WO2012096211A1 - 電流センサ - Google Patents

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WO2012096211A1
WO2012096211A1 PCT/JP2012/050089 JP2012050089W WO2012096211A1 WO 2012096211 A1 WO2012096211 A1 WO 2012096211A1 JP 2012050089 W JP2012050089 W JP 2012050089W WO 2012096211 A1 WO2012096211 A1 WO 2012096211A1
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ferromagnetic
current
current sensor
layer
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PCT/JP2012/050089
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井出　洋介
斎藤　正路
高橋　彰
雅博 飯塚
健司 一戸
西山　義弘
充生 荒殿
Original Assignee
アルプス・グリーンデバイス株式会社
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    • H01F10/3272—Exchange coupling of magnetic film pairs via a very thin non-magnetic spacer, e.g. by exchange with conduction electrons of the spacer the exchange coupling being asymmetric, e.g. by use of additional pinning, by using antiferromagnetic or ferromagnetic coupling interface, i.e. so-called spin-valve [SV] structure, e.g. NiFe/Cu/NiFe/FeMn by use of anti-parallel coupled [APC] ferromagnetic layers, e.g. artificial ferrimagnets [AFI], artificial [AAF] or synthetic [SAF] anti-ferromagnets
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Definitions

  • the present invention relates to a current sensor for measuring the magnitude of current, and, for example, to a current sensor provided with a magnetoresistive element (TMR element, GMR element).
  • TMR element magnetoresistive element
  • the current sensor described in Patent Document 1 includes a GMR element as a magnetoresistive element.
  • the GMR element has a basic film configuration of an antiferromagnetic layer, a ferromagnetic fixed layer, a nonmagnetic material layer, and a free magnetic layer.
  • the ferromagnetic fixed layer is in contact with the antiferromagnetic layer, and the magnetization direction is fixed in one direction by the exchange coupling magnetic field (Hex) generated with the antiferromagnetic layer.
  • the free magnetic layer is stacked on the nonmagnetic material layer (nonmagnetic intermediate layer) with the ferromagnetic pinned layer, and the magnetization direction is changed by the external magnetic field.
  • the electric resistance value of the GMR element fluctuates in relation to the magnetization direction of the free magnetic layer, which is changed by the application of the induction magnetic field from the current to be measured, and the magnetization direction of the ferromagnetic fixed layer. The current value of the measured current is detected.
  • FIG. 7 shows an example of a current draw type current sensor.
  • the current sensor 100 includes a U-shaped conductor 102 provided on a substrate 101, GMR elements 103a and 103b provided at one end of the conductor 102, and GMR elements 103c and 103d provided at the other end. And
  • the four GMR elements 103a to 103d have their sensitivity axes aligned in the same direction (see the arrow in FIG. 7), and constitute a magnetic field detection bridge circuit.
  • induced magnetic fields applied from opposite directions are detected at one end and the other end of the U-shaped conductor 102 through the four GMR elements 103a to 103d.
  • the application direction of the induction magnetic field to the GMR elements 103a and 103b at one end of the conductor 102 and the GMR element at the other end The directions of application of the induction magnetic field to 103 c and 103 d need to be different from each other.
  • the conductor 102 is formed in a U-shape, and the current to be measured flows from one end of the conductor 102 to the other end, thereby guiding the GMR elements 103a and 103b.
  • the application direction of the magnetic field and the application direction of the induced magnetic field to the GMR elements 103c and 103d are controlled in opposite directions to each other.
  • the present invention has been made in view of such a point, and an object of the present invention is to provide a current sensor which can measure a measured current accurately over a wide range and which can be miniaturized.
  • the current sensor of the present invention comprises a substrate, a conductor provided on the substrate and extending in one direction, and a current to be measured juxtaposed between the substrate and the conductor and flowing through the conductor. And at least two magnetoresistive elements for outputting an output signal by an induced magnetic field, wherein the magnetoresistive element comprises a ferromagnetic fixed layer, a nonmagnetic intermediate layer, and an external magnetic field, the magnetization directions of which are fixed. It has a laminated structure including a free magnetic layer in which the magnetization direction changes, and the ferromagnetic pinned layer makes the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film antiferromagnetic through an antiparallel coupling film.
  • the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film are characterized in that the Curie temperatures are substantially the same and the difference between the magnetization amounts is substantially zero.
  • the magnetization direction of the ferromagnetic fixed layer of the magnetoresistive element can be fixed in any direction without using the exchange coupling magnetic field with the antiferromagnetic layer, so that a plurality of magnetoresistive effects can be formed on the substrate.
  • the magnetization directions of the ferromagnetic pinned layers of the respective magnetoresistive elements can be fixed in arbitrary directions. This makes it possible to measure the current to be measured even if a conductor extending in one direction is used, so the area of the substrate can be reduced, and the miniaturization of the current sensor and the reduction of the manufacturing cost are realized. can do.
  • the current to be measured flows through the conductor extending in one direction, the application direction of the induction magnetic field is aligned, so that the interference of the induction magnetic field from the current to be measured can be suppressed and the induced electromotive force to the disturbance magnetic field Can be suppressed.
  • the measurement accuracy and the measurement range of the current sensor can be improved. Therefore, the measured current can be accurately measured over a wide range, and a miniaturized current sensor can be realized.
  • At least two of the magnetoresistive effect elements in which the magnetization directions of the ferromagnetic fixed layer are fixed antiparallel to each other are configured to generate two voltage differences depending on the induced magnetic field. It is preferable to have a magnetic field detection bridge circuit having an output, and to measure the current to be measured by a voltage difference output from the magnetic field detection bridge circuit according to the induced magnetic field.
  • a magnetic field detection bridge circuit comprising: a pair of magnetoresistance effect elements whose magnetization direction is fixed, comprising two outputs generating a voltage difference according to the induction magnetic field, the magnetic field according to the induction magnetic field
  • the measured current is measured by a voltage difference output from the detection bridge circuit.
  • a current sensor which can measure a measured current with high accuracy over a wide range and which can be miniaturized.
  • the current sensor can be miniaturized by using a current draw type current sensor in which a conductor for flowing a current to be measured and a magnetoresistive element are stacked on a substrate.
  • the present inventors paid attention to a self-pinned type magnetoresistive effect element capable of fixing the magnetization direction of the ferromagnetic fixed layer without using the antiferromagnetic layer.
  • the self-pinned structure has a laminated structure including the ferromagnetic fixed layer 32, the nonmagnetic intermediate layer 36, and the free magnetic layer 37, as shown in FIG. Structure without an antiferromagnetic layer below.
  • the ferromagnetic pinned layer 32 includes a first ferromagnetic film 33, an antiparallel coupling film 34, and a second ferromagnetic film 35, and the second ferromagnetic film 35 has a nonmagnetic intermediate layer 36 and a surface. doing.
  • the inventors of the present invention use a self-pinned magnetoresistance effect element in a current draw-in type current sensor for drawing a measured current into a conductor on a substrate to measure the measured current in a conductor extending in one direction. It has been found that it is possible to measure the current to be measured even when Moreover, the inventors of the present invention can reduce the size of the substrate and can miniaturize the current sensor by using a conductor extending in one direction in the current drawing type current sensor. The inventors have found that interference can be reduced, measurement accuracy can be improved, and induced electromotive force to an external magnetic field can be suppressed, and the present invention has been completed.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of the current sensor 1 according to the present embodiment.
  • the current sensor 1 according to the present embodiment includes a substrate 11, four magnetoresistive elements 12 a to 12 d arranged in parallel on the substrate 11, and a magnetoresistive effect through an insulating layer. And a conductor 13 stacked on the elements 12a to 12d.
