(57)【要約】【課題】小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度を併せ持つ電流センサを提供すること。【解決手段】磁化方向が略固定された強磁性固定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んで構成された複数の磁気検出部（３２）と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するハードバイアス層を含んで構成された複数の永久磁石部（３３）と、が交互に接して配置された磁気抵抗効果素子（１２ａ、１２ｂ）を備え、隣接する前記永久磁石部（３３）の間隔が２０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする。【選択図】図３
2013055281.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁化方向が略固定された強磁性固定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んで構成された複数の磁気検出部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するハードバイアス層を含んで構成された複数の永久磁石部と、が交互に接して配置された磁気抵抗効果素子を備え、隣接する前記永久磁石部の間隔が２０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記磁気検出部の幅が０．５μｍ〜１．５μｍであることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
【請求項３】
前記フリー磁性層の磁化量が０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２〜１．０ｍｅｍｕ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記永久磁石部は、隣接する前記磁気検出部を電気的に接続する導電層を含んで構成された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】
前記磁気抵抗効果素子を含んで構成され、誘導磁界に略比例する電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を具備した磁気比例式電流センサであ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗効果素子を用いた電流センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車や太陽電池などの分野では、被測定電流からの誘導磁界を検出して出力する磁気検出素子を備えた電流センサが用いられている。電流センサに使用される磁気検出素子としては、例えば、ＧＭＲ素子などの磁気抵抗効果素子がある。
【０００３】
ＧＭＲ素子は、例えば、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などを含んで構成される。当該ＧＭＲ素子において、強磁性固定層は反強磁性層上に接して設けられており、反強磁性層との間で生じる交換結合磁界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、強磁性固定層上に非磁性材料層（非磁性中間層）を介して積層されており、外部磁界により磁化方向が変化するようになっている。
【０００４】
ＧＭＲ素子の電気抵抗は、外部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。このようなＧＭＲ素子を備えた電流センサにおいては、被測定電流による誘導磁界の印加により変動するＧＭＲ素子の電気抵抗値に基づき被測定電流の電流値を算出している。電流センサにおいて、磁気ヒステリシスによる特性低下を抑制するため、フリー磁性層にバイアス磁界を印加するためのハードバイアス層を備えたＧＭＲ素子を用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−６６８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に示されるＧＭＲ素子は、フリー磁性層にハードバイアス層からの磁界が印加されることでフリー磁性層の磁化方向が初期化されるため、磁気ヒステリシスをある程度抑制できる。しかしながら、上述したＧＭＲ素子ではフリー磁性層がハードバイアス層上に接して設けられているため、フリー磁性層のハードバイアス層との接触部においてハードバイアス層のバイアス磁界によりフリー磁性層の磁化方向が強く固着されてしまう。その結果、被測定電流からの誘導磁界が作用しても接触部の磁化方向が変化せず、電流センサの検出感度や出力の線形性が低下してしまう。また、磁気ヒステリシスに関しても十分に抑制できるとは言い難い。