JP2017020818A - Current detection device and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フィードバックコイルを使用したいわゆる磁界平衡式の電流検知装置およびその製造方法に関する。 The present invention relates to a so-called magnetic field balance type current detection device using a feedback coil and a method for manufacturing the current detection device.
特許文献１にはいわゆる磁界平衡式の電流検知装置に関する発明が記載されている。
この電流検知装置は、測定される電流が通過する導体に磁気抵抗効果素子とフィードバックコイルとが対向している。導体に流れる被測定電流で励起された電流磁界は磁気抵抗効果素子で検知され、その検知出力の大きさに対応したフィードバック電流が前記フィードバックコイルに与えられるように制御される。フィードバックコイルから磁気抵抗効果素子へは、前記電流磁界とは逆向きのキャンセル磁界が与えられ、電流磁界とキャンセル磁界とが平衡状態となったときに、フィードバックコイルに流れている電流が検知され、電流の検知出力が被測定電流の測定値となる。
In this current detection device, a magnetoresistive element and a feedback coil are opposed to a conductor through which a current to be measured passes. The magnetic field excited by the current to be measured flowing through the conductor is detected by the magnetoresistive effect element, and a feedback current corresponding to the magnitude of the detected output is controlled to be applied to the feedback coil. A cancellation magnetic field opposite to the current magnetic field is given from the feedback coil to the magnetoresistive effect element, and when the current magnetic field and the cancellation magnetic field are in an equilibrium state, the current flowing through the feedback coil is detected, The detected current output is the measured current value.
特許文献１に記載の電流検知装置に設けられたフィードバックコイルは、コイル層が周回軌跡を形成するように平面パターンで形成されている。フィードバックコイルの一部が素子対向部となり、この素子対向部に磁気抵抗効果素子が対向している。
The feedback coil provided in the current detection device described in
特許文献１に記載されたいわゆる磁界平衡式の電流検知装置では、フィードバックコイルから磁気抵抗効果素子に与えるキャンセル磁界を効率よく発生することができれば、少ない電力で大きなキャンセル磁界を発生させることが可能になる。その結果、キャンセル磁界でキャンセルできる電流磁界が大きくなり、測定可能な被測定電流の電流量の幅を広げることが可能になる。また、省電力化も可能になる。
In the so-called magnetic field balance type current detection device described in
しかし、特許文献１に記載された電流検知装置のフィードバックコイルは、１層の平面パターンで形成されているため、磁気抵抗効果素子にキャンセル磁界を効率よく与えるためには、コイル層のピッチを狭めることが必要になる。しかし、コイル層のピッチを狭めるには個々のコイル層の幅寸法を小さくすることが必要になり、フィードバックコイルの成形に精密な加工が必要になって加工コストが高くなる。また、フィードバックコイルの抵抗値が高くなるため、発熱しやすくなり、結果としてフィードバックコイルに大きな電流を与えるのが困難になる。
However, since the feedback coil of the current detection device described in
特許文献２には、導体膜パターンに被検出電流を通電し、前記導体パターンから発生する磁界を強磁性磁気抵抗膜パターンで検知する方式の電流センサが記載されている。この文献の図９には、前記導体膜パターンが上下に２層に重ねて形成され、その下に強磁性磁気抵抗膜パターンが配置された構造が記載されている。
特許文献２に記載された電流センサは、上下に２層で形成された導体膜パターンに被検出電流が同じ方向に流れるため、２層の導体膜パターンを強磁性磁気抵抗膜パターンに対して一方の同じ側に配置しなくてはならない。その結果、下層の導体膜パターンを強磁性磁気抵抗膜パターンに近づけることができても、上層の導体膜パターンが強磁性磁気抵抗膜パターンから遠ざかることになり、２層の導体膜パターンから発せられる磁界を強磁性磁気抵抗膜パターンで検知する効率が必ずしも良いとは言えない。
In the current sensor described in
特許文献３には、ＧＭＲ薄膜要素を使用したサンプルホールド回路が記載されている。この文献の図５には、ＧＭＲ薄膜要素でホイーストンブリッジが形成され、入力導体がＧＭＲ薄膜要素に巻き付けられた構造が記載されている。これにより、小さいサイズのデバイスを実現できるものとされている。
しかし、特許文献３に記載のように、入力導体をＧＭＲ薄膜要素に巻き付けた構造では、複数個のＧＭＲ薄膜要素を使用するときに、それぞれのＧＭＲ薄膜要素に個別に入力導体を巻き付けることが必要になり、構造が複雑で製造工程も複雑になる。
However, as described in
本発明は上記従来の課題を解決するものであり、フィードバックコイルから磁気検知部にキャンセル磁界を効果的に与えることができ、キャンセル磁界を大きくすることが可能で、また省電力による駆動も可能となる電流検知装置を提供することを目的としている。 The present invention solves the above-described conventional problems, and can effectively apply a cancel magnetic field from the feedback coil to the magnetic detection unit, can increase the cancel magnetic field, and can be driven by power saving. It aims at providing the electric current detection apparatus which becomes.
また、本発明は、上下に２層のコイル層を有するフィードバックコイルを用いた構造を比較的少ない工程で形成でき、また磁気抵抗効果素子を可能な限り平坦な面に形成することを可能とした電流検知装置の製造方法を提供することを目的としている。 In addition, the present invention can form a structure using a feedback coil having two coil layers on the upper and lower sides in a relatively small number of steps, and enables the magnetoresistive element to be formed as flat as possible. It aims at providing the manufacturing method of an electric current detection apparatus.
