JPWO2011111493A1

JPWO2011111493A1 - 電流センサ

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Publication number: JPWO2011111493A1
Application number: JP2012504384A
Authority: JP
Inventors: 健司一戸; 斎藤　正路; 正路斎藤; 高橋　彰; 高橋　　彰; 井出　洋介; 洋介井出
Original assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Current assignee: Alps Green Devices Co Ltd
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2013-06-27
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Also published as: JP6130775B2; US8760158B2; JP2014081384A; JP5594915B2; US20110221436A1; US8487612B2; US20130278251A1; WO2011111493A1

Abstract

被測定電流により発生する誘導磁界に対して中点電位差の出力が比例変化を示し、高精度で電流測定を行うことができる電流センサを提供すること。本発明の電流センサは、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４つの磁気抵抗効果素子で構成され、２つの磁気抵抗効果素子間の出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有し、４つの磁気抵抗効果素子は、抵抗変化率が同じであり、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、前記出力を与える２つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が互いに１８０°異なる方向であり、磁気検出ブリッジ回路は、電源供給点に対して対称である配線を有することを特徴とする。

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子）を用いた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（特許文献１）。

磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子とで磁気検出ブリッジ回路（磁界検出ブリッジ回路）を構成した電流センサとしては、例えば、図１６及び図１７に示す磁気平衡式電流センサがある。磁気平衡式電流センサは、磁気検出ブリッジ回路２で得られる電圧差によりフィードバックコイルに通電して、導体１を通電する被測定電流Ｉにより発生する誘導磁界とフィードバックコイルにより発生する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に流れる電流に基づいて被測定電流を測定するものである。

図１６に示す電流センサの磁気検出ブリッジ回路２は、１つの磁気抵抗効果素子２０１と、３つの固定抵抗素子２０２ａ〜２０２ｃとで構成されている。この磁気検出ブリッジ回路２において、ゼロ磁場での磁気抵抗効果素子２０１の抵抗値と、固定抵抗素子２０２ａ〜２０２ｃの抵抗値とは同じである（Ｒ_ｃｏｍ）。また、固定抵抗素子２０２ｂ，２０２ｃ間の出力をＯｕｔ１とし、磁気抵抗効果素子２０１と固定抵抗素子２０２ａとの間の出力をＯｕｔ２とする。また、固定抵抗素子２０２ｂの抵抗値をＲ１とし、固定抵抗素子２０２ａの抵抗値をＲ２とし、固定抵抗素子２０２ｃの抵抗値をＲ３とし、磁気抵抗効果素子２０１の抵抗値をＲ４とする。

ここで、被測定電流Ｉにより発生する誘導磁界による磁気抵抗効果素子２１の抵抗変化量をΔＲとしたときに、ブリッジ中点電位差（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）を求めると、次のようになる。
Ｖｄｄ−Ｇｎｄ１間抵抗＝Ｒ１＋Ｒ３＝２×Ｒ_ｃｏｍ
Ｖｄｄ−Ｇｎｄ２間抵抗＝Ｒ２＋（Ｒ４−ΔＲ）＝２×Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ
Ｏｕｔ１電位＝（Ｒ_ｃｏｍ）／（２×Ｒ_ｃｏｍ）×Ｖｄｄ
Ｏｕｔ２電位＝（Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ）／（２×Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ）×Ｖｄｄ
Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２電位差＝ΔＲ／｛２×（２×Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ）｝×Ｖｄｄ

