JP2013113758A

JP2013113758A - Power detection sensor

Info

Publication number: JP2013113758A
Application number: JP2011261276A
Authority: JP
Inventors: 太好 ▲高▼; Hiroyoshi Ko
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2013-06-10
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: JP6040523B2

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To perform power detection with high accuracy.SOLUTION: A power detection sensor 10 provided with a magnetic resistance element 11 detects voltage applied to a load A to be a measurement objet on the basis of a resistance component of the magnetic resistance element 11, detects current caused to flow to the load A on the basis of an output change in the magnetic resistance element based on a magnetic field caused by electrical wiring wa arranged in the vicinity of the magnetic resistance element 11, and a magnetic resistance change in the magnetic resistance element 11, and performs power detection.

Description

本発明は、電力検知センサに関する。さらに詳述すると、磁気抵抗素子を用いた電力検知センサに関するものである。 The present invention relates to a power detection sensor. More specifically, the present invention relates to a power detection sensor using a magnetoresistive element.

従来、各種の磁気抵抗素子を用いた電流センサ、磁気センサ（磁気抵抗センサ）には、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子など）や、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）等が用いられている。例えば、ＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易であり、その改良も盛んに行われている。ＭＩ素子は、高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができるもので、回路技術を駆使する必要があるが、センサ感度は高い特長を有する。 Conventionally, a magnetoresistive effect element (MR element or the like), a magnetic impedance element (MI element), or the like is used for a current sensor or a magnetic sensor (magnetoresistance sensor) using various magnetoresistive elements. For example, according to the MI sensor, the use of a magnetoresistive element called an MI element facilitates thinning and miniaturization, and improvements are being actively made. The MI element can detect the magnetic field strength by the change of the high-frequency impedance due to the magnetic field when a high-frequency current is passed, and it is necessary to make full use of circuit technology, but the sensor sensitivity has a high feature.

また、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いた電流センサ、磁気センサの素子として、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）や、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）等が知られている。ＧＭＲ（Giant magnetic resistance）素子とは、強磁性層と非強磁性層とが交互に複数層形成され、隣接する２つの磁性層の磁化方向が、外部磁界の強さに応じて平行な場合と反平行な場合とで変化する抵抗を利用して磁気検知を行うものである。また、ＴＭＲ（tunnel Magneto-Resistance）素子とは、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることで、このときの磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行うものである。 Further, giant magnetoresistive elements (GMR elements), tunneling magnetoresistive elements (TMR elements) and the like are known as current sensors using magnetoresistive elements (MR elements) and elements of magnetic sensors. A GMR (Giant magnetic resistance) element includes a case where a plurality of ferromagnetic layers and non-ferromagnetic layers are alternately formed, and the magnetization directions of two adjacent magnetic layers are parallel according to the strength of an external magnetic field. Magnetic detection is performed by using a resistance that varies depending on the antiparallel case. In addition, a TMR (tunnel Magneto-Resistance) element is formed by forming a plurality of magnetic thin film layers through an insulating layer and conducting electrons through conduction through a tunnel phenomenon while maintaining spin. Magnetic field detection is performed by utilizing the fact that the tunnel transmission coefficient differs depending on the state of magnetization.

これらの磁気抵抗素子は磁化の向きと強度が所定の向きに固定された磁化固定層と、磁化の向きが外部磁界の向きに応じて変化するフリー層（自由層）とを備えている。磁気センサとして外部磁界を検知する時は固定された磁化固定層の磁化方向に対して外部磁界の向きに応じて変化するフリー層の磁化方向の相対関係と、磁化の強度に応じて抵抗値は変化することを利用して磁界の方向を検知するものである。 These magnetoresistive elements include a magnetization fixed layer whose magnetization direction and intensity are fixed in a predetermined direction, and a free layer (free layer) whose magnetization direction changes according to the direction of the external magnetic field. When an external magnetic field is detected as a magnetic sensor, the relative value of the magnetization direction of the free layer, which changes according to the direction of the external magnetic field, with respect to the magnetization direction of the fixed magnetization fixed layer, and the resistance value according to the strength of the magnetization are The direction of the magnetic field is detected by utilizing the change.

このような磁気抵抗素子を用いた電流センサ、磁気センサに関し、例えば、特許文献１には、トンネル磁気抵抗効果素子の下部電極にバイアス電流を流すことにより、別途バイアス電流用の配線層を設ける場合に比べて、より少ない消費電力でバイアス磁界をトンネル磁気抵抗効果素子に印加することができ、外部磁界に応じてバイアス磁界の大きさを変化させることによって、磁界検出精度を向上させることができ磁界検出装置が開示されている。 Regarding a current sensor and a magnetic sensor using such a magnetoresistive element, for example, in Patent Document 1, a bias current is made to flow through a lower electrode of a tunnel magnetoresistive effect element to separately provide a bias current wiring layer. Compared to the above, the bias magnetic field can be applied to the tunnel magnetoresistive element with less power consumption, and the magnetic field detection accuracy can be improved by changing the magnitude of the bias magnetic field according to the external magnetic field. A detection device is disclosed.

また、特許文献２には、被測定電流が流れる被検出配線が形成されたプリント基板と、プリント基板と略平行に配置されたセラミクス基板と、このセラミクス基板の一方の面に形成され、被検出配線に接触又は接合された導電膜と、セラミクス基板の他方の面に形成され、磁性層と非磁性層とが交互に複数回積層された多層膜を有し、該多層膜に印加される磁界の変化に応じて抵抗値が変化するＧＭＲ膜と、ＧＭＲ膜に一定のバイアス磁界を印加するバイアス磁石とを備えた電流センサが開示されている。 Patent Document 2 discloses a printed circuit board on which a detected wiring through which a current to be measured flows is formed, a ceramic board disposed substantially parallel to the printed circuit board, and one surface of the ceramic board. A magnetic field formed on the other surface of the ceramic substrate that is in contact with or bonded to the wiring and a multilayer film in which a magnetic layer and a nonmagnetic layer are alternately stacked a plurality of times, and applied to the multilayer film There is disclosed a current sensor including a GMR film whose resistance value changes in accordance with the change of the voltage and a bias magnet that applies a constant bias magnetic field to the GMR film.

さらに、特許文献３には、Ｓｉ基板に、四面の逆ピラミッド構造を有する傾斜面を設け、基板の平面には、フリー層とピン層を持ち、その磁化状態に応じた検知出力を発生させるトンネル型磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）を設け、フリー層の上部と傾斜面上に、磁界の大きさに応じて磁化されるパーマロイ膜を配置し、センサが平面に配置していても、磁界の平面以外のＺ軸方向のベクトル成分を検知可能とする磁気センサが開示されている。 Furthermore, Patent Document 3 is a tunnel in which a Si substrate is provided with an inclined surface having a four-sided inverted pyramid structure, and the substrate plane has a free layer and a pinned layer, and generates a detection output corresponding to the magnetization state. Type magnetoresistive element (TMR element) is provided, and a permalloy film that is magnetized according to the magnitude of the magnetic field is arranged on the upper part and the inclined surface of the free layer, and even if the sensor is arranged on a plane, the plane of the magnetic field A magnetic sensor that can detect vector components in the Z-axis direction other than the above is disclosed.

また、電流センサと、電圧の測定を可能とする手段とを備えることで電力センサを構成することができる。電力センサとして、例えば、特許文献４には、ブリッジ構成のＭＲ素子を用いた電力計が開示されている。 Moreover, a power sensor can be comprised by providing a current sensor and the means which enables the measurement of a voltage. As a power sensor, for example, Patent Document 4 discloses a wattmeter using an MR element having a bridge configuration.

