(57)【要約】【課題】高精度の電流センサを提供する。【解決手段】実施形態によれば、第１センサ素子と、電線と、を含む電流センサが提供される。前記第１センサ素子は、第１電極と、第２電極と、第１積層体と、を含む。前記第１積層体は、第１磁性層と第２磁性層と第１中間層とを含む。前記第２磁性層は、前記第１磁性層と、前記第２電極との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記第２磁性層の磁化は、前記電線を流れる電流によって生じる磁界に応じて変化する。前記第２磁性層の少なくとも一部は、アモルファスである。【選択図】図１
2015125012.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第１積層体であって、
第１磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２電極との間に設けられた第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性の第１中間層と、
を含む第１積層体と、
を含む第１センサ素子と、
電線と、
を備え、
前記第２磁性層の磁化は、前記電線を流れる電流によって生じる磁界に応じて変化し、
前記第２磁性層の少なくとも一部は、アモルファスである電流センサ。
【請求項２】
第１電極と、
第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極との間に設けられた第１積層体であって、
第１磁性層と、
前記第１磁性層と、前記第２電極との間に設けられた第２磁性層と、
前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられた非磁性の第１中間層と、
を含む第１積層体と、
を含む第１センサ素子と、
電線と、
を備え、
前記第２磁性層の磁化は、前記電線を流れる電流によって生じる磁界に応じて変化し、
前記第２磁性層の少なくとも一部は、５原子パーセント以上３５原子パーセント以下のホウ素を含む電流センサ。
【請求項３】
前記第１積層体は、前記第２磁性層と前記第２電極との間に設けられ酸化物及び窒化物の少なくともいずれかを含む第１機能層をさらに含む請求項１または２記載の電流センサ。
【請求項４】
前記第１機能層は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷよりなる第１群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物材料、または、第１群から選択された少なくともいずれかの元素を含む窒化物材料、を含む請求項３記載の電流センサ。
【請求項５】
前記第１センサ素子は、前記電線の延在する方向と交差する方向において、前記電線と並ぶ請求項１〜３のいずれか１つに記載の電流センサ。
【請求項６】
第３電極と、
第４電極と、
前記第３電極と前記第４電極との間に設けられた第２積層体であって、
第３磁性層と、
前記第３磁性層と、前記第４電極との間に設けられた第４磁性層と、
前記第３磁性層と前記第４磁性層との間に設けられた非磁性の第２中間層と、
を含む第２積層体と、
を含む第２センサ素子をさらに備え、
前記第４磁性層の磁化は、前記磁界に応じて変化し、
前記第４磁性層の少なくとも一部は、アモルファスである請求項１〜５のいずれか１つに記載の電流センサ。
【請求項７】
第３電極と、
第４電極と、
前記第３電極と前記第４電極との間に設けられた第２積層体であって、
第３磁性層と、
前記第３磁性層と、前記第４電極との間に設けられた第４磁性層と、
前記第３磁性層と前記第４磁性層との間に設けられた非磁性の第２中間層と、
を含む第２積層体と、
を含む第２センサ素子をさらに備え、
前記第４磁性層の磁化は、前記磁界に応じて変化し、
前記第４磁性層の少なくとも一部は、５原子パーセント以上３５原子パーセント以下のホウ素を含む請求項１〜５のいずれか１つに記載の電流センサ。
【請求項８】
前記第２積層体は、前記第４磁性層と前記第４電極との間に設けられ酸化物及び窒化物の少なくともいずれかを含む第２機能層をさらに含む請求項６または７記載の電流センサ。
【請求項９】
前記第２機能層は、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷよりなる第１群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物材料、または、第１群から選択された少なくともいずれかの元素を含む窒化物材料、を含む請求項８記載の電流センサ。
【請求項１０】
前記第２センサ素子は、前記電線の延在する方向と交差する方向において、前記電線と並ぶ請求項６〜９のいずれか１つに記載の電流センサ。
【請求項１１】
前記第１センサ素子と前記電流の流れる電線との間の距離は、前記第２センサ素子と前記電線との間の距離よりも短い請求項６〜１０のいずれか１つに記載の電流センサ。
【請求項１２】
（ハードバイアス層）
前記第１センサ素子は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられ前記第１電極から前記第２電極へ向かう第１方向と交差する第２方向において前記第１積層体と並ぶ第１磁性バイアス層をさらに含む請求項１〜１１のいずれか１つに記載の電流センサ。
【請求項１３】
前記第２センサ素子は、
前記第３電極と前記第４電極との間に設けられ、前記第３電極から前記第４電極へ向かう第３方向と交差する第４方向において前記第２積層体と並ぶ第２磁性バイアス層をさらに含み、
前記第１磁性バイアス層と前記第１積層体との間の距離は、前記第２磁性バイアス層と前記第２積層体との間の距離よりも短い請求項１２記載の電流センサ。
【請求項１４】
前記第２センサ素子は、
前記第３電極と前記第４電極との間に設けられ、前記第３電極から前記第４電極へ向かう第３方向と交差する第４方向において前記第２積層体と並ぶ第２磁性バイアス層をさらに含み、
前記第１磁性バイアス層の磁気膜厚は、前記第２磁性バイアス層の磁気膜厚よりも厚い請求項１２記載の電流センサ。
【請求項１５】
前記第１センサ素子は、
前記第２電極と前記第２磁性層との間に設けられ、非磁性の分離層と、
前記分離層と前記第２電極との間に設けられたバイアス磁性層と、
前記バイアス磁性層と前記第２電極との間に設けられ、前記バイアス磁性層の磁化方向を固着するバイアスピニング層と、
をさらに含む請求項１〜１１記載のいずれか１つに記載の電流センサ。
【請求項１６】
前記第１センサ素子から得られる第１信号と、前記第２センサ素子から得られる第２信号と、を処理する処理部をさらに備えた請求項６〜１５のいずれか１つに記載の電流センサ。
【請求項１７】
前記処理部は、
前記第１信号を増幅するアンプと、
前記増幅された前記第１信号をデジタル信号に変換するアナログデジタル出力変換部と、
前記デジタル信号を保持するメモリ部と、
前記デジタル信号を送信する通信回路と、
を含む請求項１６記載の電流センサ。
【請求項１８】
前記処理部は、前記第１信号及び前記第２信号の少なくともいずれかにより求められた前記電流の大きさに基づいて、前記第１信号及び前記第２信号のいずれかに基づく信号を出力する請求項１６記載の電流センサ。
【請求項１９】
前記処理部は、
レジスタと、
マルチプレクサと、
第１コンパレータであって、前記第１信号と予め定められた第１基準値とを比較し、第１演算値を前記レジスタへ出力する第１コンパレータと、
第２コンパレータであって、前記第２信号と予め定められた第２基準値とを比較し、第２演算値を前記レジスタへ出力する第２コンパレータと、
を含み、
前記レジスタは、前記第１演算値及び前記第２演算値に基づく素子選択値を保持し、前記素子選択値を前記マルチプレクサに出力し、
前記マルチプレクサは、前記素子選択値、前記第１信号及び前記第２信号、に基づく信号を出力する請求項１６記載の電流センサ。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれか１つに記載の電流センサと、
筺体と、
前記電線と前記筺体との相対的な位置を規定する第１支持部と、
前記電流センサと前記筺体との相対的な位置を規定する第２支持部と、
を備えた電流センサモジュール。
【請求項２１】
前記第１磁性層から前記第２磁性層へ向かう方向は、前記電線の延在する方向と平行であり、
前記第２磁性層の前記磁化の方向は、前記電流が流れていないときに、前記電線から前記第１センサ素子へ向かう方向と、平行である請求項２０に記載の電流センサモジュール。
【請求項２２】
前記第１磁性層から前記第２磁性層へ向かう方向は、前記電線の延在する方向と垂直であり、
前記第２磁性層の前記磁化の方向は、前記電流が流れていないときに、前記電線の延在する方向と、平行である請求項２０に記載の電流センサモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電流センサ及び電流センサモジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
スピン技術を用いた電流センサが提案されている。電流センサは、例えば、スマートメータやＨＥＭＳ（Home Energy Management System）に用いられる。広いダイナミックレンジにおいて、このような電流センサの精度を向上させることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５２５０１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、高精度の電流センサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の実施形態によれば、第１センサ素子と、電線と、を含む電流センサが提供される。前記第１センサ素子は、第１電極と、第２電極と、第１積層体と、を含む。前記第１磁性層は、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられる。前記第２磁性層は、前記第１磁性層と、前記第２電極との間に設けられる。前記第１中間層は、前記第１磁性層と前記第２磁性層との間に設けられる。前記第２磁性層の磁化は、前記電線を流れる電流によって生じる磁界に応じて変化する。前記第２磁性層の少なくとも一部は、アモルファスである。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る電流センサを示す模式的斜視図である。
【図２】第１の実施形態に係る電流センサの一部を示す模式的斜視図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、電流センサの特性を示すグラフ図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、電流センサの特性を示すグラフ図である。
【図５】電流センサの特性を示すグラフ図である。
【図６】電流センサにおけるノイズの測定を示す模式図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第１の実施形態に係る電流センサの特性を示す顕微鏡像である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｄ）は、電流センサの特性を示す顕微鏡像である。
【図９】図９（ａ）及び図９（ｂ）は、第１の実施形態に係る電流センサの特性を示す模式図である。
【図１０】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、電流センサの特性を示す模式図である。
【図１１】第１の実施形態に係る電流センサを示す模式図である。
【図１２】第１の実施形態に係る電流センサの特性を示す顕微鏡像である。
【図１３】図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第１の実施形態に係る電流センサの特性を示す模式図である。
【図１４】第１の実施形態に係る電流センサの一部を示す模式的斜視図である。
【図１５】第１の実施形態に係る電流センサの一部を示す模式的斜視図である。
【図１６】第１の実施形態に係る電流センサの一部を示す模式的斜視図である。
【図１７】第１の実施形態に係る電流センサの一部を示す模式的斜視図である。
【図１８】第１の実施形態に係る電流センサの一部を示す模式的斜視図である。
【図１９】図１９（ａ）〜図１９（ｃ）は、第２の実施形態に係る電流センサを示す模式的斜視図である。
【図２０】図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、第２の実施形態に係る電流センサを示す模式図である。
【図２１】第２の実施形態に係る電流センサを示す模式的斜視図である。
【図２２】第２の実施形態に係る電流センサを示す模式的斜視図である。
【図２３】図２３（ａ）〜図２３（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを示す模式図である。
【図２４】図２４（ａ）〜図２４（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を示す模式図である。
【図２５】図２５（ａ）〜図２５（ｃ）は、第３の実施形態に係る別の電流センサモジュールを示す模式図である。
【図２６】図２６（ａ）〜図２６（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を示す模式図である。
【図２７】図２７（ａ）〜図２７（ｃ）は、第３の実施形態に係る別の電流センサモジュールを示す模式図である。
【図２８】図２８（ａ）および図２８（ｂ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールに用いられるセンサ素子を示す模式的斜視図である。
【図２９】第３の実施形態に係る電流センサモジュールの構成を示す模式的斜視図である。
【図３０】図３０（ａ）〜図３０（ｊ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの製造方法を示す模式図である。
【図３１】図３１（ａ）〜図３１（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを示す模式図である。
【図３２】図３２（ａ）〜図３２（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を示す模式図である。
【図３３】図３３（ａ）及び図３３（ｂ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを示す透視平面図である。
【図３４】第３の実施形態に係る電流センサモジュールを示す透視平面図である。
【図３５】第３の実施形態に係る電流センサを示す模式図である。
【図３６】図３６（ａ）〜図３６（ｄ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を示す模式図である。
【図３７】第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を示す模式図である。
【図３８】第３の実施形態に係る電流センサを示す模式図である。
【図３９】第３の実施形態に係る電流センサモジュールを示す模式図である。
【図４０】図４０（ａ）〜図４０（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを示す模式図である。
【図４１】図４１（ａ）〜図４１（ｄ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００８】
（第１の実施形態）  
図１（ａ）及び図１（ｂ）は、第１の実施形態に係る電流センサを例示する模式的斜視図である。  
図１（ａ）は、第１の実施形態に係る電流センサ２００の構成を例示している。  
図１（ａ）に表したように、実施形態に係る電流センサ２００は、センサ素子５０（第１センサ素子５１）を含む。電流センサ２００は、電線７０（電流線）をさらに含んでもよい。この例では、センサ素子５０は、電線７０の延在する方向に対して交差する方向において、電線７０と並ぶ（例えば、離間する）。電流センサ２００は、電線７０に流れる電流を検知する。
【０００９】
電線７０には、例えば、電流Ｉ１が流れる。電流Ｉ１によって、電線７０の周りに磁界Ｈ１が生じる。電流センサ２００は、磁界Ｈ１を用いて電線７０に流れる電流Ｉ１を検知する。
【００１０】
図１（ｂ）は、センサ素子５０（第１センサ素子５１）の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１（ｂ）に表したように、第１センサ素子５１は、第１電極Ｅ１と、第２電極Ｅ２と、第１積層体１０ｓと、を含む。
【００１１】
第１積層体１０ｓは、第１電極Ｅ１と、第２電極Ｅ２と、の間に設けられる。第１積層体１０ｓは、第１磁性層１０と、第２磁性層２０と、中間層３０（第１中間層）と、を含む。
【００１２】
第１磁性層１０は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に設けられる。第２磁性層２０は、第１磁性層１０と第２電極Ｅ２との間に設けられる。中間層３０は、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間に設けられる。
【００１３】
第１磁性層１０から第２磁性層２０へ向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｘ軸方向に対して垂直で、Ｚ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
【００１４】
この例では、電線７０の延在する方向は、Ｚ軸方向に沿う。電線７０の延在する方向は、Ｘ軸方向に沿ってもよい。但し、実施形態においては、電線７０の延在する方向は、上記に限られない。