  • the conductor 13 is provided to extend in one direction substantially in the same direction as the direction in which the magnetoresistive effect elements 12a to 12d are juxtaposed, and electrode pads 13a and 13b for drawing a current to be measured from the outside are provided at both ends. It is provided.
  • the magnetoresistance effect elements 12a to 12d are provided to overlap the conductor 13 along the extending direction of the conductor 13.
  • the four magnetoresistance effect elements 12a to 12d have the magnetization directions of the second ferromagnetic film 35a (not shown in FIG. 1, see FIG. 3) of the pair of magnetoresistance effect elements 12a and 12c, and the pair of magnetoresistances. It is provided so that the magnetization direction of the second ferromagnetic film 35a (not shown in FIG. 1, see FIG. 3) of the effect elements 12b and 12d is antiparallel (direction different by 180 °).
  • the arrows attached to the magnetoresistive elements 12a to 12d indicate the magnetization direction of the second ferromagnetic film 35a (not shown in FIG. 1, see FIG. 3) of the magnetoresistive elements 12a to 12d. It represents.
  • the magnetoresistive effect elements 12a to 12d may be GMR elements having a shape (meander shape) in which a plurality of strip-like long patterns (stripes) arranged so that their longitudinal directions are parallel to one another are folded. preferable.
  • the current to be measured which is drawn from the outside through the electrode pads 13a and 13b and causes the conductor 13 to flow in one direction, includes four magnetoresistive elements 12a to 12d.
  • the current sensor 1 further includes a magnetic shield 14 (not shown in FIG. 1, see FIG. 2) stacked on the conductor 13 via the insulating layer.
  • the magnetic shield 14 relieves the external magnetic field received by the magnetoresistive effect elements 12a and 12b.
  • the current sensor 1 is not limited to the one including the magnetic field detection bridge circuit as long as a voltage substantially proportional to the induced magnetic field from the current to be measured can be obtained.
  • the power supply potential (Vdd) is applied to one terminal of each of magnetoresistance effect element 12b and magnetoresistance effect element 12c, and magnetoresistance effect element 12a and magnetoresistance effect element.
  • the ground potential (GND1, GND2) is given to one terminal of 12d.
  • the other terminals of the magnetoresistance effect element 12a and the magnetoresistance effect element 12b are respectively connected to form a first output (Out1)
  • the other terminals of the magnetoresistance effect element 12c and the magnetoresistance effect element 12c are They are respectively connected to form a second output (Out2).
  • the magnetoresistance effect elements 12a to 12d have the characteristic that the resistance value is changed by the application of the induction magnetic field H from the current to be measured I.
  • One output (Out1) and the second output (Out2) change.
  • the potential difference between the first output (Out1) and the second output (Out2) is substantially proportional to the induced magnetic field, and the potential difference (voltage) becomes the output of the current sensor 1.
  • the configuration of the bridge circuit is not limited to this.
  • a magnetic field detection bridge circuit may be configured by combining one magnetoresistance effect element and three fixed resistance elements, or a magnetic field detection bridge circuit may be configured by combining four magnetoresistance effect elements. .
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the current sensor 1 shown in FIG.
  • the magnetic field detection bridge circuit the magnetoresistive effect elements 12a to 12d
  • the conductor 13 the magnetic shield 14 are stacked on the same substrate 11 There is.
  • a thermal silicon oxide film 21 which is an insulating layer is formed on a substrate 11.
  • An aluminum oxide film 22 is formed on the thermal silicon oxide film 21.
  • the aluminum oxide film 22 can be formed, for example, by a method such as sputtering. Further, as the substrate 11, a silicon substrate or the like is used.
  • Magnetoresistance effect elements 12a to 12d are formed on aluminum oxide film 22, and a magnetic field detection bridge circuit is formed.
  • TMR elements tunnel type magnetoresistance effect elements
  • GMR elements giant magnetoresistance effect elements
  • an electrode 23 is formed on the aluminum oxide film 22.
  • the electrode 23 can be formed by photolithography and etching after depositing an electrode material. Further, an electrode pad 23 a is formed on the electrode 23.
  • a polyimide layer 24 is formed as an insulating layer on the aluminum oxide film 22 on which the magnetoresistive effect elements 12a to 12d and the electrode 23 are formed.
  • the polyimide layer 24 can be formed by applying and curing a polyimide material.
  • a conductor 13 is formed on the polyimide layer 24 to flow the current to be measured.
  • the conductor 13 can be formed by photolithography and plating after the base material is deposited by sputtering or the like.
  • a magnetic shield 14 is provided on the conductor 13 via a polyimide layer 25 as an insulating layer.
  • a high magnetic permeability material such as an amorphous magnetic material, a permalloy magnetic material, or an iron-based microcrystalline material can be used.
  • the magnetic shield absorbs the disturbance magnetic field to the magnetoresistance effect elements 12a to 12d.
  • a silicon oxide film 26 is formed on the magnetic shield 14. The silicon oxide film 26 can be formed, for example, by a method such as sputtering.
  • a contact hole 27 is formed in a predetermined region (region of the electrode 23) of the polyimide layer 25 and the silicon oxide film 26, and an electrode pad 23a is formed in the contact hole 27.
  • photolithography, etching and the like are used for the formation of the contact holes 27.
  • the electrode pad 23a can be formed by photolithography and plating after depositing an electrode material.
  • the induction magnetic field A generated from the current to be measured I is detected by the magnetoresistance effect elements 12a to 12d.
  • the current sensor 1 having the above configuration uses a magnetic field detection bridge circuit having a magnetoresistive element, in particular, a GMR element or a TMR element, as a magnetic detection element. Thereby, a highly sensitive current sensor 1 can be realized.
  • the current detection sensor 1 includes the magnetic detection bridge circuit composed of the same four magnetoresistance effect elements 12a to 12d having the same film configuration, the zero magnetic field resistance value (R 0 ) between elements and the temperature coefficient of resistance (TCR) 0 ) can be eliminated. For this reason, the variation of the midpoint potential can be reduced regardless of the environmental temperature, and current measurement can be performed with high accuracy.
  • the current sensor 1 having the above configuration can be miniaturized because the conductor 13, the magnetic shield 14, and the magnetic field detection bridge circuit (the magnetoresistive effect elements 12a to 12d) are formed on the same substrate. . Furthermore, since the current sensor 1 does not have a magnetic core, the size and cost can be reduced.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the laminated structure of the magnetoresistance effect elements 12a to 12d of the current sensor 1 according to the present embodiment.
  • the magnetoresistive effect element 12 a is stacked on the aluminum oxide film 22.
  • the magnetoresistive effect element 12a includes the seed layer 31a, the ferromagnetic fixed layer 32a (the first ferromagnetic film 33a, the antiparallel coupling film 34a, and the second ferromagnetic film 35a), the nonmagnetic intermediate layer 36a, and the free magnetic layer.
  • a structure 37a and a protective layer 38a are stacked in this order.
  • FIG. 3 shows the laminated structure of the magnetoresistance effect element 12a, the magnetoresistance effect elements 12b to 12d also have the same laminated structure.
  • the seed layer 31a is made of NiFeCr, Cr or the like.
  • the protective layer 38a is made of Ta or the like.
  • a nonmagnetic material such as at least one of Ta, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, W, etc. is formed between the aluminum oxide film 22 and the seed layer 31a.
  • An underlayer may be provided.
