において、飽和係数５４２は、電流センサ１００の出力信号１３９など（これに限定されない）の出力信号を生成するために、第２および第１のセンサ装置の出力５０２、５２２と共に使用されてよい。より詳細には、飽和係数５４２は、第１の磁界信号５２２（図５Ａ）に適用されてよく、飽和係数の補数バージョンは、第２の磁界信号５０２（図５）に適用されてよい。

飽和係数５４２は、電流センサの複数のセンサ装置のうちの少なくとも１つの複数の出力の１つを使用して計算されてよい。たとえば、いくつかの実施形態において、飽和係数５４２は、第２のセンサ装置（たとえば、低電流ブリッジ）の出力信号５０２を使用して生成されてよい。飽和係数５４２の値は、電流センサ１００の特定の用途、および測定される１つ以上の電流範囲に少なくとも部分的に基づいて決定され、２つの飽和係数（ここでは、０および１）の間で変化し得る。一実施形態において、飽和係数５４２は、低電流を測定するときに、ここでは第１のセンサ装置の出力信号５２２である高電流ブリッジ出力を打ち消して、雑音が入ることを防ぐように構成されてよい。

飽和係数Ｄ（ｔ）は、以下の式を使用して決定されてよい。

ここで、ＢｒｉｄｇｅＯｕｔｐｕｔ_ＬＣは、低電流ブリッジの出力値であり、Ｉ_ｍｅａｎは、一定の係数である。Ｉ_ｍｅａｎの値の選択は、用途に依存することになる。一般に、Ｉ_ｍｅａｎは、高電流ブリッジの検出限界値を上回るべきであり、低電流閉ループの消費を制限するのに十分に低くあるべきである。飽和係数５４２は、両方の出力信号５０２、５２２の合成である再構成後の出力信号を供給するために、２つの出力信号５０２、５２２間の境界での値の差（たとえば、ジャンプ）を制限するように構成されてよい。

次に図５Ｃを参照すると、プロット図５６０は、第１のセンサ装置の出力信号５５６（たとえば、飽和係数Ｄ（ｔ）が乗算された図５Ａの信号５２２）、第２のセンサ装置の出力信号５５８（たとえば、飽和係数の補数値１－Ｄ（ｔ）が乗算された図５の信号５０２）、および電流センサ（たとえば、図１の電流センサ１００）の出力信号５６２を例示する。一実施形態において、出力信号５６２は、図１の電流センサ１００の出力信号１３９と同一または実質的に同種のものであってよい。

出力信号５６２（Ｖ_ｏｕｔ（ｔ））は、以下の式を使用して決定されてよい。

ここで、Ｄ（ｔ）は、飽和係数であり、ＢｒｉｄｇｅＯｕｔｐｕｔ_ＨＣは、高電流ブリッジの出力値であり、ＢｒｉｄｇｅＯｕｔｐｕｔ_ＬＣは、低電流ブリッジの出力値である。

プロット図５６０に例示されるように、出力信号５６２は、飽和係数の補数値が乗算された第２のセンサ装置の出力信号５０２と、飽和係数が乗算された第１のセンサ装置の出力信号５２２との合成である。

次に図６を参照すると、デュアルスピンバルブ型磁気抵抗素子６００は、たとえば、電流センサ１００の１つ以上の磁界感知素子を供給するために使用され得るものであり、二重固定型磁気抵抗素子に相当する第１の部分６０２と、逆二重固定型磁気抵抗素子に相当する第２の部分６０４とを含む。共通の反強磁性ピニング（ｐｉｎｎｉｎｇ）層６０６が、第１の部分６０２と第２の部分６０４との間に形成されてよい。

デュアルスピンバルブ型磁気抵抗素子６００は、２つの自由層構造を有することができ、これについては、スペーサ層６０８、６１０が、当該２つの自由層構造に異なる結合をもたらすように選択された異なる厚みを有するので、２つの自由層構造は、図示されるように互いに反対方向の磁界を有する。２つの自由層構造における磁界の方向は、図示される方向を逆にしたものでもよい。

