JP5888402B2 - 磁気センサ素子 - Google Patents

Description

本発明は、外部磁界を検知可能な小型の磁気センサ素子に関する。

一般に、制御機器等の制御をおこなうための制御電流を測定する方法としては、その制御電流によって発生する電流磁界の勾配を検出することによって間接的に測定する方法がある。具体的には、例えば、特許文献１に、巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｅｆｆｅｃｔ）を発現する巨大磁気抵抗効果素子（以下、ＧＭＲ素子）などの磁気抵抗効果素子を４つ用いてホイートストンブリッジを形成し、上記の電流磁界中に配置して、その勾配を検出する方法が開示されている。このように、ホイートストンブリッジを形成することにより、外部からの妨害磁界や環境温度による影響を比較的低く抑えることができる。特に、４つの磁気抵抗効果素子の特性が均一な場合は、より安定した検出特性を得ることができる。

また、特許文献２に、測定ブリッジと補償電流ラインを設けることにより、環境温度や外部からの妨害磁界に起因する出力電圧の変化をさらに低減するようにした例も開示されている。

さらに、特許文献３に開示されているように、２つの磁気抵抗効果素子を用いることで、４つの場合よりもバランスがとりやすく零磁界での抵抗値オフセットの低減が容易になっている。また、特許文献３において、複数の磁気抵抗効果素子における電圧降下の差分に応じた補償電流を利用することにより、検出対象電流の測定をより高精度に行う技術に関しても開示している。

特許文献４には、電流磁界を、複数の磁気抵抗効果素子、ブリッジ回路、さらに、各々の磁気抵抗効果素子と共に延在する帯状部分を有した補償電流線を用いて、高感度、高精度に測定するための電流センサが開示されている。

特許文献４の図３と同じであるが、符号を代えた図を図１４に示す。特許文献４は、本発明の主要な従来技術であるため、以降、比較例としてこの図１４を用いることにする。図１４は、従来の電流センサ１００の構成を示した図である。４つの磁気抵抗効果素子として、第１〜第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４があり、この４つの磁気抵抗効果素子上にそれぞれ沿うように、帯状に補償電流線３００があり、この補償電流線３００であって、第１〜第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４に対応する部分が、第１〜第４の帯状補償電流線３１０、３２０、３３０、３４０となっている。また、帯状の補償電流線３００であって、磁気抵抗効果素子上に沿っていない部分３７０が存在している。

特許文献４に代表される電流センサの検出原理を簡単に説明する。検出対象の導体に流れる検出対象電流から発生する誘導磁界に対して、電流センサ側から、検出対象誘導磁界を打ち消し、磁界の大きさがゼロになるように、誘導磁界と反平行方向に、補償磁界を発生させる。補償磁界は、電流センサが有する補償電流線に流れる補償電流から生じる。この磁界の強さがゼロになる平衡点は、電流センサの磁気抵抗効果素子の磁界検知出力がゼロになる点を検知する。この平衡点に達したときの補償電流の大きさは、検出対象誘導磁界および電流の大きさに比例しているので、補償電流の値がわかれば、導体に生じる検出対象電流を検出できるという原理である。

特開平０６−２９４８５４号公報 特表平１０−５０６１９３号公報 特開２００６−１０５６９３号公報 特開２０１１−１９６７９８号公報

上記の文献で示されているように、磁気センサ素子に関し、全体構成の小型化に加え、高性能化が求められているが、効率良く対象磁界の検出を行うために、低消費電力化が求められている。本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、広範囲に亘る検出対象外部磁界を高感度、低消費電力にて検出可能な磁気センサ素子を提供することを目的とする。

本発明は、基板と、基板上に形成された外部磁界に応じて抵抗値が変化を示す磁気抵抗効果素子と、補償電流が流れることにより、外部磁界とは異なる方向の補償磁界を磁気抵抗効果素子に付与する補償電流線とを備え、補償電流線は、磁気抵抗効果素子を、絶縁膜を介して、第１の方向と第１の方向とは逆向きの第２の方向から挟み込むように平行に配置された第１及び第２の電流線と、第１及び第２の電流線を直列に接続する第１の接続導体とを含み、第１および第２の電流線と磁気抵抗効果素子とを基板の法線方向に射影した範囲は、磁気抵抗効果素子の長手方向の全領域において重なる領域を有し、補償電流は、第１及び第２の電流線を磁気抵抗効果素子の長手方向に沿って互いに反平行方向に流れることを特徴とする磁気センサ素子である。

このような構成にすることで、磁気抵抗効果素子を挟む補償電流線から発生する磁界だけではなく、磁気抵抗効果素子を挟む補償電流線を接続する第１の接続導体からの発生磁界も磁気抵抗効果素子部に印加されるため、単位補償電流当りの発生磁界が増加し、さらに、従来技術としての比較例である図１４の、各磁気抵抗効果素子と共に対応し延在する各帯状補償電流線以外の帯状補償電流線に相当する分の長さを短くできることによる抵抗減少と、補償電流の低減により感度を上げ、消費電力を低減できる。

さらに、本発明の磁気センサ素子は、磁気抵抗効果素子と補償電流線間に磁気抵抗効果素子の膜厚の１０倍以上である絶縁膜を設けたことを特徴としている。

さらに、本発明の磁気センサ素子は、絶縁膜が３族または４族原子の絶縁材料であって、絶縁膜の膜厚は、３００ｎｍを超えることを特徴としている。

さらに、本発明の磁気センサ素子は、絶縁膜が３族または４族原子の絶縁材料であって、絶縁膜の膜厚は、５００ｎｍ以上であることを特徴としている。

このような絶縁膜を設けることにより、補償電流線と、磁気抵抗効果素子との間に生じる電圧差によって破壊されない程度に厚く、かつ補償電流線からの磁界が十分に磁気抵抗効果素子に印加できる程度に薄くなっている。

さらに、本発明の磁気センサ素子は、磁気抵抗効果素子は、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する自由層とを含み、固着層の磁化方向は、補償電流線の延在方向と直交する方向であることを特徴としている。

さらに、本発明の磁気センサ素子は、固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加する永久磁石を備えたことを特徴としている。

さらに、本発明の磁気センサ素子は、第１及び第２の電流線を挟んで第１の接続導体とは反対側に存在する複数の第２の接続導体と、複数の磁気抵抗効果素子とを有し、補償電流線の延在方向と異なる第３の方向に複数の磁気抵抗効果素子が平行に配置され、複数の磁気抵抗効果素子が各々備える第１および第２の電流線のそれぞれに流れる補償電流が複数の磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った反平行方向に流れるように、複数の磁気抵抗効果素子がそれぞれ備える第１および第２の電流線が複数の第１及び第２の接続導体によって接続されたことを特徴としている。

