電流センサ
【課題】電流値を精度良く検知する。
【解決手段】磁気抵抗素子１１を備えた電流センサ１０であって、該磁気抵抗素子１１の、磁気抵抗素子１１自体に流すセンス電流に応じた出力変化（センス電流部１２による出力変化）と、磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線（電気配線ｗｄ２等の影響による出力変化）への電流に応じた出力変化と、の２つの出力変化に基づいて測定対象である負荷Ａへの電流を測定する。
【解決手段】磁気抵抗素子１１を備えた電流センサ１０であって、該磁気抵抗素子１１の、磁気抵抗素子１１自体に流すセンス電流に応じた出力変化（センス電流部１２による出力変化）と、磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線（電気配線ｗｄ２等の影響による出力変化）への電流に応じた出力変化と、の２つの出力変化に基づいて測定対象である負荷Ａへの電流を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサに関する。さらに詳述すると、磁気抵抗素子を用いた電流センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の磁気抵抗素子を用いた電流センサ、磁気センサ（磁気抵抗センサ）には、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子など）や、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）等が用いられている。例えば、ＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易であり、その改良も盛んに行われている。ＭＩ素子は、高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができるもので、回路技術を駆使する必要があるが、センサ感度は高い特長を有する。
【０００３】
また、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いた電流センサ、磁気センサの素子として、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）や、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）等が知られている。ＧＭＲ（Giant magnetic resistance）素子とは、強磁性層と非強磁性層とが交互に複数層形成され、隣接する２つの磁性層の磁化方向が、外部磁界の強さに応じて平行な場合と反平行な場合とで変化する抵抗を利用して磁気検知を行うものである。また、ＴＭＲ（tunnel Magneto-Resistance）素子とは、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることで、このときの磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行うものである。
【０００４】
これらの磁気抵抗素子は磁化の向きと強度が所定の向きに固定された磁化固定層と、磁化の向きが外部磁界の向きに応じて変化するフリー層（自由層）とを備えている。磁気センサとして外部磁界を検知する時は固定された磁化固定層の磁化方向に対して外部磁界の向きに応じて変化するフリー層の磁化方向の相対関係と、磁化の強度に応じて抵抗値は変化することを利用して磁界の方向を検知するものである。
【０００５】
このような磁気抵抗素子を用いた電流センサ、磁気センサに関し、例えば、特許文献１には、トンネル磁気抵抗効果素子の下部電極にバイアス電流を流すことにより、別途バイアス電流用の配線層を設ける場合に比べて、より少ない消費電力でバイアス磁界をトンネル磁気抵抗効果素子に印加することができ、外部磁界に応じてバイアス磁界の大きさを変化させることによって、磁界検出精度を向上させることができ磁界検出装置が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、被測定電流が流れる被検出配線が形成されたプリント基板と、プリント基板と略平行に配置されたセラミクス基板と、このセラミクス基板の一方の面に形成され、被検出配線に接触又は接合された導電膜と、セラミクス基板の他方の面に形成され、磁性層と非磁性層とが交互に複数回積層された多層膜を有し、該多層膜に印加される磁界の変化に応じて抵抗値が変化するＧＭＲ膜と、ＧＭＲ膜に一定のバイアス磁界を印加するバイアス磁石とを備えた電流センサが開示されている。
【０００７】
さらに、特許文献３には、Ｓｉ基板に、四面の逆ピラミッド構造を有する傾斜面を設け、基板の平面には、フリー層とピン層を持ち、その磁化状態に応じた検知出力を発生させるトンネル型磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）を設け、フリー層の上部と傾斜面上に、磁界の大きさに応じて磁化されるパーマロイ膜を配置し、センサが平面に配置していても、磁界の平面以外のＺ軸方向のベクトル成分を検知可能とする磁気センサが開示されている。
【０００８】
また、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子では、電流磁界による磁化反転が生じる現象（スピン注入磁化反転）が注目されている。例えば、特許文献４にはＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）に用いることを目的としたスピン注入型磁気抵抗効果素子が開示されている。また、特許文献５には、埋め込み電極によって磁化反転を容易にしたスピン注入磁化反転素子が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これまでＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等のスピントロニクス素子は、磁界に対する変化率は大きいが、電子デバイス特有の低周波ノイズが大きいと考えられていたが、近年、検知に必要な素子の面積の微小化が進み、微細加工の限界まで検知素子として機能させることができることがわかってきた。しかしながら、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子などのスピントロニクス素子を用いた電流センサにおける検知精度の向上には、検討の余地が残されていた。
【００１０】
そこで本発明は、スピン注入磁化反転と磁界による磁化反転の２つの現象に基づいて電流値を精度良く検知することができる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】
【００１１】
かかる目的を達成するため、本発明に係る電流センサは、磁気抵抗素子を備えた電流センサであって、該磁気抵抗素子の、磁気抵抗素子自体に流すセンス電流に応じた出力変化と、磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線への電流に応じた出力変化と、の２つの出力変化に基づいて測定対象への電流を測定するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電流値を精度良く検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＴＭＲ層構成による検知用素子部の断面概略図である。
【図２】ＧＭＲ層構成による検知用素子部の断面概略図である。
【図３】第１の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【図４】電流センサによる電流検知制御例を示すフローチャート（１）である。
【図５】電流センサによる電流検知制御例を示すフローチャート（２）である。
【図６】第２の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【図７】第３の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【図８】第４の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【図９】第５の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る構成を図１から図９に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
[第１の実施形態]
[検知用素子部]
