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WO2011111648A1 - 磁気センサ及びそれを用いた磁気平衡式電流センサ - Google Patents

磁気センサ及びそれを用いた磁気平衡式電流センサ Download PDF

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WO2011111648A1
WO2011111648A1 PCT/JP2011/055185 JP2011055185W WO2011111648A1 WO 2011111648 A1 WO2011111648 A1 WO 2011111648A1 JP 2011055185 W JP2011055185 W JP 2011055185W WO 2011111648 A1 WO2011111648 A1 WO 2011111648A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
magnetic
magnetic field
film
ferromagnetic film
ferromagnetic
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2011/055185
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
井出　洋介
斎藤　正路
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Alps Alpine Co Ltd
Original Assignee
Alps Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alps Electric Co Ltd filed Critical Alps Electric Co Ltd
Priority to JP2012504443A priority Critical patent/JP5572208B2/ja
Priority to CN201180013610.XA priority patent/CN102812376B/zh
Publication of WO2011111648A1 publication Critical patent/WO2011111648A1/ja
Priority to US13/607,467 priority patent/US8952689B2/en
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00—Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
    • G01R33/02—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux
    • G01R33/06—Measuring direction or magnitude of magnetic fields or magnetic flux using galvano-magnetic devices
    • G01R33/09—Magnetoresistive devices
    • G01R33/093—Magnetoresistive devices using multilayer structures, e.g. giant magnetoresistance sensors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y25/00—Nanomagnetism, e.g. magnetoimpedance, anisotropic magnetoresistance, giant magnetoresistance or tunneling magnetoresistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R15/00—Details of measuring arrangements of the types provided for in groups G01R17/00 - G01R29/00, G01R33/00 - G01R33/26 or G01R35/00
    • G01R15/14—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks
    • G01R15/20—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices
    • G01R15/205—Adaptations providing voltage or current isolation, e.g. for high-voltage or high-current networks using galvano-magnetic devices, e.g. Hall-effect devices, i.e. measuring a magnetic field via the interaction between a current and a magnetic field, e.g. magneto resistive or Hall effect devices using magneto-resistance devices, e.g. field plates

Definitions

  • the present invention relates to a magnetic sensor and a magnetic balance type current sensor using the same.
  • a motor In an electric vehicle, a motor is driven using electricity generated by an engine, and the magnitude of the current for driving the motor is detected by, for example, a current sensor.
  • a current sensor As this current sensor, a magnetic core having a notch (core gap) in part is arranged around a conductor, and a magnetic detection element is arranged in the core gap.
  • a magnetoresistive effect element As a magnetic sensing element of a current sensor, a magnetoresistive effect element (GMR element, TMR) having a laminated structure of a fixed magnetic layer whose magnetization direction is fixed, a nonmagnetic layer, and a free magnetic layer whose magnetization direction varies with respect to an external magnetic field. Element) or the like.
  • the magnetoresistive effect element and the fixed resistance element constitute a full bridge circuit.
  • Patent Document 1 Patent Document 2
  • TCR Temporal Coefficient Resistivity: resistance temperature coefficient
  • an antiferromagnetic material is used, and an upper and lower ferromagnetic film (Pin1) is formed of a Ru film (antiparallel coupling film) having a film thickness of 0.75 nm to 0.95 nm (2nd peak). , Pin2) are antiferromagnetically coupled.
  • Ru film antiparallel coupling film
  • 2nd peak the film thickness of 2nd peak
  • the antiferromagnetic coupling between Pin1 and Pin2 cannot be made sufficiently large. Accordingly, Pin1 and Pin2 are easily moved by an external magnetic field, and an AMR effect (anisotropic magnetoresistance effect) is easily generated.
  • the fixed resistance element has a constant resistance value even when the external magnetic field changes, and if the AMR effect is large, a sufficiently stable output characteristic cannot be obtained. For this reason, a magnetic sensor that can suppress the AMR effect generated by an external magnetic field is desired.
  • the present invention has been made in view of the above points, and a magnetic sensor capable of suppressing the generation of the AMR effect due to a fixed resistance element and a magnetism capable of obtaining sufficiently stable output characteristics when the environmental temperature changes.
  • An object is to provide a balanced current sensor.
  • the magnetic sensor of the present invention is a magnetic sensor composed of a magnetoresistive effect element and a fixed resistance element whose resistance value changes by application of an induced magnetic field from a current to be measured, the fixed resistance element comprising an antiparallel coupling film
  • the antiparallel coupling film of the self-pinned ferromagnetic pinned layer is a Ru film having the thickness of the first peak of the antiferromagnetic coupling effect, and the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film Since the difference in the magnetization amount of the ferromagnetic film is substantially zero, the generation of the AMR effect by the fixed resistance element can be suppressed.
  • the magnetoresistive effect element is of a self-pinning type formed by antiferromagnetically coupling the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film via an antiparallel coupling film. It has a ferromagnetic pinned layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a soft magnetic free layer.
  • the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film have substantially the same Curie temperature and have a magnetization amount. It is preferable that the difference of is substantially zero.
  • the first ferromagnetic film is composed of a CoFe alloy containing 40 atomic% to 80 atomic% of Fe
  • the second ferromagnetic film is composed of 0 atomic% to 40 atomic% of Fe. It is preferable that it is comprised with the CoFe alloy containing.
  • a magnetic balance type current sensor of the present invention includes the magnetic sensor, and is disposed in the vicinity of a magnetic field detection bridge circuit having two outputs that generate a voltage difference according to the induced magnetic field, and the magnetoresistive element, A feedback coil that generates a canceling magnetic field that cancels the induced magnetic field; and a magnetic shield that attenuates the induced magnetic field and enhances the canceling magnetic field.
  • the current to be measured is measured based on a current flowing through the feedback coil when an equilibrium state in which the canceling magnetic field is canceled is achieved.
  • the feedback coil, the magnetic shield, and the magnetic field detection bridge circuit are formed on the same substrate.
  • the feedback coil is disposed between the magnetic shield and the magnetic field detection bridge circuit, and the magnetic shield is disposed on a side closer to the current to be measured.
  • the magnetoresistive effect element has a shape formed by folding a plurality of strip-like long patterns arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other, and the induced magnetic field
  • the canceling magnetic field is preferably applied so as to be along a direction orthogonal to the longitudinal direction.
  • the magnetic shield is preferably made of a high permeability material selected from the group consisting of an amorphous magnetic material, a permalloy magnetic material, and an iron microcrystalline material. .
  • the magnetic sensor of the present invention is a magnetic sensor composed of a magnetoresistive effect element and a fixed resistance element whose resistance value changes by application of an induced magnetic field from a current to be measured, the fixed resistance element comprising an antiparallel coupling film A self-pinned ferromagnetic pinned layer in which the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film are antiferromagnetically coupled via the anti-ferromagnetic coupling layer. Since the Ru film has the first peak thickness of the magnetic coupling effect, and the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film have substantially zero difference in magnetization, the fixed resistance element The generation of the AMR effect due to can be suppressed.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the magnetic balance type current sensor which concerns on embodiment of this invention.
  • A is a figure which shows the magnetic balance type current sensor which concerns on embodiment of this invention
  • (b) is a figure which shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type current sensor shown to (a).
  • A) is a figure which shows the electric current measurement state of the magnetic balance type current sensor shown in FIG.
  • FIG. 2 (b) is a figure which shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type current sensor shown in (a).
  • A is a figure which shows the electric current measurement state of the magnetic balance type current sensor shown in FIG. 2
  • (b) is a figure which shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type current sensor shown in (a). It is a figure which shows the RH curve of the magnetoresistive effect element in the magnetic balanced current sensor which concerns on embodiment of this invention.
  • (A), (b) is a figure which shows the AMR effect of the magnetic sensor which concerns on embodiment of this invention.
  • A) is a figure which shows the other example of the magnetic balance type current sensor which concerns on embodiment of this invention
  • (b) shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type current sensor shown to (a).
  • FIG. 10 is a figure which shows the electric current measurement state of the magnetic balance type current sensor shown in FIG. 10
  • (b) is a figure which shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type current sensor shown in (a).
  • A) is a figure which shows the electric current measurement state of the magnetic balance type current sensor shown in FIG. 10
  • (b) is a figure which shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type current sensor shown in (a).
  • A) is a figure which shows the other example of the magnetic balance type current sensor which concerns on embodiment of this invention
  • (b) shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type current sensor shown to (a).
  • FIG. (A) is a figure which shows the electric current measurement state of the magnetic balance type current sensor shown in FIG.
  • (b) is a figure which shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type current sensor shown in (a).
  • A) is a figure which shows the electric current measurement state of the magnetic balance type current sensor shown in FIG. 13
  • (b) is a figure which shows the magnetic detection bridge circuit in the magnetic balance type current sensor shown in (a).
  • FIG. 1 and FIG. 2 (a) are diagrams showing a magnetic balance type current sensor according to an embodiment of the present invention.
  • the magnetic balance type current sensor shown in FIGS. 1 and 2A is disposed in the vicinity of the conductor 11 through which the current I to be measured flows.
  • This magnetic balance type current sensor includes a feedback circuit 12 that generates a magnetic field (cancellation magnetic field) that cancels the induced magnetic field caused by the current I to be measured flowing through the conductor 11.
  • the feedback circuit 12 includes a feedback coil 121 wound in a direction to cancel the magnetic field generated by the current I to be measured, three fixed resistance elements 122a to 122c, and one magnetoresistance effect element 123.
  • the feedback coil 121 is a planar coil.
  • the feedback coil since there is no magnetic core, the feedback coil can be manufactured at low cost. Further, as compared with the case of the toroidal coil, it is possible to prevent the canceling magnetic field generated from the feedback coil from spreading over a wide range and to avoid affecting the peripheral circuits. Furthermore, compared to the toroidal coil, when the current to be measured is an alternating current, the cancellation magnetic field can be easily controlled by the feedback coil, and the current flowing for the control is not so large. About these effects, it becomes so large that a to-be-measured electric current becomes a high frequency by alternating current.