【００１５】
第２磁性層２０は、アモルファス部分を含む。第２磁性層２０は、例えば、ホウ素（Ｂ）を含む。第２磁性層２０の磁化（の方向）は、可変である。第２磁性層２０の磁化は、磁界Ｈ１に応じて変化する。第２磁性層２０は、例えば、アモルファス構造を有する。後述するように、第２磁性層２０は、アモルファス部分と、結晶部分と、を含んでも良い。すなわち、第２磁性層２０の少なくとも一部は、アモルファスである。
【００１６】
中間層３０は、例えば、非磁性層である。第２磁性層２０は、例えば、磁化自由層である。第１磁性層１０は、例えば、参照層である。参照層として、磁化固定層、または、磁化自由層が用いられる。例えば、第２磁性層２０の磁化の変化は、第１磁性層１０の磁化の変化よりも容易である。磁界Ｈ１が生じたときに、第１磁性層１０の磁化と第２磁性層１０の磁化との間の相対角度は、変化する。
【００１７】
第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に電圧を印加することで、第１磁性層１０、中間層３０、第２磁性層２０を含む第１積層体１０ｓに電流を流すことができる。電流は、第１磁性層１０と第２磁性層２０との間において、例えば、Ｚ軸方向に沿っている。これにより、センサ素子５０における電気抵抗を測定することができる。センサ素子５０における電気抵抗は、磁界Ｈ１によって変化する。この電気抵抗の変化を用いて、電線７０に流れる電流Ｉ１を検知する。
【００１８】
センサ素子が、センサとして機能する動作は、「磁気抵抗効果」の応用に基づく。「磁気抵抗効果」は、例えば、磁化自由層と中間層と参照層（例えば磁化固定層）との積層膜において発現する。磁化自由層に磁界が印加されると、磁化自由層における磁化の方向が変化する。その結果、磁化自由層の磁化と参照層（例えば磁化固定層）の磁化との間の相対角度が変化する。この際に「磁気抵抗効果（ＭＲ効果）」により、電気抵抗の変化が引き起こされる。ＭＲ効果は、例えば、ＧＭＲ（Giant magnetoresistance）効果、または、ＴＭＲ(Tunneling magnetoresistance)効果などを含む。第１積層体１０ｓに電流を流すことで、磁化の向きの相対角度の変化を電気抵抗変化として読み取ることで、ＭＲ効果が発現する。例えば、第１積層体１０ｓに磁界Ｈ１が印加され、磁界Ｈ１によって第２磁性層２０（磁化自由層）の磁化の向きが変化する。第２磁性層２０の磁化の向きと、第１磁性層１０（参照層）の磁化の向きと、の相対角度が変化する。すなわち、電線７０を流れる電流Ｉ１によって生じる磁界Ｈ１によってＭＲ効果が発現する。
【００１９】
磁化自由層と中間層と参照層（例えば磁化固定層）との積層体の材料の組み合わせが正の磁気抵抗効果を有する場合は、磁化自由層と磁化固定層の相対角度が小さい場合に電気抵抗が減少する。磁化自由層と中間層と磁化固定層との積層体の材料の組み合わせが負の磁気抵抗効果を有する場合は、磁化自由層と磁化固定層の相対角度が小さい場合に電気抵抗が増大する。
【００２０】
センサ素子５０の例について説明する。  
以下において、「材料Ａ／材料Ｂ」の記載は、材料Ａの層の上に、材料Ｂの層が設けられている状態を示す。
【００２１】
図２は、第１の実施形態に係る電流センサの一部を例示する模式的斜視図である。  
図２に表したように、本実施形態に用いられるセンサ素子５０（センサ素子５１ａ）は、第１電極Ｅ１と、下地層１０ｌと、ピニング層１０ｐと、第１磁性層１０と、中間層３０と、第２磁性層２０と、機能層２５と、キャップ層２６ｃと、を含む。第１電極Ｅ１と第１磁性層１０との間に下地層１０ｌが設けられる。下地層１０ｌと第１磁性層１０との間に、ピニング層１０ｐが設けられる。第２電極Ｅ２と第２磁性層２０との間に、機能層２５が設けられる。機能層２５と第２電極Ｅ２との間に、キャップ層２６ｃが設けられる。この例では、第１磁性層１０は、第１磁化固定層１０ｉと、第２磁化固定層１０ｊと、磁気結合層１０ｋと、を含む。第２磁化固定層１０ｊと中間層３０との間に第１磁化固定層１０ｉが設けられる。第２磁化固定層１０ｊと、第１磁化固定層１０ｉと、の間に、磁気結合層１０ｋが設けられる。
【００２２】
下地層１０ｌには、例えば、Ｔａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さ（Ｚ軸方向の長さ）は、例えば、３ナノメートル（ｎｍ）である。このＲｕ層の厚さは、例えば、２ｎｍである。  
ピニング層１０ｐには、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒＭｎ層が用いられる。
【００２３】
第２磁化固定層１０ｊには、例えば、２．５ｎｍの厚さのＣｏ７５Ｆｅ２５層が用いられる。  
磁気結合層１０ｋには、例えば、０．９ｎｍの厚さのＲｕ層が用いられる。  
第１磁化固定層１０ｉには、例えば、３ｎｍの厚さのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層が用いられる。  
中間層３０には、例えば、１．６ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層が用いられる。
【００２４】
第２磁性層２０には、例えば、４ｎｍの厚さのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０が用いられる。
【００２５】
機能層２５には、例えば、１．５ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層が用いられる。  
キャップ層２６ｃには、例えばＴａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。  
第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２には、例えば、金属が用いられる。
【００２６】
以下、実施形態に係るセンサ素子の特性の例について説明する。  
第１試料Ｓ０１に含まれる各層の材料と厚さは、以下である。  
下地層１０ｌ          ：Ｔａ（１ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）
ピニング層１０ｐ      ：Ｉｒ２２Ｍｎ７８  （７ｎｍ）
第２磁化固定層１０ｊ  ：Ｃｏ７５Ｆｅ２５  （２．５ｎｍ）
磁気結合層１０ｋ      ：Ｒｕ  （０．９ｎｍ）
第１磁化固定層１０ｉ  ：Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０  （３ｎｍ）
中間層３０            ：Ｍｇ−Ｏ  （１．６ｎｍ）
第２磁性層２０        ：Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０  （４ｎｍ）
機能層２５          ：Ｍｇ−Ｏ  （１．５ｎｍ）
キャップ層２６ｃ      ：Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（２０ｎｍ）／Ｒｕ（５０ｎｍ）
第１試料Ｓ０１においては、第２磁性層２０は、アモルファス部分を含む。例えば、機能層２５を設けることによって、第２磁性層２０をアモルファスとすることができる。  
参考例の第２試料Ｓ０２においては、第２磁性層２０は、アモルファス部分を含まない。例えば、第２試料Ｓ０２には機能層２５が設けられない。これ以外の第２試料Ｓ０２の構成は、第１試料Ｓ０１と同じである。
【００２７】
上記の積層膜は、第１電極Ｅ１の上に形成され、積層膜の上に、第２電極Ｅ２が形成される。上記の積層膜（第１試料Ｓ０１及び第２試料Ｓ０２）は、ドット形状の素子に加工されている。積層膜（試料）の素子サイズは、２０μｍ×２０μｍである。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間の、垂直通電特性が評価される。
【００２８】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、電流センサの特性を例示するグラフ図である。  
図３（ａ）は、第１試料Ｓ０１における電気抵抗の磁場依存性を例示している。図３（ｂ）は、第２試料Ｓ０２における電気抵抗の磁場依存性を例示している。
【００２９】
これらの図の横軸は、外部磁場Ｈ（エルステッド：Ｏｅ）である。縦軸は、電気抵抗Ｒ（オーム：Ω）である。測定時の外部磁場Ｈの方向は、第１磁化固定層１０ｉの層面内で、平行な方向である。負の外部磁場Ｈは、第１磁化固定層１０ｉの磁化の方向と、同じ方向の磁場に対応する。
【００３０】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に表したように、第１試料Ｓ０１におけるＲ−Ｈループの形状と、第２試料Ｓ０２におけるＲ−Ｈループの形状と、は、異なる。磁化が飽和していない領域において、第１試料Ｓ０１の外部磁場に対する変化は、第２試料Ｓ０２の外部磁場に対する変化よりも低磁場で生じるとともに、角型性がよく急峻である。このような良好な特性はセンサのしての線形性（リニアリティー）の向上につながる特性である。。第１試料Ｓ０１の軟磁気特性は、第２試料Ｓ０２の軟磁気特性よりも良好である。例えば、磁化自由層（第２磁性層２０）がアモルファスを含むことで、軟磁気特性が向上する。これは、結晶粒に基づく磁気異方性のばらつきが低減されることに基づく。具体的には、磁化自由層の磁化容易軸の保磁力Ｈｃが小さくなることが分かる。第１試料Ｓ０１における軟磁気特性と、参考例の第２試料Ｓ０２における軟磁気特性との差は、明瞭である。本発明による特性の向上は、明瞭である。これは、弱い磁界においても磁化自由層の不要な磁気異方性の影響を受けずに、磁化方向が変化可能であることを意味する。
【００３１】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、電流センサの特性を例示するグラフ図である。  
図４（ａ）は、第１試料Ｓ０１における磁化Ｂと外部磁場Ｈとの関係を例示している。  
図４（ｂ）は、参考例の第２試料Ｓ０２における磁化Ｂと外部磁場Ｈとの関係を例示している。  
図４（ａ）及び図４（ｂ）においては、磁化自由層の磁化困難軸方向に磁場が印加されている。
【００３２】
図４（ａ）に表したように、第１試料Ｓ０１においては、磁化困難軸方向においても直線性のよい、良好な線形性（リニアリティー）の応答が得られており、磁気異方性が適切に付与されていることがわかる。これはアナログ値を読むことが必要とされるアナログセンサとしては、極めて重要な指標である。
【００３３】
一方、図４（ｂ）に表したように、磁化自由層に結晶のＣｏＦｅＢが用いられた参考例の第２試料Ｓ０２においては、困難軸方向のＢ−Ｈループでも保持力が生じている。これでは、アナログセンサとして活用することはできない。
【００３４】
本実施形態のように磁化自由層がアモルファスのＣｏＦｅＢを含む場合には、保持力が小さく（無く）、Ｂ−Ｈループは良好な線形性を示す。これは、例えば、成膜時の磁場中成膜によって付与された誘導磁気異方性に起因する。誘導磁気異方性は、成膜後のポスト処理の磁場中アニールによっても追加付与される場合がある。第１試料Ｓ０１は、例えば、３００℃において磁場中でアニールされる。例えば、容易軸方向の保磁力Ｈｃが小さい場合には、どの方向にも異方性が付与されない可能性もある。しかし、実施形態においては、図４（ａ）に表したように、保磁力Ｈｃが小さいまま、磁気異方性が適切に付与されていることがわかる。参考例との差、及び、本発明による特性の向上は、明瞭である。
【００３５】
なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）は、磁化自由層に磁場バイアスが付与されないシート膜を用いた場合の特性を例示している。実際の電流センサには、ハードバイアス膜やインスタックバイアスなどのバイアス機構が設けられる。これにより、さらに良好な線形性を示す特性となる。
【００３６】
一方、ＭＲ変化率は、アモルファス構造とすることで低下する。参考例の結晶構造をもつ磁化自由層を用いた場合は、ＭＲ変化率は、２００％程度である。それに対し、実施形態のようにアモルファス構造の磁化自由層を用いた場合は、ＭＲ変化率は、例えば、１５０％程度に低下する。
【００３７】
中間層にＭｇＯを用いた場合には、磁化自由層の結晶化を促進しないとＭＲ変化率が増大しないことが知られている。ＨＤＤ（Hard Disk Drive）の磁気ヘッド、及び、ＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）では、このＭＲ変化率の低下は、致命的な欠点となる。これは、ＨＤＤヘッド及びＭＲＡＭは、”０”か”１”かのデジタル信号を読むデバイスであるためである。このため、ＨＤＤヘッド及びＭＲＡＭにおいては、ＭＲ変化に基づく出力信号の強度が、そのままデバイスの性能に直結する。
【００３８】
しかし、実施形態に係る電流センサのように、電流による磁界の大きさを検知するアナログセンサの用途においては、ＭＲ変化率の大きさが最大の性能指標とはならない。アナログセンサにおいてもＭＲ変化率が大きいことが望ましいことは、同様である。しかし、アナログセンサは、”０”か”１”かの１ｂｉｔの情報を読むデバイスではない。アナログセンサは、磁化自由層の磁化アライメントに基づく低抵抗状態と高抵抗状態との間の変化をアナログ値として検知する。このアナログ値は、デジタル値に変換した場合に、例えば、１６ｂｉｔ〜２４ｂｉｔに相当する。アナログセンサは、このような非常に高精度な検知を求められる。アナログセンサは、ＨＤＤヘッド及びＭＲＡＭのように、１ｂｉｔの情報を検知するためのデバイスとは対照的である。アナログセンサに求められる性能は、ＨＤＤヘッド及びＭＲＡＭに求められる性能と、大きく異なる。このようなアナログセンサは、１６ｂｉｔ〜２４ｂｉｔのデジタル情報に相当する膨大な情報を識別することが求められる。このため、単なる出力の大きさという指標だけでなく、図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したような困難軸方向の線形応答性（リニアリティー）が良好であることが非常に重要である。困難軸方向の線形応答性において、いかに多くの領域がヒステリシスなく反応するかによって、アナログセンサの性能が決まる。図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、磁化自由層がアモルファスを含む場合には、参考例に比べて大きく特性が改善する。このため、ＭＲ変化率が２００％から１５０％へと３／４に低下したとしても、アモルファスを含む磁化自由層の方が望ましいことを本発明者は、見出した。これは、従来のＨＤＤヘッドの分野またはＭＲＡＭの分野で議論されている方向性とは全く逆の方向性である。
【００３９】
ＨＤＤヘッド及びＭＲＡＭなどの分野においては、線形応答性（リニアリティー）の良し悪しよりも、出力が大きいことが重要であるので、ＭＲ変化率が低下しないような工夫が非常に重要となっている。
【００４０】
図５は、電流センサの特性を例示するグラフ図である。  
図５は、第１試料Ｓ０１を用いた電流センサにおけるノイズと、第２試料Ｓ０２を用いた電流センサにおけるノイズを例示している。実施形態のようにアモルファス構造を含む磁化自由層を用いることで、上述のような線形性の改善に加え、ノイズが著しく低減されることを実験的に見出した。アナログセンサの場合には、１６〜２４ｂｉｔのデジタル情報量に相当する情報を検知する。このため、センサ自体のノイズを大きく低減させることが強く求められる。ＭＲ変化率が３／４倍程度に低減することを、大きく上回るメリットを実験的に確認することができた。ＭＲ変化率が３／４倍に低減するこということは、信号出力が３／４倍になることを意味する。これは、信号出力の低下に伴いＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が２．５ｄＢ低下することに相当する。一方、ノイズの低減は、実験的に７ｄＢ〜１１ｄＢにも相当した。つまり、信号出力の低下によってＳＮＲが２．５ｄＢ低下したとしても、ノイズの低減を考慮すると、ＳＮＲは４．５ｄＢ〜８．５ｄＢ程度改善する。実施形態においては、上述のような線形性の改善に加え、ＳＮＲが４．５ｄＢ〜８．５ｄＢ程度改善するという大きなメリットが生じる。
【００４１】
以下に実験概要について詳述する。  
磁化自由層がアモルファス構造を含む第１試料Ｓ０１と、磁化自由層が結晶構造である参考例の第２試料Ｓ０２と、の比較を行った。  
図６は、電流センサにおけるノイズの測定を例示する模式図である。
【００４２】
図６に表したように、定電流源８１において一定のＤＣ電流を電流センサ２００ａに通電し、電流センサ２００ａの両端に電圧を発生させる。増幅回路８２を用いて、発生した電流センサの両端の電圧を、測定可能な電圧まで増幅する。ＦＦＴアナライザ８３を用いて、パワースペクトル測定を行う。なお、高精度の測定を行えるように、定電流源及び増幅回路は、電池により駆動させる。
【００４３】
実施形態に係る電流センサの自己ノイズにおいては、３つのノイズが支配的である。３つのノイズは、２つの周波数無相関ノイズ及び１つの周波数相関ノイズである。
【００４４】
本実施形態に係る電流センサは、例えば、トンネル伝導を用いた可変抵抗体である。周波数無相関ノイズには、抵抗値によって決まるジョンソンノイズ（熱ノイズ）と、抵抗値と電流値によって決まるショットノイズと、がある。そのため、周波数無相関ノイズは、抵抗値及び電流値によって、（例えば一意に）決定される。
【００４５】
実施形態に係る電流センサにおける周波数有相関ノイズは、例えば、ＣＭＯＳトランジスタと同様に素子電圧（素子抵抗×電流値）、素子サイズ及び物性値パラメータ（hoogle value）によって決まるフリッカノイズである。そのため、周波数無相関ノイズは、抵抗値、電流値、素子サイズ及び物性値パラメータによって、（例えば一意に）決定される。
