DE102018114015A1

DE102018114015A1 - Stromsensor

Info

Publication number: DE102018114015A1
Application number: DE102018114015.0A
Authority: DE
Inventors: Yuta Saito; Kenichi Takano; Hiraku Hirabayashi
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-06-13
Filing date: 2018-06-12
Publication date: 2018-12-13
Also published as: US20180356448A1; JP6658676B2; CN109085404B; JP2019002742A; US11293950B2; US11892477B2; CN109085404A; US20220187344A1

Abstract

Ein Stromsensor weist auf: ein Magnetowiderstandseffekt-Element, das in der Nähe einer Stromleitung angeordnet ist und an dem ein Signalmagnetfeld angelegt wird, wobei das Signalmagnetfeld durch einen Strom induziert wird, der in der Stromleitung fließt, und das eine magnetoresistive Änderung gemäß einer Änderung des Signalmagnetfelds erzeugt; ein Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel, das in der Nähe des Magnetowiderstandseffekt-Elements bereitgestellt ist und ein Aufhebungsmagnetfeld erzeugt, das das Signalmagnetfeld aufhebt; einen ersten weichmagnetischen Körper, der zwischen dem Magnetowiderstandseffekt-Element und der Stromleitung bereitgestellt ist; und ein Paar von zweiten weichmagnetischen Körpern, die an beiden Seiten des Magnetowiderstandseffekt-Elements bezüglich einer Magnetisierungsdetektionsrichtung des Magnetowiderstandseffekt-Elements bereitgestellt sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Anmeldung basiert auf und beansprucht den Zeitrang der JP-Anmeldung mit der Nummer 2017-116113 , eingereicht am 13. Juni 2017, deren Offenbarung hiermit unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stromsensor und insbesondere einen magnetisch ausgeglichenen Stromsensor.
Beschreibung des Stands der Technik
Ein magnetisch ausgeglichener Stromsensor mit einem Magnetowiderstandseffekt-Element und einer Rückkopplungsspule detektiert einen Strom, der in einer Stromleitung fließt, indem ein Magnetfeld erfasst wird, das durch den Strom, der in der Stromleitung fließt, erzeugt wird. Genauer gesagt, wenn ein Signalmagnetfeld an ein Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird, gibt das Magnetowiderstandseffekt-Element ein Spannungssignal aus, das dem Signalmagnetfeld entspricht. Das Spannungssignal wird in die Rückkopplungsspule eingegeben und die Rückkopplungsspule erzeugt ein Aufhebungsmagnetfeld, das das Signalmagnetfeld aufhebt. Ein Rückkopplungsstrom, der in der Rückkopplungsspule fließt, wird zu einer Spannung umgewandelt und ausgeführt.
Bei einem derartigen magnetisch ausgeglichenen Stromsensor fließt ein Rückkopplungsstrom kontinuierlich, wenn ein Signalmagnetfeld angelegt wird. Daher ist es wichtig, den Leistungsverbrauch zu reduzieren. WO2010/143718 offenbart einen magnetisch ausgeglichenen Stromsensor, in dem eine magnetische Abschirmung zwischen einem Magnetowiderstandseffekt-Element und einer Stromleitung bereitgestellt ist. Die magnetische Abschirmung absorbiert das Magnetfeld, das durch die Stromleitung erzeugt wird, und schwächt das Signalmagnetfeld ab, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird. Des Weiteren verstärkt die magnetische Abschirmung das Aufhebungsmagnetfeld. Aufgrund dieser Effekte kann der Rückkopplungsstrom reduziert und der Leistungsverbrauch eingeschränkt werden.
WO2010/143666 offenbart einen magnetisch ausgeglichenen Stromsensor, in dem Magnetkerne an beiden Seiten eines Magnetowiderstandseffekt-Elements bezüglich der Magnetisierungsdetektionsrichtung des Elements bereitgestellt sind. Eine Rückkopplungsspule ist um die Magnetkerne herumgewickelt. Die Magnetkerne verstärken nicht nur ein Aufhebungsmagnetfeld, das durch die Rückkopplungsspule erzeugt wird, sondern auch ein Signalmagnetfeld, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird. Es ist somit möglich, die Empfindlichkeit des magnetisch ausgeglichenen Stromsensors zu verbessern.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In dem in WO2010/143718 offenbarten Stromsensor ist der Effekt des Abschwächens des Signalmagnetfelds, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird, größer als der Effekt des Verstärkens des Aufhebungsmagnetfelds. Aus diesem Grund, obwohl der Leistungsverbrauch eingeschränkt ist, lässt die Genauigkeit, mit der ein Strom detektiert wird, aufgrund der verringerten Empfindlichkeit des Magnetowiderstandseffekt-Elements erheblich nach. In dem in WO2010/143666 offenbarten Stromsensor ist der Verstärkungsfaktor des Signalmagnetfelds, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird, größer als der Verstärkungsfaktor des Aufhebungsmagnetfelds. Obwohl die Empfindlichkeit des Stromsensors besser ist, wird somit der Leistungsverbrauch aufgrund einer Zunahme des Rückkopplungsstroms erheblich erhöht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der eine hohe Stromdetektionsgenauigkeit und einen eingeschränkten Leistungsverbrauch aufweist.
