WO2011013412A1 - 非接触電流センサ - Google Patents

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WO2011013412A1
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current
magnetic field
free layer
spin valve
valve structure
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荻本　泰史
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富士電機ホールディングス株式会社
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    • H10N50/10—Magnetoresistive devices

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact current sensor, and more particularly to a sensor that measures a current in a non-contact manner by detecting a magnetic field induced by the current.
  • a current sensor is indispensable for an inverter, which is a typical device of a power semiconductor, and is also true for a breaker.
  • the current sensor used for the detection is the magnitude of the magnetic field to be measured. Is from one digit to several tens of Oe (Oersted).
  • the above-described GMR element and TMR element have already been put into practical use as a read head for a hard disk.
  • the GMR element and the TMR element have a magnetic multilayer structure called a spin valve.
  • the spin valve structure is a structure in which a magnetic layer (pinned layer), a nonmagnetic layer, and a magnetic layer (free layer) are stacked.
  • the pinned layer is configured so that the magnetization direction is more difficult to reverse than the free layer.
  • the nonmagnetic layer is disposed to serve to break the magnetic coupling between the two magnetic layers (between the pinned layer and the free layer).
  • the spin valve structure operates as a GMR element when a metal is used for the nonmagnetic layer, and operates as a TMR element when an insulator is used.
  • the operating principle of these GMR elements and TMR elements utilizes a phenomenon in which the magnetization direction of the free layer forms an angle with respect to the magnetization direction of the pinned layer due to the influence of the magnetic field to be detected. That is, since the resistance value of the spin valve structure changes according to the angle, the GMR element and the TMR element detect the magnetic field by the change in the resistance value.
  • the resistance value is the lowest, and the magnetization direction of the free layer and the magnetization direction of the pinned layer are antiparallel. In this case (antiparallel arrangement), the resistance value is the highest.
  • the GMR element and the TMR element are based on an analog operation that detects a magnetic field in a region having linearity between a parallel arrangement and an antiparallel arrangement in order to detect a minute leakage magnetic field from a detection target. It is said.
  • ferromagnetic films called hard bias films
  • hard bias films ferromagnetic films
  • the analog operation described above is realized by using such a pre-tilted state as a reference.
  • the material or structure is designed so that the coercivity of the free layer is smaller than the magnetic field to be detected. .
  • GMR elements and TMR elements that perform analog operations as described above are unsuitable for application to power semiconductors and breakers, or for measurement under conditions with large environmental noise such as car electronics. That is, when performing high-precision (high-resolution) measurement in analog operation, the fundamental problem that the output decreases in exchange for resolution cannot be avoided. Therefore, operation in an environment with strong ambient environmental noise becomes difficult, and new problems such as the need for a high-speed high-performance preamplifier in the subsequent stage arise.
  • the digital detection operation there is no problem like the analog operation, but since only binary detection corresponding to the parallel arrangement and the anti-parallel arrangement is performed, another problem that the application range as a non-contact current sensor is narrowed. Occurs.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a non-contact current sensor that can operate even in an environment with a large amount of environmental noise.
  • the object of the present invention is to detect a current-induced magnetic field of one digit to several tens of Oe with high accuracy and in principle with an infinitesimal magnetic field resolution without being limited by the coercivity of the free layer.
  • a non-contact current sensor is provided.
  • the inventor of the present application goes back to the state of the non-contact sensor based on the analog operation based on the conventional linearity (linearity) and examines the above-mentioned problem, thereby using the following quantization method.
  • the invented non-contact current sensor based on operation goes back to the state of the non-contact sensor based on the analog operation based on the conventional linearity (linearity) and examines the above-mentioned problem, thereby using the following quantization method.
  • the invented non-contact current sensor based on operation goes back to the state of the non-contact sensor based on the analog operation based on the conventional linearity (linearity) and examines the above-mentioned problem, thereby using the following quantization method.
  • the invented non-contact current sensor based on operation goes back to the state of the non-contact sensor based on the analog operation based on the conventional linearity (linearity) and examines the above-mentioned problem, thereby using the following quantization method.
  • the non-contact current sensor of the present invention has a spin valve structure including a free layer, a pinned layer, and a nonmagnetic layer disposed between the free layer and the pinned layer in order to solve the above problems. And an electric means for applying a current to the spin valve structure when detecting a current-induced magnetic field, and a resistance reading means for electrically reading a resistance value of the spin valve structure when detecting a current-induced magnetic field. I have. And it is comprised so that the coercive force of the said free layer may become larger than the said current induction magnetic field made into detection object.
  • the electrical means applies a current to the spin valve structure to cause the magnetization directions of the pinned layer and the free layer to transition between a mutually parallel state and an antiparallel state.
  • the resistance reading means reads a resistance value corresponding to a transition between the parallel state and the antiparallel state, thereby obtaining a current threshold value or a current-induced magnetic field corresponding to the transition. It comes to detect.
  • Sensing of a non-contact current sensor can be performed as a digital operation.
  • the quantization corresponding to the current value at the time of transition between the parallel state and the antiparallel state is performed, and the non-contact current sensor can detect the magnetic field with high accuracy.
  • the present invention utilizes the fact that the threshold value of the current required for the transition of the magnetization direction of the free layer changes depending on the magnitude of the current-induced magnetic field. That is, when the current-induced magnetic field is detected, the threshold value of the magnetic field that can be detected changes when the electric means changes the value of the electric bias (current or voltage). According to the present invention, by performing quantization using this, high accuracy (in principle, infinitesimal) is possible without sacrificing sensor output, which is impossible in analog operation or binary digital operation. ) An ideal non-contact current sensor for detecting a magnetic field can be realized.
  • a plurality of the spin valve structures having different areas are provided, and the plurality of spin valve structures are connected in series.
  • the electrical means passes the same current to the plurality of spin valve structures, the current density changes in each spin valve structure. That is, a different magnetic field threshold (detectable without current) can be assigned to each spin valve structure.
  • the electrical means changes the pulse height each time a current is applied. That is, the application of current in the electrical means and the reading of the resistance value in the resistance reading means are alternately performed a plurality of times, and the electrical means changes the pulse height each time the current is applied. As a result, quantization corresponding to the pulse height is performed.
  • the electrical means changes the pulse width each time a current is applied. That is, the application of current in the electric means and the reading of the resistance value in the resistance reading means are alternately performed a plurality of times, and the electric means changes the pulse width each time the current is applied. As a result, quantization corresponding to the pulse width is performed.
  • a spin valve structure including a free layer, a pinned layer, and a nonmagnetic layer disposed between the free layer and the pinned layer, and a current-induced magnetic field are detected.
  • the magnetic force is configured to be larger than the current-induced magnetic field to be detected, and the electrical means applies a current to the spin valve structure to change the magnetization directions of the pinned layer and the free layer.