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度を併せ持つ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、磁化方向が略固定された強磁性固定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んで構成された複数の磁気検出部と、前記フリー磁性層にバイアス磁界を印加するハードバイアス層を含んで構成された複数の永久磁石部と、が交互に接して配置された磁気抵抗効果素子を備え、隣接する前記永久磁石部の間隔が２０μｍ〜１００μｍであることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、磁気抵抗効果素子において隣接する磁気検出部の間に永久磁石部を設けることになるためフリー磁性層とハードバイアス層との接触部の面積が大きくならずに済み、フリー磁性層の不感領域を十分に小さくできる。これに加えて、隣接する永久磁石部の間隔を２０μｍ〜１００μｍとすることで、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度を併せ持つ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、前記磁気検出部の幅が０．５μｍ〜１．５μｍであることが好ましい。この構成によれば、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度が高度にバランスされた電流センサを実現できる。
【００１１】
本発明の電流センサにおいて、前記フリー磁性層の磁化量が０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２〜１．０ｍｅｍｕ／ｃｍ２であることが好ましい。この構成によれば、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度が高度にバランスされた電流センサを実現できる。
【００１２】
本発明の電流センサにおいて、前記永久磁石部は、隣接する前記磁気検出部を電気的に接続する導電層を含んで構成されたことが好ましい。この構成によれば、隣接する磁気検出部が導電層によって電気的に接続されるため、永久磁石部による電気抵抗の増大、ばらつきなどを抑制できる。これにより、測定精度が高い電流センサを実現できる。
【００１３】
本発明の電流センサは、前記磁気抵抗効果素子を含んで構成され、誘導磁界に略比例する電圧差を生じる２つの出力を備える磁界検出ブリッジ回路を具備した磁気比例式電流センサであることが好ましい。フィードバックコイルなどの制御手段がない磁気比例式電流センサにおいては磁気抵抗効果素子の特性が電流センサの特性に直結するため、上述した構成により電流センサの特性を飛躍的に高めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度を併せ持つ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】本実施の形態に係る電流センサを示す模式図である。
【図２】本実施の形態に係る電流センサを示す平面模式図である。
【図３】本実施の形態に係る電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子の平面模式図である。
【図４】本実施の形態に係る電流センサに用いられる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５】磁気抵抗効果素子において隣接する永久磁石部の間隔と磁気ヒステリシスとの関係を示す特性図である。
【図６】磁気抵抗効果素子において隣接する永久磁石部の間隔と非線形性との関係を示す特性図である。
【図７】磁気抵抗効果素子において隣接する永久磁石部の間隔と電流センサの感度との関係を示す特性図である。
【図８】磁気抵抗効果素子における磁気検出部の幅と磁気ヒステリシスとの関係を示す特性図である。
【図９】磁気抵抗効果素子における磁気検出部の幅と非線形性との関係を示す特性図である。
【図１０】磁気抵抗効果素子における磁気検出部の幅と電流センサの感度との関係を示す特性図である。
【図１１】磁気抵抗効果素子におけるフリー磁性層の磁化量と磁気ヒステリシスとの関係を示す特性図である。
【図１２】磁気抵抗効果素子におけるフリー磁性層の磁化量と非線形性との関係を示す特性図である。
【図１３】磁気抵抗効果素子におけるフリー磁性層の磁化量と電流センサの感度との関係を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
磁気抵抗効果素子を備えた電流センサにおいては、ハードバイアス層を設けてフリー磁性層に一軸異方性を付与することで磁気ヒステリシスの低減が可能となる。しかしながら、単にハードバイアス層とフリー磁性層とを配置するだけでは電流センサの諸特性が低下してしまうことがある。
【００１７】
本発明者らは、上記電流センサの特性低下が、ハードバイアス層の間隔に起因して生じることを確認し、電流センサにおける磁気ヒステリシス、線形性、検出感度といった特性が、磁気検出パターンの一部を除去して設けられたハードバイアス層の間隔に大きく依存することを発見した。そして、隣接するハードバイアス層の間隔を２０μｍ〜１００μｍとした場合に、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度を併せ持つ電流センサを実現できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１８】