図１及び図２に検知用素子部（以下、磁気抵抗素子、検知素子、電流検知素子ともいう）の構成例を示す。図１に示す検知用素子部１１は、キャップ層６、フリー層５、トンネル障壁層４、磁化固定（ＡＦＭ）層３、シード層２、基板１からなるＴＭＲ層構成による検知用素子部１１の一例である。
【００１６】
基板１としては、例えばＳｉやＳｉ上熱酸化基板を用いる。ＭＯＳ層を有するものであっても特性上問題なく作製可能である。また、超高真空スパッタ装置やイオンビームスパッタ装置、ＥＢ蒸着装置などを用いて、Ｔａ，ＦｅＮｉ層との複合層によるシード層２を設け、特性を向上させるとともに、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＣｒＰｔＭｎ、ＣｏＭｎなどやそれらの合金などからなる磁化固定層３を構成する。このとき、その厚みは各設計値によって、３ｎｍ〜４００ｎｍ程度か、それ以上に設定されるが、１０ｎｍ〜１００ｎｍが好適である。また、磁化固定層３の上部にピンド層８（シンセティックフェリ層）を設ける構成（スピンバルブ構成）としても良い。また、磁化固定層３として保磁力の大きいものや硬質磁性材料（ＡｌＮｉＣｏ、ＰｔＣｏ等）でもよい。
【００１７】
トンネル障壁層４は、例えばＡｌ−ＯやＭｇＯで構成され、その厚みは０．５ｎｍ〜６ｎｍの間で設計されるが、１ｎｍ〜４ｎｍが好適である。特に、ＭｇＯで構成すると、比較的厚い膜厚であっても優れた磁気抵抗変化率特性が得られるので、抵抗値を大きくとりたい場合には厚みを厚くすることで実現可能となるメリットを有する。なお、図示はしないが、ＭｇＯ層をトンネル障壁層４とする場合には、例えばＣｏＦｅＳｉＢなどのアモルファス膜をアズデポ（析出まま）で作製後、アニール時に結晶化することも好ましい。これにより、ＭｇＯの再配列を促し、結晶性を高めることで磁気抵抗変化率を著しく向上されることが可能となり、さらに検知性能の向上を図ることができる。
【００１８】
フリー層５は、例えば、パーマロイ（ＮｉＦｅ）、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ，ＣｏＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＳｉＢ，ＦｅＡｌＳｉ等の軟磁気特性を有するものや半硬質磁気特性を有するもので構成することにより、センサ特性を発揮するものである。また、保護目的と次工程との整合性のためのキャップ層７としては、Ｔａ，Ａｕなどを成膜する。
【００１９】
検知用素子部１１は、所望の形状にフォトリソグラフィ、ＥＢ露光等を用いた微細加工により形状を作製し、上下に電極を配して完成させる。
【００２０】
なお、検知用素子部１１は、素子面積によらず、検知素子として可能であるが、所望の抵抗値は素子面積でも設定可能であるので、ＬＳＩ設計の上で小さな面積でかつ抵抗値を大きく取りたい場合には抵抗値の選択としてより小さな素子面積を選べばよい。抵抗値を低くしたい場合には素子面積を大きくとるか、ＴＭＲ特性を犠牲にしない範囲でトンネル障壁層４の厚みを小さく取ることで設定することが可能となる。
【００２１】
また、本実施形態における検知用素子部１１は、図１に示すＴＭＲ層構成に限られるものではなく、例えば、図２に示すようなＧＭＲ層構成であっても良い。図２に示す検知用素子部１１は、トンネル障壁層４に替えて非磁性金属層７を有し、その他の層構成は同様である。ここで、非磁性金属層７には、例えば、Ｃｕ，Ａｇなどが適している。
【００２２】
ところで、従来の磁気センシングを用いた電流センサでは、直接磁界等を測定する場合などにおいて、磁気センサの感度が小さいため、ホール素子も含んで比較的大きな素子をする必要があった。これに対し、図１、図２に示したＴＭＲ素子やＧＭＲ素子などの磁気抵抗素子の特性向上は著しく、室温で数１００%に達するものとなっており、格段に特性向上が見込めるデバイスとなっている。以下に述べる本実施形態に係る電流センサでは、これらを用いている。また、最近のＬＳＩの配線幅の低減等で、検知に伴う回路技術もＬＳＩの微小な素子部として実現できるところとなっており、従来のＡＭＲ素子（異方性磁気抵抗素子）などと異なり新たな検知方法への適用が考えられる。
【００２３】
例えば、ＴＭＲ素子では、磁界の検知に関して、フリー層５の磁界に対する変化を基準とする磁化固定層３との磁化の相対角によってトンネル電流の流れ方が異なることで磁気抵抗変化としている。したがって、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子においても磁界の変化に追随して変化するフリー層５か、ＴＭＲ素子においては通常は検知層一層でフリー層５そのものであるため、微弱な磁界の検知においてはフリー層５の特徴をうまく利用することで、磁気抵抗素子特性の向上を図ることができる。また、磁性体を介して電流注入による磁化反転（スピン注入磁化反転）の効果により、電流を検知対象とする場合には検知感度を向上させることが可能となり、微小な電流でも検知となり、同一電流の検知の際にも検知信号の出力電圧比を向上させることが可能となる。また、ＴＭＲ素子では、素子抵抗値自体を大きく設定することが容易であり、以下に説明する電力検知センサに好適である。また、ＧＭＲ素子も、同様に高精度計測が可能であって、ＭＲ素子やホール素子を用いた場合に比べて、すぐれた特性を発揮する。以下、必要に応じてＴＭＲ層構成の磁気抵抗素子１１を例に取り説明する。
【００２４】
[電流センサ]
本実施形態に係る電流センサは、磁気抵抗素子（磁気抵抗素子１１）を備えた電流センサ（電流センサ１０）であって、該磁気抵抗素子の、磁気抵抗素子自体に流すセンス電流に応じた出力変化（センス電流部１２による出力変化）と、磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線（電気配線ｗｄ２等の磁界発生用配線部の影響による出力変化）への電流に応じた出力変化と、の２つの出力変化に基づいて測定対象（負荷Ａ）への電流を測定するものである。なお、電気配線に流される電流は直流（ＤＣ）に限らず、交流（ＡＣ）であっても測定可能である。
【００２５】
本実施形態に係る電流センサ１０は、上述のように、スイッチング特性（２値出力特性）や線形性の高い磁気抵抗素子などの磁性を有する素子の磁界に対する抵抗変化率特性が著しく特性向上している素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）を用いて、さらに、その素子のもう一つの特性である電流注入によって磁化反転が行われる特性（スピン注入特性）の優れた磁界検知特性を利用して検知精度を向上させるものである。したがって、磁気抵抗素子１１としては、スピン注入特性を有しないＡＭＲ（異方性磁気抵抗素子）素子ではなくＧＭＲ（巨大磁気抵抗素子）素子やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗素子）素子を用いて構成されることとなる。
【００２６】
図３は、電流センサの第１の実施形態における構成を示す概略図である。図３に示すように電流センサ１０は、測定対象Ａに接続される電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２と、分流された電気配線ｗｄ１，ｗｄ２、電気配線ｗｄ２，ｗｂ１，ｗｃ１（磁界発生用配線部）の近傍に配置され電気配線ｗｄ２，ｗｂ１，ｗｃ１に流れる電流により発生する磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれにセンス電流を流すセンス電流部１２（磁気抵抗素子１１ｂ，１１ｃに接続されるセンス電流部１２を図示省略している）と、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれと接続しその検知結果を出力する検知手段１３（磁気抵抗素子１１ｂ，１１ｃと検知手段１３との接続部を図示省略している）と、電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２，ｗｄ１，ｗｄ２の接続を切替える切替スイッチ部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、検知手段１３の出力を受けて切替スイッチ部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを制御し、また、検知手段１３からの出力信号に基づいて各種の信号処理を行う検知制御部１５と、を備える。
【００２７】
ここで、測定対象Ａは、電源から電力が供給されて種々の動作や処理を行う電子・電機機器のユニット（あるいは部品）であり、その内部の異常や劣化などにより負荷が増大して流れる電流が増加する場合があるものである。