さらに、本発明の磁気センサ素子は、磁気抵抗効果素子として、第１から第４の磁気抵抗効果素子を備え、第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、第１の磁気抵抗効果素子の他端と第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、第２の磁気抵抗効果素子の他端と第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されており、補償電流は、第１の接続点と第２の接続点との間に電圧が印加されたときの第３の接続点と第４の接続点の間の電位差によって生じるものであり、第１および第３の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、外部磁界に応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、いずれも、外部磁界に応じて第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化することを特徴としている。

本発明の磁気センサ素子によれば、検出対象外部磁界を、高感度、かつ低消費電力にて検出可能となる。

本実施形態の磁気センサの全体構成を表す斜視図である。 本実施形態の電流センサの全体構成を表す斜視図である。 本実施形態の帯状補償電流線対の斜視図である。 本実施形態の磁気センサ素子の斜視図である。 本実施形態の磁気センサ素子の分解斜視図である。 本実施形態の電流センサの磁界の様子を示す模式図である。 磁気抵抗効果素子の帯状部分がミアンダ状である別の実施形態の模式図である。 磁気抵抗効果素子の帯状部分がミアンダ状である別の実施形態の模式図である。 本実施形態の磁気抵抗効果素子の膜構成を表す分解斜視図である。 本実施形態の磁気抵抗効果素子の膜構成を表す分解斜視図である。 本実施形態のブリッジ回路図である。 本実施形態の磁気抵抗効果素子上の補償磁界の分布を示す図である。 本実施形態の補償電流と磁気抵抗効果素子の出力の特性図である。 本実施形態の絶縁膜厚と破壊電圧の関係を示す図である。 本実施形態の変形例のブリッジ回路図である。 比較例の電流センサ素子の斜視図である。 本実施形態の電流センサ以外の、磁気センサの磁界の様子を示す模式図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。

（基本構成の説明）
図１は、本実施形態の磁気センサ１０の全体構成を表す斜視図である。基板５上に磁気抵抗効果素子２０を含む磁気センサ素子１を設置し、更に、後述のバイアス磁界印加のための永久磁石９を配置する。なお、この磁気センサ素子１の感磁方向は、磁気抵抗効果素子２０の磁化固定層の磁化固定方向と平行な方向である。この磁気センサ素子１では、任意方向の外部磁界のうち、前述の、感磁方向成分の値を検出する。

図２は、本実施形態の磁気センサ１０を用いた、電流センサ１０００の全体構成を表す斜視図である。電流センサ１０００は、磁気センサ１０と、導体２と、シールド構造６から構成されている。具体的には、電流センサ１０００は、図１の磁気センサ１０に加えて、検出対象電流Ｉｍを流す導体２、電流から生じる誘導磁界Ｈｍ、誘導磁界以外の外乱磁界を遮蔽するシールド構造６を備える。

図３は、本実施形態の電流センサ１０００に備えられた、磁気センサ素子１の、帯状補償電流線対３５の斜視図であり、図４は、本実施形態の磁気センサ素子１の斜視図である。また、図５は、本実施形態の磁気センサ素子１の分解斜視図である。図３から図５を用いて、本実施形態の構成について説明する。本実施形態の磁気センサ素子１は、電流センサ１０００に備えられた磁気センサ素子１である。また、本実施形態の磁気センサ素子１は、磁気抵抗効果素子２０と、補償電流線３０から構成されている。補償電流線３０は、少なくとも１組、もしくは、複数組の帯状補償電流線対３５から構成されている。

本実施形態の、磁気センサ素子１の、磁気抵抗効果素子２０は、帯状補償電流線対３５の１組に対して１つ配置されている。帯状補償電流線対３５は、１つの磁気センサ素子１に対し、少なくとも１組、もしくは、複数組が備えられている。

補償電流線３０である帯状補償電流対３５は、直線状の検出対象電流Ｉｍを流す導体２から発生する誘導磁界Ｈｍに対して、補償電流Ｉｄを発生させて反平行の補償磁界Ｈｄをを磁気抵抗効果素子２０上に発生させる。ここで、反平行とは、一対の流れる電流や一対の磁界などの方向が一軸方向でみた場合に互いに逆方向になることである。

１組の帯状補償電流線対３５は、図３に示すように、第１の電流線３０１と第２の電流線３０２から構成されている。第１の電流線３０１と第２の電流線３０２は、磁気抵抗効果素子２０を、第１の方向および第１の方向とは逆向きの第２の方向から挟み込むように、すなわち、Ｚ軸方向に、上下を挟むように平行に配置されており、かつ、第１の電流線３０１と第２の電流線３０２を第１の接続導体７で直列に接続して、さらに、第１の電流線３０１と第２の電流線３０２と磁気抵抗効果素子とを基板の法線方向に射影した範囲が、磁気抵抗効果素子の長手方向の全領域において重なる領域を有するいわゆるソレノイド形状とした。このような形状とすることにより、補償電流Ｉｄは、第１の電流線３０１と第２の電流線３０２を磁気抵抗効果素子の長手方向に沿って互いに反平行方向に流れる。

図６は、この電流センサ１０００の、図２のＸＺ平面に平行な概略断面を示しており、磁気抵抗効果素子２０を挟んでＺ軸方向上下に、帯状補償電流線対３５である第１の電流線３０１と第２の電流線３０２が配置されている。図６は、補償電流Ｉｄと補償磁界Ｈｄ、および、導体２から生じる検出対象電流Ｉｍと検出対象誘導磁界Ｈｍの流れる方向や発生する方向の関係を表す模式図である。

図６によれば、検出対象である誘導磁界Ｈｍの方向に対し、電流センサ側の補償磁界Ｈｄは、第１の電流線３０１から生じる補償磁界Ｈｄと、第２の電流線３０２から生じる補償磁界Ｈｄが強めあい合成されて、合成補償磁界Ｈｄ２となって、誘導磁界Ｈｍと反平行方向であるため、結果として、誘導磁界Ｈｍと合成補償磁界Ｈｄ２は互いに打ち消しあう。

図１５は、図６と同じもので、電流センサ以外の磁気センサ素子の、磁気抵抗効果素子に及ぶ外部磁界Ｈおよび補償磁界Ｈｄ、および、補償磁界の合成補償磁界Ｈｄ２の向きを説明するための模式図である。外部磁界Ｈの成分のうち、磁気抵抗効果素子２０の感磁方向である図中のＸ成分を検出する。

本実施形態の、電流センサ１０００に備えられた磁気センサ素子１は、磁気抵抗効果素子２０と、補償電流線３０から構成されており、補償電流線３０を構成する帯状補償電流線対３５は、少なくとも１組、もしくは、複数組が備えられており、例えば、帯状補償電流線対３５が４組、すなわち、磁気抵抗効果素子２０も４つ、で構成された磁気センサ素子１の補償電流線３０が、図４に示されている。

図４のような、ソレノイド形状とすることによって、従来技術としての比較例の、図１４に示すような、各磁気抵抗効果素子２１〜２４と共に対応し延在する各帯状補償電流線３１０〜３４０以外の帯状補償電流線３７０は不要になるため、この分の長さを短くできる。つまり、磁気抵抗効果素子２１〜２４と近接していない帯状補償電流線３７０の３本が不要になる。このように、補償電流線の線の長さが短くなることにより、補償電流線の抵抗減少が可能となる。