【００４６】
本ノイズ測定においては、第１試料Ｓ０１における抵抗値、電流値、及び素子サイズは、それぞれ、第２試料Ｓ０２における抵抗値、電流値、及び素子サイズと実質的に同じに設定される。そのため、第１試料Ｓ０１におけるノイズと、第２試料Ｓ０２におけるノイズとの差は、物性値パラメータの差を表している。
【００４７】
図５の縦軸は、増幅後のノイズ出力Noise  （ｄＢｒｍｓ／√Ｈｚ）である。図５の横軸は、サンプルの違いを表す。図５に表したように、第１試料Ｓ０１のノイズは、第２試料Ｓ０２のノイズよりも、７．６ｄＢ〜１１．３ｄＢ程度低い。これは、第１試料Ｓ０１の１／ｆノイズパラメータ（Hooge value）は、第２試料Ｓ０２の物性値パラメータよりも低いことを表している。
【００４８】
図５に表したように、第１試料Ｓ０１においては、第２試料Ｓ０２におけるよりも、ノイズＮが７．６ｄＢ〜１１．３ｄＢ程度低い。このように、磁化自由層（第２磁性層２０）をアモルファスとすることで、軟磁気特性が向上し、ノイズを抑制することができる。
【００４９】
例えば、第２試料Ｓ０２のような磁化自由層がアモルファスを含まない積層体は、比較的感度が高い。このため、磁化自由層がアモルファスを含まない積層体は、広く用いられている。例えば、この積層体は、ハードディスクの磁気ヘッドなどに用いられている。
【００５０】
一方、アナログセンサにおいては、例えば、感度よりも精度を向上することが望まれる。第１試料Ｓ０１は、第２試料Ｓ０２と比べると軟磁気特性が良好である。第２試料Ｓ０２を電流センサに用いた場合、高精度で電流を検知することが難しい場合がある。これに対して、実施形態においては、磁化自由層をアモルファスとすることで、ＭＲ効果のリニアリティが向上し、ノイズが抑制される。第１試料Ｓ０１を、電流センサのようなアナログセンサに用いることで、高精度な検知を実現することができる。
【００５１】
図７（ａ）〜図７（ｄ）は、第１の実施形態に係る電流センサの特性を例示する顕微鏡像である。
【００５２】
図７（ａ）は、第１試料Ｓ０１のセンサ素子の断面透過型電子顕微鏡（断面ＴＥＭ）写真像である。図７（ａ）は、第１試料Ｓ０１の積層構造の写真である。
【００５３】
図７（ｂ）〜図７（ｄ）は、それぞれ、図７（ａ）の点Ｐ１〜Ｐ３についての、電子線のナノディフラクションによる結晶格子回折像である。  
図７（ａ）においては、第２磁化固定層１０ｊ（Ｃｏ５０Ｆｅ５０層）の一部からキャップ層２６ｃ（Ｒｕ層）の一部までを含めた領域が示されている。
【００５４】
図７（ａ）からわかるように、第１磁化固定層１０ｉ（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層）は、結晶部分を含んでいる。中間層３０（Ｍｇ−Ｏ層）も結晶である。一方、中間層３０と機能層２５（Ｍｇ−Ｏ層）に挟まれた第２磁性層２０（磁化自由層であるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層）の大部分においては、原子の規則的な配列が観察されない。すなわち、第２磁性層２０は、アモルファスである。
【００５５】
結晶格子回折像により、結晶状態が確認できる。図７（ａ）における点Ｐ１〜Ｐ３の結晶格子回折像が、図７（ｂ）〜図７（ｄ）にそれぞれ示されている。点Ｐ１は、第１磁化固定層１０ｉに対応する。点Ｐ２は、中間層３０に対応する。点Ｐ３は、第２磁性層２０（磁化自由層）に対応する。
【００５６】
図７（ｂ）に示すように、第１磁化固定層１０ｉ（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層）に対応する点Ｐ１の回折像において、回折スポットが観察される。この回折スポットは、第１磁化固定層１０ｉが結晶構造を有していることに起因する。
【００５７】
図７（ｃ）に示すように、中間層３０（Ｍｇ−Ｏ層）に対応する点Ｐ２の回折像において、回折スポットが観察されている。この回折スポットは、中間層３０が結晶構造を有していることに起因する。  
一方、図７（ｄ）に示すように、第２磁性層２０（磁化自由層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層）に対応する点Ｐ３の回折像においては、明確な回折スポットが観察されない。この回折像においては、アモルファス構造を反映したリング状の回折像が観察されている。この結果から、第１試料Ｓ０１の第２磁性層２０（磁化自由層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層）が、アモルファス部分を含んでいることがわかる。
【００５８】
図８（ａ）〜図８（ｄ）は、電流センサの特性を例示する顕微鏡像である。  
図８（ａ）は、第２試料Ｓ０２のセンサ素子の断面透過型電子顕微鏡（断面ＴＥＭ）写真像である。図８（ｂ）〜図８（ｄ）は、それぞれ、図８（ａ）の点Ｐ４〜Ｐ６についての、電子線のナノディフラクションによる結晶格子回折像である。
【００５９】
図８（ａ）からわかるように、第１磁化固定層１０ｉ（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層）は結晶部分を含み、中間層３０（Ｍｇ−Ｏ層）も結晶である。そして、中間層３０の上の第２磁性層２０（磁化自由層であるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層）も、結晶部分を多く含んでいる。
【００６０】
図８（ｂ）に示すように、第１磁化固定層１０ｉ（Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ層）の回折像において、結晶構造に起因する回折スポットが確認される。  
図８（ｃ）に示すように、中間層３０（Ｍｇ−Ｏ層）の回折像において、結晶構造に起因した回折スポットが確認される。  
図８（ｄ）に示すように、第２磁性層２０（磁化自由層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層）の回折像においても、結晶構造に起因する回折スポットが確認される。この結果から、第２試料Ｓ０２の第２磁性層２０（磁化自由層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層）の大部分は、結晶構造を有していることがわかる。
【００６１】
図７（ａ）〜図７（ｄ）からわかるように、良好な軟磁気特性を示す第１試料Ｓ０１の磁化自由層は、アモルファス構造を含んでいる。一方、図８（ａ）〜図８（ｄ）からわかるように、第２試料Ｓ０２の磁化自由層は、結晶構造を有している。
【００６２】
本明細書において、結晶構造及びアモルファス構造は、上述のように、回折スポット測定によって、スポット状になるか、リング状になるかで区別される。アモルファス構造においては、その領域の回折を観測したときにリング状になる。
【００６３】
第１試料Ｓ０１及び第２試料Ｓ０２の磁化自由層の結晶状態に違いについて、さらに説明する。  
図９（ａ）、図９（ｂ）、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、電流センサの特性を例示する模式図である。  
図９（ｂ）は、図７（ａ）の一部に対応し、図１０（ｂ）は、図８（ａ）の一部に対応する。  
図９（ａ）及び図１０（ａ）は、電子エネルギー損失分光法（Electron Energy-Loss Spectroscopy：ＥＥＬＳ）による、試料の元素のデプスプロファイルの評価結果である。図９（ａ）は、第１試料Ｓ０１に対応し、図７（ａ）に示した線Ｌ１における元素のデプスプロファイルを示す。図１０（ｂ）は、第２試料Ｓ０２に対応し、図８（ａ）に示した線Ｌ２における元素のデプスプロファイルを示す。これらの図において、横軸は、元素の検出の強度Ｉｎｔ（任意単位）である。縦軸は、深さＤｐ（ｎｍ）である。深さＤｐは、例えば、Ｚ軸方向における距離に対応する。これらの図においては、鉄、ホウ素及び酸素に関するデプスプロファイルが示されている。
【００６４】
図１０（ａ）に示したように、第２試料Ｓ０２においては、キャップ層２６ｃにおけるホウ素の強度Ｉｎｔが、第２磁性層２０（磁化自由層であるＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層）におけるホウ素の強度Ｉｎｔよりも高い。第２磁性層２０において、キャップ層２６ｃ側の側の部分におけるホウ素の強度Ｉｎｔは、第２磁性層２０の中央部分におけるホウ素の強度Ｉｎｔよりも高い。ホウ素が、第２磁性層２０からキャップ層２６ｃ側に拡散しており、第２磁性層２０におけるホウ素の濃度が低下していると考えられる。
【００６５】
一方で、図９（ａ）に示したように、第１試料Ｓ０１においては、第２磁性層２０（磁化自由層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層）の中央部分において、ホウ素のピークが生じている。そして、キャップ層２６ｃのホウ素含有量は少ない。第２磁性層２０（磁化自由層のＣｏ−Ｆｅ−Ｂ層）のホウ素濃度は、他の層にほとんど拡散せずに成膜時の初期状態を維持している。例えば、機能層２５によって、第２磁性層２０からのホウ素の拡散が抑制される。
【００６６】
上記の結果から、機能層２５を設けない第２試料Ｓ０２のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層における結晶化が、第１試料Ｓ０１のＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層よりも進行していると言える。すなわち、第１試料Ｓ０１においては、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層は、アモルファス構造を維持している。一方、第２試料Ｓ０２においては、結晶化が進行している。例えば、実施形態において、第２磁性層２０は、ホウ素を含む。これにより、第２磁性層２０はアモルファス構造を維持する。
【００６７】
以下、実施形態に係るセンサ素子の例について説明する。  
第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２には、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム銅合金（Ａｌ−Ｃｕ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、及び、金（Ａｕ）の少なくともいずれかが用いられる。第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２として、このような電気抵抗が比較的小さい材料を用いることで、センサ素子５１ａに効率的に電流を流すことができる。第１電極Ｅ１には、非磁性材料を用いることができる。第１電極Ｅ１は、例えば、第１電極Ｅ１用の下地層（図示せず）と、第１電極Ｅ１用のキャップ層（図示せず）と、それらの間に設けられた、Ａｌ、Ａｌ−Ｃｕ、Ｃｕ、Ａｇ、及び、Ａｕの少なくともいずれかの層と、を含んでも良い。下地層及びキャップ層には、例えば、Ｔａ、ＴｉまたはＴｉＮなどが用いられる。
【００６８】
下地層１０ｌには、例えば、バッファ層（図示せず）と、シード層（図示せず）と、を含む積層構造を用いることができる。このバッファ層は、例えば、第１電極Ｅ１の表面の荒れを緩和し、このバッファ層の上に積層される層の結晶性を改善する。バッファ層として、例えば、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、タングステン（Ｗ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）及びクロム（Ｃｒ）よりなる群から選択された少なくともいずれかが用いられる。バッファ層として、これらの材料から選択された少なくとも１つの材料を含む合金を用いても良い。
【００６９】
下地層１０ｌのうちのバッファ層の厚さは、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。バッファ層の厚さは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下がより好ましい。バッファ層の厚さが薄すぎると、バッファ効果が失われる。バッファ層の厚さが厚すぎると、センサ素子５１ａの厚さが過度に厚くなる。バッファ層の上にシード層が形成され、そのシード層がバッファ効果を有することができる。この場合、バッファ層は省略しても良い。バッファ層には、例えば、３ｎｍの厚さのＴａ層が用いられる。
【００７０】
下地層１０ｌのうちのシード層は、このシード層の上に積層される層の結晶配向を制御する。このシード層は、このシード層の上に積層される層の結晶粒径を制御する。このシード層として、ｆｃｃ構造（face-centered cubic structure：面心立方格子構造）、ｈｃｐ構造（hexagonal close-packed structure：六方最密格子構造）またはｂｃｃ構造（body-centered cubic structure：体心立方格子構造）の金属等が用いられる。
【００７１】
下地層１０ｌのうちのシード層として、ｈｃｐ構造のルテニウム（Ｒｕ）、または、ｆｃｃ構造のＮｉＦｅ、または、ｆｃｃ構造のＣｕを用いることにより、例えば、シード層の上のスピンバルブ膜の結晶配向をｆｃｃ（１１１）配向にすることができる。シード層には、例えば、２ｎｍの厚さのＣｕ層、または、２ｎｍの厚さのＲｕ層が用いられる。シード層の上に形成される層の結晶配向性を高める場合には、シード層の厚さは、１ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。シード層の厚さは、１ｎｍ以上３ｎｍ以下がより好ましい。これにより、結晶配向を向上させるシード層としての機能が十分に発揮される。
【００７２】
一方、例えば、シード層の上に形成される層を結晶配向させる必要がない場合（例えば、アモルファスの磁化自由層を形成する場合など）には、シード層は省略しても良い。シード層としては、例えば、２ｎｍの厚さのＲｕ層が用いられる。
【００７３】
ピニング層１０ｐは、例えば、ピニング層１０ｐの上に形成される第１磁性層１０（強磁性層）に、一方向異方性（unidirectional anisotropy）を付与して、第１磁性層１０の磁化１０ｍを固定する。ピニング層１０ｐには、例えば、反強磁性層が用いられる。ピニング層１０ｐには、例えば、Ｉｒ―Ｍｎ、Ｐｔ―Ｍｎ、Ｐｄ―Ｐｔ―Ｍｎ及びＲｕ―Ｒｈ―Ｍｎよりなる群から選択された少なくともいずれかが用いられる。十分な強さの一方向異方性を付与するために、ピニング層１０ｐの厚さは適切に設定される。
【００７４】
ピニング層１０ｐとして、ＰｔＭｎまたはＰｄＰｔＭｎが用いられる場合には、ピニング層１０ｐの厚さは、８ｎｍ以上２０ｎｍ以下が好ましい。ピニング層１０ｐの厚さは、１０ｎｍ以上１５ｎｍ以下がより好ましい。ピニング層１０ｐとしてＩｒＭｎを用いる場合には、ピニング層１０ｐとしてＰｔＭｎを用いる場合よりも薄い厚さで、一方向異方性を付与することができる。この場合には、ピニング層１０ｐの厚さは、４ｎｍ以上１８ｎｍ以下が好ましい。ピニング層１０ｐの厚さは、５ｎｍ以上１５ｎｍ以下がより好ましい。ピニング層１０ｐには、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒ２２Ｍｎ７８層が用いられる。
【００７５】
ピニング層１０ｐとして、ハード磁性層を用いても良い。ハード磁性層として、例えば、ＣｏＰｔ（Ｃｏの比率は、５０ａｔ．％以上８５ａｔ．％以下）、（ＣｏｘＰｔ１００−ｘ）１００−ｙＣｒｙ（ｘは、５０ａｔ．％以上８５ａｔ．％以下であり、ｙは、０ａｔ．％以上４０ａｔ．％以下）、または、ＦｅＰｔ（Ｐｔの比率は、４０ａｔ．％以上６０ａｔ．％以下）などを用いても良い。
【００７６】
第２磁化固定層１０ｊには、例えば、ＣｏｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下）、ＮｉｘＦｅ１００−ｘ合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下）、または、これらに非磁性元素を添加した材料が用いられる。第２磁化固定層１０ｊとして、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉよりなる群から選択された少なくともいずれかが用いられる。第２磁化固定層１０ｊとして、これらの材料から選択された少なくとも１つの材料を含む合金を用いても良い。第２磁化固定層１０ｊとして、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙ合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下であり、ｙは、０ａｔ．％以上３０ａｔ．％以下）を用いることもできる。第２磁化固定層１０ｊとして、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙのアモルファス合金を用いることで、センサ素子５１ａのサイズが小さい場合にも、センサ素子５１ａの特性のばらつきを抑えることができる。
【００７７】
第２磁化固定層１０ｊの厚さは、例えば、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。これにより、例えば、ピニング層１０ｐによる一方向異方性磁界の強度をより強くすることができる。例えば、第２磁化固定層１０ｊの上に形成される磁気結合層１０ｋを介して、第２磁化固定層１０ｊと第１磁化固定層１０ｉとの間の反強磁性結合磁界の強度をより強くすることができる。例えば、第２磁化固定層１０ｊの磁気膜厚（飽和磁化Ｂｓと厚さｔとの積（Ｂｓ・ｔ））は、第１磁化固定層１０ｉの磁気膜厚と、実質的に等しいことが好ましい。