【００２８】
ここで、電気配線に電流を流すと、その電気配線の周りには磁界が発生するが、このと
き、電気配線の近傍に磁気抵抗素子１１を配置すると、マイナーループを描く磁気ヒステリシスをもつことから、その磁界の影響を受けてフリー層５が磁化し、結果として所定の抵抗値を示す。
【００２９】
また、電流の増加に伴い磁界の強度が増加すると、フリー層５において、マイナーループに沿って磁化が増大するがあるところから磁化が飽和する特徴をもつ。これは、フリー層５とするパーマロイ（ＮｉＦｅ）、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＡｌＳｉ等の各材料ともそれぞれ特徴ある磁気ヒステリシスループをとりながら、磁化がスイッチ的な角型形状を持って変化する場合や直線的な変化を示して、磁化飽和に達する曲線を示すものである。すなわち、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子においてはフリー層５の磁化状態に応じて磁気抵抗変化も得られることとなる。
【００３０】
上述のように、ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、フリー層５の磁界に対する変化を基準とする磁化固定層３との磁化の相対角によって、センス電流の流れ方が異なることで磁気抵抗変化としている。検知層一層でフリー層５そのものであるので、微弱な磁界の検知においてはフリー層５の特徴を用いることで、各素子特性を向上することが可能となる。また、磁性体を介して電流注入による磁化反転の効果により、電流を検知対象とする場合には検知感度を向上させることが可能となるため、微小な電流でも検知となり、同一電流の検知の際にも検知信号の出力電圧比を向上させることが可能となる。
【００３１】
具体的には、図３に示すような電気配線等を備えた電流センサ１０を構成することにより、電流注入による磁化反転と磁界による磁化反転の双方で電流値自体を検知することが可能となる。すなわち、電流注入による場合には素子寸法が小さな方がより小さな電流値で磁化反転し、磁界反転による場合には素子寸法が小さな方がより大きな磁界で磁化の反転が起こるので、電流値が大きな場合に検知可能となるものである。
【００３２】
また、図３に示す電流センサ１０では、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、電気配線ｗｄ２，ｗｂ１，ｗｃ１に沿って配置されており、また、各磁気抵抗素子と各電気配線との距離を異なる距離としている。これにより、検知手段１３は、電流配線ｗｄ２，ｗｂ１，ｗｃ１に流れる電流について複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃごとに異なる規定値への到達を検知することが可能となる。なお、各磁気抵抗素子１１と各電気配線との距離を調整することができる。
【００３３】
また、図３に示す電流センサ１０では、電気配線は、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃごとに、磁気抵抗素子１１の近傍に配置される検知用電気配線と、検知対象とならないように磁気抵抗素子から離れて配置されるパス用電気配線と、検知用電気配線、パス用電気配線のいずれかに切替えて接続可能な切替スイッチ部（１４ａ〜１４ｄ）と、を備えている。このように、スイッチ部を設けることで、より精度よく検知可能となる。
【００３４】
また、図３に示す電流センサ１０では、測定対象Ａに接続される電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２と分流させた分流部（電気配線ｗｄ１，ｗｄ２、切替スイッチ部１４ｄ）を備えている。このように、分流部を設けて分流させることにより、より適したセンサの配置が可能となるため検知精度を向上させることができる。
【００３５】
このような構成の電流センサ１０では、例えば、図４のフローチャートに示すように、測定する電流を流す測定モードと、短期間のセンス電流を流す測定モードに分かれ、それぞれの測定値（推定値）に基づいて電流検知を行うものである。
【００３６】
例えば、被測定電流を印加し測定を行って検知手段１３で検出の後（Ｓ１０１）、検知制御部１５の制御により切替スイッチ部１４により電流値（センス電流を流す測定モード）を変更する（Ｓ１０２）。検知手段１３は、センス電流値を検出する（Ｓ１０３）。
【００３７】
変化のないものについてはそのまま（Ｓ１０４）、変化のあった磁気抵抗素子１１については、例えば、予め電流データとして得ているマップ（電流換算マップ）との照合により（Ｓ１０５）、電流値の推定を行うものである（Ｓ１０６）。なお、電流値の推定方法は、電流換算マップとの照合に限られるものではない。
【００３８】
次いで、図５のフローチャートに示すように、各推定値（測定値）を比較して（Ｓ２０１）、目標値以下の差であった場合（Ｓ２０２：Ｙ）は、その結果を以て測定結果とし（Ｓ２０３）、目標値以下の差でない場合（Ｓ２０２：ｎ）は、必要に応じて測定する磁気抵抗素子１１を変更して測定させるものである（Ｓ２０４）。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態に係る電流センサ１０は、少なくともフリー層５と磁化固定層３を持つ磁気抵抗素子１１を用いた電流検知用センサであって、流す電流によって磁界を発生させる配線部と、電流注入による磁化反転を行うことも兼ねるセンス電流部を、それぞれ少なくとも１つもち、そのうち１つ以上の配線部に流した電流値と他の電流値によるフリー層５の磁化変化を磁気抵抗素子１１の抵抗変化として検知し、その差を比較できる電流換算マップとして備えたものである。
【００４０】
この電流センサ１０によれば、素子面積の縮小に従って、電流注入量対磁化反転量が増大するものであるから、ダウンサイズに伴い、電流検知に伴う電圧変化も増大することとなり、素子サイズが小さなものほど、高感度センサとなるという携帯機器や寸法が限られたものでの使い勝手のよいセンサが実現可能となる。なお、電流注入による磁化反転は微小な電流値によって一義的に得ることができる（配線部に電流を流すことによって、磁界を発生させて、磁気抵抗素子の抵抗値が変化する現象とは異なる）。
【００４１】
このように、本実施形態に係る電流センサ１０では、電流（磁界）を２種の物理現象（スピン注入磁化反転と磁界による磁化反転）で検知することにより、精度よく検知可能となる。
【００４２】
（第２の実施形態）
以下、電流センサのその他の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同様の点についての説明は省略する。
【００４３】
図６は、電流センサの第２の実施形態における構成を示す概略図である。図６に示すように、各配線部（配線部ｗｅ１，ｗｅ２）に電流をそれぞれ流すための分流部と検知電流を反転させる電流反転部を備えた電流センサ２０とすることも好ましい。これにより、センス電流の向きの反転によって、それぞれの特性値のばらつきを抑えることが可能となり、更に検知分解特性を向上させることができる。なお、電流反転は、切替スイッチ部１４ｅ，１４ｆにより配線部ｗｅ１に流す場合、配線部ｗｅ２に流す場合の２通りを使い分けることで実現可能となる。また、ＬＳＩ部からの電流パスを反転させることも可能となる。
【００４４】
（第３の実施形態）
図７は、電流センサの第３の実施形態における構成を示す概略図である。本実施形態の電流センサ３０は、センス電流として素子を流れた後に、再度、磁界発生部にも電流を直列に流れるように構成したものである。なお、電流センサ３０のそれ以外の構成は第１の実施形態と同じであり、図７において第１の実施形態と同じものは同じ符号を付している。なお、センス電流部１２、検知手段１３、検知制御部１５は省略しているが、第１の実施形態と同じである。
【００４５】
また、その際にいくつかの場合に分けて検討することでより高感度な電流センサとすることが可能となる。すなわち、複数の素子を配置し、同一電流によって磁界による磁化変化の検知も可能とする配置として、閾値の設定を数種設定可能とすることができる。
【００４６】
具体的には、例えば、（１）電流注入時には磁化変化（磁化反転）し、磁界変化時にも磁化変化（磁化反転）する、（２）電流注入時には磁化変化（磁化反転）するが、磁界変化時にも磁化変化（磁化反転）しない、（３）電流注入時には磁化変化（磁化反転）せず、磁界変化時には磁化変化（磁化反転）する、（４）電流注入時にも磁化変化（磁化反転）せず、磁界変化時にも磁化変化（磁化反転）しない、のように、それぞれ電流値として弁別する設定とする。また、電流の極性で弁別を区別することも可能である。さらに、電流がそれぞれ流れる場合に不可避な発生する熱の影響も含めると差異があるので、継続時間として差を検知する構成とすることも可能である。このように構成することで、電流センサをより高感度かつ低コスト、小型化等を図ることができる。