このような構成にすることで、磁気抵抗効果素子２０を挟む、補償電流線３０である帯状補償電流線対３５から発生する磁界だけではなく、磁気抵抗効果素子２０を挟む帯状補償電流線対３５を直列に、わかりやすく言うと、第１及び第２の電流線３０１、３０２を上下に、接続する第１の接続導体７からの発生磁界も磁気抵抗効果素子部２０に印加されるため、単位補償電流当りの発生磁界が増加し、結果として、補償電流Ｉｄ値を抑えることが可能になる。補償電流Ｉｄ値を抑えても、十分な単位補償電流当りの発生磁界が増加するため、結果的に、磁気センサ素子１の感度が上がることになる。ちなみに、感度とは、補償電流通電時に、単位補償電流当たりの磁気抵抗効果素子の抵抗変化量と定義する。故に、単位補償電流当たりの発生磁界が増加すれば、単位補償電流当たりの抵抗変化が増えるので、感度が上がる事になる。

前述の、補償電流線の抵抗減少の効果と、検出対象外部磁界に対する補償電流Ｉｄの低減により感度を上がることで、消費電力を低減することが可能になる。

本実施形態の電流センサ１０００に備えられている磁気センサ素子１に用いる磁気抵抗効果素子２０は、図３から図５に示すような帯状の素子であって、面内に１個または、２個、あるいは４個を設けることが好ましい。また、帯状補償電流線対３５は、１つの磁気抵抗効果素子２０に対し、少なくとも１組、もしくは、複数組が備えられている。また、磁気抵抗効果素子２０を複数個備える場合、補償電流線対の延在方向と異なる第３の方向に各々の磁気抵抗効果素子２０が平行に配置される事が好ましい。ここで、第３の方向とは基板の法線と直交する方向であり、補償電流線対の延在方向と同一な方向以外の方向を指す。ここで、複数の磁気抵抗効果素子２０が各々備える第１及び第２の電流線３０１、３０２に流れる補償電流は、磁気抵抗効果素子２０の長手方向に沿った反平行方向に流れるように、第１及び第２の電流線３０１、３０２は、第１及び第２の電流線を挟んで第１の接続導体とは反対側に存在する複数の第２の接続導体１５と第１の接続導体７とによって接続されている。このように、磁気抵抗効果素子２０を複数個備える場合に、複数の磁気抵抗効果素子２０に対して各々が備える第１及び第２の電流線３０１、３０２のそれぞれに流れる補償電流が反平行方向に電流が流れるように第１の接続導体７及び第２の接続導体１５が存在しているので、補償電流Ｉｄ値を抑えることが可能になる。補償電流Ｉｄ値を抑えても、十分な単位補償電流当りの発生磁界が増加するため、結果的に、磁気センサ素子１の感度が上がることになる。また、第３の方向は、補償電流線対の延在方向と直交する方向が好ましく、この場合、複数の磁気抵抗効果素子２０が密集して配置されるので、第１及び第２の電流線３０１、３０２と第１の接続導体７及び第２の接続導体１５との全体の長さを低減することが可能となるので、電気抵抗を低減することが可能となる。なお、第１の接続導体７と第２の接続導体１５とは、第１及び第２の電流線３０１、３０２のそれぞれの端部同士を接続することが好ましい。ここで、それぞれの端部同士を接続するに当たり、それぞれの端部同士を結んだ直線と第１の接続導体７と第２の接続導体１５を基板に射影した領域がそれぞれの端部同士を結んだ直線の全領域で重なっていることが好ましい。このような構成とすることで、第１の接続導体７と第２の接続導体１５の抵抗値を低減することが可能となり、第１の接続導体７と第２の接続導体１５との存在領域を小さくすることが可能となる。従って、磁気センサ素子１の低消費電力、小型化が可能となる。

直線状の検出対象電流Ｉｍを流す導体２から発生する誘導磁界Ｈｍに対して発生する、補償電流Ｉｄは、第１及び第２の電流線３０１、３０２を反平行方向に流れる。１つの磁気抵抗効果素子２０に対して複数の帯状補償電流線対３５をもつ場合も、それぞれの対に流れる電流方向は必ず同じ方向であって、かつ、反平行に流れることが必要である。つまり、４組の帯状補償電流線対３５がある場合は、４組とも、それぞれの第１の電流線３０１に流れる補償電流Ｉｄは同じ方向に流れ、それぞれの第２の電流線３０２に流れる補償電流Ｉｄは同じ方向に流れ、４組とも、それぞれの第１及び第２の電流線３０１、３０２では反平行方向に流れるということである。

図３において、帯状補償電流線対３５に挟まれた磁気抵抗効果素子２０について、磁気抵抗効果素子２０と、第１及び第２の電流線３０１、３０２を、それぞれ絶縁膜によって隔てている。絶縁膜は、図示されていないが、第１の電流線３０１あるいは、第２の電流線３０２と、磁気抵抗効果素子２０との間に生じる電圧差によって破壊されない程度に厚く、かつ、補償磁界Ｈｄを磁気抵抗効果素子２０に十分に印加できる程度に薄くすることによって、必要とされる十分な強度の補償磁界Ｈｄを磁気抵抗効果素子２０に付与することができ、かつ十分な耐電圧を得ることが出来る。

図２〜図５を参照して、本実施形態の電流センサ１０００を構成する磁気センサ素子１の具体的構成を説明する。図２に示したように、この電流センサ１０００は、検出対象電流Ｉｍが流れる直線状の導体２と、その導体２の近傍に配置された基板５と、基板５の上に配置された磁気センサ素子１とを備える。さらに、導体２の延在方向、すなわちＹ軸方向に沿って磁気センサ素子１上には、磁気抵抗効果素子２０の自由層６３に対してバイアス磁界を付与するための永久磁石９が配置されている。磁気センサ１０とは、図１のような、基板５と、永久磁石９と、磁気センサ素子１から構成されるものであり、本実施形態でも、含まれている。

さらに、導体２および電流センサ１０００を一括して取り囲むように、例えば、フェライトなどの磁性材料からなる筒型のシールド構造６が設けられている。導体２は、例えば銅（Ｃｕ）などの高い導電率の金属材料からなり、検出対象電流Ｉｍが流れることにより、その周囲に誘導磁界Ｈｍを発生する。シールド構造６は、磁気センサ素子１を含む磁気センサ１０に対して不要な外部磁界が及ぶのを妨げるように機能する。

磁気センサ素子１は、例えば、図４に示すように、帯状補償電流線対３５を４組設けた例では、基板５上に、図９に示すような、第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４を含む検出回路４１が設けられた階層と、それを挟むように４組の帯状補償電流線対３５があり、第１の電流線３０１を含む階層と、第２の電流線３０２を含む階層の３階層からなっており、第１の電流線３０１を含む階層、図９の第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４と検出回路を含む階層、第２の電流線３０２を含む階層の順に積層形成されてなるものである。