Ein Stromsensor der vorliegenden Erfindung umfasst: ein Magnetowiderstandseffekt-Element, das in der Nähe einer Stromleitung angeordnet ist, an dem ein Signalmagnetfeld (erstes Magnetfeld) angelegt wird, wobei das Signalmagnetfeld durch einen Strom induziert wird, der in der Stromleitung fließt, und das eine magnetoresistive Änderung gemäß einer Änderung des Signalmagnetfelds erzeugt; ein Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (Zweitmagnetfeld-Erzeugungsmittel), das in der Nähe des Magnetowiderstandseffekt-Elements bereitgestellt ist und ein Aufhebungsmagnetfeld (zweites Magnetfeld) erzeugt, das das Signalmagnetfeld aufhebt; einen ersten weichmagnetischen Körper, der zwischen dem Magnetowiderstandseffekt-Element und der Stromleitung bereitgestellt ist; und ein Paar von zweiten weichmagnetischen Körpern, die an beiden Seiten des Magnetowiderstandseffekt-Elements bezüglich einer Magnetisierungsdetektionsrichtung des Magnetowiderstandseffekt-Elements bereitgestellt sind.
Gemäß der vorliegenden Erfindung reduziert der erste weichmagnetische Körper das Signalmagnetfeld, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird, und erhöht das Aufhebungsmagnetfeld, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird. Die zweiten weichmagnetischen Körper erhöhen die Intensitäten des Signalmagnetfelds und des Aufhebungsmagnetfelds, die an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt werden. Mit anderen Worten, da das Signalmagnetfeld, das durch den ersten weichmagnetischen Körper abgeschwächt wird, durch die zweiten weichmagnetischen Körper verstärkt wird, wird verhindert, dass das Signalmagnetfeld, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird, stark abgeschwächt wird. Das Aufhebungsmagnetfeld wird durch sowohl den ersten weichmagnetischen Körper als auch die zweiten weichmagnetischen Körper verstärkt und dementsprechend wird der Rückkopplungsstrom eingeschränkt. Auf diese Art und Weise ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, einen Stromsensor bereitzustellen, der eine hohe Stromdetektionsgenauigkeit und einen eingeschränkten Leistungsverbrauch aufweist.
Figurenliste

1 ist ein Schaltplan, der eine schematische Konfiguration eines Stromsensors darstellt;
2A und 2B sind Ansichten, die eine schematische Konfiguration eines Stromsensors gemäß einer ersten Ausführungsform darstellen;
3 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Konfiguration eines Magnetowiderstandseffekt-Elements darstellt;
4 ist eine Schnittansicht, die die Konfiguration des Stromsensors der
2A und 2B ausführlicher dargestellt;
5A bis 5F sind schematische Ansichten von Ausführungsformen und Vergleichsbeispielen des Stromsensors;
6 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem Rückkopplungsstrom und einem Aufhebungsmagnetfeld darstellt;
7 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem externen Magnetfeld und einem Rückkopplungsstrom darstellt;
8 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einem externen Magnetfeld und einem Signalmagnetfeld darstellt;
9A bis 9C sind Ansichten, die zweite weichmagnetische Körper darstellen, die verschiedene Breiten in die
Magnetisierungsdetektionsrichtung aufweisen;
9D ist ein Graph, der eine Beziehung unter den Breiten der zweiten weichmagnetischen Körper in die Magnetisierungsdetektionsrichtung, ein Signalmagnetfeld-Verstärkungsverhältnis und eine
Magnetfeldumwandlungseffizienz darstellt;
10A und 10B sind Ansichten, die eine schematische Konfiguration eines Stromsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform darstellen; und
11 ist eine Ansicht, die eine schematische Konfiguration eines Stromsensors gemäß einer dritten Ausführungsform darstellt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird ein magnetisch ausgeglichener Stromsensor (nachfolgend als ein Stromsensor bezeichnet) gemäß verschiedener Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung und den folgenden Zeichnungen ist die x-Richtung eine Richtung, in die ein Signalmagnetfeld und ein Aufhebungsmagnetfeld angelegt werden, und entspricht einer Magnetisierungsdetektionsrichtung des Stromsensors. Die y-Richtung ist eine Richtung, in die ein zu detektierender Strom fließt, oder eine Richtung, in die sich eine Stromleitung erstreckt. Die z-Richtung ist eine Richtung, die senkrecht zu der x-Richtung und der y-Richtung ist und parallel zu der Stapelrichtung des Magnetowiderstandseffekt-Elements ist. „Externes Magnetfeld Bo“ bedeutet ein Magnetfeld, das durch einen Strom induziert wird, der in der Stromleitung fließt, und „Signalmagnetfeld (erstes Magnetfeld) Bs“ bedeutet ein Magnetfeld, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird. Mit anderen Worten ist das „Signalmagnetfeld Bs“ das „externe Magnetfeld Bo“, das durch den Strom induziert wird, der in der Stromleitung fließt, dann durch den ersten oder die zweiten weichmagnetischen Körper verstärkt oder abgeschwächt wird, wie im Folgenden beschrieben, und dann an das Magnetowiderstandseffekt-Element angelegt wird.