図１７に示す電流センサの磁気検出ブリッジ回路２は、２つの磁気抵抗効果素子２０１ａ，２０１ｂと、２つの固定抵抗素子２０２ａ，２０２ｂとで構成されている。この磁気検出ブリッジ回路２において、ゼロ磁場での磁気抵抗効果素子２０１ａ，２０１ｂの抵抗値と、固定抵抗素子２０２ａ，２０１ｂの抵抗値とは同じである（Ｒ_ｃｏｍ）。また、磁気抵抗効果素子２０１ａ，２０１ｂの抵抗変化率は同じである。また、磁気抵抗効果素子２０１ｂと固定抵抗素子２０２ｂとの間の出力をＯｕｔ１とし、磁気抵抗効果素子２０１ａと固定抵抗素子２０２ａとの間の出力をＯｕｔ２とする。また、磁気抵抗効果素子２０１ｂの抵抗値をＲ１とし、固定抵抗素子２０２ａの抵抗値をＲ２とし、固定抵抗素子２０２ｂの抵抗値をＲ３とし、磁気抵抗効果素子２０１ａの抵抗値をＲ４とする。

ここで、被測定電流Ｉにより発生する誘導磁界による磁気抵抗効果素子２０１ａ，２０１ｂの抵抗変化量をΔＲとしたときに、ブリッジ中点電位差（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）を求めると、次のようになる。
Ｖｄｄ−Ｇｎｄ１間抵抗＝（Ｒ１−ΔＲ）＋Ｒ３＝２×Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ
Ｖｄｄ−Ｇｎｄ２間抵抗＝Ｒ２＋（Ｒ４−ΔＲ）＝２×Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ
Ｏｕｔ１電位＝（Ｒ_ｃｏｍ）／（２×Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ）×Ｖｄｄ
Ｏｕｔ２電位＝（Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ）／（２×Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ）×Ｖｄｄ
Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２電位差＝ΔＲ／（２×Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ）×Ｖｄｄ

特開２００７−２４８０５４号公報

しかしながら、図１６及び図１７に示す磁気検出ブリッジ回路の構成においては、ブリッジ中点電位差の式の分母にΔＲの項を含んでいる。このため、被測定電流Ｉにより発生する誘導磁界に対して中点電位差の出力が完全な比例変化を示さず、測定精度が低下するという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、被測定電流により発生する誘導磁界に対して中点電位差の出力が比例変化を示し、高精度で電流測定を行うことができる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、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４つの磁気抵抗効果素子で構成され、２つの磁気抵抗効果素子間の出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する電流センサであって、前記４つの磁気抵抗効果素子は、抵抗変化率が同じであり、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、前記出力を与える２つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が互いに１８０°異なる方向であり、前記磁気検出ブリッジ回路は、電源供給点に対して対称である配線を有することを特徴とする。

この構成によれば、磁気検出ブリッジ回路において中点電位を出力する２つの磁気抵抗効果素子のセルフピン止め型の強磁性固定層の磁化方向が互いに１８０°異なる方向であるので、被測定電流により発生する誘導磁界に対して中点電位差の出力が比例変化を示し、高精度で電流測定を行うことができる。また、この構成によれば、磁気検出ブリッジ回路における配線が電源供給点に対して対称であるので、磁気検出ブリッジ回路内で配線抵抗の差がなく、より高精度に電流測定を行うことができる。

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、をさらに具備し、前記磁気検出ブリッジ回路で得られる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が好ましい。

本発明の電流センサにおいては、前記４つの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。

本発明の電流センサは、前記磁界検出ブリッジ回路により、前記誘導磁界に比例した前記４つの磁気抵抗効果素子の出力により前記被測定電流を測定することが好ましい。

本発明の電流センサは、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。

本発明の電流センサは、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。

本発明によれば、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４つの磁気抵抗効果素子で構成され、２つの磁気抵抗効果素子間の出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する電流センサであって、前記４つの磁気抵抗効果素子は、抵抗変化率が同じであり、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、前記出力を与える２つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が互いに１８０°異なる方向であり、前記磁気検出ブリッジ回路は、電源供給点に対して対称である配線を有するので、被測定電流により発生する誘導磁界に対して中点電位差の出力が比例変化を示し、さらに、磁気検出ブリッジ回路内で配線抵抗の差がなく、高精度に電流測定を行うことができる。