図４において、本実施形態の４つの、すなわち、第１から第４の磁気抵抗効果素子は、互いに同方向、すなわち、Ｙ軸方向へ延在している。

図５において、４つの、すなわち、第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４は、それぞれ、その延在方向および厚さ方向、すなわちＺ軸方向と直交する方向において幅Ｗ２の寸法を有している。幅Ｗ２は、互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。

磁気抵抗効果素子２０は、補償電流線３０における帯状補償電流線対３５と１対１の対応関係となっている。すなわち、図３に示したように、磁気抵抗効果素子の積層方向、すなわちＺ軸方向において、磁気抵抗効果素子２０は帯状補償電流対３５と重なり合う位置にある。また、図５でみれば、第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４は、それぞれ、第１から第４の帯状補償電流線対３１〜３４と厚さ方向において互いに重なり合う位置関係にあることにより、誘導磁界Ｈｍと共に、第１から第４の帯状補償電流線対３１〜３４からの補償磁界Ｈｄの影響を受けることとなるので好ましい。

帯状補償電流線対３５を４組設けた例では、図５に示すように、第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４、磁気抵抗効果素子と同じ階層の検出回路４１、および、第１から第４の帯状補償電流線対３１〜３４は、それぞれ、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３ ）などからなる絶縁膜によって埋設されており互いに絶縁されている。また、帯状補償電流線対３５として扱っていたが、第１から第４の帯状補償電流線対３１〜３４を構成する各第１の電流線３０１と第２の電流線３０２間は、それぞれ、Ｚ方向に延在する第１の接続導体７と第２の接続導体１５によって接続されている。絶縁膜はＡｌ_２Ｏ_３の他、酸化硅素（ＳｉＯ_２）や窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）でも良い。

素子基板５は、例えば、ガラスやＳｉＯ_２などの硅素（Ｓｉ）の化合物、またはＡｌ_２Ｏ_３などの絶縁材料、又はＳｉ等の導電性材料上に絶縁膜、例えばＡｌ_２Ｏ_３やＳｉＯ_２を積層させた材料によって構成されるものである。

図４をはじめとする図で示す、帯状補償電流線対を含む補償電流線３０は、Ｃｕなどの高い導電率の金属材料によって構成され、磁気抵抗効果素子２０の積層面を挟むように引き回された一本の薄膜導線である。補償電流線３０は、例えば一方の端部から、図９の検出回路４１からの補償電流Ｉｄが流入するようになっている。補償電流線３０は、その一部として、磁気抵抗効果素子２０の延在方向、すなわちＹ軸方向へ直線状に延在すると共に、その厚さ方向、すなわちＺ軸方向と直交する幅方向、すなわちＸ軸方向に並ぶ４組の帯状補償電流線対３５を含んでいる。

図４に示すように、帯状補償電流線対３５は、第１の電流線３０１と第２の電流線３０２から成っており、第１の電流線３０１と第２の電流線３０２は、磁気抵抗効果素子２０を、第１の方向および第２の方向から挟み込むように、すなわち、Ｚ軸方向に、上下を挟むように平行に配置されており、かつ、第１の電流線３０１と第２の電流線３０２を第１の接続導体７と第２の接続導体１５で直列に接続されている。また、それぞれの、第１の電流線３０１と第２の電流線３０２は、幅方向において幅Ｗ１の寸法を有している。幅Ｗ１は、互いに等しくてもよいし、互いに異なっていてもよい。

本実施形態の磁気センサ素子１では、補償電流線３０の太さが線毎に異なっていても良い。また、磁気抵抗効果素子２０と重ならない部分に補償電流線３０が配置されていても良い。これによって、補償電流線３０が磁気抵抗効果素子２０に印加する磁界を均一にできる。磁気抵抗効果素子２０の抵抗変化量のバラツキを抑制できる。

また、別の形態として、帯状部分をつづら折のようなミアンダ状に直列に接続されていても良い。ミアンダ状に磁気抵抗効果素子を構成する場合、帯状部分の本数を偶数個とすることにより、磁気抵抗効果素子に通電したときに発生する磁界、すなわち、自己バイアス磁界の影響をキャンセルできる。図７ａは、１個の抵抗体が２本の磁気抵抗効果素子から出来ている例である。また、図７ｂは、１個の抵抗体が４本の磁気抵抗効果素子から出来ている例である。図中の３は電極、４は中間電極である。

第１の接続導体７と第２の接続導体１５は、帯状補償電流対３５の、第１の電流線３０１と第２の電流線３０２を、図３のように、例えば、Ｚ軸方向に接続する。図４に示されるような第１の接続導体７と第２の接続導体１５は、フォトでパターニングしたＣｕメッキで第１の接続導体７と第２の接続導体１５を形成し、その後絶縁膜を積層し、第１の接続導体７と第２の接続導体１５上に積層されている絶縁膜をＣＭＰ等で除去する方法や、絶縁膜にＲＩＥで穴を開け、穴部分をＣｕで埋める方法で第１の接続導体７と第２の接続導体１５を形成するなどの公知の技術で作製できる。

本実施形態の補償電流線３０を構成する帯状補償電流線対３５は、磁気抵抗効果素子２０の延在方向と同方向へそれぞれ延在すると共に厚さ方向において磁気抵抗効果素子２０とそれぞれ重なり合っていることが好ましい。補償電流線３０の帯状補償電流線対３５と、磁気抵抗効果素子２０を隔てている図示しない絶縁膜は、帯状補償電流線対３５と、磁気抵抗効果素子との間に生じる電圧差によって破壊されない程度に厚く、かつ帯状補償電流線対３５からの磁界が十分に磁気抵抗効果素子に印加できる程度に薄くなっている。

帯状補償電流線対３５の少なくとも一部分が、厚さ方向において磁気抵抗効果素子２０と重なり合い、かつ、帯状補償電流線対３５と磁気抵抗効果素子２０とを隔てている絶縁膜の膜厚を最適化したので、磁気抵抗効果素子２０と補償電流線対３５間の絶縁耐圧を保ちながら、補償磁界Ｈｄのうちの磁気抵抗効果素子２０に実際に及ぶ有効磁界の最大強度および平均強度が向上する。

本実施形態において、帯状補償電流線対３５と、対応する磁気抵抗効果素子２０とを隔てている絶縁膜の膜厚を磁気抵抗効果素子２０の厚みの１０倍以上としている。図１２は、絶縁膜の膜厚と磁気抵抗効果素子２０の破壊電圧の関係をしめした図である。磁気抵抗効果素子２０の膜厚が約３０ｎｍに対し、絶縁膜の膜厚が約３００ｎｍより厚い場合に、磁気抵抗効果素子２０の破壊電圧が０から上に上がる傾向であり、これにより、絶縁膜は補償電流線３０と磁気抵抗効果素子２０との間に生じる電圧差によって破壊されないということがわかる。なお、磁気抵抗効果膜の厚みが３０ｎｍとは異なる場合についても、図１２の結果と同様に、絶縁膜の厚さが３００ｎｍを超えると、最小の破壊電圧が０でなくなるので好ましい。絶縁膜の厚さが５００ｎｍ以上では、最小破壊電圧が概ね一定となるのでより好ましい。絶縁膜の材料としては、例えば、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３ ）、酸化硅素（ＳｉＯ２）や窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）などの金属酸化物、金属窒化物、又はポリイミドなど有機物、又はこれらの混合物が好ましい。