しかしながら、特許文献４に記載のように、電力センサ（電力計）の磁気抵抗素子として簡易なＭＲ素子を用いた従来技術は存在するが、磁気抵抗素子としてＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子等のスピントロニクス素子を用いて、当該スピントロニクス素子の特性を十分に生かした電力センサは存在せず、検討の余地が残されていた。 However, as described in Patent Document 4, there is a conventional technique using a simple MR element as a magnetoresistive element of a power sensor (power meter). However, a spintronic element such as a TMR element or a GMR element is used as the magnetoresistive element. As a result, there is no power sensor that fully utilizes the characteristics of the spintronic device, leaving room for study.

そこで本発明は、ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子等のスピントロニクス素子を用いて、電力検知を精度良く行うことができる電力検知センサを提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a power detection sensor that can accurately detect power using a spintronic device such as a TMR device or a GMR device.

かかる目的を達成するため、本発明に係る電力検知センサは、磁気抵抗素子を備えた電力検知センサであって、測定対象となる負荷に印加される電圧を、磁気抵抗素子の抵抗成分に基づいて検知し、負荷に流れる電流を、磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線より発生する磁界に基づく磁気抵抗素子の出力変化、および磁気抵抗素子の磁気抵抗変化に基づいて検知し、電力検知を行うものである。 In order to achieve such an object, a power detection sensor according to the present invention is a power detection sensor including a magnetoresistive element, and a voltage applied to a load to be measured is determined based on a resistance component of the magnetoresistive element. Detects the current flowing through the load based on the output change of the magnetoresistive element based on the magnetic field generated by the electrical wiring arranged in the vicinity of the magnetoresistive element and the magnetoresistive change of the magnetoresistive element, and detects the power. Is what you do.

本発明によれば、電力検知を精度良く行うことができる。 According to the present invention, power detection can be performed with high accuracy.

ＴＭＲ層構成による検知用素子部の断面概略図である。It is the cross-sectional schematic of the element part for a detection by a TMR layer structure. ＧＭＲ層構成による検知用素子部の断面概略図である。It is the cross-sectional schematic of the element part for a detection by GMR layer structure. ＴＭＲ素子の電流電圧特性の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the current-voltage characteristic of a TMR element. ＴＭＲ素子の磁界に対する抵抗変化の一例を示すグラフである。It is a graph which shows an example of the resistance change with respect to the magnetic field of a TMR element. 第１の実施形態に係る電力検知センサの構成（１）を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure (1) of the electric power detection sensor which concerns on 1st Embodiment. 電流センサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of a current sensor. 第１の実施形態に係る電力検知センサの構成（２）を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure (2) of the electric power detection sensor which concerns on 1st Embodiment. 電力検知センサによる電流検知制御例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the example of electric current detection control by an electric power detection sensor. 第２の実施形態に係る電力検知センサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the electric power detection sensor which concerns on 2nd Embodiment. 第３の実施形態に係る電力検知センサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the electric power detection sensor which concerns on 3rd Embodiment. 第４の実施形態に係る電力検知センサの構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the electric power detection sensor which concerns on 4th Embodiment.

以下、本発明に係る構成を図１から図１１に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, a configuration according to the present invention will be described in detail based on the embodiment shown in FIGS.

[第１の実施形態]
[検知用素子部]
図１及び図２に検知用素子部（以下、磁気抵抗素子、検知素子、電流検知素子ともいう）の構成例を示す。図１に示す検知用素子部１１は、キャップ層６、フリー層５、トンネル障壁層４、磁化固定（ＡＦＭ）層３、シード層２、基板１からなるＴＭＲ層構成による検知用素子部１１の一例である。 [First embodiment]
[Detection element]
FIG. 1 and FIG. 2 show configuration examples of a detection element section (hereinafter also referred to as a magnetoresistive element, a detection element, and a current detection element). The detection element unit 11 shown in FIG. 1 includes a detection element unit 11 having a TMR layer configuration including a cap layer 6, a free layer 5, a tunnel barrier layer 4, a magnetization fixed (AFM) layer 3, a seed layer 2, and a substrate 1. It is an example.

基板１としては、例えばＳｉやＳｉ上熱酸化基板を用いる。ＭＯＳ層を有するものであっても特性上問題なく作製可能である。また、超高真空スパッタ装置やイオンビームスパッタ装置、ＥＢ蒸着装置などを用いて、Ｔａ、ＦｅＮｉ層との複合層によるシード層２を設け、特性を向上させるとともに、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＣｒＰｔＭｎ、ＣｏＭｎなどやそれらの合金などからなる磁化固定層３を構成する。このとき、その厚みは各設計値によって、３ｎｍ〜４００ｎｍ程度か、それ以上に設定されるが、１０ｎｍ〜１００ｎｍが好適である。また、磁化固定層３の上部にピンド層８（シンセティックフェリ層）を設ける構成（スピンバルブ構成）としても良い。また、磁化固定層３として保磁力の大きいものや硬質磁性材料（ＡｌＮｉＣｏ、ＰｔＣｏ等）でもよい。 As the substrate 1, for example, Si or a thermally oxidized substrate on Si is used. Even if it has a MOS layer, it can be manufactured without problems in characteristics. Further, using an ultra-high vacuum sputtering apparatus, an ion beam sputtering apparatus, an EB deposition apparatus, etc., a seed layer 2 composed of a composite layer with Ta and FeNi layers is provided to improve characteristics, and FeMn, PtMn, IrMn, NiMn, The magnetization fixed layer 3 made of PdPtMn, CrPtMn, CoMn or the like or an alloy thereof is formed. At this time, the thickness is set to about 3 nm to 400 nm or more depending on each design value, but 10 nm to 100 nm is preferable. Also, a configuration (spin valve configuration) in which the pinned layer 8 (synthetic ferri layer) is provided on the magnetization fixed layer 3 may be employed. Further, the magnetization fixed layer 3 may be a material having a large coercive force or a hard magnetic material (AlNiCo, PtCo, etc.).

トンネル障壁層４は、例えばＡｌ−ＯやＭｇＯで構成され、その厚みは０．５ｎｍ〜６ｎｍの間で設計されるが、１ｎｍ〜４ｎｍが好適である。特に、ＭｇＯで構成すると、比較的厚い膜厚であっても優れた磁気抵抗変化率特性が得られるので、抵抗値を大きくとりたい場合には厚みを厚くすることで実現可能となるメリットを有する。なお、図示はしないが、ＭｇＯ層をトンネル障壁層４とする場合には、例えばＣｏＦｅＳｉＢなどのアモルファス膜をアズデポ（析出まま）で作製後、アニール時に結晶化することも好ましい。これにより、ＭｇＯの再配列を促し、結晶性を高めることで磁気抵抗変化率を著しく向上されることが可能となり、さらに検知性能の向上を図ることができる。 The tunnel barrier layer 4 is made of, for example, Al—O or MgO, and the thickness is designed between 0.5 nm and 6 nm, but 1 nm to 4 nm is preferable. In particular, when composed of MgO, an excellent magnetoresistance change rate characteristic can be obtained even with a relatively thick film thickness. Therefore, there is a merit that can be realized by increasing the thickness when a large resistance value is desired. . Although not shown, when the MgO layer is used as the tunnel barrier layer 4, it is also preferable that an amorphous film such as CoFeSiB is formed as-deposited (as deposited) and then crystallized during annealing. As a result, the rearrangement of MgO is promoted and the crystallinity is enhanced, whereby the magnetoresistance change rate can be remarkably improved, and the detection performance can be further improved.