【００７８】
薄膜でのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０の飽和磁化は、約１．９Ｔ（テスラ）である。例えば、第１磁化固定層１０ｉとして、３ｎｍの厚さのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層を用いると、第１磁化固定層１０ｉの磁気膜厚は、１．９Ｔ×３ｎｍであり、５．７Ｔｎｍとなる。一方、Ｃｏ７５Ｆｅ２５の飽和磁化は、約２．１Ｔである。上記と等しい磁気膜厚が得られる第２磁化固定層１０ｊの厚さは、５．７Ｔｎｍ／２．１Ｔであり、２．７ｎｍとなる。この場合、第２磁化固定層１０ｊには、約２．７ｎｍの厚さのＣｏ７５Ｆｅ２５層を用いることが好ましい。第２磁化固定層１０ｊとして、例えば、２．５ｎｍの厚さのＣｏ７５Ｆｅ２５層が用いられる。
【００７９】
センサ素子５１ａにおいては、第１磁性層１０には、第２磁化固定層１０ｊと磁気結合層１０ｋと第１磁化固定層１０ｉとにより、シンセティックピン構造が用いられている。第１磁性層１０に、１層の磁化固定層からなるシングルピン構造を用いても良い。シングルピン構造を用いる場合には、磁化固定層として、例えば、３ｎｍの厚さのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層が用いられる。シングルピン構造の磁化固定層に用いる強磁性層として、上述した第２磁化固定層１０ｊの材料と同じ材料を用いても良い。
【００８０】
磁気結合層１０ｋは、第２磁化固定層１０ｊと第１磁化固定層１０ｉとの間において、反強磁性結合を生じさせる。磁気結合層１０ｋは、シンセティックピン構造を形成する。磁気結合層１０ｋとして、例えば、Ｒｕが用いられる。磁気結合層１０ｋの厚さは、例えば、０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下であることが好ましい。第２磁化固定層１０ｊと第１磁化固定層１０ｉとの間に十分な反強磁性結合を生じさせる材料であれば、磁気結合層１０ｋとしてＲｕ以外の材料を用いても良い。磁気結合層１０ｋの厚さは、ＲＫＫＹ（Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida）結合のセカンドピーク（２ｎｄピーク）に対応する０．８ｎｍ以上１ｎｍ以下の厚さに設定することができる。さらに、磁気結合層１０ｋの厚さは、ＲＫＫＹ結合のファーストピーク（１ｓｔピーク）に対応する０．３ｎｍ以上０．６ｎｍ以下の厚さに設定しても良い。磁気結合層１０ｋとして、例えば、０．９ｎｍの厚さのＲｕが用いられる。これにより、高信頼性の結合がより安定して得られる。
【００８１】
第１磁化固定層１０ｉに用いられる磁性層は、ＭＲ効果に直接的に寄与する。第１磁化固定層１０ｉとして、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金が用いられる。具体的には、第１磁化固定層１０ｉとして、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙ合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下であり、ｙは、０ａｔ．％以上３０ａｔ．％以下）を用いることもできる。第１磁化固定層１０ｉとして、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙのアモルファス合金を用いた場合には、例えば、センサ素子５１ａのサイズが小さい場合においても、結晶粒に起因した素子間のばらつきを抑えることができる。
【００８２】
第１磁化固定層１０ｉの上に形成される層（例えばトンネル絶縁層（図示せず））を平坦化することができる。トンネル絶縁層の平坦化により、トンネル絶縁層の欠陥密度を減らすことができる。これにより、より低い面積抵抗で、より大きいＭＲ変化率が得られる。例えば、トンネル絶縁層の材料としてＭｇ−Ｏを用いる場合には、第１磁化固定層１０ｉとして、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙのアモルファス合金を用いることで、トンネル絶縁層の上に形成されるＭｇ−Ｏ層の（１００）配向性を強めることができる。Ｍｇ−Ｏ層の（１００）配向性をより高くすることで、より大きいＭＲ変化率が得られる。（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙ合金は、アニール時にＭｇ−Ｏ層の（１００）面をテンプレートとして結晶化する。このため、Ｍｇ−Ｏと（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙ合金との良好な結晶整合が得られる。良好な結晶整合を得ることで、より大きいＭＲ変化率が得られる。
【００８３】
第１磁化固定層１０ｉとして、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金以外に、例えば、Ｆｅ−Ｃｏ合金を用いても良い。
【００８４】
第１磁化固定層１０ｉがより厚いと、より大きなＭＲ変化率が得られる。より大きな固定磁界を得るためには、第１磁化固定層１０ｉは、薄いほうが好ましい。ＭＲ変化率と固定磁界との間には、第１磁化固定層１０ｉの厚さにおいてトレードオフの関係が存在する。第１磁化固定層１０ｉとしてＣｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を用いる場合には、第１磁化固定層１０ｉの厚さは、１．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましい。第１磁化固定層１０ｉの厚さは、２．０ｎｍ以上４ｎｍ以下がより好ましい。
【００８５】
第１磁化固定層１０ｉには、上述した材料の他に、ｆｃｃ構造のＣｏ９０Ｆｅ１０合金、または、ｈｃｐ構造のＣｏ、または、ｈｃｐ構造のＣｏ合金が用いられる。第１磁化固定層１０ｉとして、例えば、Ｃｏ、Ｆｅ及びＮｉよりなる群から選択された少なくとも１つが用いられる。第１磁化固定層１０ｉとして、これらの材料から選択された少なくとも１つの材料を含む合金が用いられる。第１磁化固定層１０ｉとして、ｂｃｃ構造のＦｅＣｏ合金材料、５０ａｔ．％以上のコバルト組成を含むＣｏ合金、または、５０ａｔ．％以上のＮｉ組成の材料（Ｎｉ合金）を用いることで、例えば、より大きなＭＲ変化率が得られる。
【００８６】
第１磁化固定層１０ｉとして、例えば、Ｃｏ２ＭｎＧｅ、Ｃｏ２ＦｅＧｅ、Ｃｏ２ＭｎＳｉ、Ｃｏ２ＦｅＳｉ、Ｃｏ２ＭｎＡｌ、Ｃｏ２ＦｅＡｌ、Ｃｏ２ＭｎＧａ０．５Ｇｅ０．５、及び、Ｃｏ２ＦｅＧａ０．５Ｇｅ０．５などのホイスラー磁性合金層を用いることもできる。例えば、第１磁化固定層１０ｉとして、例えば、３ｎｍの厚さのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層が用いられる。
【００８７】
中間層３０は、例えば、第１磁性層１０と第２磁性層２０との磁気的な結合を分断する。中間層３０には、例えば、金属または絶縁体または半導体が用いられる。この金属としては、例えば、Ｃｕ、ＡｕまたはＡｇ等が用いられる。中間層３０として金属を用いる場合、中間層３０の厚さは、例えば、１ｎｍ以上７ｎｍ以下程度である。この絶縁体または半導体としては、例えば、マグネシウム酸化物（Ｍｇ−Ｏ等）、アルミニウム酸化物（Ａｌ２Ｏ３等）、チタン酸化物（Ｔｉ−Ｏ等）、亜鉛酸化物（Ｚｎ−Ｏ等）、または、ガリウム酸化物（Ｇａ−Ｏ）などが用いられる。中間層３０として絶縁体または半導体を用いる場合は、中間層３０の厚さは、例えば０．６ｎｍ以上２．５ｎｍ以下程度である。中間層３０として、例えば、ＣＣＰ（Current-Confined-Path）スペーサ層を用いても良い。スペーサ層としてＣＣＰスペーサ層を用いる場合には、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の絶縁層中に銅（Ｃｕ）メタルパスが形成された構造が用いられる。例えば、中間層３０として、１．６ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層が用いられる。
【００８８】
第２磁性層２０には、強磁性体材料が用いられる。本実施形態では、第２磁性層２０として、ホウ素を含むアモルファス構造の強磁性材料を用いることで、良好な軟磁気特性を実現することができる。
【００８９】
第２磁性層２０には、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉよりなる群から選択される少なくとも一つの元素とホウ素（Ｂ）とを含む合金を用いることができる。例えば、第２磁性層２０には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｂ合金、または、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金などを用いることができる。例えば、第２磁性層２０には、４ｎｍの厚さのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層を用いることができる。
【００９０】
第２磁性層２０は、多層構造を有しても良い。第２磁性層２０は、例えば、２層構造を有しても良い。中間層３０としてＭｇ−Ｏのトンネル絶縁層を用いる場合には、第２磁性層２０のうちの中間層３０に接する部分には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金やＦｅ−Ｂ合金の層を設けることが好ましい。これにより、高い磁気抵抗効果が得られる。
【００９１】
例えば、第２磁性層２０は、中間層３０の側の第１部分と、機能層２５の側の第２部分と、を含む。第１部分は、例えば、第２磁性層２０のうちの中間層３０に接する部分を含む。この第１部分には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の層が用いられる。そして、第２部分には、例えば、Ｆｅ−Ｂ合金が用いられる。すなわち、第２磁性層２０として、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｆｅ−Ｂ合金が用いられる。このＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層の厚さは、例えば、０．５ｎｍである。第２磁性層２０として用いられる上記のＦｅ−Ｂ合金層の厚さは、例えば、６ｎｍである。
【００９２】
本実施形態において、第２磁性層２０として、ホウ素を含みアモルファス部分を含む強磁性材料を用いる。これにより、良好な軟磁気特性を得ることができる。第２磁性層２０に用いることのできる材料の例については、後述する。
【００９３】
本実施形態においては、機能層２５には、酸化物または窒化物を用いることができる。機能層２５として、例えば、１．５ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層を用いることができる。
【００９４】
キャップ層２６ｃは、キャップ層２６ｃの下に設けられる層を保護する。キャップ層２６ｃには、例えば、複数の金属層が用いられる。キャップ層２６ｃには、例えば、Ｔａ層とＲｕ層との２層構造（Ｔａ／Ｒｕ）が用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば１ｎｍであり、このＲｕ層の厚さは、例えば５ｎｍである。キャップ層２６ｃとして、Ｔａ層やＲｕ層の代わりに他の金属層を設けても良い。キャップ層２６ｃの構成は、任意である。例えば、キャップ層２６ｃとして、非磁性材料を用いることができる。キャップ層２６ｃの下に設けられる層を保護可能なものであれば、キャップ層２６ｃとして、他の材料を用いても良い。
【００９５】
第２磁性層２０（磁化自由層）の構成及び材料の例についてさらに説明する。  
第２磁性層２０には、Ｆｅ、Ｃｏ及びＮｉから選択される少なくとも一つの元素と、ホウ素（Ｂ）と、を含む合金を用いることができる。第２磁性層２０には、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｓｉ−Ｂ合金、またはＦｅ−Ａｌ−Ｓｉ合金などを用いることができる。第２磁性層２０には、例えば、（ＣｏｘＦｅ１００−ｘ）１００−ｙＢｙ合金（ｘは、０ａｔ．％以上１００ａｔ．％以下であり、ｙは、０ａｔ．％よりも大きく４０ａｔ．％以下）を用いることができる。第２磁性層２０には、例えば、４ｎｍの厚さのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層、または、４ｎｍ厚さのＦｅ８０Ｂ２０層を用いることができる。第２磁性層２０として、例えば、Ｆｅ−Ｇａ−Ｂ合金、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｇａ−Ｂ合金、または、Ｆｅ−Ｃｏ−Ｓｉ−Ｂ合金を用いても良い。
【００９６】
第２磁性層２０は、上記のように、アモルファス部分を含む。第２磁性層２０のうちの一部が結晶化していてもよい。第２磁性層２０は、結晶化した部分を含みつつ、アモルファス部分を含んでも良い。
【００９７】
第２磁性層２０におけるホウ素濃度（例えば、ホウ素の組成比）は、５ａｔ．％（原子パーセント）以上が好ましい。これにより、アモルファス構造が得易くなる。第２磁性層２０におけるホウ素濃度は、３５ａｔ．％以下が好ましい。ホウ素濃度が高すぎると、例えば、磁歪定数が減少する。第２磁性層２０におけるホウ素濃度は、例えば、５ａｔ．％以上３５ａｔ．％以下が好ましく、１０ａｔ．％以上３０ａｔ．％以下がさらに好ましい。
【００９８】
例えば、第２磁性層２０は、中間層３０の側の第１部分と、機能層２５の側の第２部分と、を含む。第１部分は、例えば、第２磁性層２０のうちの中間層３０に接する部分を含む。この第１部分には、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金の層が用いられる。そして、第２部分には、例えば、Ｆｅ−Ｇａ−Ｂ合金を用いる。すなわち、第２磁性層２０として、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｆｅ−Ｇａ−Ｂ合金が用いられる。このＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層の厚さは、例えば、２ｎｍである。このＦｅ−Ｇａ−Ｂ層の厚さは、例えば、６ｎｍである。また、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｆｅ−Ｂ合金を用いることができる。このＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０の厚さは、例えば、０．５ｎｍである。このＦｅ−Ｂ厚さは、例えば、４ｎｍである。既に説明したように、第２磁性層２０として、例えば、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ／Ｆｅ−Ｂ合金を用いても良い。この場合、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層の厚さは、例えば、０．５ｎｍである。このＦｅ−Ｂ層の厚さは、例えば、４ｎｍである。このように、中間層３０側の第１部分に、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ合金を用いることで高いＭＲ変化率を得ることができる。
【００９９】
第２磁性層２０のうちの中間層３０との界面を含む第１部分には、結晶化した、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（厚さ０．５ｎｍ）を用いても良い。第２磁性層２０のうちの中間層３０との界面を含む第１部分には、結晶化した、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（厚さ０．５ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（厚さ２ｎｍ）のような２層構造を用いても良い。
【０１００】
第２磁性層２０として、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（厚さ０．５ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（厚さ４ｎｍ）の積層膜を用いても良い。第２磁性層２０として、Ｆｅ５０Ｃｏ５０（厚さ０．５ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（厚さ２ｎｍ）／Ｃｏ３５Ｆｅ３５Ｂ３０（厚さ４ｎｍ）の積層膜を用いても良い。この積層膜においては、中間層３０から離れるに従って、ホウ素濃度が上昇する。
【０１０１】
図１１は、第１の実施形態に係る電流センサを例示する模式図である。  
図１１は、実施形態に係るセンサ素子５０（センサ素子５１ａ）におけるホウ素濃度の分布を例示している。
【０１０２】
図１１に表したように、第２磁性層２０は、第１部分２０ｐと、第２部分２０ｑと、を含む。第１部分２０ｐは、中間層３０と第２部分２０ｑとの間に設けられる。例えば、第１部分２０ｐは、第２磁性層２０のうちの中間層３０に接する部分を含む。例えば、第２部分２０ｑは、第２磁性層２０のうちの機能層２５に接する部分を含む。
【０１０３】
図１１に表したように、第２磁性層２０のうちの第１部分２０ｐ（中間層３０の側の部分）のホウ素濃度ＣＢを低くすることによって、第１部分２０ｐにおけるＭＲ変化率を向上することができる。これにより、磁化（磁化の方向）の変化に対する電気抵抗Ｒの変化を大きくできる。一方、第２部分２０ｑ（中間層３０から離れた部分）におけるホウ素濃度ＣＢを高くすることで、第２部分２０ｑにおいて、保磁力Ｈｃを小さくすることができ、第２磁性層２０全体の保磁力Ｈｃを小さくすることができる。