1 stellt eine schematische Konfiguration eines Stromsensors 1 dar. Der Stromsensor 1 weist vier Elementarrays 2 bis 5 auf. Die Elementarrays 2 bis 5 sind in einer Brückenschaltung (einer Wheatstone-Brücke) miteinander verbunden. Die vier Elementarrays 2 bis 5 sind in zwei Sätze 2, 3 und 4, 5 aufgeteilt. Die Elementarrays 2, 3 bzw. die Elementarrays 4, 5 sind in Reihe geschaltet. Ein Ende jedes Satzes der Elementarrays ist mit einer Leistungsversorgungsspannung Vcc verbunden und das andere Ende davon ist mit Masse verbunden (GND). Der Stromsensor 1 gibt die Intensität eines Signalmagnetfelds Bs aus, indem die Differenz zwischen Mittelpunktspannungen Vout1 und Vout2 der jeweiligen Sätze 2, 3 und 4, 5 der Elementarrays detektiert wird. Es sollte angemerkt werden, dass das Signalmagnetfeld Bs auch unter Verwendung der Mittelpunktspannung Vout1 oder Vout2 alleine detektiert werden kann.
2A ist eine schematische Schnittansicht des Stromsensors 1 entlang der Linie A-A in 1. Zur Vereinfachung ist eine Stromleitung 6 unmittelbar über dem Magnetowiderstandseffekt-Element in der z-Richtung dargestellt, aber die Positionsbeziehung zwischen dem Stromsensor 1 und der Stromleitung 6 ist nicht beschränkt, solange die x-Richtungskomponente, oder die Komponente der Magnetisierungsdetektionsrichtung des Stromsensors 1, eines Magnetfelds an den Stromsensor 1 angelegt wird. 2B ist eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 2A. Die Konfiguration der Stromleitung 6 ist nicht beschränkt, aber die Stromleitung 6 kann zum Beispiel eine Sammelschiene sein, die aus einem Leiter hergestellt ist. Der Stromsensor 1 beinhaltet mehrere Magnetowiderstandseffekt-Elemente 7, die in Reihe geschaltet sind. Die Magnetowiderstandseffekt-Elemente 7 sind in der Nähe der Stromleitung 6 angeordnet und erzeugen eine magnetoresistive (MR) Änderung gemäß einer Änderung im angelegten Signalmagnetfeld Bs. 3 stellt eine schematische Schnittansicht des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 dar. Das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 weist eine Filmkonfiguration eines typischen Spin-Valve auf. Genauer gesagt, besitzt das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 eine freie Schicht 71, deren Magnetisierungsrichtung sich gemäß dem Signalmagnetfeld Bs ändert, eine fixierte Schicht 73, deren Magnetisierungsrichtung bezüglich des Signalmagnetfelds Bs fixiert ist, eine Abstandsschicht 72, die zwischen der freien Schicht 71 und der fixierten Schicht 73 positioniert ist und sich in Kontakt mit sowohl der freien Schicht 71 als auch der fixierten Schicht 73 befindet, und eine antiferromagnetische Schicht 74, die sich in Kontakt mit der fixierten Schicht 73 an deren Hinterseite, wie von der Abstandsschicht 72 gesehen, befindet. Die antiferromagnetische Schicht 74 fixiert die Magnetisierungsrichtung der fixierten Schicht 73 durch Austauschkopplung mit der fixierten Schicht 73. Die fixierte Schicht 73 kann auch eine synthetische Konfiguration mit zwei ferromagnetischen Schichten und einer nichtmagnetischen Zwischenschicht, die dazwischen angeordnet ist, aufweisen. Wenn die Abstandsschicht 72 eine nichtmagnetische und elektrisch leitfähige Schicht ist, fungiert das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 als ein GMR(Giant Magneto-Resistive)-Element, und wenn die Abstandsschicht 72 eine Tunnelbarrierenschicht ist, fungiert das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 als ein TMR-Element. Aufgrund einer großen MR-Änderungsrate und einer resultierenden großen Ausgangsspannung der Brückenschaltung wird das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 bevorzugter als ein TMR-Element konfiguriert. Eine Länge 7L (siehe 4) des TMR-Elements in die Magnetisierungsdetektionsrichtung (x-Richtung) ist vorzugsweise gleich oder mehr als 0,1 µm und gleich oder geringer als 10 µm, und die Länge des TMR-Elements in die Richtung parallel zu der Stromleitung 6, d. h. die Länge in die y-Richtung, die senkrecht zu der Magnetisierungsdetektionsrichtung ist, ist vorzugsweise zweimal so groß wie die Länge des TMR-Elements in die Magnetisierungsrichtung oder mehr.
Der Stromsensor 1 beinhaltet eine Solenoid-Rückkopplungsspule 8, die in der Nähe des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 bereitgestellt ist. Die Rückkopplungsspule 8 erzeugt ein Aufhebungsmagnetfeld (zweites Magnetfeld) Bc, das das Signalmagnetfeld Bs aufhebt. Die Rückkopplungsspule 8 ist spiralförmig um das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 und zweite weichmagnetische Körper 10a, 10b, die später beschrieben sind, herumgewickelt. Eine Windung der Rückkopplungsspule 8 besteht aus einem unteren Abschnitt 8a, einem oberen Abschnitt 8b und einem Paar von lateralen Abschnitten 8c, 8d, die den unteren Abschnitt 8a mit dem oberen Abschnitt 8b verbinden. Die Solenoid-Rückkopplungsspule 8 ist ein Beispiel für ein Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (Zweitmagnetfeld-Erzeugungsmittel). Die Rückkopplungsspule 8 kann zum Beispiel aus Cu ausgebildet sein. Die Rückkopplungsspule 8 ist eine einzelne kontinuierliche Spule, aber zwei Spulen können spiralförmig um den zweiten weichmagnetischen Körper 10a bzw. den zweiten weichmagnetischen Körper 10b herumgewickelt sein. Mit anderen Worten muss die Rückkopplungsspule 8 nicht um das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 herumgewickelt sein und kann zumindest um die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b herumgewickelt sein.