  • the first ferromagnetic film 33a and the second ferromagnetic film 35a are antiferromagnetically coupled via the antiparallel coupling film 34a, and a so-called self-pinned strong type A magnetic fixed layer 32 a (SFP: Synthetic Ferri Pinned layer) is configured.
  • SFP Synthetic Ferri Pinned layer
  • Annealing in a magnetic field for fixing the magnetization direction of the layer 32a is unnecessary, and the induced magnetic anisotropy in the stripe longitudinal direction D1 applied during the formation of the free magnetic layer 37a can be maintained. This makes it possible to reduce the hysteresis in the direction to be detected.
  • the magnetization directions of the first ferromagnetic film 33a and the second ferromagnetic film 35a constituting the ferromagnetic pinned layer 32a may be the same or may be mutually offset.
  • the thickness of the antiparallel coupling film 34a is set to 0.3 nm to 0.45 nm or 0.75 nm to 0.95 nm to form the first ferromagnetic film 33a and the second ferromagnetic film 33a. Strong antiferromagnetic coupling can be provided with the ferromagnetic film 35a.
  • the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the first ferromagnetic film 33a and the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the second ferromagnetic film 35a are substantially the same. That is, the difference in the amount of magnetization between the first ferromagnetic film 33a and the second ferromagnetic film 35a is substantially zero. For this reason, the effective anisotropic magnetic field of the ferromagnetic fixed layer 32a is large. Therefore, the magnetization stability of the ferromagnetic pinned layer 32a can be sufficiently secured without using an antiferromagnetic material.
  • the magnetoresistive effect elements 12a to 12d used for the current sensor 1 have a film configuration not having an antiferromagnetic layer.
  • Formula (1) eff Hk 2 (K ⁇ t 1 + K ⁇ t 2 ) / (Ms ⁇ t 1 ⁇ Ms ⁇ t 2 )
  • the Curie temperature (Tc) of the first ferromagnetic film 33a and the Curie temperature (Tc) of the second ferromagnetic film 35a are substantially the same.
  • the difference in the amount of magnetization (Ms ⁇ t) of the first ferromagnetic film 33a and the second ferromagnetism 35a becomes substantially zero even in a high temperature environment, and high magnetization stability can be maintained.
  • the first ferromagnetic film 33a is preferably made of a CoFe alloy containing 40 at% to 80 at% of Fe. This is because the CoFe alloy in this composition range has a large coercive force and can stably maintain the magnetization against an external magnetic field.
  • the second ferromagnetic film 35 is preferably made of a CoFe alloy containing 0 atomic% to 40 atomic% of Fe. This is because the CoFe alloy in this composition range has a small coercive force, and it becomes easy to magnetize in the antiparallel direction (direction different by 180 °) with respect to the direction in which the first ferromagnetic film 33a is preferentially magnetized. is there. As a result, it becomes possible to make Hk shown by the said relational expression (1) larger. Further, by limiting the second ferromagnetic film 35 to this composition range, the rate of change in resistance of the magnetoresistive effect element 12a can be increased.
  • first ferromagnetic film 33a and the second ferromagnetic film 35a a magnetic field is applied in the stripe width direction of the meander shape, and the first ferromagnetic film 33a and the second strong film after the formation are formed. It is preferable that induced magnetic anisotropy be imparted to the magnetic film 35a. As a result, the first ferromagnetic film 33a and the second ferromagnetic film 35a are magnetized antiparallel to the stripe width direction.
  • the magnetization directions (the directions for fixing the magnetization) of the first ferromagnetic film 33a and the second ferromagnetic film 35a are determined by the magnetic field application direction at the time of forming the first ferromagnetic film 33a, the first By changing the magnetic field application direction at the time of forming the ferromagnetic film 33a, it is possible to form a plurality of magnetoresistance effect elements having ferromagnetic fixed layers different in magnetization direction on the same substrate.
  • the antiparallel coupling film 34a of the ferromagnetic fixed layer 32a is made of Ru or the like.
  • the free magnetic layer (free layer) 37a is made of a magnetic material such as a CoFe alloy, a NiFe alloy, or a CoFeNi alloy.
  • the nonmagnetic intermediate layer 36a is made of Cu or the like.
  • the free magnetic layer 37a is applied with a magnetic field in the stripe longitudinal direction D1 during film formation, and induction magnetic anisotropy is imparted to the free magnetic layer 37a after film formation.
  • the resistance changes linearly with respect to the external magnetic field (the magnetic field from the current to be measured) in the stripe width direction orthogonal to the stripe longitudinal direction D1, and the hysteresis can be reduced.
  • a spin valve configuration is adopted by the ferromagnetic fixed layer 30a, the nonmagnetic intermediate layer 36a and the free magnetic layer 37a.
  • Examples of the membrane structure of the magnetoresistive element 12a used in the current sensor 1 according to the present embodiment for example, NiFeCr (seed layer 31a: 5nm) / Fe 70 Co 30 ( first ferromagnetic film 33a: 1. 65 nm) / Ru (antiparallel coupling film 34 a: 0.4 nm) / Co 90 Fe 10 (second ferromagnetic film 35 a: 2 nm) / Cu (nonmagnetic intermediate layer 36 a: 2.2 nm) / Co 90 Fe 10 ( The free magnetic layer 37 a: 1 nm) / Ni 81 Fe 19 (free magnetic layer 37 a: 7 nm) / Ta (protective layer 38 a: 5 nm).
  • the inventors examined the linearity between the magnitude of the current to be measured in the current sensor 1 according to the present embodiment and the output signal from the magnetic field detection bridge circuit.
  • the results are shown in FIG.
  • the results are shown in FIG.
  • the horizontal axis represents the magnitude of the current to be measured
  • the vertical axis represents the magnitude of the output signal output from the magnetic field detection bridge circuit according to the magnitude of the current to be measured.
  • the output signal of the current sensor 1 according to the present embodiment is indicated by a solid line
  • the output signal of the current sensor 100 according to the comparative example is indicated by a dotted line.
  • the film thickness is 3 ⁇ m
  • the length in the short direction L1 is 130 ⁇ m
  • the length in the longitudinal direction L2 is 1000 ⁇ m
  • the distance between the conductor 13 and the magnetoresistance effect elements 12a to 12d is 1 ⁇ m.
  • Cu is used as the conductor 102
  • the film thickness is 3 ⁇ m
  • the distance L3 between one end and the other end is 300 ⁇ m
  • the width L4 of one end and the other end Is 130 ⁇ m
  • the length in the longitudinal direction L5 is 1000 ⁇ m.
  • the distance between the conductor 102 and the GMR elements 103a to 103d is 1 ⁇ m.
  • the linearity between the magnitude of the current to be measured and the magnetic field detection bridge circuit is improved.
  • good linearity can be obtained in the range of -0.4 A to +0.4 of the measured current.
  • the output linearity between the current to be measured and the output signal is reduced. I understand.
  • the first ferromagnetic film 33a and the second ferromagnetic film 35a are opposed to each other on the aluminum oxide film 22 via the antiparallel coupling film 34a.
  • a second magnetoresistive effect element 12a having a self-pinned ferromagnetic fixed layer 32a ferromagnetically coupled, a nonmagnetic intermediate layer 36a, and a free magnetic layer 37a and having a sensitivity axis direction in a specific direction (1) Forming a laminated film (first forming step), removing the first laminated film from the aluminum oxide film 22 in a region other than the region where the first laminated film is to be left (removing step), and removing the first laminated film A self-pinned ferromagnetic fixed layer 32b formed by anti-ferromagnetically coupling a first ferromagnetic film 33b and a second ferromagnetic film 35b via an antiparallel coupling film 34b on the oxide film 22 , Nonmagnetic intermediate layer 36b, And a Li magnetic layer 37b, to form a second laminated film of the magnetoresistive element 12b having a sensitivity axis direction to the specific direction antiparallel to the direction (second forming step).