（磁気抵抗効果素子の説明）
図８ａと図８ｂを参照して、磁気抵抗効果素子２０の構成について、詳しく説明する。図８ａと図８ｂは、磁気抵抗効果素子２０の構成を分解して表す分解斜視図である。なお、磁化Ｊ６１の向きを除いて、図４や図５で示す第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４は全て同様の構成を有しているので、ここでは、図３の磁気抵抗効果素子２０を例に挙げて説明する。

磁気抵抗効果素子２０はスピンバルブ構造を有するものであり、巨大磁気抵抗効果（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ Ｅｆｆｅｃｔ）素子である。

図８ａに示すように、磁気抵抗効果素子２０は、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層６１と、中間層６２と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する自由層６３とを順に含む積層体６０を有している。その場合、固着層６１の磁化方向は、導体２ならびに帯状補償電流線対３５の延在方向と直交する方向であるとよい。

より詳細に説明すると、図８ａに示したように、例えば＋Ｘ方向に固着された磁化Ｊ６１を有する固着層６１と、特定の磁化を示さない非磁性の中間層６２と、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄなどの、印加磁界の大きさおよび向きに応じて変化する磁化Ｊ６３を有する自由層６３とが順に積層された構造となっている。自由層６３の磁化容易軸ＡＥ６３はＹ軸と平行であるとよい。

本実施形態の第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４の磁化方向について説明する。図９に示したように、第３の磁気抵抗効果素子２３の磁化Ｊ６１は、第１の磁気抵抗効果素子２１の磁化Ｊ６１と同方向（＋Ｘ方向）に固着されている。これに対し、第２及び第４の磁気抵抗効果素子２２、２４の磁化Ｊ６１はいずれも第１及び第３の磁気抵抗効果素子２１、２３の磁化Ｊ６１と逆方向（−Ｘ方向）に固着されている。

また、図８ａは、誘導磁界Ｈｍや補償磁界Ｈｄを印加しない無負荷状態、すなわち、外部磁界がゼロの状態を示している。この場合には、自由層６３の磁化方向Ｊ６３は、自らの磁化容易軸ＡＥ６３と平行をなし、かつ、固着層６１の磁化Ｊ６１とほぼ直交する状態となっている。

自由層６３は、ＮｉＦｅなどの軟磁性材料により構成されている。中間層６２は、Ｃｕにより構成され、上面が固着層６１と接すると共に下面が自由層６３と接している。中間層６２は、Ｃｕのほか、金（Ａｕ）などの導電率の高い非磁性金属により構成することができる。中間層６２は、電流センサの動作時に供給される図６に示す読出電流Ｉ１、Ｉ２の大部分が流れるパスラインとしても機能する。なお、自由層６３の下面、すなわち、中間層６２に接する面と反対側の面は、それぞれ図示しない保護膜によって保護されていてもよい。

また、固着層６１と自由層６３との間には磁化方向Ｊ６１における交換バイアス磁界Ｈｉｎが生じており、中間層６２を介して互いに作用し合っている。交換バイアス磁界Ｈｉｎの強度は、固着層６１と自由層６３との相互間隔、すなわち中間層６２の厚みに応じて自由層６３のスピン方向が回転することにより変化する。したがって、交換バイアス磁界Ｈｉｎを見かけ上、ゼロとすることもできる。

ここで、図２に示すように、積層体６０に対し、固着層６１の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加するバイアス印加手段である永久磁石９を備えるようにしてもよい。永久磁石９は、磁気抵抗効果素子２０の自由層６３に対してバイアス磁界を付与することにより、それらのヒステリシスを低減するように機能する。

また、図８ａでは、下から自由層６３、中間層６２、固着層６１の順に積層された場合の構成例を示しているが、これに限定されず、反対の順序で構成するようにしてもよい。なお、中間層６２をＡｌ_２Ｏ_３や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの絶縁体とするＴＭＲ（Ｔｏｎｎｅｌｉｎｇ Ｍａｇｎｅｔｏ Ｒｅｓｉｓｔｉｖｅ）素子としても良い。

図８ｂに、固着層６１の詳細な構成を示す。固着層６１は、例えば中間層６２の側から磁化固定膜６４と反強磁性膜６５と保護膜６６とが順に積層された構成となっている。磁化固定膜６４はコバルト（Ｃｏ）やコバルト鉄合金（ＣｏＦｅ）などの強磁性材料によって構成されており、この磁化固定膜６４の示す磁化の向きが固着層６１全体としての磁化Ｊ６１の向きとなる。

一方、反強磁性膜６５は、白金マンガン合金（ＰｔＭｎ）やイリジウムマンガン合金（ＩｒＭｎ）などの反強磁性材料により構成されている。反強磁性膜６５は、＋Ｘ方向のスピン磁気モーメントと、それとは反対方向（−Ｘ方向）のスピン磁気モーメントとが完全に打ち消し合った状態にあり、磁化固定膜６４の磁化の向き、すなわち、固着層６１の磁化Ｊ６１の向きを固定するように作用している。保護膜６６は、タンタル（Ｔａ）やハフニウム（Ｈｆ）などの比較的化学的に安定な非磁性材料からなり、磁化固定膜６４や反強磁性膜６５などを保護するものである。

以上のような構造を有する磁気抵抗効果素子２０では、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの合成磁界の印加により自由層６３の磁化Ｊ６３が回転し、それによって磁化Ｊ６３と磁化Ｊ６１との相対角度が変化する。その相対角度は、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの大きさおよび向きによって決まるものである。ここで、誘導磁界Ｈｍの向きが＋Ｘ方向であるのに対し補償磁界Ｈｄの向きは−Ｘ方向であるが、通常、誘導磁界Ｈｍは補償磁界Ｈｄよりも大きな強度を有するので、それらの合成磁界の向きは＋Ｘ方向となる。そのため、磁気抵抗効果素子２０における自由層６３の磁化Ｊ６３は、図８ａに示した無負荷状態から＋Ｘ方向へ傾くこととなり、磁気抵抗効果素子２０の各抵抗値の増減が生じる。

より具体的には、本実施形態の第１及び第３の磁気抵抗効果素子２１、２３では磁化Ｊ６１が＋Ｘ方向であるので、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの合成磁界が付与されると磁化Ｊ６３は磁化Ｊ６１と平行な状態に近づくこととなり、その抵抗値は減少する。一方、第２及び第４の磁気抵抗効果素子２２、２４では磁化Ｊ６１が−Ｘ方向であるので、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄの合成磁界が付与されると磁化Ｊ６３は磁化Ｊ６１と反平行な状態に近づくこととなり、その抵抗値は増大する。