フリー層５は、例えば、パーマロイ（ＮｉＦｅ）、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＡｌＳｉ等の軟磁気特性を有するものや半硬質磁気特性を有するもので構成することにより、センサ特性を発揮するものである。また、保護目的と次工程との整合性のためのキャップ層７としては、Ｔａ、Ａｕなどを成膜する。 The free layer 5 is composed of a material having soft magnetic properties such as permalloy (NiFe), supermalloy, CoFe, CoNiFe, CoZrNb, CoFeB, CoFeSiB, FeAlSi, or the like, and having a semi-hard magnetic property. To demonstrate. Further, as the cap layer 7 for consistency between the protection purpose and the next process, Ta, Au or the like is formed.

検知用素子部１１は、所望の形状にフォトリソグラフィ、ＥＢ露光等を用いた微細加工により形状を作製し、上下に電極を配して完成させる。 The detection element portion 11 is completed by forming a shape into a desired shape by fine processing using photolithography, EB exposure, or the like, and arranging electrodes on the upper and lower sides.

なお、検知用素子部１１は、素子面積によらず、検知素子として可能であるが、所望の抵抗値は素子面積でも設定可能であるので、ＬＳＩ設計の上で小さな面積でかつ抵抗値を大きく取りたい場合には抵抗値の選択としてより小さな素子面積を選べばよい。抵抗値を低くしたい場合には素子面積を大きくとるか、ＴＭＲ特性を犠牲にしない範囲でトンネル障壁層４の厚みを小さく取ることで設定することが可能となる。 The detection element unit 11 can be used as a detection element regardless of the element area. However, since a desired resistance value can also be set by the element area, the resistance value is small and large in LSI design. If it is desired to select a smaller element area, the resistance value may be selected. When it is desired to reduce the resistance value, it is possible to set by increasing the element area or reducing the thickness of the tunnel barrier layer 4 within a range not sacrificing the TMR characteristics.

また、本実施形態における検知用素子部１１は、図１に示すＴＭＲ層構成に限られるものではなく、例えば、図２に示すようなＧＭＲ層構成であっても良い。図２に示す検知用素子部１１は、トンネル障壁層４に替えて非磁性金属層７を有し、その他の層構成は同様である。ここで、非磁性金属層７には、例えば、Ｃｕ、Ａｇなどが適している。 Further, the detection element unit 11 in the present embodiment is not limited to the TMR layer configuration shown in FIG. 1, and may have a GMR layer configuration as shown in FIG. 2, for example. 2 has a nonmagnetic metal layer 7 instead of the tunnel barrier layer 4, and the other layer configuration is the same. Here, Cu, Ag, etc. are suitable for the nonmagnetic metal layer 7, for example.

ところで、従来の磁気センシングを用いた電流センサでは、直接磁界等を測定する場合などにおいて、磁気センサの感度が小さいため、ホール素子も含んで比較的大きな素子をする必要があった。これに対し、図１、図２に示したＴＭＲ素子やＧＭＲ素子などの磁気抵抗素子の特性向上は著しく、室温で数１００%に達するものとなっており、格段に特性向上が見込めるデバイスとなっている。以下に述べる本実施形態に係る電力検知センサでは、これらを用いている。また、最近のＬＳＩの配線幅の低減等で、検知に伴う回路技術もＬＳＩの微小な素子部として実現できるところとなっており、従来のＡＭＲ素子（異方性磁気抵抗素子）などと異なり新たな検知方法への適用が考えられる。 By the way, in the current sensor using the conventional magnetic sensing, since the sensitivity of the magnetic sensor is small when directly measuring a magnetic field or the like, it is necessary to make a relatively large element including a Hall element. On the other hand, the characteristics of the magnetoresistive elements such as the TMR element and the GMR element shown in FIG. 1 and FIG. 2 are remarkably improved, reaching several hundreds of percent at room temperature. ing. These are used in the power detection sensor according to the present embodiment described below. In addition, with the recent reduction of LSI wiring width, etc., the circuit technology associated with detection can be realized as a small element part of the LSI, which is different from conventional AMR elements (anisotropic magnetoresistive elements). Can be applied to various detection methods.

例えば、ＴＭＲ素子では、磁界の検知に関して、フリー層５の磁界に対する変化を基準とする磁化固定層３との磁化の相対角によってトンネル電流の流れ方が異なることで磁気抵抗変化としている。したがって、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子においても磁界の変化に追随して変化するフリー層５か、ＴＭＲ素子においては通常は検知層一層でフリー層５そのものであるため、微弱な磁界の検知においてはフリー層の特徴をうまく利用することで、磁気抵抗素子特性の向上を図ることができる。また、磁性体を介して電流注入による磁化反転（スピン注入磁化反転）の効果により、電流を検知対象とする場合には検知感度を向上させることが可能となり、微小な電流でも検知となり、同一電流の検知の際にも検知信号の出力電圧比を向上させることが可能となる。また、ＴＭＲ素子では、素子抵抗値自体を大きく設定することが容易であり、以下に説明する電力検知センサに好適である。また、ＧＭＲ素子も、同様に高精度計測が可能であって、ＭＲ素子やホール素子を用いた場合に比べて、すぐれた特性を発揮する。以下、必要に応じてＴＭＲ層構成の磁気抵抗素子１１を例に取り説明する。 For example, in the TMR element, regarding the detection of the magnetic field, the change in the magnetoresistance is caused by the way in which the tunnel current flows depending on the relative angle of magnetization with the magnetization fixed layer 3 with reference to the change of the free layer 5 with respect to the magnetic field. Therefore, the GMR element and the TMR element also have the free layer 5 that changes following the change of the magnetic field. In the TMR element, the detection layer is usually the free layer 5 itself. Therefore, the free layer 5 is used for detecting a weak magnetic field. By making good use of this feature, it is possible to improve the magnetoresistive element characteristics. In addition, due to the effect of magnetization reversal (spin injection magnetization reversal) by current injection via a magnetic material, it is possible to improve detection sensitivity when current is to be detected, and even a very small current can be detected, and the same current It is possible to improve the output voltage ratio of the detection signal even during the detection. Further, in the TMR element, it is easy to set the element resistance value itself large, and it is suitable for the power detection sensor described below. In addition, the GMR element can similarly measure with high accuracy, and exhibits superior characteristics as compared with the case where the MR element or the Hall element is used. Hereinafter, the magnetoresistive element 11 having a TMR layer structure will be described as an example as necessary.

[電力検知センサ]
本実施形態に係る電力検知センサは、磁気抵抗素子（磁気抵抗素子１１）を備えた電力検知センサ（電力検知センサ１０）であって、測定対象となる負荷（負荷Ａ）に印加される電圧を、磁気抵抗素子の抵抗成分に基づいて検知し、負荷に流れる電流を、磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線（電気配線ｗａ）より発生する磁界に基づく磁気抵抗素子の出力変化、および磁気抵抗素子の磁気抵抗変化に基づいて検知し、電力検知を行うものである。なお、電力検知センサの電気配線に流される電流は直流（ＤＣ）に限らず、交流（ＡＣ）であっても測定可能である。 [Power detection sensor]
The power detection sensor according to the present embodiment is a power detection sensor (power detection sensor 10) provided with a magnetoresistive element (magnetoresistance element 11), and a voltage applied to a load to be measured (load A). , A change in output of the magnetoresistive element based on a magnetic field generated from an electrical wiring (electrical wiring wa) disposed in the vicinity of the magnetoresistive element, and a current flowing through the load detected based on the resistance component of the magnetoresistive element, and magnetism It detects based on the magnetoresistive change of a resistive element, and performs electric power detection. Note that the current flowing through the electric wiring of the power detection sensor is not limited to direct current (DC), and can be measured even with alternating current (AC).

