JPWO2012090631A1 - 磁気比例式電流センサ - Google Patents

Abstract

素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）や抵抗温度係数（ＴＣＲ０）のズレを無くし、高精度に電流測定を行うこと。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（１２２ａ〜１２２ｃ，１２３）で構成された磁界検出ブリッジ回路（１３）を有し、４つの磁気抵抗効果素子（１２２ａ〜１２２ｃ，１２３）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強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、第１の強磁性膜及び第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り、３つの磁気抵抗効果素子（１２２ａ〜１２２ｃ）の強磁性固定層の磁化方向が同じであり、１つの磁気抵抗効果素子（１２３）の強磁性固定層の磁化方向が３つの磁気抵抗効果素子（１２２ａ〜１２２ｃ）の強磁性固定層の磁化方向と１８０°異なる方向である。

Description

本発明は、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子）を用いた磁気比例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。このような磁気抵抗効果素子を用いる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）。

特開２００７−２４８０５４号公報

しかしながら、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する場合、磁気抵抗効果素子の膜構成と、固定抵抗素子の膜構成が異なるために、ゼロ磁場抵抗値（Ｒ_０）や、ゼロ磁場での抵抗温度係数（ＴＣＲ_０）が磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子との間で異なってしまう。このため、温度変化により、ブリッジ回路の出力である中点電位が変動してしまい、出力に誤差が生じてしまい、高精度に電流測定を行うことができないという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ_０）や抵抗温度係数（ＴＣＲ（Temperature Coefficient Resistivity）_０）のズレを無くし、高精度に電流測定を行うことができる磁気比例式電流センサを提供することを目的とする。

本発明の磁気比例式電流センサは、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、前記誘導磁界に略比例する電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、前記誘導磁界を減衰させる磁気シールドと、を具備し、前記磁界検出ブリッジ回路の電圧差を用いて前記被測定電流の電流値を算出する磁気比例式電流センサであって、前記４つの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り、前記４つの磁気抵抗効果素子のうち３つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が同じであり、残り１つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が前記３つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向と１８０°異なる方向であ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ので、素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ_０）や抵抗温度係数（ＴＣＲ_０）のズレを無くすことができる。このため、環境温度によらず中点電位のばらつきを小さくでき、高精度に電流測定を行うことができる。

本発明の磁気比例式電流センサにおいては、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。

本発明の磁気比例式電流センサにおいては、前記磁気シールドが前記磁界検出ブリッジ回路より前記被測定電流に近い側に配置されることが好ましい。

本発明の磁気比例式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。

本発明の磁気比例式電流センサにおいては、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。

本発明の磁気比例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。

本発明の磁気比例式電流センサは、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た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、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強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、第１の強磁性膜及び第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り、４つの磁気抵抗効果素子のうち３つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が同じであり、残り１つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が前記３つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向と１８０°異なる方向であるので、素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ_０）や抵抗温度係数（ＴＣＲ_０）の違いに起因する出力誤差を無くし、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１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。 図２に示す磁気比例式電流センサの電流測定状態を示す図である。 図５に示す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。 図２に示す磁気比例式電流センサの電流測定状態を示す図である。 図７に示す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。 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抵抗効果素子のＲ−Ｈ曲線を示す図である。 （ａ）〜（ｃ）は、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磁気比例式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。

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１及び図２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〜１２２ｃ，１２３を有する。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１３を用いることにより、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。

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略比例する電圧差を生じる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１３においては、磁気抵抗効果素子１２２ａと磁気抵抗効果素子１２２ｂとの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３は、図１に示す磁気比例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比例式電流センサにおいては、磁気シールド３０及び磁界検出ブリッジ回路１３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、磁気シールド３０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３０、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｃ，１２３の順に配置する。これにより、磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｃ，１２３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１２２ａ〜１２２ｃ，１２３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〜１２２ｃ、１２３が形成されており、前述の磁界検出ブリッジ回路１３が作り込まれる。磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｃ，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については後述する。

磁気抵抗効果素子は、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。

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〜１２２ｃ，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、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。

また、ポリイミド層２５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２５及びシリコン酸化膜３１の所定の領域（電極２４が存在する領域）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３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１３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１３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ので、素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ_０）や抵抗温度係数（ＴＣＲ_０）のズレを無くすことができる。このため、環境温度によらず中点電位のばらつきを小さくでき、高精度に電流測定を行うことができる。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１３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つの元素を含む非磁性材料など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層：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。したがって、本発明の磁気比例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・ｔ_１＋Ｋ・ｔ_２）／（Ｍｓ・ｔ_１−Ｍｓ・ｔ_２）

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、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。

本発明の磁気比例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。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９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９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。

本発明の磁気比例式電流センサにおいては、図４に示すように、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｃ，１２３のうち３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）が同じであり、残り１つの磁気抵抗効果素子１２３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３つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｃの強磁性固定層の磁化方向と１８０°異なる方向である。

このように配置された４つの磁気抵抗効果素子を有する磁気比例式電流センサは、磁気検出ブリッジ回路１３の２つの出力（ＯＵＴ１、ＯＵＴ２）の電圧差を検出することにより被測定電流を測定する。ここで、４つの磁気抵抗効果素子のゼロ磁場抵抗値は略同じ（Ｒ_０）である。また、４つの磁気抵抗効果素子の抵抗変化は磁場の強さに略比例し、抵抗変化率も略同じである。

図５に示すように、図５の紙面向かって左側から被測定電流が流れると、図６に示すように、４つの磁気抵抗効果素子１２２ａ〜１２２ｃ，１２３には、誘導磁界Ａが同じ方向に印加される。

