(57)【要約】  高温での動作安定性に優れ、測定精度が高い電流センサを提供すること。本発明の電流センサ（１）は、一方向に延在する導電体（１３）と、導電体（１３）の延在方向に沿って並設され導電体（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、導電体（１３）の第１区間（Ｓ１）に沿って配設される一対の磁気抵抗効果素子（１２ａ）、（１２ｂ）と、導電体１３の第２区間（Ｓ２）に沿って配設される他の一対の磁気抵抗効果素子（１２ｃ）、（１２ｄ）と、を含み、一対の磁気抵抗効果素子（１２ａ）、（１２ｂ）と他の一対の磁気抵抗効果素子（１２ｃ）、（１２ｄ）とは、誘導磁界が互いに異なる強度で印加され、又は誘導磁界が互いに異なる方向から印加されるように配設されたことを特徴とする。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向に延在する導電体と、前記導電体の延在方向に沿って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二対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、
前記少なくとも二対の磁気抵抗効果素子は、前記導電体の第１区間に沿って配設される一対の磁気抵抗効果素子と、前記導電体の第２区間に沿って配設される他の一対の磁気抵抗効果素子と、を含み、
前記一対の磁気抵抗効果素子と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子とは、前記誘導磁界が互いに異なる強度で印加され、又は前記誘導磁界が互いに異なる方向から印加されるように配設されたことを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記一対の磁気抵抗効果素子を含む第１のハーフブリッジ回路と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子を含む第２のハーフブリッジ回路とを具備し、前記第１のハーフブリッジ回路の各磁気抵抗効果素子における前記強磁性固定層の磁化方向と、前記第２のハーフブリッジ回路の各磁気抵抗効果素子における前記強磁性固定層の磁化方向と、が互いに同一であることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項３】
前記一対の磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層の磁化方向が互いに反平行であり、前記他の一対の磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層の磁化方向が互いに反平行であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電流センサ。
【請求項４】
前記導電体は、前記第１区間の前記延在方向に対する垂直断面における断面積と、前記第２区間の前記延在方向に対する垂直断面における断面積と、が異なることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項５】
前記一対の磁気抵抗効果素子と前記導電体の前記第１区間との間の距離と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子と前記導電体の前記第２区間との間の距離と、が異なることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の電流センサ。
【請求項６】
前記一対の磁気抵抗効果素子と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子とは、前記誘導磁界が、互いに逆方向から印加されるように配設されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。【０００３】
特許文献１記載の電流センサは、４つの磁気抵抗効果素子で構成されるホイートストンブリッジ回路を備える。このホイートストンブリッジ回路においては、互いに逆相の出力信号が得られるように構成された二対の磁気抵抗効果素子からの出力信号により被測定電流を測定する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００５−５２９３３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、特許文献１記載の電流センサにおいては、被測定電流の測定にホイートストンブリッジ回路を用いることから、二対の磁気抵抗効果素子から互いに異なる信号強度の出力信号を得る必要がある。このため、特許文献１記載の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方向に対して、二対の磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向を異なる方向に固定することにより、二対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号を逆相とすることで、被測定電流の測定を可能としている。【０００６】
しかしながら、特許文献１記載の電流センサにおいては、二対の磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向が互いに異なるため、二対の磁気抵抗効果素子に外乱ノイズが作用した外乱ノイズ成分の影響で測定精度が低下する問題がある。また、磁気抵抗効果素子の強磁性固定層の磁化方向の固定するため、強磁性固定層と反強磁性層との間の交換結合磁界を用いることから、動作可能温度が制限されると共に、製造工程において、磁場中の高温アニール処理が必要となるので、製造コストが増大する問題がある。【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、高温での動作安定性に優れ、測定精度が高い電流センサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の電流センサは、一方向に延在する導電体と、前記導電体の延在方向に沿って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二対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、前記少なくとも二対の磁気抵抗効果素子は、前記導電体の第１区間に沿って配設される一対の磁気抵抗効果素子と、前記導電体の第２区間に沿って配設される他の一対の磁気抵抗効果素子と、を含み、前記一対の磁気抵抗効果素子と前記他の一対の磁気抵抗効果素子とは、前記誘導磁界が互いに異なる強度で印加され、又は前記誘導磁界が互いに異なる方向から印加されるように配設されたことを特徴とする。【０００９】
この構成によれば、被測定電流からの誘導磁界により一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが互いに異なる信号強度となるので、一対の磁気抵抗効果素子の出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子の出力信号と、の差動出力を得ることにより、出力信号の外乱ノイズ成分を低減でき、測定精度が高い電流センサを実現できる。また、一方向に延在する導電体に被測定電流を通流するので、電流センサの小型化が可能となると共に、被測定電流からの誘導磁界の干渉を低減できるので電流センサの測定精度が更に向上する。さらに、被測定電流が通流する際の導電体の抵抗を小さくできるので、電流センサの測定範囲を拡大することが可能となる。また、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、反強磁性層を用いずに固定磁性層の磁化方向を固定できるので、高温での動作安定性に優れる電流センサを実現できる。【００１０】
本発明の電流センサにおいては、前記一対の磁気抵抗効果素子を含む第１のハーフブリッジ回路と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子を含む第２のハーフブリッジ回路とを具備し、前記第１のハーフブリッジ回路の各磁気抵抗効果素子における前記強磁性固定層の磁化方向と、前記第２のハーフブリッジ回路の各磁気抵抗効果素子における前記強磁性固定層の磁化方向と、が互いに同一であることが好ましい。この構成により、第１のハーフブリッジ回路から出力される出力信号中の外乱ノイズ成分と、第２のハーフブリッジ回路から出力される出力信号中の外乱ノイズ成分とが等しくなる。このため、二対の磁気抵抗効果素子の差動出力を得ることにより、外乱ノイズ成分を相殺でき、測定精度を更に向上できる。【００１１】