【００４７】
電流センサ３０は、第１の実施形態と比べて、電気配線の構成が異なる。すなわち、磁気抵抗素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃそれぞれに対応して、磁気抵抗素子１１から所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１の周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒａ、ｗｒｂ、ｗｒｃが設けられている。詳しくは、磁気抵抗素子１１ａから所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１ａの周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒａが設けられ、磁気抵抗素子１１ｂから所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１ｂの周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒｂが設けられ、磁気抵抗素子１１ｃから所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１ｃの周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒｃが設けられている。これにより、磁気抵抗素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、それぞれ電気配線ｗｒａ、ｗｒｂ、ｗｒｃで形成される平面ループ内に配置されるようになる。
【００４８】
また、電流センサ３０における電気配線の電流検知の手順は、第１の実施形態（電流センサ１０）と同じである。特に、電気配線ｗｒａ、ｗｒｂ、ｗｒｃを平面ループ状に配線したので、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に垂直となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する強度の精度が上がり（発生磁界強度と分布の誤差を低減でき）、より正確な測定を可能とすることが可能となる。
【００４９】
（第４の実施形態）
本実施形態の電流センサの基本構成は、第１の実施形態と同じであるが、図８は磁気抵抗素子１１を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込み作製した断面模式図であって、磁気抵抗素子１１は、基板１上に所定の薄膜（シード層２、磁化固定層３、ピンド層８、トンネル障壁層４、フリー層５、キャップ層６）が積層されてなり、電気配線ｗｒが薄膜の積層方向（図中上下方向）に沿ってループ状に配置されるものである。
【００５０】
この構成によれば、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に平行となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する強度の精度が上がり、より正確な測定を可能となる。また、磁気抵抗素子１１及び電気配線ｗｒの作製を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込むことが可能であり、ＬＳＩ等の多層配線中では磁気抵抗素子１１平面に対して垂直に配置した構成がとれることから、より近接した立体ループ構造が、比較的低面積で実現可能であり、電流センサの小型化と高感度化が実現可能である。
【００５１】
（第５の実施形態）
本実施形態の電流センサの基本構成は、第１の実施形態と同じであるが、図９は磁気抵抗素子１１を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込み作製した事例の上面模式図であって、電気配線ｗｒ１、ｗｒ２は、磁気抵抗素子１１を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造を有しているものである。
【００５２】
この構成によれば、第４の実施形態と同様に、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に平行となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する磁界強度の精度の均一性が上がり、特に、磁気抵抗素子１１を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造の電気配線ｗｒ１、ｗｒ２とすることから、位置決めを柔軟にすることができ、かつ、より正確な電流検知が可能となる。
【００５３】
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、磁界センサ、電流モニター（上下限値チェック等）、これらを搭載したシステム、ＬＳＩなどへの適用が可能である。また、地磁気センサ等への適用も可能であり、ＭＲＡＭ等の各素子への適用も可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 基板
２ シード層
３ 磁化固定層（ＡＦＭ層）
４ トンネル障壁層
５ フリー層
６ キャップ層
７ 非磁性金属層
８ ピンド層
１０，２０，３０ 電流センサ
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 磁気抵抗素子
１２ センス電流部
１３ 検知手段
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ 切替スイッチ部
１５ 検知制御部
Ａ 測定対象（負荷）
ｗａ，ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２，ｗｄ１，ｗｄ２，ｗｅ１，ｗｅ２，ｗｒ，ｗｒ１，ｗｒ２，ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃ，ｗｓ 電気配線
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５５】
【特許文献１】特開２０１０−１４５２４１号公報
【特許文献２】特開２００２− ８２１３６号公報
【特許文献３】特開２００９−２２２６５０号公報
【特許文献４】特開２００６−２６９８８５号公報
【特許文献５】特開２００７− ５６６４号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流センサに関する。さらに詳述すると、磁気抵抗素子を用いた電流センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、各種の磁気抵抗素子を用いた電流センサ、磁気センサ（磁気抵抗センサ）には、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子など）や、磁気インピーダンス素子（ＭＩ素子）等が用いられている。例えば、ＭＩセンサによれば、ＭＩ素子という磁気抵抗素子を用いることで薄膜化・小型化が容易であり、その改良も盛んに行われている。ＭＩ素子は、高周波電流を流した場合のその高周波インピーダンスの磁界による変化をもって磁界強度を検知することができるもので、回路技術を駆使する必要があるが、センサ感度は高い特長を有する。
【０００３】
また、磁気抵抗効果素子（ＭＲ素子）を用いた電流センサ、磁気センサの素子として、巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）や、トンネル磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）等が知られている。ＧＭＲ（Giant magnetic resistance）素子とは、強磁性層と非強磁性層とが交互に複数層形成され、隣接する２つの磁性層の磁化方向が、外部磁界の強さに応じて平行な場合と反平行な場合とで変化する抵抗を利用して磁気検知を行うものである。また、ＴＭＲ（tunnel Magneto-Resistance）素子とは、磁性薄膜層が絶縁層を介して複数層形成され、伝導に関わる電子がスピンを維持しながら絶縁層をトンネル現象によって伝導されることで、このときの磁化の状態によってトンネル透過係数が異なることを利用して磁界検知を行うものである。