【０１０４】
中間層にＭｇ−Ｏなどを用いたトンネル型の磁気抵抗効果を用いる場合、ＭＲ変化率は、中間層に接する約０．５ｎｍの厚さの磁性材料の組成や結晶構造に依存する。つまり、ＭＲ変化率は、中間層近傍の磁性層のみで決定される。一方、磁化自由層が積層膜の場合、磁歪及び保磁力などの磁気特性においては、積層膜に含まれる各層の厚さに応じて、例えば、最も厚い層の特徴が最も強く反映される。これは、磁化自由層に含まれる磁性材料の積層体が交換結合して平均化されるためである。実施形態において、例えば、中間層の近傍に結晶性を有する磁性材料の層を設ける。これにより、高いＭＲ変化率が得られる。一方、中間層に接しない第２部分２０ｑに、ホウ素を含有するアモルファスの磁性材料の層を設ける。これにより、低い保磁力が得られる。これにより、高いＭＲ変化率とともに、低い保磁力を得ることができる。
【０１０５】
このようなホウ素濃度ＣＢの分布に関する情報は、例えば、ＳＩＭＳ分析（secondary ion mass spectrometry）により得られる。断面ＴＥＭとＥＥＬＳとの組み合わせにより、この情報が得られる。ＥＥＬＳ分析により、この情報が得られる。３次元アトムプローブ分析によっても、この情報が得られる。
【０１０６】
第１部分２０ｐ（結晶化の程度が相対的に高い部分）の厚さは、例えば、第２部分２０ｑ（結晶化の程度が相対的に低い部分であり、アモルファス部分）の厚さよりも薄い。これにより、例えば、小さい保磁力Ｈｃを得ることが容易になる。第１部分２０ｐの厚さは、例えば、第２部分２０ｑの厚さの１／３以下である。
【０１０７】
以下、第３試料Ｓ０３について説明する。第３試料Ｓ０３においては、第２磁性層２０の第１部分２０ｐにおけるホウ素濃度は、第２部分２０ｑにおけるホウ素濃度濃度よりも低くされている。
【０１０８】
第３試料Ｓ０３に含まれる各層の材料と厚さは、以下である。  
下地層１０ｌ          ：Ｔａ（１ｎｍ）／Ｒｕ（２ｎｍ）
ピニング層１０ｐ      ：Ｉｒ２２Ｍｎ７８  （７ｎｍ）
第２磁化固定層１０ｊ  ：Ｃｏ７５Ｆｅ２５  （２．５ｎｍ）
磁気結合層１０ｋ      ：Ｒｕ  （０．９ｎｍ）
第１磁化固定層１０ｉ  ：Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０  （３ｎｍ）
中間層３０            ：Ｍｇ−Ｏ  （１．６ｎｍ）
第２磁性層２０        ：Ｃｏ５０Ｆｅ５０（０．５ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（８ｎｍ）
機能層２５            ：Ｍｇ−Ｏ  （１．５ｎｍ）
キャップ層２６ｃ      ：Ｃｕ（１ｎｍ）／Ｔａ（２ｎｍ）／Ｒｕ（５ｎｍ）
第３試料Ｓ０３では、磁化自由層にＣｏ５０Ｆｅ５０（０．５ｎｍ）／Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０（８ｎｍ）を用い、磁化自由層に、ホウ素濃度が低い第１部分２０ｐと、ホウ素濃度の高い第２部分２０ｑと、を設けている。
【０１０９】
第３試料Ｓ０３の評価結果の例について説明する。  
図１２は、第１の実施形態に係る電流センサの特性を例示する顕微鏡像である。  
図１２は、第３試料Ｓ０３のセンサ素子の断面透過型電子顕微鏡写真像である。  
図１２からわかるように、第２磁性層２０において、中間層３０の側の第１部分２０ｐは、結晶構造を有している。機能層２５の側の第２部分２０ｑは、アモルファス構造を有していることがわかる。
【０１１０】
図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第１の実施形態に係る電流センサの特性を例示する模式図である。  
図１３（ｂ）は、図１２（ａ）の一部に対応する。  
図１３（ａ）は、ＥＥＬＳによる、第３試料Ｓ０３の元素のデプスプロファイルの評価結果である。図１３（ａ）は、図１２（ａ）に示した線Ｌ３における元素のデプスプロファイルを示す。
【０１１１】
図１３（ａ）表したように、磁化自由層中のうちの中間層３０の側の第１部分２０ｐにおけるホウ素のＥＥＬＳ強度は、機能層２５の側の第２部分２０ｑにおけるホウ素のＥＥＬＳ強度よりも低い。
【０１１２】
第３試料Ｓ０３のＭＲの値は、１８７％である。第３試料Ｓ０３のＭＲの値は、第１試料Ｓ０１のＭＲの値よりも高い。第３試料Ｓ０３においては、ＭＲ変化率が向上する。これは、中間層３０（Ｍｇ−Ｏ層）の側に、結晶性を有する第１部分２０ｐが設けられていることに起因していると考えられる。
【０１１３】
第３試料Ｓ０３において、磁歪は、２０ｐｐｍであり、保磁力は、３．８Ｏｅである。この結果より、結晶性を有する第１部分２０ｐを設けた場合でも、アモルファス構造の第２部分２０ｑを設けることで、低い保磁力が実現できる。第２磁性層２０における磁気特性は、例えば、第１部分２０ｐの磁気特性と、第２部分２０ｑの磁気特性と、の和となる。
【０１１４】
機能層２５には、酸化物材料、または、窒化物材料が用いられる。酸化物材料または窒化物材料は、それぞれの材料内で原子が化学結合している。これにより、例えば、ホウ素の拡散を抑制する。
【０１１５】
機能層２５（第１機能層）に用いる酸化物材料または窒化物材料として、Ｍｇ、Ａｌ、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ及びＷよりなる第１群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物材料、または、第１群から選択された少なくともいずれかの元素を含む窒化物材料を用いることができる。
【０１１６】
機能層２５は、磁気抵抗効果には寄与しない。このため、機能層２５の面積抵抗は低いことが好ましい。例えば、機能層２５の面積抵抗は、磁気抵抗効果に寄与する中間層３０の面積抵抗よりも低いことが好ましい。機能層２５には、例えば、Ｍｇ、Ｔｉ、Ｖ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｃｄ及びＧａよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物、または、その元素を含む窒化物が用いられる。これらの元素の酸化物または窒化物のバリアハイトは、低い。これらの元素の酸化物または窒化物を用いることで、機能層２５の面積抵抗を低減できる。
【０１１７】
本願明細書において、酸窒化物は、酸化物及び窒化物のいずれかに含める。例えば、酸窒化物において、酸素の比率が窒素の比率よりも高い場合は、その酸窒化物は酸化物に含めることができる。例えば、酸窒化物において、窒素の比率が酸素の比率よりも高い場合は、その酸窒化物は窒化物に含めることができる。
【０１１８】
機能層２５に酸化物または窒化物を用いる場合、機能層２５の厚さは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下が好ましく、１ｎｍ以上３ｎｍ以下がさらに好ましい。
【０１１９】
図１４は、第１の実施形態に係る電流センサの一部を例示する模式的斜視図である。  
図１４に表したように、実施形態に用いられるセンサ素子５０（センサ素子５１ｂ）においては、絶縁層３５が設けられる。例えば、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に、絶縁層３５（絶縁部分）が設けられている。絶縁層３５は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間において、第１積層体１０ｓを囲む。第１積層体１０ｓの側壁に対向して、絶縁層３５が設けられる。
【０１２０】
絶縁層３５には、例えば、アルミニウム酸化物（例えば、Ａｌ２Ｏ３）、または、シリコン酸化物（例えば、ＳｉＯ２）などを用いることができる。絶縁層３５により、第１積層体１０ｓの周囲におけるリーク電流を抑制することができる。
【０１２１】
図１５は、第１の実施形態に係る電流センサの一部を例示する模式的斜視図である。  
図１５に表したように、実施形態に用いられるセンサ素子５０（センサ素子５１ｃ）においては、ハードバイアス層３６（第１ハードバイアス層、第１磁性バイアス層）がさらに設けられる。第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間に、ハードバイアス層３６が設けられる。ハードバイアス層３６は、例えば、第１電極Ｅ１から第２電極Ｅ２へ向かう第１方向と交差する第２方向において第１積層体１０ｓと並ぶ。例えば、ハードバイアス層３６と積層体１０ｓとの間に、絶縁層３５が配置される。この例では、ハードバイアス層３６と第１電極Ｅ１との間に、絶縁層３５が延在している。
【０１２２】
ハードバイアス層３６の磁化により、第１磁性層１０の磁化１０ｍ及び第２磁性層２０の磁化２０ｍの少なくともいずれかが、所望の方向に設定される。ハードバイアス層３６により、磁界Ｈ１がセンサ素子に印加されていない状態において、磁化１０ｍ及び磁化２０ｍの少なくともいずれかを所望の方向に設定できる。
【０１２３】
ハードバイアス層３６には、例えば、ＣｏＰｔ、ＣｏＣｒＰｔ、または、ＦｅＰｔ等の磁気異方性が比較的高い硬質強磁性材料が用いられる。ハードバイアス層３６には、ＦｅＣｏまたはＦｅなどの軟磁性材料の層と、反強磁性層と、を積層した構造を用いることができる。この場合には、交換結合により、磁化が所定の方向に沿う。ハードバイアス層３６の厚さ（例えば、第１電極Ｅ１から第２電極Ｅ２に向かう方向に沿った長さ）は、例えば５ｎｍ以上５０ｎｍ以下である。  
上記のハードバイアス層３６及び絶縁層３５は、上記及び以下で説明するセンサ素子のいずれにも適用できる。
【０１２４】
図１６は、第１の実施形態に係る電流センサの一部を例示する模式的斜視図である。  
図１６に表したように、本実施形態に用いられるセンサ素子５０（センサ素子５１ｄ）は、順に並んだ、第１電極Ｅ１（例えば、下部電極）と、下地層１０ｌと、機能層２５と、第２磁性層２０（磁化自由層）と、中間層３０と、第２磁化固定層１０ｊと、磁気結合層１０ｋと、第１磁化固定層１０ｉと、ピニング層１０ｐと、キャップ層２６ｃと、第２電極Ｅ２（例えば上部電極）と、を含む。センサ素子５１ｄは、トップスピンバルブ型である。
【０１２５】
下地層１０ｌには、例えば、Ｔａ／Ｃｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、３ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。  
機能層２５には、例えば、Ｍｇ−Ｏが用いられる。このＭｇ−Ｏ層の厚さは、例えば、１．５ｎｍである。  
第２磁性層２０には、例えば、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０が用いられる。  
このＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層の厚さは、例えば４ｎｍである。  
中間層３０には、例えば、１．６ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層が用いられる。  
第１磁化固定層１０ｉには、例えば、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０／Ｆｅ５０Ｃｏ５０が用いられる。このＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層の厚さは、例えば２ｎｍである。このＦｅ５０Ｃｏ５０層の厚さは、例えば１ｎｍである。  
磁気結合層１０ｋには、例えば、０．９ｎｍの厚さのＲｕ層が用いられる。  
第２磁化固定層１０ｊには、例えば、２．５ｎｍの厚さのＣｏ７５Ｆｅ２５層が用いられる。  
ピニング層１０ｐには、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒＭｎ層が用いられる。  
キャップ層２６ｃには、Ｔａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。
【０１２６】
センサ素子５１ｄに含まれる層のそれぞれには、例えば、センサ素子５１ａに関して説明した材料を用いることができる。
【０１２７】
図１７は、第１の実施形態に係る電流センサの一部を例示する模式的斜視図である。  
図１７に表したように、本実施形態に用いられるセンサ素子５０（センサ素子５１ｅ）は、順に並んだ、第１電極Ｅ１（例えば下部電極）と、下地層１０ｌと、ピニング層１０ｐと、第１磁性層１０と、中間層３０と、第２磁性層２０と、機能層２５と、キャップ層２６ｃと、第２電極Ｅ２（例えば上部電極）と、を含む。センサ素子５１ｅには、単一の磁化固定層を用いたシングルピン構造が適用されている。
【０１２８】
下地層１０ｌには、例えば、Ｔａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、３ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、２ｎｍである。  
ピニング層１０ｐには、例えば、７ｎｍの厚さのＩｒＭｎ層が用いられる。
【０１２９】
第１磁性層１０には、例えば、３ｎｍの厚さのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層が用いられる。  
中間層３０には、例えば、１．６ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層が用いられる。  
第２磁性層２０には、例えば、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０が用いられる。このＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層の厚さは、例えば４ｎｍである。  
機能層２５には、例えば、１．５ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層が用いられる。  
キャップ層２６ｃには、例えば、Ｔａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。  
センサ素子５１ｅに含まれる層のそれぞれには、例えば、センサ素子５１ａに関して説明した材料を用いることができる。
【０１３０】
図１８は、第１の実施形態に係る電流センサの一部を例示する模式的斜視図である。  
図１８に表したように、本実施形態に用いられるセンサ素子５０（センサ素子５１ｆ）は、順に並んだ、第１電極Ｅ１（例えば下部電極）と、下地層１０ｌと、別の機能層２５ａ（第２の機能層）と、第１磁性層１０、中間層３０と、第２磁性層２０と、機能層２５（第１の機能層）と、キャップ層２６ｃと、第２電極Ｅ２（例えば上部電極）と、を含む。この例では、第１磁性層１０は、磁化自由層であり、第２磁性層２０も磁化自由層である。
【０１３１】
下地層１０ｌには、例えば、Ｔａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、３ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、４５ｎｍである。  
機能層２５ａには、例えば、１．５ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層が用いられる。  
第１磁性層１０には、例えば、４ｎｍの厚さのＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層が用いられる。  
中間層３０には、例えば、１．６ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層が用いられる。  
第２磁性層２０には、例えば、Ｃｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０が用いられる。このＣｏ４０Ｆｅ４０Ｂ２０層の厚さは、例えば、４ｎｍである。  
機能層２５には、例えば、１．５ｎｍの厚さのＭｇ−Ｏ層が用いられる。  
キャップ層２６ｃには、例えば、Ｔａ／Ｒｕが用いられる。このＴａ層の厚さは、例えば、１ｎｍである。このＲｕ層の厚さは、例えば、５ｎｍである。
【０１３２】
センサ素子５１ｆに含まれる層のそれぞれには、例えば、センサ素子５１ａに関して説明した材料を用いることができる。センサ素子５１ｆにおける第１磁性層１０には、センサ素子５１ａにおける第２磁性層２０に関して説明した材料及び構成が適用できる。センサ素子５１ｆにおける機能層２５ａには、センサ素子５１ａにおける機能層２５に関して説明した材料及び構成が適用できる。
【０１３３】
この例において、第１磁性層１０を第２磁性層２０と見なし、機能層２５を機能層２５ａと見なしても良い。
【０１３４】
センサ素子５１ｆのように、２つの磁化自由層が設けられる場合において、２つの磁化自由層の磁化どうしの間の相対角度が、磁界Ｈ１に応じて変化する。これにより、磁界センサとして機能させることができる。この場合、第２の磁化自由層の磁界に対する応答と、第１の磁化自由層の磁界に対する応答と、が互いに異なるように設計することができる。これにより、２つの磁化自由層のそれぞれの磁化における相対角度が、磁界Ｈ１に応じて変化する。
【０１３５】
（第２の実施形態）  
図１９（ａ）〜図１９（ｃ）は、第２の実施形態に係る電流センサを例示する模式的斜視図である。  
図１９（ａ）は、第２の実施形態に係る電流センサ２０１の構成を例示している。  
図１９（ａ）に表したように、実施形態に係る電流センサ２０１は、複数のセンサ素子５０を含む。例えば、電流センサ２０１は、第１センサ素子５１と第２センサ素子５２と、を含む。電流センサ２０１は、電線７０をさらに含んでもよい。