本発明は、測定される電流が流れる電流路と、フィードバックコイルと、前記電流路と前記フィードバックコイルの双方に対向する磁気検知部と、前記磁気検知部の検知出力の増減に応じて前記フィードバックコイルに与える電流を制御するコイル通電部と、前記フィードバックコイルに流れる電流量を検知する電流検知部、とが設けられた電流検知装置において、
前記フィードバックコイルは、複数本の上側コイル層と複数本の下側コイル層とを有し、前記上側コイル層と前記下側コイル層とでキャンセル電流が互いに逆向きに流れ、
前記磁気検知部が前記上側コイル層と前記下側コイル層との間に配置され、前記磁気検知部には、互いに平行に形成されたストライプ形状の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の隣り合う端部どうしを接続する接続電極とが設けられ、それぞれの前記磁気抵抗効果素子が、前記上側コイル層および前記下側コイル層と平行に配置されていることを特徴とするものである。
The present invention includes a current path through which a current to be measured flows, a feedback coil, a magnetic detection unit facing both of the current path and the feedback coil, and the feedback coil according to increase / decrease in detection output of the magnetic detection unit In a current detection device provided with a coil energization unit for controlling the current applied to the current detection unit and a current detection unit for detecting the amount of current flowing through the feedback coil,
The feedback coil has a plurality of upper coil layers and a plurality of lower coil layers, and cancellation currents flow in opposite directions in the upper coil layer and the lower coil layer,
The magnetic detection unit is disposed between the upper coil layer and the lower coil layer, and the magnetic detection unit includes a stripe-shaped magnetoresistive effect element formed in parallel to each other, and the magnetoresistive effect element Connection electrodes connecting adjacent end portions are provided, and each of the magnetoresistive elements is arranged in parallel to the upper coil layer and the lower coil layer.
本発明の電流検知装置は、前記磁気抵抗効果素子は、隣り合う前記下側コイル層の間で且ついずれの前記下側コイル層とも重ならない位置に形成されていることが好ましい。 In the current detection device according to the aspect of the invention, it is preferable that the magnetoresistive element is formed at a position between the adjacent lower coil layers and not overlapping any of the lower coil layers.
例えば、前記下側コイル層の本数が前記上側コイル層の本数よりも少ないものであり、前記下側コイル層は、前記上側コイル層に対して１本おきに対向しており、前記磁気抵抗効果素子の真上に、前記上側コイル層が対向していることが好ましい。 For example, the number of the lower coil layers is smaller than the number of the upper coil layers, and the lower coil layers are opposed to the upper coil layers every other line, and the magnetoresistance effect It is preferable that the upper coil layer is directly opposite the element.
本発明の電流検知装置は、前記上側コイル層が複数ターン巻かれた上層コイル体と、前記下側コイル層が複数ターン巻かれた下層コイル体とが設けられ、前記上側コイル層の端末と前記下側コイル層の端末とが導通し、前記上層コイル体と前記下層コイル体が直列に接続されているものとして構成できる。 The current detection device of the present invention is provided with an upper coil body in which the upper coil layer is wound a plurality of turns, and a lower coil body in which the lower coil layer is wound a plurality of turns, and the terminal of the upper coil layer and the terminal The terminal of the lower coil layer is electrically connected, and the upper coil body and the lower coil body can be connected in series.
あるいは、本発明の電流検知装置は、前記フィードバックコイルを構成するコイル層の一部が前記上側コイル層となり、前記上側コイル層が途切れており、隣り合う前記上側コイル層の途切れ端部が、前記フィードバックコイルのターン方向に互い違いに配置され、隣り合う前記上側コイル層の前記途切れ端部どうしが前記下側コイル層で接続されているものとして構成できる。 Alternatively, in the current detection device of the present invention, a part of the coil layer constituting the feedback coil serves as the upper coil layer, the upper coil layer is interrupted, and the discontinuous ends of the adjacent upper coil layers are Arranged alternately in the turn direction of the feedback coil, the discontinuous ends of the adjacent upper coil layers can be connected to each other at the lower coil layer.
また、本発明の電流検知装置は、前記上側コイル層と前記下側コイル層との対向領域に、前記磁気検知部が複数配置されているものとして構成できる。 In addition, the current detection device of the present invention can be configured as a plurality of the magnetic detection units arranged in a facing region between the upper coil layer and the lower coil layer.
次に、本発明は、測定される電流が流れる電流路と、フィードバックコイルと、前記電流路と前記フィードバックコイルの双方に対向する磁気検知部と、前記磁気検知部の検知出力の増減に応じて前記フィードバックコイルに与える電流を制御するコイル通電部と、前記フィードバックコイルに流れる電流量を検知する電流検知部、とが設けられた電流検知装置の製造方法において、
（１）基板の表面にストライプ形状の磁気抵抗効果素子を互いに平行に形成する工程と、
（２）隣り合う前記磁気抵抗効果素子の間で、前記基板に溝を形成する工程と、
（３）前記溝の内部に、下側コイル層を形成する工程と、
（４）前記下側コイル層が埋設されるように前記溝の内部に埋設絶縁層を形成する工程と、
（５）前記埋設絶縁層の上に、前記磁気抵抗効果素子の隣り合う端部どうしを接続する接続電極を形成して、前記磁気検知部を構成する工程と、
（６）前記磁気検知部を覆う被覆絶縁層を形成する工程と、
（７）前記被覆絶縁層の上に前記上側コイル層を形成し、前記上側コイル層と前記下側コイル層とで電流が互いに逆向きに流れる前記フィードバックコイルを完成する工程と、を有することを特徴とするものである。
Next, the present invention relates to a current path through which a current to be measured flows, a feedback coil, a magnetic detection unit facing both the current path and the feedback coil, and an increase or decrease in detection output of the magnetic detection unit. In a method of manufacturing a current detection device provided with a coil energization unit that controls a current applied to the feedback coil and a current detection unit that detects an amount of current flowing through the feedback coil,
(1) forming stripe-shaped magnetoresistive elements parallel to each other on the surface of the substrate;
(2) forming a groove in the substrate between the adjacent magnetoresistive elements;
(3) forming a lower coil layer inside the groove;
(4) forming a buried insulating layer in the groove so that the lower coil layer is buried;
(5) forming a connection electrode connecting adjacent end portions of the magnetoresistive effect element on the buried insulating layer, and configuring the magnetic detection unit;
(6) forming a coating insulating layer covering the magnetic detection unit;
(7) forming the upper coil layer on the covering insulating layer, and completing the feedback coil in which currents flow in opposite directions in the upper coil layer and the lower coil layer. It is a feature.