  • the magnetoresistive effect elements 12a and 12b having different magnetization directions of the ferromagnetic fixed layers 32a and 32b can be provided closely on the same substrate 11. Further, by repeatedly performing the removing step and the second forming step, a plurality of magnetoresistive effect elements 12a to 12d having different magnetization directions of the ferromagnetic fixed layers 32a to 32d may be provided closely on the same substrate 11. it can.
  • 5 (a) to 5 (c) and 6 (a) to 6 (c) are explanatory views of a method of manufacturing the magnetoresistance effect elements 12a to 12d in the current sensor 1 according to the present embodiment.
  • the magnetoresistive effect elements 12b and 12d are formed.
  • the seed layer 31, the first ferromagnetic film 33, the antiparallel coupling film 34, the second ferromagnetic film 35, and the nonmagnetic intermediate layer 36 are formed on the aluminum oxide film 22.
  • the free magnetic layer 37 and the protective layer 38 are sequentially formed.
  • a magnetic field is applied in the stripe width direction of the meander shape.
  • the direction of the applied magnetic field is the direction from the back side to the front side in the drawing
  • the second ferromagnetic film 35 (Pin 2)
  • the direction of the applied magnetic field is the direction from the near side to the far side of the drawing sheet.
  • a resist layer 40 is formed on the protective layer 38, and the resist layer 40 is left on the regions of the magnetoresistance effect elements 12a and 12c by photolithography and etching.
  • the exposed laminated film is removed by ion milling or the like to expose the aluminum oxide film 22 in the region where the magnetoresistive effect elements 12b and 12d are provided.
  • the seed layer 31 the first ferromagnetic film 33, the antiparallel coupling film 34, the second on the exposed aluminum oxide film 22.
  • the ferromagnetic film 35, the nonmagnetic intermediate layer 36, the free magnetic layer 37, and the protective layer 38 are sequentially formed.
  • a magnetic field is applied in the stripe width direction of the meander shape.
  • the direction of the applied magnetic field is the direction from the front side to the side of the drawing, and the second ferromagnetic film 35 (Pin 2)
  • the applied magnetic field direction is a direction from the back side to the front side in the drawing.
  • a magnetic field is applied in the longitudinal direction of the meander stripe.
  • a resist layer 40 is formed on the protective layer 38, and the resist layer 40 is formed on the formation regions of the magnetoresistive effect elements 12a, 12b, 12c and 12d by photolithography and etching. Remain.
  • the exposed laminated film is removed by ion milling or the like to form the magnetoresistance effect elements 12a, 12b, 12c and 12d in the arrangement as shown in FIG.
  • the current sensor according to the above embodiment includes the self-pinned type magnetoresistive effect element, so that the magnetization direction of the ferromagnetic fixed layer can be set to any direction without providing the antiferromagnetic layer. Since it can be fixed, even when four magnetoresistive elements are juxtaposed on the substrate, the magnetization direction of the ferromagnetic pinned layer of each magnetoresistive element can be fixed in any direction. This makes it possible to measure the current to be measured even if a conductor extending in one direction is used, so the area of the substrate can be reduced, and the miniaturization of the current sensor and the reduction of the manufacturing cost are realized. can do.
  • the current to be measured flows through the conductor extending in one direction, the interference of the induction magnetic field from the current to be measured can be suppressed, and the induction to the disturbance magnetic field can be suppressed. Generation of electromotive force can be suppressed. Thereby, the measurement accuracy and the measurement range of the current sensor can be improved.
  • the conductor extending in one direction since the conductor extending in one direction is used, the application direction of the induction magnetic field from the current to be measured can be made uniform, so the interference of the induction magnetic field is reduced. It becomes possible. Further, since the generation of the induced electromotive force to the disturbance magnetic field can be suppressed, the influence of the disturbance magnetic field can be reduced. From these, it is possible to improve the measurement accuracy and the measurement range of the current to be measured.
  • the resistance of the conductor can be reduced as compared with the case where the conductor having a curved shape is used. It is possible to suppress the current loss and the heat generation due to the flow of the current to be measured.
  • the magnetoresistive element of the self-pinned type since the magnetoresistive element of the self-pinned type is used, the magnetoresistive element can be configured without using the antiferromagnetic material.
  • the stability of the operation of the current sensor 1 can be ensured even in a high temperature environment, and the magnetic field detection bridge circuit can be configured without using a fixed resistance element, so that the offset can be reduced.
  • the material cost can be reduced by not using the antiferromagnetic material and the annealing process in the magnetic field is not necessary, the manufacturing cost can be reduced.
  • the magnetic detection bridge circuit is formed of the same four magnetoresistive elements having the same film configuration, the zero magnetic field resistance value (R 0 ) between elements and the temperature coefficient of resistance Deviation of (TCR 0 ) can be eliminated. For this reason, the variation of the midpoint potential can be reduced regardless of the environmental temperature, and current measurement can be performed with high accuracy. Further, in the current sensor according to the present embodiment, since the magnetoresistive effect element does not contain the antiferromagnetic material, the material cost and the manufacturing cost can also be suppressed.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications.
  • the materials in the above-described embodiment, the connection relationship between elements, the thickness, the size, the manufacturing method, and the like can be appropriately changed and implemented.
  • the shape of the conductor is a shape that allows the current to be measured to flow in one direction. If it is, it is not limited to a rectangular shape and can be changed appropriately. For example, one having a curved shape may be used as long as the effects of the present invention can be obtained.
  • the present invention can be implemented with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention.
  • the present invention has the effect that the measured current can be measured accurately over a wide range and can be miniaturized, and in particular, detects the magnitude of the current for driving various current sensors and motors of electric vehicles. It is possible to apply to a current sensor.