  • the planar coil is preferably provided so that both an induction magnetic field and a cancellation magnetic field are generated in a plane parallel to the plane of the planar coil.
  • the resistance value of the magnetoresistive effect element 123 is changed by applying an induction magnetic field from the current I to be measured.
  • This one magnetoresistance effect element 123 and fixed resistance elements 122a to 122c constitute a magnetic field detection bridge circuit.
  • This magnetic field detection bridge circuit has two outputs that generate a voltage difference corresponding to the induced magnetic field generated by the current I to be measured.
  • the power source Vdd is connected to the connection point between the fixed resistance elements 122a and 122b, and the connection between the fixed resistance element 122c and the magnetoresistive effect element 123 is connected.
  • a ground (GND) is connected to the point.
  • one output (Out1) is taken out from the connection point between the fixed resistance elements 122a and 122c, and the output from the connection point between the fixed resistance element 122b and the magnetoresistive effect element 123 is already obtained.
  • One output (Out2) is taken out.
  • This two outputs are amplified by the amplifier 124 and supplied to the feedback coil 121 as a current (feedback current).
  • This feedback current corresponds to a voltage difference according to the induced magnetic field.
  • a cancellation magnetic field that cancels the induction magnetic field is generated in the feedback coil 121.
  • the current to be measured is measured by the detection unit (detection resistor R) based on the current flowing through the feedback coil 121 when the induced magnetic field and the canceling magnetic field cancel each other.
  • FIG. 3 is a sectional view showing the magnetic balance type current sensor shown in FIG.
  • a feedback coil, a magnetic shield, and a magnetic field detection bridge circuit are formed on the same substrate 21.
  • the feedback coil is arranged between the magnetic shield and the magnetic field detection bridge circuit, and the magnetic shield is arranged on the side close to the current I to be measured. That is, the magnetic shield, the feedback coil, and the magnetoresistive element are arranged in this order from the side close to the conductor 11.
  • the magnetoresistive effect element can be furthest away from the conductor 11, and the induction magnetic field applied to the magnetoresistive effect element from the current I to be measured can be reduced.
  • the magnetic shield can be brought closest to the conductor 11, the attenuation effect of the induced magnetic field can be further enhanced. Therefore, the cancellation magnetic field from the feedback coil can be reduced.
  • a thermal silicon oxide film 22 that is an insulating layer is formed on a substrate 21.
  • An aluminum oxide film 23 is formed on the thermal silicon oxide film 22.
  • the aluminum oxide film 23 can be formed by a method such as sputtering. Further, a silicon substrate or the like is used as the substrate 21.
  • magnetoresistive effect element 123 On the aluminum oxide film 23, fixed resistance elements 122a to 122c and a magnetoresistive effect element 123 are formed, and a magnetic field detection bridge circuit is formed.
  • a magnetoresistive effect element 123 a TMR element (tunnel type magnetoresistive effect element), a GMR element (giant magnetoresistive effect element), or the like can be used.
  • the film configurations of the magnetoresistive effect element and the fixed resistance element used in the magnetic balanced current sensor according to the present invention will be described later.
  • the magnetoresistive effect element has a shape (meander) formed by folding a plurality of strip-like long patterns (stripes) arranged so that their longitudinal directions are parallel to each other.
  • GMR element having a shape is preferable.
  • the sensitivity axis direction (Pin direction) is a direction (stripe width direction) orthogonal to the longitudinal direction (stripe longitudinal direction) of the long pattern.
  • an induced magnetic field and a cancel magnetic field are applied along a direction (stripe width direction) orthogonal to the stripe longitudinal direction.
  • the width in the pin direction is preferably 1 ⁇ m to 10 ⁇ m.
  • the longitudinal direction is both perpendicular to the direction of the induction magnetic field and the direction of the cancellation magnetic field.
  • an electrode 24 is formed on the aluminum oxide film 23.
  • the electrode 24 can be formed by photolithography and etching after forming an electrode material.
  • a polyimide layer 25 is formed as an insulating layer on the aluminum oxide film 23 on which the fixed resistance elements 122a to 122c, the magnetoresistive effect element 123 and the electrode 24 are formed.
  • the polyimide layer 25 can be formed by applying and curing a polyimide material.
  • a silicon oxide film 27 is formed on the polyimide layer 25.
  • the silicon oxide film 27 can be formed by a method such as sputtering.
  • a feedback coil 121 is formed on the silicon oxide film 27.
  • the feedback coil 121 can be formed by photolithography and etching after the coil material is deposited. Alternatively, the feedback coil 121 can be formed by photolithography and plating after forming a base material.
  • a coil electrode 28 is formed on the silicon oxide film 27 in the vicinity of the feedback coil 121.
  • the coil electrode 28 can be formed by photolithography and etching after forming an electrode material.
  • a polyimide layer 29 is formed as an insulating layer on the silicon oxide film 27 on which the feedback coil 121 and the coil electrode 28 are formed.
  • the polyimide layer 29 can be formed by applying and curing a polyimide material.
  • a magnetic shield 30 is formed on the polyimide layer 29.
  • a high magnetic permeability material such as an amorphous magnetic material, a permalloy magnetic material, or an iron microcrystalline material can be used.
  • a silicon oxide film 31 is formed on the polyimide layer 29.
  • the silicon oxide film 31 can be formed by a method such as sputtering.
  • Contact holes are formed in predetermined regions of the polyimide layer 29 and the silicon oxide film 31 (the region of the coil electrode 28 and the region of the electrode 24), and electrode pads 32 and 26 are formed in the contact holes, respectively. Photolithography and etching are used for forming the contact holes.
  • the electrode pads 32 and 26 can be formed by photolithography and plating after forming an electrode material.
  • the induced magnetic field A generated from the current I to be measured is received by the magnetoresistive element, and the induced magnetic field is fed back from the feedback coil 121.
  • the cancel magnetic field B is generated, and the two magnetic fields (the induction magnetic field A and the cancel magnetic field B) are canceled and adjusted appropriately so that the magnetic field applied to the magnetoresistive effect element 121 becomes zero.
  • the magnetic balanced current sensor of the present invention has a magnetic shield 30 adjacent to the feedback coil 121 as shown in FIG.
  • the magnetic shield 30 attenuates the induced magnetic field generated from the current I to be measured and applied to the magnetoresistive effect element (in the magnetoresistive effect element, the direction of the induced magnetic field A and the direction of the canceling magnetic field B is opposite), and the feedback coil
  • the cancellation magnetic field B from 121 can be enhanced (in the magnetic shield, the direction of the induction magnetic field A and the direction of the cancellation magnetic field B are the same). Therefore, since the magnetic shield 30 functions as a magnetic yoke, the current flowing through the feedback coil 121 can be reduced, and power saving can be achieved. Further, the magnetic shield 30 can reduce the influence of an external magnetic field.
  • the magnetic balance type current sensor having the above configuration uses a magnetic field detection bridge circuit having a magnetoresistive effect element, particularly a GMR element or a TMR element, as a magnetic detection element. Thereby, a highly sensitive magnetic balance type current sensor can be realized.
  • the magnetic balanced current sensor having the above-described configuration can be reduced in size because the feedback coil 121, the magnetic shield 30, and the magnetic field detection bridge circuit are formed on the same substrate. Furthermore, since this magnetic balance type current sensor has no magnetic core, it can be reduced in size and cost.
  • the film configuration of the magnetoresistive effect element used in the present invention is, for example, as shown in FIG. That is, the magnetoresistive effect element has a laminated structure provided on the substrate 41 as shown in FIG. In FIG. 4, for simplicity of explanation, the substrate 41 is shown with a base layer other than the magnetoresistive effect element omitted.
  • the magnetoresistive effect element includes a seed layer 42, a first ferromagnetic film 43, an antiparallel coupling film 44, a second ferromagnetic film 45, a nonmagnetic intermediate layer 46, a soft magnetic free layer (free magnetic layer) 47, and A protective layer 48 is included.
  • the first ferromagnetic film 43 is Pin1
  • the second ferromagnetic film 45 is Pin2.
  • the seed layer 42 is made of NiFeCr or Cr.
  • the protective layer 48 is made of Ta or the like.
  • an underlayer composed of a nonmagnetic material such as at least one element of Ta, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, and W, for example, between the substrate 41 and the seed layer 42. May be provided.
  • the first ferromagnetic film 43 and the second ferromagnetic film 45 are antiferromagnetically coupled via the antiparallel coupling film 44, so-called self-pinned ferromagnetic.
  • a fixed layer (SFP: Synthetic Ferri Pinned layer) is configured.
  • the thickness of the antiparallel coupling film 44 is set to 0.3 nm to 0.45 nm, or 0.75 nm to 0.95 nm, so that the first ferromagnetic film 43 and the second strong film are separated. Strong antiferromagnetic coupling with the magnetic film 45 can be brought about.
  • the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the first ferromagnetic film 43 and the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the second ferromagnetic film 45 are substantially the same. That is, the difference in magnetization between the first ferromagnetic film 43 and the second ferromagnetic film 45 is substantially zero. For this reason, the effective anisotropic magnetic field of the SFP layer is large. Therefore, the magnetization stability of the ferromagnetic pinned layer (Pin layer) can be sufficiently ensured without using an antiferromagnetic material.
  • the magnetoresistive effect element used for the magnetic balance type current sensor of the present invention has a film configuration that does not have an antiferromagnetic layer.
  • the Curie temperature (Tc) of the first ferromagnetic film 43 and the Curie temperature (Tc) of the second ferromagnetic film 45 are substantially the same. Thereby, even in a high temperature environment, the difference in magnetization (Ms ⁇ t) between the films 43 and 45 becomes substantially zero, and high magnetization stability can be maintained.