Der Stromsensor 1 beinhaltet den ersten weichmagnetischen Körper 9, der ein erstes Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel ist, und ein Paar von zweiten weichmagnetischen Körpern 10a, 10b, die zweite Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel sind. Der erste weichmagnetische Körper 9 und die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b sind aus einem weichmagnetischen Material, wie etwa Permalloy (Ni-Fe), ausgebildet. Der erste weichmagnetische Körper 9 ist zwischen dem Magnetowiderstandseffekt-Element 7 und der Stromleitung 6 bereitgestellt. Der erste weichmagnetische Körper 9 besteht aus einem ersten Abschnitt 9a und zweiten Abschnitten 9b. Der erste Abschnitt 9a erstreckt sich parallel zu einem Substrat 11, das später beschrieben ist, und bedeckt das Magnetowiderstandseffekt-Element 7, um das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 von der Stromleitung 6 abzuschirmen. Die zweiten Abschnitte 9b erstrecken sich von mindestens einem Rand, vorzugsweise beiden Rändern, des ersten Abschnitts 9a bezüglich der Magnetisierungsdetektionsrichtung (der x-Richtung) in eine Richtung zu dem Substrat 11 hin (z-Richtung), die senkrecht zu der Magnetisierungsdetektionsrichtung (x-Richtung) ist. Die Querschnittsformen der zweiten Abschnitte 9b sind Rechtecke, die mit den Endflächen des ersten Abschnitts 9a in 4 verbunden sind, aber sie können Rechtecke sein, die Ausschnitte an beiden Enden des ersten Abschnitts 9a aufweisen, die zu den zweiten weichmagnetischen Körpern 10a, 10b zeigen, wie in den 5A und 9A-9C dargestellt. Die zweiten Abschnitte 9b können auch ausgelassen werden. Die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b sind an beiden Seiten des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 bezüglich der Magnetisierungsdetektionsrichtung des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 (der x-Richtung) bereitgestellt.
4 stellt einen Querschnitt des Stromsensors 1 ausführlicher dar. Die Rückkopplungsspule 8 ist über dem Substrat 11 über eine Isolierschicht bereitgestellt. Das oben beschriebene Magnetowiderstandseffekt-Element 7 ist nach innen von der Rückkopplungsspule 8 ausgebildet. An beiden Seiten des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 bezüglich der x-Richtung ist ein Paar von zweiten weichmagnetischen Körpern 10a, 10b über eine Isolierschicht, nicht dargestellt, bereitgestellt. Das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 und ein Paar von zweiten weichmagnetischen Körpern 10a, 10b sind auf derselben x-y-Ebene ausgebildet. Eine untere Zuleitungsschicht 12 ist mit dem unteren Ende des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 verbunden und eine obere Zuleitungsschicht 13 ist mit dem oberen Ende des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 verbunden. Die untere Zuleitungsschicht 12 und die obere Zuleitungsschicht 13 fungieren als Elektroden, die dem Magnetowiderstandseffekt-Element 7 einen Erfassungsstrom zuführen. Der obere Abschnitt 8b der Rückkopplungsspule 8 ist mit einer Isolierschicht bedeckt, über der der erste weichmagnetische Körper 9 bereitgestellt ist. Durch das Bereitstellen eines hinreichenden Abstands d1 zwischen der Rückkopplungsspule 8 und dem ersten weichmagnetischen Körper 9 können der Einfluss auf die Empfindlichkeit des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 und der Einfluss von Hysterese des ersten weichmagnetischen Körpers 9 reduziert werden. Andererseits schwächt ein zu großer Abstand d1 den Effekt des Abschirmens des externen Magnetfelds Bo durch den weichmagnetischen Körper 9 ab, was zu einer Erhöhung des Leistungsverbrauchs führt. Dementsprechend ist der Abstand d1 vorzugsweise gleich oder mehr als 0,1 µm und gleich oder geringer als 30 µm. Wenn ein Abstand d2 zwischen der Rückkopplungsspule 8 und jedem der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b klein ist, wird das Aufhebungsmagnetfeld Bc verstärkt. Andererseits, wenn der Abstand d2 zu klein ist, wird der Isolationswiderstand zwischen dem Magnetowiderstandseffekt-Element 7 und der Rückkopplungsspule 8 verschlechtert. Daher ist der Abstand d2 vorzugsweise gleich oder mehr als 0,1 µm und gleich oder geringer als 10 µm.