本発明の電流検知装置の製造方法は、前記下側コイル層が、前記上側コイル層に対して１本おきに対向し、前記磁気抵抗効果素子の真上に前記上側コイル層が対向するように、前記下側コイル層と前記上側コイル層を形成することが好ましい。 In the method for manufacturing a current detection device according to the present invention, the lower coil layer is opposed to the upper coil layer every other line, and the upper coil layer is opposed to the magnetoresistive element. Preferably, the lower coil layer and the upper coil layer are formed.
本発明の電流検知装置の製造方法は、前記上側コイル層が複数ターン巻かれた上層コイル体と、前記下側コイル層が複数ターン巻かれた下層コイル体とを形成し、前記上側コイル層の端末と前記下側コイル層の端末とを導通させて、前記上層コイル体と前記下層コイル体を直列に接続するものである。 The method for manufacturing a current detection device of the present invention includes forming an upper coil body in which the upper coil layer is wound in a plurality of turns and a lower coil body in which the lower coil layer is wound in a plurality of turns, The terminal is connected to the terminal of the lower coil layer, and the upper coil body and the lower coil body are connected in series.
あるいは、本発明の電流検知装置の製造方法は、前記上側コイル層を途切れるように形成して、隣り合う前記上側コイル層の途切れ端部を、前記フィードバックコイルのターン方向に互い違いに配置し、隣り合う前記上側コイル層の前記途切れ端部どうしを前記下側コイル層で接続するものである。 Alternatively, in the method of manufacturing the current detection device of the present invention, the upper coil layers are formed so as to be interrupted, and the discontinuous ends of the adjacent upper coil layers are alternately arranged in the turn direction of the feedback coil. The disconnected end portions of the matching upper coil layers are connected by the lower coil layer.
本発明の電流検知装置は、フィードバックコイルが上側コイル層と下側コイル層を有し、両コイル層の中間に磁気検知部が設けられているため、フィードバックコイルから磁気検知部にキャンセル磁界を効率良く与えることができる。よって、キャンセル磁界を大きくして、測定できる電流量を大きくし、測定すべき電流量の検知幅を広げることが可能である。または、省電力で大きなキャンセル磁界を発生させることも可能である。 In the current detection device of the present invention, the feedback coil has the upper coil layer and the lower coil layer, and the magnetic detection unit is provided between the two coil layers. Can give well. Therefore, it is possible to increase the canceling magnetic field, increase the amount of current that can be measured, and widen the detection range of the amount of current to be measured. Alternatively, a large canceling magnetic field can be generated with power saving.
本発明では、磁気検知部を構成するストライプ状の磁気抵抗効果素子が、上側コイル層と下側コイル層の双方に対して平行に配置されているため、複数の上側コイル層および下側コイル層からそれぞれの磁気抵抗効果素子にキャンセル磁界を効果的に与えることが可能である。 In the present invention, since the striped magnetoresistive effect elements constituting the magnetic detection unit are arranged in parallel to both the upper coil layer and the lower coil layer, a plurality of upper coil layers and lower coil layers are arranged. Therefore, it is possible to effectively apply a cancel magnetic field to each magnetoresistive element.
特に、磁気抵抗効果素子を、隣り合う下側コイル層の間に配置し、下側コイル層と重ならないように形成することで、下側コイル層の成形工程に影響を受けることなく、磁気抵抗効果素子を平面度の高い領域に形成することができ、成形後の磁気抵抗効果素子による検知精度を高く維持することが可能になる。 In particular, the magnetoresistive element is disposed between adjacent lower coil layers so as not to overlap with the lower coil layer, so that the magnetoresistive element is not affected by the molding process of the lower coil layer. The effect element can be formed in a region having high flatness, and the detection accuracy by the magnetoresistive effect element after molding can be kept high.
また、フィードバックコイルを形成する際に、上側コイル層を途中で途切れさせ、隣り合う上側コイル層の途切れ端部どうしを下側コイル層で接続することにより、フィードバックコイルの一部の領域のみで上側コイル層と下側コイル層とが上下に対向する構成にでき、フィードバックコイルの抵抗値の増大を抑制でき、コイル層の発熱を抑制できて、消費電力も低下させることが可能になる。 Further, when forming the feedback coil, the upper coil layer is interrupted in the middle and the disconnected end portions of the adjacent upper coil layers are connected to each other by the lower coil layer, so that only the partial region of the feedback coil is The coil layer and the lower coil layer can be configured to face each other up and down, an increase in the resistance value of the feedback coil can be suppressed, heat generation in the coil layer can be suppressed, and power consumption can be reduced.
また、本発明の電流検知装置の製造方法は、基板に磁気抵抗効果層を形成した後に、基板に溝を形成して溝の内部に下側コイル層を形成することにより、磁気抵抗効果素子を平面度の高い領域に形成することが可能になる。 In addition, in the method for manufacturing the current detection device of the present invention, after forming the magnetoresistive effect layer on the substrate, the groove is formed in the substrate, and the lower coil layer is formed inside the groove, thereby forming the magnetoresistive effect element. It can be formed in a region with high flatness.
