KR101687939B1 - 비접촉 전류 센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 스핀 밸브 구조(2)와, 스핀 밸브 구조(2)에 전류를 인가하는 전기적 수단(4)과, 스핀 밸브 구조(2)의 저항치를 전기적으로 판독하는 저항판독수단(5)을 구비하고, 프리층(14)의 보자력이 검지대상으로 하는 전류유기 자장보다도 커지도록 구성되며, 전기적 수단(4)이, 스핀 밸브 구조(2)에 전류를 인가함으로써, 핀층(12)과 프리층(14)의 자화의 방향을 서로 평행인 상태와 서로 반평행인 상태와의 사이에서 천이시키도록 되어 있고, 저항판독수단(5)이, 평행인 상태와 반평행인 상태와의 사이의 천이에 대응하는 저항치를 판독함으로써, 천이에 대응하는 전류의 문턱치 또는 전류유기 자장을 검지하도록 되어 있다.

Description

비접촉 전류 센서{NON-CONTACT CURRENT SENSOR}
본 발명은, 비접촉 전류 센서에 관한 것으로, 특히 전류가 유기하는 자장을 검지함으로써 비접촉으로 전류를 측정하는 센서에 관한 것이다.
최근, 환경·에너지 기술에 대한 관심의 고조는 현저하며, 전기기기의 전류값을 비접촉에 의해 고정밀도로 측정하는 기술은 여러 가지 상황(場面)에서 필요하게 되어 있다. 예를 들면, 파워 반도체의 대표적인 디바이스인 인버터에는 전류 센서가 필수적이며, 또한, 브레이커(breaker)에 대해서도 마찬가지이다.
상술한 디바이스는, 수백 암페어의 전류를 소비하기 때문에, 전류가 유기하는 자장(전류유기 자장)을 비접촉으로 검지할 경우, 그 검지에 사용되는 전류 센서는, 측정 대상으로 하는 자장의 크기가 1자리수(桁)에서 수십 Ｏｅ(에르스텟)이 된다.
또한, 카일렉트로닉스(car electronics)에 전류 센서가 사용될 경우에는, 엔진룸 내의 환경 노이즈가 크기 때문에, 감도가 매우 높지만 포화해버리는 ＭＩ센서를 사용하는 것은 곤란하다. 따라서, 이러한 경우에 있어서는, ＧＭＲ(거대 자기저항)소자나 ＴＭＲ(터널 자기저항)소자를 이용한 비접촉 전류 센서의 사용이 검토되고 있다.
상술한 ＧＭＲ소자나 ＴＭＲ소자는, 하드 디스크의 판독 헤드로서 이미 실용화되어 있다. ＧＭＲ소자 및 ＴＭＲ소자는, 스핀 밸브라고 불리는 자성 다층막 구조를 가지고 있다. 여기서, 스핀 밸브 구조란, 자성층(핀층)과, 비(非)자성층과, 자성층(프리층)을 적층하여 이루어지는 구조이다. 핀층은, 프리층보다도 자화의 방향이 반전하기 어렵게 구성되어 있다. 비자성층은, 2개의 자성층의 사이(핀층과 프리층과의 사이)의 자기결합을 절단하는 역할을 맡기 위해 배치되어 있다. 스핀 밸브 구조는, 이 비자성층에 금속이 이용된 경우에는 ＧＭＲ소자로서 동작하고, 한편, 절연체가 이용된 경우에는 ＴＭＲ소자로서 동작한다.
이들 ＧＭＲ소자 및 ＴＭＲ소자의 동작 원리로서는, 검지 대상으로 하는 자장의 영향에 의해 프리층의 자화의 방향이 핀층의 자화의 방향에 대하여 각도를 발생시키는 현상을 이용한다. 즉, 각도에 따라서 스핀 밸브 구조의 저항치가 변화하므로, ＧＭＲ소자 및 ＴＭＲ소자는, 이 저항치의 변화에 의해 자장을 검지한다. 여기서, 프리층의 자화의 방향과 핀층의 자화의 방향이 평행이 되는 경우(평행 배치)에 저항치가 가장 낮으며, 프리층의 자화의 방향과 핀층의 자화의 방향이 반(反)평행이 되는 경우(반평행 배치)에 저항치가 가장 높아진다.
ＧＭＲ소자 및 ＴＭＲ소자는, 검지 대상으로부터의 미소한 누설 자계를 검지하기 위해서, 평행 배치와 반평행 배치와의 사이에 있어서 선형성(linearity)이 있는 영역에서 자장을 검지하는 것과 같은 아날로그 동작을 기본으로 하고 있다.
예를 들면, 자기 헤드에 있어서는, 강자성막(하드 바이어스 막이라고 불린다)이 인접해서 배치되어 있다. 즉, 이러한 배치에 의해 일정한 바이어스 자장이 걸리며, 프리층의 자화의 방향이 핀층의 자화의 방향에 대하여 미리 경사진 상태가 된다. 이러한 미리 경사진 상태를 기준으로 함으로써 상술한 아날로그 동작이 실현되고 있다. 또한, 디바이스의 감도(感度)는, 프리층의 보자력(保磁力)으로 결정되기 때문에, 이들 ＧＭＲ소자 및 ＴＭＲ소자에 있어서는, 검지 대상으로 하는 자장보다도 프리층의 보자력이 작아지도록 재료 혹은 구조가 설계되어 있다.