  • the resistance reading means has a resistance value corresponding to the transition between the parallel state and the antiparallel state. Reading Since the threshold value of the current corresponding to the transition or the current-induced magnetic field is detected, the magnetization direction of the free layer of the spin valve structure is in a state parallel to the direction of the pinned layer and an antiparallel state. Is made to correspond to the logical values “0” and “1”, respectively, so that the magnetic field of the non-contact current sensor can be detected as a digital operation.
  • the magnetic field is detected in analog by the angle of the magnetization direction of the free layer and the pinned layer, it is less affected by environmental noise, and the magnetic field can be detected with high accuracy. That is, it is possible to detect the current with high accuracy in the non-contact current sensor.
  • the non-contact current sensor In the non-contact current sensor according to the present invention, a plurality of the spin valve structures having different areas are provided, and the plurality of spin valve structures are connected in series. In this case, the current density is different in each spin valve structure. At that time, in the spin valve structure in which a current density equal to or higher than the threshold value corresponding to the magnetic field to be detected acts, the magnetization direction of the pinned layer and the free layer changes between the parallel state and the antiparallel state, and the state is maintained. Will be. In this way, quantization corresponding to the number of spin valve structures is performed, and a highly accurate magnetic field can be detected by applying a single current. Further, since the magnetic field can be detected only by applying a single current, it is possible to detect the magnetic field at a higher speed.
  • the electric means changes the pulse height every time a current is applied, so that the value of the magnetic field corresponds to the pulse height.
  • the magnetic field can be detected with one spin valve structure.
  • the electric means changes the pulse width every time a current is applied, so that the value of the magnetic field corresponding to the pulse width is detected.
  • the magnetic field can be detected with one spin valve structure.
  • FIG. (A) is the figure which showed the relationship between a current pulse width (logarithm value) and the current density applied at the time of a detection, (b) performs the application of a current pulse and reading of a resistance value N times alternately. It is the figure which showed the process, and is the figure which showed the process which changes the pulse width of an electric current, whenever it applies.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a relationship between a non-contact current sensor according to an embodiment of the present invention and a current and a magnetic field (current-induced magnetic field) to be detected.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the TMR element of the non-contact current sensor according to the embodiment.
  • the non-contact current sensor 1 detects a current-induced magnetic field A induced by a current 20 to be measured by a GMR element or a TMR element.
  • the non-contact current sensor 1 includes a TMR element 2 having a spin valve structure and an electric pulse source 3 connected to the TMR element 2.
  • the TMR element 2 includes a plurality of layers stacked by a sputtering method. As shown in FIG. 2, on the substrate 10, a lower electrode (Cu / Ta) 11, a pinned layer (CoFeB / Ru / CoFe / IrMn) 12, a tunnel insulating film (MgO) 13 as a nonmagnetic layer, The free layer (CoFeB) 14 is laminated in this order.
  • the three layers of the pinned layer 12, the tunnel insulating film 13, and the free layer 14 are processed into a junction size of 200 ⁇ 100 nm by a technique such as Ar ion milling.
  • An interlayer insulating film (SiO 2 ) 15 is formed on the three layers 12, 13, 14 and the lower electrode 11.
  • the interlayer insulating film 15 includes a first contact hole 15 a for connecting to three layers (junction portions) of the pinned layer 12, the tunnel insulating film 13, and the free layer 14, and the lower electrode 11.
  • a second contact hole 15b for connection is formed.
  • An upper electrode (Cu / Ta) 16 is formed on the interlayer insulating film 15.
  • the TMR element 2 can fix the magnetization direction of the pinned layer 12 by performing annealing in a magnetic field of about 1 T at a temperature of 300 ° C. to 350 ° C. .
  • the tunnel insulating film (MgO) 13 and the CoFeB of the pinned layer 12 and the free layer 14 are crystallized, so that a huge magnetoresistance of 100% to 200% (that is, the free layer at the time of magnetic field sensing). 14 and an output value based on a resistance change corresponding to parallel (low resistance) and antiparallel (high resistance) in the magnetization arrangement of the pinned layer 12 is obtained.
  • the electric pulse source 3 includes an electric means 4 for applying a current to the spin valve structure of the TMR element 2 when detecting the current-induced magnetic field A, and a TMR when detecting the current-induced magnetic field A.
  • Resistance reading means 5 for electrically reading the resistance value of the spin valve structure of the element 2 is provided.
  • the electrical means 4 in the present embodiment is used as a means for performing magnetization reversal of the free layer 14 called current injection magnetization reversal, which has been recently discovered and is currently being studied as a basic technology of nonvolatile memory (MRAM).
  • This current injection magnetization reversal means that the magnetization direction B of the pinned layer 12 and the magnetization direction C of the free layer 14 are changed from a parallel state to an antiparallel state or from an antiparallel state to a parallel state depending on the polarity of the current. And inversion (transition).
  • the magnetization directions of the pinned layer 12 and the magnetization direction C of the free layer 14 are parallel.
  • the electrical means 4 causes a current to flow from the free layer 14 side.
  • spin-polarized electrons are injected into the free layer 14 from the pinned layer 12 through the tunnel insulating film 13.
  • the magnetization of the free layer 14 receives torque in the same direction as the magnetization direction of the pinned layer 12.
  • the magnetization direction C of the free layer 14 transitions to a state parallel to the magnetization direction B of the pinned layer 12. This state is a logical value “0”.
  • the magnetization directions of the pinned layer 12 and the free layer are antiparallel means that the magnetization directions of both are in opposite directions.
  • the electrical means 4 causes a current to flow from the pinned layer 12 side. Then, spin-polarized electrons are injected from the free layer 14 into the pinned layer 12 through the tunnel insulating film 13.
  • the resistance reading means 5 is configured to read the resistance value of the TMR element 2 generated by the TMR effect.
  • the electrical resistance changes between the parallel state (logical value “0”) and the antiparallel state (logical value “1”) as described above.
  • This phenomenon is called a tunnel magnetoresistance effect (TMR effect).
  • the non-contact current sensor 1 of the present embodiment reads the resistance value when the resistance reading unit 5 transitions from the logical value “0” to the logical value “1”, and thereby the electrical unit 4 corresponding to the transition. The current value is detected. Thereby, the non-contact current sensor 1 can detect the current-induced magnetic field A of the current 20.
  • the current value (voltage value) used for reading at this time may be set so as not to cause magnetization reversal of the free layer 14, that is, to be equal to or lower than the threshold value for current injection magnetization reversal.
  • the present embodiment is different from the conventional magnetic sensor, non-contact current sensor, or MRAM that performs recording and erasing with a current-induced magnetic field, in that the coercivity of the magnetization of the free layer 14 is higher than that of the current-induced magnetic field A to be detected. Designing the structure or material to be large.
  • the coercive force can be increased because the demagnetizing field is increased by reducing the size in the magnetization direction. It is also possible to use the phenomenon that the coercive force increases in proportion to 1 / D by changing the size (D). For example, in the size of ⁇ 100 nm shown in this embodiment, the coercive force can be doubled by changing the element size from 100 nm to 50 nm. Furthermore, when the element size is constant, the coercive force can be changed depending on the film thickness, although the dependence varies depending on the material.