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Abstract

　広範囲に亘って精度よく被測定電流を測定でき、しかも小型化可能な電流センサを提供すること。本発明の電流センサ（１）は、基板（１１）と、基板（１１）上に設けられ一方向に延在する導電体（１３）と、基板（１１）と導電体（１３）との間に設けられ導電体（１３）を通流する被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する磁気抵抗効果素子（１２ａ～１２ｄ）とを具備し、磁気抵抗効果素子（１２ａ～１２ｄ）は、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、及び外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層を含む積層構造を有し、強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする。

Description

電流センサ
　本発明は、電流の大きさを測定する電流センサに関し、例えば、磁気抵抗効果素子（ＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子）を備えた電流センサに関する。
　従来、電気自動車やハイブリッドカーにおけるモータ駆動技術などの分野では、モータの駆動電流を非接触で測定することが可能な電流センサが求められている。このような電流センサとして、被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する磁気抵抗効果素子が用いたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　特許文献１記載の電流センサは、磁気抵抗効果素子としてＧＭＲ素子を備える。ＧＭＲ素子は、反強磁性層、強磁性固定層、非磁性材料層及びフリー磁性層を基本的な膜構成としている。強磁性固定層は、反強磁性層上に接触形成されており、反強磁性層との間で生じる交換結合磁界（Ｈｅｘ）により磁化方向が一方向に固定されている。フリー磁性層は、強磁性固定層との間で非磁性材料層（非磁性中間層）を挟んで積層され、外部磁界により磁化方向が変化する。ＧＭＲ素子を備えた電流センサにおいては、被測定電流からの誘導磁界の印加によって変化するフリー磁性層の磁化方向と、強磁性固定層の磁化方向との関係で変動するＧＭＲ素子の電気抵抗値により被測定電流の電流値を検出する。
特開平１１－１９１６４７号公報
　近年、電流センサの更なる小型化及び測定精度の向上が求められている。電流センサの小型化のため、基材上に設けた導電体パターンに被測定電流を引き込んで被測定電流を測定する電流引き込み型の電流センサが検討されている。
　図７に電流引き込み型の電流センサの一例を示す。かかる電流センサ１００は、基板１０１上に設けられたＵ字形状の導電体１０２と、この導電体１０２の一端部に設けられるＧＭＲ素子１０３ａ、１０３ｂ、及び他端部に設けられるＧＭＲ素子１０３ｃ、１０３ｄとを備える。４つのＧＭＲ素子１０３ａ～１０３ｄは、感度軸方向が同一方向（図７の矢印参照）に揃えられており、磁界検出ブリッジ回路を構成している。この電流センサにおいては、Ｕ字形状の導電体１０２の一端部及び他端部において、互いに逆方向から印加される誘導磁界を４つのＧＭＲ素子１０３ａ～１０３ｄを介して検出する。
　電流引き込み型電流センサ１００においては、磁界検出ブリッジ回路を介して被測定電流を測定するため、導電体１０２の一端部のＧＭＲ素子１０３ａ、１０３ｂに対する誘導磁界の印加方向と、他端部のＧＭＲ素子１０３ｃ、１０３ｄに対する誘導磁界の印加方向と、を互いに異なる方向にする必要がある。このため、上記電流引き込み型電流センサ１００においては、導電体１０２をＵ字形状とし、導電体１０２の一端部から他端部に被測定電流を通流することにより、ＧＭＲ素子１０３ａ、１０３ｂに対する誘導磁界の印加方向と、ＧＭＲ素子１０３ｃ、１０３ｄに対する誘導磁界の印加方向と、を互いに逆方向に制御している。
　しかしながら、上記電流引き込み型の電流センサ１００においては、導電体１０２をＵ字形状に形成する必要があることから、電流センサ１００の小型化が制限される問題がある。また、Ｕ字形状に湾曲した導電体パターン１０２に被測定電流を通流するため、異なる方向から誘導磁界が生じるので、誘導磁界に干渉が生じて測定精度が低下する問題があった。
　本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、広範囲に亘って精度よく被測定電流を測定でき、しかも小型化可能な電流センサを提供することを目的とする。
　本発明の電流センサは、基板と、前記基板上に設けられ一方向に延在する導電体と、前記基板と前記導電体との間に並設され前記導電体を通流する被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する少なくとも２つの磁気抵抗効果素子とを具備し、前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、及び外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層を含む積層構造を有し、前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする。
　この構成によれば、反強磁性層との間の交換結合磁界を用いることなく磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向を任意の方向に固定できるので、基板上に複数の磁気抵抗効果素子を並設した場合であっても、各磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向をそれぞれ任意の方向に固定することができる。これにより、一方向に延在する導電体を用いても被測定電流を測定することが可能となるので、基板の面積を削減することができ、電流センサの小型化及び製造コストの削減を実現することができる。また、一方向に延在する導電体に被測定電流を通流することから、誘導磁界の印加方向が揃うので、被測定電流からの誘導磁界の干渉を抑制できると共に、外乱磁界に対する誘導起電力の発生を抑制することができる。これにより、電流センサの測定精度及び測定範囲を向上できる。したがって、広範囲に亘って精度よく被測定電流を測定でき、小型化可能な電流センサを実現することができる。
　本発明の電流センサにおいては、前記強磁性固定層の磁化方向が互いに反平行に固定された少なくとも２つの前記磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被測定電流を測定することが好ましい。
　本発明の電流センサにおいては、前記強磁性固定層の磁化方向が互いに逆方向に固定された一対の磁気抵抗効果素子と、前記一対の磁気抵抗効果素子とは逆方向に前記強磁性固定層の磁化方向が固定された一対の磁気抵抗効果素子とを含んで構成され、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被測定電流を測定することが好ましい。
　本発明によれば、広範囲に亘って精度よく被測定電流を測定でき、しかも小型化可能な電流センサを提供することができる。
本発明の実施の形態に係る電流センサの平面模式図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサの断面模式図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサの磁気抵抗効果素子の積層構造を示す断面模式図である。 本発明の実施例に係る電流センサ及び比較例に係る電流センサの被測定電流と出力信号との関係を示す図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサの製造方法の説明図である。 本発明の実施の形態に係る電流センサの製造方法の説明図である。 電流引き込み型の電流センサの一例を示す図である。
　電流センサにおいては、更なる小型化、測定精度及び測定範囲の向上が求められている。電流センサにおいては、基板上に被測定電流を通流する導電体と、磁気抵抗効果素子とを積層する電流引き込み型の電流センサとすることにより小型化が可能となる。
　一方で、電流引き込み型の電流センサにおいて、反強磁性層との間の交換結合磁界により、固定磁性層の磁化方向を固定する磁気抵抗効果素子を用いる場合においては、その製造工程において磁場中の熱処理（アニール処理）をする必要がある。このため、基材上に複数の磁気抵抗効果素子を設ける場合には、各磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が同一方向に揃うこととなる。電流引き込み型の電流センサにおいて、磁化方向が同一方向に揃った複数の磁気抵抗効果素子によって構成されたブリッジ回路により被測定電流を測定する場合には、導電体を湾曲させて各磁気抵抗効果素子に異なる方向から誘導磁界を印加する必要がある。
　本発明者らは、反強磁性層を用いずに強磁性固定層の磁化方向を固定できるセルフピン止め型の磁気抵抗効果素子に着目した。ここで、セルフピン止め型の構造とは、図５に示すように、強磁性固定層３２と、非磁性中間層３６と、フリー磁性層３７とを含む積層構造を有し、強磁性固定層３２の下に反強磁性層を持たない構造をいう。強磁性固定層３２は、第１の強磁性膜３３と、反平行結合膜３４と、第２の強磁性膜３５とを含み、第２の強磁性膜３５が、非磁性中間層３６と面している。セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子を電流引き込み型の電流センサに用いることにより、基板上に設ける複数の磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向を任意の方向に固定することが可能となる。
　本発明者らは、被測定電流を基板上の導電体に引き込む電流引き込み型の電流センサにおいて、セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子を用いることにより、一方向に延在する導電体に被測定電流を通流する場合においても、被測定電流を測定することが可能となることを見出した。また、本発明者らは、電流引き込み型の電流センサにおいて、一方向に延在する導電体を用いることにより、基板の大きさを低減でき電流センサの小型化が可能となること、誘導磁界の干渉を低減でき測定精度を向上できること、及び外部磁界に対する誘導起電力を抑制できることなどを見出し、本発明を完成するに至った。