일본 특허공개공보 2007-305629호
그러나, 상술한 바와 같은 아날로그 동작을 행하는 ＧＭＲ소자 및 ＴＭＲ소자는, 파워 반도체나 브레이커에 대한 적용, 혹은 카일렉트로닉스 등과 같이 환경 노이즈가 큰 조건하에서의 측정에는 부적합하다. 즉, 아날로그 동작에 있어서 고정밀도(고분해능)측정을 행하는 경우에는, 분해능과는 반대로 출력이 감소한다고 하는 원리적인 문제를 피할 수는 없다. 따라서, 주변환경 노이즈가 강한 환경하에서의 동작은 곤란하게 되며, 또한, 후단(後段)에 고속고성능인 프리앰프(preamp)가 필요하게 되는 등의 새로운 문제도 생긴다. 한편, 디지털 검출 동작에 있어서는 아날로그 동작과 같은 문제는 없지만, 평행 배치 및 반평행 배치에 대응하는 2치(値)만의 검출로 되기 때문에, 비접촉 전류 센서로서의 적용 범위가 좁아진다고 하는 다른 문제가 발생한다.
본 발명은 이러한 실정을 감안하여 이루어진 것으로서, 그 목적은, 환경 노이즈가 큰 환경하에 있어서도 동작가능한 비접촉 전류 센서를 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은, 1자리수부터 수십 Ｏｅ의 전류유기 자장을 고정밀도로, 프리층의 보자력에 율속(律速)되지 않고, 원리적으로는 무한소(無限小, infinitesimal)의 자장 분해능으로 검지하는 것이 가능한 비접촉 전류 센서를 제공하는 것이다.
본원의 발명자는, 종래의 선형성(linearity)을 전제로 한 아날로그 동작을 원리로 하는 비접촉 센서의 본연의 모습으로 돌아와서 상기 과제를 음미함으로써, 이하에 나타내는 양자화(量子化) 수법을 이용한 디지털 동작을 기본으로 하는 비접촉 전류 센서의 발명에 도달하였다.
즉, 본 발명의 비접촉 전류 센서는, 상기 과제를 해결하기 위해서, 프리층과, 핀층과, 상기 프리층과 상기 핀층의 사이에 배치된 비자성층을 구비하는 스핀 밸브 구조와, 전류유기 자장을 검지할 때에 상기 스핀 밸브 구조에 전류를 인가하는 전기적 수단과, 전류유기 자장을 검지할 때에 상기 스핀 밸브 구조의 저항치를 전기적으로 판독하는 저항판독수단을 구비하고 있다.
그리고, 상기 프리층의 보자력이, 검지 대상으로 하는 상기 전류유기 자장보다도 커지도록 구성되어 있다. 또한, 상기 전기적 수단이, 상기 스핀 밸브 구조에 전류를 인가함으로써, 상기 핀층과 상기 프리층의 자화의 방향을 서로 평행인 상태와 서로 반평행인 상태 사이에서 천이(遷移)시키도록 되어 있으며, 상기 저항판독수단이, 상기 평행인 상태와 상기 반평행인 상태 사이의 천이에 대응하는 저항치를 판독함으로써 상기 천이에 대응하는 전류의 문턱치 혹은 전류유기 자장을 검지하게 되어 있다.
상기 구성에 따르면, 스핀 밸브 구조의 프리층의 자화의 방향이 핀층의 방향에 대하여 평행인 상태와 반평행인 상태를 각각 논리값 "0", "1"에 대응시킴으로써, 비접촉 전류 센서의 센싱을 디지털 동작으로서 행할 수 있다. 이것에 의해, 평행인 상태와 반평행인 상태와의 사이의 천이시의 전류값에 대응한 양자화가 행해져, 비접촉 전류 센서에 있어서의 고정밀도인 자장의 검지가 가능하게 된다.
즉, 상기 구성에서는, 전류유기 자장이 존재하는 경우에는, 프리층의 자화의 방향이 천이하는데 필요로 하는 전류의 문턱치가 저감한다고 하는 점에 주목하고 있다. 본 발명은, 전류유기 자장의 크기에 따라, 프리층의 자화의 방향이 천이하는데 필요로 하는 전류의 문턱치가 변화된다고 하는 것을 이용하고 있다. 즉, 전류유기 자장을 검지할 때에, 전기적 수단이 전기 바이어스(전류 또는 전압)의 값을 변화시킴으로써 검지가능한 자장의 문턱치가 변화한다. 본 발명에 따르면, 이것을 이용하여 양자화를 행함으로써, 아날로그 동작이나 2치(値) 디지털 동작에서는 불가능하였던, 센서 출력을 희생하는 일없이 고정밀도로(원리적으로는 무한소의) 자장을 검지하는 이상적인 비접촉 전류 센서를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 면적이 다른 상기 스핀 밸브 구조가 복수 설치되며, 상기 복수의 스핀 밸브 구조가 직렬로 접속되어 있다. 이것에 의해, 전기적 수단이 동일한 전류를 복수의 스핀 밸브 구조에 흘렸을 경우에, 각 스핀 밸브 구조에 있어서 전류밀도가 변화하게 된다. 즉, 각 스핀 밸브 구조에 다른 (전류없이 검출가능한) 자장 문턱치를 할당할 수 있다.
또, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 상기 전기적 수단이, 전류를 인가할 때마다 펄스 높이를 변화시키도록 되어 있다. 즉, 전기적 수단에 있어서의 전류의 인가와 저항판독수단에 있어서의 저항치의 판독이 교대로 복수 회 행해지며, 전기적 수단이, 전류를 인가할 때마다 펄스 높이를 변화시킨다. 이것에 의해, 펄스 높이에 대응한 양자화가 행해지게 된다.