【０００４】
これらの磁気抵抗素子は磁化の向きと強度が所定の向きに固定された磁化固定層と、磁化の向きが外部磁界の向きに応じて変化するフリー層（自由層）とを備えている。磁気センサとして外部磁界を検知する時は固定された磁化固定層の磁化方向に対して外部磁界の向きに応じて変化するフリー層の磁化方向の相対関係と、磁化の強度に応じて抵抗値は変化することを利用して磁界の方向を検知するものである。
【０００５】
このような磁気抵抗素子を用いた電流センサ、磁気センサに関し、例えば、特許文献１には、トンネル磁気抵抗効果素子の下部電極にバイアス電流を流すことにより、別途バイアス電流用の配線層を設ける場合に比べて、より少ない消費電力でバイアス磁界をトンネル磁気抵抗効果素子に印加することができ、外部磁界に応じてバイアス磁界の大きさを変化させることによって、磁界検出精度を向上させることができ磁界検出装置が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、被測定電流が流れる被検出配線が形成されたプリント基板と、プリント基板と略平行に配置されたセラミクス基板と、このセラミクス基板の一方の面に形成され、被検出配線に接触又は接合された導電膜と、セラミクス基板の他方の面に形成され、磁性層と非磁性層とが交互に複数回積層された多層膜を有し、該多層膜に印加される磁界の変化に応じて抵抗値が変化するＧＭＲ膜と、ＧＭＲ膜に一定のバイアス磁界を印加するバイアス磁石とを備えた電流センサが開示されている。
【０００７】
さらに、特許文献３には、Ｓｉ基板に、四面の逆ピラミッド構造を有する傾斜面を設け、基板の平面には、フリー層とピン層を持ち、その磁化状態に応じた検知出力を発生させるトンネル型磁気抵抗素子（ＴＭＲ素子）を設け、フリー層の上部と傾斜面上に、磁界の大きさに応じて磁化されるパーマロイ膜を配置し、センサが平面に配置していても、磁界の平面以外のＺ軸方向のベクトル成分を検知可能とする磁気センサが開示されている。
【０００８】
また、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子では、電流磁界による磁化反転が生じる現象（スピン注入磁化反転）が注目されている。例えば、特許文献４にはＭＲＡＭ（Magnetic Random Access Memory）に用いることを目的としたスピン注入型磁気抵抗効果素子が開示されている。また、特許文献５には、埋め込み電極によって磁化反転を容易にしたスピン注入磁化反転素子が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
これまでＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子等のスピントロニクス素子は、磁界に対する変化率は大きいが、電子デバイス特有の低周波ノイズが大きいと考えられていたが、近年、検知に必要な素子の面積の微小化が進み、微細加工の限界まで検知素子として機能させることができることがわかってきた。しかしながら、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子などのスピントロニクス素子を用いた電流センサにおける検知精度の向上には、検討の余地が残されていた。
【００１０】
そこで本発明は、スピン注入磁化反転と磁界による磁化反転の２つの現象に基づいて電流値を精度良く検知することができる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】
【００１１】
かかる目的を達成するため、本発明に係る電流センサは、磁気抵抗素子を備えた電流センサであって、該磁気抵抗素子の、磁気抵抗素子自体に流すセンス電流に応じた出力変化と、磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線への電流に応じた出力変化と、の２つの出力変化に基づいて測定対象への電流を測定するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、電流値を精度良く検知することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ＴＭＲ層構成による検知用素子部の断面概略図である。
【図２】ＧＭＲ層構成による検知用素子部の断面概略図である。
【図３】第１の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【図４】電流センサによる電流検知制御例を示すフローチャート（１）である。
【図５】電流センサによる電流検知制御例を示すフローチャート（２）である。
【図６】第２の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【図７】第３の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【図８】第４の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【図９】第５の実施形態に係る電流センサの構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る構成を図１から図９に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１５】
[第１の実施形態]
[検知用素子部]
図１及び図２に検知用素子部（以下、磁気抵抗素子、検知素子、電流検知素子ともいう）の構成例を示す。図１に示す検知用素子部１１は、キャップ層６、フリー層５、トンネル障壁層４、磁化固定（ＡＦＭ）層３、シード層２、基板１からなるＴＭＲ層構成による検知用素子部１１の一例である。
【００１６】
基板１としては、例えばＳｉやＳｉ上熱酸化基板を用いる。ＭＯＳ層を有するものであっても特性上問題なく作製可能である。また、超高真空スパッタ装置やイオンビームスパッタ装置、ＥＢ蒸着装置などを用いて、Ｔａ，ＦｅＮｉ層との複合層によるシード層２を設け、特性を向上させるとともに、ＦｅＭｎ、ＰｔＭｎ、ＩｒＭｎ、ＮｉＭｎ、ＰｄＰｔＭｎ、ＣｒＰｔＭｎ、ＣｏＭｎなどやそれらの合金などからなる磁化固定層３を構成する。このとき、その厚みは各設計値によって、３ｎｍ〜４００ｎｍ程度か、それ以上に設定されるが、１０ｎｍ〜１００ｎｍが好適である。また、磁化固定層３の上部にピンド層８（シンセティックフェリ層）を設ける構成（スピンバルブ構成）としても良い。また、磁化固定層３として保磁力の大きいものや硬質磁性材料（ＡｌＮｉＣｏ、ＰｔＣｏ等）でもよい。
【００１７】
トンネル障壁層４は、例えばＡｌ−ＯやＭｇＯで構成され、その厚みは０．５ｎｍ〜６ｎｍの間で設計されるが、１ｎｍ〜４ｎｍが好適である。特に、ＭｇＯで構成すると、比較的厚い膜厚であっても優れた磁気抵抗変化率特性が得られるので、抵抗値を大きくとりたい場合には厚みを厚くすることで実現可能となるメリットを有する。なお、図示はしないが、ＭｇＯ層をトンネル障壁層４とする場合には、例えばＣｏＦｅＳｉＢなどのアモルファス膜をアズデポ（析出まま）で作製後、アニール時に結晶化することも好ましい。これにより、ＭｇＯの再配列を促し、結晶性を高めることで磁気抵抗変化率を著しく向上されることが可能となり、さらに検知性能の向上を図ることができる。
【００１８】
フリー層５は、例えば、パーマロイ（ＮｉＦｅ）、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ，ＣｏＮｉＦｅ，ＣｏＺｒＮｂ，ＣｏＦｅＢ，ＣｏＦｅＳｉＢ，ＦｅＡｌＳｉ等の軟磁気特性を有するものや半硬質磁気特性を有するもので構成することにより、センサ特性を発揮するものである。また、保護目的と次工程との整合性のためのキャップ層７としては、Ｔａ，Ａｕなどを成膜する。
【００１９】
検知用素子部１１は、所望の形状にフォトリソグラフィ、ＥＢ露光等を用いた微細加工により形状を作製し、上下に電極を配して完成させる。
【００２０】
なお、検知用素子部１１は、素子面積によらず、検知素子として可能であるが、所望の抵抗値は素子面積でも設定可能であるので、ＬＳＩ設計の上で小さな面積でかつ抵抗値を大きく取りたい場合には抵抗値の選択としてより小さな素子面積を選べばよい。抵抗値を低くしたい場合には素子面積を大きくとるか、ＴＭＲ特性を犠牲にしない範囲でトンネル障壁層４の厚みを小さく取ることで設定することが可能となる。
【００２１】
また、本実施形態における検知用素子部１１は、図１に示すＴＭＲ層構成に限られるものではなく、例えば、図２に示すようなＧＭＲ層構成であっても良い。図２に示す検知用素子部１１は、トンネル障壁層４に替えて非磁性金属層７を有し、その他の層構成は同様である。ここで、非磁性金属層７には、例えば、Ｃｕ，Ａｇなどが適している。
