電流検知装置、電流検知素子および電流検知方法
【課題】より広い電流レンジの測定を可能とする。
【解決手段】電流を検知するための素子として、磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子を用いる。磁気抵抗素子の近傍に配置した配線に測定対象の電流が流れた際に発生する磁界に応じた当該磁気抵抗素子の抵抗に基づき、当該測定対象電流の電流値を測定する。また、磁気抵抗素子を、ＩＶ特性の直線領域において純抵抗として用いて、当該磁気抵抗素子に測定対象電流を直接流して電流値の測定を行う。これらの、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用した電流測定と、磁気抵抗素子を純抵抗として用いた電流測定とを、測定対象電流の電流値に応じて切り替える。
【解決手段】電流を検知するための素子として、磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子を用いる。磁気抵抗素子の近傍に配置した配線に測定対象の電流が流れた際に発生する磁界に応じた当該磁気抵抗素子の抵抗に基づき、当該測定対象電流の電流値を測定する。また、磁気抵抗素子を、ＩＶ特性の直線領域において純抵抗として用いて、当該磁気抵抗素子に測定対象電流を直接流して電流値の測定を行う。これらの、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用した電流測定と、磁気抵抗素子を純抵抗として用いた電流測定とを、測定対象電流の電流値に応じて切り替える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子を用いて電流を検知する電流検知装置、電流検知素子および電流検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気配線に流れる電流を測定する電流センサとしては、計器用変流器などで代表される、カレントトランスやクランプメータなどの可搬式のセンサが知られている。これらのセンサは、原理的および精度の確保のために、鉄心が主に使用されている。そのため、大電流では磁気飽和が生じてしまい、電流測定範囲を大きく取れなかった。また、大電流では、鉄心が発熱してしまうおそれもあった。
【０００３】
そこで、これら鉄心を用いた電流センサに代わるものとして、磁気抵抗素子を用いた電流センサが提案されている。磁気抵抗素子は、磁界の強さに応じて抵抗値が変化する素子である。例えば、磁気抵抗素子の近傍に、測定対象電流が流れる配線を配置する。そして、この配線を流れる測定対象電流により発生する磁界に応じた磁気抵抗素子の抵抗を測定し、測定結果に基づき測定対象電流の電流値を求めることができる。
【０００４】
磁気抵抗素子を用いたセンサとしては、例えば、特許文献１には、トンネル磁気抵抗効果素子を利用した磁気センサが開示されている。特許文献１によれば、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でより少ない消費電力でバイアス磁界を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で、磁界検出精度を向上させることを可能としている。
【０００５】
特許文献２には、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を用いるセンサ部と、測定対象電流を流すプリント基板とを積層して構成した電流センサが開示されている。また、特許文献３には、磁気抵抗効果素子に流してその変化を磁界変化として検知するための検知用電流を当該素子に対して流す向きを交互に切り替え、各々の向きの検知用電流を流したときに検出される電圧の平均値を取ることで、検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を抑え、より高感度化した磁界検知を可能とした構成が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような磁気抵抗素子では、所定の磁界強度で抵抗値が飽和するため、検出可能な電流レンジが狭いという問題点があった。特に、電流により発生する磁界に応じた抵抗値を測定することで当該電流の検知を行うため、微弱な電流の検出を行うことが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より広い電流レンジを測定可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、第１の発明は、外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、フリー層と固定層とで磁化の方向が反平行の場合にフリー層と固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを備える磁気抵抗素子を用いた電流検知装置であって、測定対象電流により磁界を発生する配線が予め定められた距離に配置される第１の磁気抵抗素子と、第２の磁気抵抗素子と、第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するか否かを切り替える切り替え手段と、センス電流の第１の磁気抵抗素子による電圧降下と、測定対象電流の第２の磁気抵抗素子による電圧降下とを測定する測定手段と、測定手段での、第１の磁気抵抗素子による電圧降下の測定結果に応じて切り替え手段を制御する制御手段とを有し、制御手段は、切り替え手段により第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流が供給されないように切り替えられている状態において測定手段により測定された第１の磁気抵抗素子による電圧降下の大きさが閾値未満である場合に、第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するように切り替え手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、基板と、外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、フリー層と固定層とで磁化の方向が反平行の場合にフリー層と固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを含む複数の薄膜が基板に対して積層されてなる磁気抵抗部と、測定対象電流が入力される入力部と、磁気抵抗部に対して周回して基板上に設けられる配線部と、入力部から入力された測定対象電流を磁気抵抗部に対して供給するか否かを切り替える切り替え部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、フリー層と固定層とで磁化の方向が反平行の場合にフリー層と固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを備える磁気抵抗素子を用いた電流検知装置の電流検知方法であって、測定手段が、測定対象電流により磁界を発生する配線が予め定められた距離に配置される第１の磁気抵抗素子によるセンス電流の電圧降下を測定する第１の測定ステップと、測定手段が、測定対象電流の第２の磁気抵抗素子による電圧降下を測定する第２の測定ステップと、切り替え手段が、第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するか否かを切り替える切り替えステップと、制御手段が、切り替えステップにより第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流が供給されないように切り替えられている状態において第１の測定ステップにより測定された電圧降下の大きさが閾値未満である場合に、第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するように切り替えステップを制御する制御ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、より広い電流レンジの測定が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、各実施形態に適用可能な磁気抵抗素子としてのＴＭＲ素子の一例の構造を示す略線図である。
【図２】図２は、磁気抵抗素子の磁気抵抗特性の例を示す略線図である。
【図３】図３は、磁気抵抗素子のＩＶ特性の例を示す略線図である。
【図４】図４は、第１の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。
【図５】図５は、電流検知装置の一例の測定手順を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第２の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。
【図７】図７は、第３の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。
【図８】図８は、第４の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。
【図９】図９は、第５の実施形態による電流検知装置の一例の構成の断面図を示す。
【図１０】図１０は、第６の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、電流検知装置、電流検知素子および電流検知方法の実施形態を詳細に説明する。各実施形態では、電流を検知するための素子として、磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子を用いる。すなわち、磁気抵抗素子の近傍に配置した配線に測定対象の電流が流れた際に発生する磁界に応じた当該磁気抵抗素子の抵抗に基づき、当該測定対象電流の電流値を測定する。また、各実施形態では、磁気抵抗素子を、ＩＶ特性の直線領域において純抵抗として用いて、当該磁気抵抗素子に測定対象電流を直接流して電流値の測定を行う。これらの、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用した電流測定と、磁気抵抗素子を純抵抗として用いた電流測定とを、測定対象電流の電流値に応じて切り替えることで、より広いレンジでの電流測定を可能とする。
【００１４】
磁気抵抗効果を得られる磁気抵抗素子としては、ＧＭＲ(Giant Magneto-Resistance effect)素子や、ＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)素子、ＴＭＲ(Tunnel Magneto-Resistance effect)素子などが知られている。各実施形態では、磁気抵抗素子として、ＴＭＲ素子を適用する。
【００１５】
図１は、各実施形態に適用可能な磁気抵抗素子１０としてのＴＭＲ素子の一例の構造を示す。図１の例では、磁気抵抗素子１０は、基板２０、シード層２１、磁化固定層２２、トンネル障壁層２３、フリー層２４、キャップ層２５からなるＴＭＲ層構成を有している。
【００１６】
基板２０としては、例えばＳｉやＳｉ上熱酸化基板を用いる。基板２０に対して、超高真空スパッタ装置やイオンビームスパッタ装置、ＥＢ（電子ビーム）蒸着装置などを用いて、Ｔａなどのシード層２１、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２２を順次形成する。磁化固定層２２の膜厚みは、各設計値によって、３ｎｍ〜４００ｎｍ程度か、それ以上に設定され、好適には、１０ｎｍ〜１００ｎｍとされる。
【００１７】
磁化固定層２２に対して、トンネル障壁層２３が形成される。トンネル障壁層２３は、例えばＡｌ−ＯやＭｇＯで構成され、膜厚は、０．５ｎｍ〜６ｎｍの間で設計され、好適には、１ｎｍ〜４ｎｍとされる。特に、トンネル障壁層２３を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、膜厚を厚くすることで大きな抵抗値が実現可能となる。
【００１８】
なお、図示しないが、トンネル障壁層２３をＭｇＯ層で構成する場合には、例えばＣｏＦｅＳｉＢなどのアモルファス膜をアズデポ(as depo)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。
【００１９】
フリー層２４は、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ）、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂなどの軟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ことができる。また、キャップ層２５としてＴａなどを成膜する。
【００２０】
磁気抵抗素子１０は、所望の形状にフォトリソ、ＥＢ露光など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。
【００２１】