Der oben beschriebene Stromsensor 1 arbeitet wie folgt. Ein Strom i fließt in der Stromleitung 6 von der Vorderseite zur Rückseite (die y-Richtung) in 2A und von links nach rechts in 2B. Der Strom i induziert ein rechtsläufiges externes Magnetfeld Bo in 2A. Das externe Magnetfeld Bo wird durch den ersten weichmagnetischen Körper 9 abgeschwächt, durch die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b verstärkt und nach links an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 als das Signalmagnetfeld Bs angelegt. Das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 gibt ein Spannungssignal aus, das dem Signalmagnetfeld Bs entspricht, und das Spannungssignal wird in die Rückkopplungsspule 8 eingegeben. Ein Rückkopplungsstrom Fi fließt in der Rückkopplungsspule 8 und erzeugt ein Aufhebungsmagnetfeld Bc, das das Signalmagnetfeld Bs aufhebt. Da das Signalmagnetfeld Bs und das Aufhebungsmagnetfeld Bc die gleichen absoluten Werte aufweisen und in entgegengesetzte Richtungen angelegt werden, heben sich das Signalmagnetfeld Bs und das Aufhebungsmagnetfeld Bc auf, wodurch das Magnetfeld, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 angelegt wird, im Wesentlichen null gemacht wird. Der Rückkopplungsstrom Fi wird durch einen Widerstand, der nicht dargestellt ist, in eine Spannung umgewandelt und als ein Spannungswert ausgegeben. Da der Spannungswert proportional zu dem Rückkopplungsstrom Fi, dem Aufhebungsmagnetfeld Bc und dem Signalmagnetfeld Bs ist, kann der Strom, der in der Stromleitung 6 fließt, aus dem Spannungswert erhalten werden.
Der erste weichmagnetische Körper 9 (das erste Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel) schwächt das externe Magnetfeld Bo ab. Daher ist das Signalmagnetfeld Bs, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 angelegt wird, kleiner als ein Signalmagnetfeld, das erhalten werden würde, wenn der erste weichmagnetische Körper 9 nicht bereitgestellt wäre. Des Weiteren erhöht der erste weichmagnetische Körper 9 (das erste Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel) das Aufhebungsmagnetfeld Bc, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 angelegt wird. Andererseits erhöhen die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b (die zweiten Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel) sowohl das Signalmagnetfeld Bs als auch das Aufhebungsmagnetfeld Bc, die an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 angelegt werden, im Vergleich zu einem Fall, bei dem die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b nicht bereitgestellt sind. Dementsprechend wird das externe Magnetfeld Bo zuerst durch den ersten weichmagnetischen Körper 9 abgeschwächt, dann durch die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b verstärkt und dann an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 als das Signalmagnetfeld Bs angelegt. Das Aufhebungsmagnetfeld Bc wird durch sowohl den ersten weichmagnetischen Körper 9 als auch die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b verstärkt. Darüber hinaus, da die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b an den lateralen Seiten der freien Schicht 71 des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 über dazwischen liegende Isolierschichten angrenzen, wird ein magnetischer Fluss im Endeffekt zu der freien Schicht 71 hinzugefügt. Dies verbessert die Empfindlichkeit der freien Schicht 71 selbst.
Die 5A bis 5F stellen schematische Konfigurationen mancher Ausführungsformen und Vergleichsbeispiele dar. Der Stromsensor der in 5A dargestellten Ausführungsform 1 entspricht der oben beschriebenen Ausführungsform und beinhaltet den ersten weichmagnetischen Körper 9 und die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b. Der erste weichmagnetische Körper 9 beinhaltet einen ersten Abschnitt 9a und zweite Abschnitte 9b. Der Stromsensor der in 5B dargestellten Ausführungsform 2 ist derselbe wie der Stromsensor der Ausführungsform 1, mit der Ausnahme, dass der erste weichmagnetische Körper 9 nur einen ersten Abschnitt 9a aufweist (die zweiten Abschnitte 9b sind weggelassen). Der erste Abschnitt 9a des Stromsensors der Ausführungsform 2 besitzt eine plattenförmige Form, die sich parallel zu dem Substrat 11 erstreckt. Der Stromsensor des in 5C dargestellten Vergleichsbeispiels 1 beinhaltet den ersten weichmagnetischen Körper 9 der Ausführungsform 1, aber die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b sind weggelassen. Der Stromsensor des in 5D dargestellten Vergleichsbeispiels 2 beinhaltet den ersten weichmagnetischen Körper 9 der Ausführungsform 2, aber die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b sind weggelassen. Der Stromsensor des in 5E dargestellten Vergleichsbeispiels 3 beinhaltet die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b der Ausführungsformen 1 bis 2, aber der erste weichmagnetische Körper 9 ist weggelassen. Der Stromsensor des in 5F dargestellten Vergleichsbeispiels 4 beinhaltet weder den ersten weichmagnetischen Körper 9 noch die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b.
6 stellt eine Beziehung zwischen dem Rückkopplungsstrom Fi und dem Aufhebungsmagnetfeld Bc in den Ausführungsformen 1 bis 2 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 dar. In den Ausführungsformen 1 bis 2 kann das gewünschte Aufhebungsmagnetfeld Bc aus einem kleinen Rückkopplungsstrom Fi erhalten werden und insbesondere in der Ausführungsform 1 ist der Rückkopplungsstrom Fi der kleinste. Dies ist so, da (1) sowohl der erste weichmagnetische Körper 9 als auch die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b als Bügel zum Verstärken des Magnetfelds, das durch die Rückkopplungsspule 8 erzeugt wird, fungieren und (2) die zweiten Abschnitte 9b des ersten weichmagnetischen Körpers 9 derart angeordnet sind, dass sie das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 umgeben, und aus diesen Gründen (1), (2) wird das Aufhebungsmagnetfeld Bc zusätzlich verstärkt. Daher sind die Ausführungsformen 1 bis 2 vorteilhafter als die Vergleichsbeispiele 1 bis 4 vom Standpunkt des Leistungsverbrauchs aus und Beispiel 1 ist das vorteilhafteste.