　以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本実施の形態に係る電流センサ１の平面模式図である。図１に示すように、本実施の形態に係る電流センサ１は、基板１１と、この基板１１上に並設される４つの磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄと、絶縁層を介して磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄ上に積層される導電体１３とを備える。導電体１３は、磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄの並設方向と略同一方向において一方向に延在するように設けられており、両端部に外部から被測定電流を引き込む電極パッド１３ａ、１３ｂが設けられている。
　磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄは、導電体１３の延在方向に沿って導電体１３と重畳するように設けられる。また、４つの磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄは、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｃの第２の強磁性膜３５ａ（図１において不図示、図３参照）の磁化方向と、一対の磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｄの第２の強磁性膜３５ａ（図１において不図示、図３参照）の磁化方向とが反平行（１８０°異なる方向）となるように設けられる。なお、図１において、磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄに付された矢印は、磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄの第２の強磁性膜３５ａ（図１において不図示、図３参照）の磁化方向を表している。
　磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄとしては、その長手方向が互いに平行になるように配置された複数の帯状の長尺パターン（ストライプ）が折り返してなる形状（ミアンダ形状）を有するＧＭＲ素子であることが好ましい。
　本実施の形態に係る電流センサ１においては、電極パッド１３ａ、１３ｂを介して外部から引き込まれ導電体１３を一方向に通流する被測定電流を４つの磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄを含んでなる磁界検出ブリッジ回路により測定する。
　また、電流センサ１は、絶縁層を介して導電体１３上に積層される磁気シールド１４（図１において不図示、図２参照）を備える。磁気シールド１４は、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが受ける外部磁界を緩和する。なお、電流センサ１は、被測定電流からの誘導磁界に略比例する電圧が得られるものであれば、磁界検出ブリッジ回路を含むものに限定されない。
　次に、図１に示す電流センサ１の接続について説明する。図１に示される磁界検出ブリッジ回路において、磁気抵抗効果素子１２ｂと磁気抵抗効果素子１２ｃの一方の端子にはそれぞれ電源電位（Ｖｄｄ）が与えられており、磁気抵抗効果素子１２ａと磁気抵抗効果素子１２ｄの一方の端子にはそれぞれ接地電位（ＧＮＤ１、ＧＮＤ２）が与えられている。また、磁気抵抗効果素子１２ａと磁気抵抗効果素子１２ｂの他方の端子がそれぞれ接続されて第一の出力（Ｏｕｔ１）となっており、磁気抵抗効果素子１２ｃと磁気抵抗効果素子１２ｃの他方の端子がそれぞれ接続されて第二の出力（Ｏｕｔ２）となっている。
　磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄは、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈが印加されることで抵抗値が変化するという特性を備えているため、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈに応じて第一の出力（Ｏｕｔ１）と第二の出力（Ｏｕｔ２）が変化する。第一の出力（Ｏｕｔ１）と第二の出力（Ｏｕｔ２）の電位差は誘導磁界に略比例し、当該電位差（電圧）が電流センサ１の出力となる。なお、ブリッジ回路の構成はこれに限定されない。例えば、１つの磁気抵抗効果素子と、３つの固定抵抗素子とを組み合わせて磁界検出ブリッジ回路を構成してもよいし、４つの磁気抵抗効果素子を組み合わせて磁界検出ブリッジ回路を構成してもよい。
　図２は、図１に示す電流センサ１の断面模式図である。図２に示すように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、磁界検出ブリッジ回路（磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄ）、導電体１３、及び磁気シールド１４が同一基板１１上に積層されている。
　次に、電流センサ１の積層構造について詳細に説明する。図２に示す電流センサ１においては、基板１１上に絶縁層である熱シリコン酸化膜２１が形成されている。熱シリコン酸化膜２１上には、アルミニウム酸化膜２２が形成されている。アルミニウム酸化膜２２は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。また、基板１１としては、シリコン基板などが用いられる。
　アルミニウム酸化膜２２上には、磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄが形成されており、磁界検出ブリッジ回路が形成される。磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄとしては、ＴＭＲ素子（トンネル型磁気抵抗効果素子）、ＧＭＲ素子（巨大磁気抵抗効果素子）などを用いることができる。
　また、アルミニウム酸化膜２２上には、電極２３が形成されている。電極２３は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びエッチングにより形成することができる。また、電極２３上には、電極パッド２３ａが形成される。
　磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄ及び電極２３を形成したアルミニウム酸化膜２２上には、絶縁層としてポリイミド層２４が形成される。ポリイミド層２４は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成できる。
　ポリイミド層２４上には、被測定電流を通流する導電体１３が形成される。導電体１３は、下地材料をスパッタリング法などにより成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
　導電体１３上には、絶縁層としてのポリイミド層２５を介して磁気シールド１４が設けられる。磁気シールド１４を構成する材料としては、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、又は鉄系微結晶材料等の高透磁率材料を用いることができる。磁気シールド１４は、磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄへの外乱磁界を吸収する。磁気シールド１４上には、シリコン酸化膜２６が形成されている。シリコン酸化膜２６は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。
　ポリイミド層２５及びシリコン酸化膜２６の所定の領域（電極２３の領域）にコンタクトホール２７が形成され、そのコンタクトホール２７に電極パッド２３ａが形成されている。コンタクトホール２７の形成には、フォトリソグラフィ及びエッチングなどが用いられる。電極パッド２３ａは、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
　このような構成を有する電流センサにおいては、図２に示すように、被測定電流Ｉから発生した誘導磁界Ａを磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄにより検出する。
　上記構成を有する電流センサ１は、磁気検出素子として磁気抵抗効果素子、特にＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を有する磁界検出ブリッジ回路を用いる。これにより、高感度の電流センサ１を実現することができる。また、この電流センサ１は、磁気検出ブリッジ回路が膜構成の同じ４つの磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄで構成されているので、素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）や抵抗温度係数（ＴＣＲ０）のズレを無くすことができる。このため、環境温度によらず中点電位のばらつきを小さくでき、高精度に電流測定を行うことができる。また、上記構成を有する電流センサ１は、導電体１３、磁気シールド１４及び磁界検出ブリッジ回路（磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄ）が同一基板上に形成されてなるので、小型化を図ることができる。さらに、この電流センサ１は、磁気コアを有しない構成であるので、小型化、低コスト化を図ることができる。
　次に、図３を参照して本実施の形態に係る電流センサ１の積層構造について説明する。図３は、本実施の形態に係る電流センサ１の磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄの積層構造を示す断面模式図である。
　図３に示すように、磁気抵抗効果素子１２ａは、アルミニウム酸化膜２２上に積層される。磁気抵抗効果素子１２ａは、シード層３１ａ、強磁性固定層３２ａ（第１の強磁性膜３３ａ、反平行結合膜３４ａ、及び第２の強磁性膜３５ａ）、非磁性中間層３６ａ、フリー磁性層３７ａ、及び保護層３８ａがこの順に積層されて構成される。なお、図３においては、磁気抵抗効果素子１２ａの積層構造を示しているが、磁気抵抗効果素子１２ｂ～１２ｄも同様の積層構造を有する。