  • the coercive force can be increased in the range of several Oe to 100 Oe by adding a nonmagnetic material such as Pt, Ta, or Nb to a soft magnetic material such as CoFe, CoFeB, or NiFe. It is of course possible to use a perpendicular magnetization film such as TbFeCo or a Co / Ni multilayer film which is a ferrimagnetic material.
  • the coercive force of the free layer 14 is 15 Oe, and the magnetic field to be detected is 10 Oe or less.
  • the magnetization of the free layer 14 is opposite to the parallel state (logical value “0”).
  • the voltage / current value used for reading the resistance value by the resistance reading means 5 is sufficiently smaller than the value necessary for the transition of the magnetization direction of the free layer 14, so that no change occurs. .
  • the threshold value of the current required for the transition of the magnetization direction of the free layer 14 is reduced. That is, the fact that the threshold value of the current necessary for the transition of the magnetization direction of the free layer 14 changes depending on the magnitude of the current-induced magnetic field is used.
  • the other external field switching (state transition) threshold is variable.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the magnetic field to be detected and the current density of the current applied at the time of detection for the non-contact current sensor 1 according to the embodiment of the present invention.
  • the current density refers to a current value per unit area.
  • the current applied to the TMR element 2 when detecting the magnetic field is I (that is, the current value is constant).
  • FIG. 3 shows a relationship between N current densities J 1 to J N and N magnetic field magnitudes H 1 to H N in the current I. As indicated by a dotted line in FIG. 3, the current density and the magnetic field range (lower limit) correspond to each other on a one-to-one basis.
  • the linear relationship in FIG. 3 is a result of obtaining a current density threshold value by simulation in a situation where a current-induced magnetic field exists.
  • the linear relationship obtained here is not necessarily required, and the current density and the magnetic field value only need to correspond one-to-one.
  • bias control when detecting a magnetic field when a linear relationship is obtained, there is an advantage that the magnetic field range to be detected can be handled with a margin of a constant current width.
  • the magnitude of the magnetic field that can be detected by the N current densities J 1 to J N is H 1 to H N, and therefore, in this embodiment, N quantizations are performed.
  • the magnetic field H i H 1 ⁇ H i ⁇ H N
  • the free Digital detection can be performed corresponding to the transition of the magnetization direction of the layer 14.
  • the current induced magnetic field can be detected with higher accuracy as the number of quantization samplings is increased in accordance with the measurement accuracy.
  • the S / N can be improved by detecting lock-in in accordance with the cycle of the pulse. This makes it possible to detect the magnetic field with higher accuracy.
  • Jc shown at the top of the vertical axis in FIG. 3 is a current density threshold when the current-induced magnetic field is zero.
  • FIG. 4A is a diagram showing the relationship between the area of the junction of the spin valve structure and the current density applied at the time of detection
  • FIG. 4B is a configuration in which spin valve structures having different areas are connected in series.
  • a plurality of spin valve structures (TMR elements) having different areas are provided, and the plurality of spin valve structures are connected in series.
  • the electrical means 4 applies a constant current I to the higher spin valve layers connected in series.
  • each spin valve structure When a constant current I is applied in the spin valve structures connected in series, each spin valve structure has a different area, so that the current density is different for each spin valve structure. That is, as shown in FIG. 4A, N current densities J 1 to J N have a one-to-one correspondence with N spin valve structures S 1 to S N having different areas. Therefore, according to the present embodiment, it is possible to perform quantization sampling corresponding to the number of spin valve structures only by using a single current I.
  • the resistance value corresponding to the transition of the magnetization direction of the free layer 14 is also different for each spin valve structure.
  • FIG. 5 is a diagram showing a process of alternately applying a current pulse and reading a resistance value N times in the non-contact current sensor 1 according to the embodiment of the present invention.
  • the application of current in the electrical means 4 and the reading of the resistance value in the resistance reading means 5 are alternately performed N times.
  • Lw 1 , Lw 2 ,... Lw N indicate the pulse height of the current applied by the electric means 4
  • Ir indicates the read current in the resistance reading means 5.
  • the electrical means 4 changes the pulse height each time a current is applied. That is, the electrical means 4 changes the pulse height to Lw 1 , Lw 2 ,... Lw N every time a current is applied.
  • quantization sampling is performed by making the change in current density (quantization sampling number N) shown in FIG. 3 correspond to the pulse height of N currents. Therefore, according to the present embodiment, N quantization samplings can be performed with only one spin valve structure.
  • the electrical means 4 is configured to change the pulse height from a low value to a high value when applying a current. This is because with this configuration, the process of initializing the magnetization direction of the free layer 14 can be omitted.
  • FIG. 6A is a diagram showing the relationship between the current pulse width (logarithmic value) and the current density applied at the time of detection
  • FIG. 6B alternately shows the application of the current pulse and the reading of the resistance value. It is the figure which showed the process performed N times.
  • the application of current in the electric means 4 and the reading of the resistance value in the resistance reading means 5 are alternately performed N times.
  • ⁇ 1 , ⁇ 2 ,... ⁇ N indicate the pulse width of the current applied by the electric means 4
  • ⁇ r indicates the pulse width of the read current in the resistance reading means 5.
  • the electric means 4 changes the pulse width every time a current is applied. That is, the electrical means 4 changes the pulse width to ⁇ 1 , ⁇ 2 ,... ⁇ N every time a current is applied.
  • J C J C 0 ⁇ 1- (k B T / E) ln ( ⁇ p / ⁇ 0) ⁇ (Formula 2)
  • J C is a threshold value of the current density required for transition of the magnetization direction of the free layer 14
  • ⁇ p is a pulse width at the current.
  • k B represents Boltzmann constant
  • T represents temperature
  • E represents potential energy.
  • the current density threshold J C is inversely proportional to the logarithm of the pulse width ⁇ p. In other words, the shorter the current pulse width, the higher the current density required for transition of the magnetization direction of the free layer 14. Therefore, shortening the pulse width ⁇ of the current applied when detecting the current-induced magnetic field is equivalent to changing the current density threshold JC .
  • the vertical axis represents current densities J 1 , J 2 ,... J N
  • the horizontal axis represents logarithmic values of pulse widths ⁇ 1 , ⁇ 2 ,. ⁇ If ⁇ N , these relationships are linear.
  • quantization sampling is performed by making the change in current density (quantization sampling number N) shown in FIG. 3 correspond to the pulse width of N currents. Therefore, according to the present embodiment, N quantization samplings can be performed with only one spin valve structure.