上述のように、ＴＭＲ素子などの磁気抵抗素子は、磁界の変化に対して非常に鋭敏な特性を有しており、非接触の電流検知素子として機能する。また、磁界変化が微小な場合や磁界変化をさせない場合には、抵抗値そのものの温度変化も微小であって、抵抗そのものと機能させることができる。本実施形態に係る電力検知センサは、その特徴に着目して、非常に大きな範囲（ワイドレンジ）での電流検知素子および電圧素子として用いることが可能となり、高精度に電力を検知することが可能となる。 As described above, a magnetoresistive element such as a TMR element has a very sensitive characteristic with respect to a change in a magnetic field, and functions as a non-contact current detecting element. Further, when the magnetic field change is small or when the magnetic field is not changed, the temperature change of the resistance value itself is also small and can function as the resistance itself. The power detection sensor according to the present embodiment can be used as a current detection element and a voltage element in a very large range (wide range), paying attention to its characteristics, and can detect power with high accuracy. It becomes.

また、本実施形態に係る電力検知センサは、以下に詳述するように、近接した電流によって磁化反転を行い、高感度に検知可能なセンサであって、それ自身は流す電流によってはほとんど変化なくすることが可能である。また、ブリッジ構成とすることも可能であり、その影響を僅少にすることが可能である。 In addition, the power detection sensor according to the present embodiment is a sensor capable of detecting magnetization with high sensitivity by performing close magnetic reversal as described in detail below, and the power detection sensor itself hardly changes depending on the current flowing. Is possible. Further, it is possible to adopt a bridge configuration, and it is possible to minimize the influence.

換言すれば、抵抗を比較的大きく設定でき、かつ、大きい電流を流すことに対応可能とし、大きなレンジで電流検知の構成が実現できる。また、通常のデバイス構成であっても十分、高信頼性につながるものであって、堅牢なシステムとすることが可能、すなわち、将来にわたって、劣化等の自己診断が可能となる。 In other words, the resistance can be set relatively large, and it is possible to cope with a large current flow, and a current detection configuration can be realized in a large range. Further, even a normal device configuration is sufficient and leads to high reliability, and can be a robust system, that is, self-diagnosis such as deterioration can be performed in the future.

図３は、ＴＭＲ素子の電流電圧特性の一例を示すグラフである。図３に示すように、ＴＭＲ素子では、通常、センス電流値が小さな領域において、直線的な変化を示す。また、センス電流印加によっても、通常、トンネル障壁の幅と障壁高さによって決まる特有の曲線を示す。 FIG. 3 is a graph showing an example of current-voltage characteristics of the TMR element. As shown in FIG. 3, the TMR element usually exhibits a linear change in a region where the sense current value is small. In addition, a characteristic curve that is usually determined by the width and height of the tunnel barrier is also shown by applying the sense current.

ここで、図３中の特に直線的な部分（直線領域ｓ）において、抵抗成分として、センス電流に対して比例し、精度よい検知が可能となる。なお、図３の例では、磁界は与えていない。また、温度特性０．１％／度台程度であり、半導体素子に比べて小さいことが知られている。以下、磁気抵抗測定時には温度特性や磁界動作が均一になるようにしてあるが、抵抗として検知する場合は、電流による磁界が発生しないようにして微少電流検知が可能となる。 Here, in a particularly linear portion (straight region s) in FIG. 3, the resistance component is proportional to the sense current and can be accurately detected. In the example of FIG. 3, no magnetic field is applied. Further, it is known that the temperature characteristic is about 0.1% / degree, which is smaller than that of a semiconductor element. In the following, temperature characteristics and magnetic field operations are made uniform during magnetoresistance measurement. However, when detecting as resistance, a minute current can be detected without generating a magnetic field due to current.

図４は、ＴＭＲ素子の磁界に対する抵抗変化（磁気抵抗特性）の一例を示すグラフである。図４に示す例は、小さな磁界印加時には直線的な抵抗増加特性をもち、徐々に飽和する特性を有するＴＭＲ素子を示している。 FIG. 4 is a graph showing an example of resistance change (magnetoresistance characteristics) with respect to the magnetic field of the TMR element. The example shown in FIG. 4 shows a TMR element having a linear resistance increasing characteristic when a small magnetic field is applied and a characteristic of gradually saturating.

図５は、電力検知センサの第１の実施形態における構成を示す概略図である。図５に示すように電力検知センサ１０は、測定対象（負荷）Ａに接続される電気配線ｗａと、電気配線ｗａから分岐し、その途中に磁気抵抗素子１１が接続される電気配線ｗｂと、電気配線ｗｂに配置される磁気抵抗素子１１と、磁気抵抗素子１１と接続されその検知結果（電力）を出力する検知手段１２と、検知手段１２からの出力信号に基づいて信号処理を行う出力信号処理部１３と、を備える。 FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a configuration of the power detection sensor according to the first embodiment. As shown in FIG. 5, the power detection sensor 10 includes an electrical wiring wa connected to the measurement target (load) A, an electrical wiring wb branched from the electrical wiring wa, and connected to the magnetoresistive element 11 in the middle thereof. The magnetoresistive element 11 disposed in the electrical wiring wb, the detecting means 12 connected to the magnetoresistive element 11 and outputting the detection result (power), and the output signal for performing signal processing based on the output signal from the detecting means 12 And a processing unit 13.

また、電気配線ｗａは、磁気抵抗素子１１から所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１の周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線となっている（ループ状磁界発生用配線部とする）。すなわち、電力検知センサ１０では、磁気抵抗素子１１を周回する電気配線ｗａで形成される平面ループ内に配置されるようになる。 The electrical wiring wa is an electrical wiring that is wired in a loop on one plane so as to circulate around the magnetoresistive element 11 while being separated from the magnetoresistive element 11 by a predetermined distance (loop). A magnetic field generating wiring section). In other words, the power detection sensor 10 is arranged in a planar loop formed by the electrical wiring wa that circulates around the magnetoresistive element 11.

このように、電気配線ｗａを平面ループ状に配線したので、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に垂直となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する強度の精度が上がり（発生磁界強度と分布の誤差を低減でき）、より正確な測定を可能とすることが可能となる。 Thus, since the electric wiring wa is wired in a planar loop shape, the vector direction of the magnetic field generated by the current is perpendicular to the substrate surface (= film surface), and the design and generation in consideration of the influence of the demagnetizing field of the magnetoresistive element 11 The accuracy of the strength to be increased (the generated magnetic field strength and distribution error can be reduced), and more accurate measurement can be made possible.

ここで、測定対象Ａは、電源から電力が供給されて種々の動作や処理を行う電子・電機機器のユニット（あるいは部品）であり、その内部の異常や劣化などにより負荷が増大して流れる電流が増加する場合があるものである。 Here, the measurement target A is a unit (or part) of an electronic / electrical equipment that performs various operations and processes when power is supplied from a power source, and a current that flows due to an increase in a load due to abnormality or deterioration in the interior. May increase.

ここで、電気配線に電流を流すと、その電気配線の周りには磁界が発生するが、このと
き、電気配線（ｗａ）の近傍に磁気抵抗素子１１を配置すると、マイナーループを描く磁気ヒステリシスをもつことから、その磁界の影響を受けてフリー層５が磁化し、結果として所定の抵抗値を示す。 Here, when a current is passed through the electrical wiring, a magnetic field is generated around the electrical wiring. At this time, if the magnetoresistive element 11 is arranged in the vicinity of the electrical wiring (wa), a magnetic hysteresis describing a minor loop is generated. Therefore, the free layer 5 is magnetized under the influence of the magnetic field, resulting in a predetermined resistance value.