【０１３６】
この例では、第１センサ素子５１及び第２センサ素子５２は、電線７０の延在する方向に対して交差する方向において、電線７０と並ぶ（例えば離間する）。電流Ｉ１によって、例えば、第１センサ素子５１の位置に磁界Ｈ１が生じ、第２センサ素子５２の位置に磁界Ｈ２が生じる。電流センサ２０１は、磁界Ｈ１及び磁界Ｈ２を用いて電流Ｉ１を検知する。
【０１３７】
このように実施形態に係る電流センサは、複数のセンサ素子を含んでも良い。電流センサ２０１においては、２つのセンサ素子が設けられる。実施形態に係る電流センサにおいては、センサ素子の数は、３以上でも良く、任意である。例えば、第１センサ素子５１と電線７０との間の距離（最短距離）は、第２センサ素子５２と電線７０との間の距離（最短距離）よりも短い。
【０１３８】
図１９（ｂ）は、第２センサ素子５２の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１９（ｂ）に表したように、第２センサ素子５２は、第３電極Ｅ３と、第４電極Ｅ４と、第２積層体１０ｓｂと、を含む。
【０１３９】
第２積層体１０ｓｂは、第３電極Ｅ３と、第４電極Ｅ４と、の間に設けられる。第２積層体１０ｓｂは、第３磁性層１０ｂと、第４磁性層２０ｂと、第２中間層３０ｂと、を含む。
【０１４０】
第３磁性層１０ｂは、第３電極Ｅ３と第４電極Ｅ４との間に設けられる。第４磁性層２０ｂは、第３磁性層１０ｂと第４電極Ｅ４との間に設けられる。第２中間層３０ｂは、第３磁性層１０ｂと第４磁性層２０ｂとの間に設けられる。
【０１４１】
この例では、第２センサ素子５２の積層方向（第３磁性層１０ｂから第４磁性層２０ｂへ向かう方向）は、Ｚ軸方向に沿っている。但し、実施形態においては、第２センサ素子５２の積層方向は、Ｚ軸方向に限られない。
【０１４２】
第４磁性層２０ｂの少なくとも一部は、アモルファスである。第４磁性層２０ｂの磁化（磁化の方向）は、磁界（磁界Ｈ２）に応じて変化する。第４磁性層２０ｂは、例えば、磁化自由層である。第３磁性層１０ｂは、例えば、参照層である。第２中間層３０ｂは、非磁性層である。
【０１４３】
第２センサ素子５２の磁化自由層、磁化固定層、非磁性層及び電極には、センサ素子５０について第１の実施形態で説明した磁化自由層、磁化固定層、非磁性層及び電極と同様の構成及び材料などを適用できる。第４磁性層２０ｂの構成は、第２磁性層２０の構成と同様である。第３磁性層１０ｂの構成は、第１磁性層１０の構成と同様である。第２中間層３０ｂの構成は、中間層３０の構成と同様である。第３電極Ｅ３及び第４電極Ｅ４の構成は、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２の構成と同様である。
【０１４４】
すなわち、第２センサ素子５２には、第１センサ素子５１（センサ素子５１ａ〜５１ｆ）と同様の構成を適用することができる。第２センサ素子５２の構成は、材料やサイズなどにおいて第１センサ素子５１と異なっていても良い。
【０１４５】
図１９（ｃ）は、第２センサ素子５２（センサ素子５２ｃ）の構成を例示する模式的斜視図である。  
図１９（ｃ）に表したように、センサ素子５２ｃにおいても、第３電極Ｅ３と、第４電極Ｅ４と、第２積層体１０ｓｂと、が設けられる。この例では、センサ素子５２ｃには、下地層１０ｌｂ、ピニング層１０ｐｂ、第１磁化固定層１０ｉｂ、第２磁化固定層１０ｊｂ、磁気結合層１０ｋｂ、キャップ層２６ｃｂが設けられる。第４磁性層２０ｂと第４電極Ｅ４との間に第２機能層２５ｂが設けられる。これらの構成及び材料には、第１の実施形態において説明したのと同様の構成及び材料を適用することができる。
【０１４６】
この例では、さらに、絶縁層３５ｂと、ハードバイアス層３６（第２ハードバイアス層３６ｂ、第２磁性バイアス層）と、が設けられている。これらの構成は、第１の実施形態において説明した構成と同様である。第２ハードバイアス層３６ｂは、第３電極Ｅ３と第４電極Ｅ４との間に設けられる。第２ハードバイアス層３６ｂは、前記第３電極から前記第４電極へ向かう第３方向と交差する第４方向において前記第２積層体と並ぶ。センサ素子を複数設けることで、高い精度で電流を検知することができる。
【０１４７】
図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、第２の実施形態に係る電流センサを例示する模式図である。  
図２０（ａ）は、実施形態に係る電流センサ２０２を例示している。  
図２０（ａ）に表したように、電流センサ２０２は、第１センサ素子５１と、第２センサ素子５２と、を含む。電流センサ２０１は、電線７０をさらに含んでもよい。これらには、電流センサ２０１について説明した構成を適用することができる。この例では、第１センサ素子５１と電線７０との間の距離（最短距離）は、第２センサ素子５２と電線７０との間の距離（最短距離）と、実質的に同じである。例えば、第１センサ素子５１と電線７０との間の距離は、第２センサ素子５２と電線７０との間の距離の０．９倍以上１．１倍以下である。
【０１４８】
実施形態に係る電流センサは、処理部８０を含んでもよい。処理部８０は、例えば、第１センサ素子５１及び第２センサ素子５２と電気的に接続される。
【０１４９】
図２０（ｂ）は、実施形態に係る電流センサの動作を例示する模式図である。  
図２０（ｂ）に表したように、例えば、第１センサ素子５１から磁界Ｈ１に応じた第１信号Ｓｇ１が得られる。第２センサ素子５２から磁界Ｈ２に応じた第２信号Ｓｇ２が得られる。処理部８０は、第１信号Ｓｇ１及び第２信号Ｓｇ２を処理する。
【０１５０】
例えば、磁界に対する応答が互いに異なる複数のセンサ素子を用いる。すなわち、例えば、電線７０に１０ｍＡ程度の小さい電流が流れる場合、第１センサ素子５１の検知精度を、第２センサ素子５２の検知精度よりも、高くする。例えば、電線７０に１００Ａ程度の大きい電流が流れる場合、第２センサ素子５２の検知精度を、第１センサ素子５１の検知精度よりも高くする。
【０１５１】
処理部８０は、例えば、電線７０に流れる電流の大きさに応じて、第１信号Ｓｇ１及び第２信号Ｓｇ２を処理する。処理部８０は、第１信号Ｓｇ１及び第２信号Ｓｇ２の少なくともいずれかにより求められた電流の大きさに基づいて、第１信号Ｓｇ１及び第２信号Ｓｇ２のいずれかに基づく信号を出力する。例えば、電流の大きさに応じて、精度の高いセンサ素子の信号を選択する。例えば、１０ｍＡ程度の小さい電流が流れる場合は、第１信号Ｓｇ１を選択する。１００Ａ程度の大きい電流が流れる場合、第２信号Ｓｇ２を選択する。
【０１５２】
このように、複数のセンサ素子を設ける。複数のセンサ素子においては、高い精度で検知できる電流の大きさが互いに異なる。これにより、非常に広い電流の範囲において、電流を検知する精度を向上させることができる。
【０１５３】
例えば、積層体とハードバイアス層との距離を調整することで、高い精度で検知できる電流の大きさを調整することができる。例えば、第１ハードバイアス層３６と第１積層体１０ｓとの間の距離を、第２ハードバイアス層３６ｂと第２積層体１０ｓｂとの間の距離よりも短くする。  
例えば、ハードバイアス層の磁気膜厚を調整することで、高い精度で検知できる電流の大きさを調整することができる。例えば、第１ハードバイアス層３６の磁気膜厚を、第２ハードバイアス層の磁気膜厚よりも厚くする。これにより、広いダイナミックレンジにおいて、電流を検知する精度を向上させることができる。
【０１５４】
また、上記の例においては、バイアス層として磁気的にハードな材料のハードバイアス層を用いるとしているが、磁気的なバイアスが印加できる機構であれば、ハードバイアス層に限らず、ほかのバイアス機構を用いても良い。例えば、磁性層に対して、反強磁性層を積層してバイアスする機構を用いても良い。このような機構の場合には、例えば、外部磁界ノイズを受けたとしても、瞬間的にはバイアス磁界が効かなくなるが、強磁界ノイズがなくなったときには反強磁性層によるバイアスで、もとのバイアス形態に戻ることがメリットである。ハードバイアスの強度を劣化させるような強磁界ノイズの影響を防ぐことを重視する場合には、このような反強磁性層を用いたバイアス機構も有効となる。
【０１５５】
図２１は、第２の実施形態に係る電流センサを例示する模式的斜視図である。  
図２１に表したように、電流センサ２０３は、センサ素子５０と、電線７０（第１電線７０ａ）と、第２電線７０ｂと、を含む。
【０１５６】
電線７０及びセンサ素子５０には、電流センサ２００について説明した構成を適用することができる。第２電線７０ｂを流れる電流Ｉ２によって、センサ素子５０の位置に磁界Ｈ３が生じる。例えば、磁界Ｈ３によって、センサ素子５０の位置における磁界が磁界Ｈ１に対して小さくなる（例えば、相殺する）ように、電流Ｉ２が流される。この電流に基づいて、電線７０を流れる電流Ｉ１を検知してもよい。
【０１５７】
図２２は、第２の実施形態に係る電流センサを例示する模式的斜視図である。  
図２２に表したように、電流センサ２０４は、センサ素子５０と、電線７０と、を含む。電線７０の一端は、電線７１と電気的に接続される。電線７０の他端は、電線７２と電気的に接続される。電線７１及び電線７２を介して、電線７０に電流Ｉ１が流れる。センサ素子５０は、電流Ｉ１によって生じる磁界によって、電流Ｉ１を検知する。
【０１５８】
（第３の実施形態）  
図２３（ａ）〜図２３（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを例示する模式図である。
【０１５９】
図２３（ａ）は、実施形態に係る電流センサモジュール２５０を例示する模式的斜視図である。  
図２３（ｂ）は、電流センサモジュール２５０を例示する透視平面図である。  
図２３（ｃ）は、電流センサモジュール２５０を例示する透視平面図である。  
図２３（ａ）〜図２３（ｃ）においては、図を見易くするために、要素の一部は、省略して描かれている。
【０１６０】
電流センサモジュールは、例えば、スマートメータや家庭電器用のＨＥＭＳ（Home Energy Management System）用途に適用可能である。スマートメータは、例えば、電力を測定するために用いられる。スマートメータは、例えば、電圧、および電流を測定する。電圧は、従来の半導体素子を用いて測定することが可能である。このため、実施形態に係る電流センサを付加することで、電流センサとしてだけでなく、スマートメータとして機能する。電流センサモジュールをＨＥＭＳ用途で用いた場合には、家庭電器の消費電力量を常時モニタする目的で用いる。
【０１６１】
図２３（ａ）〜図２３（ｃ）に表したように、電流センサモジュール２５０は、筐体３００と、電線７０と、センサ素子５０と、を含む。さらに、電流センサモジュール２５０は、絶縁部３０１と、電線支持部３０２と、基板支持部３０３と、電子基板モジュール３０４と、センサ基板モジュール３０５と、を含む。例えば、電線７０、センサ素子５０、絶縁部３０１、電線支持部３０２、基板支持部３０３、電子基板モジュール３０４及びセンサ基板モジュール３０５は、筐体３００の内側に収容される。
【０１６２】
この例では、筐体３００は、第１筐体面３００ａと、第２筐体面３００ｂとを有する。第２筐体面３００ｂは、第１筐体面３００ａと離間した面である。
【０１６３】
第１筐体面３００ａから第２筐体面３００ｂへ向かう方向をＺ１軸方向とする。Ｚ１軸方向と垂直な１つの方向をＸ１軸方向とする。Ｚ１軸方向に垂直で、Ｘ１軸方向に垂直な１つの方向をＹ１軸方向とする。
【０１６４】
筐体３００の第２筐体面３００ｂには、表示部３０６が設けられている。表示部３０６は、計測した電力量を外部に表示する。
【０１６５】
例えば、一対の電線が筐体に接続される。一対の電線の一方は、例えば、電線７０の一端と電気的に接続される。一対の電線の他方は、例えば、電線７０の他端と電気的に接続される。これにより、電線７０が通電され、電力量を計測することができる。電線７０に流れる電流Ｉ１は、例えば、５０〜６０Ｈｚ程度の交流電流である。電流Ｉ１は、直流電流であっても良い。図２３（ａ）〜図２３（ｃ）において、電流Ｉ１によって生じる磁界Ｈ１の方向を説明するため電流Ｉ１の方向を図示している。これは、直流電流のような電流の方向が変化しない場合を示している。電流Ｉ１が交流電流の場合には、電流Ｉ１の方向は、時間に応じて逆極性に変化する。図２３（ａ）〜図２３（ｃ）は、電流Ｉ１が１００Ｖ〜２００Ｖ程度の単相交流の電流である場合を示している。実施形態に係る電流Ｉ１は、三相交流の電流で合っても良い。三相交流の場合には、外部から３対の電線が筐体に接続される。以下に説明する電流センサモジュールのそれぞれにおいても、同様である。
【０１６６】
例えば、電線７０は、Ｚ１軸方向に沿った方向に延在する。例えば、電流Ｉ１は、筐体の下部から上部に流れる（Ｚ１軸方向に沿って流れる）。電線７０は、絶縁部３０１及び電線支持部３０２によって、筐体３００の内部に固定される。電線７０と電線支持部３０２との間に絶縁部３０１が配置される。絶縁部３０１と、筐体３００との間に電線支持部３０２が配置される。電線支持部（第１支持部）３０２は、電線７０と筺体３００との相対的な位置を規定する。
【０１６７】
センサ素子５０の筐体３００に対する相対的な位置は、実質的に固定されている。電線７０の筐体３００に対する相対的な位置は、実質的に固定されている。これにより、センサ素子５０と、電線７０との間の距離が経時的に変化しにくい。センサ素子５０と電線７０との距離が変化しないようにする。これにより、電流を高い精度で検知することができる。
【０１６８】
電子基板モジュール３０４は、基板支持部３０３を介して、筐体３００に実質的に固定されている。基板支持部（第２支持部）３０３は、筺体３００と電流センサとの相対的な位置関係を規定する。電子基板モジュール３０４の上にセンサ基板モジュール３０５が設けられる。センサ基板モジュール３０５の上にセンサ素子５０が設けられる。電子基板モジュール３０４は、筺体３００に固定されおり、センサ基板モジュール３０５は、電子基板モジュール３０４に固定されている。これにより、センサ素子５０の筐体３００に対する相対的な位置が実質的に固定される。電線７０とセンサ素子５０との間の距離が経時的に変化しにくい。
【０１６９】
電流センサモジュール２５０においては、電子基板モジュール３０４及びセンサ基板モジュール３０５は、電線７０を流れる電流Ｉ１の方向（Ｚ１軸方向）に対して垂直な方向において、電流線７０と並ぶ。
【０１７０】
図２３（ｃ）に表したように、センサ基板モジュール３０５付近における電流磁界の方向は、例えば、Ｘ１軸方向である。
【０１７１】
図２４（ａ）〜図２４（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を例示する模式図である。  
図２４（ａ）は、電流センサモジュール２５０を例示する透視平面図である。  
図２４（ｂ）は、電流センサモジュール２５０に用いられるセンサ素子５０を例示する模式的断面図である。  
図２４（ｃ）は、電流センサモジュール２５０に用いられるセンサ素子５０を例示する模式的斜視図である。
【０１７２】
図２４（ｂ）に表したように、センサ素子５０は、例えば、基板９０を含む。基板９０は、基板面９０ａを有する。基板面９０ａは、センサ基板モジュール３０５の主面に対して実質的に平行な平面（この例では、Ｘ１−Ｙ１平面）である。基板面９０ａの上に第１電極Ｅ１が設けられる。基板面９０ａと第２電極Ｅ２との間に第１電極Ｅ１が配置される。
【０１７３】
図２４（ａ）〜図２４（ｃ）に表したように、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向は、例えば、電流Ｉ１の大きさがゼロの場合、Ｘ１−Ｙ１平面内のいずれかの方向である。電流Ｉ１の大きさがゼロのときに、磁化２０ｍの方向は、電線７０が延在する方向（Ｚ１軸方向）に対して垂直な方向である。例えば、第１磁性層１０から第２磁性層２０へ向かう方向（Ｚ軸方向）は、Ｚ１軸方向と平行である。
【０１７４】
基板面９０ａは、例えば、電線７０の延在する方向と実質的に垂直である。センサ素子５０（第１センサ素子）は、基板面９０ａに設けられる。第１磁性層１０から第２磁性層２０へ向かう方向は、電流７０の延在する方向と実質的に平行（または反平行）である。磁化２０ｍの方向は、電流Ｉ１が流れていないときに、電線７０からセンサ素子５０へ向かう方向と、実質的に平行（または反平行）である。これにより、交流電流のいずれの極性の電流も線形性よく、検知することができる。  
図２４（ａ）〜図２４（ｃ）に表したような電線及び電流センサの配置では、図２４（ａ）に示したように、電流センサモジュールの断面厚さ方向（例えば、積層体１０ｓの積層方向）に電線を配置している（電線７０が延在している）。このときの電流センサの磁化（磁化１０ｍの方向及び磁化２０ｍの方向）は、図２４（ｂ）のように、電流センサモジュールの面と平行な面内（積層方向に対して垂直な平面内）に配置されている。このような配置においては、外部ノイズに対して強いというメリットがある。例えば、外部磁界ノイズが最も印加されやすい電流センサモジュールの表面（例えば、第１筐体面３００ａまたは第２筐体面３００ｂ）から外部磁界が印加された場合、その面に直行する方向に磁界が印加される。しかしながら、電流センサの磁化は、例えば、その面と平行方向に配置されている。そのため、その面と直行する方向の磁界は、ノイズ源とはなり難い。このような磁化の配置は、外部磁界の影響をよけいな機構を付加することなく少なくする配置として、優れている。電流センサモジュールの断面方向（例えば、Ｘ１方向またはＹ１方向）からの外部磁界の影響は受けることになるので、例えば、必要に応じて電流センサモジュールの断面方向においては磁気シールドを設ける。この場合、電流センサモジュールにおいて、例えば最も断面積が小さくなるため、磁気シールドを追加することに伴うコストの増大を、例えば最小限に抑えることができる。  