　シード層３１ａは、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層３８ａは、Ｔａなどで構成される。なお、上記積層構造において、アルミニウム酸化膜２２とシード層３１ａとの間に、例えば、Ｔａ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｍｏ，Ｗのうち少なくとも１つの元素などの非磁性材料で構成される下地層を設けてもよい。
　この磁気抵抗効果素子１２ａにおいては、反平行結合膜３４ａを介して第１の強磁性膜３３ａと第２の強磁性膜３５ａとを反強磁性的に結合させており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層３２ａ（ＳＦＰ：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ　Ｆｅｒｒｉ　Ｐｉｎｎｅｄ層）が構成されている。このように、セルフピン止め型の（Ｂｏｔｔｏｍ－Ｓｐｉｎ－Ｖａｌｕｅ）の磁気抵抗効果素子１２ａを構成することにより、磁気抵抗効果素子１２ａの製造工程において、従来の磁気抵抗効果素子において必須である強磁性固定層３２ａの磁化方向の固定のための磁場中アニールが不要となり、フリー磁性層３７ａ成膜中に付与したストライプ長手方向Ｄ１における誘導磁気異方性を保持できる。これにより、検出対象方向に対してヒステリシスを低減することが可能となる。なお、上記の強磁性固定層３２ａを構成する第１の強磁性膜３３ａ及び第２の強磁性膜３５ａは、その磁化方向が同一であってもよく、互いに相殺するものであってもよい。
　この強磁性固定層３２ａにおいて、反平行結合膜３４ａの厚さを０．３ｎｍ～０．４５ｎｍ、もしくは、０．７５ｎｍ～０．９５ｎｍにすることにより、第１の強磁性膜３３ａと第２の強磁性膜３５ａとの間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
　第１の強磁性膜３３ａの磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜３５ａの磁化量（Ｍｓ・ｔ）とは実質的に同じである。すなわち、第１の強磁性膜３３ａと第２の強磁性膜３５ａとの間で磁化量の差が実質的にゼロである。このため、強磁性固定層３２ａの実効的な異方性磁界が大きい。したがって、反強磁性材料を用いなくても、強磁性固定層３２ａの磁化安定性を十分に確保できる。これは、第１の強磁性膜３３ａの膜厚をｔ１とし、第２の強磁性膜３５ａの膜厚をｔ２とし、両層の単位体積あたりの磁化及び誘導磁気異方性定数をそれぞれＭｓ,Ｋとすると、ＳＦＰ層の実効的な異方性磁界が下記関係式（１）で示されるためである。したがって、本実施の形態に係る電流センサ１に用いる磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄは、反強磁性層を有しない膜構成を有する。
　式（１）
　ｅｆｆ　Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１－Ｍｓ・ｔ２）
　第１の強磁性膜３３ａのキュリー温度（Ｔｃ）と第２の強磁性膜３５ａのキュリー温度（Ｔｃ）とは、略同一である。これにより、高温環境においても第１の強磁性膜３３ａ、第２の強磁性３５ａの磁化量（Ｍｓ・ｔ）差が略ゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
　第１の強磁性膜３３ａは、４０原子％～８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が、大きな保磁力を有し、外部磁場に対して磁化を安定に維持できるからである。また、第２の強磁性膜３５は、０原子％～４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることが好ましい。これは、この組成範囲のＣｏＦｅ合金が小さな保磁力を有し、第１の強磁性膜３３ａが優先的に磁化する方向に対して反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化し易くなるためである。この結果、上記関係式（１）で示すＨｋをより大きくすることが可能となる。また、第２の強磁性膜３５をこの組成範囲に限定することで、磁気抵抗効果素子１２ａの抵抗変化率を大きくすることができる。
　第１の強磁性膜３３ａ及び第２の強磁性膜３５ａは、その成膜中にミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場が印加され、成膜後の第１の強磁性膜３３ａ及び第２の強磁性膜３５ａに誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、第１の強磁性膜３３ａ及び第２の強磁性膜３５ａ、はストライプ幅方向に反平行に磁化することになる。また、第１の強磁性膜３３ａ及び第２の強磁性膜３５ａの磁化方向（磁化を固定する方向）は、第１の強磁性膜３３ａの成膜時の磁場印加方向で決まるため、第１の強磁性膜３３ａの成膜時の磁場印加方向を変えることにより、同一基板上に磁化方向が異なる強磁性固定層を持つ複数の磁気抵抗効果素子を形成することが可能である。
　強磁性固定層３２ａの反平行結合膜３４ａは、Ｒｕなどにより構成される。また、フリー磁性層（フリー層）３７ａは、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で構成される。また、非磁性中間層３６ａは、Ｃｕなどにより構成される。また、フリー磁性層３７ａは、その成膜中にストライプ長手方向Ｄ１に磁場が印加され、成膜後のフリー磁性層３７ａには誘導磁気異方性が付与されることが好ましい。これにより、磁気抵抗効果素子１２ａにおいては、ストライプ長手方向Ｄ１に直交するストライプ幅方向の外部磁場（被測定電流からの磁場）に対して線形的に抵抗変化し、ヒステリシスを小さくすることができる。このような磁気抵抗効果素子においては、強磁性固定層３０ａ、非磁性中間層３６ａ及びフリー磁性層３７ａにより、スピンバルブ構成を採っている。
　本実施の形態に係る電流センサ１で用いる磁気抵抗効果素子１２ａの膜構成の例としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ（シード層３１ａ：５ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜３３ａ：１．６５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜３４ａ：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜３５ａ：２ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層３６ａ：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（フリー磁性層３７ａ：１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（フリー磁性層３７ａ：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層３８ａ：５ｎｍ）である。
　ここで、本発明者らは、本実施の形態に係る電流センサ１における被測定電流の大きさと、磁界検出ブリッジ回路からの出力信号との間の線形性について調べた。その結果を図４に示す。また、比較例として、図７に示すＵ字形状の導電体１０２を備えた比較例に係る電流センサ１００における被測定電流の大きさと、磁界検出ブリッジ回路からの出力信号との間の線形性について調べた。その結果を図４に併記する。なお、図４に示す測定結果においては、横軸に被測定電流の大きさを示し、縦軸に被測定電流の大きさに応じて磁界検出ブリッジ回路から出力される出力信号の大きさについて示している。また、本実施例に係る電流センサ１の出力信号を実線で示し、比較例に係る電流センサ１００の出力信号を点線で示している。
　図４に示す例においては、実施例に係る電流センサ１において、導電体１３としてＣｕを用い、膜厚を３μｍとし、短手方向Ｌ１の長さを１３０μｍとし、長手方向Ｌ２の長さを１０００μｍとした。また、導電体１３と磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄとの間の間隔は、１μｍとした。また、比較例に係る電流センサ１００において、導電体１０２としてＣｕを用い、膜厚を３μｍとし、一端部と他端部との間の間隔Ｌ３を３００μｍとし、一端部及び他端部の幅Ｌ４を１３０μｍとし、長手方向Ｌ５の長さを１０００μｍとした。また、導電体１０２とＧＭＲ素子１０３ａ～１０３ｄとの間の間隔は、１μｍとした。
　図４から分かるように、上記実施例に係る電流センサ１においては、被測定電流の大きさと、磁界検出ブリッジ回路との間の直線性が向上する。特に被測定電流が－０．４Ａから＋０．４の範囲においては、良好な線形性が得られることが分かる。一方で、被測定電流を通流する導電線が平面視にてＵ字形状を有する比較例に係る電流センサ１００においては、被測定電流と出力信号との間の出力線形性が低下することが分かる。
　次に、本発明の実施の形態に係る電流センサ１の製造方法について説明する。本実施の形態に係る電流センサ１の製造方法においては、まず、アルミニウム酸化膜２２上に、反平行結合膜３４ａを介して第１の強磁性膜３３ａと第２の強磁性膜３５ａとを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層３２ａと、非磁性中間層３６ａと、フリー磁性層３７ａとを有し、特定方向に感度軸方向を有する磁気抵抗効果素子１２ａの第１積層膜を形成し（第１形成工程）、第１積層膜を残存させる領域以外の領域の第１積層膜をアルミニウム酸化膜２２から除去し（除去工程）、第１積層膜を除去したアルミニウム酸化膜２２上に、反平行結合膜３４ｂを介して第１の強磁性膜３３ｂと第２の強磁性膜３５ｂとを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型の強磁性固定層３２ｂと、非磁性中間層３６ｂと、フリー磁性層３７ｂとを有し、上記特定方向と反平行方向に感度軸方向を持つ磁気抵抗効果素子１２ｂの第２積層膜を形成する（第２形成工程）。これにより、強磁性固定層３２ａ、３２ｂの磁化方向が異なる磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂを同一基板１１上に近接して設けることができる。また、上記除去工程及び第２形成工程を繰り返して行うことにより、強磁性固定層３２ａ～３２ｄの磁化方向が異なる複数の磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄを同一基板１１上に近接して設けることができる。