いくつかの実施形態において、第１のスペーサ層６０８は、第１のスペーサ層６０８とこれに隣接する上部自由層構造との間に反強磁性結合を形成するように、たとえば、約１．７ｎｍから約２．３ｎｍまで、または約３．０ｎｍから約３．７ｎｍまでという２例の範囲のうちの１つとなり得る厚みを有する。いくつかの他の実施形態において、当該２つの範囲は、上記の代わりに、約０．７ｎｍから約１．０ｎｍまで、または約３．０ｎｍから約３．７ｎｍまででもよい。

いくつかの実施形態において、第２のスペーサ層６１０は、第２のスペーサ層６１０とこれに隣接する下部自由層構造との間に強磁性結合を形成するように、たとえば、約１．０ｎｍから約１．７ｎｍまで、または約２．３ｎｍから約３．０ｎｍまでという２例の範囲のうちの１つとなり得る厚みを有する。

したがって、上記２つの自由層構造は、互いに反対方向に向いている公称方向の磁界を有することが認識されるであろう。加えて、第１および第２のスペーサ層６０８、６１０の厚みの選択によって、強磁性および反強磁性という２つの結合は、互いに反対方向でほぼ同じ大きさを有することができる。

デュアルスピンバルブ型磁気抵抗素子６００の動作は、磁気抵抗素子の連続積層体の組合せ（たとえば、二重固定（ｐｉｎｎｅｄ）型磁気抵抗素子部分６０２と、逆二重固定型磁気抵抗素子部分６０４とを有する積層体）と非常によく似て動作し、ここで、結果として得られる２つのスペーサ層６０８、６１０は、下部自由層構造に対する強磁性結合と、上部自由層構造に対する反強磁性結合とをもたらすように選択された厚みを有することが、さらに認識されるべきである。

いくつかの代替実施形態において、第１のスペーサ層６０８は、第２のスペーサ層６１０と同じ厚みを有することができ、その逆もまた同様である。デュアルスピンバルブ型磁気抵抗素子６００は、２つの合成反強磁性（ＳＡＦ：ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ａｎｔｉｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）型固定（ｐｉｎｎｅｄ）構造と、また２つの他の固定層（すなわち、単一層の固定層）とを有することができる。当該２つの合成反強磁性（ＳＡＦ）型固定構造とまた２つの他の固定層とは共に、本明細書において固定層構造と呼ばれる。

上記素子積層体の様々な特性は、結果として得られる感度を変化させるために、変更可能であることが認識されるであろう。一例として、異なる感度を有する２つの異なる積層体を作り出すために、二重堆積法が使用されてもよい。

次に図６Ａを参照すると、第１のセンサ装置６５２および第２のセンサ装置６５４が与えられており、これら装置はそれぞれシールド層６６２、６６４を有している。第１および第２のセンサ装置６５２、６５４は、図１の第１および第２のセンサ装置１０２、１０４と同一または実質的に同種のものであってよい。第１のセンサ装置６５２は、第１のセンサ装置６５２の第１の面（ここでは上面）に隣接して配置された第１のシールド層６６２を含み、第２のセンサ装置６５４は、第２のセンサ装置６５４の第２の面（ここでは底面）に隣接して配置された第２のシールド層６６４を含む。

図６Ａは、第１および第２のセンサ装置６５２、６５４の各々の少なくとも一方の面に隣接して配置されたシールド層を示しているが、シールド層は、第１および第２のセンサ装置６５２、６５４に隣接して形成されてもよいし、または第１および第２のセンサ装置６５２、６５４の任意の面に形成されてもよいことが認識されるべきである。たとえば、シールド層６６２、６６４は、特定のセンサ装置の上面、底面、側面、あるいは、当該上面、底面および／または側面の任意の組合せに対して隣接して与えられてもよい。いくつかの実施形態において、第１および第２のセンサ装置６５２、６５４のうちの一方がシールド層を含んでよく、第１および第２のセンサ装置６５２、６５４のうちの他方がシールド層を含まなくてもよい。