7 stellt eine Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld Bo und dem Rückkopplungsstrom Fi in den Ausführungsformen 1 bis 2 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 dar. Die Ausführungsform 1 und das Vergleichsbeispiel 1 zeigen den kleinsten Rückkopplungsstrom Fi, der zum Aufheben des externen Magnetfelds Bo benötigt wird. Andererseits wird in den Vergleichsbeispielen 3 und 4, wo der erste weichmagnetische Körper 9 nicht bereitgestellt ist, ein großer Rückkopplungsstrom Fi benötigt, um das externe Magnetfeld Bo aufzuheben, da das externe Magnetfeld Bo nicht abgeschwächt wird und ein großes Signalmagnetfeld Bs an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 angelegt wird. In der Ausführungsform 1 kann der Leistungsverbrauch stark reduziert werden, da das externe Magnetfeld Bo durch den ersten weichmagnetischen Körper 9 abgeschwächt wird. In der Ausführungsform 2 und dem Vergleichsbeispiel 1 ist der Rückkopplungsstrom Fi größer als der in der Ausführungsform 1 und dem Vergleichsbeispiel 1, aber kleiner als der in den Vergleichsbeispielen 3 und 4. Daher ist, selbst wenn der erste weichmagnetische Körper 9 nur den ersten Abschnitt 9a beinhaltet, es möglich, den Rückkopplungsstrom Fi zu beschränken und daher den Leistungsverbrauch einzuschränken.
8 stellt eine Beziehung zwischen dem externen Magnetfeld Bo und dem Signalmagnetfeld Bs in den Beispielen 1 bis 2 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 4 dar. Ein Verhältnis des Signalmagnetfelds Bs zu dem externen Magnetfeld Bo wird als ein Signalmagnetfeld-Verstärkungsverhältnis bezeichnet. Das Signalmagnetfeld-Verstärkungsverhältnis ist als ein Verhältnis des „Signalmagnetfeld Bs, das tatsächlich an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 angelegt wird“ zu dem „Signalmagnetfeld Bs, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 angelegt wird, wenn das erste und die zweiten Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel (der erste weichmagnetische Körper 9, die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b) nicht bereitgestellt sind“ definiert. Das Signalmagnetfeld-Verstärkungsverhältnis ist gleich der Steigung des Graphen von 8, und je größer das Signalmagnetfeld-Verstärkungsverhältnis ist, desto höher ist die Empfindlichkeit des Magnetowiderstandseffekt-Elements 7 (nachfolgend als eine Elementempfindlichkeit bezeichnet). Je höher die Empfindlichkeit des Elements, desto größer ist die Genauigkeit beim Detektieren des Stroms. In dem Vergleichsbeispiel 3 wird das größte Signalmagnetfeld Bs für dasselbe externe Magnetfeld Bo angelegt und die Elementempfindlichkeit ist die höchste unter den Vergleichsbeispielen 1-4. Dies ist so, da das Vergleichsbeispiel 3 nicht mit dem ersten weichmagnetischen Körper 9, der das externe Magnetfeld Bo abschwächt, ausgestattet ist, sondern mit den zweiten weichmagnetischen Körpern 10a, 10b, die das externe Magnetfeld Bo verstärken, ausgestattet ist.
Aus den vier Vergleichsbeispielen zeigen die Vergleichsbeispiele 1 und 2, bei denen der erste weichmagnetische Körper 9 bereitgestellt ist, aber die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b nicht bereitgestellt sind, die geringste Elementempfindlichkeit im Gegensatz zu dem Vergleichsbeispiel 3, da das externe Magnetfeld Bo mit der größten Rate abgeschwächt wird. Eine Abnahme in der Elementempfindlichkeit macht eine Temperaturversatzdrift (ein Phänomen, bei dem eine Differenz zwischen den Ausgängen Vout1 und Vout2 des Stromsensors in Abhängigkeit von den Temperaturen verschoben ist) relativ vorherrschend und erhöht zusätzlich die Messfehler. Die Ausführungsformen 1 bis 2 zeigen eine höhere Elementempfindlichkeit als die Vergleichsbeispiele 1, 2 und 4, obwohl sie dem Vergleichsbeispiel 3 in der Elementempfindlichkeit unterlegen sind. Es wird aus dem obigen Vergleich herausgefunden, dass der Leistungsverbrauch in den Ausführungsformen 1 bis 2 eingeschränkt ist und die Elementempfindlichkeit vorteilhaft ist, und dass diese Ausführungsformen sowohl einen eingeschränkten Leistungsverbrauch als auch eine gute Stromdetektionsgenauigkeit liefern.