また、電流センサの基板面をそのまま電子基板モジュール３０４に貼り付けることが可能なので、配置ずれの影響などが少なく、高い精度を保つために必要な製造コストを例えば最小限に抑えることができる。  
この特徴については、以降に説明する図２４（ａ）〜図２４（ｃ）、図２５（ａ）〜図２５（ｃ）、図２６（ａ）〜図２６（ｃ）、図２７（ａ）〜図２７（ｃ）及び図４０（ａ）〜図４０（ｃ）に表した例おいても同様である。  
後述する別の実施例の図３１（ａ）〜図３１（ｃ）、図３２（ａ）〜図３２（ｃ）、図３３（ａ）、図３３（ｂ）及び図３４に表した例では上記のようなメリットがなくなるため、図２３、図２４、図２５、図２６、図２７及び図４０のほうが好ましい実施形態である。
【０１７５】
図２５（ａ）〜図２５（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを例示する模式図である。
【０１７６】
図２５（ａ）は、実施形態に係る電流センサモジュール２５１を例示する模式的斜視図である。  
図２５（ｂ）は、電流センサモジュール２５１を例示する透視平面図である。  
図２５（ｃ）は、電流センサモジュール２５１を例示する透視平面図である。  
図２５（ａ）〜図２５（ｃ）においては、図を見易くするために、要素の一部は、省略して描かれている。
【０１７７】
電流センサモジュール２５１においても筐体３００、電線７０、センサ素子５０、絶縁部３０１、電線支持部３０２、基板支持部３０３、電子基板モジュール３０４及びセンサ基板モジュール３０５が設けられる。これらについては、電流センサモジュール２５０について説明した構成と同様の構成を適用することが出来る。電流センサモジュール２５１においては、複数のセンサ素子５０が、設けられる。電線７０からの距離が互いに異なる複数の位置のそれぞれに、センサ素子５０が設けられる。これにより、広ダイナミックレンジの電流を検知することができる。複数のセンサ素子５０のそれぞれと電線７０との間の距離が、互いに異なる。これにより、電流Ｉ１によって生じる磁界Ｈ１の大きさは、複数のセンサ素子５０のそれぞれの位置によって、異なる。
【０１７８】
例えば複数のセンサ素子５０は、第１センサ素子５１と第２センサ素子５２とを含む。第２センサ素子５２は、電線７０が延在する方向と交差する方向（例えばＹ１方向）において、第１センサ素子５１と離間する。例えば、第１センサ素子５１と電線７０との間の距離は、第２センサ素子５２と電線７０との間の距離よりも短い。
【０１７９】
例えば、センサ素子を電線から遠く離れた位置に配置した場合、大きな電流が流れている状態を検知できる。例えば、センサ素子を電線から近い位置に配置した場合、微弱な電流が流れている状態を検知できる。このように配置することで広い範囲の値の電流を検知することができる。
【０１８０】
図２６（ａ）〜図２６（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を例示する模式図である。  
図２６（ａ）は、電流センサモジュール２５１を例示する透視平面図である。  
図２６（ｂ）は、電流センサモジュール２５１に用いられるセンサ素子５０を例示する模式的断面図である。  
図２６（ｃ）は、電流センサモジュール２５１に用いられるセンサ素子５０を例示する模式的斜視図である。
【０１８１】
図２６（ａ）〜図２６（ｃ）に表したように、センサ素子５０のそれぞれにおいて、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向は、例えば、電流Ｉ１の大きさがゼロの場合、電線７０が延在する方向（Ｚ１軸方向）に対して垂直な方向である。
【０１８２】
図２７（ａ）〜図２７（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを例示する模式図である。  
図２７（ａ）は、実施形態に係る電流センサモジュール２５２を例示する模式的斜視図である。  
図２７（ｂ）は、電流センサモジュール２５２を例示する透視平面図である。  
図２７（ｃ）は、電流センサモジュール２５２を例示する透視平面図である。  
図２７（ａ）〜図２７（ｃ）においては、図を見易くするために、要素の一部は、省略して描かれている。
【０１８３】
電流センサモジュール２５２においても筐体３００、電線７０、センサ素子５０、絶縁部３０１、電線支持部３０２、基板支持部３０３、電子基板モジュール３０４及びセンサ基板モジュール３０５が設けられる。これらについては、電流センサモジュール２５０について説明した構成と同様の構成を適用することが出来る。電流センサモジュール２５２においては、複数のセンサ素子５０が設けられる。電流センサモジュール２５２においては、複数のセンサ素子５０のそれぞれは、電線７０からの距離が実質的に同じ位置に設けられる。
【０１８４】
例えば、複数のセンサ素子５０は、第１センサ素子５１と第２センサ素子５２とを含む。例えば、第１センサ素子５１と電線７０との間の距離と、第２センサ５２と電線７０との間の距離は、実質的に同じである。例えば、第１センサ素子５１と電線７０との間の距離は、第２センサ５２と電線７０との間の距離の０．９倍以上１．１倍以下である。
【０１８５】
電流センサモジュール２５１と異なり、電流センサモジュール２５２においては、複数のセンサ素子５０のそれぞれと電線との間の距離は、ほぼ一定である。しかし、複数のセンサ素子５０のそれぞれにおける磁界に対する感度を変えることができる。例えば、磁界に対する感度が互いに異なる複数のセンサ素子を設ける。これにより、複数のセンサ素子５０のそれぞれが検知対象とする電流値を変える。これにより、広い範囲の値の電流を検知することができる。
【０１８６】
図２８（ａ）および図２８（ｂ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールに用いられるセンサ素子を例示する模式的斜視図である。  
図２８（ａ）は、電流センサモジュール２５２に用いられる第１センサ素子５１及び第２センサ素子５２を例示している。この例では、センサ素子５０は、ハードバイアス層を含む。第１センサ素子５１は、第１ハードバイアス層３６を含む。第２センサ素子５２は、第２ハードバイアス層３６ｂを含む。ハードバイアス層は、磁化自由層にバイアス磁界を印加する。
【０１８７】
センサ素子５０において、ハードバイアス層と磁化自由層との間の距離を変えることによって磁界に対する感度を変えることができる。
【０１８８】
例えば、第１ハードバイアス層３６と、第２磁性層２０と、の間の距離（Ｌ１ａ及びＬ１ｂ）は、第２ハードバイアス層３６ｂと、第４磁性層２０ｂと、の間の距離（Ｌ２Ａ及びＬ２ｂ）よりも長い。この例では、第２センサ素子５２の磁界に対する感度よりも、第１センサ素子５１の磁界に対する感度の方が高い。第１センサ素子５１は、小さい電流の検知に用いられる。第２センサ素子５２においては、第２ハードバイアス層３６ｂの磁界強度が大きい。これにより、磁界に対する感度が低下する。第２センサ素子５２は、大きい電流の検知に用いられる。
【０１８９】
図２８（ｂ）は、第１センサ素子５１及び第２センサ素子５２を例示している。この例では、センサ素子５０は、ハードバイアス層を含む。第１センサ素子５１は、第１ハードバイアス層３６を含む。第２センサ素子５２は、第２ハードバイアス層３６ｂを含む。
【０１９０】
例えば、第１ハードバイアス層３６の厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）ｔ１ａ（厚さｔ１ｂ）は、第２ハードバイアス層３６ｂの厚さ（Ｚ軸方向に沿った長さ）ｔ２ａ（厚さｔ２ｂ）よりも薄い。この場合、第１センサ素子５１においては、磁界に対する感度が高くなる。第１センサ素子５１は、小さい電流の検知に用いられる。第２センサ素子５２においては、第２ハードバイアス層３６ｂの磁界強度が大きい。これにより、磁界に対する感度が低下する。第２センサ素子５２は、大きい電流の検知に用いられる。
【０１９１】
図２９は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの構成を例示する模式的斜視図である。
【０１９２】
図２９は、実施形態に係る電流センサモジュール２５３の構成の一部を例示している。電流センサモジュール２５３においても、筐体３００、電線７０、センサ素子５０、絶縁部３０１、電線支持部３０２、基板支持部３０３、電子基板モジュール３０４及びセンサ基板モジュール３０５が設けられる。これらについては、電流センサモジュール２５０について説明した構成と同様の構成を適用することが出来る。電流センサモジュール２５３には、例えば、第１センサ素子５１と第２センサ素子５２と第３センサ素子５３とを含む複数のセンサ素子５０が設けられている。第３センサ素子５３は、第３積層体１０ｓｃを含む。第３センサ素子５３には、例えば、第１センサ素子５１と同様の構成を適用することができる。例えば、複数のセンサ素子５０は、Ｘ軸方向において並ぶ。この例では、第１センサ素子５１と第２センサ素子５２との間に第３センサ素子５３が設けられる。
【０１９３】
電流センサモジュール２５３は、第１ハードバイアス部３６ｍａと、第２ハードバイアス部３６ｍｂと、を含む。第１ハードバイアス部３６ｍａは、Ｚ軸方向と交差する方向において、第２ハードバイアス部３６ｍｂと並ぶ。例えば、複数のセンサ素子５０は、第１ハードバイアス部３６ｍａと第２ハードバイアス部３６ｍｂとの間に設けられる。
【０１９４】
第１ハードバイアス部３６ｍａは、例えば、第１バイアス部ｍａ１と第２バイアス部ｍａ２と第３バイアス部ｍａ３とを含む。例えば、第２バイアス部ｍａ２は、Ｘ軸方向において第１バイアス部ｍａ１と離間する。第３バイアス部ｍａ３は、第１バイアス部ｍａ１と第２バイアス部ｍａ２との間に設けられる。
【０１９５】
第２ハードバイアス部３６ｍｂは、例えば、第４バイアス部ｍａ４と第５バイアス部ｍａ５と第６バイアス部ｍａ６とを含む。例えば、第４バイアス部ｍａ４は、Ｘ軸方向において第５バイアス部ｍａ５と離間する。第６バイアス部ｍａ６は、第４バイアス部ｍａ４と第５バイアス部ｍａ５との間に設けられる。
【０１９６】
例えば、第１センサ素子５１は、第１バイアス部ｍａ１と第４バイアス部ｍａ４との間に設けられる。第２センサ素子５２は、第２バイアス部ｍａ２と第５バイアス部ｍａ５との間に設けられる。第３センサ素子５３は、第３バイアス部ｍａ３と第６バイアス部ｍａ６との間に設けられる。
【０１９７】
第１ハードバイアス部３６ｍａと第１センサ素子５１との間の距離は、第１ハードバイアス部３６ｍａと第２センサ素子５２との間の距離よりも短い。第２ハードバイアス部３６ｍｂと第１センサ素子５１との間の距離は、第２ハードバイアス部３６ｍｂと第２センサ素子５２との間の距離よりも短い。
【０１９８】
図３０（ａ）〜図３０（ｊ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの製造方法を例示する模式図である。  
図３０（ａ）〜図３０（ｊ）は、電流センサモジュール２５３の一部の製造方法を例示する。複数のセンサ素子５０、第１ハードバイアス部３６ｍａ及び第２ハードバイアス部３６ｍｂの製造方法を例示する。
【０１９９】
図３０（ａ）に表したように、基板９０は、基板面９０ａを有する。第１面９０ａに、下電極９１となる膜９１ｘを積層する。この例では、第１面９０ａは、Ｘ−Ｙ平面と実質的に平行な面である。
【０２００】
図３０（ｂ）に表したように、膜９１ｘを加工し、下電極９１を形成する。例えば、下電極９１は、第１〜第３下電極部９１ａ〜９１ｃを含む。第１〜第３下電極部９１ａ〜９１ｃは、Ｘ−Ｙ平面に平行な方向において離間する。第１下電極部９１ａと第２下電極部９１ｂとの間に第３下電極部９１ｃが設けられる。
【０２０１】
図３０（ｃ）に表したように、基板９０の上に、絶縁層９２を積層する。絶縁層９２は、Ｘ−Ｙ平面に平行な方向において下電極９１と並ぶ。絶縁層９２は、第１〜第３下電極部９１ａ〜９１ｃのそれぞれを互いに絶縁させる。
【０２０２】
図３０（ｄ）に表したように、下電極９１及び絶縁層９２の上に、第１積層体１０ｓ、第２積層体１０ｓｂ及び第３積層体１０ｓｃ等となる積層膜１０ｘを積層する。積層膜１０ｘは、第１磁性層１０、第２磁性層２０及び中間層３０等となる膜を含む。
【０２０３】
図３０（ｅ）に表したように、積層膜１０ｘを加工し、第１積層体１０ｓ、第２積層体１０ｓｂ及び第３積層体１０ｓｃ等を形成する。第１積層体１０ｓは、第１下電極部９１ａの上に形成される。第２積層体１０ｓｂは、第２下電極部９１ｂの上に形成される。第３積層体１０ｓｃは、第３下電極部９１ｃの上に形成される。
【０２０４】
図３０（ｆ）に表したように、下電極９１及び絶縁層９２の上に絶縁層９３を積層する。絶縁層９３は、第１積層体１０ｓ、第２積層体１０ｓｂ及び第３積層体１０ｓｃとＸ−Ｙ平面に対して平行な方向において並ぶ。絶縁層９３は、第１積層体１０ｓ、第２積層体１０ｓｂ及び第３積層体１０ｓｃのそれぞれを、互いに絶縁させる。
【０２０５】
図３０（ｇ）に表したように、絶縁層９２を加工する。第１ハードバイアス部３６ｍａ及び第２ハードバイアス部３６ｍｂが設けられる位置において、絶縁層９２の一部を除去する。
【０２０６】
図３０（ｈ）に表したように、絶縁層９２の一部の上に、第１ハードバイアス部３６ｍａ及び第２ハードバイアス部３６ｍｂを形成する。
【０２０７】
図３０（ｉ）に表したように、第１積層体１０ｓ、第２積層体１０ｓｂ、第３積層体１０ｓｃ、第１ハードバイアス部３６ｍａ、第２ハードバイアス部３６ｍｂ及び絶縁層９３の上に上電極となる膜９４ｘを積層する。
【０２０８】
図３０（ｊ）に表したように、膜９４ｘを加工し、上電極９４を形成する。上電極９４は、第１〜第３上電極部９４ａ〜９４ｃを含む。第１上電極部９４ａは、第１積層体１０ｓの上に形成される。第２上電極部９４ｂは、第２積層体１０ｓｂの上に形成される。第３上電極部９４ｃは、第３積層体１０ｓｃの上に形成される。これにより、第１〜第３センサ素子５１〜５３が形成される。
【０２０９】
このように、ハードバイアス層（第１ハードバイアス部３６ｍａ及び第２ハードバイアス部３６ｍｂ）と、複数のセンサ素子５０と、を同時に形成することができる。磁界に対する感度が互いに異なる複数のセンサ素子５０を形成するプロセスにおいて、工程数の増加を抑えることができる。これにより、製造コストの増大を抑制することができる。
【０２１０】
図３１（ａ）〜図３１（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを例示する模式図である。  
図３１（ａ）は、実施形態に係る電流センサモジュール２５４を例示する模式的斜視図である。  
図３１（ｂ）は、電流センサモジュール２５４を例示する透視平面図である。  
図３１（ｃ）は、電流センサモジュール２５４を例示する透視平面図である。  
図３１（ａ）〜図３１（ｃ）においては、図を見易くするために、要素の一部は、省略して描かれている。
【０２１１】
電流センサモジュール２５４においても筐体３００、絶縁部３０１、電線支持部３０２、基板支持部３０３、電子基板モジュール３０４及びセンサ基板モジュール３０５が設けられる。これらについては、電流センサモジュール２５０について説明した構成と同様の構成を適用することができる。
【０２１２】
電流センサモジュール２５４においては、電線７０は、Ｘ１−Ｙ１平面に対して平行な方向に延在する。例えば、電流Ｉ１は、Ｘ１軸方向に沿って流れる。
【０２１３】
図３２（ａ）〜図３２（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を例示する模式図である。  
図３２（ａ）は、電流センサモジュール２５４を例示する透視平面図である。  
図３２（ｂ）は、電流センサモジュール２５４に用いられるセンサ素子５０を例示する模式的断面図である。  
図３２（ｃ）は、電流センサモジュール２５４に用いられるセンサ素子５０を例示する模式的斜視図である。
【０２１４】
図３２（ａ）〜図３２（ｃ）に表したように、センサ素子５０のそれぞれにおいて、第２磁性層２０の磁化２０ｍの方向は、例えば、電流Ｉ１の大きさがゼロの場合、電線７０の延在する方向（例えばＸ１軸方向）と平行な平面内の方向である。磁化２０ｍの方向は、例えば、電流Ｉ１の大きさがゼロの場合、電線７０の延在する方向と平行な方向である。第１磁性層１０から第２磁性層２０へ向かう方向（Ｚ軸方向）は、Ｘ１−Ｙ１平面内の方向であり、例えば、Ｙ１軸方向と平行である。
基板面９０ａは、例えば、電線７０の延在する方向と実質的に平行である。センサ素子５０（第１センサ素子）は、基板面９０ａに設けられる。第１磁性層１０から第２磁性層２０へ向かう方向は、電線７０の延在する方向と実質的に垂直である。磁化２０ｍの方向は、電流Ｉ１が流れていないときに、電線７０の延在する方向と、実質的に平行（または反平行）である。これにより、交流のいずれの極性の電流も検知することができる。
【０２１５】
図３３（ａ）及び図３３（ｂ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを例示する透視平面図である。  
図３３（ａ）及び図３３（ｂ）に表したように、電流センサモジュール２５５においては、複数のセンサ素子５０が設けられる。これ以外は、電流センサモジュール２５５には、電流センサモジュール２５４と同様の構成を適用することができる。
【０２１６】
複数のセンサ素子５０のそれぞれは、例えば、電線７０の延在する方向（例えばＸ１軸方向）と交差する方向（例えばＹ１軸方向）において互いに離間する。例えば、複数のセンサ素子５０は、第１センサ素子５１と第２センサ素子５２とを含む。第２センサ素子５２は、例えば、第１センサ素子５１とＹ１軸方向において離間する。例えば、電線７０と第１センサ素子５１との距離は、電線７０と第２センサ素子５２との距離よりも短い。このように配置することで広い範囲の値の電流を検知することができる。
【０２１７】
図３４は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを例示する透視平面図である。