本発明の電流センサにおいては、前記一対の磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層の磁化方向が互いに反平行であり、前記他の一対の磁気抵抗効果素子の前記強磁性固定層の磁化方向が互いに反平行であることが好ましい。この構成により、一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが逆相となる。このため、二対の磁気抵抗効果素子の差動出力を得ることにより、誘導磁界により出力された出力信号が加算されるので、電流センサの検出感度を向上できる。なお、反平行とは、互いに１８０°異なる方向であって、逆方向のことをいう。【００１２】
本発明の電流センサにおいては、前記導電体は、前記第１区間の前記延在方向に対する垂直断面における断面積と、前記第２区間の前記延在方向に対する垂直断面における断面積と、が異なることが好ましい。この構成により、一対の磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界と他の一対の磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界とが異なる磁界強度となるので、誘導磁界により一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが異なる信号強度となる。このため、一対の磁気抵抗効果素子からの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子の出力信号を用いることで、被測定電流の測定が可能となる。【００１３】
本発明の電流センサにおいては、前記一対の磁気抵抗効果素子と前記導電体の前記第１区間との間の距離と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子と前記導電体の前記第２区間との間の距離と、が異なることが好ましい。この構成により、一対の磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界と他の一対の磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界とが異なる磁界強度となるので、誘導磁界により一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが異なる信号強度となる。このため、一対の磁気抵抗効果素子からの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子の出力信号を用いることで、被測定電流の測定が可能となる。【００１４】
本発明の電流センサにおいては、前記一対の磁気抵抗効果素子と、前記他の一対の磁気抵抗効果素子とは、前記誘導磁界が、互いに逆方向から印加されるように配設されたことが好ましい。この構成により、導電体の一方の面側に配設される一対の磁気抵抗効果素子対する誘導磁界の印加方向と、導電体の他方の面側に配設される他の一対の磁気抵抗効果素子に対する誘導磁界の印加方向とが、互いに逆方向となる。このため、一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子から出力される出力信号とが異なる信号強度及び逆相となるので、二対の磁気抵抗効果素子の差動出力をとることで、外乱ノイズ成分が除去され、誘導磁界からの出力信号が加算されるので、測定精度が高い電流センサを実現できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、高温での動作安定性に優れ、測定精度が高い電流センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電流引き込み型の電流センサの一例を示す平面模式図である。
【図２】第１の実施の形態に係る電流センサの平面模式図である。
【図３】上記実施の形態に係る電流センサの磁気検出ブリッジ回路を示す模式図である。
【図４】上記実施の形態に係る電流センサにおける被測定電流と出力信号との関係を示す図である。
【図５】上記実施の形態に係る電流センサの断面模式図である。
【図６】上記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模式図である。
【図７】上記実施の形態に係る電流センサの製造工程の説明図である。
【図８】上記実施の形態に係る電流センサの製造工程の説明図である。
【図９】第２の実施の形態に係る電流センサの平面模式図である。
【図１０】上記実施の形態に係る電流センサの断面模式図である。
【図１１】第３の実施の形態に係る電流センサの断面模式図である。
【図１２】第４の実施の形態に係る電流センサの断面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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、基板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。
【００１８】
図１に電流引き込み型電流センサの一例を示す。かかる電流センサ１００は、基板１０１上に設けられた平面視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たＧＭＲ素子１０３ａ、１０３ｂ、及び他端部に設けられたＧＭＲ素子１０３ｃ、１０３ｄとを備える。４つのＧＭＲ素子１０３ａ〜１０３ｄは、強磁性固定層の磁化方向が同一方向（図１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。この電流引き込み型電流センサ１００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。
【００１９】
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の一端部における一対のＧＭＲ素子１０３ａ、１０３ｂから出力される出力信号と、導電体１０２の他端部における他の一対のＧＭＲ素子１０３ｃ、１０３ｄから出力される出力信号と、を互いに異なる信号強度とする必要がある。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、導電体１０２の一端部における被測定電流の通流方向と、他端部における被測定電流の通流方向とが互いに逆方向となるようにする。これにより、一対のＧＭＲ素子１０３ａ、１０３ｂに対する誘導磁界の印加方向と、他の一対のＧＭＲ素子１０３ｃ、１０３ｄに対する誘導磁界の印加方向と、が互いに逆方向となるので、一対のＧＭＲ素子１０３ａ、１０３ｂから出力される出力信号と、他の一対のＧＭＲ素子１０３ｃ、１０３ｄから出力される出力信号と、が異なる信号強度となり、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
【００２０】
また、上記電流引き込み型電流センサ１００においては、４つのＧＭＲ素子１０３ａ〜１０３ｄの強磁性固定層の磁化方向を同一方向に揃えているので、各ＧＭＲ素子１０３ａ〜１０３ｄの感度軸に対して同一方向から外乱ノイズが作用する。このため、一対のＧＭＲ素子１０３ａ、１０３ｂから出力される出力信号と、他の一対のＧＭＲ素子１０３ｃ、１０３ｄから出力される出力信号との差分値をとることにより、外乱ノイズの影響をキャンセルすることが可能となる。
【００２１】
一方で、上記電流引き込み型の電流センサ１００においては、一対のＧＭＲ素子１０３ａ、１０３ｂから出力される出力信号と、及び他の一対のＧＭＲ素子１０３ｃ、１０３ｄから出力される出力信号と、を互いに異なる信号強度とするため、導電体１０２をＵ字形状に形成する必要があり、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１０２に被測定電流を通流するため、誘導磁界に干渉が生じて測定精度が低下すると共に、導電体１０２の抵抗が増大して被測定電流の損失や発熱が生じるため、被測定電流の測定範囲が制限される問題があった。
【００２２】
本発明者らは、磁気抵抗効果素子に印加される被測定電流からの誘導磁界の磁界強度、及び誘導磁界の印加方向に着目した。電流引き込み型の電流センサにおいては、一対の磁気抵抗効果素子と、他の一対の磁気抵抗効果素子と、から異なる信号強度の出力信号を得ることができれば、一方向に延在する導電体を用いた場合においても、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