  • the non-contact current sensor 1 includes a free layer 14, a pinned layer 12, and a tunnel insulating film 13 as a nonmagnetic layer disposed between the free layer 14 and the pinned layer 12. 2, electrical means 4 for applying a current to the TMR element 2 when detecting the current-induced magnetic field A, and resistance reading means 5 for electrically reading the resistance value of the TMR element 2 when detecting the current-induced magnetic field And. And it is comprised so that the coercive force of the free layer 14 may become larger than the electric current induction magnetic field A made into a detection target.
  • the electrical means 4 applies a current to the TMR element so that the magnetization directions of the pinned layer 12 and the free layer 14 transition between a mutually parallel state and an antiparallel state. It has become.
  • the resistance reading means 5 detects the current threshold corresponding to the transition by reading the resistance value corresponding to the transition between the parallel state and the antiparallel state.
  • a state where the magnetization direction of the free layer 14 of the spin valve structure is parallel to the direction of the pinned layer 12 and an antiparallel state correspond to the logical values “0” and “1”, respectively.
  • the magnetic field of the non-contact current sensor 1 can be detected as a digital operation.
  • Such a principle of digital operation makes it possible to sense current that is resistant to environmental noise.
  • the magnetic field can be detected with high accuracy by quantization corresponding to the number of the TMR elements 2, the current value of the electric means 4, or the current pulse (or a combination thereof). That is, the non-contact current sensor 1 can detect current with high accuracy.
  • the response speed of the TMR element 2 itself shown above is as high as ns or less.
  • the measurement band is wide from DC to the magnetic resonance frequency (typically several GHz to several tens GHz).
  • the TMR element 2 using MgO as the tunnel insulating film 13 is used, an excellent effect that a high output (up to 200%) can be obtained is obtained.
  • the present invention is not limited to the materials, compositions, element sizes, spin valve structure forming methods, and the like of the above-described embodiments.
  • Non-contact current sensor 2
  • TMR element 3
  • Electrical pulse source 4
  • Electrical means 5
  • Resistance reading means 10
  • Substrate 11
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  • Pin layer 13
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  • Free layer 15
  • Interlayer insulating film 16
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Abstract

　本発明は、スピンバルブ構造２と、スピンバルブ構造２に電流を印加する電気的手段４と、スピンバルブ構造２の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段５とを備え、フリー層１４の保磁力が、検知対象とする電流誘起磁場よりも大きくなるように構成され、電気的手段４が、スピンバルブ構造２に電流を印加することによって、ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きを相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間で遷移させるようになっており、抵抗読出手段５が、平行な状態と反平行な状態との間の遷移に対応する抵抗値を読出すことにより、遷移に対応する電流の閾値もしくは電流誘起磁場を検知するようになっている。

Description

非接触電流センサ
　本発明は、非接触電流センサに関し、特に、電流が誘起する磁場を検知することにより非接触で電流を測定するセンサに関する。
　近年、環境・エネルギー技術への関心の高まりは著しく、電気機器の電流値を非接触で高精度に測定する技術は様々な場面で必要とされている。例えば、パワー半導体の代表的なデバイスであるインバータには電流センサが必須であり、また、ブレーカについてもしかりである。
　上述したデバイスは、数百アンペアの電流を消費するため、電流が誘起する磁場（電流誘起磁場）を非接触で検知する場合、その検知に使用される電流センサは、測定対象とする磁場の大きさが一桁から数十Ｏｅ（エルステッド）となる。
　また、カーエレクトロニクスに電流センサが使用される場合には、エンジンルーム内の環境ノイズが大きいため、感度が非常に高いが飽和してしまうＭＩセンサを使用するのは困難である。したがって、このような場合においては、ＧＭＲ（巨大磁気抵抗）素子やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗）素子を用いた非接触電流センサの使用が検討されている。