シールド特性は、第１および第２のセンサ装置６５２、６５４間で異なってよい。たとえば、第１および第２のシールド層６６２、６６４は、軟磁性材料で与えられてよい。第１および第２のシールド層６６２、６６４は、それぞれのセンサ装置に関する異なる感度および測定範囲を与えるために、互いに異なる特性および／または寸法（たとえば、厚み）および／またはセンサ装置それぞれに対する位置を有することができる。そのような一実施形態において、第１のセンサ装置６５２と第２のセンサ装置６５４とは、それぞれのシールド層６６２、６６４により生ずる感度の点で互いに異なってよい。

次に図７を参照すると、導体を流れる電流によって生成された磁界を感知するための方法７００が例示される。方法７００は、ブロック７０２で開始して、第１のセンサ装置が、導体を流れる第１の電流範囲に対応する第１の測定範囲で磁界を感知し、当該第１の測定範囲で感知された磁界を示す第１の磁界信号を生成する。

ブロック７０４では、第２のセンサ装置が、導体を流れる第２の電流範囲に対応する第２の測定範囲で磁界を感知し得、当該第２の測定範囲で感知された磁界を示す第２の磁界信号を生成する。一実施形態において、第１の磁界信号は、第２の磁界信号とは異なってよく、第１の電流範囲は、第２の電流範囲とは異なってよい（たとえば、より小さく、より大きくてもよい）。

複数の異なるセンサ装置は、複数の異なる測定範囲で磁界を感知するように構成されてよく、当該複数の異なる測定範囲は、導体を流れる異なる電流範囲に対応する。たとえば、一実施形態において、第１のセンサ装置は、より高い電流範囲に対応する第１の測定範囲を用いて、当該第１の測定範囲で磁界を感知するように構成されてよく、第２のセンサ装置は、より低い電流範囲に対応する第２の測定範囲を用いて、当該第２の測定範囲で磁界を感知するように構成されてよい。

複数の異なるセンサ装置（たとえば、ブリッジ構成）の各々は、それぞれの測定範囲で感知された磁界を示す磁界信号（たとえば、アナログ出力）を生成することができる。複数の異なる磁界信号を生成するために、第１のセンサ装置および第２のセンサ装置は、形状異方性特性、シールド特性、当該第１および第２のセンサ装置の磁界感知素子間の間隔、並びに／または積層特性など（これらに限定されない）の異なる特性を有することができる。たとえば、第１のセンサ装置と第２のセンサ装置とは、異なる幅、厚みまたは形状など（これらに限定されない）を有する形状異方性特性の点で互いに異なる。いくつかの実施形態において、第１のセンサ装置の１つ以上の磁界感知素子は、第１の幅を有することができ、第２のセンサ装置の１つ以上の磁界感知素子は、当該第１の幅とは異なる（たとえば、より小さい、より大きい）第２の幅を有することができる。

上記第１および／または第２のセンサ装置の磁界感知素子は、ヨーク形状などの様々な異なる形状で形成されてよい。

第１のセンサ装置は、第１のブリッジ構成で配置された第１の複数の磁界感知素子を含むことができ、第２のセンサ装置は、第２のブリッジ構成で配置された第２の複数の磁界感知素子を含むことができる。各ブリッジ構成の磁界感知素子間の間隔は、異なる測定範囲をもつセンサ装置を提供するために、異なってよい。たとえば、第１の複数の磁界感知素子間の間隔は、第２の複数の磁界感知素子間の間隔とは異なってよい。いくつかの実施形態において、第１のブリッジの第１の複数の磁界感知素子と、第２のブリッジの第２の複数の磁界感知素子とは、エッジから実質的に等距離にあってよい。他の実施形態において、第１のブリッジの第１の複数の磁界感知素子は、エッジから第１の距離に配置されてよく、第２のブリッジの第２の複数の磁界感知素子は、エッジから、第１の距離とは異なる（たとえば、より大きい、より小さい）第２の距離に配置されてよい。