磁気抵抗素子１０において、それぞれ磁性体であるフリー層２４と磁化固定層２２との間では、酸化層をトンネル障壁層２３として電子がトンネル伝導を行い、トンネル電流が流れる。その際に、フリー層２４と磁化固定層２２とにおいて、磁化が平行の場合と反並行の場合とでは、磁性体内のバンド構造が丁度対称的に異なり、トンネル確率が異なる現象が発生する。この現象を利用して、磁気抵抗素子１０の近傍に配置された配線に流れる電流を検知することができる。
【００２２】
図２は、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性の例を示す。電気配線に流す電流を増加させると、当該配線周囲の磁界強度が増加する。当該配線近傍に配置された磁気抵抗素子１０は、図２に磁気抵抗曲線の一部が例示されるように、当該配線周囲の磁界強度の増加に応じて抵抗値が一定比率で増加する直線部分と、抵抗値が飽和する飽和部分とからなる磁気抵抗特性を有する。
【００２３】
ここで、磁気抵抗特性の前記直線部分から飽和部分へ移行する臨界部分を、抵抗値の飽和点と称する。この飽和点は、磁気抵抗特性の直線部分から飽和部分へと移行する部分の勾配が急激に変化する部分（屈曲点）でもあることから、検知が容易である。また、飽和点は、磁性体の物性や反強磁性体と磁性体との界面で発生する交換相互作用によって一義的に決まる量であるので、非常に精度のよい臨界点となる。さらに、通常の磁気抵抗素子１０の作製プロセスでも、その飽和点が再現性よく得られる。
【００２４】
図３は、磁気抵抗素子１０に対して電圧Ｖを印加した場合の、電圧Ｖ＝０付近の電流−電圧特性（ＩＶ特性）の例を示す。一般的なＴＭＲ素子において、素子の断面積が小さい場合、ＩＶ特性は、直線的な変化を示しており、電圧印加によっても通常はトンネル障壁の幅と高さによって決まるモデルによって近似される。すなわち、図３に例示されるように、磁気抵抗素子１０において、印加電圧が電圧Ｖ＝０付近は、ＩＶ特性が直線的な変化を示す直線領域となり、この直線領域において、磁気抵抗素子１０は、抵抗値が固定的な純抵抗として扱うことが可能である。
【００２５】
このとき、この磁気抵抗素子１０のＩＶ特性は、温度特性が０．１％／℃台程度であって、半導体素子に比べて小さいことが知られている。この磁気抵抗素子１０におけるＩＶ特性の直線領域を用いて電圧または電流の測定を行う場合、温度特性や磁界動作が均一になるようにすることが好ましい。さらに、磁気抵抗素子１０を純抵抗として扱う場合には、例えば磁気抵抗素子１０の近傍の、検知対象以外の電流が流れる配線の電流を遮断するなど、電流による磁界が発生しないようにすることで、微少電流の検知が可能となる。
【００２６】
従来、磁気センシングを用いて電流検知を行う場合や、磁界を直接測定する場合など、ＡＭＲ素子や巻き線を用いる磁気センサでは感度が小さく、半導体ホール素子を用いる場合も同様に、比較的大きな素子を用意する必要があった。これに対して、近年におけるＧＭＲ素子やＴＭＲ素子などの磁気抵抗素子の特性向上は著しく、平成２３年３月の時点において室温で数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。また、最近のＬＳＩの微細化などで、電流検知に伴う比較的複雑な回路も、ＬＳＩの微小な素子部として実現できるところとなってる。したがって、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることで、従来のＡＭＲ素子などを用いた場合と異なり、新たな検知方法を実現することが可能となっている。
【００２７】
ＴＭＲ素子およびＧＭＲ素子の何方も、フリー層の磁界に対する変化を基準とする磁化固定層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。これらの素子では、フリー層そのものが磁界を検知する検知層であるため、微弱な磁界の検知においてはフリー層の特徴を適切に利用することで、素子特性の向上が可能となる。また、磁性体を介した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。これにより、微小な電流でも検知可能となり、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。
【００２８】
各実施形態に適用可能なＴＭＲ素子である磁気抵抗素子１０においては、フリー層２４の磁化状態に応じて、磁気抵抗変化が得られる。フリー層２４は、図１を用いて説明したように、パーマロイ、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＡｌＳｉなどの軟磁気特性を有する材料や、半硬質磁気特性を有する材料を用いて形成する。フリー層を形成する各材料は、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。また、フリー層を形成する各材料は、リニアな測定を必要とする場合には、直線的な特性を示す。
【００２９】
また、ＴＭＲ素子において、磁化がスイッチイング特性を示す場合には、必要に応じて、角型形状を持った磁気抵抗曲線を用いることで電流の検知が可能である。さらに微少な電流領域の測定は、ＴＭＲ素子を純抵抗素子と見做される直線領域を用いて検知可能とすることができる。
【００３０】
各実施形態においては、図２に示したＴＭＲ素子の磁気抵抗曲線の直線部分と、図３に示したＩＶ特性の直線領域とを切り替えて用いることで、より広いレンジでの電流検知を可能としている。
【００３１】
すなわち、磁気抵抗曲線の直線部分においては、磁気抵抗素子１０の近傍に配置された配線に流れる測定対象電流による磁界を磁気抵抗素子１０により検知することで、測定対象電流の電流値を求める。この場合、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流が流れないため、比較的大電流を測定対象電流とすることが可能である。一方、微少電流領域では、図３に示したＩＶ特性の直線領域を利用し、磁気抵抗素子１０を純抵抗として用いて測定対象電流の電流値を求める。この場合、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流を流して、磁気抵抗素子１０の両端の電圧降下を測定することで、当該測定対象電流の電流値を求める。
【００３２】
（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。測定対象電流ＩMがスイッチ５０を介して配線６０に対して流される。測定対象電流ＩMを測定するために、複数の磁気抵抗素子１０0、１０1、１０2および１０3が設けられる。
【００３３】
スイッチ５０は、検知制御部４０から供給される切り替え信号４１により、端子５０ａおよび端子５０ｂのうち何れが選択されるかが制御される。スイッチ５０は、例えばトランジスタなどの半導体素子のスイッチング特性を利用して構成することができる。これに限らず、スイッチ５０を機械的な構造で実現してもよい。
【００３４】
検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０0、１０1、１０2および１０3それぞれの検知出力である電圧降下Ｖｄ0〜Ｖｄ3が供給される。検知制御部４０は、供給されたこれら電圧降下Ｖｄ0〜Ｖｄ3に応じて、上述した切り替え信号４１を出力する。
【００３５】
これら複数の磁気抵抗素子１０0、１０1、１０2および１０3のうち、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3は、磁気抵抗曲線の直線部分を利用して、配線６０を電流が流れることにより発生する磁界に基づき測定対象電流ＩMの検知および測定を行う。これら磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3を用いて測定対象電流ＩMを測定する際には、端子５０ａが選択されるようにスイッチ５０を予め切り替えておく。
【００３６】
周知のように、配線６０を流れる電流Ｉによる磁界の強さＨは、電流Ｉの大きさに比例し、配線６０からの距離ｒに反比例する。また、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗曲線は、図２を用いて説明したように、ある磁界強度で飽和点を持つ。そのため、複数の磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3を、それぞれ配線６０からの距離ｒが段階的に異なるように配置することで、より広いレンジで測定対象電流を測定することができる。
【００３７】
図２の例では、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3のうち磁気抵抗素子１０1が配線６０に対して最も近接した距離ｒ1に配置されている。以下、磁気抵抗素子１０3が配線６０に対して最も遠い距離ｒ3に配置され、磁気抵抗素子１０2がこれらの中間の距離ｒ2に配置される。なお、この例の場合、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3として適用可能な素子は、ＴＭＲ素子に限られず、例えばＧＭＲ素子であってもよい。
【００３８】
例えば磁気抵抗素子１０1に対して、定電流源３０1により一定電流値のセンス電流Ｉｃ1を流し、両端の点Ａ1およびＢ1における電圧降下Ｖｄ1を測定する。一例として、この電圧降下Ｖｄ1の値とセンス電流Ｉｃ1の電流値とから磁気抵抗素子１０1の抵抗値を求める。そして、求めた抵抗値に基づき図２の磁気抵抗曲線から磁界強度を求め、距離ｒ1に基づき配線６０に流れる測定対象電流ＩMの大きさを求める。
【００３９】
なお、電圧降下Ｖｄ1を測定するための測定回路は、煩雑さを避けるために図４では省略されている。磁気抵抗素子１０0〜１０3における電圧降下Ｖｄ0〜Ｖｄ3の測定は、一般的な電圧測定回路を用いて行うことができる。一例として、高インピーダンスの電圧増幅回路を入力側に備えたＡ／Ｄ変換回路により、各磁気抵抗素子１０0〜１０3の両端の電圧をデジタル値に変換して出力することが考えられる。各磁気抵抗素子１０0〜１０3に対して、それぞれ電圧測定回路を設けてもよいし、共通の電圧測定回路を切り替えて用いてもよい。
【００４０】
これら電圧降下Ｖｄ1の値に基づく測定対象電流ＩMの値の算出は、例えば検知制御部４０にて行われる。一例として、検知制御部４０は、配線６０と磁気抵抗素子１０1との間の距離ｒ1の値と、センス電流Ｉｃ1の値と、磁気抵抗素子１０1の磁気抵抗曲線とを予めメモリなどに保持しておく。そして、図示されない測定回路から磁気抵抗素子１０1の両端の電圧降下Ｖｄ1が供給されると、この電圧降下Ｖｄ1と、保持されている距離ｒ1、磁気抵抗素子１０1の磁気抵抗曲線およびセンス電流Ｉｃ1とから、測定対象電流ＩMの値を算出する。
【００４１】
磁気抵抗素子１０2および１０3についても同様である。磁気抵抗素子１０2に対して定電流源３０2により一定電流値のセンス電流Ｉｃ2を流し、両端の点Ａ2およびＢ2における電圧降下Ｖｄ2を測定し、これらセンス電流Ｉｃ2と電圧降下Ｖｄ2とから磁界強度を求めて、求めた磁界強度と距離ｒ2とに基づき測定対象電流ＩMの大きさを求める。また、磁気抵抗素子１０3に対して定電流源３０3により一定電流値のセンス電流Ｉｃ3を流し、両端の点Ａ3およびＢ3における電圧降下Ｖｄ3を測定し、これらセンス電流Ｉｃ3と電圧降下Ｖｄ3とから磁界強度を求めて、求めた磁界強度と距離ｒ3とに基づき測定対象電流ＩMの大きさを求める。
【００４２】
なお、ここでは、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3に対して、それぞれ異なる定電流源３０1、３０2および３０3からセンス電流Ｉｃ1、Ｉｃ2およびＩｃ3を流すように説明したが、これはこの例に限定されない。すなわち、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3に対して、共通の定電流源から同一電流値のセンス電流Ｉｃをそれぞれ流すようにしてもよい。
【００４３】
一方、複数の磁気抵抗素子１０0、１０1、１０2および１０3のうち、磁気抵抗素子１０0は、図３を用いて説明したＩＶ特性の直線領域を利用して測定対象電流ＩMの検知および測定を行う。この場合、スイッチ５０において端子５０ｂが選択されるように切り替え、測定対象電流ＩMを磁気抵抗素子１０0に直接流して、当該磁気抵抗素子１０0の両端の点Ａ0およびＢ0間の電圧降下Ｖｄ0を測定する。磁気抵抗素子１０0の直線領域における抵抗値Ｒ0は、当該磁気抵抗素子１０0のＩＶ特性に基づき予め知ることができる。したがって、この抵抗値Ｒ0と測定された電圧降下Ｖｄ0の値とから、測定対象電流ＩMの値を求めることができる。
【００４４】
この電圧降下Ｖｄ0の値に基づく測定対象電流ＩMの値の算出は、上述と同様に、例えば検知制御部４０にて行われる。一例として、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０0におけるＩＶ特性の直線領域での抵抗値Ｒ0を予めメモリなどに保持しておく。そして、図示されない測定回路から磁気抵抗素子１０0の両端の電圧降下Ｖｄ0が供給されると、この電圧降下Ｖｄ0と、保持されている抵抗値Ｒ0とから、測定対象電流ＩMを算出する。