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。図１に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図である。本発明の実施の形態に係る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。（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路の配線パターンを説明するための図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線に沿う断面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路の配線パターンを説明するための図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＶＩＢ−ＶＩＢ線に沿う断面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路の配線パターンを説明するための図であり、（ｂ）は、（ａ）におけるＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に沿う断面図である。中点電位差と被測定電流による誘導磁界との間の関係を示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気比例式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路の配線パターンを説明するための図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る電流センサにおける磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る電流センサにおける磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。本発明の実施の形態に係る磁気比例式電流センサを示す図である。本発明の実施の形態に係る磁気比例式電流センサを示す図である。図１２に示す磁気比例式電流センサを示す断面図である。本発明の実施の形態に係る磁気比例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。従来の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。従来の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。

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。まず、本発明に係る電流センサが磁気平衡式電流センサである場合について説明する。

図１及び図２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、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１２２ａ〜１２２ｄ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、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ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１２２ａ〜１２２ｄ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。

磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ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１２２ａ〜１２２ｄ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１２２ａ〜１２２ｄに印加される誘導磁界を減衰させる（磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ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３０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、この磁気平衡式電流センサは、磁気検出ブリッジ回路が膜構成の同じ４つの磁気抵抗効果素子で構成されている。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１０（ａ）に示すものである。すなわち、磁気抵抗効果素子は、図１０（ａ）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１０（ａ）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、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ａ，４８ａ、及び保護層４９ａを含む。

シード層４２ａは、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層４９ａ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（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。

また、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）が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ｔ_１とし、第２の強磁性膜の膜厚をｔ_２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・ｔ_１＋Ｋ・ｔ_２）／（Ｍｓ・ｔ_１−Ｍｓ・ｔ_２）
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、略同じである。これにより、高温環境においても両膜４３ａ，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、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、両膜４３ａ，４５ａ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４４ａは、Ｒｕなどにより構成される。また、軟磁性自由層（フリー層）４７ａ，４８ａ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、軟磁性自由層４７ａ，４８ａ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４７ａ，４８ａ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）／Ｆｅ_７０Ｃｏ_３０（第１の強磁性膜：１．６５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（第２の強磁性膜：２ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ_９０Ｆｅ_１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層：５ｎｍ）である。

本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、図４に示すように、中点電位（Ｏｕｔ１）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２２ｂ，１２２ｄの強磁性固定層の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向：Ｐｉｎ２）が互いに１８０°異なっており（反平行）、中点電位（Ｏｕｔ２）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｃの強磁性固定層の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向：Ｐｉｎ２）が互いに１８０°異なっている（反平行）。また、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗変化率は同じである。磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、強磁性固定層に対する印加磁界の角度が同一である場合、同一磁界強度で同一の抵抗変化率を示すことが好ましい。

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。このとき、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄのうち、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂは磁気抵抗効果素子として機能し、磁気抵抗効果素子１２２ｃ，１２２ｄは固定抵抗素子として機能する。

図４に示すように、矢印方向に被測定電流Ｉが流れると、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄには、それぞれ誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂが印加される。このとき、被測定電流により発生する誘導磁界とキャンセル磁界の合成磁界強度がゼロとなる時に、磁気検出ブリッジ回路の中点電位差がゼロとなる。

このような磁気検出ブリッジ回路において、ゼロ磁場での磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗値は同じである（Ｒ_ｃｏｍ）。また、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗変化率は同じである。また、磁気抵抗効果素子１２２ｂ，１２２ｄ間の出力をＯｕｔ１とし、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｃ間の出力をＯｕｔ２とする。また、磁気抵抗効果素子１２２ｂの抵抗値をＲ１とし、磁気抵抗効果素子１２２ｃの抵抗値をＲ２とし、磁気抵抗効果素子１２２ｄの抵抗値をＲ３とし、磁気抵抗効果素子１２２ａの抵抗値をＲ４とする。