いくつかの実施形態において、シールド特性は、第１および第２のセンサ装置間で異なってよい。たとえば、第１のセンサ装置と第２のセンサ装置とがシールド層により生ずる感度の点で互いに異なるように、第１のセンサ装置および第２のセンサ装置のうちの少なくとも一方に軟磁性材料のシールド層が形成されてよい。一実施形態において、第１および第２のセンサ装置がそれぞれシールド層を含むことができるが、シールド層は、それぞれのセンサ装置について異なる感度および測定範囲を与えるために、異なる特性を有することができる。

ブロック７０６では、導体を流れる電流を示す出力信号を生成するために、第１の磁界信号と第２の磁界信号とが合成され得る。第２のセンサ装置（たとえば、低電流ブリッジ）の出力は、第２のセンサ装置についての目標測定範囲よりも高い電流に対して飽和し得る。いくつかの実施形態において、電流センサの回路（たとえば、フロントエンド増幅器）は、複数の異なるセンサ装置が同じ電流について同一または実質的に同種の出力レベルを有することができるように、当該複数の異なるセンサ装置（たとえば、異なるブリッジ）の感度を補償するように構成されてよい。

第１の磁界信号と第２の磁界信号とを合成するために、第１および第２のセンサ装置のうちの少なくとも一方の出力を使用して、飽和係数が生成されてよい。たとえば、飽和係数（Ｄ（ｔ））は、以下の式を使用して決定されてよい。

ここで、ＢｒｉｄｇｅＯｕｔｐｕｔ_ＬＣは、低電流ブリッジの出力値であり、Ｉ_ｍｅａｎは、高電流ブリッジの検出限界値を上回り、低電流閉ループの消費を制限するのに十分に低いように選択された一定の係数である。いくつかの実施形態において、低電流ブリッジは、第２のセンサ装置であってよいので、第２のセンサ装置によって生成された第２の磁界信号が、飽和係数を生成するために使用されてよい。他の実施形態において、低電流ブリッジは、第１のセンサ装置であってもよいので、第１のセンサ装置によって生成された第１の磁界信号が、飽和係数を生成するために使用されてもよい。

飽和係数の値は、２つの飽和係数（たとえば、０および１）の間で変化し得、飽和係数は、電流センサの特定の用途、および測定される１つ以上の電流範囲に少なくとも部分的に基づいて決定されてよい。一実施形態において、飽和係数は、低電流を測定するときに、高電流ブリッジ出力を打ち消して、雑音が入ることを防ぐように構成されてよい。

補数飽和係数は、飽和係数の補数バージョン（たとえば、１－Ｄ（ｔ））を得ることで生成されてよい。一実施形態において、飽和係数は、第１の電流範囲信号を生成するために第１の磁界信号に適用されてよく、飽和係数の補数バージョンは、第２の電流範囲信号を生成するために第２の磁界信号に適用されてよい。
第１の電流範囲信号と第２の電流範囲信号とは、導体で伝達される電流に対応する出力信号を生成するために、合成されてよい。いくつかの実施形態において、出力信号（Ｖ_ｏｕｔ（ｔ））は、以下の式を使用して決定されてよい。

ここで、Ｄ（ｔ）は、飽和係数であり、ＢｒｉｄｇｅＯｕｔｐｕｔ_ＨＣは、高電流ブリッジの出力値（たとえば、第１のセンサ装置からの第１の磁界信号）であり、ＢｒｉｄｇｅＯｕｔｐｕｔ_ＬＣは、低電流ブリッジの出力値（たとえば、第２のセンサ装置の第２の磁界信号）である。出力信号は、２つ以上の測定範囲を使用する導体を流れる電流に対応する。

ブロック７０２、７０４および７０６に関連して説明した動作は、同時に、または実質的に同時に実行されてもよいことが認識されるであろう。

本特許の主題である、様々な概念、構造、および技法を例示する役割を果たす好ましい実施形態を説明してきたが、これらの概念、構造、および技法を組み込む他の実施形態が使用されてもよいことは目下明らかとなるであろう。それに応じて、本特許の範囲は、説明された実施形態に限定されるべきでなく、むしろ、以下の請求項の趣旨および範囲によってのみ限定されるべきであることが提示される。