（検出回路の説明）
図９を用いて、本実施形態の電流センサの回路構成について説明する。図９は、本実施形態の検出回路図である。検出回路４１は、４つの磁気抵抗効果素子２１〜２４がブリッジ接続されたブリッジ回路である。第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４は、それぞれ、導体２に沿って配置された帯状の薄膜パターンであり、導体２を流れる検出対象電流Ｉｍにより生ずる誘導磁界Ｈｍに応じて自らの抵抗値が変化を示すものである。

具体的には、第１及び第３の磁気抵抗効果素子１１、１３の各抵抗値は、検出対象の誘導磁界Ｈｍに応じて互いに同じ向きに変化する、すなわち、増加または減少する。一方、第２及び第４の磁気抵抗効果素子１２、１４の抵抗値は、いずれも、誘導磁界Ｈｍに応じて第１及び第３の磁気抵抗効果素子１１、１３の抵抗値の変化とは反対向きに変化する、すなわち、減少または増加する。例えば、第１及び第３の磁気抵抗効果素子１１、１３の各抵抗値が増加したときは、第２及び第４の磁気抵抗効果素子１２、１４の各抵抗値は減少するという関係となっている。

本実施形態の電流センサの検出回路４１では、第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点Ｐ１において接続され、第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点Ｐ２において接続され、第１の磁気抵抗効果素子２１の他端と第４の磁気抵抗効果素子２４の他端とが第３の接続点Ｐ３において接続され、第２の磁気抵抗効果素子２２の他端と第３の磁気抵抗効果素子２３の他端とが第４の接続点Ｐ４において接続されることによりブリッジ回路が形成されており、第１および第３の磁気抵抗効果素子の抵抗値は検出対象である誘導磁界Ｈｍに応じて互いに同じ向きに変化し、第２および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値はいずれも誘導磁界Ｈｍに応じて第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化するようになっている。

本実施形態の電流センサの検出回路４１では、第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４において、第１の接続点Ｐ１と第２の接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときに第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差によって生じる補償電流Ｉｄに基づき、誘導磁界Ｈｍとは逆方向の補償磁界Ｈｄを各磁気抵抗効果素子２１〜２４に付与するための補償電流線３０を設けるようにしたので、４つの磁気抵抗効果素子間の特性のばらつきや接続抵抗のばらつき、あるいは温度変動などに起因した出力電圧の変化がキャンセルされる。

図９に示したように、検出回路４１は、接続点Ｐ１〜Ｐ４を有している。各接続点Ｐ１〜Ｐ４は、Ｃｕなどの高導電率を有する非磁性材料によって構成された薄膜パターンである。また、接続点Ｐ１は電源Ｖｃｃと接続され、接続点Ｐ２は接地されている。さらに、接続点Ｐ３、Ｐ４は、いずれも、差動増幅器ＡＭＰの入力側と接続されている。

補償電流線３０は、その一方の端部が図示しない配線によって差動増幅器ＡＭＰの出力側と接続され、他方の端部が抵抗体ＲＬを介して接地されるようになっている。抵抗体ＲＬにおける差動増幅器ＡＭＰの側には、補償電流検出手段Ｓが端部において接続されている。これにより、補償電流線３０には、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間に電圧が印加されたときの接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間の電位差に基づく補償電流Ｉｄが供給されることとなる。補償電流線３０は、補償電流Ｉｄが流れたときに、第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４に対して補償磁界Ｈｄをそれぞれ付与するような経路を有している。

補償電流線３０を構成する帯状補償電流線対３５において発生する補償磁界Ｈｄは、導体２を流れる検出対象電流Ｉｍによって生じる誘導磁界Ｈｍとは逆方向となっている。すなわち、図９に矢印で示したように、第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４に対して誘導磁界Ｈｍが例えば＋Ｘ方向へ印加されるとき、補償磁界Ｈｄは−Ｘ方向へ印加される。

本実施形態の電流センサを使用し、誘導磁界Ｈｍを測定することにより検出対象電流Ｉｍを求める方法について説明する。図９において、まず、誘導磁界Ｈｍおよび補償磁界Ｈｄが印加されていない状態を考える。ここで、電源Ｖｃｃから読出電流Ｉ０を流したときの第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４における各々の抵抗値をｒ１〜ｒ４とする。

電源Ｖｃｃからの読出電流Ｉ０は、接続点Ｐ１において読出電流Ｉ１および読出電流Ｉ２の２つに分流される。そののち、第１の磁気抵抗効果素子２１および第４の磁気抵抗効果素子２４を通過した読出電流Ｉ１と、第２の磁気抵抗効果素子２２および第３の磁気抵抗効果素子２３を通過した読出電流Ｉ２とが接続点Ｐ２において合流する。この場合、接続点Ｐ１と接続点Ｐ２との間の電位差Ｖは、
Ｖ＝Ｉ１×ｒ４＋Ｉ１×ｒ１＝Ｉ２×ｒ３＋Ｉ２×ｒ２
＝Ｉ１（ｒ４＋ｒ１）＝Ｉ２（ｒ３＋ｒ２） ……（１）
と表すことができる。

また、第３の接続点Ｐ３における電位Ｖ１および第４の接続点Ｐ４における電位Ｖ２は
、それぞれ、
Ｖ１＝Ｖ−Ｖ４
＝Ｖ−Ｉ１×ｒ４
Ｖ２＝Ｖ−Ｖ３
＝Ｖ−Ｉ２×ｒ３
と表せる。よって、第３の接続点Ｐ３と第４の接続点Ｐ４との間の電位差Ｖ０は、
Ｖ０＝Ｖ２−Ｖ１
＝（Ｖ−Ｉ２×ｒ３）−（Ｖ−Ｉ１×ｒ４）
＝Ｉ１×ｒ４−Ｉ２×ｒ３ ……（２）
ここで、（１）式から
Ｖ０＝ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）×Ｖ−ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）×Ｖ
＝｛ｒ４／（ｒ４＋ｒ１）−ｒ３／（ｒ３＋ｒ２）｝×Ｖ ……（３）
となる。

このブリッジ回路では、誘導磁界Ｈｍが印加されたときに、上記の式（３）で示された接続点Ｐ３と接続点Ｐ４との間の電圧Ｖ０を測定することにより、抵抗変化量が得られる。ここで、誘導磁界Ｈｍが印加されたときに、抵抗値ｒ１〜ｒ４がそれぞれ変化量ΔＲ１〜ΔＲ４だけ増加したとすると、すなわち、誘導磁界Ｈｍを印加したときの抵抗値ｒ１〜ｒ４がそれぞれ、
Ｒ１＝ｒ１＋ΔＲ１
Ｒ２＝ｒ２＋ΔＲ２
Ｒ３＝ｒ３＋ΔＲ３
Ｒ４＝ｒ４＋ΔＲ４
であるとすると、誘導磁界Ｈｍを印加した際の電位差Ｖ０は、式（３）より、
Ｖ０＝｛（ｒ４＋ΔＲ４）／（ｒ４＋ΔＲ４＋ｒ１＋ΔＲ１）＋（ｒ３＋ΔＲ３）／（ｒ３＋ΔＲ３＋ｒ２＋ΔＲ２）｝×Ｖ ……（４）
となる。