【００２３】
また、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、後述する図６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３２の磁化方向Ｘを任意の方向に固定することが可能となる。
【００２４】
本発明者らは、一方向に延在する導電体の延在方向に沿って少なくとも二対の磁気抵抗効果素子を並設した場合においても、一対の磁気抵抗効果素子及び他の一対の磁気抵抗効果素子を誘導磁界が互いに異なる強度で印加され、又は誘導磁界が互いに異なる方向から印加されるように配設することにより、一対の磁気抵抗効果素子及び他の一対の磁気抵抗効果素子から互いに異なる信号強度の出力信号が得られることを見出した。これにより、一対の磁気抵抗効果素子からの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子からの出力信号と、を用いた磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。このような構成は、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、少なくとも二対のセルフピン止め型の磁気抵抗効果素子を用いることで実現することができる。
【００２５】
さらに、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。
【００２６】
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。
（第１の実施の形態）
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る電流センサ１の平面模式図である。図２に示すように、本実施の形態に係る電流センサ１は、基板１１と、この基板１１上に並設され被測定電流からの誘導磁界により出力信号を出力する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、基板１１上に並設される磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄに沿っ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。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。
【００２７】
導電体１３は、延在方向Ｄ１において、当該延在方向Ｄ１に対して直交する高さ方向Ｄ３に沿う垂直断面の断面積が互いに異なる第１区間Ｓ１と第２区間Ｓ２とを有する。本実施の形態においては、延在方向Ｄ１における電極パッド１３ａ側の幅寸法Ｌ１が、電極パッド１３ｂ側の幅寸法Ｌ２に対して相対的に大きくなるように導電体１３を設けることで、導電体１３の電極パッド１３ａ側を相対的に断面積が大きい第１区間Ｓ１とし、電極パッド１３ｂ側を相対的に断面積が小さい第２区間Ｓ２としている。
【００２８】
磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、導電体１３の延在方向Ｄ１に沿って導電体１３と重畳するように配設される。本実施の形態においては、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、同一平面内に配設され（図５参照）、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが、導電体１３の第１区間Ｓ１に沿って配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄが、導電体１３の第２区間Ｓ２に沿って配設される。なお、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、被測定電流からの誘導磁界により、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号とが互いに異なる信号強度となる配置であれば、必ずしも同一平面内に配設する必要はない。
【００２９】
磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、一対の磁気抵抗効果１２ａ、１２ｂの感度軸（Ｐｉｎ方向）と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの感度軸（Ｐｉｎ方向）とが互いに反平行（１８０°異なる方向）となるように配設される。また、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂは、当該磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの感度軸（Ｐｉｎ方向）が互いに反平行（１８０°異なる方向）となるように配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄは、当該磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの感度軸（Ｐｉｎ方向）が互いに反平行（１８０°異なる方向）となるように配設される。なお、図２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３５（図１において不図示、図６参照）の磁化方向を表している。各磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの両端部には、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄのフリー磁性層３７（図１において不図示、図６参照）にバイアス磁界を印加するハードバイアス層１４（図１において不図示、図５参照）が設けられている。なお、ハードバイアス層１４は、必ずしも設ける必要はない。
【００３０】
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。
【００３１】
次に、図２に示す電流センサ１の磁界検出ブリッジ回路の接続について説明する。磁気抵抗効果素子１２ｂの一方の端子、及び磁気抵抗効果素子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の一方の端子、及び磁気抵抗効果素子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の他方の端子、及び磁気抵抗効果素子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の他方の端子、及び磁気抵抗効果素子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。
【００３２】
磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、被測定電流からの誘導磁界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、被測定電流からの誘導磁界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）との電位差は誘導磁界に比例し、当該電位差（電圧）が電流センサ１の出力となる。
【００３３】
図３は、本実施の形態に係る電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す模式図である。本実施の形態に係る電流センサ１においては、図３に示すように、中点電位（Ｏｕｔ１）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの強磁性固定層３２の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向：Ｐｉｎ２）が互いに１８０°異なっており（反平行）、中点電位（Ｏｕｔ２）を出力する２つの磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの強磁性固定層３２の磁化方向（第２の強磁性膜の磁化方向：Ｐｉｎ２）が互いに１８０°異なっている（反平行）。また、４つの磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの抵抗変化率は同じである。磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、強磁性固定層３２に対する印加磁界の角度が同一である場合、同一磁界強度で同一の抵抗変化率を示すことが好ましい。