（第１の実施の形態の電流検知装置の構造と動作）
本発明の第１の実施の形態の電流検知装置１は、図１と図４に示す電流路４０を流れる被測定電流Ｉ０の電流量を検知するためのものであり、磁気検知部１１，１２，１３，１４および配線路５，６，７，８と、フィードバックコイル３０とを有している。
(Structure and operation of the current detection device of the first embodiment)
The
図１に示すように、磁気検知部１１，１２，１３，１４はＸ方向へ等間隔で配置され、それぞれがフィードバックコイル３０の一部と対向している。図１と図４に示すように、前記電流路４０はＸ方向に延びており、被測定電流Ｉ０が図示右方向（Ｘ１方向）へ流れている。電流路４０は、磁気検知部１１，１２，１３，１４とフィードバックコイル３０に対して上方（図１と図４の紙面手前側）に離れた位置にあり、電流路４０が、全ての磁気検知部１１，１２，１３，１４と、フィードバックコイル３０の対向検知領域３０ａに対向している。
As shown in FIG. 1, the
図１と図４に、磁気検知部１１，１２，１３，１４の配置構造と配線構造が示され、図７にはその回路図が示されている。
1 and 4 show the arrangement structure and wiring structure of the
Ｘ２側の端部に位置する磁気検知部１１とＸ１側の端部に位置する磁気検知部１３に配線路５が接続されており、配線路５の端末部に接続ランド部５ａが形成されている。磁気検知部１１と磁気検知部１２は直列に接続され、磁気検知部１３と磁気検知部１４は直列に接続されている。中央に位置する磁気検知部１２と磁気検知部１４にはそれぞれ配線路６が接続されており、それぞれの配線路６の端末部に接続ランド部６ａが形成されている。
The
直列に接続されている磁気検知部１１と磁気検知部１２の中間に配線路７が接続され、直列に接続されている磁気検知部１３と磁気検知部１４の中間に配線路８が接続されている。配線路７の端末部に接続ランド部７ａが形成され、配線路８の端末に接続ランド部８ａが形成されている。
A
図５には、磁気検知部１１の平面形状が示されている。他の磁気検知部１２，１３，１４も、磁気検知部１１と平面パターンならびに積層構造が同じである。
FIG. 5 shows a planar shape of the
図５に示すように、磁気検知部１１は、Ｙ方向の幅寸法よりもＸ方向の長手寸法が大きいストライプ形状の複数本の磁気抵抗効果素子１１ａが平行に形成されている。隣り合う２本の磁気抵抗効果素子１１ａのＸ２側の端部が接続電極１２ａで互いに接続され、隣り合う２本の磁気抵抗効果素子１１ａのＸ１側の端部が接続電極１２ｂで互いに接続されている。この接続構造では、磁気抵抗効果素子１１ａがいわゆるミアンダパターンで直列に接続されている。そして、図５の図示上側に位置する磁気抵抗効果素子１１ａのＸ１側の端部が前記配線路７に接続され、図示下側に位置する磁気抵抗効果素子１１ａのＸ２側の端部が前記配線路５に接続されている。
As shown in FIG. 5, the
図８を使用して後に説明するように、磁気抵抗効果素子１１ａと接続電極１２ａ，１２ｂは、シリコン（Ｓｉ）などで形成された素子基板２の上に形成されている。それぞれの磁気抵抗効果素子１１ａは、素子基板２の表面に絶縁下地層が形成され、その上に金属が多層に積層されて形成されている。磁気抵抗効果素子１１ａを構成する金属層はスパッタ工程やＣＶＤ工程で成膜されている。
As will be described later with reference to FIG. 8, the
それぞれの磁気抵抗効果素子１１ａは、巨大磁気抵抗効果を発揮する巨大磁気抵抗効果素子層（ＧＭＲ層）であり、絶縁下地層の上に、固定磁性層と非磁性層とフリー磁性層が順に積層され、フリー磁性層の表面が保護層で覆われている。
Each
固定磁性層は、第１の固定層と第２の固定層との間に非磁性中間層が挟まれた積層フェリ構造である。第１の固定層と第２の固定層は、ＣｏＦｅ合金（コバルト−鉄合金）などの軟磁性材料で形成され、非磁性中間層はＲｕ（ルテニウム）などで形成されている。積層フェリ構造の固定磁性層は、第１の固定層と第２の固定層の磁化が反平行に固定されたいわゆるセルフピン構造である。 The pinned magnetic layer has a laminated ferrimagnetic structure in which a nonmagnetic intermediate layer is sandwiched between a first pinned layer and a second pinned layer. The first fixed layer and the second fixed layer are formed of a soft magnetic material such as a CoFe alloy (cobalt-iron alloy), and the nonmagnetic intermediate layer is formed of Ru (ruthenium) or the like. The pinned magnetic layer having a laminated ferrimagnetic structure has a so-called self-pinned structure in which the magnetizations of the first pinned layer and the second pinned layer are pinned antiparallel.
図４と図５には、非磁性層と接触している第２の固定層の磁化の固定方向Ｐが矢印で示されている。磁化の固定方向Ｐがそれぞれの磁気抵抗効果素子１１ａの感度軸方向である。磁化の固定方向Ｐ（感度軸方向）は、ストライプ形状の磁気抵抗効果素子１１ａを幅方向に横断する向きに形成されている。図４に示すように、磁気検知部１１と１４に設けられた磁気抵抗効果素子は磁化の固定方向Ｐが同じであり、共に図示下向きである。磁気検知部１２と１３に設けられた磁気抵抗効果素子は磁化の固定方向Ｐが同じであり、共に図示上向きである。
4 and 5, the pinned direction P of the magnetization of the second pinned layer that is in contact with the nonmagnetic layer is indicated by an arrow. The fixed direction P of magnetization is the sensitivity axis direction of each
非磁性層はＣｕ（銅）などの非磁性材料で形成されている。フリー磁性層は、ＮｉＦｅ合金（ニッケル−鉄合金）などの軟磁性材料で形成されている。フリー磁性層は、縦方向（Ｘ方向）の長さ寸法が横方向（Ｙ方向）の幅寸法よりも十分に大きいストライプ形状であり、その形状異方性によって、磁化がＸ方向と平行なＦ方向へ向けて揃えられている。フリー磁性層を覆う保護層はＴａ（タンタル）などで形成されている。 The nonmagnetic layer is formed of a nonmagnetic material such as Cu (copper). The free magnetic layer is formed of a soft magnetic material such as a NiFe alloy (nickel-iron alloy). The free magnetic layer has a stripe shape in which the length dimension in the vertical direction (X direction) is sufficiently larger than the width dimension in the horizontal direction (Y direction), and due to its shape anisotropy, the magnetization is F parallel to the X direction. It is aligned in the direction. The protective layer covering the free magnetic layer is made of Ta (tantalum) or the like.