【００２２】
ところで、従来の磁気センシングを用いた電流センサでは、直接磁界等を測定する場合などにおいて、磁気センサの感度が小さいため、ホール素子も含んで比較的大きな素子をする必要があった。これに対し、図１、図２に示したＴＭＲ素子やＧＭＲ素子などの磁気抵抗素子の特性向上は著しく、室温で数１００%に達するものとなっており、格段に特性向上が見込めるデバイスとなっている。以下に述べる本実施形態に係る電流センサでは、これらを用いている。また、最近のＬＳＩの配線幅の低減等で、検知に伴う回路技術もＬＳＩの微小な素子部として実現できるところとなっており、従来のＡＭＲ素子（異方性磁気抵抗素子）などと異なり新たな検知方法への適用が考えられる。
【００２３】
例えば、ＴＭＲ素子では、磁界の検知に関して、フリー層５の磁界に対する変化を基準とする磁化固定層３との磁化の相対角によってトンネル電流の流れ方が異なることで磁気抵抗変化としている。したがって、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子においても磁界の変化に追随して変化するフリー層５か、ＴＭＲ素子においては通常は検知層一層でフリー層５そのものであるため、微弱な磁界の検知においてはフリー層５の特徴をうまく利用することで、磁気抵抗素子特性の向上を図ることができる。また、磁性体を介して電流注入による磁化反転（スピン注入磁化反転）の効果により、電流を検知対象とする場合には検知感度を向上させることが可能となり、微小な電流でも検知となり、同一電流の検知の際にも検知信号の出力電圧比を向上させることが可能となる。また、ＴＭＲ素子では、素子抵抗値自体を大きく設定することが容易であり、以下に説明する電力検知センサに好適である。また、ＧＭＲ素子も、同様に高精度計測が可能であって、ＭＲ素子やホール素子を用いた場合に比べて、すぐれた特性を発揮する。以下、必要に応じてＴＭＲ層構成の磁気抵抗素子１１を例に取り説明する。
【００２４】
[電流センサ]
本実施形態に係る電流センサは、磁気抵抗素子（磁気抵抗素子１１）を備えた電流センサ（電流センサ１０）であって、該磁気抵抗素子の、磁気抵抗素子自体に流すセンス電流に応じた出力変化（センス電流部１２による出力変化）と、磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線（電気配線ｗｄ２等の磁界発生用配線部の影響による出力変化）への電流に応じた出力変化と、の２つの出力変化に基づいて測定対象（負荷Ａ）への電流を測定するものである。なお、電気配線に流される電流は直流（ＤＣ）に限らず、交流（ＡＣ）であっても測定可能である。
【００２５】
本実施形態に係る電流センサ１０は、上述のように、スイッチング特性（２値出力特性）や線形性の高い磁気抵抗素子などの磁性を有する素子の磁界に対する抵抗変化率特性が著しく特性向上している素子（ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子）を用いて、さらに、その素子のもう一つの特性である電流注入によって磁化反転が行われる特性（スピン注入特性）の優れた磁界検知特性を利用して検知精度を向上させるものである。したがって、磁気抵抗素子１１としては、スピン注入特性を有しないＡＭＲ（異方性磁気抵抗素子）素子ではなくＧＭＲ（巨大磁気抵抗素子）素子やＴＭＲ（トンネル磁気抵抗素子）素子を用いて構成されることとなる。
【００２６】
図３は、電流センサの第１の実施形態における構成を示す概略図である。図３に示すように電流センサ１０は、測定対象Ａに接続される電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２と、分流された電気配線ｗｄ１，ｗｄ２、電気配線ｗｄ２，ｗｂ１，ｗｃ１（磁界発生用配線部）の近傍に配置され電気配線ｗｄ２，ｗｂ１，ｗｃ１に流れる電流により発生する磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃと、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれにセンス電流を流すセンス電流部１２（磁気抵抗素子１１ｂ，１１ｃに接続されるセンス電流部１２を図示省略している）と、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃそれぞれと接続しその検知結果を出力する検知手段１３（磁気抵抗素子１１ｂ，１１ｃと検知手段１３との接続部を図示省略している）と、電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２，ｗｄ１，ｗｄ２の接続を切替える切替スイッチ部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄと、検知手段１３の出力を受けて切替スイッチ部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄを制御し、また、検知手段１３からの出力信号に基づいて各種の信号処理を行う検知制御部１５と、を備える。
【００２７】
ここで、測定対象Ａは、電源から電力が供給されて種々の動作や処理を行う電子・電機機器のユニット（あるいは部品）であり、その内部の異常や劣化などにより負荷が増大して流れる電流が増加する場合があるものである。
【００２８】
ここで、電気配線に電流を流すと、その電気配線の周りには磁界が発生するが、このと
き、電気配線の近傍に磁気抵抗素子１１を配置すると、マイナーループを描く磁気ヒステリシスをもつことから、その磁界の影響を受けてフリー層５が磁化し、結果として所定の抵抗値を示す。
【００２９】
また、電流の増加に伴い磁界の強度が増加すると、フリー層５において、マイナーループに沿って磁化が増大するがあるところから磁化が飽和する特徴をもつ。これは、フリー層５とするパーマロイ（ＮｉＦｅ）、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＡｌＳｉ等の各材料ともそれぞれ特徴ある磁気ヒステリシスループをとりながら、磁化がスイッチ的な角型形状を持って変化する場合や直線的な変化を示して、磁化飽和に達する曲線を示すものである。すなわち、ＧＭＲ素子、ＴＭＲ素子においてはフリー層５の磁化状態に応じて磁気抵抗変化も得られることとなる。
【００３０】
上述のように、ＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子は、フリー層５の磁界に対する変化を基準とする磁化固定層３との磁化の相対角によって、センス電流の流れ方が異なることで磁気抵抗変化としている。検知層一層でフリー層５そのものであるので、微弱な磁界の検知においてはフリー層５の特徴を用いることで、各素子特性を向上することが可能となる。また、磁性体を介して電流注入による磁化反転の効果により、電流を検知対象とする場合には検知感度を向上させることが可能となるため、微小な電流でも検知となり、同一電流の検知の際にも検知信号の出力電圧比を向上させることが可能となる。
【００３１】
具体的には、図３に示すような電気配線等を備えた電流センサ１０を構成することにより、電流注入による磁化反転と磁界による磁化反転の双方で電流値自体を検知することが可能となる。すなわち、電流注入による場合には素子寸法が小さな方がより小さな電流値で磁化反転し、磁界反転による場合には素子寸法が小さな方がより大きな磁界で磁化の反転が起こるので、電流値が大きな場合に検知可能となるものである。
【００３２】
また、図３に示す電流センサ１０では、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃは、電気配線ｗｄ２，ｗｂ１，ｗｃ１に沿って配置されており、また、各磁気抵抗素子と各電気配線との距離を異なる距離としている。これにより、検知手段１３は、電流配線ｗｄ２，ｗｂ１，ｗｃ１に流れる電流について複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃごとに異なる規定値への到達を検知することが可能となる。なお、各磁気抵抗素子１１と各電気配線との距離を調整することができる。
【００３３】
また、図３に示す電流センサ１０では、電気配線は、複数の磁気抵抗素子１１ａ，１１ｂ，１１ｃごとに、磁気抵抗素子１１の近傍に配置される検知用電気配線と、検知対象とならないように磁気抵抗素子から離れて配置されるパス用電気配線と、検知用電気配線、パス用電気配線のいずれかに切替えて接続可能な切替スイッチ部（１４ａ〜１４ｄ）と、を備えている。このように、スイッチ部を設けることで、より精度よく検知可能となる。