【００４５】
純抵抗として用いる磁気抵抗素子１０0は、過大な電流を流すと破壊されるおそれがある。一方、磁気抵抗素子１０1〜１０3は、上述したように直接電流が流れないので、測定対象電流ＩMの値が大きくても破壊されることがない。そこで、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０1〜１０3による測定結果に基づきスイッチ５０の切り替えを制御し、磁気抵抗素子１０0に過大な電流が流れないようにする。
【００４６】
図５は、この電流検知装置の一例の測定手順を示すフローチャートである。この図５のフローチャートの各処理は、例えば検知制御部４０により制御される。測定に先んじて、検知制御部４０は、スイッチ５０を端子５０ａ側が選択されるように制御し、磁気抵抗素子１０0に予期せぬ大電流が直接流れ込まないようにする。
【００４７】
検知制御部４０は、スイッチ５０が端子５０ａを選択している状態で、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3の電圧降下Ｖｄ1、Ｖｄ2およびＶｄ3をそれぞれ測定する（ステップＳ１０）。そして、検知制御部４０は、測定で得られた電圧降下Ｖｄ1〜Ｖｄ3と、予め保持される、各磁気抵抗素子１０1〜１０3の配線６０に対する距離ｒ1〜ｒ3および磁気抵抗曲線と、各センス電流Ｉｃ1〜Ｉｃ3とに基づき、測定対象電流ＩMを算出する。
【００４８】
次のステップＳ１１で、検知制御部４０は、測定範囲が最も低電流の測定部の測定結果が閾値未満か否かを判定する。図４の例の場合、測定範囲が最も低電流の測定部は、配線６０から最も近い距離ｄ1に配置される磁気抵抗素子１０1である。したがって、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０1の電圧降下Ｖｄ1が閾値未満であるか否かを判定する。ここで、当該閾値は、磁気抵抗素子１０0のＩＶ特性における直線領域内の電圧値である。
【００４９】
若し、電圧降下Ｖｄ1が閾値未満であると判定した場合、検知制御部４０は、処理をステップＳ１２に移行させる。ステップＳ１２で、検知制御部４０は、スイッチ５０を、端子５０ｂすなわち磁気抵抗素子１０0側が選択されるように制御して、磁気抵抗素子１０0の電圧降下Ｖｄ0を測定する。
【００５０】
検知制御部４０は、測定して得られた電圧降下Ｖｄ0と、予め保持される磁気抵抗素子１０0におけるＩＶ特性の直線領域での抵抗値Ｒ0とに基づき測定対象電流ＩMを求める。そして、処理をステップＳ１３に移行させ、求めた測定対象電流ＩMを測定結果として出力する。
【００５１】
一方、ステップＳ１１で磁気抵抗素子１０１の電圧降下Ｖｄ1の値が閾値以上であると判定した場合、処理をステップＳ１３に移行させ、ステップＳ１０で得られた測定対象電流ＩMを測定結果として出力する。
【００５２】
このように、測定対象電流ＩMに応じて、測定対象電流ＩMを配線６０側および磁気抵抗素子１０0側の何れに流すかを選択することで、より広いレンジでの電流測定が可能となる。すなわち、測定対象電流ＩMが大きい領域では、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性を利用して、素子に直接電流を流さない方法により電流測定を行う。測定対象電流ＩMが素子に対して直接流れないので、大電流に対応できる。一方、測定対象電流ＩMが微小な領域では、磁気抵抗素子１０におけるＩＶ特性の直線領域を利用して電流測定を行うことで、微少電流を高精度に測定することが可能となる。
【００５３】
（第２の実施形態）
本第２の実施形態では、図４を用いて説明した第１の実施形態による電流検知装置において、ＩＶ特性の直線領域を利用して電流測定を行う磁気抵抗素子１０0と、磁気抵抗特性を利用して電流測定を行う磁気抵抗素子１０1〜１０3のうち測定範囲が最も低電流である磁気抵抗素子１０1とを、１の磁気抵抗素子１０を共通に用いて構成する。
【００５４】
図６は、第２の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。なお、図６において、上述した図１および図４と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図６の電流検知装置は、磁気抵抗素子１０と、定電流源３０と、検知制御部４０と、スイッチ５１および５２と、配線６０とを含む。磁気抵抗素子１０は、配線６０に対して距離ｒの位置に配置されている。
【００５５】
なお、図６の構成において、磁気抵抗素子１０の両端の点Ａおよび点Ｂ間の電圧降下Ｖｄを測定する測定部は、煩雑さを避けるために省略されている。また、図６の構成に対して、図４の磁気抵抗素子１０2および１０3の如く、配線６０に対してそれぞれ所定の距離をおいて配置されるさらに多数の磁気抵抗素子を配置してもよい。
【００５６】
スイッチ５１は、検知制御部４０から出力される切り替え信号４２によって、測定対象電流ＩMを配線６０に流す（ＯＮ）か否（ＯＦＦ）かを切り替える。スイッチ５２は、当該切り替え信号４２によって、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMとセンス電流Ｉｃとのうち何れを流すかを切り替える。スイッチ５１およびスイッチ５２は、検知制御部４０からの切り替え信号４２により、連動して制御される。
【００５７】
すなわち、スイッチ５１およびスイッチ５２は、配線６０に対して測定対象電流ＩMが流される場合には、磁気抵抗素子１０に対してセンス電流Ｉｃが流されるように、それぞれ切り替えられる。一方、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMが流される場合には、測定対象電流ＩMが配線６０に流されないように切り替えられる。
【００５８】
より具体的には、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０が磁気抵抗特性を利用して測定対象電流ＩMの測定を行う場合には、スイッチ５１がＯＮ、且つ、スイッチ５２において端子５２ｂが選択されるように制御する。また、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０がＩＶ特性の直線領域を利用して測定対象電流ＩMの測定を行う場合には、スイッチ５２がＯＦＦ、且つ、スイッチ５２において端子５２ａが選択されるように制御する。
【００５９】
測定対象電流ＩMの測定手順は、第１の実施形態において図５のフローチャートを用いて説明した手順と略同一である。すなわち、検知制御部４０は、測定に先立って、スイッチ５１をＯＮ、且つ、スイッチ５２において端子５２ｂが選択されるように制御する。これにより、配線６０に対して測定対象電流ＩMが流される。
【００６０】
この状態で、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０によるセンス電流Ｉｃの電圧降下Ｖｄを測定する（ステップＳ１０）。検知制御部４０は、測定された電圧降下Ｖｄに対して閾値判定を行い（ステップＳ１１）、当該電圧降下Ｖｄが閾値以上であれば、当該電圧降下Ｖｄに基づき求めた測定対象電流ＩMを出力する（ステップＳ１３）。一方、検知制御部４０は、当該電圧降下Ｖｄが閾値未満であれば、スイッチ５１をＯＦＦ、且つ、スイッチ５２において端子５２ａが選択されるように制御し、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMを流す。そして、磁気抵抗素子１０による測定対象電流ＩMの電圧降下Ｖｄ’を測定し、測定結果に基づき求めた測定対象電流ＩMを出力する（ステップＳ１３）。
【００６１】
なお、上述では、配線６０に対して測定対象電流ＩMを流すか否かを選択するスイッチ５１を設けたが、これはこの例に限定されない。すなわち、磁気抵抗素子１０におけるＩＶ特性の直線領域内の電流を配線６０に流した際の、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性による抵抗変化が極めて小さければ、スイッチ５１を省略してもよい。
【００６２】
また、上述では、磁気抵抗素子１０と配線６０との距離を距離ｒの１種類としたが、これはこの例に限定されない。例えば、磁気抵抗素子１０に対してそれぞれ距離が異なる複数の配線６０、６０、…を配置し、測定対象電流ＩMの大きさに応じて、スイッチによってこれら複数の配線６０、６０、…を切り替えるようにしてもよい。こうすることで、１の磁気抵抗素子１０により、極めて広いレンジで電流測定を行うことができる。
【００６３】
このように、本第２の実施形態では、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性を利用した電流検知と、ＩＶ特性の直線領域を利用した電流検知とを、１の磁気抵抗素子１０の使用形態を切り替えることで行っている。そのため、１の磁気抵抗素子１０を用いて、より広いレンジでの電流検知を行うことができる。
【００６４】
（第３の実施形態）
上述の第２の実施形態では、磁気抵抗特性を利用した電流検知と、ＩＶ特性の直線領域を利用した電流検知とを、１の磁気抵抗素子１０を共通して用いて行う場合に、磁気抵抗素子１０に対してセンス電流Ｉｃと測定対象電流ＩMとのうち何れの電流が流されるかを、完全に切り替えていた。これに対して、本第３の実施形態においては、磁気抵抗素子１０においてＩＶ特性の直線領域を利用して測定対象電流ＩMの電流検知を行う際に、センス電流Ｉｃに対して測定対象電流ＩMを接続して、そのときの電圧増を含めて、磁気抵抗素子１０による電圧降下Ｖｄを測定する。
【００６５】
図７は、本第３の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。なお、図７において、上述した図６と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７の電流検知装置は、磁気抵抗素子１０と、定電流源３０と、検知制御部４０と、スイッチ５３と、配線６０とを含む。磁気抵抗素子１０は、配線６０に対して距離ｒの位置に配置されている。
【００６６】
スイッチ５３は、検知制御部４０から出力される切り替え信号４３によって、測定対象電流ＩMを配線６０と磁気抵抗素子１０とのうち、何れに流すかを選択する。すなわち、スイッチ５３は、切り替え信号４３により端子５３ａが選択されると、測定対象電流ＩMを配線６０に流し、端子５３ｂが選択されると、測定対象電流ＩMを磁気抵抗素子１０に流す。
【００６７】
磁気抵抗素子１０に対して、さらに、定電流源３０からセンス電流Ｉｃが、スイッチ５３において端子５３ａおよび５３ｂの何れが選択されているかに関わらず流される。したがって、スイッチ５３において端子５３ａが選択されている場合には、磁気抵抗素子１０は、センス電流Ｉｃのみが流され、配線６０からの距離ｒと、センス電流Ｉｃと、当該磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性とに基づき電圧降下Ｖｄが測定される。
【００６８】
一方、スイッチ５３において端子５３ｂが選択されている場合には、磁気抵抗素子１０に対してセンス電流Ｉｃが流されている状態で、さらに、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMが流されることになる。なお、この場合、測定対象電流ＩMは、定電流源３０の出力段のインピーダンス調整や、ダイオードなどを用いて、定電流源３０には流れ込まないようになっているものとする。
【００６９】
すなわち、磁気抵抗素子１０に流される電流は、（測定対象電流ＩM＋センス電流Ｉｃ）となり、磁気抵抗素子１０における電圧降下Ｖｄは、当該磁気抵抗素子１０のＩＶ特性の直線領域における抵抗を抵抗Ｒ0とすると、Ｖｄ＝(ＩM＋Ｉｃ)Ｒ0となる。この式を変形し、測定対象電流ＩMがＩM＝Ｖｄ／Ｒ0−Ｉｃとして算出される。
【００７０】
測定対象電流ＩMの測定手順は、第１の実施形態において図５のフローチャートを用いて説明した手順と略同一である。すなわち、検知制御部４０は、測定に先立って、スイッチ５３を端子５３ａが選択されるように制御し、配線６０に対して測定対象電流ＩMを流す。この状態で、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０によるセンス電流Ｉｃの電圧降下Ｖｄを測定して（ステップＳ１０）、測定された電圧降下Ｖｄに対して閾値判定を行う（ステップＳ１１）。検知制御部４０は、当該電圧降下Ｖｄが閾値以上であれば、当該電圧降下Ｖｄに基づき求めた測定対象電流ＩMを出力し（ステップＳ１３）。当該電圧降下Ｖｄが閾値未満であれば、スイッチ５３を端子５３ｂが選択されるように制御し、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMを流す。そして、（測定対象電流ＩM＋センサ電流Ｉｃ）の磁気抵抗素子１０による電圧降下Ｖｄを測定し、測定結果に基づき上述したようにして求めた測定対象電流ＩMを出力する（ステップＳ１３）。
【００７１】