２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂ（ＯＵＴ１側）の強磁性固定層の磁化方向は同じであるため、誘導磁界Ａの強さによらず、磁気抵抗効果素子１２２ａの抵抗値と磁気抵抗効果素子１２２ｂの抵抗値とは常に同じ値を示す。したがって、ＯＵＴ１の出力は常に一定（Ｖｄｄ／２）である。このため、磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂは固定抵抗素子と同じ役割を果たす。

一方、２つの磁気抵抗効果素子１２２ｃ，１２３（ＯＵＴ２側）の強磁性固定層の磁化方向は互いに反平行であるため、誘導磁界Ａの強さに応じて磁気抵抗効果素子１２２ｃ，１２３は異なる方向に抵抗変化する。誘導磁界による磁気抵抗効果素子１２２ｃの抵抗変化を−ΔＲとすると、磁気抵抗効果素子１２２ｃの抵抗値はＲ_０−ΔＲであり、磁気抵抗効果素子１２３の抵抗値はＲ_０＋ΔＲである。つまり、磁気抵抗効果素子１２２ｃ，１２３の合成抵抗値は、誘導磁界Ａの強さによらず２Ｒ_０である。したがって、ＯＵＴ２の出力は、
Ｖ_ＯＵＴ２＝Ｖｄｄ・（Ｒ_０＋ΔＲ）／２Ｒ_０＝Ｖｄｄ／２＋Ｖｄｄ・ΔＲ／２Ｒ_０
となる。つまり、抵抗変化ΔＲとＯＵＴ２の出力とは略線形の関係にある。ＯＵＴ１の出力は常にＶｄｄ／２であるから、ＯＵＴ１とＯＵＴ２の電圧差はＶｄｄ・ΔＲ／２Ｒ_０（または、−Ｖｄｄ・ΔＲ／２Ｒ_０）となり抵抗変化ΔＲに略比例する。ΔＲは磁場の強さに略比例するから、誘導磁界と略比例の関係にある電圧差が得られる。

また、図７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、２つの磁気抵抗効果素子１２２ａ，１２２ｂ（ＯＵＴ１側）及び２つの磁気抵抗効果素子１２２ｃ，１２３（ＯＵＴ２側）には、誘導磁界Ａが図８に示すようにそれぞれ印加される。この場合の動作も図５及び図６の場合と同様である。

このように、本発明の磁気比例式電流センサは、同じ膜構造を有する４つの磁気抵抗効果素子で磁気検出ブリッジ回路を構成し、１つの磁気抵抗効果素子の第１の強磁性膜（第２の強磁性膜）の磁化方向を他の３つの磁気抵抗効果素子の第１の強磁性膜（第２の強磁性膜）の磁化方向と反平行方向になるようにしている。このため、４つの磁気抵抗効果素子のゼロ磁場抵抗値（Ｒ_０）や抵抗温度係数（ＴＣＲ_０）を一致させることができ、温度変化により中点電位がばらつかない、高精度の電流センサを実現することができる。

上述のような４つの磁気抵抗効果素子を用いた磁気比例式電流センサは、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を用いて作製することもできる。この場合、４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３つ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、本発明の磁気比例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や厚い磁気シールド膜などを設置したデバイスの作製には適していない。このため、本発明に係る磁気比例式電流センサにおいては、上述の反強磁性膜を有しない磁気抵抗効果素子が特に有用である。

本発明に係る磁気比例式電流センサでは、ポリイミド膜などの有機絶縁膜で磁気抵抗効果素子やその配線などを絶縁分離している。有機絶縁膜は、一般にスピンコートなどで有機材料を塗布した後に、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。本発明に係る磁気比例式電流センサでは、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、磁化容易軸が加熱処理中の磁場方向と直交する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、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。本発明に係る磁気比例式電流センサでは、反強磁性膜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。本発明に係る磁気比例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、本発明に係る磁気比例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）〜（ｃ）及び図１１（ａ）〜（ｃ）は、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、第２の強磁性膜４５ａともに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。成膜後は第１の強磁性膜４３ａが印加磁場方向に優先的に磁化し、第２の強磁性膜４５ａは第１の強磁性膜４３ａの磁化方向とは反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化する。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〜１２２ｃ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１２３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、第２の強磁性膜４５ａともに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。上記と同じ原理により、第１の強磁性膜４３ａと第２の強磁性膜４５ａは反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化する。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〜１２２ｃ，１２３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〜１２２ｃ，１２３を形成する。

このように、本発明の磁気比例式電流センサによれば、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ので、素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ_０）や抵抗温度係数（ＴＣＲ_０）のズレを無くすことができる。このため、環境温度によらず中点電位のばらつきを小さくでき、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１２月２７日出願の特願２０１０−２８９６２９に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

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、第２の強磁性膜４５ａともに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。上記と同じ原理により、第１の強磁性膜４３ａと第２の強磁性膜４５ｂは反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化する。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。

Claims (6)

1. 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、前記誘導磁界に略比例する電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路と、前記誘導磁界を減衰させる磁気シールドと、を具備し、前記磁界検出ブリッジ回路の電圧差を用いて前記被測定電流の電流値を算出する磁気比例式電流センサであって、
   前記４つの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り、前記４つの磁気抵抗効果素子のうち３つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が同じであり、残り１つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が前記３つの磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向と１８０°異なる方向であることを特徴とする磁気比例式電流センサ。
2. 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１記載の磁気比例式電流センサ。
3. 前記磁気シールドが前記磁界検出ブリッジ回路より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１又は請求項２記載の磁気比例式電流センサ。
4. 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１から請求項３のいずれかに記載の磁気比例式電流センサ。
5. 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磁気比例式電流センサ。
6. 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磁気比例式電流センサ。

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