磁気抵抗効果素子１１ａでは、外部から感度軸方向に沿うＹ方向の外部磁界が与えられると、フリー磁性層においてＦ方向に揃えられている磁化の向きがＹ方向へ向けて傾けられる。フリー磁性層の磁化のベクトルと磁化の固定方向Ｐとの角度が小さくなると、磁気抵抗効果素子１１ａの電気抵抗が低下し、フリー磁性層の磁化のベクトルと磁化の固定方向Ｐとの角度が大きくなると、磁気抵抗効果素子１１ａの抵抗値が大きくなる。
In the
図７の回路図に示すように、配線路５に電源Ｖｄｄが接続され、配線路６，６が接地電位に設定されて、磁気検知部１１，１２，１３，１４で構成されているブリッジ回路に定電圧が印加されている。配線路８からは中点電圧Ｖ１が得られ、配線路７からは中点電位Ｖ２が得られる。
As shown in the circuit diagram of FIG. 7, the power supply Vdd is connected to the
図２に、フィードバックコイル３０のみが平面図で示されている。図６に示すように、フィードバックコイル３０は下層コイル体３１と上層コイル体３２とで構成されている。
In FIG. 2, only the
図３（Ｂ）に示すように、下層コイル体３１は、下側コイル層３１ａを有している。図６に示すように下側コイル層３１ａの断面形状はＹ方向よりも上下方向（Ｚ方向）の寸法が大きい長方形状である。下側コイル層３１ａは、平面内で複数ターン巻かれた平面パターンコイル体である。図３（Ｂ）に示すように、下側コイル層３１ａの周回領域の外側に位置する端末は入出力端末３１ｂであり、周回領域の内側に位置する端末が連結端末３１ｃとなっている。下側コイル層３１ａは、低抵抗の金属材料で形成されており、例えば銅（Ｃｕ）で形成されている。あるいは金（Ａｕ）で形成されていてもよい。
As shown in FIG. 3B, the
図３（Ａ）に示すように、上層コイル体３２は、上側コイル層３２ａを有している。図６に示すように上側コイル層３２ａの断面形状はＹ方向よりも上下方向（Ｚ方向）の寸法が大きい長方形状である。上側コイル層３２ａは、平面内で複数ターン巻かれた平面パターンコイル体である。図３（Ａ）に示すように、上側コイル層３２ａの周回領域の外側に位置する端末は入出力端末３２ｂであり、周回領域の内側に位置する端末が連結端末３２ｃとなっている。上層コイル体３２は、低抵抗の金属材料で形成されており、例えば金（Ａｕ）で形成されている。
As shown in FIG. 3A, the
図６に示すように、下層コイル体３１の上に上層コイル体３２が距離を空けて重ねられ、下層コイル体３１の連結端末３１ｃと上層コイル体３２の連結端末３２ｃとが連結金属層３３を介して接続されている。連結金属層３３は銅（Ｃｕ）などで形成されている。
As shown in FIG. 6, the upper
フィードバックコイル３０は、下層コイル体３１と上層コイル体３２との重なり部の一部が対向検知領域３０ａとなっており、前記磁気検知部１１，１２，１３，１４は、この対向検知領域３０ａにおいて、下層コイル体３１と上層コイル体３２との間に挟まれている。
In the
図１と図４に示すように、電流路４０に被測定電流Ｉ０がＸ１方向に流れているときは、下層コイル体３１の入出力端末３１ｂが電流入力端で、上層コイル体３２の入出力端末３２ｂが電流出力端となり、対向検知領域３０ａにおいて、下層コイル体３１を構成する下側コイル層３１ａにＸ１方向に向かうキャンセル電流Ｉｄ１が流れ、上層コイル体３２を構成する上側コイル層３２ａにＸ２方向に向かうキャンセル電流Ｉｄ２が流れる。
As shown in FIG. 1 and FIG. 4, when the measured
これとは逆に、電流路４０に被測定電流Ｉ０がＸ２方向に流れるときは、上層コイル体３２の入出力端末３２ｂが電流入力端で、下層コイル体３１の入出力端末３１ｂが電流出力端となり、キャンセル電流Ｉｄ１，Ｉｄ２は、図３と逆向きに流れる。
On the contrary, when the measured current I0 flows through the
下層コイル体３１における下側コイル層３１ａのターン数は、上層コイル体３２における上側コイル層３２ａのターン数よりも少なく、下側コイル層３１ａのターン数が、上側コイル層３２ａのターン数の１／２となっている。その結果、図６に示すように、対向検知領域３０ａにおける下側コイル層３１ａのＹ方向の配列ピッチＰ１は、上側コイル層３２ａのＹ方向の配列ピッチＰ２の２倍の長さとなっている。
The number of turns of the
図５には、磁気検知部１１と下側コイル層３１ａの配置関係が示されている。磁気検知部１１のストライプ形状の磁気抵抗効果素子１１ａは、長手方向がＸ方向に向けられ、磁気抵抗効果素子１１ａが、下側コイル層３１ａおよび上側コイル層３２ａと平行に配置されている。図５と図６に示すように、それぞれの磁気抵抗効果素子１１ａは、隣り合う下側コイル層３１ａの間に位置し、いずれも下側コイル層３１ａと上下に重ならないように配置されている。ただし、全ての磁気抵抗効果素子１１ａは、上方に上側コイル層３２ａが対向している。
FIG. 5 shows an arrangement relationship between the
図６に示すように、磁気抵抗効果素子１１ａは下側コイル層３１ａが存在しない領域に形成されているため、下側コイル層３１ａの形成工程に影響を受けることなく磁気抵抗効果素子１１ａを平面度の高い領域に形成することができる。よって、磁気抵抗効果素子１１ａを、各層を歪みが少ない状態で均一に形成でき、ストライプ形状の全長にわたって高精度に形成することができる。
As shown in FIG. 6, since the
磁気抵抗効果素子１１ａは、下側コイル層３１ａおよび上側コイル層３２ａと平行に配置されているため、図６に示すように、下側コイル層３１ａから発せられるキャンセル磁界Ｈｄ１と上側コイル層３２ａから発せられるキャンセル磁界Ｈｄ２を、それぞれの磁気抵抗効果素子１１ａの長手方向の全長において感度軸方向へ作用させることができ、磁気抵抗効果素子１１ａによって、キャンセル磁界Ｈｄ１とＨｄ２を高感度で検知できるようになる。
Since the
また、それぞれの磁気抵抗効果素子１１ａは、真上に上側コイル層３２ａが対向しているため、上側のキャンセル磁界Ｈｄ２を効率よく検知できるようになる。
Moreover, since each upper
図７の回路部に示すように、磁気検知部１１，１２，１３，１４でブリッジ回路が構成されており、配線路８で得られる中点電圧Ｖ１と配線路７で得られる中点電位Ｖ２が、コイル通電部１５に与えられる。コイル通電部１５は、差動増幅部１５ａと補償回路１５ｂとを有している。差動増幅部１５ａはオペアンプを主体として構成されており、入力された中点電圧Ｖ１とＶ２との差（Ｖ１−Ｖ２）が検出電圧Ｖｄとして求められる。この検出電圧Ｖｄが補償回路１５ｂに与えられ補償電流Ｉｄが生成される。
As shown in the circuit part of FIG. 7, the