すなわち、本発明の骨子は、フリー磁性層を含んで構成される磁気検出部と、ハードバイアス層を含んで構成される永久磁石部とを交互に配置することで磁気検出パターンを構成し、隣接する永久磁石部の間隔を２０μｍ〜１００μｍとする点にある。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。
【００１９】
図１及び図２は、本発明の実施の形態に係る電流センサの一例を示す模式図である。図１及び図２に示される電流センサ１は磁気比例式の電流センサであり、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設されている。なお、以下では、本発明による効果が特に顕著に表れる磁気比例式の電流センサ１について説明するが、本発明の適用対象はこれに限定されない。例えば、フィードバックコイルによって誘導磁界を打ち消すキャンセル磁界を発生させ、フィードバックコイルを流れる電流から被測定電流の大きさを算出する磁気平衡式の電流センサに対して本発明を適用しても良い。
【００２０】
図１および図２に示される電流センサ１は、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈを検出する磁界検出ブリッジ回路１２を有する。磁界検出ブリッジ回路１２は、被測定電流Ｉからの誘導磁界Ｈの印加により抵抗値が変化する２つの磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂ、及び誘導磁界Ｈにより抵抗値が変化しない２つの固定抵抗素子１２ｃ、１２ｄにより構成されている。このように磁気抵抗効果素子を有する磁界検出ブリッジ回路１２を用いることで、高感度の電流センサ１を実現できる。なお、磁界検出ブリッジ回路１２は、４個の素子でなるフルブリッジ回路に限られない。２個の素子でなるハーフブリッジ回路としても良い。また、磁界検出ブリッジ回路１２に用いられる磁気抵抗効果素子の数は適宜変更できる。例えば、４個の磁気抵抗効果素子を用いて磁界検出ブリッジ回路１２を構成しても良い。
【００２１】
磁界検出ブリッジ回路１２は、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈに対応する電圧差を生じる２つの出力Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２を備える。図２に示されるように、磁界検出ブリッジ回路１２においては、磁気抵抗効果素子１２ａと固定抵抗素子１２ｄとの接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２ｂと固定抵抗素子１２ｃとの接続点にグランドＧＮＤが接続されている。磁気抵抗効果素子１２ａと固定抵抗素子１２ｃとの接続点には出力Ｏｕｔ１が接続されており、磁気抵抗効果素子１２ｂと固定抵抗素子１２ｄとの接続点には出力Ｏｕｔ２が接続されている。電流センサ１は、出力Ｏｕｔ１及び出力Ｏｕｔ２の電圧差を元に、被測定電流Ｉの電流値を算出する。
【００２２】
磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂは、図２の拡大図に示されるように、略平行に配置された複数の長尺パターンを含むミアンダ状の磁気検出パターンで構成されている。磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの感度軸方向は、長尺パターンの長手方向に対して略直交する方向である。このため、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂは、被測定電流Ｉによる誘導磁界Ｈの向きが長尺パターンの長手方向に対して略直交するよう配置される。磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂとして、本実施の形態ではＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子を用いる。ただし、ＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ  Ｍａｇｎｅｔｏ  Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などを用いても良い。
【００２３】
図３は、本実施の形態に係る電流センサ１に用いられる磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの構成を示す平面模式図である。図３に示すように、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂにおいては、平面形状が略長方形状の複数の長尺パターン３１を、当該長尺パターン３１の長手方向（Ｘ方向）と直交する方向（Ｙ方向）に、所定間隔を設けて略平行に配列させている。図３では、９個の長尺パターン３１ａ〜３１ｉを含む磁気検出パターンを示しているが、長尺パターン３１の数はこれに限定されない。