또한, 본 발명의 다른 형태에 따르면, 상기 전기적 수단이, 전류를 인가할 때마다 펄스 폭을 변화시키도록 되어 있다. 즉, 전기적 수단에 있어서의 전류의 인가와 저항판독수단에 있어서의 저항치의 판독이 교대로 복수 회 행해지며, 전기적 수단이, 전류를 인가할 때마다 펄스 폭을 변화시킨다. 이것에 의해, 펄스 폭에 대응한 양자화가 행해지게 된다.
본 발명에 관한 비접촉 전류 센서에 따르면, 프리층과, 핀층과, 상기 프리층과 상기 핀층 사이에 배치된 비자성층을 구비하는 스핀 밸브 구조와, 전류유기 자장을 검지할 때에 상기 스핀 밸브 구조에 전류를 인가하는 전기적 수단과, 전류유기 자장을 검지할 때에 상기 스핀 밸브 구조의 저항치를 전기적으로 판독하는 저항판독수단을 구비하고, 상기 프리층의 보자력이, 검지 대상으로 하는 상기 전류유기 자장보다도 커지도록 구성되며, 상기 전기적 수단이, 상기 스핀 밸브 구조에 전류를 인가함으로써, 상기 핀층과 상기 프리층의 자화의 방향을 서로 평행인 상태와 서로 반평행인 상태와의 사이에서 천이시키도록 되어 있고, 상기 저항판독수단이, 상기 평행인 상태와 상기 반평행인 상태와의 사이의 천이에 대응하는 저항치를 판독함으로써 상기 천이에 대응하는 전류의 문턱치 혹은 전류유기 자장을 검지하도록 되어 있으므로, 스핀 밸브 구조의 프리층의 자화의 방향이 핀층의 방향에 대하여 평행인 상태와 반평행인 상태를 각각 논리값 "0", "1"에 대응시킴으로써, 비접촉 전류 센서의 자장의 검지를 디지털 동작으로서 행할 수 있다. 즉, 종래의 프리층과 핀층의 자화의 방향의 각도에 의해 아날로그로 자장을 검지하는 것에 비하여, 환경 노이즈의 영향을 받기 어렵게 되어, 고정밀도로 자장을 검지할 수 있다. 즉, 비접촉 전류 센서에 있어서의 고정밀도인 전류의 검지가 가능하게 된다.
또한, 본 발명에 관한 비접촉 전류 센서에 따르면, 면적이 다른 상기 스핀 밸브 구조가 복수 설치되며, 상기 복수의 스핀 밸브 구조가 직렬로 접속되어 있으므로, 전기적 수단이 동일한 전류를 흘렸을 때에, 각 스핀 밸브 구조에 있어서 전류밀도가 다르게 된다. 이때, 검출 대상의 자장에 대응하는 문턱치 이상의 전류밀도가 작용하는 스핀 밸브 구조에 있어서, 핀층과 프리층의 자화의 방향이 평행 상태와 반평행 상태와의 사이에서 천이하고, 그 상태가 유지되게 된다. 이와 같이, 스핀 밸브 구조의 수에 대응한 양자화가 행해지게 되어, 일회의 전류의 인가만으로 고정밀도인 자장의 검지가 가능하게 된다. 또한, 일회의 전류의 인가만으로 자장의 검지가 가능하므로, 보다 고속인 자장의 검지를 행할 수 있다.
또, 본 발명에 관한 비접촉 전류 센서에 따르면, 상기 전기적 수단이, 전류를 인가할 때마다 펄스 높이를 변화시키도록 되어 있으므로, 펄스 높이에 대응해서 자장의 값이 검지되게 되어, 1개의 스핀 밸브 구조로 자장의 검지를 행할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 비접촉 전류 센서에 따르면, 상기 전기적 수단이, 전류를 인가할 때마다 펄스 폭을 변화시키도록 되어 있으므로, 펄스 폭에 대응해서 자장의 값이 검지되게 되어, 1개의 스핀 밸브 구조로 자장의 검지를 행할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서와 검지 대상으로 하는 전류 및 자장(전류유기 자장)과의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서의 스핀 밸브 구조의 단면도이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서에 대해서, 검지 대상이 되는 자장과 검지시에 인가하는 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4(a)는, 스핀 밸브 구조의 접합부의 면적과 검지시에 인가하는 전류밀도와의 관계를 나타내는 도면이며, (b)는, 면적이 다른 스핀 밸브 구조를 직렬로 접속한 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서에 있어서, 전류 펄스의 인가와 저항치의 판독을 교대로 N회 행하는 프로세스를 나타낸 도면이며, 인가할 때마다 전류의 펄스 높이를 변화시키는 프로세스를 나타낸 도면이다.
도 6(a)는, 전류 펄스 폭(대수값(對數値))과 검지시에 인가하는 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면이며, (b)는, 전류 펄스의 인가와 저항치의 판독을 교대로 N회 행하는 프로세스를 나타낸 도면이며, 인가할 때마다 전류의 펄스 폭을 변화시키는 프로세스를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서를, 도면을 참조하면서 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서와, 검지 대상으로 하는 전류 및 자장(전류유기 자장)과의 관계를 모식적으로 나타낸 도면이다. 도 2는, 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서의 ＴＭＲ소자의 단면도이다.