補償電流Ｉｄは、フィードバックコイル３０を構成する下層コイル体３１の入出力端末３１ｂに与えられる。フィードバックコイル３０は下層コイル体３１と上層コイル体３２とが直列に接続されて構成されているため、下層コイル体３１の下側コイル層３１ａに流れる前記補償電流をキャンセル電流Ｉｄ１として説明し、上側コイル層３２ａに流れる前記補償電流をキャンセル電流Ｉｄ２として説明する。１本の下側コイル層３１ａに流れるキャンセル電流Ｉｄ１と、１本の上側コイル層３２ａに流れるキャンセル電流Ｉｄ２の電流値は同じである。
The compensation current Id is given to the input /
なお、差動増幅部１５ａと補償回路１５ｂとが一体となったものが、補償型の差動増幅部と呼ばれることがある。
A unit in which the
図７に示すように、フィードバックコイル３０を構成する上層コイル体３２の入出力端末３２ｂは、電流検知部１７に接続されている。電流検知部１７は、上層コイル体３２に接続された抵抗１７ａと、抵抗１７ａに作用する電圧を検知する電圧検知部１７ｂとを有している。
As shown in FIG. 7, the input /
次に、電流検知装置１の動作を説明する。
図６に示すように、電流路４０においてＸ１方向へ流れる被測定電流Ｉ０によって測定用の電流磁界Ｈ０が誘導される。この電流磁界Ｈ０は図６において時計方向へ誘導されて、磁気検知部１１，１２，１３，１４に与えられる。電流磁界Ｈ０は、磁気検知部１１と磁気検知部１４の抵抗値を増加させ、磁気検知部１２と磁気検知部１３の抵抗値を低下させ、差動増幅部１５ａの出力値である検出電圧Ｖｄを増大させるように作用する。
Next, the operation of the
As shown in FIG. 6, a current magnetic field H0 for measurement is induced by the measured current I0 flowing in the X1 direction in the
補償回路１５ｂからは、フィードバックコイル３０に補償電流Ｉｄが与えられ、下層コイル体３１にキャンセル電流Ｉｄ１が流れ、上層コイル体３２にキャンセル電流Ｉｄ２が流れる。図６に示すように、下層コイル体３１の下側コイル層３１ａでは、キャンセル電流Ｉｄ１により時計回りのキャンセル磁界Ｈｄ１が誘導され、上層コイル体３２の上側コイル層３２ａでは、キャンセル電流Ｉｄ２により反時計回りのキャンセル磁界Ｈｄ２が誘導される。磁気検知部１１，１２，１３，１４には、キャンセル磁界Ｈｄ１とキャンセル磁界Ｈｄ２が同じ向きに作用し、電流磁界Ｈ０はこれとは逆向きに作用する。キャンセル磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２は、前記検出電圧Ｖｄを低下させるように作用する。
A compensation current Id is applied to the
被測定電流Ｉ０で誘導される電流磁界Ｈ０が、キャンセル磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２よりも大きいときは、配線路８で得られる中点電圧Ｖ１が高くなり、配線路７で得られる中点電位Ｖ２が低くなって、差動増幅部１５ａの出力である検出電圧Ｖｄが高くなる。このとき、補償回路１５ｂでは、キャンセル磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２を増加させて前記検出電圧Ｖｄをゼロに近づけるための補償電流Ｉｄが生成され、この補償電流Ｉｄがフィードバックコイル３０に与えられる。磁気検知部１１，１２，１３，１４に作用するキャンセル磁界Ｈｄ１，Ｈｄ２の合計値と電流磁界Ｈ０とが平衡状態となって、前記検出電圧Ｖｄが所定値以下となったときに、フィードバックコイル３０に流れている電流が図７に示す電流検知部１７で検知され、これが被測定電流Ｉ０の電流測定値となる。
When the current magnetic field H0 induced by the measured current I0 is larger than the canceling magnetic fields Hd1 and Hd2, the midpoint voltage V1 obtained in the
（第１の実施の形態の製造方法）
図８には、前記第１の実施の形態の電流検知装置１において、下層コイル体３１と上層コイル体３２および磁気検知部１１，１２，１３，１４を形成する製造方法が示されている。
(Manufacturing method of the first embodiment)
FIG. 8 shows a manufacturing method for forming the lower
図８（Ａ）では、シリコン（Ｓｉ）などの素子基板２の平坦な表面２ａに磁気検知部１１のストライプ形状の磁気抵抗効果素子１１ａを形成する。他の磁気検知部１２，１３，１４の磁気抵抗効果素子も同時に形成する。
In FIG. 8A, the stripe-shaped
図８（Ｂ）では、磁気抵抗効果素子１１ａおよび磁気検知部１２，１３，１４の磁気抵抗効果素子が形成されていない領域において、素子基板２に溝２ｂを形成する。溝２ｂは、図３（Ｂ）に示す下側コイル層３１ａを複数ターンで連続して形成できるように螺旋状に形成する。
In FIG. 8B, a
そして、溝２ｂの内部に銅などでメッキ下地層３４をスパッタ工程などで形成し、その上に電解メッキで銅の層を成長させて下側コイル層３１ａを形成する。下側コイル層３１ａは、溝２ｂに沿って複数ターン周回するパターンで形成する。
Then, a
図８（Ｃ）では、溝２ｂ内に埋設絶縁層３を形成し、溝２ｂの内部に形成された下側コイル層３１ａを埋設絶縁層３の内部に埋め込む。埋設絶縁層３は酸化アルミ（ＡｌＯ３）や酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などであり、スパッタやＣＶＤ工程で形成される。
8C, the buried insulating
溝２ｂが埋設絶縁層３で埋められた後に、図５に示すように、磁気抵抗効果素子１１ａの端部どうしを接続する接続電極１２ａ，１２ｂを銅や銀などで形成する。さらに、図１と図４に示す配線路５，６，７，８なども形成する。
After the
また、下側コイル層３１ａの連結端末３２ｃを覆っている埋設絶縁層３を部分的に除去し、連結端末３２ｃの上に銅などのメッキ層である連結金属層３３を形成する。
Further, the buried insulating
図８（Ｄ）では、磁気抵抗効果素子１１ａを覆う下部被覆絶縁層４ａを形成する。下部被覆絶縁層４ａは、酸化アルミ（ＡｌＯ３）や酸化ケイ素（ＳｉＯ２）などであり、スパッタやＣＶＤ工程で形成される。下部被覆絶縁層４ａの表面を平坦面となるように研磨した後に、その上にメッキ下地層３５を形成し、その上に金のメッキ層を成長させて上側コイル層３２ａを形成し、上層コイル体３２を形成する。
In FIG. 8D, a lower
このとき、上層コイル体３２の連結端末３２ｃを前記連結金属層３３の上に接続されるように形成する。
さらに、上層コイル体３２を覆う上部被覆絶縁層４ｂを形成する。
At this time, the
Further, an upper
上記の製造方法では、磁気抵抗効果素子１１ａが、素子基板２の表面２ａの平坦な領域に形成されるため、磁気抵抗効果素子１１ａの各層を精度良く積層して形成することができる。