【００２４】
各長尺パターン３１は、複数の磁気検出部３２と、複数の永久磁石部３３とを含んで構成されている。磁気検出部３２は、長尺パターン３１の長手方向において所定の間隔で離間して配置されている。また、隣接する２つの磁気検出部３２の間には、１つの永久磁石部３３が配設されている。すなわち、長尺パターン３１は、磁気検出部３２と永久磁石部３３とを交互に接続して構成されている。
【００２５】
長尺パターン３１の配列方向（Ｙ方向）において、最も外側に設けられた長尺パターン３１ａの一端部側（図３に示す左側端部）の永久磁石部３３は、接続端子３４ａに接続されている。一方、長尺パターン３１ａの配列方向において、長尺パターン３１ａから最も離れて設けられた長尺パターン３１ｉの他端部（図３に示す右側端部）の永久磁石部３３は、接続端子３４ｂに接続されている。
【００２６】
長尺パターン３１ａの他端部と、この長尺パターン３１ａに隣接する長尺パターン３１ｂの他端部とは、永久磁石部３３によって接続され、長尺パターン３１ｂの一端部と、この長尺パターン３１ｂに隣接する長尺パターン３１ｃの一端部とは永久磁石部３３によって接続されている。同様に、長尺パターン３１ｃの他端部と、隣接する長尺パターン３１ｄの他端部とは、永久磁石部３３によって接続され、長尺パターン３１ｄの一端部と、隣接する長尺パターン３１ｅの一端部とは永久磁石部３３によって接続されている。さらに、長尺パターン３１ｅの他端部と、隣接する長尺パターン３１ｆの他端部とは、永久磁石部３３によって接続され、長尺パターン３１ｆの一端部と、隣接する長尺パターン３１ｆの一端部とは永久磁石部３３によって接続されている。長尺パターン３１ｇの他端部と、隣接する長尺パターン３１ｈの他端部とは、永久磁石部３３によって接続され、長尺パターン３１ｈの一端部と、隣接する長尺パターン３１ｉの一端部とは永久磁石部３３によって接続されている。このように、長尺パターン３１の両端部の永久磁石部３３は、接続端子３４ａ、３４ｂに接続する永久磁石部３３を除き、隣接する長尺パターン３１同士を接続する屈曲部分を構成しており、これによってミアンダ形状の磁気検出パターンが構成されている。なお、接続端子３４ａ、３４ｂに接続する永久磁石部３３の形状に比べて、その他の永久磁石部３３の形状は、長尺パターン３１同士を共通に接続可能なように、長尺パターン３１の配列方向に延在して形成されている。
【００２７】
磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂが有する接続端子３４ａ、３４ｂを通じて電源ＶｄｄからグランドＧＮＤに電流が流れると、ミアンダ状の磁気検出パターンの電気抵抗値に応じて電圧降下が生じる。ミアンダ状の磁気検出パターンの電気抵抗値は被測定電流Ｉの誘導磁界Ｈによって変動するようになっているため、電圧降下も誘導磁界Ｈの大きさに応じて変動する。接続端子３４ａ、３４ｂの一方は出力Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２の一方と接続されているため、出力Ｏｕｔ１又は出力Ｏｕｔ２には、ミアンダ状の磁気検出パターンにおいて生じた電圧降下に対応する電圧値、すなわち、誘導磁界Ｈの大きさに応じた電圧値が与えられる。出力Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２は、不図示の演算部と接続されており、出力Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２の電圧差から被測定電流Ｉを算出可能になっている。
【００２８】
上述した長尺パターン３１において、永久磁石部３３は間隔Ｄ１で配置されている。言い換えれば、複数の磁気検出部３２は、いずれも間隔Ｄ１と等しい長さＬ１（Ｘ方向の大きさ）で構成されている。間隔Ｄ１は、具体的には２０μｍ〜１００μｍである。このようにすることで、電流センサ１の磁気ヒステリシスを小さく抑え、線形性を高め、検出感度を高めることができる。
【００２９】
また、長尺パターン３１において、複数の磁気検出部３２は、いずれも幅Ｗ１（Ｙ方向の大きさ）で構成されている。幅Ｗ１は、具体的には０．５μｍ〜１．５μｍである。このようにすることで、電流センサ１の磁気ヒステリシス、線形性、検出感度を高度にバランスさせることができる。
【００３０】
図４は、本実施の形態に係る電流センサ１に用いられる磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂの積層構造を示す断面模式図である。図４では、図３のＡＡ矢視断面に相当する断面を示している。図４に示されるように、磁気検出部３２及び永久磁石部３３は、不図示のシリコン基板などの基板に形成されたアルミニウム酸化膜４１上に設けられている。アルミニウム酸化膜４１は、例えば、スパッタリング法などにより形成することができる。各磁気検出部３２は、互いに離間するように所定の間隔で設けられており、磁気検出部３２の間には永久磁石部３３が設けられている。
【００３１】