본 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서(1)는, 측정 대상이 되는 전류(20)에 의해 유기되는 전류유기 자장(A)을 ＧＭＲ소자 혹은 ＴＭＲ소자에 의해 검지하는 것이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 비접촉 전류 센서(1)는, 스핀 밸브 구조로 이루어지는 ＴＭＲ소자(2)와, ＴＭＲ소자(2)에 접속된 전기펄스원(3)을 구비하고 있다.
ＴＭＲ소자(2)는, 스퍼터법에 의해 적층된 복수의 층을 구비하고 있다. 도 2 에 나타내는 바와 같이, 기판(10) 위에는, 하부전극(Ｃｕ/Ｔａ)(11)과, 핀층(ＣｏＦｅＢ/Ｒｕ/ＣｏＦｅ/ＩｒＭｎ)(12)과, 비자성층으로서의 터널 절연막(ＭｇＯ)(13)과, 프리층 (ＣｏＦｅＢ)(14)이 해당 순서로 적층되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 핀층(12)과 터널 절연막(13)과 프리층(14)의 3층은, Ａｒ이온 밀링(milling) 등의 수법에 의해 200×100ｎｍ의 접합 사이즈로 가공되어 있다. 그리고, 이들 3층(12,13,14)과 하부전극(11) 위에는, 층간 절연막(ＳｉＯ2)(15)이 형성되어 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이, 층간 절연막(15)에는, 핀층(12)과 터널 절연막(13)과 프리층(14)의 3층(접합부)에 접속하기 위한 제1의 콘택트 홀(15a)과, 하부전극(11)에 접속하기 위한 제2의 콘택트 홀(15b)이 형성되어 있다. 그리고, 층간 절연막(15) 위에는, 상부전극(Ｃｕ/Ｔａ)(16)이 형성되어 있다.
이상과 같은 구성에 의해, ＴＭＲ소자(2)는, 300℃~350℃의 온도 하에 있어서, 1Ｔ정도의 자장 중에서 어닐(annealing)을 행함으로써, 핀층(12)의 자화의 방향을 고정할 수 있다. 또한, 이때, 터널 절연막(ＭｇＯ)(13)과, 핀층(12) 및 프리층(14)의 ＣｏＦｅＢ가 결정화함으로써, 100% ~200%의 거대한 자기저항(즉 자장 센싱 시의, 프리층(14) 및 핀층(12)의 자화(磁化) 배치에 있어서의 평행(저(低)저항), 반평행(고(高)저항)에 대응하는 저항 변화에 근거한 출력 값)을 얻을 수 있게 된다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 전기펄스원(3)은, 전류유기 자장(A)을 검지할 때 ＴＭＲ소자(2)의 스핀 밸브 구조에 전류를 인가하는 전기적 수단(4)과, 전류유기 자장(A)을 검지할 때에 ＴＭＲ소자(2)의 스핀 밸브 구조의 저항치를 전기적으로 판독하는 저항판독수단(5)을 구비하고 있다.
본 실시 형태에 있어서의 전기적 수단(4)은, 최근 발견되어 현재에는 불휘발 메모리(ＭＲＡＭ)의 기간(基幹)기술로서 연구되고 있는 전류주입 자화반전이라고 불리는 프리층(14)의 자화반전을 행하는 수단으로서 사용된다.
이러한 전류주입 자화반전이란, 전류의 극성(極性)에 의해 핀층(12)의 자화의 방향(B) 및 프리층(14)의 자화의 방향(C)을 평행인 상태로부터 반평행인 상태로, 혹은 반평행인 상태로부터 평행인 상태로 반전(천이)시키는 방법이다.
우선, 핀층(12)의 자화의 방향(B)과 프리층(14)의 자화의 방향(C)이 평행하게 되는 경우에 대해서 설명한다. 여기서, 핀층(12)과 프리층(14)의 자화의 방향이 평행하게 된다는 것은, 쌍방의 자화의 방향이 동일한 방향으로 정렬하는 것을 말한다.
핀층(12)과 프리층(14)의 자화의 방향을 평행하게 하기 위해서는, 전기적 수단(4)은, 프리층(14) 측으로부터 전류를 흘려보낸다. 그러면, 스핀 편극(偏極)된 전자가, 핀층(12)으로부터 터널 절연막(13)을 통하여 프리층(14)에 주입된다. 프리층(14)에 스핀 편극된 전자가 주입되면, 프리층(14)의 자화는, 핀층(12)의 자화방향과 동일한 방향의 토크를 받는다. 이것에 의해, 프리층(14)의 자화의 방향(C)이 핀층(12)의 자화의 방향(B)과 평행인 상태로 천이한다. 한편, 이 상태를 논리값 "0"으로 한다.
그 다음에, 핀층(12)의 자화의 방향(B)과 프리층(14)의 자화의 방향(C)이 반평행이 되는 경우에 대해서 설명한다. 여기서, 핀층(12)과 프리층의 자화의 방향이 반평행이 된다는 것은, 쌍방의 자화의 방향이 서로 반대 방향으로 향해 있는 것을 말한다.
핀층(12)과 프리층(14)의 자화의 방향이 평행인 상태에 있어서, 전기적 수단(4)은, 핀층(12)측으로부터 전류를 흘려보낸다. 그러면, 스핀 편극된 전자가, 프리층(14)으로부터 터널 절연막(13)을 통하여 핀층(12)에 주입된다. 이때, 핀층(12)과 평행인 스핀을 가지는 전자만이 핀층(12)에 주입되며, 핀층(12)과 평행하지 않은 스핀을 가지는 전자는 반사되어 프리층(14)에 축적되게 된다. 이것에 의해, 프리층(14)의 자화의 방향(C)이 핀층(12)의 자화의 방향(B)과 반평행인 상태로 천이한다. 한편, 이 상태를 논리값 "1"로 한다.