In the manufacturing method described above, since the
なお、本発明の電流検知装置１は、図８に示す製造方法以外の方法で、例えば各層を下から上へ順番に積層して成形することもできる。この場合も、磁気抵抗効果素子１１ａが、その下の下側コイル層３１ａと重ならない領域に形成されているため、磁気抵抗効果素子１１ａを平坦な領域に形成しやすくなる。
In addition, the
（第２の実施の形態の磁気検知装置）
図９（Ａ）に本発明の第２の実施の形態の磁気検知装置に使用されるフィードバックコイル１３０が示されている。
(Magnetic sensing device of the second embodiment)
FIG. 9A shows a
このフィードバックコイル１３０は金などで形成されたコイル層１３２が平面パターンで形成されており、コイル層１３２のうちの最外周に位置する端末が入出力端末１３３となり、最内周に位置する端末が入出力端末１３４となっている。
In this
フィードバックコイル１３０の直線部分が対向検知領域１３０ａとなっている。図１０に示すように、対向検知領域１３０ａでは、コイル層１３２の一部が反時計方向へ延びる（Ｘ１方向に延びる）上側コイル層１３５となっており、他のコイル層１３２が時計方向へ延びる（Ｘ２方向へ延びる）上側コイル層１３６となっている。上側コイル層１３５と上側コイル層１３６はＹ方向に互い違いに位置している。
A straight line portion of the
図１０に示すように、反時計方向に延びる（Ｘ１方向に延びる）上側コイル層１３５は、対向検知領域１３０ａのＸ１側の端部で途切れる途切れ端部１３５ａを有している。時計方向に延びる（Ｘ２方向へ延びる）上側コイル層１３６は、対向検知領域１３０ａのＸ２側の端部で途切れる途切れ端部１３６ａを有している。途切れ端部１３５ａと途切れ端部１３６ａは、フィードバックコイル１３０の周回方向（Ｘ方向）において、互い違いに位置している。
As shown in FIG. 10, the
図９と図１０に示すように、対向検知領域１３０ａでは、上側コイル層１３５と上側コイル層１３６よりも下層に下側コイル層１３７が形成されている。下側コイル層１３７は、Ｘ方向に直線的に延びており、上側コイル層１３６の真下で、上側コイル層１３６と平行に形成されている。下側コイル層１３７は銅などで形成されている。
As shown in FIGS. 9 and 10, a
図１０に示すように、下側コイル層１３７はＸ１側の部分がＬ字形状に形成され下側コイル層１３７のＸ１側の端部がＹ方向に向けられており、前記端部が上側コイル層１３５の途切れ端末１３５の真下に位置している。そして、上側コイル層１３５の途切れ端末１３５ａと下側コイル層１３７のＸ１側の端部とが、銅などで形成された端末連結層１３８で連結されている。また、上側コイル層１３６の途切れ端末１３６ａと下側コイル層１３７のＸ２側の端部とが、銅などで形成された端末連結層１３９で連結されている。
As shown in FIG. 10, the
その結果、対向検知領域１３０ａでは、図６に示したのと同様に、下層に下側コイル層１３７が、上層に上側コイル層１３５，１３６が形成され、下側コイル層１３７のＹ方向のピッチＰ１が、上側コイル層１３５，１３６のＹ方向のピッチＰ２の２倍になる。そして、ストライプ形状の磁気抵抗効果素子１１ａが、上側コイル層１３５の真下においてＸ方向に延びるように形成され、磁気抵抗効果素子１１ａと下側コイル層１３７とは上下に重ならないように配置される。
As a result, in the
第２の実施の形態のフィードバックコイル１３０でも、図６と同様に、下側コイル層１３７で発せられるキャンセル磁界Ｈｄ１と、上側コイル層１３５，１３６で発せられるキャンセル磁界Ｈｄ２が磁気抵抗効果素子１１ａに対して同じ向きに作用する。
Also in the
また、下側コイル層１３７は、対向検知領域１３０ａにのみ設けられ、それ以外では、フィードバックコイル１３０が単層で形成されているため、図２に示すフィードバックコイル３０よりも抵抗値を小さくすることが可能である。
In addition, the
また、図９、図１０に示すフィードバックコイル１３０は、図８において説明したのと同じ方法で製造することができる。
Further, the
１ 電流検知装置
２ 素子基板
３ 埋設絶縁層
４ａ 下部被覆絶縁層
４ｂ 上部被覆絶縁層
１１，１２，１３，１４ 磁気検知部
１１ａ 磁気抵抗効果素子
１２ａ，１２ｂ 接続電極
１７ 電流検知部
３０ フィードバックコイル
３０ａ 対向検知領域
３１ 下層コイル体
３１ａ 下側コイル層
３２ 上層コイル体
３２ａ 上側コイル層
４０ 電流路
１３０ フィードバックコイル
１３０ａ 対向検知領域
１３５，１３６ 上側コイル層
１３５ａ，１３６ａ 途切れ端末
１３７ 下側コイル層
Ｈ０ 電流磁界
Ｈｄ１，Ｈｄ２ キャンセル磁界
Ｉ０ 被測定電流
Ｉｄ１，Ｉｄ２ キャンセル電流
Ｐ 磁化の固定方向
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記フィードバックコイルは、複数本の上側コイル層と複数本の下側コイル層とを有し、前記上側コイル層と前記下側コイル層とでキャンセル電流が互いに逆向きに流れ、
前記磁気検知部が前記上側コイル層と前記下側コイル層との間に配置され、前記磁気検知部には、互いに平行に形成されたストライプ形状の磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の隣り合う端部どうしを接続する接続電極とが設けられ、それぞれの前記磁気抵抗効果素子が、前記上側コイル層および前記下側コイル層と平行に配置されていることを特徴とする電流検知装置。 A current path through which a current to be measured flows, a feedback coil, a magnetic detection unit facing both of the current path and the feedback coil, and a current applied to the feedback coil in accordance with increase or decrease in detection output of the magnetic detection unit In a current detection device provided with a coil energization unit to be controlled and a current detection unit that detects the amount of current flowing through the feedback coil,
The feedback coil has a plurality of upper coil layers and a plurality of lower coil layers, and cancellation currents flow in opposite directions in the upper coil layer and the lower coil layer,