Claims (29)

1. 導体を流れる電流によって生成された磁界を感知する電流センサであって、
   前記導体を流れる第１の電流範囲に対応する第１の測定範囲で磁界を感知するように構成され、さらに前記第１の測定範囲で感知された磁界を示す第１の磁界信号を生成するように構成された、２つ以上の磁気抵抗素子を含む第１のセンサ装置と、
   前記導体を流れる第２の電流範囲に対応する第２の測定範囲で前記磁界を感知するように構成され、さらに前記第２の測定範囲で感知された磁界を示す第２の磁界信号を生成するように構成された、２つ以上の磁気抵抗素子を含む第２のセンサ装置と
   を備え、
   前記第１のセンサ装置と前記第２のセンサ装置とが、形状異方性特性、シールド特性、前記第１のセンサ装置および前記第２のセンサ装置の磁気抵抗素子間の間隔、並びに／または積層特性のうちの１つ以上の点で互いに異なり、
   前記電流センサは、
   前記第１の磁界信号および前記第２の磁界信号に応答して、前記第１の磁界信号と前記第２の磁界信号との合成を示す出力信号を生成するように構成された回路を備え、前記出力信号が前記導体を流れる前記電流に対応するものであり、
   前記回路は、
   前記第２の磁界信号を使用して飽和係数を生成するための飽和モジュールであって、前記飽和係数が、前記第２の磁界信号の値に応じて０から１の範囲内で連続的に変化しうる値を有する、飽和モジュールと、
   前記第１の磁界信号に前記飽和係数を適用して第１の電流範囲信号を生成するための第１のユニットと、
   前記第２の磁界信号に前記飽和係数の補数である係数を適用して第２の電流範囲信号を生成するための第２のユニットと、
   前記第１の電流範囲信号と前記第２の電流範囲信号とを合成して前記導体を流れる前記電流に対応する前記出力信号を生成するための第３のユニットと
   を含む、電流センサ。
2. 前記第１のセンサ装置が、第１のブリッジに配置された第１の複数の磁気抵抗素子を含み、前記第２のセンサ装置が、第２のブリッジに配置された第２の複数の磁気抵抗素子を含む、請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記第１のブリッジにおける前記第１の複数の磁気抵抗素子間の間隔が、前記第２のブリッジにおける前記第２の複数の磁気抵抗素子間の間隔とは異なる、請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記導体がエッジを有し、前記第１のブリッジにおける前記第１の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから実質的に等距離にあり、前記第２のブリッジにおける前記第２の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから実質的に等距離にある、請求項２に記載の電流センサ。
5. 前記導体がエッジを有し、前記第１のブリッジにおける前記第１の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから第１の距離に配置され、前記第２のブリッジにおける前記第２の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから第２の距離に配置され、前記第２の距離が前記第１の距離よりも大きい、請求項４に記載の電流センサ。
6. 前記第１のセンサ装置および前記第２のセンサ装置のうちの少なくとも一方が、軟磁性材料で作られたシールド層をさらに含み、前記第１のセンサ装置および前記第２のセンサ装置のうちの前記少なくとも一方に感じられる磁界が、前記シールド層により生ずる要因によって低減されるようにする、請求項１に記載の電流センサ。
7. 前記第１のセンサ装置と前記第２のセンサ装置とが、形状異方性特性の点で互いに異なり、前記第１のセンサ装置の少なくとも１つの磁気抵抗素子が第１の幅を有し、前記第２のセンサ装置の少なくとも１つの磁気抵抗素子が前記第１の幅とは異なる第２の幅を有する、請求項１に記載の電流センサ。
8. 感知された前記第１の電流範囲が、感知された前記第２の電流範囲よりも小さく、前記第１の幅が前記第２の幅よりも大きい、請求項７に記載の電流センサ。
9. 前記第１のセンサ装置が第１の飽和閾値を有し、前記第２のセンサ装置が第２の飽和閾値を有する、請求項１に記載の電流センサ。
10. 前記飽和係数は、低電流範囲が測定されるときに前記第１の磁界信号を打ち消すように選択された値を有し、