저항판독수단(5)은, ＴＭＲ효과에 의해 발생한 ＴＭＲ소자(2)의 저항치를 판독하도록 구성되어 있다. ＴＭＲ소자(2)에 있어서는, 상술한 바와 같은 평행 상태(논리값 "0")와 반평행 상태(논리값 "1")에서 전기 저항이 변화된다. 이러한 현상을 터널 자기저항 효과(ＴＭＲ효과)라고 말한다. 즉, 본 실시 형태의 비접촉 전류 센서(1)는, 저항판독수단(5)이 논리값 "0"으로부터 논리값 "1"로 천이했을 때의 저항치를 판독함으로써, 그 천이에 대응한 전기적 수단(4)의 전류값을 검지하도록 구성되어 있다. 이것에 의해, 비접촉 전류 센서(1)는, 전류(20)의 전류유기 자장(A)을 검지할 수 있다. 한편, 이때 판독에 사용하는 전류값(전압값)은, 상기의 프리층(14)의 자화반전을 일으키지 않는, 즉 전류주입 자화반전의 문턱치 이하로 설정하면 좋다.
본 실시 형태에 있어서, 종래의 자기 센서나 비접촉 전류 센서, 혹은 전류유기 자장에 의해 기록 소거를 행하는 ＭＲＡＭ과 다른 점은, 프리층(14)의 자화의 보자력이, 검지 대상이 되는 전류유기 자장(A)보다도 커지도록 구조 혹은 재료를 설계하는 것이다.
이러한 목적에 사용가능한 것으로서, 구조를 변경하는 것에 의한 보자력 변화의 방법이 알려져 있다. 예를 들면, 형상 자기이방성을 이용하는 것이라면, 자화방향의 사이즈를 짧게 함으로써 반(反)자장이 커지기 때문에 보자력을 크게 하는 것이 가능하다.
또한, 사이즈(D)를 변경함으로써 보자력이 1/D에 비례해서 커진다고 하는 현상을 이용할 수도 있다. 예를 들면, 본 실시 형태에서 나타내는 ~100ｎｍ의 사이즈에 있어서는, 소자 사이즈를 100ｎｍ로부터 50ｎｍ로 함으로써 보자력을 2배로 할 수 있다. 게다가 소자 사이즈가 일정한 경우에는, 재료에 따라서 그 의존성은 다르지만 막 두께에 의해 보자력을 변경하는 것도 가능하다. 한편, 보자력이 다른 자성재료를 이용하는 것도 물론 가능하다. 또, ＣｏＦｅ나 ＣｏＦｅＢ, ＮｉＦｅ 등의 연자성재료에 Ｐｔ나 Ｔａ, Ｎｂ 등의 비자성재료를 첨가함으로써 수Ｏｅ~100Ｏｅ의 범위에서 보자력을 증가시키는 것도 가능하다. 또한, 페리자성재료(ferrimagnetic materials)인 ＴｂＦｅＣｏ나 Ｃｏ/Ｎｉ다층막 등의 수직 자화막을 사용하는 것도 물론 가능하다.
그 다음에, 본 발명에 관한 비접촉 전류 센서(1)에 있어서, 전류유기 자장을 검지하는 방법을 이하에 설명한다.
예를 들면, 프리층(14)의 보자력을 15Ｏｅ으로 하고, 검지 대상으로 하는 자장이 10Ｏｅ이하라고 가정한다. 이와 같이 자장의 강도가 프리층(14)의 보자력보다 작은 경우, ＴＭＲ소자(2)의 스핀 밸브 구조에 전류를 인가하지 않으면, 프리층(14)의 자화가 평행 상태(논리값 "0")와 반평행 상태(논리값 "1")의 사이에서 천이하지 않는다. 따라서, 전류에 의한 전류유기 자장을 검지할 수 없게 된다. 당연히, 저항판독수단(5)에 의한 저항치의 판독 등에 사용되는 전압·전류값은, 프리층(14)의 자화의 방향이 천이하는데 필요한 값보다도 충분히 작기 때문에, 아무런 변화가 일어나지 않는다.
여기서, 본 발명에서는, 전류유기 자장이 존재하는 경우에는, 프리층(14)의 자화의 방향이 천이하는데 필요하게 되는 전류의 문턱치가 저감한다고 하는 점에 주목하고 있다. 즉, 전류유기 자장의 크기에 따라서, 프리층(14)의 자화의 방향이 천이하는데 필요로 하는 전류의 문턱치가 변화한다고 하는 것을 이용한다. 환언하면, 자화의 평행 배치와 반평행 배치 사이의 상태 천이가 2종류의 외부장(外場), 즉 (전류유기)자장 또는 전류에 의해 독립하여 행할 수 있으므로, 이때 한쪽의 외부장을 파라미터로 하면, 다른 쪽의 외부장의 스위칭(switching, 상태천이)의 문턱치는 가변(可變)으로 된다. 이것에 의해, 원리적으로는 무한소의 샘플링 간격으로 양자화를 행하는 것이 가능하게 된다. 따라서, 프리층(14)의 보자력의 제한을 받지 않으며, 원리적으로는 무한소의 분해능이 가능한 고정밀도의 자장 검출을, 출력을 감소시키지 않고(왜냐하면, 항상 출력은 디지털의 "0", "1"로 되기 때문에) 행할 수 있는 것이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서(1)에 대해서, 검지 대상이 되는 자장과 검지시에 인가하는 전류의 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면이다. 한편, 여기서, 전류밀도란, 단위 면적당의 전류값을 지칭한다.