ここで、被測定電流Ｉにより発生する誘導磁界による磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗変化量をΔＲとしたときに、ブリッジ中点電位差（Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２）を求めると、次のようになる。
Ｖｄｄ−Ｇｎｄ１間抵抗＝（Ｒ１−ΔＲ）＋（Ｒ３＋ΔＲ）＝Ｒ１＋Ｒ３＝２×Ｒ_ｃｏｍ
Ｖｄｄ−Ｇｎｄ２間抵抗＝（Ｒ２＋ΔＲ）＋（Ｒ４−ΔＲ）＝Ｒ２＋Ｒ４＝２×Ｒ_ｃｏｍ
Ｏｕｔ１電位＝（Ｒ３＋ΔＲ）／（Ｒ１＋Ｒ３）×Ｖｄｄ
＝（Ｒ_ｃｏｍ＋ΔＲ）／（２×Ｒ_ｃｏｍ）×Ｖｄｄ
Ｏｕｔ２電位＝（Ｒ４−ΔＲ）／（Ｒ２＋Ｒ４）×Ｖｄｄ
＝（Ｒ_ｃｏｍ−ΔＲ）／（２×Ｒ_ｃｏｍ）×Ｖｄｄ
Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２電位差＝（２×ΔＲ）／（２×Ｒ_ｃｏｍ）×Ｖｄｄ
＝ΔＲ／Ｒ_ｃｏｍ×Ｖｄｄ

上記のように、本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、ブリッジ中点電位差の式の分母にΔＲの項を含んでいない。このため、被測定電流Ｉにより発生する誘導磁界に対して中点電位差の出力が比例変化を示す。その結果、高精度で電流測定を行うことができる。

図５（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路の配線パターンを説明するための図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）におけるＶＢ−ＶＢ線に沿う断面図である。本発明に係る磁気平衡式電流センサの磁気検出ブリッジ回路は、図５（ａ）に示すように、電源供給点に対して対称である配線を有する。図５（ａ）に示すように、フィードバックコイル１２１のコイルパターンの延在方向（フィードバック電流の通電方向）とミアンダのストライプ長手方向とが沿うように、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが形成されている。ここでは、図５（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子上にフィードバックコイルが配設されている。

また、この磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを接続するとともに、電源供給点（Ｖｄｄ）やＧｎｄに接続する配線パターン６０が形成されている。この配線パターン６０は、電源供給点に対して対称である。これにより、電源供給点の両側で配線の長さがほぼ同じとなるので、電源供給点の両側で配線抵抗の差がなくなる。その結果、配線抵抗の差による中点電位のずれがなくなり、より高精度に電流測定を行うことができる。

図６（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路の配線パターンを説明するための図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）におけるＶＩＢ−ＶＩＢ線に沿う断面図である。本発明に係る磁気平衡式電流センサの磁気検出ブリッジ回路は、図６（ａ）に示すように、電源供給点に対して対称である配線を有する。図６（ａ）に示すように、フィードバックコイル１２１のスパイラルパターン６１の延在方向（フィードバック電流の通電方向）とミアンダのストライプ長手方向とが沿うように、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが形成されている。ここでは、図６（ｂ）に示すように、磁気抵抗効果素子上にフィードバックコイル１２１のスパイラルパターン６１が配設されている。

この磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを接続するとともに、電源供給点（Ｖｄｄ）やＧｎｄに接続する配線パターン６０が形成されている。この配線パターン６０は、電源供給点に対して対称である。これにより、電源供給点の両側で配線の長さがほぼ同じとなるので、電源供給点の両側で配線抵抗の差がなくなる。その結果、配線抵抗の差による中点電位のずれがなくなり、より高精度に電流測定を行うことができる。さらに、このスパイラルパターン６１を用いることにより、フィードバックコイル１２１における磁気抵抗効果素子を設けない領域を省略することができるので、フィードバックコイルの面積を少なくすることができる。