すでに述べたように、この電流センサでは、第１及び第３の磁気抵抗効果素子２１、２３の抵抗値Ｒ１，Ｒ３と第２及び第４の磁気抵抗効果素子２２、２４の抵抗値Ｒ２，Ｒ４とが逆方向に変化するので、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ２とが打ち消し合うと共に変化量ΔＲ４と変化量ΔＲ１とが打ち消し合うこととなる。このため、誘導磁界Ｈｍの印加前後を比較した場合、式（４）の各項における分母の増加はほとんど無い。

一方、各項の分子については、変化量ΔＲ３と変化量ΔＲ４とは必ず反対の符号を有するので、打ち消し合うことなく増減が現れることとなる。誘導磁界Ｈｍが印加されることにより、第２及び第４の磁気抵抗効果素子２２、２４では、抵抗値は変化量ΔＲ２、ΔＲ４（ΔＲ２、ΔＲ４＜０）の分だけそれぞれ変化する（実質的に低下する）一方で、第１及び第３の磁気抵抗効果素子２１、２３では、抵抗値は変化量ΔＲ１、ΔＲ３（ΔＲ１、ΔＲ３＞０）の分だけそれぞれ変化する、すなわち、実質的に増加するからである。そこで、外部磁場と抵抗変化量との関係が既知である第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４を用いるようにすれば、誘導磁界Ｈｍの大きさを測定することができ、その誘導磁界Ｈｍを発生する検出対象電流Ｉｍの大きさを推定することができる。

しかしながら、一般的には、抵抗値ｒ１〜ｒ４および変化量ΔＲ１〜ΔＲ４は第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４の個体差により相互に異なっているうえ、回路中の接続抵抗のばらつきや温度分布の偏り、あるいは外部からの妨害磁界などが存在することから、電位差Ｖは上記要因による誤差成分を含んでいる。そこで、この電流センサでは、補償磁界Ｈｄを利用して電位差Ｖの誤差成分を除去するようにしている。具体的には、この電流センサでは、接続点Ｐ３において検出される電位Ｖ１と接続点Ｐ４において検出される電位Ｖ２とが差動増幅器ＡＭＰに供給され、その差分、すなわち電位差Ｖ０が零となるような補償電流Ｉｄが出力される。

差動増幅器ＡＭＰからの補償電流Ｉｄは、第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４にそれぞれ対応して配置された補償電流線３０である第１から第４の帯状補償電流線対３１〜３４を検出対象電流Ｉｍとは正反対の方向へ流れることにより、誘導磁界Ｈｍとは逆方向の補償磁界Ｈｄを発生させる。この補償磁界Ｈｄは、回路中の接続抵抗のばらつきや第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４の相互間における特性のばらつき、温度変動、あるいは外部からの妨害磁界などに起因する誤差成分をキャンセルするように作用する。このため、補償電流Ｉｄは、結果として誘導磁界Ｈｍのみに比例した大きさに近づくこととなる。

したがって、補償電流検出手段Ｓにおいて、出力電圧Ｖｏｕｔを測定し、既知の抵抗体ＲＬとの関係から補償電流Ｉｄを算出することにより、誘導磁界Ｈｍをより正確に求めることができ、ひいては検出対象電流Ｉｍの大きさを高精度に推定することができる。また、後出の図１１に示すように、第１から第４の磁気抵抗効果素子２１〜２４は外部磁界に対して非線形性を示すが、このようなフルブリッジ回路を形成することにより、非線形性を示すことの影響、すなわち、出力の誤差をキャンセルすることができ、高精度な測定を可能としている。

本実施形態は、上記の実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施の形態等では、４つの磁気抵抗効果素子を含む検出回路を用いて検出対象電流の検出を行う場合について説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、図１３に示した図９の回路を基本とした変形例のように、図９の磁気抵抗効果素子２１、２２を定電流源８１、８２に置き換えるようにした検出回路４２を用いるようにしてもよい。さらに、図９の磁気抵抗効果素子２１、２２を抵抗に置き換えるようにした検出回路を用いるようにしてもよい。

（評価）
図１０に、図１４に示した比較例と、本実施形態の補償電流線３０によって、磁気抵抗効果素子２０が存在する面上に生じる補償磁界Ｈｄ分布の計算結果を示す。図５等の帯状補償電流線対がＸ軸を横切って配置しているため、補償磁界Ｈｄは、Ｘ軸方向に分布する。従って、図１０では、Ｘ軸方向の任意配置を０として、その位置関係を横軸にとっており、縦軸は、補償磁界Ｈｄの大きさを示している。なお、補償電流線３０の幅＝８μｍ、厚み＝５．５μｍ、各線のピッチ＝１４μｍ、第１の電流線３０１の上面と磁気抵抗効果素子面との距離＝２μｍ（ソレノイド型のみ）、第２の電流線３０２の下面と磁気抵抗効果素子面との距離＝０．５μｍとして計算した。図１０によれば、本実施形態であるソレノイド形状とすることにより、磁気抵抗効果素子面上に発生する磁界の大きさが概ね倍増していることの確認をすることができた。

図１１に、図１４に示した比較形態の補償電流線３００の形状のみを、本実施形態のソレノイド形状に変更した磁気センサ素子１に、補償電流Ｉｄを通電した時の磁気抵抗効果素子ブリッジ回路の出力を示す。図１０で示した発生磁界量の差により、ゼロ電流近傍での出力／補償電流の勾配が大きく異なっている。このことによって、本実施形態であるソレノイド型の補償電流線を用いることで、補償電流を低減し、電流センサ動作時の消費電力を低減できることが検証できた。

図１２は、本実施形態の補償電流線３０を構成する帯状補償電流線対３５と、磁気抵抗効果素子２０とを隔てている絶縁膜の膜厚と、帯状補償電流線対３５と磁気抵抗効果素子２０間の電圧差による破壊電圧の関係を示す。図１２は、絶縁膜としてＡｌ_２Ｏ_３を用い、磁気抵抗効果素子幅＝１０μｍ、補償電流線幅＝６μｍの場合の結果で、各絶縁膜の膜厚に付き３５個の電流センサ素子１０の破壊電圧を調べた結果で、最小の破壊電圧は、Ａｌ_２Ｏ_３の膜厚が５００ｎｍで飽和していることを示している。また、３００ｎｍ以下の絶縁膜厚では、磁気抵抗効果素子の形成するフルブリッジ回路の動作電圧程度で絶縁破壊が生じる可能性がある。これにより、絶縁膜は補償電流線３０と磁気抵抗効果素子２０との間に生じる電圧差によって破壊されない程度に厚くする必要があることが検証できた。