여기서, 자장의 검지시에 ＴＭＲ소자(2)에 인가하는 전류를 I라고 한다(즉, 전류값은 일정하다). 도 3은, 전류(I)에 있어서의 Ｎ개의 전류밀도(Ｊ1~ＪＮ)와 N개의 자장의 크기(Ｈ1~ＨＮ)와의 관계를 나타내고 있다.
도 3 중의 점선으로 나타내는 바와 같이, 전류밀도와 자장의 범위(하한)가 1대1로 대응하고 있다. 이 도 3의 직선관계는, 전류유기 자장이 존재하는 상황하에 있어서의 전류밀도의 문턱치를 시뮬레이션에 의해 구한 결과이다.
한편, 도 3의 세로축의 전류밀도를 2승(乘)하고, 가로축을 자장으로 하여 그래프를 리플롯한 경우에도, 동일한 직선관계가 얻어진다. 이 직선관계는, 프리층(14)의 자화의 방향의 천이에 필요한 자기 에너지와 전기 에너지(스핀류)의 합이 일정하다고 하는 조건에 (일차 근사의 범위에서) 대응하고 있다고 생각된다.
Ｃｏｎｓｔ=I2R+ＭＨ （식 1)
여기서, I는, ＴＭＲ소자(2)에 인가된 전류이며, R은, ＴＭＲ소자(2)로 측정된 저항치이다. 또한, M은, 프리층(14)의 자화를 나타내고, H는, 검지 대상의 자장을 나타낸다.
한편, 여기서 얻은 직선관계는, 반드시 필요하지는 않으며, 전류밀도와 자장의 값이 1대1로 대응하고 있으면 된다. 단, 자장을 검지할 때의 바이어스 제어에 대해서는, 직선관계가 얻어지고 있는 경우에는, 검지 대상이 되는 자장범위에 대하여 일정한 전류폭의 마진으로 대응할 수 있다는 이점이 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, N개의 전류밀도(Ｊ1~ＪＮ)에 의해 검지가능한 자장의 크기가 Ｈ1~ＨＮ이 되므로, 본 실시 형태에서는, N개의 양자화가 행해지게 된다. 즉, 검지 대상으로 한 10Ｏｅ이하의 자장이 N개로 샘플링되어, 임의의 자장 Ｈｉ(Ｈ1≤Ｈｉ≤ＨＮ)에 대응하는 전류밀도 Ｊｉ(Ｊ1≤Ｊｉ≤ＪＮ)를, 프리층(14)의 자화의 방향의 천이에 대응해서 디지털 검지할 수 있다.
여기서, 측정 정밀도에 맞추어 양자화 샘플링수를 증가시키면 시킬수록, 전류유기 자장을 고정밀도로 검지할 수 있다. 또한, 저항판독수단(5)의 저항치의 판독에 있어서도 펄스를 이용하면, 그 펄스의 주기에 맞추어 로크-인(lock-in) 검지함으로써 S/N을 향상시킬 수 있다. 이것에 의해, 더욱 고정밀도로 자장을 검지하는 것이 가능하게 된다.
한편, 도 3의 세로축의 가장 위에 나타낸 Ｊｃ는, 전류유기 자장이 0인 경우에 있어서의 전류밀도의 문턱치이다. 이 전류밀도 Ｊｃ를 이용함으로써, 핀층(12)과 프리층(14)의 자화의 방향을 평행인 상태 및 반평행인 상태의 어느 상태로 초기화할 수 있다.
그 다음에, 본 발명에 관한 비접촉 전류 센서(1)에 있어서 양자화 샘플링을 행하기 위한 제1의 실시 형태를 설명한다. 도 4(a)는, 스핀 밸브 구조의 접합부의 면적과 검지시에 인가하는 전류밀도와의 관계를 나타내는 도면이며, 도 4(b)는, 면적이 다른 스핀 밸브 구조를 직렬로 접속한 구성을 나타낸 도면이다.
도 4(b)에 나타낸 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 면적이 다른 스핀 밸브 구조(ＴＭＲ소자)가 복수 설치되며, 복수의 스핀 밸브 구조가 직렬로 접속되어 있다. 그리고, 전기적 수단(4)은, 직렬로 접속된 스핀 밸브 고층에 일정한 전류(I)를 인가하도록 되어 있다.
직렬로 접속된 스핀 밸브 구조에 있어서 일정한 전류(I)가 인가되면, 각 스핀 밸브 구조는 면적이 다르므로, 각 스핀 밸브 구조마다 전류밀도가 다르게 된다. 즉, 도 4(a)에 나타낸 바와 같이, 면적이 다른 Ｎ개의 스핀 밸브 구조(Ｓ1~ＳＮ)에 대하여 N개의 전류밀도(Ｊ1~ＪＮ)가 1대1로 대응한다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 단일의 전류(I)를 이용하는 것만으로, 스핀 밸브 구조의 수에 대응한 양자화 샘플링을 행할 수 있다.