　上述したＧＭＲ素子やＴＭＲ素子は、ハードディスクの読出しヘッドとして既に実用化されている。ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、スピンバルブと呼ばれる磁性多層膜構造を有している。ここで、スピンバルブ構造とは、磁性層（ピン層）と、非磁性層と、磁性層（フリー層）とを積層してなる構造である。ピン層は、フリー層よりも磁化の向きが反転しづらいように構成されている。非磁性層は、２つの磁性層の間（ピン層とフリー層との間）の磁気結合を切断する役割を果たすために配置されている。スピンバルブ構造は、この非磁性層に金属が用いられた場合にはＧＭＲ素子として動作し、一方、絶縁体が用いられた場合にはＴＭＲ素子として動作する。
　これらＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子の動作原理としては、検知対象とする磁場の影響によりフリー層の磁化の向きがピン層の磁化の向きに対して角度を生じる現象を利用する。つまり、角度に応じてスピンバルブ構造の抵抗値が変化するので、ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、この抵抗値の変化により磁場を検知する。ここで、フリー層の磁化の向きとピン層の磁化の向きとが平行となる場合（平行配置）に抵抗値が最も低く、フリー層の磁化の向きとピン層の磁化の向きとが反平行となる場合（反平行配置）に抵抗値が最も高くなる。
　ＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、検知対象からの微小な漏れ磁界を検知するために、平行配置と反平行配置との間において線形性（リニアリティ）がある領域で磁場を検知するようなアナログ動作を基本としている。
　例えば、磁気ヘッドにおいては、強磁性膜（ハードバイアス膜と呼ばれる）が隣接して配置されている。つまり、このような配置により一定のバイアス磁場がかかり、フリー層の磁化の向きがピン層の磁化の向きに対して予め傾いた状態となる。このような予め傾いた状態を基準とすることにより上述したアナログ動作が実現されている。また、デバイスの感度は、フリー層の保磁力で決まるため、これらＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子においては、検知対象とする磁場よりもフリー層の保磁力が小さくなるように材料あるいは構造が設計されている。
特開２００７－３０５６２９号公報
　しかしながら、上述したようなアナログ動作を行うＧＭＲ素子及びＴＭＲ素子は、パワー半導体やブレーカへの適用、あるいはカーエレクトロニクス等のように環境ノイズが大きい条件下での測定には不向きである。すなわち、アナログ動作において高精度（高分解能）測定を行う場合には、分解能と引き換えに出力が減少するという原理的な問題を避けることはできない。したがって、周辺環境ノイズが強い環境下での動作は困難になり、また、後段に高速高性能なプリアンプが必要となる等の新たな問題も生じる。一方、ディジタル検出動作においてはアナログ動作のような問題はないものの、平行配置及び反平行配置に対応する２値のみの検出となるため、非接触電流センサとしての適用範囲が狭くなるという別の問題が生じる。
　本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、環境ノイズが大きい環境下においても動作可能な非接触電流センサを提供することである。特に、本発明の目的は、一桁から数十Ｏｅの電流誘起磁場を高精度に、フリー層の保磁力に律速されることなく、原理的には無限小の磁場分解能で検知することが可能な非接触電流センサを提供することである。
　本願の発明者は、従来の線形性（リニアリティ）を前提としたアナログ動作を原理とする非接触センサのあり方にまで立ち戻って上記課題を吟味することにより、以下に示す量子化手法を用いたディジタル動作を基本とする非接触電流センサの発明に至った。
　すなわち、本発明の非接触電流センサは、上記課題を解決するために、フリー層と、ピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に配置された非磁性層とを備えるスピンバルブ構造と、電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造に電流を印加する電気的手段と、電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段とを備えている。
　そして、前記フリー層の保磁力が、検知対象とする前記電流誘起磁場よりも大きくなるように構成されている。また、前記電気的手段が、前記スピンバルブ構造に電流を印加することによって、前記ピン層と前記フリー層の磁化の向きを相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間で遷移させるようになっており、前記抵抗読出手段が、前記平行な状態と前記反平行な状態との間の遷移に対応する抵抗値を読出すことにより前記遷移に対応する電流の閾値もしくは電流誘起磁場を検知するようになっている。
　上記構成によれば、スピンバルブ構造のフリー層の磁化の向きがピン層の向きに対して平行な状態と反平行な状態とをそれぞれ論理値“０”、“１”に対応させることにより、非接触電流センサのセンシングをディジタル動作として行うことができる。これにより、平行な状態と反平行な状態との間の遷移時の電流値に対応した量子化が行われ、非接触電流センサにおける高精度な磁場の検知が可能となる。
　すなわち、上記構成では、電流誘起磁場が存在する場合には、フリー層の磁化の向きが遷移するのに必要となる電流の閾値が低減するという点に注目している。本発明は、電流誘起磁場の大きさによって、フリー層の磁化の向きが遷移するのに必要となる電流の閾値が変化するということを利用している。つまり、電流誘起磁場を検知する際に、電気的手段が電気バイアス（電流または電圧）の値を変化させることにより検知可能な磁場の閾値が変化する。本発明によれば、これを利用して量子化行うことにより、アナログ動作や２値ディジタル動作では不可能であった、センサ出力を犠牲にすることなく高精度に（原理的には無限小の）磁場を検知する理想的な非接触電流センサを実現することができる。
　また、本発明の別の形態によれば、面積の異なる前記スピンバルブ構造が複数設けられ、前記複数のスピンバルブ構造が直列に接続されている。これにより、電気的手段が同一の電流を複数のスピンバルブ構造に流した場合に、各スピンバルブ構造において電流密度が変化することになる。つまり、各スピンバルブ構造に異なる（電流なしで検出可能な）磁場閾値を割当てることができる。
　また、本発明の別の形態によれば、前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス高さを変化させるようになっている。つまり、電気的手段における電流の印加と抵抗読出手段における抵抗値の読出しとが交互に複数回行われ、電気的手段が、電流を印加するごとにパルス高さを変化させる。これにより、パルス高さに対応した量子化が行われることになる。
　また、本発明の別の形態によれば、前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス幅を変化させるようになっている。つまり、電気的手段における電流の印加と抵抗読出手段における抵抗値の読出しとが交互に複数回行われ、電気的手段が、電流を印加するごとにパルス幅を変化させる。これにより、パルス幅に対応した量子化が行われることになる。