Die 9A bis 9C stellen manche Beispiele von Breiten B der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b in die Magnetisierungsdetektionsrichtung (x-Richtung) dar und 9D stellt eine Beziehung zwischen den Breiten B der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b und dem Signalmagnetfeld-Verstärkungsverhältnis sowie eine Beziehung zwischen den Breiten B der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b und der Magnetfeldumwandlungseffizienz dar. In jeder der 9A bis 9C besitzen die zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b die gleichen Breiten. Die Magnetfeldumwandlungseffizienz ist ein Verhältnis des Aufhebungsmagnetfelds Bc zu dem Rückkopplungsstrom Fi, das heißt ein Index, der angibt, wie groß das Aufhebungsmagnetfeld Bc, das aus einem kleinen Rückkopplungsstrom Fi erzeugt wird, sein wird. Die Magnetfeldumwandlungseffizienz ist ungeachtet der Breiten B der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b im Wesentlichen konstant und ist so groß wie etwa 4,0 mT/mA. Andererseits nimmt das Signalmagnetfeld-Verstärkungsverhältnis zu, wenn die Breiten B der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b größer werden. In den Beispielen der 9A bis 9C, wenn die Breiten B der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b 2 µm oder größer sind, wird die Menge der Zunahme in dem Signalmagnetfeld Bs aufgrund der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b größer als die Menge der Abschwächung des Signalmagnetfelds Bs aufgrund des ersten weichmagnetischen Körpers 9, sodass das externe Magnetfeld Bo, das durch die Stromleitung 6 erzeugt wird, an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 angelegt wird, ohne abgeschwächt zu werden. Daher kann die Menge der Abschwächung des externen Magnetfelds Bo (die Intensität des Signalmagnetfelds Bs) angepasst werden, indem die Breiten B der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b in die Magnetisierungsdetektionsrichtung angepasst werden, während die Magnetfeldumwandlungseffizienz ungeachtet der Breiten B der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b im Wesentlichen konstant gehalten wird.
10A ist eine Ansicht, die der von 2A ähnelt und eine andere Ausführungsform des Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittels darstellt. 10B ist eine Unteransicht, nach oben in die Richtung C in 10A gesehen. In der gegenwärtigen Ausführungsform werden planare spiralförmige Rückkopplungsspulen 108a, 108b, die auf Ebenen parallel zu dem Substrat 11 gewickelt sind, als das Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel verwendet. Die Rückkopplungsspule 108a ist zwischen dem Magnetowiderstandseffekt-Element 7 und dem ersten weichmagnetischen Körper 9 bereitgestellt und die Rückkopplungsspule 108b ist gegenüber dem ersten weichmagnetischen Körper 9 bereitgestellt, wobei das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 dazwischen angeordnet ist. Nur eine Spule aus den Rückkopplungsspulen in 108a, 108b kann bereitgestellt sein. Jede der planaren spiralförmigen Rückkopplungsspulen 108a, 108b weist mehrere lineare Abschnitte auf und angrenzende lineare Abschnitte sind miteinander im Wesentlichen mit rechten Winkeln verbunden. Eine Seite jeder Windung der Spule ist in der Nähe der zweiten weichmagnetischen Körper 10a, 10b angeordnet, um das Aufhebungsmagnetfeld Bc auf die gleiche Art und Weise wie die oben beschriebene Solenoid-Spule 8 zu erzeugen.
11 ist eine Ansicht, die der von 2A ähnelt und eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt. In der gegenwärtigen Ausführungsform befindet sich der erste weichmagnetische Körper 9 gegenüber der Stromleitung 6, wobei das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 dazwischen angeordnet ist. Der erste weichmagnetische Körper 9 besteht aus einem ersten Abschnitt 9a und zweiten Abschnitten 9b. Ungleich den oben beschriebenen Ausführungsformen befinden sich die zweiten Abschnitte 9b an der Seite der Stromleitung 6, vom ersten Abschnitt 9a gesehen, und erstrecken sich in eine Richtung weg von dem Substrat 11. Das externe Magnetfeld Bo, das durch die Stromleitung 6 erzeugt wird, wird durch den ersten weichmagnetischen Körper 9 absorbiert und dementsprechend wird das Signalmagnetfeld Bs, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element 7 angelegt wird, reduziert. Daher weist der erste weichmagnetische Körper 9 der gegenwärtigen Ausführungsform einen Effekt auf, der dem des ersten weichmagnetischen Körpers 9 der oben beschriebenen Ausführungsform ähnelt.
Bezugszeichenliste

1: Stromsensor
6: Stromleitung
7: Magnetowiderstandseffekt-Element
71: Freie Schicht
72: Abstandsschicht
73: Fixierte Schicht
74: Antiferromagnetische Schicht
8, 108a, 108b: Rückkopplungsspule (Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel)
8a: Unterer Abschnitt
8b: Oberer Abschnitt
8c, 8d: Lateraler Abschnitt
9: Erster weichmagnetischer Körper
9a: Erster Abschnitt
9b: Zweiter Abschnitt
10: Zweiter weichmagnetischer Körper
12: Untere Zuleitungsschicht
13: Obere Zuleitungsschicht
Bc: Aufhebungsmagnetfeld (Zweites Magnetfeld)
Bo: Externes Magnetfeld
Bs: Signalmagnetfeld (Erstes Magnetfeld)
Fi: Rückkopplungsstrom
i: Strom, der in einer Stromleitung fließt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017116113 [0001]
WO 2010/143718 [0004, 0006]
WO 2010/143666 [0005, 0006]

Claims

Stromsensor (1), umfassend: ein Magnetowiderstandseffekt-Element (7), das in der Nähe einer Stromleitung (6) angeordnet ist und an dem ein Signalmagnetfeld angelegt wird, wobei das Signalmagnetfeld durch einen Strom induziert wird, der in der Stromleitung (6) fließt, und das eine magnetoresistive Änderung gemäß einer Änderung des Signalmagnetfelds erzeugt; ein Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (8; 108), das in der Nähe des Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) bereitgestellt ist und ein Aufhebungsmagnetfeld erzeugt, das das Signalmagnetfeld aufhebt; einen ersten weichmagnetischen Körper (9), der zwischen dem Magnetowiderstandseffekt-Element (7) und der Stromleitung (6) bereitgestellt ist; und ein Paar von zweiten weichmagnetischen Körpern (10a, 10b), die an beiden Seiten des Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) bezüglich der Magnetisierungsdetektionsrichtung des Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) bereitgestellt sind.