【００３４】
また、図３に示す電流センサ１０では、測定対象Ａに接続される電気配線ｗａ，ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２と分流させた分流部（電気配線ｗｄ１，ｗｄ２、切替スイッチ部１４ｄ）を備えている。このように、分流部を設けて分流させることにより、より適したセンサの配置が可能となるため検知精度を向上させることができる。
【００３５】
このような構成の電流センサ１０では、例えば、図４のフローチャートに示すように、測定する電流を流す測定モードと、短期間のセンス電流を流す測定モードに分かれ、それぞれの測定値（推定値）に基づいて電流検知を行うものである。
【００３６】
例えば、被測定電流を印加し測定を行って検知手段１３で検出の後（Ｓ１０１）、検知制御部１５の制御により切替スイッチ部１４により電流値（センス電流を流す測定モード）を変更する（Ｓ１０２）。検知手段１３は、センス電流値を検出する（Ｓ１０３）。
【００３７】
変化のないものについてはそのまま（Ｓ１０４）、変化のあった磁気抵抗素子１１については、例えば、予め電流データとして得ているマップ（電流換算マップ）との照合により（Ｓ１０５）、電流値の推定を行うものである（Ｓ１０６）。なお、電流値の推定方法は、電流換算マップとの照合に限られるものではない。
【００３８】
次いで、図５のフローチャートに示すように、各推定値（測定値）を比較して（Ｓ２０１）、目標値以下の差であった場合（Ｓ２０２：Ｙ）は、その結果を以て測定結果とし（Ｓ２０３）、目標値以下の差でない場合（Ｓ２０２：ｎ）は、必要に応じて測定する磁気抵抗素子１１を変更して測定させるものである（Ｓ２０４）。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態に係る電流センサ１０は、少なくともフリー層５と磁化固定層３を持つ磁気抵抗素子１１を用いた電流検知用センサであって、流す電流によって磁界を発生させる配線部と、電流注入による磁化反転を行うことも兼ねるセンス電流部を、それぞれ少なくとも１つもち、そのうち１つ以上の配線部に流した電流値と他の電流値によるフリー層５の磁化変化を磁気抵抗素子１１の抵抗変化として検知し、その差を比較できる電流換算マップとして備えたものである。
【００４０】
この電流センサ１０によれば、素子面積の縮小に従って、電流注入量対磁化反転量が増大するものであるから、ダウンサイズに伴い、電流検知に伴う電圧変化も増大することとなり、素子サイズが小さなものほど、高感度センサとなるという携帯機器や寸法が限られたものでの使い勝手のよいセンサが実現可能となる。なお、電流注入による磁化反転は微小な電流値によって一義的に得ることができる（配線部に電流を流すことによって、磁界を発生させて、磁気抵抗素子の抵抗値が変化する現象とは異なる）。
【００４１】
このように、本実施形態に係る電流センサ１０では、電流（磁界）を２種の物理現象（スピン注入磁化反転と磁界による磁化反転）で検知することにより、精度よく検知可能となる。
【００４２】
（第２の実施形態）
以下、電流センサのその他の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と同様の点についての説明は省略する。
【００４３】
図６は、電流センサの第２の実施形態における構成を示す概略図である。図６に示すように、各配線部（配線部ｗｅ１，ｗｅ２）に電流をそれぞれ流すための分流部と検知電流を反転させる電流反転部を備えた電流センサ２０とすることも好ましい。これにより、センス電流の向きの反転によって、それぞれの特性値のばらつきを抑えることが可能となり、更に検知分解特性を向上させることができる。なお、電流反転は、切替スイッチ部１４ｅ，１４ｆにより配線部ｗｅ１に流す場合、配線部ｗｅ２に流す場合の２通りを使い分けることで実現可能となる。また、ＬＳＩ部からの電流パスを反転させることも可能となる。
【００４４】
（第３の実施形態）
図７は、電流センサの第３の実施形態における構成を示す概略図である。本実施形態の電流センサ３０は、センス電流として素子を流れた後に、再度、磁界発生部にも電流を直列に流れるように構成したものである。なお、電流センサ３０のそれ以外の構成は第１の実施形態と同じであり、図７において第１の実施形態と同じものは同じ符号を付している。なお、センス電流部１２、検知手段１３、検知制御部１５は省略しているが、第１の実施形態と同じである。
【００４５】
また、その際にいくつかの場合に分けて検討することでより高感度な電流センサとすることが可能となる。すなわち、複数の素子を配置し、同一電流によって磁界による磁化変化の検知も可能とする配置として、閾値の設定を数種設定可能とすることができる。
【００４６】
具体的には、例えば、（１）電流注入時には磁化変化（磁化反転）し、磁界変化時にも磁化変化（磁化反転）する、（２）電流注入時には磁化変化（磁化反転）するが、磁界変化時にも磁化変化（磁化反転）しない、（３）電流注入時には磁化変化（磁化反転）せず、磁界変化時には磁化変化（磁化反転）する、（４）電流注入時にも磁化変化（磁化反転）せず、磁界変化時にも磁化変化（磁化反転）しない、のように、それぞれ電流値として弁別する設定とする。また、電流の極性で弁別を区別することも可能である。さらに、電流がそれぞれ流れる場合に不可避な発生する熱の影響も含めると差異があるので、継続時間として差を検知する構成とすることも可能である。このように構成することで、電流センサをより高感度かつ低コスト、小型化等を図ることができる。
【００４７】
電流センサ３０は、第１の実施形態と比べて、電気配線の構成が異なる。すなわち、磁気抵抗素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃそれぞれに対応して、磁気抵抗素子１１から所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１の周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒａ、ｗｒｂ、ｗｒｃが設けられている。詳しくは、磁気抵抗素子１１ａから所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１ａの周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒａが設けられ、磁気抵抗素子１１ｂから所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１ｂの周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒｂが設けられ、磁気抵抗素子１１ｃから所定の距離だけ離間した状態で該磁気抵抗素子１１ｃの周りを周回するように一平面上をループ状の配線される電気配線ｗｒｃが設けられている。これにより、磁気抵抗素子１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、それぞれ電気配線ｗｒａ、ｗｒｂ、ｗｒｃで形成される平面ループ内に配置されるようになる。
【００４８】
また、電流センサ３０における電気配線の電流検知の手順は、第１の実施形態（電流センサ１０）と同じである。特に、電気配線ｗｒａ、ｗｒｂ、ｗｒｃを平面ループ状に配線したので、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に垂直となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する強度の精度が上がり（発生磁界強度と分布の誤差を低減でき）、より正確な測定を可能とすることが可能となる。
【００４９】
（第４の実施形態）
本実施形態の電流センサの基本構成は、第１の実施形態と同じであるが、図８は磁気抵抗素子１１を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込み作製した断面模式図であって、磁気抵抗素子１１は、基板１上に所定の薄膜（シード層２、磁化固定層３、ピンド層８、トンネル障壁層４、フリー層５、キャップ層６）が積層されてなり、電気配線ｗｒが薄膜の積層方向（図中上下方向）に沿ってループ状に配置されるものである。
【００５０】