図７（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路の配線パターンを説明するための図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）におけるＶＩＩＢ−ＶＩＩＢ線に沿う断面図である。本発明に係る磁気平衡式電流センサの磁気検出ブリッジ回路は、図７（ａ）に示すように、電源供給点に対して対称である配線を有する。図７（ａ）に示すように、フィードバックコイル１２１の延在方向（フィードバック電流の通電方向）とミアンダのストライプ長手方向とが沿うように、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄが形成されている。ここでは、図７（ｂ）に示すように、２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｄ上にフィードバックコイル１２１が配設され、２つの磁気抵抗効果素子１２２ｂ，１２２ｃ下にフィードバックコイル１２１が配設されている。

この磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを接続するとともに、電源供給点（Ｖｄｄ）やＧｎｄに接続する配線パターン６０が形成されている。この配線パターン６０は、電源供給点に対して対称である。これにより、電源供給点の両側で配線の長さがほぼ同じとなるので、電源供給点の両側で配線抵抗の差がなくなる。その結果、配線抵抗の差による中点電位のずれがなくなり、より高精度に電流測定を行うことができる。さらに、図７に示すコイルパターンを用いることにより、４つの磁気抵抗効果素子を並設させずに、２つの磁気抵抗効果素子を並設して、２つのフィードバックコイル１２１の延在領域に設けることができるので、磁気検出ブリッジ回路の幅方向（フィードバック電流の通電方向）の長さを短くすることができる。

４つの磁気抵抗効果素子を用いた磁気平衡式電流センサは、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でも作製することができる。この場合、２つの磁気抵抗効果素子のうち１つの磁気抵抗効果素子の固定磁性層（Ｐｉｎ層）の交換結合方向を他の磁気抵抗効果素子の固定磁性層の交換結合方向と反平行方向にするために、レーザ局所アニールを適用するか、あるいは、磁気抵抗効果素子に隣接して磁界印加用コイルを設置する必要がある。このような方法は、磁気抵抗効果素子がチップ最表面付近にあるセンサやデバイスを作製する場合には適用することができるが、本発明の磁気平衡式電流センサのように、磁気抵抗効果素子上に厚い有機絶縁膜、厚いフィードバックコイル、厚い磁気シールド膜を設置したデバイスの作製には適用することはできない。このため、本発明に係る磁気平衡式電流センサにおいては、本発明の構成が特に有用である。

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、反強磁性膜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、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。

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。図４に示す磁気検出ブリッジ回路を有する磁気平衡式電流センサ（本発明）について、被測定電流による誘導磁界（被測定電流磁界）と磁気検出ブリッジ回路の中点電位差との間の関係を調べた。その結果を図８に示す。また、図１６に示す磁気検出ブリッジ回路を有する磁気平衡式電流センサ（従来（ＧＭＲ×１））と、図１７に示す磁気検出ブリッジ回路を有する磁気平衡式電流センサ（従来（ＧＭＲ×２））とについても同様に被測定電流による誘導磁界（被測定電流磁界）と磁気検出ブリッジ回路の中点電位差との間の関係を調べた。その結果を図８に併記する。

図８から分かるように、本発明の磁気平衡式電流センサ（本発明）は、被測定電流による誘導磁界に対して中点電位差が直線状に変化しており、高精度に電流測定を行うことができる。特に、４つの磁気抵抗効果素子を用いているので、高感度の電流センサを実現することができる。一方、従来の磁気平衡式電流センサ（従来（ＧＭＲ×１）、従来（ＧＭＲ×２））は、被測定電流による誘導磁界に対して中点電位差が曲線状に変化しており、高精度に電流測定を行うことができない。