Stromsensor (1) nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Substrat (11), über dem das Magnetowiderstandseffekt-Element (7), das Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (8; 108), der erste weichmagnetische Körper (9) und das Paar von zweiten weichmagnetischen Körpern (10a, 10b) bereitgestellt sind.
Stromsensor (1) nach Anspruch 2, wobei der erste weichmagnetische Körper (9) einen ersten Abschnitt (9a) aufweist, der sich parallel zu dem Substrat (11) erstreckt und das Magnetowiderstandseffekt-Element (7) von der Stromleitung (6) abschirmt.
Stromsensor (1) nach Anspruch 3, wobei der erste weichmagnetische Körper (9) einen zweiten Abschnitt (9b) aufweist, der sich zu dem Substrat (11) hin von mindestens einem Rand des ersten Abschnitts (9a) bezüglich der Magnetisierungsdetektionsrichtung erstreckt.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (8) eine Spule ist, die um die zweiten weichmagnetischen Körper (10a, 10b) herumgewickelt ist.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (108) mindestens eine Spule (108a, 108b) ist, die auf einer Ebene parallel zu dem Substrat (11) gewickelt ist, wobei sich das Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (108a, 108b) zwischen dem Magnetowiderstandseffekt-Element (7) und dem ersten weichmagnetischen Körper (9) und/oder gegenüber dem ersten weichmagnetischen Körper (9), wobei das Magnetowiderstandseffekt-Element (7) dazwischen angeordnet ist, befindet.
Stromsensor (1), umfassend: ein Magnetowiderstandseffekt-Element (7), das in der Nähe einer Stromleitung (6) angeordnet ist und an dem ein Signalmagnetfeld angelegt wird, wobei das Signalmagnetfeld durch einen Strom induziert wird, der in der Stromleitung (6) fließt, und das eine magnetoresistive Änderung gemäß einer Änderung des Signalmagnetfelds erzeugt; ein Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (8), das in der Nähe des Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) bereitgestellt ist und ein Aufhebungsmagnetfeld erzeugt, das das Signalmagnetfeld aufhebt; einen ersten weichmagnetischen Körper (9), der sich gegenüber der Stromleitung (6) befindet, wobei das Magnetowiderstandseffekt-Element (7) dazwischen angeordnet ist; und ein Paar von zweiten weichmagnetischen Körpern (10a, 10b), die an beiden Seiten des Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) bezüglich der Magnetisierungsdetektionsrichtung des Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) bereitgestellt sind.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei ein Abstand zwischen dem Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (8; 108) und dem ersten weichmagnetischen Körper (9) gleich oder mehr als 0,1 µm und gleich oder geringer als 30 µm ist und ein Abstand zwischen dem Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (8; 108) und dem zweiten weichmagnetischen Körper (10a, 10b) gleich oder mehr als 0,1 µm und gleich oder geringer als 10 µm ist.
Stromsensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Magnetowiderstandseffekt-Element (7) ein Tunnel-Magnetowiderstandseffekt-Element (7) ist.
Stromsensor (1) nach Anspruch 9, wobei eine Länge des Tunnel-Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) in die Magnetisierungsdetektionsrichtung gleich oder mehr als 0,1 µm und gleich oder geringer als 10 µm ist und eine Länge des Tunnel-Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) in eine Richtung parallel zu der Stromleitung (6) zweimal so groß wie die Länge des Tunnel-Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) in die Magnetisierungsdetektionsrichtung oder mehr ist.
Stromsensor (1), umfassend: ein Magnetowiderstandseffekt-Element (7), das in der Nähe einer Stromleitung (6) angeordnet ist und an dem ein Signalmagnetfeld angelegt wird, wobei das Signalmagnetfeld durch einen Strom induziert wird, der in der Stromleitung (6) fließt, und das eine magnetoresistive Änderung gemäß einer Änderung des Signalmagnetfelds erzeugt; ein Aufhebungsmagnetfeld-Erzeugungsmittel (8; 108), das in der Nähe des Magnetowiderstandseffekt-Elements (7) bereitgestellt ist und ein Aufhebungsmagnetfeld erzeugt, das das Signalmagnetfeld aufhebt; ein erstes Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel (9), das das Signalmagnetfeld, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element (7) angelegt wird, abschwächt und das Aufhebungsmagnetfeld, das an das Magnetowiderstandseffekt-Element (7) angelegt wird, erhöht; und ein zweites Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel (10a, 10b, das sowohl das Signalmagnetfeld als auch das Aufhebungsmagnetfeld, die an das Magnetowiderstandseffekt-Element (7) angelegt werden, erhöht.
Stromsensor (1) nach Anspruch 11, wobei eine Menge des Signalmagnetfelds, das durch das zweite Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel (10a, 10b) erhöht wird, größer ist als eine Menge des Signalmagnetfelds, das durch das erste Magnetfeld-Intensitätsanpassungsmittel (9) abgeschwächt wird.