【００３４】
本実施の形態に係る電流センサ１においては、導電体１３の幅寸法Ｌ１、Ｌ２が異なる区間Ｓ１、Ｓ２にそれぞれ一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂと、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄとが設けられ、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂにより第１のハーフブリッジ回路が構成され、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄにより第２のハーフブリッジ回路が構成される。
【００３５】
図３に示すように、導電体１３に被測定電流が通流されると、４つの磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄには、それぞれ誘導磁界Ａが印加される。ここで、本実施の形態に係る電流センサ１においては、導電体１３は、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ近傍の第１区間Ｓ１における断面積が、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄ近傍の第２区間Ｓ２における導電体１３の断面積より大きいので、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに対して相対的に磁界強度の小さい誘導磁界Ａが印加される。このため、第１のハーフブリッジ回路を構成する一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、第２のハーフブリッジ回路を構成する他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号と、が異なる信号強度となるので、磁界検出ブリッジ回路により被測定電流の測定が可能となる。
【００３６】
ここで、図４を参照して、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄに誘導磁界が印加された際の出力信号について説明する。図４は、被測定電流の大きさと磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄからの出力信号との相関を示す概念図である。同図においては、横軸に誘導磁界の大きさを示し、縦軸に出力信号の大きさを示している。
【００３７】
図４Ａに示すように、導電体１３の第１区間Ｓ１に沿って配設された一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号は、互いに逆相となり、同一強度となる（図４Ａの破線参照）。一方、導電体１３の第２区間Ｓ２に沿って配設された他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号は、互いに逆相となり、同一強度となると共に、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号に対して相対的に大きくなる（図４Ａの実線参照）。このため、図４Ｂに示すように、同じ大きさの被測定電流Ｉが通流する場合に、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂを含む第１のハーフブリッジ回路からの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄを含む第２のハーフブリッジ回路からの出力信号との間には、信号強度に差が生じる（Ｓ３参照）。これにより、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
【００３８】
このように、本実施の形態に係る電流センサ１においては、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄの強磁性固定層３２の磁化方向を同一に揃え、この磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｄの強磁性固定層３２の磁化方向に対して、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃの強磁性固定層３２の磁化方向を反平行方向（１８０°異なる方向）に揃える。この構成により、誘導磁界Ａにより一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号とが逆相になると共に、外乱ノイズＢにより一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号とが等しくなる。このため、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂからの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄからの出力信号との差動出力を得ることにより、誘導磁界Ａによる出力信号の加算及び外乱ノイズの相殺が可能となるので、測定精度及び検出感度を向上できる。したがって、検出感度及び測定精度が高い電流センサを実現できる。
【００３９】
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５は、図２に示す電流センサ１のＶ−Ｖ線における矢視断面図である。同図に示すように、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）、及び導電体１３が同一基板１１上に積層されている。
【００４０】
図５に示す電流センサ１においては、基板１１上に絶縁層であるシリコン酸化膜２１が形成されている。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。
【００４１】
アルミニウム酸化膜２２上には、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄが配設され、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。磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの両端部には、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄのフリー磁性層３７にバイアス磁界を印加するハードバイアス層１４が設けられる。
【００４２】
磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄ及びハードバイアス層１４上には、絶縁層２３を介して導電体１３（被測定電流線）が積層される。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。
【００４３】
導電体１３上には、絶縁層２４を介して磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄへの外乱ノイズを吸収する磁気シールド２５が設けられる。また、導電体１３の両端部には、電極パッド１３ａ、１３ｂが形成される。電極パッド１３ａ、１３ｂ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。
【００４４】
絶縁層２３、２４としては、例えば、ポリイミド材料を塗布し、硬化することで形成したポリイミド層などを用いることができる。磁気シールド２５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。
【００４５】
磁気シールド２５上には、シリコン酸化膜２６が積層される。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。
【００４６】
絶縁層２４及びシリコン酸化膜２６の所定の領域（電極パッド１３ａ、１３ｂの形成領域）にはコンタクトホール２７が形成され、このコンタクトホール２７に電極パッド１３ａ、１３ｂ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。
【００４７】
上記構成を有する電流センサ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２５及び磁界検出ブリッジ回路（磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄ）が同一基板上に積層されてなるので、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。