本発明は、磁気平衡式電流センサだけでなく、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同様に適用することができる。この磁気比例式電流センサは、図９に示すように、図５（ａ）に示す構成からフィードバックコイルを除いた構成を有する。また、磁気比例式電流センサの磁気検出ブリッジ回路は、図９に示すように、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを有し、図５〜図７に示す構成と同様に、電源供給点に対して対称である配線を有する。また、中点電位（Ｏｕｔ１）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２２ｂ，１２２ｄの強磁性固定層の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向：Ｐｉｎ２）が互いに１８０°異なっており（反平行）、中点電位（Ｏｕｔ２）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｃの強磁性固定層の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向：Ｐｉｎ２）が互いに１８０°異なっている（反平行）。また、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗変化率は同じである。

以下、本発明に係る電流センサが磁気比例式電流センサである場合についてより詳細に説明する。

図１２及び図１３は、本発明の実施の形態に係る磁気比例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１２及び図１３に示す磁気比例式電流センサは、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。この磁気比例式電流センサは、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界を検出する磁界検出ブリッジ回路（磁気検出ブリッジ回路）１３を有する。磁界検出ブリッジ回路１３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４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを有する。

この磁界検出ブリッジ回路１３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１３に示す磁界検出ブリッジ回路１３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１３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。これら二つの出力の電圧差から、磁気比例式電流センサは被測定電流Ｉを算出する。

図１４は、図１２に示す磁気比例式電流センサを示す断面図である。図１４に示すように、本実施の形態に係る磁気比例式電流センサにおいては、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１４に示す構成においては、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、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。このため、広い範囲の電流測定が可能になる。

図１４に示す層構成について詳細に説明する。図１４に示す磁気比例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、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄ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１２２ａ〜１２２ｄ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。本発明に係る磁気比例式電流センサにおいて用いられる磁気抵抗効果素子の膜構成は、例えば、図１０に示すものである。詳細は前述の通りであるから、ここでは省略する。

磁気抵抗効果素子としては、図１３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に対して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。

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、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。なお、シリコン酸化膜２７およびポリイミド層２９は、適宜省略しても良い。

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。なお、磁気シールド３０は、適宜省略しても良い。

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（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２６が形成されている。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比例式電流センサにおいては、図１４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、その抵抗変化に応じた電圧が出力される。

本発明の磁気比例式電流センサにおいては、図１４に示すように磁気シールド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ことができる。したがって、誘導磁界Ａが大きい場合でも電流測定が可能である。つまり、広い範囲の電流測定が可能である。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比例式電流センサは、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、高感度の磁気比例式電流センサを実現することができる。また、この磁気比例式電流センサは、磁気検出ブリッジ回路が膜構成の同じ４つの磁気抵抗効果素子で構成されている。また、上記構成を有する磁気比例式電流センサは、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、この磁気比例式電流センサは、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。

本発明の磁気比例式電流センサにおいては、図１５に示すように、中点電位（Ｏｕｔ１）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２２ｂ，１２２ｄの強磁性固定層の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向：Ｐｉｎ２）が互いに１８０°異なっており（反平行）、中点電位（Ｏｕｔ２）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｃの強磁性固定層の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向：Ｐｉｎ２）が互いに１８０°異なっている（反平行）。また、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗変化率は同じである。磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄは、強磁性固定層に対する印加磁界の角度が同一である場合、同一磁界強度で同一の抵抗変化率を示すことが好ましい。

このように配置された４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを有する磁気比例式電流センサにおいて、磁界検出ブリッジ回路１３の２つの出力（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）の電圧差から、被測定電流を算出する。

図１５に示すように、矢印方向に被測定電流が流れると、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄには、それぞれ誘導磁界Ａが印加される。このような磁界検出ブリッジ回路１３において、ゼロ磁場での磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗値は同じである（Ｒ_ｃｏｍ）。また、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの抵抗変化率は同じである。また、磁気抵抗効果素子１２２ｂ，１２２ｄ間の出力をＯｕｔ１とし、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｃ間の出力をＯｕｔ２とする。また、磁気抵抗効果素子１２２ｂの抵抗値をＲ１とし、磁気抵抗効果素子１２２ｃの抵抗値をＲ２とし、磁気抵抗効果素子１２２ｄの抵抗値をＲ３とし、磁気抵抗効果素子１２２ａの抵抗値をＲ４とする。