  • the first ferromagnetic film 43 is preferably made of a CoFe alloy containing 40 atomic% to 80 atomic% of Fe. This is because a CoFe alloy having this composition range has a large coercive force and can stably maintain magnetization with respect to an external magnetic field.
  • the second ferromagnetic film 45 is preferably made of a CoFe alloy containing 0 atomic% to 40 atomic% of Fe. This is because a CoFe alloy having this composition range has a small coercive force, and is easily magnetized in a direction antiparallel to the direction in which the first ferromagnetic film 43 is preferentially magnetized (direction different by 180 °). is there. As a result, it is possible to further increase Hk represented by the above formula (1). Further, by limiting the second ferromagnetic film 45 to this composition range, it is possible to increase the resistance change rate of the magnetoresistive effect element.
  • a magnetic field is applied to the first ferromagnetic film 43 and the second ferromagnetic film 45 in the meandering stripe width direction during the film formation, and the first ferromagnetic film 43 and the second strong film after the film formation are applied. It is preferable that induced magnetic anisotropy is imparted to the magnetic film 45. Thereby, both films 43 and 45 are magnetized antiparallel to the stripe width direction. Further, since the magnetization directions of the first ferromagnetic film 43 and the second ferromagnetic film 45 are determined by the magnetic field application direction when the first ferromagnetic film 43 is formed, the first ferromagnetic film 43 is formed. It is possible to form a plurality of magnetoresistive elements having ferromagnetic pinned layers with different magnetization directions on the same substrate by changing the magnetic field application direction during film formation.
  • the antiparallel coupling film 44 of the ferromagnetic fixed layer is made of Ru or the like.
  • the soft magnetic free layer (free layer) 47 is made of a magnetic material such as a CoFe alloy, a NiFe alloy, or a CoFeNi alloy.
  • the nonmagnetic intermediate layer 46 is made of Cu or the like. Further, it is preferable that a magnetic field is applied to the soft magnetic free layer 47 in the longitudinal direction of the meander stripe during film formation, and induced magnetic anisotropy is imparted to the soft magnetic free layer 47 after film formation.
  • the resistance is linearly changed with respect to the external magnetic field (magnetic field from the current to be measured) in the stripe width direction, and the hysteresis can be reduced.
  • a spin valve configuration is adopted by a ferromagnetic fixed layer, a nonmagnetic intermediate layer, and a soft magnetic free layer.
  • the film configuration of the magnetoresistive effect element used in the magnetic balance type current sensor of the present invention for example, NiFeCr (seed layer: 5 nm) / Fe 70 Co 30 (first ferromagnetic film: 1.65 nm) / Ru (Anti-parallel coupling film: 0.4 nm) / Co 90 Fe 10 (second ferromagnetic film: 2 nm) / Cu (nonmagnetic intermediate layer: 2.2 nm) / Co 90 Fe 10 (soft magnetic free layer: 1 nm) / NiFe (soft magnetic free layer: 7 nm) / Ta (protective layer: 5 nm).
  • the RH waveform of the magnetoresistive effect element having such a film structure was examined.
  • the R of a magnetoresistive effect element of the type in which the magnetization of the fixed magnetic layer is fixed by an antiferromagnetic film is shown. It was found that the same characteristics as the ⁇ H waveform were obtained. Note that the RH waveform shown in FIG. 8 was obtained under conditions that are normally measured.
  • the film configuration of the fixed resistance element used in the present invention is, for example, as shown in FIG. That is, the fixed resistance element has a laminated structure provided on the substrate 51 as shown in FIG. In FIG. 5, for simplicity of explanation, the substrate 51 is illustrated with a base layer other than the fixed resistance element omitted.
  • the fixed resistance element includes a seed layer 52, a first ferromagnetic film 53, an antiparallel coupling film 54, a second ferromagnetic film 55, a third ferromagnetic film 58, a nonmagnetic layer 56, and a protective layer 57.
  • the first ferromagnetic film 53 is Pin1
  • the second ferromagnetic film 55 is Pin2.
  • the seed layer 52, the first ferromagnetic film 53, the antiparallel coupling film 54, and the second ferromagnetic film 55 are connected to the seed layer of the magnetoresistive effect element, the first ferromagnetic film, the antiparallel coupling film, They can be formed simultaneously or sequentially by the same process as the second ferromagnetic film. Then, instead of forming the nonmagnetic intermediate layer in the magnetoresistive effect element on the second ferromagnetic film, a third ferromagnetic film 58 corresponding to the soft magnetic free layer 47 is provided, on which the nonmagnetic layer is formed. 56 is formed, and a protective layer 57 is formed.
  • the nonmagnetic layer 56 is formed and the protective layer 57 is formed without providing the third ferromagnetic film 58 on the second ferromagnetic film.
  • the order of laminating the free magnetic layer and the nonmagnetic layer of the magnetoresistive effect element is switched or there is no free magnetic layer. It becomes.
  • the seed layer 52 is made of NiFeCr or Cr.
  • the protective layer 57 is made of Ta or the like.
  • an underlayer composed of a nonmagnetic material such as at least one element of Ta, Hf, Nb, Zr, Ti, Mo, and W, for example, between the substrate 51 and the seed layer 52. May be provided.
  • the nonmagnetic film 56 is made of Cu or the like.
  • the first ferromagnetic film 53 and the second ferromagnetic film 55 are antiferromagnetically coupled via the antiparallel coupling film 54, so-called self-pinned type ferromagnetic fixing.
  • Layer SFP: Synthetic Ferri Pinned layer
  • the antiparallel coupling film 54 is a Ru film having a thickness of 0.3 nm to 0.45 nm which is the thickness of the first peak (1st peak) of the antiferromagnetic coupling effect.
  • the antiferromagnetic material of the first ferromagnetic film 53 and the second ferromagnetic film 55 is made of an antiferromagnetic material and a Ru film having a thickness of 0.3 nm to 0.45 nm as in the conventional fixed resistance element. It is also possible to strengthen the bond. In this case, when annealing is performed for exchange coupling between the antiferromagnetic layer and the first ferromagnetic film 53, the magnetization dispersion of the first ferromagnetic film 53 and the second ferromagnetic film 55 is suppressed. In order to align the magnetization directions, it is necessary to apply a magnetic field that completely saturates both the first ferromagnetic film 53 and the second ferromagnetic film 55.
  • the saturation magnetic field has a very large value (eg, 3T or more). Therefore, there is a problem that an expensive apparatus capable of annealing while applying a strong magnetic field is required. In order to generate a sufficient exchange coupling magnetic field, an annealing temperature of about 300 ° C. is necessary.
  • the difference in Ms ⁇ t between the ferromagnetic films 53 and 55 above and below the Ru film is substantially zero.
  • the annealing treatment as described above is unnecessary. For this reason, there is no concern about thermal diffusion of Ru due to high-temperature treatment, and therefore, a Ru film having a thickness of 0.3 nm to 0.45 nm, which is the thickness of the first peak of the antiferromagnetic coupling effect, may be used for the antiparallel coupling film 54. it can.
  • the anisotropic magnetic field of the first ferromagnetic film 53 / second ferromagnetic film 55 of the fixed resistance element can be increased.
  • the magnetization change of the first ferromagnetic film 53 / second ferromagnetic film 55 with respect to the external magnetic field becomes very small, so that the AMR effect can be made almost zero.
  • a magnetic balanced current sensor using such a magnetic sensor can obtain more stable output characteristics than a conventional magnetic balanced current sensor.
  • the electric resistance matching between the magnetoresistive effect element and the fixed resistance element can be realized by adjusting the film thickness of the nonmagnetic layer, and the TCR matching between the two is equal to the first ferromagnetic film 53 / second. This can be realized by adjusting the film thickness of the ferromagnetic film 55.
  • the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the first ferromagnetic film 53 and the magnetization amount (Ms ⁇ t) of the second ferromagnetic film 55 are substantially the same. That is, the difference in magnetization between the first ferromagnetic film 53 and the second ferromagnetic film 55 is substantially zero. For this reason, the effective anisotropic magnetic field of the SFP layer is large. Therefore, sufficient magnetization stability of the ferromagnetic pinned layer can be secured without using an antiferromagnetic material.
  • the first ferromagnetic film 53 is preferably made of a CoFe alloy containing 40 atomic% to 80 atomic% of Fe. This is because a CoFe alloy having this composition range has a large coercive force and can stably maintain magnetization with respect to an external magnetic field.
  • the second ferromagnetic film 55 is preferably made of a CoFe alloy containing 0 atomic% to 40 atomic% of Fe. This is because a CoFe alloy having this composition range has a small coercive force, and is easily magnetized in an antiparallel direction (a direction different by 180 °) with respect to the direction in which the first ferromagnetic film 53 is preferentially magnetized. is there. As a result, it is possible to further increase Hk represented by the above formula (1). Further, by limiting the second ferromagnetic film 55 to this composition range, the rate of change in resistance of the magnetoresistive effect element can be increased.
  • a magnetic field is applied to the first ferromagnetic film 53 and the second ferromagnetic film 55 in the meander-shaped stripe width direction during the film formation, and the first ferromagnetic film 53 and the second strong film after the film formation are applied. It is preferable that induced magnetic anisotropy is imparted to the magnetic film 55. Thereby, both films 53 and 55 are magnetized antiparallel to the stripe width direction. Further, since the magnetization directions of the first ferromagnetic film 53 and the second ferromagnetic film 55 are determined by the magnetic field application direction when the first ferromagnetic film 53 is formed, the first ferromagnetic film 53 is formed. It is possible to form a plurality of magnetoresistive elements having ferromagnetic pinned layers with different magnetization directions on the same substrate by changing the magnetic field application direction during film formation.