また、電流の増加に伴い磁界の強度が増加すると、フリー層５において、マイナーループに沿って磁化が増大するがあるところから磁化が飽和する特徴をもつ（図４）。これは、フリー層５とするパーマロイ（ＮｉＦｅ）、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＡｌＳｉ等の各材料ともそれぞれ特徴ある磁気ヒステリシスループをとりながら、磁化がスイッチ的な角型形状を持って変化する場合や直線的な変化を示して、磁化飽和に達する曲線を示すが、リニアな測定を必要とする場合には直線的な特性を示すものである。すなわち、ＴＭＲ素子においてはフリー層５の磁化状態に応じて磁気抵抗変化も得られることとなる。また、必要に応じてスイッチイング特性を示す場合には角型形状を持った磁気抵抗曲線を用いることで検知が可能となる。さらに微少な部分の測定は、抵抗素子として検知する磁気抵抗部を用いて検知が可能となる。 Further, when the strength of the magnetic field increases with an increase in current, the free layer 5 has a characteristic that the magnetization is saturated from the point where the magnetization increases along the minor loop (FIG. 4). This is because each material such as permalloy (NiFe), supermalloy, CoFe, CoZrNb, CoFeB, CoFeSiB, FeAlSi, etc. for the free layer 5 has a characteristic magnetic hysteresis loop, and has a square shape with a switchable magnetization. In this case, a curve reaching the magnetization saturation is shown by showing a linear change or a linear change, but a linear characteristic is shown when a linear measurement is required. That is, in the TMR element, a change in magnetoresistance can be obtained according to the magnetization state of the free layer 5. In addition, when switching characteristics are exhibited as necessary, detection can be performed by using a magnetoresistive curve having a square shape. Further, a minute portion can be measured using a magnetoresistive portion that is detected as a resistance element.

また、上述のように、ＴＭＲ素子は、フリー層５の磁界に対する変化を基準とする磁化固定層３との磁化の相対角によって、センス電流の流れ方が異なることで磁気抵抗変化としている。検知層一層でフリー層５そのものであるので、微弱な磁界の検知においてはフリー層５の特徴を用いることで、各素子特性を向上することが可能となる。また、磁性体を介して電流注入による磁化反転の効果により、電流を検知対象とする場合には検知感度を向上させることが可能となるため、微小な電流でも検知となり、同一電流の検知の際にも検知信号の出力電圧比を向上させることが可能となる。 Further, as described above, the TMR element changes the magnetoresistance by changing the flow of the sense current depending on the relative angle of magnetization with the magnetization fixed layer 3 based on the change of the free layer 5 with respect to the magnetic field. Since the detection layer is the free layer 5 itself, the characteristics of each element can be improved by using the characteristics of the free layer 5 in detecting a weak magnetic field. In addition, due to the effect of magnetization reversal by current injection through a magnetic material, it is possible to improve detection sensitivity when current is to be detected, so even a very small current can be detected. In addition, the output voltage ratio of the detection signal can be improved.

図５に示す本実施形態の電力検知センサ１０による電力検知の構成の基本を説明する。上述したＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子等を用いて、測定対象の電流Ｉを、磁気抵抗素子１１を通さずに、ループ状磁界発生用配線部（電気配線ｗａ）に流す電流Ｉａとし、磁気抵抗素子１１の近傍を流れ、その際に電流Ｉａに従った磁界を発生させ、磁気抵抗に印加される。電流Ｉａはその後、負荷Ａに与えられる。 The basic configuration of power detection by the power detection sensor 10 of this embodiment shown in FIG. 5 will be described. Using the above-described TMR element, GMR element, etc., the current I to be measured is changed to the current Ia that flows in the loop magnetic field generating wiring portion (electric wiring wa) without passing through the magnetoresistive element 11, and the magnetoresistive element 11 In this case, a magnetic field according to the current Ia is generated and applied to the magnetoresistance. The current Ia is then applied to the load A.

また、センス電流Ｉｂとして、負荷Ａを流れる電流Ｉａによる電圧降下（＝負荷Ａに印加される電圧ＶＬ）にしたがってセンス電流Ｉｂを設定し、磁気抵抗素子１１に印加する。 In addition, the sense current Ib is set as the sense current Ib according to the voltage drop (= voltage VL applied to the load A) due to the current Ia flowing through the load A, and applied to the magnetoresistive element 11.

磁気抵抗素子１１における出力電圧Ｅは磁気抵抗の磁界による変化分を考慮し、次式（１）で表される。
Ｅ∝Ｉａ×Ｉｂ∝Ｉａ×ＶＬ・・・（１） The output voltage E in the magnetoresistive element 11 is expressed by the following equation (1) in consideration of the change in the magnetic resistance due to the magnetic field.
E∝Ia × Ib∝Ia × VL (1)

上記式（１）は、負荷Ａにおける電力消費量は、磁気抵抗素子１１における出力電圧Ｅに比例することを示している。なお、比例せず単調な変化の場合、マッピング等の信号処理や、磁気抵抗素子１１の動作に伴うヒステリシスを考慮して補正等の処理を行ってもよい。 The above equation (1) indicates that the power consumption at the load A is proportional to the output voltage E at the magnetoresistive element 11. In the case of a monotonous change that is not proportional, signal processing such as mapping and processing such as correction may be performed in consideration of hysteresis associated with the operation of the magnetoresistive element 11.

本実施形態では、図５に示すように、センス電流Ｉｂを負荷Ａからの電圧を分岐させて与え、その際に抵抗値そのものが持つ抵抗によって、出力電圧Ｅが得られることとなる。さらに、負荷Ａに流れる電流によって、ループ状磁界発生用配線部（電気配線ｗａ）によって、磁界が発生し、それに伴う磁界変化に従って、磁気抵抗値が変化する。また、抵抗値を増大または減少させる設定が可能である。例えば、磁界によって、抵抗値が増大し、出力が増大する場合、電流変化は電流値が増大する側で大きくなるので、大きな電流が流れる場合に、精度よく、そのまま電力量として出力することが可能となる。 In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the sense current Ib is supplied by branching the voltage from the load A, and the output voltage E is obtained by the resistance of the resistance value itself at that time. Furthermore, a magnetic field is generated by the loop magnetic field generation wiring portion (electrical wiring wa) due to the current flowing through the load A, and the magnetoresistance value changes according to the change in the magnetic field associated therewith. Moreover, the setting which increases or decreases a resistance value is possible. For example, when the resistance value increases and the output increases due to the magnetic field, the current change increases on the side where the current value increases, so when a large current flows, it can be output as it is with high accuracy. It becomes.

なお、図６に示すように、測定対象（負荷）Ａに接続される電気配線ｗ１と、電気配線ｗ１から分岐し、その途中に磁気抵抗素子１１が接続される電気配線ｗ２と、電気配線ｗ１から分岐し、磁界発生用配線部である電気配線ｗ３と、上記電気配線ｗ２に配置される磁気抵抗素子１１と、磁気抵抗素子１１と接続されその検知結果を出力する検知手段１２と、検知手段１２からの出力信号に基づいて処理を行う出力信号処理部１３と、を備えた電流センサを構成することもできる。 As shown in FIG. 6, an electrical wiring w1 connected to the measurement target (load) A, an electrical wiring w2 branched from the electrical wiring w1 and connected to the magnetoresistive element 11 in the middle, and an electrical wiring w1 Branching from the electrical wiring w3 that is a magnetic field generating wiring section, the magnetoresistive element 11 disposed in the electrical wiring w2, the detecting means 12 connected to the magnetoresistive element 11 and outputting the detection result, and the detecting means It is also possible to configure a current sensor including an output signal processing unit 13 that performs processing based on an output signal from 12.