　本発明に係る非接触電流センサによれば、フリー層と、ピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に配置された非磁性層とを備えるスピンバルブ構造と、電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造に電流を印加する電気的手段と、電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段とを備え、前記フリー層の保磁力が、検知対象とする前記電流誘起磁場よりも大きくなるように構成され、前記電気的手段が、前記スピンバルブ構造に電流を印加することによって、前記ピン層と前記フリー層の磁化の向きを相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間で遷移させるようになっており、前記抵抗読出手段が、前記平行な状態と前記反平行な状態との間の遷移に対応する抵抗値を読出すことにより前記遷移に対応する電流の閾値もしくは電流誘起磁場を検知するようになっているので、スピンバルブ構造のフリー層の磁化の向きがピン層の向きに対して平行な状態と反平行な状態とをそれぞれ論理値“０”、“１”に対応させることにより、非接触電流センサの磁場の検知をディジタル動作として行うことができる。つまり、従来のフリー層とピン層の磁化の向きの角度によってアナログに磁場を検知するのに比べて、環境ノイズの影響を受けにくくなり、高精度に磁場を検知することができる。すなわち、非接触電流センサにおける高精度な電流の検知が可能となる。
　また、本発明に係る非接触電流センサによれば、面積の異なる前記スピンバルブ構造が複数設けられ、前記複数のスピンバルブ構造が直列に接続されているので、電気的手段が同一の電流を流した際に、各スピンバルブ構造において電流密度が異なることになる。その際、検出対象の磁場に対応する閾値以上の電流密度が作用するスピンバルブ構造において、ピン層とフリー層の磁化の向きが平行状態と反平行状態との間で遷移し、その状態が保持されることになる。このように、スピンバルブ構造の数に対応した量子化が行われることになり、一回の電流の印加だけで高精度な磁場の検知が可能となる。また、一回の電流の印加だけで磁場の検知ができるので、より高速な磁場の検知を行うことができる。
　また、本発明に係る非接触電流センサによれば、前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス高さを変化させるようになっているので、パルス高さに対応して磁場の値が検知されることになり、１つのスピンバルブ構造で磁場の検知を行うことができる。
　また、本発明に係る非接触電流センサによれば、前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス幅を変化させるようになっているので、パルス幅に対応して磁場の値が検知されることになり、１つのスピンバルブ構造で磁場の検知を行うことができる。
本発明の実施形態に係る非接触電流センサと検知対象とする電流及び磁場（電流誘起磁場）との関係を模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係る非接触電流センサのスピンバルブ構造の断面図である。 本発明の実施形態に係る非接触電流センサについて、検知対象となる磁場と検知時に印加する電流密度との関係を示した図である。 （ａ）は、スピンバルブ構造の接合部の面積と検知時に印加する電流密度との関係を示す図であり、（ｂ）は、面積の異なるスピンバルブ構造を直列に接続した構成を模式的に示した図である。 本発明の実施形態に係る非接触電流センサにおいて、電流パルスの印加と抵抗値の読出しとを交互にＮ回行うプロセスを示した図であり、印加するごとに電流のパルス高さを変えるプロセスを示した図である。 （ａ）は、電流パルス幅（対数値）と検知時に印加する電流密度との関係を示した図であり、（ｂ）は、電流パルスの印加と抵抗値の読出しとを交互にＮ回行うプロセスを示した図であり、印加するごとに電流のパルス幅を変えるプロセスを示した図である。
　以下、本発明の実施形態に係る非接触電流センサを、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態に係る非接触電流センサと、検知対象とする電流及び磁場（電流誘起磁場）との関係を模式的に示した図である。図２は、実施形態に係る非接触電流センサのＴＭＲ素子の断面図である。
　本実施形態に係る非接触電流センサ１は、測定対象となる電流２０により誘起される電流誘起磁場ＡをＧＭＲ素子あるいはＴＭＲ素子により検知するものである。
　図１に示すように、非接触電流センサ１は、スピンバルブ構造からなるＴＭＲ素子２と、ＴＭＲ素子２に接続された電気パルス源３とを備えている。
　ＴＭＲ素子２は、スパッタ法により積層された複数の層を備えている。図２に示すように、基板１０上には、下部電極（Ｃｕ／Ｔａ）１１と、ピン層（ＣｏＦｅＢ／Ｒｕ／ＣｏＦｅ／ＩｒＭｎ）１２と、非磁性層としてのトンネル絶縁膜（ＭｇＯ）１３と、フリー層（ＣｏＦｅＢ）１４とが当該順に積層されている。
　図２に示すように、ピン層１２とトンネル絶縁膜１３とフリー層１４の３層は、Ａｒイオンミリングなどの手法により２００×１００ｎｍの接合サイズに加工されている。そして、これら３層１２，１３，１４と下部電極１１上には、層間絶縁膜（ＳｉＯ２）１５が形成されている。
　図２に示すように、層間絶縁膜１５には、ピン層１２とトンネル絶縁膜１３とフリー層１４の３層（接合部）へ接続するための第１のコンタクトホール１５ａと、下部電極１１へ接続するための第２のコンタクトホール１５ｂが形成されている。そして、層間絶縁膜１５上には、上部電極（Ｃｕ／Ｔａ）１６が形成されている。
　以上のような構成により、ＴＭＲ素子２は、３００℃～３５０℃の温度下において、１Ｔ程度の磁場中でアニール（annealing）を行うことにより、ピン層１２の磁化の向きを固定することができる。また、この際、トンネル絶縁膜（ＭｇＯ）１３と、ピン層１２及びフリー層１４のＣｏＦｅＢとが結晶化することにより、１００％～２００％の巨大な磁気抵抗（すなわち磁場センシング時の、フリー層１４及びピン層１２の磁化配置における平行（低抵抗）、反平行（高抵抗）に対応する抵抗変化に基づく出力値）が得られることになる。
　図１に示すように、電気パルス源３は、電流誘起磁場Ａを検知する際にＴＭＲ素子２のスピンバルブ構造に電流を印加する電気的手段４と、電流誘起磁場Ａを検知する際にＴＭＲ素子２のスピンバルブ構造の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段５とを備えている。
　本実施形態における電気的手段４は、最近発見され現在では不揮発メモリ（ＭＲＡＭ）の基幹技術として研究されている電流注入磁化反転と呼ばれるフリー層１４の磁化反転を行う手段として使用される。
　この電流注入磁化反転とは、電流の極性によりピン層１２の磁化の向きＢ及びフリー層１４の磁化の向きＣを平行な状態から反平行な状態へ、あるいは反平行な状態から平行な状態へと反転（遷移）させる方法である。
　まず、ピン層１２の磁化の向きＢとフリー層１４の磁化の向きＣが平行になる場合について説明する。ここで、ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きが平行になるとは、双方の磁化の向きが同じ方向に整列することをいう。
　ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きを平行にするには、電気的手段４は、フリー層１４側から電流を流す。そうすると、スピン偏極した電子が、ピン層１２からトンネル絶縁膜１３を介してフリー層１４に注入される。フリー層１４にスピン偏極した電子が注入されると、フリー層１４の磁化は、ピン層１２の磁化方向と同じ向きのトルクを受ける。これにより、フリー層１４の磁化の向きＣがピン層１２の磁化の向きＢと平行な状態に遷移する。なお、この状態を論理値“０”とする。
　次に、ピン層１２の磁化の向きＢとフリー層１４の磁化の向きＣが反平行になる場合について説明する。ここで、ピン層１２とフリー層の磁化の向きが反平行になるとは、双方の磁化の向きが互いに反対方向に向いていることをいう。
　ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きが平行な状態において、電気的手段４は、ピン層１２側から電流を流す。そうすると、スピン偏極した電子が、フリー層１４からトンネル絶縁膜１３を介してピン層１２に注入される。このとき、ピン層１２と平行なスピンを有する電子のみがピン層１２に注入され、ピン層１２と平行でないスピンを有する電子は反射されてフリー層１４に蓄積されることになる。これにより、フリー層１４の磁化の向きＣがピン層１２の磁化の向きＢと反平行な状態に遷移する。なお、この状態を論理値“１”とする。