  • NiFeCr seed layer: 5 nm
  • Fe 70 Co 30 first ferromagnetic film: 4 nm
  • Ru antiparallel
  • Co 90 Fe 10 second ferromagnetic film: 1 nm
  • NiFe second ferromagnetic film: 6 nm
  • Cu nonmagnetic layer: 3 nm
  • Ta protective layer: 5 nm
  • NiFeCr seed layer: 4.2 nm
  • Fe 70 Co 30 first ferromagnetic film: 4 nm
  • Ru antiparallel coupling film: 0.38 nm
  • Co 90 Fe 10 second ferromagnetic film: 1 nm
  • Ni 81.5 Fe 18.5 second ferromagnetic film: 6 nm
  • Cu nonmagnetic layer: 3.5 nm
  • Ta protective layer: 8 nm
  • the AMR effect was determined by measuring the resistance change rate ( ⁇ R / R (%)). NiFeCr (seed layer: 6 nm) / PtMn (antiferromagnetic layer: 20 nm) / Fe 90 Co 10 (first ferromagnetic film: 1.25 nm) / Ru (antiparallel coupling film: 8.5 nm) / Co 90 Fe 10 (second ferromagnetic film: 1.4 nm) / Ni 81.5 Fe 18.5 (second ferromagnetic film: 6 nm) / Cu (nonmagnetic layer: 3 nm) / Ta (protective layer: 8 nm) The AMR effect was similarly examined for a fixed resistance element having a film configuration of 5) ⁇ 200 ⁇ m. The results are shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b).
  • the magnetic sensor according to the present invention (the present invention: AF-less) has a small AMR effect.
  • the conventional magnetic sensor (conventional: PtMn) has a large AMR effect.
  • the conventional magnetic sensor has a magnetic field of 400 Oe ( ⁇ 10 3 / 4 ⁇ A / m) and a resistivity of about 0.4%, and the resistance change rate of the magnetoresistive element is about 8%. It is a big value.
  • the AMR effect due to the external magnetic field can be sufficiently reduced.
  • the magnetic balance type current sensor having the magnetoresistive effect element 123 having the film configuration shown in FIG. 4 and the fixed resistance elements 122a to 122c having the film configuration shown in FIG. 5, two outputs (Out1, Out2) of the magnetic detection bridge circuit are provided.
  • the magnetic field to be measured is measured by applying a cancel magnetic field from the feedback coil 121 to the magnetoresistive effect element so that the voltage difference of) becomes zero, and detecting the current value flowing through the feedback coil 121 at that time.
  • FIG. 6A when a current to be measured flows from the left side in FIG. 6, the two fixed resistance elements 122a and 122c (Out1 side) are shown in FIGS. 6A and 6B. ), The induced magnetic field A and the cancel magnetic field B are applied in the same direction (Pin direction).
  • the canceling magnetic field B is applied to the fixed resistance element 122b and the magnetoresistive effect element 123 (Out2 side) in the direction opposite to the Pin direction, and the induction magnetic field A is applied in the Pin direction.
  • FIG. 7A when a current to be measured flows from the right side of the paper surface of FIG. 7, as shown in FIG. 7A, two fixed resistance elements 122a and 122c (Out1 side) are connected. In this case, an induction magnetic field A and a cancellation magnetic field B are applied in a direction opposite to the Pin direction. On the other hand, the induction magnetic field A is applied in the direction opposite to the Pin direction and the cancel magnetic field B is applied in the Pin direction to the fixed resistance element 122b and the magnetoresistive effect element 123 (Out2 side).
  • the magnetic detection bridge circuit and the feedback coil are integrally formed on the same substrate as in the magnetic balance type current sensor according to the present invention, it is necessary to completely insulate both of them, so that an organic insulating film such as a polyimide film is used. Will separate them.
  • the organic insulating film is generally formed by applying a heat treatment at 200 ° C. or higher after being applied by spin coating or the like. Since the organic insulating film is formed in a subsequent process of forming the magnetic detection bridge circuit, the magnetoresistive element is also heated together.
  • a magnetic field is applied so that the characteristics of the pinned magnetic layer do not deteriorate due to the thermal history of the organic insulating film formation process. It is necessary to heat-treat it.
  • the antiferromagnetic layer since the antiferromagnetic layer is not used, it is possible to maintain the characteristics of the pinned magnetic layer without performing heat treatment while applying a magnetic field. Therefore, deterioration of the hysteresis of the soft magnetic free layer can be suppressed.
  • the antiferromagnetic material When a magnetoresistive element of the type that fixes the magnetization of the pinned magnetic layer with an antiferromagnetic layer is used, the antiferromagnetic material has a blocking temperature (temperature at which the exchange coupling magnetic field disappears) of about 300 ° C. to 400 ° C. Since the exchange coupling magnetic field gradually decreases toward this temperature, the characteristics of the pinned magnetic layer become unstable as the temperature increases. Since the magnetic balanced current sensor according to the present invention does not use an antiferromagnetic layer, the characteristics of the pinned magnetic layer mainly depend on the Curie temperature of the ferromagnetic material constituting the pinned magnetic layer. In general, the Curie temperature of ferromagnetic materials such as CoFe is much higher than the blocking temperature of antiferromagnetic materials.
  • the magnetization dispersion of the first ferromagnetic film and the second ferromagnetic film after annealing is increased, which causes the deterioration of ⁇ R / R.
  • the thickness of the second ferromagnetic film is often increased (magnetization amount is increased) than that of the first ferromagnetic film.
  • the reflux magnetic field applied from the second ferromagnetic film to the soft magnetic free layer on the side wall of the element increases, The effect on asymmetry is increased.
  • the magnetoresistive effect element of the magnetic balance type current sensor according to the present invention does not contain an antiferromagnetic material, the material cost and the manufacturing cost can be suppressed.
  • FIG. 10A is a diagram showing another example of the magnetic balanced current sensor according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 10B is a diagram of the magnetic balanced current sensor shown in FIG. It is a figure which shows a magnetic detection bridge circuit.
  • the magnetic balanced current sensor shown in FIG. 10 forms a magnetic field detection bridge circuit by two magnetoresistive effect elements 123a and 123b and fixed resistance elements 122d and 122e.
  • This magnetic field detection bridge circuit includes two outputs that generate a voltage difference according to the induced magnetic field generated by the current I to be measured.
  • a power source Vdd is connected to a connection point between the magnetoresistive effect element 123a and the fixed resistance element 122d, and the magnetoresistive effect element 123b and the fixed resistance element 122e are connected to each other.
  • a ground (GND) is connected to a connection point between the two.
  • one output (Out1) is taken out from the connection point between the magnetoresistive effect element 123a and the fixed resistance element 122e, and between the fixed resistance element 122d and the magnetoresistive effect element 123b.
  • Another output (Out2) is extracted from the connection point.
  • This two outputs are amplified by the amplifier 124 and supplied to the feedback coil 121 as a current (feedback current).
  • This feedback current corresponds to a voltage difference according to the induced magnetic field.
  • a cancellation magnetic field that cancels the induction magnetic field is generated in the feedback coil 121.
  • the current to be measured is measured by the detection unit (detection resistor R) based on the current flowing through the feedback coil 121 when the induced magnetic field and the canceling magnetic field cancel each other.
  • FIG. 11A when a current to be measured flows from the left side of the paper surface of FIG. 11, as shown in FIGS. 11A and 11B, the two fixed resistance elements 122d and 122e The induction magnetic field A and the cancellation magnetic field B are applied in the same direction (Pin direction).
  • a cancel magnetic field B is applied to the magnetoresistive effect elements 123a and 123b in a direction opposite to the Pin direction, and an induction magnetic field A is applied in the Pin direction.
  • FIG. 12A when a current to be measured flows from the right side in the plane of FIG. 12, as shown in FIG. 12A, two fixed resistance elements 122d and 122e have an induced magnetic field. A and canceling magnetic field B are applied in the direction opposite to the Pin direction. On the other hand, an induction magnetic field A is applied to the magnetoresistive effect elements 123a and 123b in a direction opposite to the Pin direction, and a cancel magnetic field B is applied in the Pin direction.
  • FIG. 13A is a diagram showing another example of the magnetic balanced current sensor according to the embodiment of the present invention
  • FIG. 13B is a diagram of the magnetic balanced current sensor shown in FIG. It is a figure which shows a magnetic detection bridge circuit.
  • the magnetic balanced current sensor shown in FIG. 13 forms a magnetic field detection bridge circuit by three magnetoresistive effect elements 123c to 123e and a fixed resistance element 122f.
  • This magnetic field detection bridge circuit includes two outputs that generate a voltage difference according to the induced magnetic field generated by the current I to be measured. In a state not during measurement, the resistance values of the three magnetoresistance effect elements 123c to 123e and the fixed resistance element 122f are the same.
  • the power source Vdd is connected to the connection point between the magnetoresistive effect element 123c and the fixed resistance element 122f, and the connection point between the magnetoresistive effect elements 123d and 123e. Is connected to the ground (GND). Further, in this magnetic field detection bridge circuit, one output (Out1) is taken out from the connection point between the magnetoresistive effect elements 123c and 123e, and another output is taken from the connection point between the fixed resistance element 122f and the magnetoresistive effect element 123d. Two outputs (Out2) are taken out. These two outputs are amplified by the amplifier 124 and supplied to the feedback coil 121 as a current (feedback current).
  • This feedback current corresponds to a voltage difference according to the induced magnetic field.
  • a cancellation magnetic field that cancels the induction magnetic field is generated in the feedback coil 121.
  • the current to be measured is measured by the detection unit (detection resistor R) based on the current flowing through the feedback coil 121 when the induced magnetic field and the canceling magnetic field cancel each other.
  • the two magnetoresistive effect elements 123c and 123e When a current to be measured flows from the left side in FIG. 14, the two magnetoresistive effect elements 123c and 123e The induction magnetic field A and the cancellation magnetic field B are applied in the same direction (Pin direction).