【００４８】
次に、図６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６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。
【００４９】
図６に示すように、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄ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〜１２ｄは、シード層３１、強磁性固定層３２（第１の強磁性膜３３、反平行結合膜３４、及び第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がこの順に積層されて構成される。
【００５０】
磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄにおいては、反平行結合膜３４を介して第１の強磁性膜３３と第２の強磁性膜３５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３２（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〜１２ｄを構成することにより、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄ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３２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３７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。
【００５１】
この強磁性固定層３２において、反平行結合膜３４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３３と第２の強磁性膜３５との間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
【００５２】
第１の強磁性膜３３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜３５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３３と第２の強磁性膜３５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３２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３２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３３の膜厚をｔ１とし、第２の強磁性膜３５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）
【００５３】
第１の強磁性膜３３のキュリー温度（Ｔｃ）と第２の強磁性膜３５のキュリー温度（Ｔｃ）とは、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３３、第２の強磁性３５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）差がゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
【００５４】
第１の強磁性膜３３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３３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〜１２ｄの抵抗変化率を大きくすることができる。
【００５５】
第１の強磁性膜３３及び第２の強磁性膜３５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３３及び第２の強磁性膜３５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３３及び第２の強磁性膜３５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３３及び第２の強磁性膜３５の磁化方向（磁化を固定する方向）は、第１の強磁性膜３３の成膜時の磁場印加方向で決まるため、第１の強磁性膜３３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。
【００５６】
シード層３１は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層３８は、Ｔ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３１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。
【００５７】
強磁性固定層３２の反平行結合膜３４は、Ｒｕなどにより構成される。また、フリー磁性層（フリー層）３７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３６は、Ｃｕなどにより構成される。また、フリー磁性層３７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３７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〜１２ｄ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３０、非磁性中間層３６及びフリー磁性層３７により、スピンバルブ構成を採っている。
【００５８】
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〜１２ｄの膜構成の例としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ（シード層３１：５ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜３３：１．６５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜３４：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜３５：２ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層３６：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（フリー磁性層３７：１ｎｍ）／Ｎｉ８１Ｆｅ１９（フリー磁性層３７：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層３８：５ｎｍ）である。
【００５９】
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３４を介して第１の強磁性膜３３と第２の強磁性膜３５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３２と、非磁性中間層３６と、フリー磁性層３７とを有し、特定方向に磁化方向が固定される磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄ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３４を介して第１の強磁性膜３３と第２の強磁性膜３５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３２と、非磁性中間層３６と、フリー磁性層３７とを有し、上記特定方向と反平行方向に強磁性固定層３２の磁化方向が固定される磁気抵抗効果素子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３２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３２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。
【００６０】
図７Ａ〜図７Ｃ及び図８Ａ〜図８Ｃ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、１２ｄを形成してから、磁気抵抗効果素子１２ｂ、１２ｃを形成する。まず、図７Ａ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７Ａ〜図７Ｃ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。