　抵抗読出手段５は、ＴＭＲ効果によって生じたＴＭＲ素子２の抵抗値を読み取るように構成されている。ＴＭＲ素子２においては、上述したような平行状態（論理値“０”）と反平行状態（論理値“１”）とで電気抵抗が変化する。この現象をトンネル磁気抵抗効果（ＴＭＲ効果）という。つまり、本実施形態の非接触電流センサ１は、抵抗読出手段５が論理値“０”から論理値“１”に遷移した際の抵抗値を読み出すことにより、その遷移に対応した電気的手段４の電流値を検知するように構成されている。これにより、非接触電流センサ１は、電流２０の電流誘起磁場Ａを検知することができる。なお、この時読み出しに使用する電流値（電圧値）は、上記のフリー層１４の磁化反転を引き起こさない、すなわち電流注入磁化反転の閾値以下に設定すればよい。
　本実施形態において、従来の磁気センサや非接触電流センサ、あるいは電流誘起磁場により記録消去を行うＭＲＡＭと異なる点は、フリー層１４の磁化の保磁力が、検知対象となる電流誘起磁場Ａよりも大きくなるように構造あるいは材料を設計することである。
　このような目的に使用可能なものとして、構造を変えることによる保磁力変化の方法が知られている。例えば、形状磁気異方性を利用するのであれば、磁化方向のサイズを短くすることで反磁場が大きくなるため保磁力を大きくすることが可能である。
　また、サイズ（Ｄ）を変えることで保磁力が１／Ｄに比例して大きくなるという現象を利用することもできる。例えば、本実施形態で示す～１００ｎｍのサイズにおいては、素子サイズを１００ｎｍから５０ｎｍにすることで保磁力を２倍にすることができる。さらに素子サイズが一定の場合には、材料によりその依存性は異なるが膜厚によって保磁力を変えることも可能である。一方、保磁力の異なる磁性材料を用いることも勿論可能である。さらに、ＣｏＦｅやＣｏＦｅＢ、ＮｉＦｅなどの軟磁性材料にＰｔやＴａ、Ｎｂ等の非磁性材料を添加することで数Ｏｅ～１００Ｏｅの範囲で保磁力を増加させることも可能である。また、フェリ磁性材料であるＴｂＦｅＣｏやＣｏ／Ｎｉ多層膜などの垂直磁化膜を使用することも勿論可能である。
　次に、本発明に係る非接触電流センサ１において、電流誘起磁場を検知する方法を以下に説明する。
　例えば、フリー層１４の保磁力を１５Ｏｅとし、検知対象とする磁場が１０Ｏｅ以下であると仮定する。このように磁場の強さがフリー層１４の保磁力より小さい場合、ＴＭＲ素子２のスピンバルブ構造に電流を印加しなければ、フリー層１４の磁化が平行状態（論理値“０”）と反平行状態（論理値“１”）との間で遷移しない。したがって、電流による電流誘起磁場が検知できないことになる。当然ながら、抵抗読出手段５による抵抗値の読出しなどに使用される電圧・電流値は、フリー層１４の磁化の向きが遷移するのに必要な値よりも十分に小さいため、何ら変化は起きない。
　ここで、本発明では、電流誘起磁場が存在する場合には、フリー層１４の磁化の向きが遷移するのに必要となる電流の閾値が低減するという点に注目している。つまり、電流誘起磁場の大きさによって、フリー層１４の磁化の向きが遷移するのに必要となる電流の閾値が変化するということを利用する。言い換えると、磁化の平行配置と反平行配置との間の状態遷移が２種類の外場、すなわち（電流誘起）磁場または電流で独立に行えるので、このとき片方の外場をパラメータとすれば、他方の外場のスイッチング（状態遷移）の閾値は可変となる。これにより、原理的には無限小のサンプリング間隔で量子化を行うことが可能になる。したがって、フリー層１４の保磁力の制限を受けることなく、原理的には無限小の分解能が可能な高精度の磁場検出を、出力を減少させることなく（なぜなら、常に出力はディジタルの“０”、“１”となるため）行えるのである。
　図３は、本発明の実施形態に係る非接触電流センサ１について、検知対象となる磁場と検知時に印加する電流の電流密度との関係を示した図である。なお、ここで、電流密度とは、単位面積あたりの電流値を指す。
　ここで、磁場の検知時にＴＭＲ素子２に印加する電流をＩとする（すなわち、電流値は一定である）。図３は、電流ＩにおけるＮ個の電流密度Ｊ１～ＪＮとＮ個の磁場の大きさＨ１～ＨＮとの関係を示している。
　図３中の点線で示されているように、電流密度と磁場の範囲（下限）が１対１に対応している。この図３の直線関係は、電流誘起磁場が存在する状況下における電流密度の閾値をシミュレーションにより求めた結果である。
　一方、図３の縦軸の電流密度を２乗し、横軸を磁場としてグラフをリプロットした場合でも、同様の直線関係が得られる。この直線関係は、フリー層１４の磁化の向きの遷移に必要な磁気エネルギーと電気エネルギー（スピン流）の和が一定という条件に（１次近似の範囲で）対応していると考えられる。
　Ｃｏｎｓｔ＝Ｉ２Ｒ＋ＭＨ　　　　　　（式１）
　ここで、Ｉは、ＴＭＲ素子２に印加された電流であり、Ｒは、ＴＭＲ素子２で測定された抵抗値である。また、Ｍは、フリー層１４の磁化を表し、Ｈは、検知対象の磁場を表す。
　なお、ここで得た直線関係は、必ずしも必要ではなく、電流密度と磁場の値とが１対１に対応していればよい。ただし、磁場を検知する際のバイアス制御については、直線関係が得られている場合には、検知対象となる磁場範囲に対して一定の電流幅のマージンで対応できるという利点がある。
　図３に示すように、Ｎ個の電流密度Ｊ１～ＪＮにより検知可能な磁場の大きさがＨ１～ＨＮとなるので、本実施形態では、Ｎ個の量子化が行われることになる。つまり、検知対象とした１０Ｏｅ以下の磁場がＮ個にサンプリングされ、ある磁場Ｈｉ（Ｈ１≦Ｈｉ≦ＨＮ）対応する電流密度Ｊｉ（Ｊ１≦Ｊｉ≦ＪＮ）を、フリー層１４の磁化の向きの遷移に対応してディジタル検知することができる。
　ここで、測定精度に合わせて量子化サンプリング数を増加させればさせるほど、電流誘起磁場を高精度に検知することができる。また、抵抗読出手段５の抵抗値の読出しにおいてもパルスを用いれば、そのパルスの周期にあわせてロックイン検知することによりＳ／Ｎを向上させることができる。これにより、更に高精度で磁場を検知することが可能となる。
　なお、図３の縦軸の一番上に示したＪｃは、電流誘起磁場が０の場合における電流密度の閾値である。この電流密度Ｊｃを用いることにより、ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きを平行な状態及び反平行な状態のいずれの状態に初期化することができる。
　次に、本発明に係る非接触電流センサ１において量子化サンプリングを行うための第１の実施形態を説明する。図４（ａ）は、スピンバルブ構造の接合部の面積と検知時に印加する電流密度との関係を示す図であり、図４（ｂ）は、面積の異なるスピンバルブ構造を直列に接続した構成を示した図である。
　図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、面積の異なるスピンバルブ構造（ＴＭＲ素子）が複数設けられ、複数のスピンバルブ構造が直列に接続されている。そして、電気的手段４は、直列に接続されたスピンバルブ高層に一定の電流Ｉを印加するようになっている。
　直列に接続されたスピンバルブ構造において一定の電流Ｉが印加されると、各スピンバルブ構造は面積が異なるので、各スピンバルブ構造ごとに電流密度が異なることになる。つまり、図４（ａ）に示すように、面積の異なるＮ個のスピンバルブ構造Ｓ１～ＳＮに対してＮ個の電流密度Ｊ１～ＪＮが１対１に対応する。したがって、本実施形態によれば、単一の電流Ｉを用いるだけで、スピンバルブ構造の数に対応した量子化サンプリングを行うことができる。
　また、スピンバルブ構造の面積が異なるので、フリー層１４の磁化の向きの遷移に対応する抵抗値もスピンバルブ構造ごとに異なる。これを利用して、抵抗読出手段５における抵抗値の読出しにおいても、読出電流を直列に接続したスピンバルブ構造に印加した際の各スピンバルブ構造の電圧値を検知することにより、検知対応の磁場の値を一度に決定することもできる。