  • the canceling magnetic field B is applied to the magnetoresistive effect element 123d and the fixed resistance element 122f in the direction opposite to the Pin direction, and the induction magnetic field A is applied in the Pin direction.
  • the magnetoresistive effect elements 123c and 123e serve as fixed resistance elements in the magnetic detection bridge circuit.
  • the two magnetoresistive elements 123c and 123e are inducted as shown in FIG. A magnetic field A and a canceling magnetic field B are applied in a direction opposite to the Pin direction.
  • the induction magnetic field A is applied to the magnetoresistive effect element 123d and the fixed resistance element 122f in the direction opposite to the Pin direction
  • the cancel magnetic field B is applied to the Pin direction.
  • the magnetoresistive effect elements 123c and 123e serve as fixed resistance elements in the magnetic detection bridge circuit.
  • the anti-parallel coupling film of the self-pinned ferromagnetic pinned layer is the Ru film having the thickness of the first peak of the anti-ferromagnetic coupling effect. Since the difference in magnetization between the ferromagnetic film and the second ferromagnetic film is substantially zero, the occurrence of the AMR effect by the fixed resistance element can be suppressed. Further, according to the magnetic balance type current sensor of the present invention, since the magnetic sensor that suppresses the generation of the AMR effect is used, sufficiently stable output characteristics can be obtained when the environmental temperature changes.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications.
  • the materials, connection relations, thicknesses, sizes, manufacturing methods, and the like in the above embodiments can be changed as appropriate.
  • the present invention can be implemented with appropriate modifications without departing from the scope of the present invention.
  • the present invention can be applied to a current sensor that detects the magnitude of a current for driving a motor of an electric vehicle.

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Abstract

　固定抵抗素子によるＡＭＲ効果の発生を抑えることができる磁気センサ、及び環境温度が変化したときに十分に安定した出力特性を得ることができる磁気平衡式電流センサを提供すること。本発明の磁気センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子で構成されており、固定抵抗素子は、反平行結合膜（５４）を介して第１の強磁性膜（５３）と第２の強磁性膜（５５）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を有しており、反平行結合膜（５４）は、反強磁性結合効果の第１ピークの厚さを有するＲｕ膜であり、第１の強磁性膜（５３）及び第２の強磁性膜（５５）は、磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする。

Description

磁気センサ及びそれを用いた磁気平衡式電流センサ
　本発明は、磁気センサ及びそれを用いた磁気平衡式電流センサに関する。
　電気自動車においては、エンジンで発電した電気を用いてモータを駆動しており、このモータ駆動用の電流の大きさは、例えば電流センサにより検出される。この電流センサとしては、導体の周囲に、一部に切り欠き（コアギャップ）を有する磁気コアを配置し、このコアギャップ内に磁気検出素子を配置してなるものである。
　電流センサの磁気検出素子として、磁化方向が固定された固定磁性層、非磁性層、及び磁化方向が外部磁界に対して変動するフリー磁性層の積層構造を備える磁気抵抗効果素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）などが用いられている。このような電流センサにおいては、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子とでフルブリッジ回路を構成している。この場合においては、磁気抵抗効果素子のフリー磁性層と非磁性層の積層順序を入れ替えた膜構成を有し、反強磁性材料により強磁性層の磁化を固定するタイプの固定抵抗素子を用いることが開示されている（特許文献１、特許文献２）。このような構成にすることにより、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子との間の電気抵抗や、ＴＣＲ（Temperature　Coefficient　Resistivity：抵抗温度係数）を共に一致させて、環境温度が変化してもある程度安定した出力特性を得ることができる。
特開２００７－２４８０５４号公報 特開２００７－２６３６５４号公報
　しかしながら、上記特許文献における固定抵抗素子においては、反強磁性材料を用いて、膜厚０．７５ｎｍ～０．９５ｎｍ（２ｎｄピーク）のＲｕ膜（反平行結合膜）で上下の強磁性膜（Ｐｉｎ１，Ｐｉｎ２）を反強磁性結合させている。この場合、反平行結合膜に使用するＲｕに２ｎｄピークの膜厚を使用しているため、Ｐｉｎ１とＰｉｎ２との間の反強磁性結合を十分に大きくできない。したがって、Ｐｉｎ１，Ｐｉｎ２が外部磁界によって動き易くＡＭＲ効果（異方性磁気抵抗効果）を発生し易くなる。固定抵抗素子は、外部磁界が変化しても抵抗値が一定であることが理想であり、ＡＭＲ効果が大きいと十分に安定した出力特性を得ることができない。このため、外部磁界により発生するＡＭＲ効果を抑えることができる磁気センサが望まれている。
　本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、固定抵抗素子によるＡＭＲ効果の発生を抑えることができる磁気センサ、及び環境温度が変化したときに十分に安定した出力特性を得ることができる磁気平衡式電流センサを提供することを目的とする。
　本発明の磁気センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子で構成された磁気センサであって、前記固定抵抗素子は、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の強磁性固定層を有しており、前記反平行結合膜は、反強磁性結合効果の第１ピークの厚さを有するＲｕ膜であり、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする。
　この構成によれば、セルフピン止め型の強磁性固定層の反平行結合膜が、反強磁性結合効果の第１ピークの厚さを有するＲｕ膜であり、第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜の磁化量の差が実質的にゼロであるので、固定抵抗素子によるＡＭＲ効果の発生を抑えることができる。
　本発明の磁気センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、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の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、キュリー温度が略同じであり、かつ、磁化量の差が実質的にゼロであることが好ましい。
　本発明の磁気センサにおいては、前記第１の強磁性膜が４０原子％～８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が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。
　本発明の磁気平衡式電流センサは、上記磁気センサを有し、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と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界を減衰させると共に前記キャンセル磁界をエンハンスする磁気シールドと、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定することを特徴とする。
　この構成によれば、ＡＭＲ効果の発生を抑えた固定抵抗素子を有する磁気センサを用いているので、十分に安定した出力特性を得ることができる。
　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることが好ましい。
　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記フィードバックコイルが、前記磁気シールドと前記磁界検出ブリッジ回路の間に配置され、前記磁気シールドが前記被測定電流に近い側に配置されることが好ましい。
　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気抵抗効果素子は、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が折り返してなる形状を有し、前記誘導磁界及び前記キャンセル磁界が前記長手方向に直交する方向に沿うように印加されることが好ましい。
　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、前記磁気シールドは、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、及び鉄系微結晶材料からなる群より選ばれた高透磁率材料で構成されていることが好ましい。
　本発明の磁気センサは、被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子で構成された磁気センサであって、前記固定抵抗素子は、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の強磁性固定層を有しており、前記反平行結合膜は、反強磁性結合効果の第１ピークの厚さを有するＲｕ膜であり、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、磁化量の差が実質的にゼロであるので、固定抵抗素子によるＡＭＲ効果の発生を抑えることができる。
本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。 図１に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図である。 本発明に係る磁気センサの磁気抵抗効果素子の膜構成の一例を示す図である。 本発明に係る磁気センサの固定抵抗素子の膜構成の一例を示す図である。 （ａ）は、図２に示す磁気平衡式電流センサの電流測定状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。 （ａ）は、図２に示す磁気平衡式電流センサの電流測定状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。 本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおける磁気抵抗効果素子のＲ－Ｈ曲線を示す図である。 （ａ），（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る磁気センサのＡＭＲ効果を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの他の例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。 （ａ）は、図１０に示す磁気平衡式電流センサの電流測定状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。 （ａ）は、図１０に示す磁気平衡式電流センサの電流測定状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの他の例を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。 （ａ）は、図１３に示す磁気平衡式電流センサの電流測定状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。 （ａ）は、図１３に示す磁気平衡式電流センサの電流測定状態を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。