図６に示す電流センサでは、測定対象の電流Ｉを、磁気抵抗素子１１を通さずに、磁界発生用配線部ｗ３に流す電流Ｉａと、磁気抵抗素子１１（電気配線ｗ２側）に流す電流（すなわち、センス電流）Ｉｂとに分岐させるものである。よって、電流は、次式（２）の関係を有している。
Ｉ＝Ｉａ＋Ｉｂ・・・（２） In the current sensor shown in FIG. 6, the current Ia to be measured is passed through the magnetic field generating wiring portion w3 without passing through the magnetoresistive element 11, and the current ( That is, it is branched to the sense current (Ib). Therefore, the current has the relationship of the following formula (2).
I = Ia + Ib (2)

ここで、電流は、所望の周波数における磁界発生用配線部ｗ３と磁気抵抗素子１１の抵抗の逆比と分岐することが可能であるので、磁気抵抗素子１１を破壊しない十分小さな電流Ｉｂに設定することが可能となる。したがって、測定の精度等の設計値に応じた値とすることができる。また、その際、必要な測定電流Ｉの測定レンジに従って、各パラメータを設定することも可能となる。 Here, since the current can be branched from the inverse ratio of the resistance of the magnetic field generating wiring portion w3 and the magnetoresistive element 11 at a desired frequency, the current is set to a sufficiently small current Ib that does not destroy the magnetoresistive element 11. It becomes possible. Therefore, it can be set to a value according to a design value such as measurement accuracy. At that time, it is also possible to set each parameter according to the measurement range of the necessary measurement current I.

図６に示す電流センサでは、上記式（２）のように電流を分岐させ、その際、抵抗値そのものが持つ抵抗によって、出力電圧を増大させることができる。また、磁界発生用配線部ｗ３によっても、磁界が発生し、それに伴う磁界変化に従って、磁気抵抗値が変化し、さらに抵抗値が増大または減少させる設定が可能となる。 In the current sensor shown in FIG. 6, the current can be branched as shown in the above equation (2), and the output voltage can be increased by the resistance of the resistance value itself. Also, the magnetic field generating wiring portion w3 can generate a magnetic field, change the magnetic resistance value according to the magnetic field change accompanying the magnetic field, and further increase or decrease the resistance value.

図５に示す本実施形態に係る電力検知センサ１０では、図６に示すような電流センサとは異なり、さらに電力量をそのまま測定することが可能となる。 In the power detection sensor 10 according to this embodiment shown in FIG. 5, unlike the current sensor as shown in FIG. 6, it is possible to measure the amount of power as it is.

なお、図５では、単独素子（磁気抵抗素子１１）の電力検知センサの例を示したが、さらに精度を向上させるため、図７に示すように、磁気抵抗素子１１として、該磁気抵抗素子を並列および／または直列に接続（ブリッジ接続）した磁気抵抗素子群（１１ａ〜１１ｄ）を用いた電力検知センサ２０とすることも好ましい。これにより、例えば、電流の増減によって、抵抗が増減する方向を適宜設定することが可能となる。図７に示す例では、電気配線ｗｂ１，ｗｂ２により磁気抵抗素子１１ａ，ｃと１１ｂ，ｄが並列に接続され、また、磁気抵抗素子１１ａ，ｃと１１ｂ，ｄとはそれぞれ直列で接続されている。 FIG. 5 shows an example of a power detection sensor of a single element (magnetoresistance element 11). However, in order to further improve accuracy, as shown in FIG. It is also preferable to use the power detection sensor 20 using the magnetoresistive element groups (11a to 11d) connected in parallel and / or in series (bridge connection). Thus, for example, the direction in which the resistance increases or decreases can be set as appropriate by increasing or decreasing the current. In the example shown in FIG. 7, the magnetoresistive elements 11a, c and 11b, d are connected in parallel by the electric wirings wb1, wb2, and the magnetoresistive elements 11a, c and 11b, d are connected in series, respectively. .

電力検知センサ１０による電流、電圧検知制御について、図８のフローチャートを用いて説明する。図８の例では、電源より測定対象負荷Ａに与えた電流（電流Ｉ）を検知する場合について説明する。 The current and voltage detection control by the power detection sensor 10 will be described with reference to the flowchart of FIG. In the example of FIG. 8, the case where the current (current I) applied to the measurement target load A from the power source is detected will be described.

先ず、被測定電流を負荷Ａに印加する（Ｓ１０１）とともに、負荷Ａの電圧がＴＭＲ素子（磁気抵抗素子１１）へのセンス電流として与えられる（Ｓ１０２）。また、ＴＭＲ素子の電流電圧特性によって、直線領域やそれ以外の領域において、センス電流によりその変化を、抵抗成分による電圧として発生する（Ｓ１０３）。 First, a current to be measured is applied to the load A (S101), and the voltage of the load A is given as a sense current to the TMR element (the magnetoresistive element 11) (S102). Further, due to the current-voltage characteristics of the TMR element, the change is generated as a voltage due to the resistance component in the linear region and other regions due to the sense current (S103).

さらに、電気配線ｗａに発生する磁界によって、磁気抵抗曲線に準じて、ＴＭＲ素子抵抗が変化し、素子抵抗は、増減分として出力変化がある（Ｓ１０４）。これらを検知手段１２で検知し、出力信号処理部１３へ出力する。最後に、出力信号処理部１３は、それぞれの出力データを組み合わせて電力出力とする（Ｓ１０５〜Ｓ１０６）。なお、出力は、予め電流データとして得ているマップ（電流換算マップ）との照合でもいいし、換算係数として得ておき、電流検知として行うことも可能である。 Furthermore, the TMR element resistance changes according to the magnetic resistance curve due to the magnetic field generated in the electric wiring wa, and the element resistance has an output change as an increase / decrease (S104). These are detected by the detection means 12 and output to the output signal processing unit 13. Finally, the output signal processing unit 13 combines the output data to generate power output (S105 to S106). The output may be collated with a map (current conversion map) obtained as current data in advance, or may be obtained as a conversion coefficient and performed as current detection.

また、検知制御部を設け、検知のフローチャートとして操作する構成も好ましい。これにより、より細かい精度設定や、設定の測定対象に応じた変更といった自由度の高い測定が可能となる。また、磁界に対して、素子抵抗を増加させる設定も可能となり、所望の磁界強度すなわち被測定電流、および負荷の電圧の測定精度のレンジ、電力のレンジが設定できる。 A configuration in which a detection control unit is provided and operated as a detection flowchart is also preferable. As a result, it is possible to perform measurement with a high degree of freedom such as finer accuracy setting and change according to the measurement target of the setting. In addition, the element resistance can be set to increase with respect to the magnetic field, and the desired magnetic field strength, that is, the current to be measured, the range of the measurement accuracy of the load voltage, and the power range can be set.

以上説明した本実施形態に係る電力検知センサ１０によれば、電流値および電圧を高精度に検知し、電力として出力することができる、また、その元となる磁界を高精度に検知することが可能となる。また、ワイドレンジ測定が可能となる。さらに、これらを単独の磁気抵抗素子またはブリッジ構成にて素子数を少なく実現することができる。よって、センサの小型化を図ることができる。また、電気配線に切り替えスイッチ等を設けることもないため、構造が簡便であり、切り替えのタイミング等を考慮した制御プログラム等を別途必要とすることなく、上記効果を実現することができる。 According to the power detection sensor 10 according to the present embodiment described above, the current value and voltage can be detected with high accuracy and output as power, and the original magnetic field can be detected with high accuracy. It becomes possible. In addition, wide range measurement is possible. Furthermore, these can be realized with a small number of elements by a single magnetoresistive element or a bridge configuration. Therefore, the size of the sensor can be reduced. In addition, since the changeover switch or the like is not provided in the electric wiring, the structure is simple, and the above effect can be realized without requiring a separate control program in consideration of the switching timing and the like.