このように、本第３の実施形態では、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性を利用した電流検知と、ＩＶ特性の直線領域を利用した電流検知とを、１の磁気抵抗素子１０の使用形態を切り替えることで行っている。そのため、１の磁気抵抗素子１０を用いて、より広いレンジでの電流検知を行うことができる。またこのとき、磁気抵抗素子１０の使用形態を切り替えるためのスイッチが１つで済む。
【００７２】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図８は、本第４の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。この図８示す回路図は、図４に示した第１の実施形態による電流検知装置の構成例に対応するものである。図８において、図４と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００７３】
本第４の実施形態は、磁気抵抗特性を利用して測定対象電流ＩMを測定するための磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3それぞれに対して、測定対象電流ＩMが流れる配線６１を周回させて配置する。このとき、配線６１は、例えば磁気抵抗素子１０1に対して平面状に、換言すれば、磁気抵抗素子１０1を構成する各層に対して平行な平面上において、当該磁気抵抗素子１０1に周回させて配線６１を配置する。
【００７４】
図８において、上述の図４と同様に、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3がそれぞれ磁気抵抗特性を利用した電流検知を行うものとする。この場合において、例えば、測定部１１1では、磁気抵抗素子１０1に対して距離ｒ1を離して配線６１が周回して配置される。同様に、測定部１１2では、磁気抵抗素子１０2に対して距離ｒ1より遠い距離ｒ2を離して配線６１が周回して配置され、測定部１１3では、磁気抵抗素子１０3に対して距離ｒ2より遠い距離ｒ3を離して配線６１が周回して配置される。
【００７５】
なお、ＩＶ特性の直線領域を用いて測定対象電流ＩMの検知を行う磁気抵抗素子１０0については、図４の構成と何ら変わるところがないので、ここでの説明を省略する。また、図８の構成による測定対象電流ＩMの検知手順については、第１の実施形態において図５のフローチャートを用いて説明した手順と同様であるため、ここでの詳細な説明を省略する。
【００７６】
このように、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3に対して平面状に周回させて配線６１を配置することで、配線６１を流れる測定対象電流ＩMによる発生磁界のベクトル方向が基板面（膜面）に対して垂直となる。これにより、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3の、反磁界の影響を考慮した設計や、配線６１にて発生する磁界強度の分布誤差を低減できる。そのため、電流の検知精度が向上し、配線６１を流れる測定対象電流ＩMの広いレンジでのより正確な測定が可能となる。
【００７７】
なお、本第４の実施形態による、磁気抵抗特性を利用して電流測定を行う磁気抵抗素子に対して、測定対象電流が流れる配線を周回させる構成は、上述した第２および第３の実施形態にも適用可能なものである。
【００７８】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。上述の第４の実施形態では、測定対象電流ＩMが流れる配線を、磁気抵抗素子１０の基板面（膜面）に平行に周回させて配置した。これに対して、本第５の実施形態では、測定対象電流ＩMが流れる配線を、磁気抵抗素子１０の各薄膜の積層方向に沿って周回させて配置する。
【００７９】
図９は、本第５の実施形態による電流検知装置の一例の構成の断面図を示す。本第５の実施形態による電流検知装置は、ＭＯＳ ＬＳＩ(Metal-Oxide Semiconductor Large-Scale Integration)領域である基板１２０に対して、磁気抵抗素子１０’と、当該磁気抵抗素子１０’に対して薄膜の積層方向に沿って周回されるループ状配線部とを有する。
【００８０】
図９において、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に対して配線用の埋め込み金属部１０６および１１５が形成され、埋め込み金属部１０６および１１５に対して、配線メタル層Ａ１０５および１１４がそれぞれ形成される。配線メタル層Ａ１０４に対して、下部導線部１０４を介して、磁気抵抗素子１０’の基板２０が形成される。この基板２０に対してシード層２１、ＡＦＭ（反強磁性）層２６、ピンド層２７、トンネル障壁層２３、フリー層２４およびキャップ層２５が順次形成されて、磁気抵抗素子１０’が形成される。
【００８１】
磁気抵抗素子１０’のキャップ層２５に対して、上部導線部１０３を介して配線メタル層Ｂ１０２が形成され、さらに、配線用の埋め込み金属部１０１が形成されその上に配線メタル層Ｃ１００が形成される。
【００８２】
一方、配線メタル層Ａ１１４に対して配線部材１１３が形成され、この配線部材１１３に対して配線メタル層Ｂ１１２が形成される。これら配線メタル層Ａ１１４、配線部材１１３および配線メタル層Ｂ１１２により、磁気抵抗素子１０’の薄膜の積層方向に沿って、該磁気抵抗素子１０’に対して所定の距離を離れて周回されるループ状配線部が構成される。配線メタル層Ｂに対して、配線用の埋め込み金属部１１１が形成されその上に配線メタル層Ｃ１１０が形成される。
【００８３】
磁気抵抗素子１０’の薄膜の積層方向に沿ってループ状配線部が周回するような構成とすることで、測定対象電流ＩMによる発生磁界のベクトル方向が基板面（膜面）に対して平行となる。これにより、磁気抵抗素子１０’の、反磁界の影響を考慮した設計や、ループ状配線部にて発生する磁界強度に対する精度が向上し、ループ状配線部を流れる測定対象電流ＩMのより正確な測定が可能となる。
【００８４】
また、本第５の実施形態によれば、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０のような、半導体による集積回路の製造工程において磁気抵抗素子１０’およびループ状配線部を構成することができる。そのため、低コスト化および小型化が図れる。また、半導体集積回路などの多層配線においては、磁気抵抗素子１０’の素子平面に対して垂直に配置した構成を比較的容易に取ることができるので、より近接した立体ループ構造が比較的小面積で実現可能であり、小型化および高感度化が可能である。
【００８５】
さらに、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０は、磁気抵抗素子１０’に接続される他の回路を組み込むことができる。図８の例では、測定対象電流の入力端と、この入力端から入力された測定対象電流をループ状配線部と磁気抵抗素子１０’とのうち何れに供給するかを切り替えるスイッチ回路を、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に組み込むことができる。測定対象電流の入力端は、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０の外部から測定対象電流を入力するものでもよいし、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０における内部的なものでもよい。
【００８６】
さらにまた、図８の例では、磁気抵抗素子１０’に対してセンス電流Ｉｃを流すための回路を、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に組み込むことが考えられる。この場合、配線６１の例えば測定部１１1に含まれる部分が、ループ状配線部に相当する。また、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に対して、検知制御部４０を組み込むことも可能である。
【００８７】
また、図９の構成を、上述の第２の実施形態や第３の実施形態と組み合わせることができる。一例として、図９の構成を図７に示す第３の実施形態に適用する場合、配線メタル層Ｃ１００および配線メタル層Ａ１０５に対して、定電流源３０の出力端をそれぞれ接続すると共に、電圧降下Ｖｄの測定端をそれぞれ接続する。また、配線メタル層Ｃ１１０および配線メタル層Ａ１１４に対して、測定対象電流ＩMを流す経路を接続する。
【００８８】
さらに、図７の構成におけるスイッチ５３を、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に組み込む。この場合、スイッチ５３において、端子５３ａが埋め込み金属部１１５を介してメタル配線部Ａ１１４に接続され、端子５３ｂが埋め込み金属部１０６を介して配線メタル層Ａ１０５に接続されることになる。この構成に対し、検知制御部４０や定電流源３０、磁気抵抗素子１’の電圧降下Ｖｄを測定するための測定部を、さらに、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に組み込むことができる。このような構成とすることで、測定対象電流ＩMをより広いレンジで測定可能な測定素子を、１の電流検知素子として形成可能となる。
【００８９】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。本第６の実施形態では、上述の第５の実施形態と同様にして、磁気抵抗素子１０’と、磁気抵抗素子１０’の薄膜の積層方向に沿って周回するように配置するループ状配線部を、半導体集積回路の製造工程において作成する。その際に、磁気抵抗素子１０’から所定に離れた位置に、当該磁気抵抗素子１０’を挟むように、２のループ状配線部を作成する。すなわち、磁気抵抗素子１０’を挟む２のループ状配線部により、ヘルムホルツコイル構造を形成する。
【００９０】
図１０は、本第６の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す上面図である。ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に対して、図９を用いて説明したようにして磁気抵抗素子１０’を形成する。そして、この磁気抵抗素子１０’に対して所定距離だけ離して、当該磁気抵抗素子１０’を挟むように、２のループ状配線部１３０Ａおよび１３０Ｂを形成する。
【００９１】
この構成によれば、磁気抵抗素子１０’の、反磁界の影響を考慮した設計や、ループ状配線部１３０Ａおよび１３０Ｂにて発生する磁界強度に対する精度の均一性が向上し、ループ状配線部を流れる測定対象電流ＩMのより正確な測定が可能となる。特に、２のループ状配線部１３０Ａおよび１３０Ｂが磁気抵抗素子１０’を挟むように配置されてヘルムホルツコイル構造をなし、位置決めのルールが緩和されると共に、より正確な電流検知が可能となる。
【符号の説明】
【００９２】
１０，１０0，１０1，１０2，１０3，１０’ 磁気抵抗素子
３０，３０1，３０2，３０3 定電流源
４０ 検知制御部
４１，４２，４３ 切り替え信号
５０，５１，５２，５３ スイッチ
６０，６１ 配線
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９３】
【特許文献１】特開２０１０−１４５２４１号公報
【特許文献２】特開２００２−０８２１３６号公報
【特許文献３】特開２００４−１８４１５０号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気抵抗素子を用いて電流を検知する電流検知装置、電流検知素子および電流検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電気配線に流れる電流を測定する電流センサとしては、計器用変流器などで代表される、カレントトランスやクランプメータなどの可搬式のセンサが知られている。これらのセンサは、原理的および精度の確保のために、鉄心が主に使用されている。そのため、大電流では磁気飽和が生じてしまい、電流測定範囲を大きく取れなかった。また、大電流では、鉄心が発熱してしまうおそれもあった。
【０００３】
そこで、これら鉄心を用いた電流センサに代わるものとして、磁気抵抗素子を用いた電流センサが提案されている。磁気抵抗素子は、磁界の強さに応じて抵抗値が変化する素子である。例えば、磁気抵抗素子の近傍に、測定対象電流が流れる配線を配置する。そして、この配線を流れる測定対象電流により発生する磁界に応じた磁気抵抗素子の抵抗を測定し、測定結果に基づき測定対象電流の電流値を求めることができる。
【０００４】
磁気抵抗素子を用いたセンサとしては、例えば、特許文献１には、トンネル磁気抵抗効果素子を利用した磁気センサが開示されている。特許文献１によれば、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でより少ない消費電力でバイアス磁界を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で、磁界検出精度を向上させることを可能としている。