磁気検出部３２は、シード層４２、第１の強磁性膜４３、反平行結合膜４４、第２の強磁性膜４５、非磁性中間層４６、フリー磁性層４７、及び保護層４８がこの順序で積層されることにより構成されている。磁気検出部３２においては、反平行結合膜４４を介して第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５とが反強磁性的に結合されており、いわゆるセルフピン止め型の強磁性固定層（ＳＦＰ層：Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ  Ｆｅｒｒｉ  Ｐｉｎｎｅｄ層）４９が構成されている。このように、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂは、強磁性固定層４９、非磁性中間層４６および軟磁性自由層４７を用いたスピンバルブ型の素子である。
【００３２】
シード層４２は、ＮｉＦｅＣｒ、Ｃｒなどで構成される。なお、不図示の基板とシード層４２との間には、例えば、Ｔａ、Ｈｆ、Ｎｂ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗのうち少なくとも１つの元素を含む非磁性材料などで構成される下地層を設けても良い。
【００３３】
第１の強磁性膜４３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。なお、第１の強磁性膜４３は、その成膜中において長尺パターン３１の幅方向（Ｙ方向、図３参照）に磁場が印加されることで、誘導磁気異方性が付与される。印加磁場の方向は、例えば、紙面奥側から手前側に向かう方向である。
【００３４】
反平行結合膜４４は、Ｒｕなどにより構成される。なお、反平行結合膜４４は、０．３ｎｍ〜０．４５ｎｍ、または、０．７５ｎｍ〜０．９５ｎｍの厚さで形成することが望ましい。反平行結合膜４４をこのような厚さとすることにより、第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５との間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
【００３５】
第２の強磁性膜４５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４３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。なお、第２の強磁性膜４５は、成膜中に、第１の強磁性膜４３の成膜中と同様の磁場（長尺パターン３１の幅方向の磁場、例えば、紙面奥側から手前側に向かう方向の磁場）が印加されることにより、誘導磁気異方性が付与される。このような磁場を印加しながら成膜することで、第１の強磁性膜４３が印加磁場の方向に優先的に磁化し、第２の強磁性膜４５は第１の強磁性膜４３の磁化方向とは反平行方向（１８０°異なる方向）に磁化する。
【００３６】
非磁性中間層４６は、Ｃｕなどにより構成される。非磁性中間層４６の構成は、所望の特性が得られるように適宜変更できる。
【００３７】
フリー磁性層４７は、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で構成される。フリー磁性層４７は、成膜中に長尺パターン３１の長さ方向（Ｘ方向、図３参照）に磁場が印加されることで、誘導磁気異方性が付与されたものであることが望ましい。これにより、ストライプ幅方向の外部磁場に対して線形に抵抗変化し、磁気ヒステリシスの小さい磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂを実現できる。また、フリー磁性層４７は、フリー磁性層の厚さやフリー磁性層を構成する磁性材料の選択などにより、磁化量が０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２〜１．０ｍｅｍｕ／ｃｍ２となるように構成されている。このようにすることで、電流センサ１の磁気ヒステリシス、線形性、検出感度を高度にバランスさせることができる。
【００３８】
保護層４８は、Ｔａなどで構成される。保護層４８の構成は、所望の特性が得られるように適宜変更できる。
【００３９】
なお、磁気検出部３２において、第１の強磁性膜４３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜４５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）は実質的に同じであることが望ましい。第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５との間で磁化量の差が実質的にゼロとなることにより、強磁性固定層４９の実効的な異方性磁界が大きくなる。これにより、反強磁性材料を用いなくても、強磁性固定層４９の磁化安定性を十分に確保できる。また、第１の強磁性膜４３のキュリー温度（Ｔｃ）と第２の強磁性膜４５のキュリー温度（Ｔｃ）とは、実質的に同じであることが望ましい。これにより、高温環境においても第１の強磁性膜４３、第２の強磁性膜４５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）の差が実質的にゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