또한, 스핀 밸브 구조의 면적이 다르므로, 프리층(14)의 자화의 방향의 천이에 대응하는 저항치도 스핀 밸브 구조마다 다르다. 이것을 이용하여, 저항판독수단(5)에 있어서의 저항치의 판독에 있어서도, 판독전류를 직렬로 접속한 스핀 밸브 구조에 인가했을 때의 각 스핀 밸브 구조의 전압값을 검지함으로써, 검지 대응의 자장의 값을 한번에 결정할 수도 있다.
그 다음에, 본 발명에 관한 비접촉 전류 센서(1)에 있어서 양자화 샘플링을 행하기 위한 제2의 실시 형태를 설명한다. 도 5는, 본 발명의 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서(1)에 있어서, 전류 펄스의 인가와 저항치의 판독을 교대로 N회 행하는 프로세스를 나타낸 도면이다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 전기적 수단(4)에 있어서의 전류의 인가와 저항판독수단(5)에 있어서의 저항치의 판독이 교대로 N회 행해지게 되어 있다. 여기서, Ｌｗ1,Ｌｗ2,…ＬｗN은, 전기적 수단(4)이 인가하는 전류의 펄스 높이를 나타내고 있으며, Ｉｒ은, 저항판독수단(5)에 있어서의 판독전류를 나타내고 있다.
도 5에 나타낸 바와 같이, 전기적 수단(4)은, 전류를 인가할 때마다 펄스 높이를 변화시키도록 되어 있다. 즉, 전기적 수단(4)은, 전류를 인가할 때마다, 펄스 높이를 Ｌｗ1,Ｌｗ2,…ＬｗN로 변화시키고 있다.
본 실시 형태에서는, 도 3에 나타내는 전류밀도의 변화(양자화 샘플링수(N))를 N개의 전류의 펄스 높이에 대응시킴으로써, 양자화 샘플링을 행하고 있다.
따라서, 본 실시 형태에 따르면, 1개의 스핀 밸브 구조만으로 N개의 양자화 샘플링을 행할 수 있다. 또한, 여기서, 전기적 수단(4)은, 전류를 인가할 때, 펄스 높이를 낮은 값으로부터 개시해서 높은 값으로 변화시켜가도록 구성되면 더욱 바람직하다. 이러한 구성에 의해, 프리층(14)의 자화의 방향을 초기화하는 프로세스를 생략할 수 있기 때문이다.
그 다음에, 본 발명에 관한 비접촉 전류 센서(1)에 있어서 양자화 샘플링을 행하기 위한 제3의 실시 형태를 설명한다. 도 6(a)는, 전류 펄스 폭(대수값)과 검지시에 인가하는 전류밀도와의 관계를 나타낸 도면이며, 도 6(b)는, 전류 펄스의 인가와 저항치의 판독을 교대로 N회 행하는 프로세스를 나타낸 도면이다.
도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 전기적 수단(4)에 있어서의 전류의 인가와 저항판독수단(5)에 있어서의 저항치의 판독이 교대로 N회 행해지게 되어 있다. 여기서, τ1, τ2, … τN은, 전기적 수단(4)이 인가하는 전류의 펄스 폭을 나타내고 있으며, τr은, 저항판독수단(5)에 있어서의 판독전류의 펄스 폭을 나타내고 있다.
도 6(b)에 나타낸 바와 같이, 전기적 수단(4)은, 전류를 인가할 때마다 펄스 폭을 변화시키도록 되어 있다. 즉, 전기적 수단(4)은, 전류를 인가할 때마다, 펄스 폭을 τ1, τ2, … τN로 변화시키고 있다.
프리층(14)의 자화의 방향의 천이에 필요한 전류밀도는, 전류의 펄스 폭과 이하와 같은 관계인 것이 알려져 있다.
ＪＣ=ＪＣ0 {1- (ｋＢＴ/E)ｌｎ(τp/τ0)} (식 2)
여기서, ＪＣ는, 프리층(14)의 자화의 방향의 천이에 필요한 전류밀도의 문턱치이며, τp는, 그 전류에 있어서의 펄스 폭이다. 또한, ｋＢ는 볼쯔만 정수(定數), T는 온도, E는 포텐셜 에너지를 나타낸다.
이 식 2로부터, 전류밀도의 문턱치(ＪＣ)는, 펄스 폭(τp)의 대수에 반비례한다는 관계에 있다. 환언하면, 전류의 펄스 폭이 짧을수록, 프리층(14)의 자화의 방향의 천이에 필요한 전류밀도는 증가한다고 하는 것이다. 따라서, 전류유기 자장을 검지할 때 인가하는 전류의 펄스 폭(τ)을 짧게 하는 것은, 전류밀도의 문턱치(ＪＣ)를 변경하는 것에 상당한다.
도 6(a)의 점선으로 나타내는 바와 같이, 세로축을 전류밀도(Ｊ1,Ｊ2,…ＪN)로 하고, 가로축을 펄스 폭의 대수값을 τ1, τ2, … τN으로 하면, 이들의 관계는 직선관계가 된다.
본 실시 형태에서는, 도 3에 나타내는 전류밀도의 변화(양자화 샘플링수(N))를 N개의 전류의 펄스 폭에 대응시킴으로써, 양자화 샘플링을 행하고 있다. 따라서, 본 실시 형태에 따르면, 1개의 스핀 밸브 구조만으로 N개의 양자화 샘플링을 행할 수 있다.