【０００５】
特許文献２には、巨大磁気抵抗効果（Giant Magneto-Resistive effect）を発現する巨大磁気抵抗素子（ＧＭＲ素子）を用いるセンサ部と、測定対象電流を流すプリント基板とを積層して構成した電流センサが開示されている。また、特許文献３には、磁気抵抗効果素子に流してその変化を磁界変化として検知するための検知用電流を当該素子に対して流す向きを交互に切り替え、各々の向きの検知用電流を流したときに検出される電圧の平均値を取ることで、検知用電流が発生する磁界の影響による誤差を抑え、より高感度化した磁界検知を可能とした構成が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような磁気抵抗素子では、所定の磁界強度で抵抗値が飽和するため、検出可能な電流レンジが狭いという問題点があった。特に、電流により発生する磁界に応じた抵抗値を測定することで当該電流の検知を行うため、微弱な電流の検出を行うことが困難であった。
【０００７】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、より広い電流レンジを測定可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、第１の発明は、外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、フリー層と固定層とで磁化の方向が反平行の場合にフリー層と固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを備える磁気抵抗素子を用いた電流検知装置であって、測定対象電流により磁界を発生する配線が予め定められた距離に配置される第１の磁気抵抗素子と、第２の磁気抵抗素子と、第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するか否かを切り替える切り替え手段と、センス電流の第１の磁気抵抗素子による電圧降下と、測定対象電流の第２の磁気抵抗素子による電圧降下とを測定する測定手段と、測定手段での、第１の磁気抵抗素子による電圧降下の測定結果に応じて切り替え手段を制御する制御手段とを有し、制御手段は、切り替え手段により第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流が供給されないように切り替えられている状態において測定手段により測定された第１の磁気抵抗素子による電圧降下の大きさが閾値未満である場合に、第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するように切り替え手段を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、第２の発明は、基板と、外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、フリー層と固定層とで磁化の方向が反平行の場合にフリー層と固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを含む複数の薄膜が基板に対して積層されてなる磁気抵抗部と、測定対象電流が入力される入力部と、磁気抵抗部に対して周回して基板上に設けられる配線部と、入力部から入力された測定対象電流を磁気抵抗部に対して供給するか否かを切り替える切り替え部とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、第３の発明は、外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、フリー層と固定層とで磁化の方向が反平行の場合にフリー層と固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを備える磁気抵抗素子を用いた電流検知装置の電流検知方法であって、測定手段が、測定対象電流により磁界を発生する配線が予め定められた距離に配置される第１の磁気抵抗素子によるセンス電流の電圧降下を測定する第１の測定ステップと、測定手段が、測定対象電流の第２の磁気抵抗素子による電圧降下を測定する第２の測定ステップと、切り替え手段が、第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するか否かを切り替える切り替えステップと、制御手段が、切り替えステップにより第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流が供給されないように切り替えられている状態において第１の測定ステップにより測定された電圧降下の大きさが閾値未満である場合に、第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するように切り替えステップを制御する制御ステップとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、より広い電流レンジの測定が可能となるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、各実施形態に適用可能な磁気抵抗素子としてのＴＭＲ素子の一例の構造を示す略線図である。
【図２】図２は、磁気抵抗素子の磁気抵抗特性の例を示す略線図である。
【図３】図３は、磁気抵抗素子のＩＶ特性の例を示す略線図である。
【図４】図４は、第１の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。
【図５】図５は、電流検知装置の一例の測定手順を示すフローチャートである。
【図６】図６は、第２の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。
【図７】図７は、第３の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。
【図８】図８は、第４の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。
【図９】図９は、第５の実施形態による電流検知装置の一例の構成の断面図を示す。
【図１０】図１０は、第６の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に添付図面を参照して、電流検知装置、電流検知素子および電流検知方法の実施形態を詳細に説明する。各実施形態では、電流を検知するための素子として、磁界の強度に応じて抵抗値が変化する磁気抵抗効果を利用した磁気抵抗素子を用いる。すなわち、磁気抵抗素子の近傍に配置した配線に測定対象の電流が流れた際に発生する磁界に応じた当該磁気抵抗素子の抵抗に基づき、当該測定対象電流の電流値を測定する。また、各実施形態では、磁気抵抗素子を、ＩＶ特性の直線領域において純抵抗として用いて、当該磁気抵抗素子に測定対象電流を直接流して電流値の測定を行う。これらの、磁気抵抗素子の磁気抵抗効果を利用した電流測定と、磁気抵抗素子を純抵抗として用いた電流測定とを、測定対象電流の電流値に応じて切り替えることで、より広いレンジでの電流測定を可能とする。
【００１４】
磁気抵抗効果を得られる磁気抵抗素子としては、ＧＭＲ(Giant Magneto-Resistance effect)素子や、ＡＭＲ(Anisotropic Magneto Resistance)素子、ＴＭＲ(Tunnel Magneto-Resistance effect)素子などが知られている。各実施形態では、磁気抵抗素子として、ＴＭＲ素子を適用する。
【００１５】
図１は、各実施形態に適用可能な磁気抵抗素子１０としてのＴＭＲ素子の一例の構造を示す。図１の例では、磁気抵抗素子１０は、基板２０、シード層２１、磁化固定層２２、トンネル障壁層２３、フリー層２４、キャップ層２５からなるＴＭＲ層構成を有している。
【００１６】
基板２０としては、例えばＳｉやＳｉ上熱酸化基板を用いる。基板２０に対して、超高真空スパッタ装置やイオンビームスパッタ装置、ＥＢ（電子ビーム）蒸着装置などを用いて、Ｔａなどのシード層２１、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２２を順次形成する。磁化固定層２２の膜厚みは、各設計値によって、３ｎｍ〜４００ｎｍ程度か、それ以上に設定され、好適には、１０ｎｍ〜１００ｎｍとされる。
【００１７】
磁化固定層２２に対して、トンネル障壁層２３が形成される。トンネル障壁層２３は、例えばＡｌ−ＯやＭｇＯで構成され、膜厚は、０．５ｎｍ〜６ｎｍの間で設計され、好適には、１ｎｍ〜４ｎｍとされる。特に、トンネル障壁層２３を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、膜厚を厚くすることで大きな抵抗値が実現可能となる。
【００１８】
なお、図示しないが、トンネル障壁層２３をＭｇＯ層で構成する場合には、例えばＣｏＦｅＳｉＢなどのアモルファス膜をアズデポ(as depo)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。
【００１９】
フリー層２４は、例えばパーマロイ（ＮｉＦｅ）、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ、ＣｏＮｉＦｅ、ＣｏＺｒＮｂなどの軟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ことができる。また、キャップ層２５としてＴａなどを成膜する。
【００２０】
磁気抵抗素子１０は、所望の形状にフォトリソ、ＥＢ露光など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。
【００２１】
磁気抵抗素子１０において、それぞれ磁性体であるフリー層２４と磁化固定層２２との間では、酸化層をトンネル障壁層２３として電子がトンネル伝導を行い、トンネル電流が流れる。その際に、フリー層２４と磁化固定層２２とにおいて、磁化が平行の場合と反並行の場合とでは、磁性体内のバンド構造が丁度対称的に異なり、トンネル確率が異なる現象が発生する。この現象を利用して、磁気抵抗素子１０の近傍に配置された配線に流れる電流を検知することができる。
【００２２】
図２は、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性の例を示す。電気配線に流す電流を増加させると、当該配線周囲の磁界強度が増加する。当該配線近傍に配置された磁気抵抗素子１０は、図２に磁気抵抗曲線の一部が例示されるように、当該配線周囲の磁界強度の増加に応じて抵抗値が一定比率で増加する直線部分と、抵抗値が飽和する飽和部分とからなる磁気抵抗特性を有する。
【００２３】
ここで、磁気抵抗特性の前記直線部分から飽和部分へ移行する臨界部分を、抵抗値の飽和点と称する。この飽和点は、磁気抵抗特性の直線部分から飽和部分へと移行する部分の勾配が急激に変化する部分（屈曲点）でもあることから、検知が容易である。また、飽和点は、磁性体の物性や反強磁性体と磁性体との界面で発生する交換相互作用によって一義的に決まる量であるので、非常に精度のよい臨界点となる。さらに、通常の磁気抵抗素子１０の作製プロセスでも、その飽和点が再現性よく得られる。
【００２４】
図３は、磁気抵抗素子１０に対して電圧Ｖを印加した場合の、電圧Ｖ＝０付近の電流−電圧特性（ＩＶ特性）の例を示す。一般的なＴＭＲ素子において、素子の断面積が小さい場合、ＩＶ特性は、直線的な変化を示しており、電圧印加によっても通常はトンネル障壁の幅と高さによって決まるモデルによって近似される。すなわち、図３に例示されるように、磁気抵抗素子１０において、印加電圧が電圧Ｖ＝０付近は、ＩＶ特性が直線的な変化を示す直線領域となり、この直線領域において、磁気抵抗素子１０は、抵抗値が固定的な純抵抗として扱うことが可能である。
【００２５】
このとき、この磁気抵抗素子１０のＩＶ特性は、温度特性が０．１％／℃台程度であって、半導体素子に比べて小さいことが知られている。この磁気抵抗素子１０におけるＩＶ特性の直線領域を用いて電圧または電流の測定を行う場合、温度特性や磁界動作が均一になるようにすることが好ましい。さらに、磁気抵抗素子１０を純抵抗として扱う場合には、例えば磁気抵抗素子１０の近傍の、検知対象以外の電流が流れる配線の電流を遮断するなど、電流による磁界が発生しないようにすることで、微少電流の検知が可能となる。
【００２６】
従来、磁気センシングを用いて電流検知を行う場合や、磁界を直接測定する場合など、ＡＭＲ素子や巻き線を用いる磁気センサでは感度が小さく、半導体ホール素子を用いる場合も同様に、比較的大きな素子を用意する必要があった。これに対して、近年におけるＧＭＲ素子やＴＭＲ素子などの磁気抵抗素子の特性向上は著しく、平成２３年３月の時点において室温で数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。また、最近のＬＳＩの微細化などで、電流検知に伴う比較的複雑な回路も、ＬＳＩの微小な素子部として実現できるところとなってる。したがって、ＧＭＲ素子やＴＭＲ素子を用いることで、従来のＡＭＲ素子などを用いた場合と異なり、新たな検知方法を実現することが可能となっている。