【００６１】
次いで、図７Ｂ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、１２ｄの領域上にレジスト層４０を残存させる。次いで、図７Ｃ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、１２ｃを設ける領域のアルミニウム酸化膜２２を露出させる。
【００６２】
次いで、図８Ａ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８Ａ〜図８Ｃにおいて、磁気抵抗効果１２ａ、１２ｄとなる第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紙面手前側に向かう方向であり、磁気抵抗効果１２ｂ、１２ｃとなる第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紙面奥側に向かう方向である。また、磁気抵抗効果１２ａ、１２ｄとなる第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紙面奥側に向かう方向であり、磁気抵抗効果１２ｂ、１２ｃとなる第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紙面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。
【００６３】
次いで、図８Ｂ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８Ｃ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２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。
【００６４】
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を簡易に製造することができる。
【００６５】
以上説明したように、上記実施の形態に係る電流センサ１においては、セルフピン止め型の磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄ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３２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１２ａ〜１２ｄの強磁性固定層３２の磁化方向を任意の方向に固定できる。これにより、一方向に延在する導電体を用いた電流引き込み型の電流センサを実現できるので、湾曲した形状の導電体を用いる場合と比較して被測定電流が導電体１３を通流する際の導電体１３による抵抗を低減でき、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、被測定電流からの誘導磁界の方向を揃えることができるので、誘導磁界の干渉及び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、測定範囲が広く、測定精度が高い電流センサを実現できる。
【００６６】
特に、上記実施の形態においては、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが、導電体１３の相対的に断面積が大きい第１区間Ｓ１に沿って配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄが、相対的に断面積が小さい第２区間Ｓ２に沿って配設されるので、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに対して印加される誘導磁界と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄと印加される誘導磁界と、が異なる磁界強度となる。これにより、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号と、が異なる信号強度となるので、固定抵抗素子を用いることなく磁界検出ブリッジ回路により被測定電流の測定が可能となる。
【００６７】
また、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの強磁性固定層３２の磁化方向と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの強磁性固定層３２の磁化方向と、を互いに同一方向に固定するので、外乱ノイズにより一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号と、が同相となる。さらに、被測定電流により、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに印加される誘導磁界と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄに印加される誘導磁界と、が異なる磁界強度となり、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号と、が同相で互いに異なる信号強度となるので、差動出力が発生する。この結果、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの出力信号との差動出力により被測定電流からの誘導磁界に由来する出力信号が得られると共に、外乱ノイズ成分が相殺されるので、検出感度が高く、しかも測定精度が高い電流センサを実現できる。
【００６８】
また、上記実施の形態に係る電流センサにおいては、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と共に、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、基板の面積を削減でき、電流センサの小型化及び製造コストの削減が可能となる。また、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ので、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、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。
【００６９】
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、被測定電流の測定精度を向上できる。
【００７０】
なお、上記実施の形態においては、導電体１３の電極パッド１３ａ側の領域を第１区間Ｓ１として一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂを配設し、導電体１３の電極パッド１３ｂ側の領域を第２区間Ｓ２として他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄを配設した構成について説明したが、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄの配置は、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ及び他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄからそれぞれ異なる信号強度の出力信号が出力される配置であれば適宜変更可能である。例えば、導電体１３の延在方向Ｄ１における両端部をそれぞれ第１区間Ｓ１として一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂをそれぞれ配設し、当該第１区間Ｓ１の間の区間を第２区間Ｓ２として、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄを配設してもよい。また、導電体１３の延在方向Ｄ１において、導電体１３の電極パッド１３ａ側から電極パッド１３ｂ側に向けて交互に第１区間Ｓ１と第２区間Ｓ２とを設けて、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂと、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄとを配設してもよい。
【００７１】