１ 磁気センサ素子
１０ 磁気センサ
２ 導体
３ 電極
４ 中間電極
５ 基板
６ シールド構造
７ 第１の接続導体
９ 永久磁石
１５ 第２の接続導体
１００、１０００ 電流センサ
２０ 磁気抵抗効果素子
２１〜２４ 第１〜４の磁気抵抗効果素子
３０、３００ 補償電流線
３０１ 第１の電流線
３０２ 第２の電流線
３１〜３４ 第１〜４の帯状補償電流線対
３１０〜３４０ 第１〜４の帯状補償電流線
３５ 帯状補償電流線対
４１、４２ 検出回路
６０ 積層体
６１ 固着層
６２ 中間層
６３ 自由層
６４ 磁化固定膜
６５ 反強磁性膜
６６ 保護膜
８１、８２ 電流源

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された外部磁界に応じて抵抗値が変化を示す磁気抵抗効果素子と、
   補償電流が流れることにより、前記外部磁界とは異なる方向の補償磁界を前記磁気抵抗効果素子に付与する補償電流線とを備え、
   前記補償電流線は、前記磁気抵抗効果素子を、絶縁膜を介して、第１の方向と前記第１の方向とは逆向きの第２の方向から挟み込むように平行に配置された第１及び第２の電流線と、第１及び第２の電流線を直列に接続する第１の接続導体とを含み、
   前記第１および第２の電流線と前記磁気抵抗効果素子とを前記基板の法線方向に射影した範囲は、前記磁気抵抗効果素子の長手方向の全領域において重なる領域を有し、
   前記絶縁膜が１３族または１４族原子の絶縁材料であって、
   前記絶縁膜の膜厚は、前記膜厚に対する最小破壊電圧の飽和開始点近傍の膜厚であり、
   前記補償電流は、前記第１及び第２の電流線を前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った反平行方向に流れることを特徴とする磁気センサ素子。
2. 前記磁気抵抗効果素子と前記補償電流線間に前記磁気抵抗効果素子の膜厚の１０倍以上である前記絶縁膜を設けたことを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ素子。
3. 基板と、
   前記基板上に形成された外部磁界に応じて抵抗値が変化を示す磁気抵抗効果素子と、
   補償電流が流れることにより、前記外部磁界とは異なる方向の補償磁界を前記磁気抵抗効果素子に付与する補償電流線とを備え、
   前記補償電流線は、前記磁気抵抗効果素子を、絶縁膜を介して、第１の方向と前記第１の方向とは逆向きの第２の方向から挟み込むように平行に配置された第１及び第２の電流線と、第１及び第２の電流線を直列に接続する第１の接続導体とを含み、
   前記第１および第２の電流線と前記磁気抵抗効果素子とを前記基板の法線方向に射影した範囲は、前記磁気抵抗効果素子の長手方向の全領域において重なる領域を有し、
   前記絶縁膜が１３族または１４族原子の絶縁材料であって、
   前記絶縁膜の膜厚は、前記膜厚に対する最小破壊電圧の飽和開始点近傍の膜厚であり、
   前記補償電流は、前記第１及び第２の電流線を前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った反平行方向に流れ、
   前記磁気抵抗効果素子は、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する自由層とを含み、
   前記固着層の磁化方向は、前記補償電流線の延在方向と直交する方向であることを特徴とする磁気センサ素子。
4. 前記固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加する永久磁石を備えたことを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ素子。
5. 前記磁気抵抗効果素子と前記補償電流線間に前記磁気抵抗効果素子の膜厚の１０倍以上である前記絶縁膜を設けたことを特徴とする請求項３に記載の磁気センサ素子。
6. 基板と、
   前記基板上に形成された外部磁界に応じて抵抗値が変化を示す磁気抵抗効果素子と、
   補償電流が流れることにより、前記外部磁界とは異なる方向の補償磁界を前記磁気抵抗効果素子に付与する補償電流線とを備え、
   前記補償電流線は、前記磁気抵抗効果素子を、絶縁膜を介して、第１の方向と前記第１の方向とは逆向きの第２の方向から挟み込むように平行に配置された第１及び第２の電流線と、第１及び第２の電流線を直列に接続する第１の接続導体とを含み、
   前記第１および第２の電流線と前記磁気抵抗効果素子とを前記基板の法線方向に射影した範囲は、前記磁気抵抗効果素子の長手方向の全領域において重なる領域を有し、
   前記絶縁膜が１３族または１４族原子の絶縁材料であって、
   前記絶縁膜の膜厚は、前記膜厚に対する最小破壊電圧の飽和開始点近傍の膜厚であり、
   前記補償電流は、前記第１及び第２の電流線を前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った反平行方向に流れ、
   前記第１及び第２の電流線を挟んで前記第１の接続導体とは反対側に存在する複数の第２の接続導体と、複数の前記磁気抵抗効果素子とを有し、
   前記補償電流線の延在方向と異なる第３の方向に前記複数の磁気抵抗効果素子が平行に配置され、
   前記複数の磁気抵抗効果素子が各々備える前記第１および第２の電流線のそれぞれに流れる前記補償電流が前記複数の磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った反平行方向に流れるように、前記複数の磁気抵抗効果素子がそれぞれ備える第１および第２の電流線が前記複数の第１及び第２の接続導体によって接続された磁気センサ素子。
7. 前記磁気抵抗効果素子として、第１から第４の前記磁気抵抗効果素子を備え、
   前記第１および第２の磁気抵抗効果素子の一端同士が第１の接続点において接続され、前記第３および第４の磁気抵抗効果素子の一端同士が第２の接続点において接続され、前記第１の磁気抵抗効果素子の他端と前記第４の磁気抵抗効果素子の他端とが第３の接続点において接続され、前記第２の磁気抵抗効果素子の他端と前記第３の磁気抵抗効果素子の他端とが第４の接続点において接続されることによりブリッジ回路が形成されており、
   前記補償電流は、前記第１の接続点と前記第２の接続点との間に電圧が印加されたときの前記第３の接続点と前記第４の接続点の間の電位差によって生じるものであり、
   前記第１および第３の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、前記外部磁界に応じて互いに同じ向きに変化し、
   前記第２および第４の磁気抵抗効果素子の抵抗値は、いずれも、前記外部磁界に応じて前記第１および第３の磁気抵抗効果素子とは反対向きに変化することを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ素子。
8. 前記磁気抵抗効果素子は、一定方向に固着された磁化方向を有する固着層と、中間層と、外部磁界に応じて磁化方向が変化する自由層とを含み、
   前記固着層の磁化方向は、前記補償電流線の延在方向と直交する方向であることを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ素子。
9. 前記固着層の磁化方向と直交する方向にバイアス磁界を印加する永久磁石を備えたことを特徴とする請求項８に記載の磁気センサ素子。
10. 前記磁気抵抗効果素子と前記補償電流線間に前記磁気抵抗効果素子の膜厚の１０倍以上である前記絶縁膜を設けたことを特徴とする請求項６に記載の磁気センサ素子。
    

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