電力検知センサ１０の動作例について説明する。例えば、１００００００Ω程度とした素子の場合には、１μＡを流した場合において、１Ｖの電圧が得られることとなり、ＴＭＲ素子においては、電圧限界のマージン等から適当な値となる。この場合、ＴＭＲ素子に接続される電気配線の抵抗値を数Ωとしても、１Ａ程度までの測定において、高感度に測定可能となる。 An operation example of the power detection sensor 10 will be described. For example, in the case of an element of about 1000000Ω, a voltage of 1 V can be obtained when 1 μA is passed, and in the case of a TMR element, an appropriate value is obtained from a margin of voltage limit. In this case, even if the resistance value of the electrical wiring connected to the TMR element is set to several Ω, it can be measured with high sensitivity in the measurement up to about 1A.

また、電気配線を０．１Ωとすると１０Ａ程度までの測定において、高感度に測定することが可能となる（電気配線をより離した位置での計測）。また、１００Ａ程度の測定においても０．０１０Ω程度に電気配線の抵抗を設定することで測定可能となる。さらに、同等、もしくはこれ以上の電流測定においては、一旦電流を分流させてから測定を行うことも好ましい。１００Ａ以下の１０Ａ、１Ａ測定時においても分流させる構成としても良い（後述の第４の実施形態）。 Further, when the electrical wiring is 0.1Ω, it is possible to measure with high sensitivity in the measurement up to about 10 A (measurement at a position where the electrical wiring is further separated). Further, even in the measurement of about 100 A, the measurement can be performed by setting the resistance of the electric wiring to about 0.010Ω. Furthermore, in the current measurement of equal or higher, it is also preferable to perform the measurement after once dividing the current. It is good also as a structure which makes it shunt even at the time of 10A and 1A measurement of 100A or less (4th Embodiment mentioned later).

なお、電力検知センサ１０では、いずれの場合においても電圧としては分圧されているので、通常の純抵抗の測定より非常に安全な測定とすることができる。なお、必要に応じて保護回路等を付加することも好ましい。 In the power detection sensor 10, since the voltage is divided in any case, the measurement can be made much safer than the normal measurement of pure resistance. It is also preferable to add a protection circuit or the like as necessary.

（第２の実施形態）
以下、電力検知センサのその他の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同様の点についての説明は省略する。 (Second Embodiment)
Hereinafter, other embodiments of the power detection sensor will be described. In addition, the description about the same point as the said embodiment is abbreviate | omitted.

本実施形態の電力検知センサの基本構成は、第１の実施形態と同じであるが、図９は磁気抵抗素子１１を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込み作製した断面模式図であって、磁気抵抗素子１１は、基板１上に所定の薄膜（シード層２、磁化固定層３、ピンド層８、トンネル障壁層４、フリー層５、キャップ層６）が積層されてなり、電気配線ｗｒが薄膜の積層方向（図中上下方向）に沿ってループ状に配置されるものである。 The basic configuration of the power detection sensor of this embodiment is the same as that of the first embodiment, but FIG. 9 is a schematic sectional view in which the magnetoresistive element 11 is incorporated into a semiconductor LSI process. 11, a predetermined thin film (seed layer 2, magnetization fixed layer 3, pinned layer 8, tunnel barrier layer 4, free layer 5, cap layer 6) is laminated on the substrate 1, and the electric wiring wr is a thin film laminated. It is arranged in a loop shape along the direction (vertical direction in the figure).

この構成によれば、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に平行となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する強度の精度が上がり、より正確な測定を可能となる。また、磁気抵抗素子１１及び電気配線ｗｒの作製を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込むことが可能であり、ＬＳＩ等の多層配線中では磁気抵抗素子１１平面に対して垂直に配置した構成がとれることから、より近接した立体ループ構造が、比較的低面積で実現可能であり、電力検知センサの小型化と高感度化が実現可能である。 According to this configuration, the vector direction of the magnetic field generated by the current is parallel to the substrate surface (= film surface), and the design considering the influence of the demagnetizing field of the magnetoresistive element 11 and the accuracy of the generated intensity are increased, and the accuracy is increased. Measurement is possible. In addition, the production of the magnetoresistive element 11 and the electric wiring wr can be taken into the semiconductor LSI process, and the multilayer wiring such as LSI can be arranged perpendicular to the plane of the magnetoresistive element 11. A three-dimensional loop structure closer to each other can be realized with a relatively small area, and the power detection sensor can be reduced in size and sensitivity.

（第３の実施形態）
本実施形態の電力検知センサの基本構成は、第１の実施形態と同じであるが、図１０は磁気抵抗素子１１を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込み作製した事例の上面模式図であって、電気配線ｗｒ１、ｗｒ２は、磁気抵抗素子１１を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造を有しているものである。 (Third embodiment)
The basic configuration of the power detection sensor of this embodiment is the same as that of the first embodiment. FIG. 10 is a schematic top view of an example in which the magnetoresistive element 11 is incorporated into a semiconductor LSI process. The wirings wr1 and wr2 have a Helmholtz coil structure composed of two loops arranged so as to sandwich the magnetoresistive element 11 therebetween.

この構成によれば、第２の実施形態と同様に、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に平行となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する磁界強度の精度の均一性が上がり、特に、磁気抵抗素子１１を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造の電気配線ｗｒ１、ｗｒ２とすることから、位置決めを柔軟にすることができ、かつ、より正確な電流検知が可能となる。 According to this configuration, similarly to the second embodiment, the vector direction of the magnetic field generated by the current is parallel to the substrate surface (= film surface), and the design or generation takes into account the influence of the demagnetizing field of the magnetoresistive element 11. The uniformity of the magnetic field strength accuracy is increased, and in particular, the electric wirings wr1 and wr2 of the Helmholtz coil structure composed of two loops arranged so as to sandwich the magnetoresistive element 11, so that positioning can be made flexible. In addition, more accurate current detection is possible.

（第４の実施形態）
図１１は、電力検知センサの第４の実施形態における構成を示す概略図である。第４の実施形態の電力検知センサ３０は、上記第２の実施形態で説明した構成に加えて、分流させた電気配線ｗｃを備え、磁気抵抗素子１１へ磁界の影響を与えないように、一旦電流を分流させたものである。 (Fourth embodiment)
FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a configuration of the power detection sensor according to the fourth embodiment. In addition to the configuration described in the second embodiment, the power detection sensor 30 of the fourth embodiment includes a shunted electric wiring wc, and temporarily prevents the magnetoresistive element 11 from being affected by a magnetic field. A current is shunted.

上記実施形態において、１００Ａ程度の測定において０．０１Ω程度に配線部の抵抗を設定することで可能であることを説明したが、同等、もしくはそれ以上の電流測定において、一旦電流を分流させてから測定を行うことも好ましい。また、１００Ａ以下の１０Ａ、１Ａ測定時においても分流させる構成も可能である。 In the above embodiment, it has been explained that it is possible to set the resistance of the wiring part to about 0.01Ω in the measurement of about 100 A. However, after the current is once shunted in the equivalent or higher current measurement It is also preferable to perform the measurement. Moreover, the structure which makes it shunt also at the time of 10A and 1A measurement of 100 A or less is also possible.