【００４０】
永久磁石部３３は、アルミニウム酸化膜４１上に設けられた磁気検出部３２の一部をエッチングなどによって除去した領域に設けられている。永久磁石部３３は、アルミニウム酸化膜４１の表面及び磁気検出部３２の側面を覆うように設けられた下地層５１と、下地層５１上に設けられたハードバイアス層５２と、ハードバイアス層５２上に設けられた拡散防止層５３と、拡散防止層５３上に設けられた導電層５４とを含んで構成されている。
【００４１】
下地層５１は、Ｔａ、ＣｒＴｉ合金などにより構成される。下地層５１は、ハードバイアス層５２と磁気検出部３２のフリー磁性層４７との間に設けられており、磁気検出部３２のフリー磁性層４７へのバイアス磁界を適度に低減する。このような下地層５１を設けることでハードバイアス層５２とフリー磁性層４７とが接触しないため、フリー磁性層４７の磁化方向の固着が抑制される。これにより、フリー磁性層４７の不感領域を十分に小さくでき、磁気ヒステリシスを低減できる。
【００４２】
ハードバイアス層５２は、磁気検出部３２のフリー磁性層４７に対してバイアス磁界を印加できるよう、ＣｏＰｔ合金、ＣｏＣｒＰｔ合金などにより構成される。ハードバイアス層５２は、その下面がシード層４２の下面より下方に位置し、その上面が保護層４８の上面より上方に位置するように設けられており、ハードバイアス層５２によってフリー磁性層４７の側面領域が覆われるようになっている。このようにすることで、フリー磁性層４７の感度軸方向に対して略直交方向からバイアス磁界を印加することが可能となり、磁気ヒステリシスをより効果的に低減できる。
【００４３】
拡散防止層５３は、ハードバイアス層５２を覆うように設けられる。拡散防止層５３は、Ｔａなどで構成される。
【００４４】
導電層５４は、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔａなどにより構成される。導電層５４は、拡散防止層５３を覆うように設けられている。また、導電層５４は、長尺パターン３１の長手方向（Ｘ方向）において、磁気検出部３２の保護層４８と接するように設けられており、永久磁石部３３を挟むことにより離間された２つの磁気検出部３２を電気的に接続する。このようにすることで、永久磁石部３３のハードバイアス層５２による寄生抵抗の影響を低減し、電気抵抗値の増大や電気抵抗のばらつきなどを抑制できる。その結果、高い測定精度を実現できる。
【００４５】
以上のように、本実施の形態に係る電流センサ１に用いられる磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂにおいて、隣接する永久磁石部３３の間隔Ｄ１を２０μｍ〜１００μｍとすることで、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度を併せ持つ電流センサを実現できる。
【００４６】
図５は、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂにおいて隣接する永久磁石部３３の間隔Ｄ１と磁気ヒステリシスとの関係を示す特性図である。図６は、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂにおいて隣接する永久磁石部３３の間隔Ｄ１と非線形性との関係を示す特性図である。図７は、磁気抵抗効果素子１２ａ、１２ｂにおいて隣接する永久磁石部３３の間隔Ｄ１と電流センサの感度との関係を示す特性図である。図５〜図７に係る特性の測定には、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ６０Ｃｏ４０（第１の強磁性膜：１．９ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（フリー磁性層：１ｎｍ）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（フリー磁性層：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という積層構造の磁気検出部３２と、Ｔａ（下地層：１．５ｎｍ）／ＣｒＴｉ（下地層：３．５ｎｍ）／ＣｏＰｔ（ハードバイアス層：６０ｎｍ）／Ｔａ（拡散防止層：５ｎｍ）／Ａｕ（導電層：１２０ｎｍ）／Ｔａ（導電層：５ｎｍ）という積層構造の永久磁石部３３とでなる磁気抵抗効果素子を用いた。磁気検出部３２の幅Ｗ１は０．８μｍに固定し、フリー磁性層の磁化量は０．６８ｍｅｍｕ／ｃｍ２に固定した。
【００４７】
図５に係る磁気ヒステリシスは、−４０ｍＴ印加後のゼロ磁場抵抗値をＲ０−とし、＋４０ｍＴ印加後のゼロ磁場抵抗値をＲ０＋とし、−４０ｍＴ印加時の抵抗値と＋４０ｍＴ印加時の抵抗値との差をΔＲＡとして、Ｒ０−＋Ｒ０＋／ΔＲＡ×１００（％）で定義して算出した。また、図６に係る非線形性は、−４ｍＴから＋４ｍＴまで印加磁場を増加させた場合のＲ−Ｈ曲線とその線形回帰直線との最大の抵抗値差をΔＲｉｎｃとし、＋４ｍＴから−４ｍＴまで印加磁場を減少させた場合のＲ−Ｈ曲線とその線形回帰直線との最大の抵抗値差をΔＲｄｅｃとし、−４ｍＴ印加時の抵抗値と＋４ｍＴ印加時の抵抗値との差をΔＲＢとして、（ΔＲｉｎｃ／ΔＲＢ＋ΔＲｄｅｃ／ΔＲＢ）／２×１００（％）により算出した。また、図７に係る電流センサの感度は、−４０ｍＴ印加後の＋１ｍＴでの抵抗値と＋４０ｍＴ印加後の＋１ｍＴでの抵抗値との平均値をＲ＋１とし、−４０ｍＴ印加後の−１ｍＴでの抵抗値と＋４０ｍＴ印加後の−１ｍＴでの抵抗値との平均値をＲ−１とし、上述したＲ０−とＲ０−との平均値をＲ０として、（Ｒ＋１−Ｒ−１）／Ｒ０／２０で定義して算出した。