【００２７】
ＴＭＲ素子およびＧＭＲ素子の何方も、フリー層の磁界に対する変化を基準とする磁化固定層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。これらの素子では、フリー層そのものが磁界を検知する検知層であるため、微弱な磁界の検知においてはフリー層の特徴を適切に利用することで、素子特性の向上が可能となる。また、磁性体を介した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。これにより、微小な電流でも検知可能となり、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。
【００２８】
各実施形態に適用可能なＴＭＲ素子である磁気抵抗素子１０においては、フリー層２４の磁化状態に応じて、磁気抵抗変化が得られる。フリー層２４は、図１を用いて説明したように、パーマロイ、スーパーマロイ、ＣｏＦｅ、ＣｏＺｒＮｂ、ＣｏＦｅＢ、ＣｏＦｅＳｉＢ、ＦｅＡｌＳｉなどの軟磁気特性を有する材料や、半硬質磁気特性を有する材料を用いて形成する。フリー層を形成する各材料は、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。また、フリー層を形成する各材料は、リニアな測定を必要とする場合には、直線的な特性を示す。
【００２９】
また、ＴＭＲ素子において、磁化がスイッチイング特性を示す場合には、必要に応じて、角型形状を持った磁気抵抗曲線を用いることで電流の検知が可能である。さらに微少な電流領域の測定は、ＴＭＲ素子を純抵抗素子と見做される直線領域を用いて検知可能とすることができる。
【００３０】
各実施形態においては、図２に示したＴＭＲ素子の磁気抵抗曲線の直線部分と、図３に示したＩＶ特性の直線領域とを切り替えて用いることで、より広いレンジでの電流検知を可能としている。
【００３１】
すなわち、磁気抵抗曲線の直線部分においては、磁気抵抗素子１０の近傍に配置された配線に流れる測定対象電流による磁界を磁気抵抗素子１０により検知することで、測定対象電流の電流値を求める。この場合、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流が流れないため、比較的大電流を測定対象電流とすることが可能である。一方、微少電流領域では、図３に示したＩＶ特性の直線領域を利用し、磁気抵抗素子１０を純抵抗として用いて測定対象電流の電流値を求める。この場合、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流を流して、磁気抵抗素子１０の両端の電圧降下を測定することで、当該測定対象電流の電流値を求める。
【００３２】
（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。測定対象電流ＩMがスイッチ５０を介して配線６０に対して流される。測定対象電流ＩMを測定するために、複数の磁気抵抗素子１０0、１０1、１０2および１０3が設けられる。
【００３３】
スイッチ５０は、検知制御部４０から供給される切り替え信号４１により、端子５０ａおよび端子５０ｂのうち何れが選択されるかが制御される。スイッチ５０は、例えばトランジスタなどの半導体素子のスイッチング特性を利用して構成することができる。これに限らず、スイッチ５０を機械的な構造で実現してもよい。
【００３４】
検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０0、１０1、１０2および１０3それぞれの検知出力である電圧降下Ｖｄ0〜Ｖｄ3が供給される。検知制御部４０は、供給されたこれら電圧降下Ｖｄ0〜Ｖｄ3に応じて、上述した切り替え信号４１を出力する。
【００３５】
これら複数の磁気抵抗素子１０0、１０1、１０2および１０3のうち、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3は、磁気抵抗曲線の直線部分を利用して、配線６０を電流が流れることにより発生する磁界に基づき測定対象電流ＩMの検知および測定を行う。これら磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3を用いて測定対象電流ＩMを測定する際には、端子５０ａが選択されるようにスイッチ５０を予め切り替えておく。
【００３６】
周知のように、配線６０を流れる電流Ｉによる磁界の強さＨは、電流Ｉの大きさに比例し、配線６０からの距離ｒに反比例する。また、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗曲線は、図２を用いて説明したように、ある磁界強度で飽和点を持つ。そのため、複数の磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3を、それぞれ配線６０からの距離ｒが段階的に異なるように配置することで、より広いレンジで測定対象電流を測定することができる。
【００３７】
図２の例では、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3のうち磁気抵抗素子１０1が配線６０に対して最も近接した距離ｒ1に配置されている。以下、磁気抵抗素子１０3が配線６０に対して最も遠い距離ｒ3に配置され、磁気抵抗素子１０2がこれらの中間の距離ｒ2に配置される。なお、この例の場合、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3として適用可能な素子は、ＴＭＲ素子に限られず、例えばＧＭＲ素子であってもよい。
【００３８】
例えば磁気抵抗素子１０1に対して、定電流源３０1により一定電流値のセンス電流Ｉｃ1を流し、両端の点Ａ1およびＢ1における電圧降下Ｖｄ1を測定する。一例として、この電圧降下Ｖｄ1の値とセンス電流Ｉｃ1の電流値とから磁気抵抗素子１０1の抵抗値を求める。そして、求めた抵抗値に基づき図２の磁気抵抗曲線から磁界強度を求め、距離ｒ1に基づき配線６０に流れる測定対象電流ＩMの大きさを求める。
【００３９】
なお、電圧降下Ｖｄ1を測定するための測定回路は、煩雑さを避けるために図４では省略されている。磁気抵抗素子１０0〜１０3における電圧降下Ｖｄ0〜Ｖｄ3の測定は、一般的な電圧測定回路を用いて行うことができる。一例として、高インピーダンスの電圧増幅回路を入力側に備えたＡ／Ｄ変換回路により、各磁気抵抗素子１０0〜１０3の両端の電圧をデジタル値に変換して出力することが考えられる。各磁気抵抗素子１０0〜１０3に対して、それぞれ電圧測定回路を設けてもよいし、共通の電圧測定回路を切り替えて用いてもよい。
【００４０】
これら電圧降下Ｖｄ1の値に基づく測定対象電流ＩMの値の算出は、例えば検知制御部４０にて行われる。一例として、検知制御部４０は、配線６０と磁気抵抗素子１０1との間の距離ｒ1の値と、センス電流Ｉｃ1の値と、磁気抵抗素子１０1の磁気抵抗曲線とを予めメモリなどに保持しておく。そして、図示されない測定回路から磁気抵抗素子１０1の両端の電圧降下Ｖｄ1が供給されると、この電圧降下Ｖｄ1と、保持されている距離ｒ1、磁気抵抗素子１０1の磁気抵抗曲線およびセンス電流Ｉｃ1とから、測定対象電流ＩMの値を算出する。
【００４１】
磁気抵抗素子１０2および１０3についても同様である。磁気抵抗素子１０2に対して定電流源３０2により一定電流値のセンス電流Ｉｃ2を流し、両端の点Ａ2およびＢ2における電圧降下Ｖｄ2を測定し、これらセンス電流Ｉｃ2と電圧降下Ｖｄ2とから磁界強度を求めて、求めた磁界強度と距離ｒ2とに基づき測定対象電流ＩMの大きさを求める。また、磁気抵抗素子１０3に対して定電流源３０3により一定電流値のセンス電流Ｉｃ3を流し、両端の点Ａ3およびＢ3における電圧降下Ｖｄ3を測定し、これらセンス電流Ｉｃ3と電圧降下Ｖｄ3とから磁界強度を求めて、求めた磁界強度と距離ｒ3とに基づき測定対象電流ＩMの大きさを求める。
【００４２】
なお、ここでは、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3に対して、それぞれ異なる定電流源３０1、３０2および３０3からセンス電流Ｉｃ1、Ｉｃ2およびＩｃ3を流すように説明したが、これはこの例に限定されない。すなわち、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3に対して、共通の定電流源から同一電流値のセンス電流Ｉｃをそれぞれ流すようにしてもよい。
【００４３】
一方、複数の磁気抵抗素子１０0、１０1、１０2および１０3のうち、磁気抵抗素子１０0は、図３を用いて説明したＩＶ特性の直線領域を利用して測定対象電流ＩMの検知および測定を行う。この場合、スイッチ５０において端子５０ｂが選択されるように切り替え、測定対象電流ＩMを磁気抵抗素子１０0に直接流して、当該磁気抵抗素子１０0の両端の点Ａ0およびＢ0間の電圧降下Ｖｄ0を測定する。磁気抵抗素子１０0の直線領域における抵抗値Ｒ0は、当該磁気抵抗素子１０0のＩＶ特性に基づき予め知ることができる。したがって、この抵抗値Ｒ0と測定された電圧降下Ｖｄ0の値とから、測定対象電流ＩMの値を求めることができる。
【００４４】
この電圧降下Ｖｄ0の値に基づく測定対象電流ＩMの値の算出は、上述と同様に、例えば検知制御部４０にて行われる。一例として、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０0におけるＩＶ特性の直線領域での抵抗値Ｒ0を予めメモリなどに保持しておく。そして、図示されない測定回路から磁気抵抗素子１０0の両端の電圧降下Ｖｄ0が供給されると、この電圧降下Ｖｄ0と、保持されている抵抗値Ｒ0とから、測定対象電流ＩMを算出する。
【００４５】
純抵抗として用いる磁気抵抗素子１０0は、過大な電流を流すと破壊されるおそれがある。一方、磁気抵抗素子１０1〜１０3は、上述したように直接電流が流れないので、測定対象電流ＩMの値が大きくても破壊されることがない。そこで、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０1〜１０3による測定結果に基づきスイッチ５０の切り替えを制御し、磁気抵抗素子１０0に過大な電流が流れないようにする。
【００４６】
図５は、この電流検知装置の一例の測定手順を示すフローチャートである。この図５のフローチャートの各処理は、例えば検知制御部４０により制御される。測定に先んじて、検知制御部４０は、スイッチ５０を端子５０ａ側が選択されるように制御し、磁気抵抗素子１０0に予期せぬ大電流が直接流れ込まないようにする。
【００４７】
検知制御部４０は、スイッチ５０が端子５０ａを選択している状態で、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3の電圧降下Ｖｄ1、Ｖｄ2およびＶｄ3をそれぞれ測定する（ステップＳ１０）。そして、検知制御部４０は、測定で得られた電圧降下Ｖｄ1〜Ｖｄ3と、予め保持される、各磁気抵抗素子１０1〜１０3の配線６０に対する距離ｒ1〜ｒ3および磁気抵抗曲線と、各センス電流Ｉｃ1〜Ｉｃ3とに基づき、測定対象電流ＩMを算出する。
【００４８】
次のステップＳ１１で、検知制御部４０は、測定範囲が最も低電流の測定部の測定結果が閾値未満か否かを判定する。図４の例の場合、測定範囲が最も低電流の測定部は、配線６０から最も近い距離ｄ1に配置される磁気抵抗素子１０1である。したがって、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０1の電圧降下Ｖｄ1が閾値未満であるか否かを判定する。ここで、当該閾値は、磁気抵抗素子１０0のＩＶ特性における直線領域内の電圧値である。
【００４９】
若し、電圧降下Ｖｄ1が閾値未満であると判定した場合、検知制御部４０は、処理をステップＳ１２に移行させる。ステップＳ１２で、検知制御部４０は、スイッチ５０を、端子５０ｂすなわち磁気抵抗素子１０0側が選択されるように制御して、磁気抵抗素子１０0の電圧降下Ｖｄ0を測定する。
【００５０】
検知制御部４０は、測定して得られた電圧降下Ｖｄ0と、予め保持される磁気抵抗素子１０0におけるＩＶ特性の直線領域での抵抗値Ｒ0とに基づき測定対象電流ＩMを求める。そして、処理をステップＳ１３に移行させ、求めた測定対象電流ＩMを測定結果として出力する。
【００５１】
一方、ステップＳ１１で磁気抵抗素子１０１の電圧降下Ｖｄ1の値が閾値以上であると判定した場合、処理をステップＳ１３に移行させ、ステップＳ１０で得られた測定対象電流ＩMを測定結果として出力する。
【００５２】
このように、測定対象電流ＩMに応じて、測定対象電流ＩMを配線６０側および磁気抵抗素子１０0側の何れに流すかを選択することで、より広いレンジでの電流測定が可能となる。すなわち、測定対象電流ＩMが大きい領域では、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性を利用して、素子に直接電流を流さない方法により電流測定を行う。測定対象電流ＩMが素子に対して直接流れないので、大電流に対応できる。一方、測定対象電流ＩMが微小な領域では、磁気抵抗素子１０におけるＩＶ特性の直線領域を利用して電流測定を行うことで、微少電流を高精度に測定することが可能となる。