    前記飽和係数の補数は、前記飽和係数の値を１から減算して得られる値を有する、請求項１に記載の電流センサ。
11. 前記１つ以上の磁気抵抗素子が、巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）素子、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）素子、トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）素子、および磁気トンネル接合（ＭＴＪ）素子のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の電流センサ。
12. 導体を流れる電流によって生成された磁界を感知する方法であって、
    ２つ以上の磁気抵抗素子を含む第１のセンサ装置が、前記導体を流れる第１の電流範囲に対応する第１の測定範囲で磁界を感知するとともに、前記第１の測定範囲で感知された磁界を示す第１の磁界信号を生成するステップと、
    ２つ以上の磁気抵抗素子を含む第２のセンサ装置が、前記導体を流れる第２の電流範囲に対応する第２の測定範囲で前記磁界を感知するとともに、前記第２の測定範囲で感知された磁界を示す第２の磁界信号を生成するステップと
    を備え、
    前記第１のセンサ装置と前記第２のセンサ装置とが、形状異方性特性、シールド特性、前記第１のセンサ装置および前記第２のセンサ装置の磁気抵抗素子間の間隔、および積層特性のうちの１つ以上の点で互いに異なり、
    前記方法は、
    前記第２の磁界信号を使用して飽和係数を生成するステップであって、前記飽和係数が、前記第２の磁界信号の値に応じて０から１の範囲内で連続的に変化しうる値を有する、ステップと、
    前記第１の磁界信号に前記飽和係数を適用して第１の電流範囲信号を生成するステップと、
    前記第２の磁界信号に前記飽和係数の補数である係数を適用して第２の電流範囲信号を生成するステップと、
    前記第１の電流範囲信号と前記第２の電流範囲信号とを合成して前記導体を流れる前記電流に対応する出力信号を生成するステップと
    をさらに備える、方法。
13. 前記飽和係数は、低電流範囲が測定されるときに前記第１の磁界信号を打ち消すように選択された値を有し、
    前記飽和係数の補数は、前記飽和係数の値を１から減算して得られる値を有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１のセンサ装置が、第１のブリッジに配置された第１の複数の磁気抵抗素子を含み、前記第２のセンサ装置が、第２のブリッジに配置された第２の複数の磁気抵抗素子を含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記第１の複数の磁気抵抗素子間の間隔が、前記第２の複数の磁気抵抗素子間の間隔とは異なる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記導体がエッジを有し、前記第１のブリッジにおける前記第１の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから実質的に等距離にあり、前記第２のブリッジにおける前記第２の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから実質的に等距離にある、請求項１４に記載の方法。
17. 前記導体がエッジを有し、前記第１のブリッジにおける前記第１の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから第１の距離に配置され、前記第２のブリッジにおける前記第２の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから第２の距離に配置され、前記第２の距離が前記第１の距離よりも大きい、請求項１４に記載の方法。
18. 前記第１のセンサ装置と前記第２のセンサ装置とがシールド層により生ずる感度の点で互いに異なるように、前記第１のセンサ装置および前記第２のセンサ装置のうちの少なくとも一方に軟磁性材料の前記シールド層を形成するステップをさらに備え、
    前記シールド層が軟磁性材料を含み、前記第１のセンサ装置または前記第２のセンサ装置に感じられる磁界が前記シールド層により生ずる要因によって低減されるようにする、請求項１２に記載の方法。