본 실시 형태에 관한 비접촉 전류 센서(1)는, 프리층(14)과, 핀층(12)과, 프리층(14)과 핀층(12) 사이에 배치된 비자성층으로서의 터널 절연막(13)을 구비하는 ＴＭＲ소자(2)과, 전류유기 자장(A)을 검지할 때에 ＴＭＲ소자(2)에 전류를 인가하는 전기적 수단(4)과, 전류유기 자장을 검지할 때에 ＴＭＲ소자(2)의 저항치를 전기적으로 판독하는 저항판독수단(5)을 구비하고 있다. 그리고, 프리층(14)의 보자력이, 검지 대상으로 하는 전류유기 자장(A)보다도 커지도록 구성되어 있다. 또한, 전기적 수단(4)이, ＴＭＲ소자에 전류를 인가함으로써, 핀층(12)과 프리층(14)의 자화의 방향을 서로 평행인 상태와 서로 반평행인 상태 사이에서 천이시키도록 되어 있다. 또한, 저항판독수단(5)이, 평행인 상태와 반평행인 상태 사이의 천이에 대응하는 저항치를 판독함으로써 상기 천이에 대응하는 전류의 문턱치를 검지하게 되어 있다.
이러한 구성에 따르면, 스핀 밸브 구조의 프리층(14)의 자화의 방향이 핀층(12)의 방향에 대하여 평행인 상태와 반평행인 상태를 각각 논리값 "0", "1"에 대응시킴으로써, 비접촉 전류 센서(1)의 자장의 검지를 디지털 동작으로서 행할 수 있다. 이러한 디지털 동작의 원리에 의해, 환경 노이즈에 강한 전류의 센싱이 가능하게 된다. 게다가, ＴＭＲ소자(2)의 소자수, 전기적 수단(4)의 전류값 혹은 전류 펄스(또는 이들의 조합)에 대응한 양자화에 의해, 고정밀도인 자장의 검지가 가능하게 된다. 즉, 비접촉 전류 센서(1)에 있어서의 고정밀도인 전류의 검지가 가능하게 된다.
또한, 상술한 내용에서 나타낸 ＴＭＲ소자(2) 자체의 응답 속도는, ｎｓ이하로 고속이다. 그리고, 측정 대역은, ＤＣ로부터 자기 공명(共鳴) 주파수(표준적으로는 수ＧＨｚ~수십ＧＨｚ)까지로 광범위하다. 또한, ＭｇＯ를 터널 절연막(13)으로 한 ＴＭＲ소자(2)를 이용하는 경우에는, 고출력(~200%)을 얻을 수 있다고 하는 뛰어난 효과가 얻어진다.
이상, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은 기술한 실시 형태의 재료나 그 조성, 소자 사이즈, 스핀 밸브 구조의 형성 방법 등으로 한정되는 것이 아니다.
양자화 샘플링에 대해서 3개의 실시 형태를 나타냈지만, 이들은 각각 서로 중첩하여 이용할 수도 있다. 즉, 복수의 스핀 밸브 구조를 직렬로 접속한 구성과, 전류의 펄스 높이 혹은 펄스 폭을 변경하는 구성을 조합함으로써, 보다 다수의 양자화 샘플링이 가능하게 된다. 이로써, 검지 대상이 되는 자장을 고정밀도로 검지할 수 있다.
1 비접촉 전류 센서
2 ＴＭＲ소자
3 전기펄스원
4 전기적 수단
5 저항판독수단
10 기판
11 하부전극
12 핀층
13 터널 절연막
14 프리층
15 층간 절연막
16 상부전극
20 검지 대상의 전류
A 전류유기 자장
B 핀층의 자화의 방향
C 프리층의 자화의 방향

Claims (10)

  1. 전류유기 자장(current-induced magnetic field)을 검지하도록 구성된 스핀 밸브 구조에 있어서,
    자화의 방향 및 상기 전류유기 자장보다 큰 보자력(保磁力)을 갖는 프리층(free layer);
    자화의 방향을 갖는 핀층(pinned layer)으로서, 상기 핀층의 자화의 방향은 상기 프리층의 자화의 방향보다 반전되기 어려운 것인, 상기 핀층; 및
    상기 프리층 및 상기 핀층 사이에 배치된 비(非)자성층을 포함하는, 스핀 밸브 구조.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스핀 밸브 구조에 전류가 인가되는 경우, 상기 핀층의 자화의 방향 및 상기 프리층의 자화의 방향은 서로 평행인 상태와 서로 반(反)평행인 상태의 사이에서 천이(遷移)하는 것인, 스핀 밸브 구조.
  3. 제1항에 있어서, 상기 비자성층은 금속인 것인, 스핀 밸브 구조.
  4. 제1항에 있어서, 상기 비자성층은 절연체인 것인, 스핀 밸브 구조.
  5. 제1항에 있어서, 상기 프리층, 상기 핀층, 및 상기 비자성층은 스퍼터링법을 이용하여 적층되는 것인, 스핀 밸브 구조.
  6. 제1항에 있어서, 상기 핀층은 CoFeB/Ru/CoFe/IrMn인 것인, 스핀 밸브 구조.
  7. 제1항에 있어서, 상기 비자성층은 MgO인 것인, 스핀 밸브 구조.
  8. 제1항에 있어서, 상기 프리층은 CoFeB인 것인, 스핀 밸브 구조.
  9. 제1항에 있어서, 상기 프리층, 상기 핀층, 및 상기 비자성층 상에 층간 절연막이 형성되는 것인, 스핀 밸브 구조.
  10. 제9항에 있어서, 상기 층간 절연막은 SiO2인 것인, 스핀 밸브 구조.
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