　図５（ａ）～（ｃ）及び図６（ａ）～（ｃ）は、本実施の形態に係る電流センサ１における磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄの製造方法の説明図である。本実施の形態に係る電流センサ１の製造方法においては、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｃを形成してから、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｄを形成する。まず、図５（ａ）に示すように、アルミニウム酸化膜２２上に、シード層３１、第１の強磁性膜３３、反平行結合膜３４、第２の強磁性膜３５、非磁性中間層３６、フリー磁性層３７、及び保護層３８を順次形成する。第１の強磁性膜３３及び第２の強磁性膜３５の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図５（ａ）～（ｃ）において、第１の強磁性膜３３（Ｐｉｎ１）については、印加磁場方向は紙面奥側から手前側に向かう方向であり、第２の強磁性膜３５（Ｐｉｎ２）については、印加磁場方向は紙面手前側から奥側に向かう方向である。ただし、第２の強磁性膜３５については、必ずしもこの方向に磁場を印加する必要はない。第１の強磁性膜３３と同じ方向でも、無磁場でもよい。これは、反平行結合膜３４を介して交換結合が働き、第１の強磁性膜３３と反平行方向に必ず磁化方向が決まるからである。この場合、反平行結合膜３４の膜厚最適化と第１の強磁性膜３３及び第２の強磁性膜３５のＭｓ・ｔの一致が重要となる。また、フリー磁性層３７の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
　次いで、図５（ｂ）に示すように、保護層３８上にレジスト層４０を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｃの領域上にレジスト層４０を残存させる。次いで、図５（ｃ）に示すように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｄを設ける領域のアルミニウム酸化膜２２を露出させる。
　次いで、図６（ａ）に示すように、レジスト層４０を除去してから、露出したアルミニウム酸化膜２２上に、シード層３１、第１の強磁性膜３３、反平行結合膜３４、第２の強磁性膜３５、非磁性中間層３６、フリー磁性層３７、及び保護層３８を順次形成する。第１の強磁性膜３３及び第２の強磁性膜３５の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ幅方向に磁場を印加する。図６（ａ）～（ｃ）において、第１の強磁性膜３３（Ｐｉｎ１）については、印加磁場方向は紙面手前側から側に向かう方向であり、第２の強磁性膜３５（Ｐｉｎ２）については、印加磁場方向は紙面奥側から手前側に向かう方向である。また、フリー磁性層３７の成膜中には、ミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場を印加する。
　次いで、図６（ｂ）に示すように、保護層３８上にレジスト層４０を形成し、フォトリソグラフィ及びエッチングにより、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの形成領域上にレジスト層４０を残存させる。次いで、図６（ｃ）に示すように、イオンミリングなどにより、露出した積層膜を除去して、図１に示すような配置で、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄを形成する。
　このような電流センサの製造方法によれば、磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄの作り込みにおいて段差が生じないので、配線形成が容易であり、配線の厚さを厚くしたり、スルーホール形成などの追加の工程が不要となる。このため、感度軸方向がそれぞれ異なる複数の磁気抵抗効果素子１２ａ～１２ｄを同一基板１１上に近接して設けてなる電流センサセンサを簡易に製造することができる。
　以上説明したように、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子を備えることから、反強磁性層を設けることなく強磁性固定層の磁化方向を任意の方向に固定できるので、基板上に４つの磁気抵抗効果素子を並設した場合であっても、各磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向を任意の方向に固定することができる。これにより、一方向に延在する導電体を用いても被測定電流を測定することが可能となるので、基板の面積を削減することができ、電流センサの小型化及び製造コストの削減を実現することができる。
　また、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、一方向に延在する導電体に被測定電流を通流することから、被測定電流からの誘導磁界の干渉を抑制できると共に、外乱磁界に対する誘導起電力の発生を抑制することができる。これにより、電流センサの測定精度及び測定範囲を向上できる。
　特に、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、一方向に延在する導電体を用いることから、被測定電流からの誘導磁界の印加方向を揃えることができので、誘導磁界の干渉を低減することが可能となる。また、外乱磁界に対する誘導起電力の発生を抑制することができるので、外乱磁界の影響を軽減できる。これらより、被測定電流の測定精度及び測定範囲を向上することが可能となる。
　また、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、一方向に延在する導電体を用いることから、湾曲した形状の導電体を用いる場合と比較して導電体の抵抗を小さくできるので、被測定電流の損失及び被測定電流の通流による発熱を抑制できる。
　さらに、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子を用いることから、反強磁性材料を用いずに磁気抵抗効果素子を構成することが可能となる。これにより、高温環境下においても電流センサ１の動作の安定性を確保できると共に、固定抵抗素子を用いることなく磁界検出ブリッジ回路を構成できるので、オフセットを低減することができる。また、反強磁性材料を用いないことによる材料コストの低減や、磁場中のアニール処理が不要となるので、製造コストの低減が可能となる。
　また、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、磁気検出ブリッジ回路が膜構成の同じ４つの磁気抵抗効果素子で構成されているので、素子間におけるゼロ磁場抵抗値（Ｒ０）や抵抗温度係数（ＴＣＲ０）のズレを無くすことができる。このため、環境温度によらず中点電位のばらつきを小さくでき、高精度に電流測定を行うことができる。また、本実施の形態に係る電流センサにおいて、磁気抵抗効果素子は反強磁性材料を含まないため、材料コストや、製造コストを抑制することもできる。
　本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。
　例えば、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、平面視にて略矩形形状の導電体を用いた例について説明したが、導電体の形状は、被測定電流を一方向に通流できる形状であれば矩形形状に限定されず適時変更可能である。例えば、本発明の効果が得られる範囲内で湾曲した形状のものを用いてもよい。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
　本発明は、広範囲に亘って精度よく被測定電流を測定でき、しかも小型化可能であるという効果を有し、特に、各種電流センサや、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。
　本出願は、２０１１年１月１１日出願の特願２０１１－００３１６０に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (3)

  1. 　基板と、前記基板上に設けられ一方向に延在する導電体と、前記基板と前記導電体との間に並設され前記導電体を通流する被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する少なくとも２つの磁気抵抗効果素子とを具備し、前記磁気抵抗効果素子は、磁化方向が固定された強磁性固定層、非磁性中間層、及び外部磁界に対して磁化方向が変動するフリー磁性層を含む積層構造を有し、前記強磁性固定層が、反平行結合膜を介して第１の強磁性膜と第２の強磁性膜とを反強磁性的に結合させてなるセルフピン止め型であり、前記第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜はキュリー温度が略同じかつ磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする電流センサ。
  2. 　前記強磁性固定層の磁化方向が互いに反平行に固定された少なくとも２つの前記磁気抵抗効果素子を含んで構成され、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被測定電流を測定することを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
  3. 　前記強磁性固定層の磁化方向が互いに逆方向に固定された一対の磁気抵抗効果素子と、前記一対の磁気抵抗効果素子とは逆方向に前記強磁性固定層の磁化方向が固定された一対の磁気抵抗効果素子とを含んで構成され、前記誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を有し、前記誘導磁界に応じて前記磁界検出ブリッジ回路から出力される電圧差により前記被測定電流を測定することを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
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