【００５３】
（第２の実施形態）
本第２の実施形態では、図４を用いて説明した第１の実施形態による電流検知装置において、ＩＶ特性の直線領域を利用して電流測定を行う磁気抵抗素子１０0と、磁気抵抗特性を利用して電流測定を行う磁気抵抗素子１０1〜１０3のうち測定範囲が最も低電流である磁気抵抗素子１０1とを、１の磁気抵抗素子１０を共通に用いて構成する。
【００５４】
図６は、第２の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。なお、図６において、上述した図１および図４と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図６の電流検知装置は、磁気抵抗素子１０と、定電流源３０と、検知制御部４０と、スイッチ５１および５２と、配線６０とを含む。磁気抵抗素子１０は、配線６０に対して距離ｒの位置に配置されている。
【００５５】
なお、図６の構成において、磁気抵抗素子１０の両端の点Ａおよび点Ｂ間の電圧降下Ｖｄを測定する測定部は、煩雑さを避けるために省略されている。また、図６の構成に対して、図４の磁気抵抗素子１０2および１０3の如く、配線６０に対してそれぞれ所定の距離をおいて配置されるさらに多数の磁気抵抗素子を配置してもよい。
【００５６】
スイッチ５１は、検知制御部４０から出力される切り替え信号４２によって、測定対象電流ＩMを配線６０に流す（ＯＮ）か否（ＯＦＦ）かを切り替える。スイッチ５２は、当該切り替え信号４２によって、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMとセンス電流Ｉｃとのうち何れを流すかを切り替える。スイッチ５１およびスイッチ５２は、検知制御部４０からの切り替え信号４２により、連動して制御される。
【００５７】
すなわち、スイッチ５１およびスイッチ５２は、配線６０に対して測定対象電流ＩMが流される場合には、磁気抵抗素子１０に対してセンス電流Ｉｃが流されるように、それぞれ切り替えられる。一方、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMが流される場合には、測定対象電流ＩMが配線６０に流されないように切り替えられる。
【００５８】
より具体的には、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０が磁気抵抗特性を利用して測定対象電流ＩMの測定を行う場合には、スイッチ５１がＯＮ、且つ、スイッチ５２において端子５２ｂが選択されるように制御する。また、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０がＩＶ特性の直線領域を利用して測定対象電流ＩMの測定を行う場合には、スイッチ５２がＯＦＦ、且つ、スイッチ５２において端子５２ａが選択されるように制御する。
【００５９】
測定対象電流ＩMの測定手順は、第１の実施形態において図５のフローチャートを用いて説明した手順と略同一である。すなわち、検知制御部４０は、測定に先立って、スイッチ５１をＯＮ、且つ、スイッチ５２において端子５２ｂが選択されるように制御する。これにより、配線６０に対して測定対象電流ＩMが流される。
【００６０】
この状態で、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０によるセンス電流Ｉｃの電圧降下Ｖｄを測定する（ステップＳ１０）。検知制御部４０は、測定された電圧降下Ｖｄに対して閾値判定を行い（ステップＳ１１）、当該電圧降下Ｖｄが閾値以上であれば、当該電圧降下Ｖｄに基づき求めた測定対象電流ＩMを出力する（ステップＳ１３）。一方、検知制御部４０は、当該電圧降下Ｖｄが閾値未満であれば、スイッチ５１をＯＦＦ、且つ、スイッチ５２において端子５２ａが選択されるように制御し、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMを流す。そして、磁気抵抗素子１０による測定対象電流ＩMの電圧降下Ｖｄ’を測定し、測定結果に基づき求めた測定対象電流ＩMを出力する（ステップＳ１３）。
【００６１】
なお、上述では、配線６０に対して測定対象電流ＩMを流すか否かを選択するスイッチ５１を設けたが、これはこの例に限定されない。すなわち、磁気抵抗素子１０におけるＩＶ特性の直線領域内の電流を配線６０に流した際の、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性による抵抗変化が極めて小さければ、スイッチ５１を省略してもよい。
【００６２】
また、上述では、磁気抵抗素子１０と配線６０との距離を距離ｒの１種類としたが、これはこの例に限定されない。例えば、磁気抵抗素子１０に対してそれぞれ距離が異なる複数の配線６０、６０、…を配置し、測定対象電流ＩMの大きさに応じて、スイッチによってこれら複数の配線６０、６０、…を切り替えるようにしてもよい。こうすることで、１の磁気抵抗素子１０により、極めて広いレンジで電流測定を行うことができる。
【００６３】
このように、本第２の実施形態では、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性を利用した電流検知と、ＩＶ特性の直線領域を利用した電流検知とを、１の磁気抵抗素子１０の使用形態を切り替えることで行っている。そのため、１の磁気抵抗素子１０を用いて、より広いレンジでの電流検知を行うことができる。
【００６４】
（第３の実施形態）
上述の第２の実施形態では、磁気抵抗特性を利用した電流検知と、ＩＶ特性の直線領域を利用した電流検知とを、１の磁気抵抗素子１０を共通して用いて行う場合に、磁気抵抗素子１０に対してセンス電流Ｉｃと測定対象電流ＩMとのうち何れの電流が流されるかを、完全に切り替えていた。これに対して、本第３の実施形態においては、磁気抵抗素子１０においてＩＶ特性の直線領域を利用して測定対象電流ＩMの電流検知を行う際に、センス電流Ｉｃに対して測定対象電流ＩMを接続して、そのときの電圧増を含めて、磁気抵抗素子１０による電圧降下Ｖｄを測定する。
【００６５】
図７は、本第３の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。なお、図７において、上述した図６と共通する部分には同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。図７の電流検知装置は、磁気抵抗素子１０と、定電流源３０と、検知制御部４０と、スイッチ５３と、配線６０とを含む。磁気抵抗素子１０は、配線６０に対して距離ｒの位置に配置されている。
【００６６】
スイッチ５３は、検知制御部４０から出力される切り替え信号４３によって、測定対象電流ＩMを配線６０と磁気抵抗素子１０とのうち、何れに流すかを選択する。すなわち、スイッチ５３は、切り替え信号４３により端子５３ａが選択されると、測定対象電流ＩMを配線６０に流し、端子５３ｂが選択されると、測定対象電流ＩMを磁気抵抗素子１０に流す。
【００６７】
磁気抵抗素子１０に対して、さらに、定電流源３０からセンス電流Ｉｃが、スイッチ５３において端子５３ａおよび５３ｂの何れが選択されているかに関わらず流される。したがって、スイッチ５３において端子５３ａが選択されている場合には、磁気抵抗素子１０は、センス電流Ｉｃのみが流され、配線６０からの距離ｒと、センス電流Ｉｃと、当該磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性とに基づき電圧降下Ｖｄが測定される。
【００６８】
一方、スイッチ５３において端子５３ｂが選択されている場合には、磁気抵抗素子１０に対してセンス電流Ｉｃが流されている状態で、さらに、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMが流されることになる。なお、この場合、測定対象電流ＩMは、定電流源３０の出力段のインピーダンス調整や、ダイオードなどを用いて、定電流源３０には流れ込まないようになっているものとする。
【００６９】
すなわち、磁気抵抗素子１０に流される電流は、（測定対象電流ＩM＋センス電流Ｉｃ）となり、磁気抵抗素子１０における電圧降下Ｖｄは、当該磁気抵抗素子１０のＩＶ特性の直線領域における抵抗を抵抗Ｒ0とすると、Ｖｄ＝(ＩM＋Ｉｃ)Ｒ0となる。この式を変形し、測定対象電流ＩMがＩM＝Ｖｄ／Ｒ0−Ｉｃとして算出される。
【００７０】
測定対象電流ＩMの測定手順は、第１の実施形態において図５のフローチャートを用いて説明した手順と略同一である。すなわち、検知制御部４０は、測定に先立って、スイッチ５３を端子５３ａが選択されるように制御し、配線６０に対して測定対象電流ＩMを流す。この状態で、検知制御部４０は、磁気抵抗素子１０によるセンス電流Ｉｃの電圧降下Ｖｄを測定して（ステップＳ１０）、測定された電圧降下Ｖｄに対して閾値判定を行う（ステップＳ１１）。検知制御部４０は、当該電圧降下Ｖｄが閾値以上であれば、当該電圧降下Ｖｄに基づき求めた測定対象電流ＩMを出力し（ステップＳ１３）。当該電圧降下Ｖｄが閾値未満であれば、スイッチ５３を端子５３ｂが選択されるように制御し、磁気抵抗素子１０に対して測定対象電流ＩMを流す。そして、（測定対象電流ＩM＋センサ電流Ｉｃ）の磁気抵抗素子１０による電圧降下Ｖｄを測定し、測定結果に基づき上述したようにして求めた測定対象電流ＩMを出力する（ステップＳ１３）。
【００７１】
このように、本第３の実施形態では、磁気抵抗素子１０の磁気抵抗特性を利用した電流検知と、ＩＶ特性の直線領域を利用した電流検知とを、１の磁気抵抗素子１０の使用形態を切り替えることで行っている。そのため、１の磁気抵抗素子１０を用いて、より広いレンジでの電流検知を行うことができる。またこのとき、磁気抵抗素子１０の使用形態を切り替えるためのスイッチが１つで済む。
【００７２】
（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態について説明する。図８は、本第４の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す回路図である。この図８示す回路図は、図４に示した第１の実施形態による電流検知装置の構成例に対応するものである。図８において、図４と共通する部分には同一の符号を付して、詳細な説明を省略する。
【００７３】
本第４の実施形態は、磁気抵抗特性を利用して測定対象電流ＩMを測定するための磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3それぞれに対して、測定対象電流ＩMが流れる配線６１を周回させて配置する。このとき、配線６１は、例えば磁気抵抗素子１０1に対して平面状に、換言すれば、磁気抵抗素子１０1を構成する各層に対して平行な平面上において、当該磁気抵抗素子１０1に周回させて配線６１を配置する。
【００７４】
図８において、上述の図４と同様に、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3がそれぞれ磁気抵抗特性を利用した電流検知を行うものとする。この場合において、例えば、測定部１１1では、磁気抵抗素子１０1に対して距離ｒ1を離して配線６１が周回して配置される。同様に、測定部１１2では、磁気抵抗素子１０2に対して距離ｒ1より遠い距離ｒ2を離して配線６１が周回して配置され、測定部１１3では、磁気抵抗素子１０3に対して距離ｒ2より遠い距離ｒ3を離して配線６１が周回して配置される。
【００７５】
なお、ＩＶ特性の直線領域を用いて測定対象電流ＩMの検知を行う磁気抵抗素子１０0については、図４の構成と何ら変わるところがないので、ここでの説明を省略する。また、図８の構成による測定対象電流ＩMの検知手順については、第１の実施形態において図５のフローチャートを用いて説明した手順と同様であるため、ここでの詳細な説明を省略する。
【００７６】
このように、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3に対して平面状に周回させて配線６１を配置することで、配線６１を流れる測定対象電流ＩMによる発生磁界のベクトル方向が基板面（膜面）に対して垂直となる。これにより、磁気抵抗素子１０1、１０2および１０3の、反磁界の影響を考慮した設計や、配線６１にて発生する磁界強度の分布誤差を低減できる。そのため、電流の検知精度が向上し、配線６１を流れる測定対象電流ＩMの広いレンジでのより正確な測定が可能となる。
【００７７】
なお、本第４の実施形態による、磁気抵抗特性を利用して電流測定を行う磁気抵抗素子に対して、測定対象電流が流れる配線を周回させる構成は、上述した第２および第３の実施形態にも適用可能なものである。
【００７８】
（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態について説明する。上述の第４の実施形態では、測定対象電流ＩMが流れる配線を、磁気抵抗素子１０の基板面（膜面）に平行に周回させて配置した。これに対して、本第５の実施形態では、測定対象電流ＩMが流れる配線を、磁気抵抗素子１０の各薄膜の積層方向に沿って周回させて配置する。
【００７９】