分流については、配線抵抗同士の抵抗による按分による分流でもよいが、抵抗への入力用の切り替え部として、スイッチや半導体素子によるアナログスイッチ、他の実施形態で示した例とは逆に、磁界による変化分を素子抵抗の電圧降下とのバランスとして信号処理回路部にて、処理する方式としても良い。 As for the shunting, it may be a shunting due to the resistance between the wiring resistors, but as a switching unit for input to the resistor, an analog switch by a switch or a semiconductor element, contrary to the example shown in other embodiments, by a magnetic field A method may be used in which the signal processing circuit unit processes the change as a balance with the voltage drop of the element resistance.

本実施形態の電力検知センサ３０によれば、さらに大きな電流に関しても測定可能な構成を簡易に実現でき、さらに安全性を向上させることができる。また、大きなダイナミックレンジを持ちながら、微少電流測定時にも、十分大きな検知出力として測定することも可能となる。また、予め所定量以上の電流が素子部に流入しないようにソフトウェア的に設定することも可能であるが、ダイオード等を用いて電流を制限する構成として、所定量以上の場合には流れないようにしても良い。 According to the power detection sensor 30 of the present embodiment, a configuration capable of measuring even a larger current can be easily realized, and safety can be further improved. In addition, it is possible to measure a sufficiently large detection output even when measuring a minute current while having a large dynamic range. In addition, it is possible to set in advance so that a current exceeding a predetermined amount does not flow into the element portion, but the current is limited using a diode or the like so that it does not flow when the current exceeds a predetermined amount. Anyway.

具体的構成としては、配線部材のシート抵抗値を配線面積、厚み等を考慮することが好ましい。例えば、一旦、素子面積比にて電流を分流させ、この時、工程の複雑化をさけるため、あまり精度よく設定できない場合でも、トリミング等の部分を作ることで設計値にあわせ込む等を行うことができる。これにより、プロセスの複雑化を防いで、コスト低減を図ることができる。 As a specific configuration, it is preferable to consider the sheet area of the wiring member, the wiring area, the thickness, and the like. For example, once the current is shunted by the element area ratio, and in order to avoid complication of the process, even if it cannot be set with high accuracy, it is possible to adjust the design value by creating a trimming part etc. Can do. As a result, the process can be prevented from becoming complicated and the cost can be reduced.

なお、素子抵抗については、トンネル障壁層４の厚みと素子の面積によって制御可能であって、素子面積については、面積が小さいほど、抵抗値が大きくなることから、本発明に係る電力検知センサでは、微少電流側で精度よい測定が可能となる。例えば、ＭｇＯ型において、1μｍ^２においても、１ＭΩはトンネル障壁層厚みを３μｍとすることで実現でき、サブμｍ以下を実現するＬＳＩによる設計値との適合する寸法を実現することができる。 Note that the element resistance can be controlled by the thickness of the tunnel barrier layer 4 and the area of the element, and the element area is such that the smaller the area, the larger the resistance value. It is possible to measure with high accuracy on the minute current side. For example, in the MgO type, even at 1 μm ² , 1 MΩ can be realized by setting the thickness of the tunnel barrier layer to 3 μm, and a size compatible with the design value by the LSI that realizes sub-μm or less can be realized.

尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、電流センサ、磁界センサ、電流モニター（上下限値チェック等）、これらを搭載したシステム、ＬＳＩなどへの適用が可能である。また、地磁気センサ等への適用も可能であり、ＭＲＡＭ等の各素子への適用も可能である。 The above-described embodiment is a preferred embodiment of the present invention, but is not limited thereto, and various modifications can be made without departing from the gist of the present invention. For example, it can be applied to a current sensor, a magnetic field sensor, a current monitor (upper / lower limit value check, etc.), a system equipped with these, an LSI, and the like. Moreover, application to a geomagnetic sensor etc. is also possible, and application to each element, such as MRAM, is also possible.

１基板
２シード層
３磁化固定層（ＡＦＭ層）
４トンネル障壁層
５フリー層
６キャップ層
７非磁性金属層
８ピンド層
１０，２０，３０電力検知センサ
１１磁気抵抗素子
１２検知手段
１３出力信号処理部
Ａ測定対象（負荷）
ｗａ電気配線（ループ状磁界発生用配線部）
ｗｂ電気配線（磁気抵抗素子側）
ｗｃ電気配線（分流させた配線部） 1 Substrate 2 Seed layer 3 Magnetization fixed layer (AFM layer)
4 Tunnel barrier layer 5 Free layer 6 Cap layer 7 Nonmagnetic metal layer 8 Pinned layers 10, 20, and 30 Power detection sensor 11 Magnetoresistive element 12 Detection means 13 Output signal processor A Measurement object (load)
wa Electric wiring (loop-like magnetic field generating wiring)
wb Electrical wiring (magnetoresistance element side)
wc Electric wiring (wiring part that was shunted)

特開２０１０−１４５２４１号公報JP 2010-145241 A 特開２００２− ８２１３６号公報JP 2002-82136 A 特開２００９−２２２６５０号公報JP 2009-222650 A 特開昭６２−１１０１６５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 62-110165

Claims

磁気抵抗素子を備えた電力検知センサであって、
測定対象となる負荷に印加される電圧を、前記磁気抵抗素子の抵抗成分に基づいて検知し、
前記負荷に流れる電流を、前記磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線より発生する磁界に基づく前記磁気抵抗素子の出力変化、および前記磁気抵抗素子の磁気抵抗変化に基づいて検知し、電力検知を行うことを特徴とする電力検知センサ。 A power detection sensor including a magnetoresistive element,
Detecting the voltage applied to the load to be measured based on the resistance component of the magnetoresistive element,
A current flowing through the load is detected based on a change in the output of the magnetoresistive element based on a magnetic field generated by an electrical wiring disposed in the vicinity of the magnetoresistive element, and a change in the magnetoresistive resistance of the magnetoresistive element. A power detection sensor characterized by

前記磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗素子またはトンネル磁気抵抗素子であることを特徴とする請求項１に記載の電力検知センサ。 The power detection sensor according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is a giant magnetoresistive element or a tunnel magnetoresistive element.

前記磁気抵抗素子として、該磁気抵抗素子を並列または直列に接続した磁気抵抗素子群を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の電力検知センサ。 The power detection sensor according to claim 1 or 2, wherein a magnetoresistive element group in which the magnetoresistive elements are connected in parallel or in series is used as the magnetoresistive element.

前記磁気抵抗素子は、電気配線で形成される平面ループ内に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電力検知センサ。 The power detection sensor according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is disposed in a planar loop formed by electric wiring.

前記磁気抵抗素子は、基板上に所定の薄膜が積層されてなり、電気配線が前記薄膜の積層方向に沿ってループ状に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電力検知センサ。 3. The power detection according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is formed by laminating a predetermined thin film on a substrate, and electrical wiring is arranged in a loop shape along a laminating direction of the thin film. Sensor.

前記磁気抵抗素子を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造を有した電気配線を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電力検知センサ。 3. The power detection sensor according to claim 1, further comprising an electrical wiring having a Helmholtz coil structure composed of two loops arranged so as to sandwich the magnetoresistive element. 4.

電源から前記負荷への電流の一部について、
前記磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線と分流させることを特徴とする請求項１または２に記載の電力検知センサ。 For some of the current from the power source to the load,
The electric power detection sensor according to claim 1, wherein the electric power detection sensor is divided into an electric wiring arranged in the vicinity of the magnetoresistive element.