　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。
　図１及び図２（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサを示す図である。本実施の形態においては、図１及び図２（ａ）に示す磁気平衡式電流センサは、被測定電流Ｉが流れる導体１１の近傍に配設される。この磁気平衡式電流センサは、導体１１に流れる被測定電流Ｉによる誘導磁界を打ち消す磁界（キャンセル磁界）を生じさせるフィードバック回路１２を備えている。このフィードバック回路１２は、被測定電流Ｉによって発生する磁界を打ち消す方向に巻回されたフィードバックコイル１２１と、３つの固定抵抗素子１２２ａ～１２２ｃと、１つの磁気抵抗効果素子１２３とを有する。
　フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成されている。この構成においては、磁気コアを有しないので、低コストでフィードバックコイルを作製することができる。また、トロイダルコイルの場合に比べて、フィードバックコイルから生じるキャンセル磁界が広範囲に拡がることを防止でき、周辺回路に影響を与えることを回避できる。さらに、トロイダルコイルの場合に比べて、被測定電流が交流の場合に、フィードバックコイルによるキャンセル磁界の制御が容易であり、制御のために流す電流もそれほど大きくならない。これらの効果については、被測定電流が交流で高周波になるほど大きくなる。フィードバックコイル１２１は平面コイルで構成する場合において、平面コイルの形成面と平行な面内で誘導磁界とキャンセル磁界の両方が生じるように平面コイルが設けられていることが好ましい。
　磁気抵抗効果素子１２３は、被測定電流Ｉからの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する。この１つの磁気抵抗効果素子１２３と、固定抵抗素子１２２ａ～１２２ｃにより磁界検出ブリッジ回路を構成している。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を用いることにより、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。
　この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。図２（ｂ）に示す磁界検出ブリッジ回路においては、固定抵抗素子１２２ａ，１２２ｂとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、固定抵抗素子１２２ｃと磁気抵抗効果素子１２３との間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、固定抵抗素子１２２ａ，１２２ｃとの間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、固定抵抗素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２３との間の接続点からもう一つの出力（Ｏｕｔ２）を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１２４で増幅され、フィードバックコイル１２１に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ）で被測定電流を測定する。
　図３は、図１に示す磁気平衡式電流センサを示す断面図である。図３に示すように、本実施の形態に係る磁気平衡式電流センサにおいては、フィードバックコイル、磁気シールド及び磁界検出ブリッジ回路が同一基板２１上に形成されている。図３に示す構成においては、フィードバックコイルが、磁気シールドと磁界検出ブリッジ回路の間に配置され、磁気シールドが被測定電流Ｉに近い側に配置されている。すなわち、導体１１に近い側から磁気シールド、フィードバックコイル、磁気抵抗効果素子の順に配置する。これにより、磁気抵抗効果素子を導体１１から最も遠ざけることができ、被測定電流Ｉから磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を小さくすることができる。また、磁気シールドを最も導体１１に近づけることができるので、誘導磁界の減衰効果をより高めることができる。したがって、フィードバックコイルからのキャンセル磁界を小さくすることができる。
　図３に示す層構成について詳細に説明する。図３に示す磁気平衡式電流センサにおいては、基板２１上に絶縁層である熱シリコン酸化膜２２が形成されている。熱シリコン酸化膜２２上には、アルミニウム酸化膜２３が形成されている。アルミニウム酸化膜２３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２１としては、シリコン基板などが用いられる。
　アルミニウム酸化膜２３上には、固定抵抗素子１２２ａ～１２２ｃ、磁気抵抗効果素子１２３が形成されており、磁界検出ブリッジ回路が作り込まれる。磁気抵抗効果素子１２３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。本発明に係る磁気平衡式電流センサにおいて用いられる磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子の膜構成については後述する。
　磁気抵抗効果素子としては、図２（ａ）の拡大図に示すように、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。このミアンダ形状において、感度軸方向（Ｐｉｎ方向）は、長尺パターンの長手方向（ストライプ長手方向）に対して直交する方向（ストライプ幅方向）である。このミアンダ形状においては、誘導磁界及びキャンセル磁界がストライプ長手方向に直交する方向（ストライプ幅方向）に沿うように印加される。
　このミアンダ形状においては、リニアリティを考慮すると、ピン（Ｐｉｎ）方向の幅が１μｍ～１０μｍであることが好ましい。この場合において、リニアリティを考慮すると、長手方向が誘導磁界の方向及びキャンセル磁界の方向に対して共に垂直になることが望ましい。このようなミアンダ形状にすることにより、ホール素子よりも少ない端子数（２端子）で磁気抵抗効果素子の出力を採ることができる。
　また、アルミニウム酸化膜２３上には、電極２４が形成されている。電極２４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。
　固定抵抗素子１２２ａ～１２２ｃ、磁気抵抗効果素子１２３及び電極２４を形成したアルミニウム酸化膜２３上には、絶縁層としてポリイミド層２５が形成されている。ポリイミド層２５は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。
　ポリイミド層２５上には、シリコン酸化膜２７が形成されている。シリコン酸化膜２７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。
　シリコン酸化膜２７上には、フィードバックコイル１２１が形成されている。フィードバックコイル１２１は、コイル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。あるいは、フィードバックコイル１２１は、下地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。
　また、シリコン酸化膜２７上には、フィードバックコイル１２１の近傍にコイル電極２８が形成されている。コイル電極２８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。
　フィードバックコイル１２１及びコイル電極２８を形成したシリコン酸化膜２７上には、絶縁層としてポリイミド層２９が形成されている。ポリイミド層２９は、ポリイミド材料を塗布し、硬化することにより形成することができる。
　ポリイミド層２９上には、磁気シールド３０が形成されている。磁気シールド３０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。
　ポリイミド層２９上には、シリコン酸化膜３１が形成されている。シリコン酸化膜３１は、例えば、スパッタリングなどの方法により成膜することができる。ポリイミド層２９及びシリコン酸化膜３１の所定の領域（コイル電極２８の領域及び電極２４の領域）にコンタクトホールが形成され、そのコンタクトホールに電極パッド３２，２６がそれぞれ形成されている。コンタクトホールの形成には、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３２，２６は、電極材料を成膜した後に、フォトリソグラフィ及びめっきにより形成することができる。
　このような構成を有する磁気平衡式電流センサにおいては、図３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で受け、その誘導磁界をフィードバックしてフィードバックコイル１２１からキャンセル磁界Ｂを発生し、２つの磁界（誘導磁界Ａ、キャンセル磁界Ｂ）を相殺して磁気抵抗効果素子１２１に印加する磁場が零になるように適宜調整する。
　本発明の磁気平衡式電流センサにおいては、図３に示すように、フィードバックコイル１２１に隣接して磁気シールド３０を有する。磁気シールド３０は、被測定電流Ｉから生じ磁気抵抗効果素子に印加される誘導磁界を減衰させる（磁気抵抗効果素子においては誘導磁界Ａの方向とキャンセル磁界Ｂの方向が逆方向）と共に、フィードバックコイル１２１からのキャンセル磁界Ｂをエンハンスする（磁気シールドにおいては誘導磁界Ａの方向とキャンセル磁界Ｂの方向が同方向）ことができる。したがって、磁気シールド３０が磁気ヨークとして機能するため、フィードバックコイル１２１に流す電流を小さくすることができ、省電力化を図ることができる。また、この磁気シールド３０により、外部磁界の影響を低減させることができる。
　上記構成を有する磁気平衡式電流センサは、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、高感度の磁気平衡式電流センサを実現することができる。また、上記構成を有する磁気平衡式電流センサは、フィードバックコイル１２１、磁気シールド３０及び磁界検出ブリッジ回路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、この磁気平衡式電流センサは、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。
　本発明において使用する磁気抵抗効果素子の膜構成は、例えば、図４に示すものである。すなわち、磁気抵抗効果素子は、図４に示すように、基板４１に設けられた積層構造を有する。なお、図４においては、説明を簡単にするために、基板４１には磁気抵抗効果素子以外の下地層などは省略して図示している。磁気抵抗効果素子は、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、軟磁性自由層（フリー磁性層）４７、及び保護層４８を含む。磁気抵抗効果素子において、第１の強磁性膜４３がＰｉｎ１であり、第２の強磁性膜４５がＰｉｎ２である。
　シード層４２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層４８は、Ｔａなどで構成される。なお、上記積層構造において、基板４１とシード層４２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良い。
　この磁気抵抗効果素子においては、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（ＳＦＰ：Synthetic　Ferri　Pinned層）が構成されている。
　この強磁性固定層において、反平行結合膜４４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。
　また、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）が実質的に同じである。すなわち、第１の強磁性膜４３と第２の強磁性膜４５間で磁化量の差が実質的にゼロである。このため、ＳＦＰ層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（Ｐｉｎ層）の磁化安定性を十分に確保できる。これは、第１の強磁性膜の膜厚をｔ１とし、第２の強磁性膜の膜厚を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次式（１）で示されるためである。
　式（１）
　　eff　Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１－Ｍｓ・ｔ２）
　したがって、本発明の磁気平衡式電流センサに用いる磁気抵抗効果素子は、反強磁性層を有しない膜構成を有する。
　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、略同じである。これにより、高温環境においても両膜４３，４５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）差が略ゼロとなり、高い磁化安定性を維持することができる。