【００４８】
図５の特性図において、永久磁石部３３の間隔Ｄ１が２０μｍの点と、１００μｍの点とを境に特性図の傾き（近似直線ａ１、ａ２、ａ３の傾き）が変化している。図５から、近似直線ａ２と特性曲線が略一致する２０μｍ〜１００μｍの範囲において磁気ヒステリシスが十分に小さくなることが分かる。同様に、図６の特性図において、永久磁石部３３の間隔Ｄ１が２０μｍの点と、１００μｍの点とを境に特性図の傾き（近似直線ｂ１、ｂ２、ｂ３の傾き）が変化している。図６から、近似直線ｂ２と特性曲線が略一致する２０μｍ〜１００μｍの範囲において非線形性が十分に低くなることが分かる。これは、２０μｍ〜１００μｍの範囲において線形性が十分に高くなることを意味している。同様に、図７の特性図において、永久磁石部３３の間隔Ｄ１が２０μｍの点を境に特性図の傾き（近似直線ｃ１、ｃ２の傾き）が変化している。図７から、近似直線ｃ２と特性曲線が略一致する２０μｍ〜において感度が十分に高くなることが分かる。
【００４９】
このように、永久磁石部３３の間隔Ｄ１を２０μｍ〜１００μｍとすることで、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度を併せ持つ電流センサが実現できる。
【００５０】
図８は、磁気抵抗効果素子における磁気検出部３２の幅Ｗ１と磁気ヒステリシスとの関係を示す特性図である。図９は、磁気抵抗効果素子における磁気検出部３２の幅Ｗ１と非線形性との関係を示す特性図である。図１０は、磁気抵抗効果素子における磁気検出部３２の幅Ｗ１と電流センサの感度との関係を示す特性図である。図８〜図１０に係る特性の測定には、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ６０Ｃｏ４０（第１の強磁性膜：１．９ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（フリー磁性層：１ｎｍ）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（フリー磁性層：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という積層構造の磁気検出部３２と、Ｔａ（下地層：１．５ｎｍ）／ＣｒＴｉ（下地層：３．５ｎｍ）／ＣｏＰｔ（ハードバイアス層：６０ｎｍ）／Ｔａ（拡散防止層：５ｎｍ）／Ａｕ（導電層：１２０ｎｍ）／Ｔａ（導電層：５ｎｍ）という積層構造の永久磁石部３３とでなる磁気抵抗効果素子を用いた。隣接する永久磁石部３３の間隔Ｄ１は６０μｍに固定し、フリー磁性層の磁化量は０．６８ｍｅｍｕ／ｃｍ２に固定した。各特性の算出方法は、図５〜図７に係る場合と同様とした。
【００５１】
図８の特性図において、磁気検出部３２の幅Ｗ１が１．５μｍの点を境に特性図の傾き（近似直線ｄ１、ｄ２の傾き）が変化している。図８から、近似直線ｄ１と特性曲線が略一致する〜１．５μｍにおいて磁気ヒステリシスが十分に小さくなることが分かる。同様に、図９の特性図において、磁気検出部３２の幅Ｗ１が１．５μｍの点を境に特性図の傾き（近似直線ｅ１、ｅ２の傾き）が変化している。図９から、近似直線ｅ１と特性曲線が略一致する〜１．５μｍにおいて非線形性が十分に低くなることが分かる。これは、〜１．５μｍにおいて線形性が十分に高くなることを意味している。また、図１０の特性図において、磁気検出部３２の幅Ｗ１が０．６μｍの点を境に特性図の傾き（近似直線ｆ１、ｆ２の傾き）が変化している。図１０から、近似直線ｆ２と特性曲線が略一致する０．６μｍ〜において感度が高くなることが分かる。
【００５２】
このように、磁気検出部３２の幅Ｗ１を０．６μｍ〜１．５μｍとすることで、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度が高度にバランスされた電流センサを実現できる。
【００５３】
図１１は、磁気抵抗効果素子におけるフリー磁性層の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と磁気ヒステリシスとの関係を示す特性図である。図１２は、磁気抵抗効果素子におけるフリー磁性層の磁化量と非線形性との関係を示す特性図である。図１３は、磁気抵抗効果素子におけるフリー磁性層の磁化量と電流センサの感度との関係を示す特性図である。図１１〜図１３に係る特性の測定には、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ６０Ｃｏ４０（第１の強磁性膜：１．９ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：２．４ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（フリー磁性層：１ｎｍ）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（フリー磁性層：ｘｎｍ）／Ｔａ（保護層：１０ｎｍ）という積層構造の磁気検出部３２と、Ｔａ（下地層：１．５ｎｍ）／ＣｒＴｉ（下地層：３．５ｎｍ）／ＣｏＰｔ（ハードバイアス層：６０ｎｍ）／Ｔａ（拡散防止層：５ｎｍ）／Ａｕ（導電層：１２０ｎｍ）／Ｔａ（導電層：５ｎｍ）という積層構造の永久磁石部３３とでなる磁気抵抗効果素子を用いた。フリー磁性層の磁化量は、フリー磁性層であるＮｉ８１．５Ｆｅ１８．５層の膜厚を変更することで調節した。測定点に対応するＮｉ８１．５Ｆｅ１８．５層の膜厚を図１１〜図１３中に示す。隣接する永久磁石部３３の間隔Ｄ１は６０μｍに固定し、磁気検出部３２の幅Ｗ１は０．８μｍに固定した。各特性の算出方法は、図５〜図７に係る場合と同様とした。
【００５４】
図１１の特性図において、フリー磁性層の磁化量が０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２の点を境に特性図の傾き（近似直線ｇ１、ｇ２の傾き）が変化している。図１１から、近似直線ｇ２と特性曲線が略一致する０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２〜において磁気ヒステリシスが十分に小さくなることが分かる。同様に、図１２の特性図において、フリー磁性層の磁化量が０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２の点を境に特性図の傾き（近似直線ｈ１、ｈ２の傾き）が変化している。図１２から、近似直線ｈ２と特性曲線が略一致する０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２〜において非線形性が十分に低くなることが分かる。これは、０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２〜において線形性が十分に高くなることを意味している。また、図１３の特性図において、フリー磁性層の磁化量が１．０ｍｅｍｕ／ｃｍ２を超えると、十分な感度が得られなくなっている。すなわち、図１３から、〜１．０ｍｅｍｕ／ｃｍ２において感度が高くなることが分かる。
【００５５】
このように、フリー磁性層の磁化量を０．６ｍｅｍｕ／ｃｍ２〜１．０ｍｅｍｕ／ｃｍ２とすることで、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度が高度にバランスされた電流センサを実現できる。
【００５６】
以上のように本発明では、電流センサに用いられる磁気抵抗効果素子において、隣接する永久磁石部の間隔を２０μｍ〜１００μｍとすることで、小さい磁気ヒステリシス、高い線形性、及び高い検出感度を併せ持つ電流センサを実現できる。
【００５７】
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できる。例えば、各長尺パターンは、複数の永久磁石部と複数の磁気検出部とが所定の間隔で離間するように配置される形態に限定されない。各長尺パターンが、長さが２０μｍ〜１００μｍの一つの磁気検出部と、その両端の永久磁石部とで構成されていても良い。また、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。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】
【００５８】
本発明は、例えば、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。
【符号の説明】
【００５９】
１  電流センサ  
１１  導体
１２  磁界検出ブリッジ回路
１２ａ、１２ｂ  磁気抵抗効果素子
１２ｃ、１２ｄ  固定抵抗素子
３１  長尺パターン
３２  磁気検出部
３３  永久磁石部
３４ａ、３４ｂ  接続端子
４１  アルミニウム酸化膜
４２  シード層
４３  第１の強磁性膜
４４  反平行結合膜
４５  第２の強磁性膜
４６  非磁性中間層
４７  フリー磁性層
４８  保護層
４９  強磁性固定層
５１  下地層
５２  ハードバイアス層
５３  拡散防止層
５４  導電層
【図１】
2013055281.tif 000003
【図２】
2013055281.tif 000004
【図３】
2013055281.tif 000005
【図４】
2013055281.tif 000006
【図５】
2013055281.tif 000007
【図６】
2013055281.tif 000008
【図７】
2013055281.tif 000009
【図８】
2013055281.tif 000010
【図９】
2013055281.tif 000011
【図１０】
2013055281.tif 000012
【図１１】
2013055281.tif 000013
【図１２】
2013055281.tif 000014
【図１３】
2013055281.tif 000015