　次に、本発明に係る非接触電流センサ１において量子化サンプリングを行うための第２の実施形態を説明する。図５は、本発明の実施形態に係る非接触電流センサ１において、電流パルスの印加と抵抗値の読出しとを交互にＮ回行うプロセスを示した図である。
　図５に示すように、電気的手段４における電流の印加と抵抗読出手段５における抵抗値の読出しとが交互にＮ回行われるようになっている。ここで、Ｌｗ１，Ｌｗ２，・・・ＬｗＮは、電気的手段４が印加する電流のパルス高さを示しており、Ｉｒは、抵抗読出手段５における読出電流を示している。
　図５に示すように、電気的手段４は、電流を印加するごとにパルス高さを変化させるようになっている。つまり、電気的手段４は、電流を印加するごとに、パルス高さをＬｗ１，Ｌｗ２，・・・ＬｗＮと変化させている。
　本実施形態では、図３に示す電流密度の変化（量子化サンプリング数Ｎ）をＮ個の電流のパルス高さに対応させることにより、量子化サンプリングを行っている。
　したがって、本実施形態によれば、１つのスピンバルブ構造のみでＮ個の量子化サンプリングを行うことができる。また、ここで、電気的手段４は、電流を印加する際、パルス高さを低い値から開始して高い値へ変化させていくように構成されると更に好適である。この構成により、フリー層１４の磁化の向きを初期化するプロセスを省略することができるためである。
　次に、本発明に係る非接触電流センサ１において量子化サンプリングを行うための第３の実施形態を説明する。図６（ａ）は、電流パルス幅（対数値）と検知時に印加する電流密度との関係を示した図であり、図６（ｂ）は、電流パルスの印加と抵抗値の読出しとを交互にＮ回行うプロセスを示した図である。
　図６（ｂ）に示すように、電気的手段４における電流の印加と抵抗読出手段５における抵抗値の読出しとが交互にＮ回行われるようになっている。ここで、τ１，τ２，・・・τＮは、電気的手段４が印加する電流のパルス幅を示しており、τｒは、抵抗読出手段５における読出電流のパルス幅を示している。
　図６（ｂ）に示すように、電気的手段４は、電流を印加するごとにパルス幅を変化させるようになっている。つまり、電気的手段４は、電流を印加するごとに、パルス幅をτ１，τ２，・・・τＮと変化させている。
　フリー層１４の磁化の向きの遷移に必要な電流密度は、電流のパルス幅と以下のような関係であることが知られている。
　ＪＣ＝ＪＣ０｛１－（ｋＢＴ／Ｅ）ｌｎ（τｐ／τ０）｝　（式２）
　ここで、ＪＣは、フリー層１４の磁化の向きの遷移に必要な電流密度の閾値であり、τｐは、その電流におけるパルス幅である。また、ｋＢはボルツマン定数、Ｔは温度、Ｅはポテンシャルエネルギーを表す。
　この式２から、電流密度の閾値ＪＣは、パルス幅τｐの対数に反比例するという関係にある。言い換えれば、電流のパルス幅が短いほど、フリー層１４の磁化の向きの遷移に必要な電流密度は増加するということである。したがって、電流誘起磁場を検知する際に印加する電流のパルス幅τを短くすることは、電流密度の閾値ＪＣを変えることに相当する。
　図６（ａ）の点線で示されているように、縦軸を電流密度Ｊ１，Ｊ２，・・・ＪＮとし、横軸をパルス幅の対数値をτ１，τ２，・・・τＮとすると、これらの関係は直線関係となる。
　本実施形態では、図３に示す電流密度の変化（量子化サンプリング数Ｎ）をＮ個の電流のパルス幅に対応させることにより、量子化サンプリングを行っている。したがって、本実施形態によれば、１つのスピンバルブ構造のみでＮ個の量子化サンプリングを行うことができる。
　本実施形態に係る非接触電流センサ１は、フリー層１４と、ピン層１２と、フリー層１４とピン層１２との間に配置された非磁性層としてのトンネル絶縁膜１３とを備えるＴＭＲ素子２と、電流誘起磁場Ａを検知する際にＴＭＲ素子２に電流を印加する電気的手段４と、電流誘起磁場を検知する際にＴＭＲ素子２の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段５とを備えている。そして、フリー層１４の保磁力が、検知対象とする電流誘起磁場Ａよりも大きくなるように構成されている。また、電気的手段４が、ＴＭＲ素子に電流を印加することによって、ピン層１２とフリー層１４の磁化の向きを相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間で遷移させるようになっている。また、抵抗読出手段５が、平行な状態と反平行な状態との間の遷移に対応する抵抗値を読出すことにより前記遷移に対応する電流の閾値を検知するようになっている。
　このような構成によれば、スピンバルブ構造のフリー層１４の磁化の向きがピン層１２の向きに対して平行な状態と反平行な状態とをそれぞれ論理値“０”、“１”に対応させることにより、非接触電流センサ１の磁場の検知をディジタル動作として行うことができる。このようなディジタル動作の原理により、環境ノイズに強い電流のセンシングが可能となる。しかも、ＴＭＲ素子２の素子数、電気的手段４の電流値あるいは電流パルス（またはこれらの組み合わせ）に対応した量子化により、高精度な磁場の検知が可能となる。すなわち、非接触電流センサ１における高精度な電流の検知が可能となる。
　また、上述で示したＴＭＲ素子２自体の応答速度は、ｎｓ以下と高速である。そして、測定帯域は、ＤＣから磁気共鳴周波数（標準的には数ＧＨｚ～数十ＧＨｚ）までと広範囲である。また、ＭｇＯをトンネル絶縁膜１３としたＴＭＲ素子２を利用する場合には、高出力（～２００％）が得られるという優れた効果が得られる。
　以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施形態の材料やその組成、素子サイズ、スピンバルブ構造の形成方法などに限定されるものでない。
　量子化サンプリングについて３つの実施形態を示したが、これらはそれぞれ互いに重畳して利用することもできる。すなわち、複数のスピンバルブ構造を直列に接続した構成と、電流のパルス高さあるいはパルス幅を変える構成とを組み合わせることにより、より多数の量子化サンプリングが可能となる。これにより、検知対象となる磁場を高精度に検知することができる。
１　非接触電流センサ
２　ＴＭＲ素子
３　電気パルス源
４　電気的手段
５　抵抗読出手段
１０　基板
１１　下部電極
１２　ピン層
１３　トンネル絶縁膜
１４　フリー層
１５　層間絶縁膜
１６　上部電極
２０　検知対象の電流
Ａ　電流誘起磁場
Ｂ　ピン層の磁化の向き
Ｃ　フリー層の磁化の向き
 

Claims (4)

  1. 　フリー層と、ピン層と、前記フリー層と前記ピン層との間に配置された非磁性層とを備えるスピンバルブ構造と、
    　電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造に電流を印加する電気的手段と、
    　電流誘起磁場を検知する際に前記スピンバルブ構造の抵抗値を電気的に読出す抵抗読出手段とを備え、
    　前記フリー層の保磁力が、検知対象とする前記電流誘起磁場よりも大きくなるように構成され、
    　前記電気的手段が、前記スピンバルブ構造に電流を印加することによって、前記ピン層と前記フリー層の磁化の向きを相互に平行な状態と相互に反平行な状態との間で遷移させるようになっており、
    　前記抵抗読出手段が、前記平行な状態と前記反平行な状態との間の遷移に対応する抵抗値を読出すことにより前記遷移に対応する電流の閾値もしくは電流誘起磁場を検知するようになっていることを特徴とする非接触電流センサ。
  2. 　面積の異なる前記スピンバルブ構造が複数設けられ、前記複数のスピンバルブ構造が直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触電流センサ。
  3. 　前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス高さを変化させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の非接触電流センサ。
  4. 　前記電気的手段が、電流を印加するごとにパルス幅を変化させるようになっていることを特徴とする請求項１に記載の非接触電流センサ。
     
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