　第１の強磁性膜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。また、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。この結果、上記式（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４５をこの組成範囲に限定することで、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率を大きくすることができる。
　第１の強磁性膜４３及び第２の強磁性膜４５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４３及び第２の強磁性膜４５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、両膜４３，４５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４３及び第２の強磁性膜４５の磁化方向は、第１の強磁性膜４３の成膜時の磁場印加方向で決まるため、第１の強磁性膜４３の成膜時の磁場印加方向を変えることにより、同一基板上に磁化方向が異なる強磁性固定層を持つ複数の磁気抵抗効果素子を形成することが可能である。
　強磁性固定層の反平行結合膜４４は、Ｒｕなどにより構成される。また、軟磁性自由層（フリー層）４７は、ＣｏＦｅ合金、ＮｉＦｅ合金、ＣｏＦｅＮｉ合金などの磁性材料で構成される。また、非磁性中間層４６は、Ｃｕなどにより構成される。また、軟磁性自由層４７は、その成膜中にミアンダ形状のストライプ長手方向に磁場が印加され、成膜後の軟磁性自由層４７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、磁気抵抗効果素子においては、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、非磁性中間層及び軟磁性自由層により、スピンバルブ構成を採っている。
　本発明の磁気平衡式電流センサで用いる磁気抵抗効果素子の膜構成の例としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：５ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜：１．６５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：２ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性中間層：２．２ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（軟磁性自由層：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（軟磁性自由層：７ｎｍ）／Ｔａ（保護層：５ｎｍ）である。このような膜構成の磁気抵抗効果素子について、Ｒ－Ｈ波形を調べたところ、図８に示すようになり、反強磁性膜により固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子のＲ－Ｈ波形と同じ特性が得られたことが分かった。なお、図８に示すＲ－Ｈ波形については、通常測定される条件で求めた。
　本発明において使用する固定抵抗素子の膜構成は、例えば、図５に示すものである。すなわち、固定抵抗素子は、図５に示すように、基板５１に設けられた積層構造を有する。なお、図５においては、説明を簡単にするために、基板５１には固定抵抗素子以外の下地層などは省略して図示している。固定抵抗素子は、シード層５２、第１の強磁性膜５３、反平行結合膜５４、第２の強磁性膜５５、第３の強磁性膜５８、非磁性層５６、及び保護層５７を含む。固定抵抗素子において、第１の強磁性膜５３がＰｉｎ１であり、第２の強磁性膜５５がＰｉｎ２である。
　すなわち、シード層５２、第１の強磁性膜５３、反平行結合膜５４、第２の強磁性膜５５までは、磁気抵抗効果素子のシード層、第１の強磁性膜、反平行結合膜、第２の強磁性膜と同じプロセスで同時又はシーケンシャルに形成することができる。そして、磁気抵抗効果素子における非磁性中間層を第２の強磁性膜の上に形成する代わりに、軟磁性自由層４７に相当する第３の強磁性膜５８を設け、その上に非磁性層５６を形成し、保護層５７を形成する。あるいは、第２の強磁性膜の上に第３の強磁性膜５８を設けずに、非磁性層５６を形成し、保護層５７を形成する。このような構成の固定抵抗素子においては、磁気抵抗効果素子の自由磁性層と非磁性層の積層順序を入れ替えられているか、又は自由磁性層がないので、ＧＭＲ効果が発現しにくくなり、固定層となる。
　シード層５２は、ＮｉＦｅＣｒあるいはＣｒなどで構成される。保護層５７は、Ｔａなどで構成される。なお、上記積層構造において、基板５１とシード層５２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良い。また、非磁性膜５６は、Ｃｕなどにより構成される。
　この固定抵抗素子においては、反平行結合膜５４を介して第１の強磁性膜５３と第２の強磁性膜５５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（ＳＦＰ：Synthetic　Ferri　Pinned層）が構成されている。
　この強磁性固定層において、反平行結合膜５４を、反強磁性結合効果の第１ピーク（１ｓｔピーク）の厚である０．３ｎｍ～０．４５ｎｍを持つＲｕ膜とする。これにより、第１の強磁性膜５３と第２の強磁性膜５５との間に強い反強磁性結合をもたらすことができる。
　従来の固定抵抗素子のように、反強磁性材料を用い、０．３ｎｍ～０．４５ｎｍを持つＲｕ膜を用いて、第１の強磁性膜５３と第２の強磁性膜５５の反強磁性結合を強くすることも可能である。この場合においては、反強磁性層と第１の強磁性膜５３の交換結合のためにアニールを行う際に、第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５の磁化分散を抑えて、磁化方向を揃えるためには、第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５とも完全に飽和する磁界を印加する必要がある。しかしながら、反平行結合膜５４が１ｓｔピークのＲｕ膜では、前記飽和磁界が非常に大きな値（例えば、３Ｔ以上）となる。したがって、強磁場を印加しながらアニールできる高額の装置が必要になるという問題がある。また、十分な交換結合磁界を発生させるため、アニール温度は３００℃程度必要であるが、０．３ｎｍ～０．４５ｎｍを持つＲｕ膜を持つ積層膜に対してそのような高温熱処理を行うと、Ｒｕの層間拡散により、第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５の反強磁性結合が劣化してしまい、その結果、第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５が外部磁界によって動き易くなり、ＡＭＲ効果を発生し易くなる。
　本発明に係る磁気センサにおいては、Ｒｕ膜の上下の強磁性膜５３，５５のＭｓ・ｔの差が実質的にゼロである。また、この磁気センサにおいては、反強磁性層を有していないので、上述したようなアニール処理が不要である。このため、高温処理によりＲｕの熱拡散の懸念がないので、反平行結合膜５４に、反強磁性結合効果の１ｓｔピークの厚である０．３ｎｍ～０．４５ｎｍのＲｕ膜を使用することができる。したがって、上記式に示すように、固定抵抗素子の第１の強磁性膜５３／第２の強磁性膜５５の異方性磁界を大きくすることができる。その結果、外部磁界に対する第１の強磁性膜５３／第２の強磁性膜５５の磁化変化は非常に小さくなるため、ＡＭＲ効果をほぼゼロにすることができる。その結果、このような磁気センサを用いた磁気平衡式電流センサは、従来の磁気平衡式電流センサよりもさらに安定した出力特性を得ることが可能となる。なお、磁気抵抗効果素子と固定抵抗素子との間の電気抵抗の一致は非磁性層の膜厚を調整することで実現でき、両者のＴＣＲの一致は第１の強磁性膜５３／第２の強磁性膜５５の膜厚を調整することで実現できる。
　また、第１の強磁性膜５３の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜５５の磁化量（Ｍｓ・ｔ）が実質的に同じである。すなわち、第１の強磁性膜５３と第２の強磁性膜５５間で磁化量の差が実質的にゼロである。このため、ＳＦＰ層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の強磁性膜の膜厚をｔ１とし、第２の強磁性膜の膜厚をｔ２とし、両層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次式（１）で示されるためである。
　式（１）
　　eff　Ｈｋ＝２（Ｋ・ｔ１＋Ｋ・ｔ２）／（Ｍｓ・ｔ１－Ｍｓ・ｔ２）
　したがって、本発明の磁気平衡式電流センサに用いる固定抵抗素子は、反強磁性層を有しない膜構成を有する。
　第１の強磁性膜５３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５５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５３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５５をこの組成範囲に限定することで、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率を大きくすることができる。
　第１の強磁性膜５３及び第２の強磁性膜５５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５３及び第２の強磁性膜５５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、両膜５３，５５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５３及び第２の強磁性膜５５の磁化方向は、第１の強磁性膜５３の成膜時の磁場印加方向で決まるため、第１の強磁性膜５３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。
　本発明の磁気平衡式電流センサで用いる固定抵抗素子の膜構成の例としては、例えば、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：５ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜：４ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．４ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：１ｎｍ）／ＮｉＦｅ（第２の強磁性膜：６ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性層：３ｎｍ）／Ｔａ（保護層：５ｎｍ）である。
　ここで、本発明の効果を明確にするために行った実施例について説明する。
　ＮｉＦｅＣｒ（シード層：４．２ｎｍ）／Ｆｅ７０Ｃｏ３０（第１の強磁性膜：４ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：０．３８ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：１ｎｍ）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（第２の強磁性膜：６ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性層：３．５ｎｍ）／Ｔａ（保護層：８ｎｍ）の膜構成を有し、５μｍ×２００μｍの大きさの固定抵抗素子について、ＡＭＲ効果を調べた。その結果を図９（ａ），（ｂ）に示す。なお、ＡＭＲ効果は、抵抗変化率（ΔＲ／Ｒ（％））を測定することにより求めた。また、ＮｉＦｅＣｒ（シード層：６ｎｍ）／ＰｔＭｎ（反強磁性層：２０ｎｍ）／Ｆｅ９０Ｃｏ１０（第１の強磁性膜：１．２５ｎｍ）／Ｒｕ（反平行結合膜：８．５ｎｍ）／Ｃｏ９０Ｆｅ１０（第２の強磁性膜：１．４ｎｍ）／Ｎｉ８１．５Ｆｅ１８．５（第２の強磁性膜：６ｎｍ）／Ｃｕ（非磁性層：３ｎｍ）／Ｔａ（保護層：８ｎｍ）の膜構成を有し、５μｍ×２００μｍの大きさの固定抵抗素子について、同様にＡＭＲ効果を調べた。その結果を図９（ａ），（ｂ）に併記する。
　図９（ａ），（ｂ）から分かるように、本発明に係る磁気センサ（本発明：ＡＦレス）は、ＡＭＲ効果が小さかった。一方、従来の磁気センサ（従来：ＰｔＭｎ）は、ＡＭＲ効果が大きかった。従来の磁気センサにおいては、磁界４００Ｏｅ（×１０3／４π　Ａ／ｍ）で抵抗率が約０．４％であり、磁気抵抗効果素子の抵抗変化率が８％程度であることを考えると非常に大きな値である。このように、本発明に係る磁気センサによれば、外部磁界によるＡＭＲ効果を十分に低減することができる。
　図４に示す膜構成を有する磁気抵抗効果素子１２３と、図５に示す膜構成を有する固定抵抗素子１２２ａ～１２２ｃを有する磁気平衡式電流センサにおいて、磁気検出ブリッジ回路の２つの出力（Ｏｕｔ１、Ｏｕｔ２）の電圧差がゼロになるようにフィードバックコイル１２１から磁気抵抗効果素子にキャンセル磁界を印加し、その際にフィードバックコイル１２１に流れる電流値を検出することにより、被測定電流を測定する。
　図６（ａ）に示すように、図６の紙面向かって左側から被測定電流が流れると、図６（ａ），（ｂ）に示すように、２つの固定抵抗素子１２２ａ，１２２ｃ（Ｏｕｔ１側）には、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂが同じ方向（Ｐｉｎ方向）に印加される。一方、固定抵抗素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２３（Ｏｕｔ２側）には、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向に印加される。
　また、図７（ａ）に示すように、図７の紙面向かって右側から被測定電流が流れると、図７（ａ）に示すように、２つの固定抵抗素子１２２ａ，１２２ｃ（Ｏｕｔ１側）には、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加される。一方、固定抵抗素子１２２ｂと磁気抵抗効果素子１２３（Ｏｕｔ２側）には、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向に印加される。