また、上記実施の形態においては、第１区間Ｓ１の幅寸法Ｌ１と、第２区間Ｓ２の幅寸法Ｌ２と、を異なる大きさとすることで、互いに異なる断面積の第１区間Ｓ１及び第２区間Ｓ２を有する導電体１３とする構成について説明したが、第１区間Ｓ１及び第２区間Ｓ２の断面積を異ならせる構成については、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ及び他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄからそれぞれ異なる信号強度の出力信号が出力されれば適宜変更可能である。例えば、導電体１３の幅寸法Ｌ１、Ｌ２を同一とし、導電体１３の延在方向Ｄ１及び幅方向Ｄ２に互いに直交する高さ方向Ｄ３の寸法（厚み）を異なる大きさとすることで異なる断面積の第１区間Ｓ１及び第２区間Ｓ２を有する導電体１３としてもよい。
【００７２】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。以下においては、上記第１の実施の形態に係る電流センサ１との相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。なお、上記第１の実施の形態に係る電流センサ１と同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００７３】
図９は、本実施の形態に係る電流センサ２の平面模式図であり、図１０は、図９Ｘ−Ｘ線における断面模式図である。本実施の形態に係る電流センサ２において、導電体５１は、一方向に延在するように設けられており、均一の幅寸法Ｌ１を有している。磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、導電体５１の延在方向Ｄ１に沿って並設される。
【００７４】
電流センサ２においては、基板１１上の一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが配設される電極パッド１３ａ側の領域と、他の一対磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄが配設される電極パッド１３ｂ側の領域とで積層構造が異なる。電流センサ２においては、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが、第１区間Ｓ１において第１平面内（Ｆ１参照）に配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄが、第２区間Ｓ２において第２平面内（Ｆ２参照）に配設される。このため、電流センサ２においては、導電体１３の高さ方向Ｄ３における一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂと導電体１３との間の距離Ｌ３と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄと導電体１３との間の距離Ｌ４とが互いに異なるので、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに印加される誘導磁界と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄに印加される誘導磁界と、が異なる磁界強度となる。この結果、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号と、が異なる信号強度となるので、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
【００７５】
電極パッド１３ａ側の領域では、基板１１上にシリコン酸化膜２１が設けられ、このシリコン酸化膜２１上にアルミニウム酸化膜２２を介して磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが配設される。磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの両端部には、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂのフリー磁性層３７にバイアス磁界を印加するハードバイアス層１４が設けられる。磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ上には、絶縁層２３、アルミニウム酸化膜５２、絶縁層５３、及び導電体５１などが積層される。
【００７６】
電極パッド１３ｂ側の領域では、基板１１上にシリコン酸化膜２１、アルミニウム酸化膜２２、絶縁層２３がこの順で積層され、この絶縁層２３上にアルミニウム酸化膜５２を介して磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄが配設される。磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの両端部には、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄのフリー磁性層３７にバイアス磁界を印加するハードバイアス層１４が設けられる。磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ上には、絶縁層５３、導電体５１などが積層される。その他の積層構造は、第１の実施の形態に係る電流センサ１と同一であるため、説明を省略する。
【００７７】
このように、電流センサ２においては、導電体５１の電極パッド１３ａ側の領域と、電極パッド１３ｂ側の領域とで異なる積層構造を有し、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂと導電体１３との間の距離Ｌ３が、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｂと導電体１３との間の距離Ｌ４に対して大きくなる。この構成により、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに対して印加される誘導磁界の磁界強度が、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄに対して印加される誘導磁界の磁界強度より相対的に小さくなる。これにより、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号とが異なる信号強度となるので、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
【００７８】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。以下においては、上記第１及び第２の実施の形態に係る電流センサ１、２との相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。なお、上記第１の実施の形態に係る電流センサ１と同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００７９】
図１１は、本実施の形態に係る電流センサ３の断面模式図である。本実施の形態に係る電流センサ３において、導電体６１は、同一方向に延在する第１及び第２の導電路６１ａ、６１ｂと、この第１の導電路６１ａと第２の導電路６１ｂと接続する第３の導電路６１ｃとを有する。第１及び第２の導電路６１ａ、６１ｂは、基板１１表面に対して平行に延在するように設けられており、導電体６１の延在方向Ｄ１に直交する高さ方向Ｄ３における相対位置が互いに異なるように設けられる。本実施の形態においては、第１の導電路６１ａが第１区間Ｓ１となり、第２の導電路６１ｂが第２区間Ｓ２となる。
【００８０】
本実施の形態においては、導電体６１は、基板１１表面と第１の導電路６１ａとの間の距離が、基板１１表面と第２の導電路６１ｂとの間の距離より小さくなるように設けられる。第１の導電路６１ａの一端側には、電極パッド１３ａが設けられ、第２の導電路６１ｂの他端側には、電極パッド１３ｂが設けられる。第１の導電路６１ａの他端部と第２の導電路６１ｂの一端部とは、第３の導電路６１ｃにより接続される。
【００８１】
磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、導電体６１の延在方向に沿って並設されており、同一平面内（Ｆ３参照）に配設される。一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが、第１の導電路６１ａに沿って配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄが、第２の導電路６１ｂに沿って配設される。本実施の形態においては、導電体１３の延在方向Ｄ１に直交する高さ方向Ｄ３において、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂと第１の導電体６１ａとの間の距離Ｌ５が、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄと第２の導電路６１ｂとの間の距離Ｌ６に対して相対的に小さくなるように配設される。なお、磁気抵抗効果素子１２ａ〜１２ｄは、被測定電流からの誘導磁界により一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号とが異なる信号強度となる配置であれば、同一平面内に配設される構成に限定されない。
【００８２】
このように、本実施の形態に係る電流センサ３においては、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂと第１の導電路６１ａとの間の距離Ｌ５が、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄと第２の導電路６１ｂとの間の距離Ｌ６より小さくなるので、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに対して印加される誘導磁界の磁界強度が、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄに対して印加される誘導磁界の磁界強度に対して相対的に大きくなる。これにより、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号とが異なる信号強度となるので、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の測定が可能となる。
【００８３】
（第４の実施の形態）
次に本発明の第４の実施の形態について説明する。以下においては、上記第１、第２、及び第３の実施の形態に係る電流センサ１、２、３との相違点を中心に説明し、説明の重複を避ける。なお、上記第１、第２、及び第３の実施の形態に係る電流センサ１、２、３と同一の構成要素には、同一の符号を付している。
【００８４】
図１２は、本実施の形態に係る電流センサ４の断面模式図である。本実施の形態に係る電流センサ４においては、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂと、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄとは、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加方向が、互いに逆方向から印加されるように配設される。本実施の形態においては、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが、導電体１３の電極パッド１３ａ側の第１区間Ｓ１において、断面視にて導電体１３の延在方向に対する下面側に配設され、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄが、導電体１３の電極パッド１３ｂ側の第２区間Ｓ２において、断面視にて導電体１３の延在方向に対する上面側に配設される。この構成により、被測定電流Ｉが導電体１３を電極パッド１３ａ側から電極パッド１３ｂ側に通流する際の誘導磁界が、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに対しては、紙面手前側から紙面奥側に向けて印加され、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄに対しては、紙面奥側から紙面手前に向けて印加される。これにより、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｂから出力される出力信号とが逆相となるので、被測定電流の測定が可能となる。
【００８５】
電極パッド１３ａ側の領域では、基板１１上にシリコン酸化膜２１が設けられ、このシリコン酸化膜２１上にアルミニウム酸化膜２２を介して磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが配設される。磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの両端部には、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂのフリー磁性層３７にバイアス磁界を印加するハードバイアス層１４が設けられる。磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ上には、絶縁層２４、導電体１３、絶縁層２４、アルミニウム酸化膜５２、及びシリコン酸化膜２６がこの順で積層される。
【００８６】
電極パッド１３ｂ側の領域では、基板１１上にシリコン酸化膜２１、アルミニウム酸化膜２２、絶縁層２３、導電体１３、及び絶縁層２４がこの順で積層され、この絶縁層２４上にアルミニウム酸化膜５２を介して磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄが配設される。磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄの両端部には、磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄのフリー磁性層３７にバイアス磁界を印加するハードバイアス層１４が設けられる。磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄ上には、シリコン酸化膜２６が積層される。その他の積層構造は、第１、第２、及び第３の実施の形態に係る電流センサ１、２、３と同一であるため、説明を省略する。
【００８７】
このように、本実施の形態に係る電流センサ４においては、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂと、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄとは、被測定電流からの誘導磁界の印加方向が互いに逆方向から印加されるように配設される。この構成により、被測定電流が導電体１３を通流する際に生じる誘導磁界が、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに対しては、紙面手前から紙面奥側に向けて印加され、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄに対しては、紙面奥側から紙面手前側に向けて印加される。このように、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂに対する誘導磁界の印加方向と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄに対する誘導磁界の印加方向とが互いに異なる方向となるので、一対の磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂから出力される出力信号と、他の一対の磁気抵抗効果素子１２ｃ、１２ｄから出力される出力信号とが異なる信号強度となる。これにより、磁界検出ブリッジ回路による被測定電流の検出が可能となる。
【００８８】
なお、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可能である。上記実施の形態において、「同一」、「平行」、「反平行」、「同相」、「逆相」などの用語については、本発明の効果を発揮する範囲内であれば、完全な「同一」、「平行」、「反平行」、「同相」、「逆相」でなくともよい。また、上記実施の形態において、「反平行」とは、互いに１８０°異なる方向であって、逆方向のことをいう。さらに、上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８９】
本発明は、高温での動作安定性に優れ、測定精度が高い電流センサ実現でき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。【００９０】
本出願は、２０１１年３月２日出願の特願２０１１−０４４７１１に基づく。この内容は、全てここに含めておく。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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