この構成によれば、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に平行となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する強度の精度が上がり、より正確な測定を可能となる。また、磁気抵抗素子１１及び電気配線ｗｒの作製を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込むことが可能であり、ＬＳＩ等の多層配線中では磁気抵抗素子１１平面に対して垂直に配置した構成がとれることから、より近接した立体ループ構造が、比較的低面積で実現可能であり、電流センサの小型化と高感度化が実現可能である。
【００５１】
（第５の実施形態）
本実施形態の電流センサの基本構成は、第１の実施形態と同じであるが、図９は磁気抵抗素子１１を半導体ＬＳＩ工程の中に取り込み作製した事例の上面模式図であって、電気配線ｗｒ１、ｗｒ２は、磁気抵抗素子１１を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造を有しているものである。
【００５２】
この構成によれば、第４の実施形態と同様に、電流による発生磁界のベクトル方向は基板面（＝膜面）に平行となり、磁気抵抗素子１１の反磁界の影響の考慮した設計や発生する磁界強度の精度の均一性が上がり、特に、磁気抵抗素子１１を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造の電気配線ｗｒ１、ｗｒ２とすることから、位置決めを柔軟にすることができ、かつ、より正確な電流検知が可能となる。
【００５３】
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、磁界センサ、電流モニター（上下限値チェック等）、これらを搭載したシステム、ＬＳＩなどへの適用が可能である。また、地磁気センサ等への適用も可能であり、ＭＲＡＭ等の各素子への適用も可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 基板
２ シード層
３ 磁化固定層（ＡＦＭ層）
４ トンネル障壁層
５ フリー層
６ キャップ層
７ 非磁性金属層
８ ピンド層
１０，２０，３０ 電流センサ
１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ 磁気抵抗素子
１２ センス電流部
１３ 検知手段
１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ 切替スイッチ部
１５ 検知制御部
Ａ 測定対象（負荷）
ｗａ，ｗｂ１，ｗｂ２，ｗｃ１，ｗｃ２，ｗｄ１，ｗｄ２，ｗｅ１，ｗｅ２，ｗｒ，ｗｒ１，ｗｒ２，ｗｒａ，ｗｒｂ，ｗｒｃ，ｗｓ 電気配線
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５５】
【特許文献１】特開２０１０−１４５２４１号公報
【特許文献２】特開２００２− ８２１３６号公報
【特許文献３】特開２００９−２２２６５０号公報
【特許文献４】特開２００６−２６９８８５号公報
【特許文献５】特開２００７− ５６６４号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気抵抗素子を備えた電流センサであって、
該磁気抵抗素子の、
前記磁気抵抗素子自体に流すセンス電流に応じた出力変化と、
前記磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線への電流に応じた出力変化と、の２つの出力変化に基づいて測定対象への電流を測定することを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗素子またはトンネル磁気抵抗素子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】
前記電気配線は、
前記磁気抵抗素子の近傍に配置される検知用電気配線と、
前記磁気抵抗素子から離れて配置されるパス用電気配線と、
前記検知用電気配線と、前記パス用電気配線とを切替える切替スイッチと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記電気配線は、電流を分流させる分流部を備えたことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の電流センサ。
【請求項５】
前記測定対象の電流を反転させる電流反転部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
２以上の磁気抵抗素子を備え、
前記磁気抵抗素子に流すセンス電流に応じた出力変化を検知する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線への電流に応じた出力変化を検知する磁気抵抗素子と、を直列接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記磁気抵抗素子は、前記電気配線で形成される平面ループ内に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項８】
前記磁気抵抗素子は、基板上に所定の薄膜が積層されてなり、前記電気配線が前記薄膜の積層方向に沿ってループ状に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項９】
前記電気配線は、前記磁気抵抗素子を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項１】
磁気抵抗素子を備えた電流センサであって、
該磁気抵抗素子の、
前記磁気抵抗素子自体に流すセンス電流に応じた出力変化と、
前記磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線への電流に応じた出力変化と、の２つの出力変化に基づいて測定対象への電流を測定することを特徴とする電流センサ。
【請求項２】
前記磁気抵抗素子は、巨大磁気抵抗素子またはトンネル磁気抵抗素子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】
前記電気配線は、
前記磁気抵抗素子の近傍に配置される検知用電気配線と、
前記磁気抵抗素子から離れて配置されるパス用電気配線と、
前記検知用電気配線と、前記パス用電気配線とを切替える切替スイッチと、を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項４】
前記電気配線は、電流を分流させる分流部を備えたことを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の電流センサ。
【請求項５】
前記測定対象の電流を反転させる電流反転部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の電流センサ。
【請求項６】
２以上の磁気抵抗素子を備え、
前記磁気抵抗素子に流すセンス電流に応じた出力変化を検知する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子の近傍に配置される電気配線への電流に応じた出力変化を検知する磁気抵抗素子と、を直列接続したことを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項７】
前記磁気抵抗素子は、前記電気配線で形成される平面ループ内に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項８】
前記磁気抵抗素子は、基板上に所定の薄膜が積層されてなり、前記電気配線が前記薄膜の積層方向に沿ってループ状に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【請求項９】
前記電気配線は、前記磁気抵抗素子を挟むように配置した２つのループからなるヘルムホルツコイル構造を有していることを特徴とする請求項１または２に記載の電流センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１０４７７４（Ｐ２０１３−１０４７７４Ａ）
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４８５３２（Ｐ２０１１−２４８５３２）
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月３０日（２０１３．５．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月１４日（２０１１．１１．１４）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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