The magnetic detection unit is disposed between the upper coil layer and the lower coil layer, and the magnetic detection unit includes a stripe-shaped magnetoresistive effect element formed in parallel to each other, and the magnetoresistive effect element A current detection device comprising: a connection electrode that connects adjacent end portions; and each of the magnetoresistive effect elements is disposed in parallel with the upper coil layer and the lower coil layer.
隣り合う前記上側コイル層の途切れ端部が、前記フィードバックコイルのターン方向に互い違いに配置され、隣り合う前記上側コイル層の前記途切れ端部どうしが前記下側コイル層で接続されている請求項１ないし４のいずれかに記載の電流検知装置。 A part of the coil layer constituting the feedback coil becomes the upper coil layer, the upper coil layer is interrupted,
The discontinuous end portions of the adjacent upper coil layers are alternately arranged in the turn direction of the feedback coil, and the discontinuous end portions of the adjacent upper coil layers are connected by the lower coil layer. Thru | or 4. The electric current detection apparatus in any one of 4.
（１）基板の表面にストライプ形状の磁気抵抗効果素子を互いに平行に形成する工程と、
（２）隣り合う前記磁気抵抗効果素子の間で、前記基板に溝を形成する工程と、
（３）前記溝の内部に、下側コイル層を形成する工程と、
（４）前記下側コイル層が埋設されるように前記溝の内部に埋設絶縁層を形成する工程と、
（５）前記埋設絶縁層の上に、前記磁気抵抗効果素子の隣り合う端部どうしを接続する接続電極を形成して、前記磁気検知部を構成する工程と、
（６）前記磁気検知部を覆う被覆絶縁層を形成する工程と、
（７）前記被覆絶縁層の上に前記上側コイル層を形成し、前記上側コイル層と前記下側コイル層とで電流が互いに逆向きに流れる前記フィードバックコイルを完成する工程と、
を有することを特徴とする電流検知装置の製造方法。 A current path through which a current to be measured flows, a feedback coil, a magnetic detection unit facing both of the current path and the feedback coil, and a current applied to the feedback coil in accordance with increase or decrease in detection output of the magnetic detection unit In a method of manufacturing a current detection device provided with a coil energization unit to be controlled and a current detection unit that detects the amount of current flowing through the feedback coil,
(1) forming stripe-shaped magnetoresistive elements parallel to each other on the surface of the substrate;
(2) forming a groove in the substrate between the adjacent magnetoresistive elements;
(3) forming a lower coil layer inside the groove;
(4) forming a buried insulating layer in the groove so that the lower coil layer is buried;
(5) forming a connection electrode connecting adjacent end portions of the magnetoresistive effect element on the buried insulating layer, and configuring the magnetic detection unit;
(6) forming a coating insulating layer covering the magnetic detection unit;
(7) forming the upper coil layer on the covering insulating layer, and completing the feedback coil in which currents flow in opposite directions in the upper coil layer and the lower coil layer;
The manufacturing method of the electric current detection apparatus characterized by having.
隣り合う前記上側コイル層の前記途切れ端部どうしを前記下側コイル層で接続する請求項８または９記載の電流検知装置の製造方法。 Forming the upper coil layer so as to be interrupted, discontinuous ends of the adjacent upper coil layers are alternately arranged in the turn direction of the feedback coil,
The method for manufacturing a current detection device according to claim 8 or 9, wherein the discontinuous ends of the adjacent upper coil layers are connected by the lower coil layer.
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