　本発明に係る磁気平衡式電流センサのように、磁気検出ブリッジ回路とフィードバックコイルを同一基板上に一体形成する場合には、両者を完全に絶縁する必要があるため、ポリイミド膜などの有機絶縁膜で両者を分離することになる。有機絶縁膜は、一般にスピンコートなどで塗布した後に、２００℃以上の加熱処理を施すことにより形成される。この有機絶縁膜は磁気検出ブリッジ回路形成の後工程で形成されるため、磁気抵抗効果素子も一緒に加熱されてしまう。反強磁性層で固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子の製造工程においては、この有機絶縁膜の形成工程の熱履歴により固定磁性層の特性が劣化しないように、磁場を印加しながら加熱処理する必要がある。本発明に係る磁気平衡式電流センサでは、反強磁性層を用いていないため、磁場を印加しながら加熱処理を行わなくても固定磁性層の特性を維持することが可能である。したがって、軟磁性自由層のヒステリシスの劣化を抑えることができる。
　また、反強磁性層で固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子を用いる場合、反強磁性材料のブロッキング温度（交換結合磁界が消失する温度）がおよそ３００℃～４００℃であり、この温度に向けて交換結合磁界が徐々に低下していくため、高温になるほど固定磁性層の特性が不安定となる。本発明に係る磁気平衡式電流センサでは、反強磁性層を用いていないため、固定磁性層の特性は主に固定磁性層を構成する強磁性材料のキュリー温度に依存する。一般に、ＣｏＦｅなどの強磁性材料のキュリー温度は反強磁性材料のブロッキング温度よりもはるかに高い。したがって、第１の強磁性膜と第２の強磁性膜の強磁性材料のキュリー温度を一致させて高温領域においても磁化量（Ｍｓ・ｔ）差をゼロに保つことにより、高い磁化安定性を維持することができる。
　また、反強磁性膜で固定磁性層の磁化を固定するタイプの磁気抵抗効果素子を用いる場合、アニール時の印加磁場方向に交換結合磁界を発生させるため、第１の強磁性膜の磁化量（Ｍｓ・ｔ）と第２の強磁性膜の磁化量（Ｍｓ・ｔ）とで意図的に差を付ける必要がある。これは、磁化量差がゼロの場合、第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜が共に飽和する磁界が、アニール時に印加できる磁場（～１５ｋＯｅ（×１０3／４π　Ａ／ｍ））を超えてしまい、その結果、アニール後の第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜の磁化分散が大きくなって、ΔＲ／Ｒの劣化を引き起こすためである。また、ΔＲ／Ｒをより大きくするため、第１の強磁性膜よりも第２の強磁性膜の膜厚を厚く（磁化量を大きく）する場合が多い。一般に、第２の強磁性膜の方が第１の強磁性膜より磁化量が多い場合、素子側壁において第２の強磁性膜から軟磁性自由層へ印加される還流磁界が大きくなり、出力のアシンメトリへ与える影響が大きくなる。また、この還流磁界は温度依存が大きいため、アシンメトリの温度依存も大きくなる。本発明に係る磁気平衡式電流センサにおいては、磁気抵抗効果素子の第１の強磁性膜と第２の強磁性膜の磁化量差がゼロであるため、このような問題を解決することもできる。
　また、本発明に係る磁気平衡式電流センサの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。
　図１０（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの他の例を示す図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。
　図１０に示す磁気平衡式電流センサは、２つの磁気抵抗効果素子１２３ａ，１２３ｂと、固定抵抗素子１２２ｄ，１２２ｅにより磁界検出ブリッジ回路を構成している。この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。
　図１０（ｂ）に示す磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２３ａと固定抵抗素子１２２ｄとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２３ｂと固定抵抗素子１２２ｅとの間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２３ａと固定抵抗素子１２２ｅとの間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、固定抵抗素子１２２ｄと磁気抵抗効果素子１２３ｂとの間の接続点からもう一つの出力（Ｏｕｔ２）を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１２４で増幅され、フィードバックコイル１２１に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ）で被測定電流を測定する。
　図１１（ａ）に示すように、図１１の紙面向かって左側から被測定電流が流れると、図１１（ａ），（ｂ）に示すように、２つの固定抵抗素子１２２ｄ，１２２ｅには、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂが同じ方向（Ｐｉｎ方向）に印加される。一方、磁気抵抗効果素子１２３ａ，１２３ｂには、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向に印加される。
　また、図１２（ａ）に示すように、図１２の紙面向かって右側から被測定電流が流れると、図１２（ａ）に示すように、２つの固定抵抗素子１２２ｄ，１２２ｅには、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加される。一方、磁気抵抗効果素子１２３ａ，１２３ｂには、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向に印加される。
　図１３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る磁気平衡式電流センサの他の例を示す図であり、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す磁気平衡式電流センサにおける磁気検出ブリッジ回路を示す図である。
　図１３に示す磁気平衡式電流センサは、３つの磁気抵抗効果素子１２３ｃ～１２３ｅと、固定抵抗素子１２２ｆにより磁界検出ブリッジ回路を構成している。この磁界検出ブリッジ回路は、被測定電流Ｉにより生じた誘導磁界に応じた電圧差を生じる２つの出力を備える。測定時でない状態においては、３つの磁気抵抗効果素子１２３ｃ～１２３ｅ及び固定抵抗素子１２２ｆの抵抗値は同じである。
　図１３（ｂ）に示す磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２３ｃと固定抵抗素子１２２ｆとの間の接続点に電源Ｖｄｄが接続されており、磁気抵抗効果素子１２３ｄ，１２３ｅ間の接続点にグランド（ＧＮＤ）が接続されている。さらに、この磁界検出ブリッジ回路においては、磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅ間の接続点から一つの出力（Ｏｕｔ１）を取り出し、固定抵抗素子１２２ｆと磁気抵抗効果素子１２３ｄとの間の接続点からもう一つの出力（Ｏｕｔ２）を取り出している。これらの２つの出力は増幅器１２４で増幅され、フィードバックコイル１２１に電流（フィードバック電流）として与えられる。このフィードバック電流は、誘導磁界に応じた電圧差に対応する。このとき、フィードバックコイル１２１には、誘導磁界を相殺するキャンセル磁界が発生する。そして、誘導磁界とキャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときのフィードバックコイル１２１に流れる電流に基づいて検出部（検出抵抗Ｒ）で被測定電流を測定する。
　図１４（ａ）に示すように、図１４の紙面向かって左側から被測定電流が流れると、図１４（ａ），（ｂ）に示すように、２つの磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅには、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界Ｂが同じ方向（Ｐｉｎ方向）に印加される。一方、磁気抵抗効果素子１２３ｄ及び固定抵抗素子１２２ｆには、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向に印加される。この場合において、磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅの抵抗値は、誘導磁界Ａの大きさによらず同じ値となるため、磁気検出ブリッジ回路において固定抵抗素子の役割を果たす。
　また、図１５（ａ）に示すように、図１５の紙面向かって右側から被測定電流が流れると、図１５（ａ）に示すように、２つの磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅには、誘導磁界Ａ及びキャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向と反対方向に印加される。一方、磁気抵抗効果素子１２３ｄ及び固定抵抗素子１２２ｆには、誘導磁界ＡがＰｉｎ方向と反対方向に印加され、キャンセル磁界ＢがＰｉｎ方向に印加される。この場合において、磁気抵抗効果素子１２３ｃ，１２３ｅの抵抗値は、誘導磁界Ａの大きさによらず同じ値となるため、磁気検出ブリッジ回路において固定抵抗素子の役割を果たす。
　このように、本発明に係る磁気センサによれば、セルフピン止め型の強磁性固定層の反平行結合膜が、反強磁性結合効果の第１ピークの厚さを有するＲｕ膜であり、第１の強磁性膜及び第２の強磁性膜の磁化量の差が実質的にゼロであるので、固定抵抗素子によるＡＭＲ効果の発生を抑えることができる。また、本発明に係る磁気平衡式電流センサによれば、ＡＭＲ効果の発生を抑えた磁気センサを用いているので、環境温度が変化したときに十分に安定した出力特性を得ることができる。
　本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。例えば、上記実施の形態における材料、各素子の接続関係、厚さ、大きさ、製法などは適宜変更して実施することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。
　本発明は、電気自動車のモータ駆動用の電流の大きさを検出する電流センサに適用することが可能である。
　本出願は、２０１０年３月１２日出願の特願２０１０－０５６１５６に基づく。この内容は、全てここに含めておく。

Claims (8)

  1. 　被測定電流からの誘導磁界の印加により抵抗値が変化する磁気抵抗効果素子及び固定抵抗素子で構成された磁気センサであって、前記固定抵抗素子は、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の強磁性固定層を有しており、前記反平行結合膜は、反強磁性結合効果の第１ピークの厚さを有するＲｕ膜であり、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、磁化量の差が実質的にゼロであることを特徴とする磁気センサ。
  2. 　前記磁気抵抗効果素子は、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の強磁性固定層と、非磁性中間層と、軟磁性自由層とを有し、前記第１の強磁性膜及び前記第２の強磁性膜は、キュリー温度が略同じであり、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請求項１記載の磁気センサ。
  3. 　前記第１の強磁性膜が４０原子％～８０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成され、前記第２の強磁性膜が０原子％～４０原子％のＦｅを含むＣｏＦｅ合金で構成されていることを特徴とする請求項１記載の磁気センサ。
  4. 　請求項１記載の磁気センサを有し、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と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に配置され、前記誘導磁界を相殺するキャンセル磁界を発生するフィードバックコイルと、前記誘導磁界を減衰させると共に前記キャンセル磁界をエンハンスする磁気シールドと、を具備し、前記電圧差により前記フィードバックコイルに通電して前記誘導磁界と前記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの前記フィードバックコイルに流れる電流に基づいて前記被測定電流を測定することを特徴とする磁気平衡式電流センサ。
  5. 　前記フィードバックコイル、前記磁気シールド及び前記磁界検出ブリッジ回路が同一基板上に形成されてなることを特徴とする請求項４記載の磁気平衡式電流センサ。
  6. 　前記フィードバックコイルが、前記磁気シールドと前記磁界検出ブリッジ回路の間に配置され、前記磁気シールドが前記被測定電流に近い側に配置されることを特徴とする請求項４記載の磁気平衡式電流センサ。
  7. 　前記磁気抵抗効果素子は、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が折り返してなる形状を有し、前記誘導磁界及び前記キャンセル磁界が前記長手方向に直交する方向に沿うように印加されることを特徴とする請求項４記載の磁気平衡式電流センサ。
  8. 　前記磁気シールドは、アモルファス磁性材料、パーマロイ系磁性材料、及び鉄系微結晶材料からなる群より選ばれた高透磁率材料で構成されていることを特徴とする請求項４記載の磁気平衡式電流センサ。
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