図３４に表したように、電流センサモジュール２５６においては、複数のセンサ素子５０が設けられる。これ以外は、電流センサモジュール２５６には、電流センサモジュール２５４と同様の構成を適用することができる。
【０２１８】
複数のセンサ素子５０のそれぞれは、例えば、電線７０の延在する方向において近接して配置される。図３３の場合とは異なり、電線からの距離は等しい距離に配置されるため、互いの素子を離して設ける必要はなく、近接して設けることが可能である。製造コスト削減のために、図３４とは異なり、同一基板上に複数の電流センサを複数設ける構成も可能である。同一基板に作成することで、コストの低減を図ることが可能となる。
【０２１９】
磁界に対する感度が互いに異なる複数のセンサ素子を設ける。これにより、例えば、広い範囲の値の電流を検知することができる。感度を変える方法として、図２８及び図２９で示したように、バイアス層からの磁界の強度を変える方法などがある。
【０２２０】
図３５は、第３の実施形態に係る電流センサを例示する模式図である。  
例えば、実施形態に係る電流センサ２１０は、センサ素子５０と処理部８０と、を含む。処理部８０は、アンプ１００と、アナログデジタル変換（ＡＤＣ）部１０１と、メモリ１０２と、通信回路１０３と、を含む。
【０２２１】
センサ素子５０の出力信号（第１センサ素子５１から得られる第１信号Ｓｉｇ１）は、アンプ１００によって増幅される。増幅された出力信号は、アナログデジタル変換部１０１によって、デジタル信号に変換される。変換されたデジタル信号は、メモリ１０２に保持される。メモリ１０２に保持されたデジタル信号は、通信回路１０３によって、周辺機器へ送信される。
【０２２２】
図３６（ａ）〜図３６（ｄ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を例示する模式図である。  
図３６（ａ）〜図３６（ｄ）は、電流センサモジュール２５０におけるセンサ素子５０の磁界に対する応答を例示している。この例では、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、Ｘ軸方向と平行である。
【０２２３】
図３６（ａ）は、第１状態ＳＴ１におけるセンサ素子５０を例示している。第１状態ＳＴ１においては、センサ素子５０に磁界Ｈｓ１が印加されている。磁界Ｈｓ１は、電線７０に流れる電流によって生じる。例えば、磁界Ｈｓ１の方向は、磁化２０ｍの方向と平行である。磁界Ｈｓ１の大きさは、Ｈｓである。例えば、第１状態ＳＴ１において、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、磁化２０ｍの方向と平行ある。
【０２２４】
図３６（ｂ）は、第２状態ＳＴ２におけるセンサ素子５０を例示している。第２状態ＳＴ２においては、例えば、電線７０に電流が流れていない。センサ素子５０に磁界が印加されていない。例えば、第２状態ＳＴ２において、第１磁性層１０の磁化１０ｍの方向は、磁化２０ｍの方向と垂直である。
【０２２５】
図３６（ｃ）は、第３状態ＳＴ３におけるセンサ素子５０を例示している。第３状態ＳＴ３においては、センサ素子５０に磁界Ｈｓ２が印加されている。磁界Ｈｓ２は、電線７０に流れる電流によって生じる。例えば、磁界Ｈｓ２の方向は、磁化２０ｍの方向と反平行である。磁界Ｈｓ２の大きさは、Ｈｓである。第２状態ＳＴ２において、磁化１０ｍの方向は、磁化２０ｍの方向と反平行である。
【０２２６】
図３６（ｄ）は、センサ素子５０の磁界に対する応答を例示している。図３６（ｄ）の横軸は、磁界Ｈ１である。図３６（ｄ）の縦軸は、センサ素子５０の電気抵抗Ｒである。
図３６（ｄ）に表したように、Ｘ軸に平行な方向において、Ｈｓよりも小さい磁界Ｈ１を印加した場合に、磁界Ｈ１に対して電気抵抗Ｒは、例えば、線形に変化する。センサ素子５０は、Ｈｓよりも小さい磁界を検知することができる。
【０２２７】
図３７は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールの動作を例示する模式図である。  
図３７は、電流センサモジュール２５２におけるセンサ素子５０の磁界に対する応答を例示している。  
図３７の横軸は、磁界Ｈ１である。図３７の縦軸は、センサ素子５０の電気抵抗Ｒである。例えば電流センサモジュール２５２には、磁界に対する感度が互いに異なる複数のセンサ素子５０が設けられる。
【０２２８】
図３７に表したように、例えば、第１センサ素子５１における電気抵抗Ｒの磁界Ｈ１に対する傾きは、第２センサ素子５２における電気抵抗Ｒの磁界Ｈ２に対する傾きよりも大きい。すなわち、第１センサ素子５１の磁界に対する感度は、第２センサ素子５２の磁界に対する感度よりも高い。
【０２２９】
例えば、第１センサ素子５１は、大きさがＨｔ１以上Ｈｔ３以下の範囲の磁界に相当した電流を測定することができる。第１センサ素子５１において、大きさがＨｔ１以上Ｈｔ３以下の範囲の磁界は、例えば、Ｒ１〜Ｒ３の大きさの抵抗変化に相当する。Ｒ１〜Ｒ３の大きさの抵抗変化は、例えば、Ｖ１〜Ｖ３の大きさの出力電圧に相当する。
【０２３０】
例えば、第２センサ素子５２は、大きさがＨｔ３以上Ｈｔｎ以下の範囲の磁界に相当した電流を測定することが出来る。第２センサ素子５２において、大きさがＨｔ３以上Ｈｔｎ以下の範囲の磁界は、例えば、Ｖ３〜Ｖｎの大きさの出力電圧に相当する。
【０２３１】
例えば、大きさがＨｔ３の磁界に対する第１センサ素子５１の出力電圧と、大きさがＨｔ３の磁界に対する第２センサ素子５２の出力電圧とは、異なる。素子によって、同じ磁界に対する出力電圧が異なる。このため、出力電圧が出力されたセンサ素子を識別することで、磁界の大きさを測定することができる。
【０２３２】
図３８は、第３の実施形態に係る電流センサを例示する模式図である。  
実施形態に係る電流センサ２１１は、複数のセンサ素子５０と、処理部８０とを含む。この例では、処理部８０は、複数のコンパレータ１２０と、レジスタ１１０と、マルチプレクサ１１１と、アンプ１００と、を含む。例えば、複数のセンサ素子５０は、第１センサ素子５１と第２センサ素子５２とを含む。処理部８０は、第１コンパレータ１２１と第２コンパレータ１２２とを含む。
【０２３３】
複数のセンサ素子５０は、複数のコンパレータ１２０及びマルチプレクサ１１１と接続される。コンパレータ１２０のそれぞれには、例えば、基準値Ｖｒｅｆが予め設定される。コンパレータ１２０のそれぞれは、複数のセンサ素子５０のいずれかの出力と、基準値Ｖｒｅｆとの大きさを比較する。例えば、センサ素子５０の出力が基準値Ｖｒｅｆよりも大きい場合に「１」を出力し、センサ素子５０の出力が基準値Ｖｒｅｆよりも小さい場合に「０」を出力する。
複数のコンパレータ１２０のそれぞれは、例えば、磁界に対して適切な値を出力すると推定されるセンサ素子５０を選択し、選択した結果をレジスタ１１０に送る（演算値が出力される）。レジスタ１１０は、コンパレータ１２０のそれぞれから出力された演算値に基づく素子選択信号Ｓｉｇａ（素子選択値）を保持し、素子選択信号Ｓｉｇａをマルチプレクサ１１１へ送る。
【０２３４】
マルチプレクサ１１１は、複数のセンサ素子５０に接続されている。マルチプレクサ１１１は、素子選択信号Ｓｉｇａに基づいて、いずれかのセンサ素子５０の出力をアンプ１００へ出力する。このようにマルチプレクサ１１１において、例えば一意的にセンサ素子を選択できる。アンプ１００において、選択されたセンサ素子５０の出力が増幅され、アナログ信号Ｓｉｇｂとして出力される。これにより、磁界に対して適切な出力を得ることができる。
【０２３５】
例えば、第１コンパレータ１２１には、第１基準値Ｖｒｅｆ１が予め定められ、第２コンパレータ１２２には、第２基準値Ｖｒｅｆ２が予め定められる。第１コンパレータ１２１は、第１センサ素子５１によって出力される第１信号Ｓｉｇ１と、第１基準値Ｖｒｅｆ１と、を比較し、第１演算値Ｖｓ１をレジスタ１１０へ出力する。第２コンパレータ１２２は、第２センサ素子５２によって出力されるＳｉｇ２と、第２基準値Ｖｒｅｆ２と、を比較し、第２演算値Ｖｓ２をレジスタ１１０へ出力する。レジスタ１１０は、第１演算値Ｖｓ１と、第２演算値Ｖｓ２とに基づく素子選択値を保持し、マルチプレクサ１１１へ出力する。マルチプレクサ１１１は、素子選択値、第１信号Ｓｉｇ１及び第２信号Ｓｉｇ２、に基づく信号を出力する。
【０２３６】
実施形態に係る電流センサは、広いダイナミックレンジにおいて、高い精度で電流を検知することができる。上述のように、例えば、実施形態に係る電流センサは、電流センサモジュールに用いられる。実施形態に係る電流センサを、家庭用電気機械器具の電力測定に用いても良い。例えば、実施形態に係る電流センサをＨＥＭＳに用いても良い。
【０２３７】
図３９は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを例示する模式図である。  
図３９に表したように、実施形態に係る電流センサモジュール２５７を用いて家庭用電気機械器具３５０の電力を測定することができる。
【０２３８】
図４０（ａ）〜図４０（ｃ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを例示する模式図である。  
図４０に表したように、電流センサモジュール２５７は、筐体３００、電線７０、センサ素子５０、絶縁部３０１、電線支持部３０２、基板支持部３０３、電子基板モジュール３０４及びセンサ基板モジュール３０５を含む。電流センサ２５７には、電流センサモジュール２５０と同様の構成を適用することができる。電流センサ２５７には、電流センサモジュール２５１〜２５６と同様の構成を適用してもよい。電流センサ２５７においても、家庭用電気機械器具３５０と電流センサ２５７との相対的位置は、変化しにくいことが好ましい。電線７０と、家庭用電気機械器具３５０の電線と、を接続する。これにより、電力を測定することができる。
【０２３９】
図４１（ａ）〜図４１（ｄ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールを例示する模式図である。  
図４１（ａ）〜図４１（ｄ）は、第３の実施形態に係る電流センサモジュールに用いられるセンサ素子５０（５１ｇ）を例示している。
【０２４０】
図４１（ａ）に表したように、センサ素子５１ｇは、第１電極Ｅ１と、第２電極Ｅ２と、下地層１０ｌと、ピニング層１０ｐと、第１磁性層１０と、中間層３０と、第２磁性層２０と、キャップ層２６ｃと、を含む。これらについては、センサ素子５０について説明した構成を適用することができる。センサ素子５１ｇには、さらにインスタックバイアス層６０が設けられている。インスタックバイアス層６０は、第２磁性層２０とキャップ層２６ｃとの間に設けられる。
インスタックバイアス層６０は、分離層６１と、バイアス磁性層６２と、バイアスピニング層６３と、を含む。バイアス磁性層６２は、第１バイアス磁性層６２ａと、第２バイアス磁性層６２ｂと、バイアス磁気結合層６２ｃと、を含む。
【０２４１】
第２電極Ｅ２と、第２磁性層２０との間に分離層６１が設けられる。分離層６１と第２電極Ｅ２との間にバイアス磁性層６２が設けられる。バイアス磁性層６２と第２電極Ｅ２との間にバイアスピニング層６３が設けられる。分離層６１とバイアスピニング層６３との間に第１バイアス磁性層６２ａが設けられる。第１バイアス磁性層６２ａとバイアスピニング層６３との間に第２バイアス磁性層６２ｂが設けられる。第１バイアス磁性層６２ａと第２バイアス磁性層６２ｂとの間にバイアス磁気結合層６２ｃが設けられる。分離層６１は、非磁性である。バイアスピニング層６３は、バイアス磁性層６２の磁化方向を固着する。
【０２４２】
図４１（ｂ）〜図４１（ｄ）は、センサ素子５１ｇの製造方法を例示している。  
図４１（ｂ）に表したようにセンサ素子５１ｇを磁界中でアニールする。この例では、第２磁化固定層１０ｊの磁化１０ｊｍの方向は、Ｘ軸方向と平行である。磁化１０ｊｍの方向と平行な方向の磁界Ｈｘを印加した状態で第１アニールを行う。このとき、バイアス磁性層６２の磁化６２ｍの方向は、Ｘ軸方向と平行である。
【０２４３】
図４１（ｃ）に表したように、その後、磁化１０ｊｍの方向と垂直な方向の磁界Ｈｙを印加した状態で第２アニールを行う。このとき、バイアス磁性層６２の磁化６２ｍの方向は、Ｙ軸方向と平行である。
【０２４４】
図４１（ｄ）に表したように、室温において、磁化６２ｍの方向はＹ軸方向と平行である。
【０２４５】
インスタックバイアス層によって、第１磁性層１０にバイアス磁界を印加することができる。例えば、分離層６１の厚さ、第１バイアス磁性層６２ａの厚さ、第２バイアス磁性層６２ｂの厚さ、及び、バイアスピニング層６３の厚さのいずれかを調整する。これにより、センサ素子５１ｇの磁界に対する感度を変化させることができる。
【０２４６】
実施形態によれば、高精度の電流センサが提供できる。
【０２４７】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０２４８】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、第１電極、第２電極、第３電極、第４電極、第１積層体、第２積層体、第１磁性層、第２磁性層、第３磁性層、第４磁性層、中間層、第２中間層、第１センサ素子及び第２センサ素子などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。  
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０２４９】
その他、本発明の実施の形態として上述した電流センサを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての電流センサも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０２５０】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０２５１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０２５２】
１０…第１磁性層、  １０ｂ…第３磁性層、  １０ｉ、１０ｉｂ…第１磁化固定層、  １０ｊ、１０ｊｂ…第２磁化固定層、  １０ｊｍ…磁化方向。  １０ｋ、磁気結合層…磁気結合層、  １０ｌ、１０ｌｂ…下地層、  １０ｍ…磁化、  １０ｐ、１０ｐｂ…ピニング層、  １０ｓ…第１積層体、  １０ｓｂ…第２積層体、  １０ｘ…積層体、  ２０…第２磁性層、  ２０ｂ…第４磁性層、  ２０ｍ…磁化、  ２０ｐ…第１部分、  ２０ｑ…第２部分、  ２５、２５ａ…機能層、  ２５ｂ…第２機能層、  ２６ｃ、２６ｃ…キャップ層、  ３０…中間層（第１中間層）、  ３０ｂ…第２中間層、  ３５、３５ｂ…絶縁層、  ３６…第１ハードバイアス層（第１磁性バイアス層）、  ３６ｂ…第２ハードバイアス層（第２磁性バイアス層）、  ３６ｍａ…第１ハードバイアス部、  ３６ｍｂ…第２ハードバイアス部、  ５０…センサ素子、  ５１…第１センサ素子、  ５１ａ〜５１ｇ…センサ素子、  ５２…第２センサ素子、  ５２ｃ…センサ素子、  ５３…第３センサ素子、  ６０…インスタックバイアス層、  ６１…分離層、  ６２…バイアス磁性層、  ６２ａ…第１バイアス磁性層、  ６２ｂ…第２バイアス磁性層、  ６２ｃ…バイアス磁気結合層、  ６２ｍ…磁化、  ６３…バイアスピニング層、  ７０〜７２…電線、  ７０ｂ…第２電線、  ８０…処理部、  ８１…定電流源、  ８２…増幅回路、  ８３…アナライザ、  ９０…基板、  ９０ａ…基板面、  ９１…下電極、  ９１ａ〜９１ｃ…第１〜第３下電極部、  ９１ｘ…膜、  ９２、９３…絶縁層、  ９４…上電極、  ９４ａ〜９４ｃ…第１〜第３上電極部、  ９４ｘ…膜、  １００…アンプ、  １０１…アナログデジタル変換部、  １０２…メモリ、  １０３…通信回路、  １１０…レジスタ、  １１１…マルチプレクサ、  １２０…コンパレータ、  １２１〜１２２…第１〜第２コンパレータ、  ２００〜２０４、２１０、２１１…電流センサ、  ２５０〜２５７…電流センサモジュール、  ３００…筐体、  ３００ａ…第１筐体面、  ３００ｂ…第２筐体面、  ３０１…絶縁部、  ３０２…電線支持部（第１支持部）、  ３０３…基板支持部（第２支持部）、  ３０４…電子基板モジュール、  ３０５…センサ基板モジュール、  ３０６…表示部、  ３５０…家庭用電気機械器具、  Ｅ１〜Ｅ４…第１〜第４電極、  Ｈ…外部磁場、  Ｈ１〜Ｈ３…磁界、  Ｈｃ…保磁力、  Ｈｓ１、Ｈｓ２、Ｈｘ、Ｈｙ…磁界、  Ｉ１、Ｉ２…電流、  Ｉｎｔ…強度、  Ｌ１〜Ｌ３…線、  Ｎ…ノイズ、  Ｐ１〜Ｐ６…点、  ＰＳ…パワースペクトル、  Ｒ…電気抵抗、  Ｓ０１〜Ｓ０３…第１〜第３試料、  ＳＴ１〜ＳＴ３…第１〜第３状態、  Ｓｇ１〜Ｓｇ２…第１〜第２信号、  Ｓｉｇａ…素子選択信号、  Ｓｉｇｂ…アナログ信号、  Ｖｒｅｆ…基準値、  Ｖｒｅｆ１…第１基準値、  Ｖｒｅｆ２…第２基準値、  Ｖｓ１…第１演算値、  Ｖｓ２…第２演算値、  ｍａ１〜ｍａ６…第１〜第６バイアス部、  ｔ、ｔ１ｂ、ｔ２ｂ…厚さ
【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１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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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１２】
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【図１３】
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