(57)【要約】  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。
2012096211.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【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用い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、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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１９１６４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。【００１１】
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。【００１２】
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。【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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。
【図２】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。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】電流引き込み型の電流センサの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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）
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
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。【００６６】
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。
【図１】
2012096211.tif 000003
【図２】
2012096211.tif 000004
【図３】
2012096211.tif 000005
【図４】
2012096211.tif 000006
【図５】
2012096211.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【手続補正書】
【提出日】平成24年5月24日(2012.5.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項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り、前記導電体は、前記磁気抵抗効果素子の並設方向と略同一方向に延在するように設けられていることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記導電体は、延在方向に直交する方向における断面が矩形状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】
前記磁気抵抗効果素子は、前記導電体の延在方向に沿って前記導電体と重畳するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の電流センサ。
【請求項４】
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から請求項３のいずれかに記載の電流センサ。
【手続補正書】
【提出日】平成25年7月10日(2013.7.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４３】
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の強磁性膜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。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００４６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００４６】
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３２ａ、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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
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＋０．４Ａ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。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
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図５および図６を用いて説明する。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、特定方向に感度軸方向を有する磁気抵抗効果素子１２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、図６に示すように強磁性固定層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。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
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奥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。
【国際調査報告】
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