上記のように、磁気検出ブリッジ回路を有する磁気比例式電流センサにおいても、Ｏｕｔ１−Ｏｕｔ２電位差を求める式に、ブリッジ中点電位差の式の分母にΔＲの項を含んでいない。このため、被測定電流Ｉにより発生する誘導磁界に対して中点電位差の出力が比例変化を示す。その結果、高精度で電流測定を行うことができる。また、電源供給点に対して対称である配線を有するので、電源供給点の両側で配線抵抗の差がなくなる。その結果、配線抵抗の差による中点電位のずれがなくなり、より高精度に電流測定を行うことができる。本発明は、磁気比例式電流センサにおいて特に有用である。

図１０（ａ）〜（ｃ）及び図１１（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態に係る電流センサにおける磁気抵抗効果素子の製造方法を説明するための図である。まず、図１０（ａ）に示すように、基板４１上に、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、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ａ，４８ａ、及び保護層４９ａを順次形成する。第１の強磁性膜４３ａ及び第２の強磁性膜４５ａの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図１０において、第１の強磁性膜４３ａについては、印加磁場方向は紙面奥側から手前側に向かう方向であり、第２の強磁性膜４５ａについては、印加磁場方向は紙面手前側から奥側に向かう方向である。また、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ａ，４８ａの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。

次いで、図１０（ｂ）に示すように、保護層４９ａ上にレジスト層５０を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子１２２ａ側の領域上にレジスト層５０を残存させる。次いで、図１０（ｃ）に示すように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子１２２ｂを設ける領域の基板４１を露出させる。

次いで、図１１（ａ）に示すように、露出した基板４１上に、シード層４２ｂ、第１の強磁性膜４３ｂ、反平行結合膜４４ｂ、第２の強磁性膜４５ｂ、非磁性中間層４６ｂ、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ｂ，４８ｂ、及び保護層４９ｂを順次形成する。第１の強磁性膜４３ｂ及び第２の強磁性膜４５ｂの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図１１において、第１の強磁性膜４３ｂについては、印加磁場方向は紙面手前側から奥側に向かう方向であり、第２の強磁性膜４５ｂについては、印加磁場方向は紙面奥側から手前側に向かう方向である。また、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７ｂ，４８ｂの成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。

次いで、図１１（ｂ）に示すように、保護層４９ａ，４９ｂ上にレジスト層５０を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄの形成領域上にレジスト層５０を残存させる。次いで、図１１（ｃ）に示すように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｄを形成する。

このように、本発明の電流センサによれば、磁気検出ブリッジ回路において中点電位を出力する２つの磁気抵抗効果素子のセルフピン止め型の強磁性固定層の磁化方向が互いに１８０°異なる方向であるので、被測定電流により発生する誘導磁界に対して中点電位差の出力が比例変化を示し、さらに、磁気検出ブリッジ回路内で配線抵抗の差がなく、高精度に電流測定を行うことができる。

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２０１０−０５６１５４に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims

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４つの磁気抵抗効果素子で構成され、２つの磁気抵抗効果素子間の出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有する電流センサであって、前記４つの磁気抵抗効果素子は、抵抗変化率が同じであり、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、前記出力を与える２つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が互いに１８０°異なる方向であり、前記磁気検出ブリッジ回路は、電源供給点に対して対称である配線を有することを特徴とする電流センサ。
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、をさらに具備し、前記磁気検出ブリッジ回路で得られる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請求項１記載の電流センサ。
前記４つの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２記載の電流センサ。
前記磁界検出ブリッジ回路により、前記誘導磁界に比例した前記４つの磁気抵抗効果素子の出力により前記被測定電流を測定することを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
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から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。
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１から請求項５のいずれかに記載の電流センサ。