19. 前記第１のセンサ装置と前記第２のセンサ装置とが、形状異方性特性の点で互いに異なり、前記第１のセンサ装置の少なくとも１つの磁気抵抗素子が第１の幅を有し、前記第２のセンサ装置の少なくとも１つの磁気抵抗素子が前記第１の幅とは異なる第２の幅を有する、請求項１２に記載の方法。
20. 感知された前記第１の電流範囲が、感知された前記第２の電流範囲よりも小さく、前記第１の幅が前記第２の幅よりも大きい、請求項１９に記載の方法。
21. 導体を流れる電流によって生成された磁界を感知する電流センサであって、
    前記導体を流れる第１の電流範囲に対応する第１の測定範囲で磁界を感知するように構成されるとともに、前記第１の測定範囲で感知された磁界を示す第１の磁界信号を生成するように構成された、２つ以上の磁気抵抗素子を含む第１の感知手段と、
    前記導体を流れる第２の電流範囲に対応する第２の測定範囲で前記磁界を感知するように構成されるとともに、前記第２の測定範囲で感知された磁界を示す第２の磁界信号を生成するように構成された、２つ以上の磁気抵抗素子を含む第２の感知手段と
    を備え、
    前記第１の感知手段と前記第２の感知手段とが、形状異方性特性、シールド特性、前記第１の感知手段および前記第２の感知手段の磁気抵抗素子間の間隔、または積層特性のうちの１つ以上の点で互いに異なり、
    前記電流センサは、前記第１の磁界信号および前記第２の磁界信号に応答して、出力信号を生成する手段を備え、前記出力信号が前記第１の磁界信号と前記第２の磁界信号との合成を示し、かつ前記出力信号が前記導体で伝達される前記電流に対応するものであり、
    前記出力信号を生成する当該手段は、
    前記第２の磁界信号を使用して飽和係数を生成する手段であって、前記飽和係数が、前記第２の磁界信号の値に応じて０から１の範囲内で連続的に変化しうる値を有する、手段と、
    前記第１の磁界信号に前記飽和係数を適用して第１の電流範囲信号を生成する手段と、
    前記第２の磁界信号に前記飽和係数の補数である係数を適用して第２の電流範囲信号を生成する手段と、
    前記第１の電流範囲信号と前記第２の電流範囲信号とを合成して前記導体を流れる前記電流に対応する前記出力信号を生成する手段と
    を含む、電流センサ。
22. 前記第１の感知手段が、第１のブリッジに配置された第１の複数の磁気抵抗素子を含み、前記第２の感知手段が、第２のブリッジに配置された第２の複数の磁気抵抗素子を含む、請求項２１に記載の電流センサ。
23. 前記第１の複数の磁気抵抗素子間の間隔が、前記第２の複数の磁気抵抗素子間の間隔とは異なる、請求項２２に記載の電流センサ。
24. 前記導体がエッジを有し、前記第１のブリッジにおける前記第１の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから実質的に等距離にあり、前記第２のブリッジにおける前記第２の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから実質的に等距離にある、請求項２３に記載の電流センサ。
25. 前記導体がエッジを有し、前記第１のブリッジにおける前記第１の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから第１の距離に配置され、前記第２のブリッジにおける前記第２の複数の磁気抵抗素子の各々が、前記エッジから第２の距離に配置され、前記第２の距離が前記第１の距離よりも大きい、請求項２４に記載の電流センサ。
26. 前記第１の感知手段および前記第２の感知手段のうちの少なくとも一方が、軟磁性材料のシールド層を含み、前記第１の感知手段および前記第２の感知手段のうちの前記少なくとも一方に感じられる磁界が、前記シールド層により生ずる要因によって低減されるようにする、請求項２１に記載の電流センサ。
27. 前記第１の感知手段と前記第２の感知手段とが、形状異方性特性の点で互いに異なり、前記第１の感知手段の少なくとも１つの磁気抵抗素子が第１の幅を有し、前記第２の感知手段の少なくとも１つの磁気抵抗素子が前記第１の幅とは異なる第２の幅を有する、請求項２１に記載の電流センサ。
28. 感知された前記第１の電流範囲が、感知された前記第２の電流範囲よりも小さく、前記第１の幅が前記第２の幅よりも大きい、請求項２７に記載の電流センサ。
29. 前記飽和係数は、低電流範囲が測定されるときに前記第１の磁界信号を打ち消すように選択された値を有し、
    前記飽和係数の補数は、前記飽和係数の値を１から減算して得られる値を有する、請求項２１に記載の電流センサ。

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