図９は、本第５の実施形態による電流検知装置の一例の構成の断面図を示す。本第５の実施形態による電流検知装置は、ＭＯＳ ＬＳＩ(Metal-Oxide Semiconductor Large-Scale Integration)領域である基板１２０に対して、磁気抵抗素子１０’と、当該磁気抵抗素子１０’に対して薄膜の積層方向に沿って周回されるループ状配線部とを有する。
【００８０】
図９において、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に対して配線用の埋め込み金属部１０６および１１５が形成され、埋め込み金属部１０６および１１５に対して、配線メタル層Ａ１０５および１１４がそれぞれ形成される。配線メタル層Ａ１０４に対して、下部導線部１０４を介して、磁気抵抗素子１０’の基板２０が形成される。この基板２０に対してシード層２１、ＡＦＭ（反強磁性）層２６、ピンド層２７、トンネル障壁層２３、フリー層２４およびキャップ層２５が順次形成されて、磁気抵抗素子１０’が形成される。
【００８１】
磁気抵抗素子１０’のキャップ層２５に対して、上部導線部１０３を介して配線メタル層Ｂ１０２が形成され、さらに、配線用の埋め込み金属部１０１が形成されその上に配線メタル層Ｃ１００が形成される。
【００８２】
一方、配線メタル層Ａ１１４に対して配線部材１１３が形成され、この配線部材１１３に対して配線メタル層Ｂ１１２が形成される。これら配線メタル層Ａ１１４、配線部材１１３および配線メタル層Ｂ１１２により、磁気抵抗素子１０’の薄膜の積層方向に沿って、該磁気抵抗素子１０’に対して所定の距離を離れて周回されるループ状配線部が構成される。配線メタル層Ｂに対して、配線用の埋め込み金属部１１１が形成されその上に配線メタル層Ｃ１１０が形成される。
【００８３】
磁気抵抗素子１０’の薄膜の積層方向に沿ってループ状配線部が周回するような構成とすることで、測定対象電流ＩMによる発生磁界のベクトル方向が基板面（膜面）に対して平行となる。これにより、磁気抵抗素子１０’の、反磁界の影響を考慮した設計や、ループ状配線部にて発生する磁界強度に対する精度が向上し、ループ状配線部を流れる測定対象電流ＩMのより正確な測定が可能となる。
【００８４】
また、本第５の実施形態によれば、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０のような、半導体による集積回路の製造工程において磁気抵抗素子１０’およびループ状配線部を構成することができる。そのため、低コスト化および小型化が図れる。また、半導体集積回路などの多層配線においては、磁気抵抗素子１０’の素子平面に対して垂直に配置した構成を比較的容易に取ることができるので、より近接した立体ループ構造が比較的小面積で実現可能であり、小型化および高感度化が可能である。
【００８５】
さらに、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０は、磁気抵抗素子１０’に接続される他の回路を組み込むことができる。図８の例では、測定対象電流の入力端と、この入力端から入力された測定対象電流をループ状配線部と磁気抵抗素子１０’とのうち何れに供給するかを切り替えるスイッチ回路を、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に組み込むことができる。測定対象電流の入力端は、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０の外部から測定対象電流を入力するものでもよいし、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０における内部的なものでもよい。
【００８６】
さらにまた、図８の例では、磁気抵抗素子１０’に対してセンス電流Ｉｃを流すための回路を、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に組み込むことが考えられる。この場合、配線６１の例えば測定部１１1に含まれる部分が、ループ状配線部に相当する。また、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に対して、検知制御部４０を組み込むことも可能である。
【００８７】
また、図９の構成を、上述の第２の実施形態や第３の実施形態と組み合わせることができる。一例として、図９の構成を図７に示す第３の実施形態に適用する場合、配線メタル層Ｃ１００および配線メタル層Ａ１０５に対して、定電流源３０の出力端をそれぞれ接続すると共に、電圧降下Ｖｄの測定端をそれぞれ接続する。また、配線メタル層Ｃ１１０および配線メタル層Ａ１１４に対して、測定対象電流ＩMを流す経路を接続する。
【００８８】
さらに、図７の構成におけるスイッチ５３を、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に組み込む。この場合、スイッチ５３において、端子５３ａが埋め込み金属部１１５を介してメタル配線部Ａ１１４に接続され、端子５３ｂが埋め込み金属部１０６を介して配線メタル層Ａ１０５に接続されることになる。この構成に対し、検知制御部４０や定電流源３０、磁気抵抗素子１’の電圧降下Ｖｄを測定するための測定部を、さらに、ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に組み込むことができる。このような構成とすることで、測定対象電流ＩMをより広いレンジで測定可能な測定素子を、１の電流検知素子として形成可能となる。
【００８９】
（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態について説明する。本第６の実施形態では、上述の第５の実施形態と同様にして、磁気抵抗素子１０’と、磁気抵抗素子１０’の薄膜の積層方向に沿って周回するように配置するループ状配線部を、半導体集積回路の製造工程において作成する。その際に、磁気抵抗素子１０’から所定に離れた位置に、当該磁気抵抗素子１０’を挟むように、２のループ状配線部を作成する。すなわち、磁気抵抗素子１０’を挟む２のループ状配線部により、ヘルムホルツコイル構造を形成する。
【００９０】
図１０は、本第６の実施形態による電流検知装置の一例の構成を示す上面図である。ＭＯＳ ＬＳＩ領域１２０に対して、図９を用いて説明したようにして磁気抵抗素子１０’を形成する。そして、この磁気抵抗素子１０’に対して所定距離だけ離して、当該磁気抵抗素子１０’を挟むように、２のループ状配線部１３０Ａおよび１３０Ｂを形成する。
【００９１】
この構成によれば、磁気抵抗素子１０’の、反磁界の影響を考慮した設計や、ループ状配線部１３０Ａおよび１３０Ｂにて発生する磁界強度に対する精度の均一性が向上し、ループ状配線部を流れる測定対象電流ＩMのより正確な測定が可能となる。特に、２のループ状配線部１３０Ａおよび１３０Ｂが磁気抵抗素子１０’を挟むように配置されてヘルムホルツコイル構造をなし、位置決めのルールが緩和されると共に、より正確な電流検知が可能となる。
【符号の説明】
【００９２】
１０，１０0，１０1，１０2，１０3，１０’ 磁気抵抗素子
３０，３０1，３０2，３０3 定電流源
４０ 検知制御部
４１，４２，４３ 切り替え信号
５０，５１，５２，５３ スイッチ
６０，６１ 配線
【先行技術文献】
【特許文献】
【００９３】
【特許文献１】特開２０１０−１４５２４１号公報
【特許文献２】特開２００２−０８２１３６号公報
【特許文献３】特開２００４−１８４１５０号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、該フリー層と該固定層とで磁化の方向が反平行の場合に該フリー層と該固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを備える磁気抵抗素子を用いた電流検知装置であって、
測定対象電流により磁界を発生する配線が予め定められた距離に配置される第１の磁気抵抗素子と、
第２の磁気抵抗素子と、
前記第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するか否かを切り替える切り替え手段と、
センス電流の前記第１の磁気抵抗素子による電圧降下と、前記測定対象電流の前記第２の磁気抵抗素子による電圧降下とを測定する測定手段と、
前記測定手段での、前記第１の磁気抵抗素子による電圧降下の測定結果に応じて前記切り替え手段を制御する制御手段と
を有し、
前記制御手段は、
前記切り替え手段により前記第２の磁気抵抗素子に対して前記測定対象電流が供給されないように切り替えられている状態において前記測定手段により測定された前記第１の磁気抵抗素子による電圧降下の大きさが閾値未満である場合に、該第２の磁気抵抗素子に対して前記測定対象電流を供給するように前記切り替え手段を制御する
ことを特徴とする電流検知装置。
【請求項２】
前記閾値は、前記第２の磁気抵抗素子のＩＶ特性における直線領域内の値である
ことを特徴とする請求項１に記載の電流検知装置。
【請求項３】
前記第１の磁気抵抗素子および前記第２の磁気抵抗素子は、１の磁気抵抗素子を共通に用いる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流検知装置。
【請求項４】
前記切り替え手段は、
前記測定対象電流を前記配線および前記第２の磁気抵抗素子のうち何れに供給するかを切り替える
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項５】
前記配線は、前記第１の磁気抵抗素子に対して周回して設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項６】
前記磁気抵抗素子は、前記フリー層、前記障壁層および前記固定層を含む複数の薄膜が基板上に積層されてなり、
前記配線は、前記薄膜の積層方向に沿って前記第１の磁気抵抗素子に対して周回して設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項７】
前記測定手段、前記切り替え手段および前記制御手段のうち、少なくとも前記切り替え手段が前記基板上に構成される
ことを特徴とする請求項６に記載の電流検知装置。
【請求項８】
前記配線は、前記第１の磁気抵抗素子を挟む平行な２のループからなるヘルムホルツコイル構造を持つ
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項９】
前記第１の磁気抵抗素子および前記第２の磁気抵抗素子は、トンネル型磁気抵抗素子である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項１０】
基板と、
外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、該フリー層と該固定層とで磁化の方向が反平行の場合に該フリー層と該固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを含む複数の薄膜が前記基板に対して積層されてなる磁気抵抗部と、
測定対象電流が入力される入力部と、
前記磁気抵抗部に対して周回して前記基板上に設けられる配線部と、
前記入力部から入力された前記測定対象電流を前記磁気抵抗部に対して供給するか否かを切り替える切り替え部と
を備える
ことを特徴とする電流検知素子。
【請求項１１】
外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、該フリー層と該固定層とで磁化の方向が反平行の場合に該フリー層と該固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを備える磁気抵抗素子を用いた電流検知装置の電流検知方法であって、
測定手段が、測定対象電流により磁界を発生する配線が予め定められた距離に配置される第１の磁気抵抗素子によるセンス電流の電圧降下を測定する第１の測定ステップと、
測定手段が、測定対象電流の第２の磁気抵抗素子による電圧降下を測定する第２の測定ステップと、
切り替え手段が、前記第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するか否かを切り替える切り替えステップと、
制御手段が、前記切り替えステップにより前記第２の磁気抵抗素子に対して前記測定対象電流が供給されないように切り替えられている状態において前記第１の測定ステップにより測定された前記電圧降下の大きさが閾値未満である場合に、該第２の磁気抵抗素子に対して前記測定対象電流を供給するように前記切り替えステップを制御する制御ステップと
を有する
ことを特徴とする電流検知方法。
【請求項１】
外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、該フリー層と該固定層とで磁化の方向が反平行の場合に該フリー層と該固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを備える磁気抵抗素子を用いた電流検知装置であって、
測定対象電流により磁界を発生する配線が予め定められた距離に配置される第１の磁気抵抗素子と、
第２の磁気抵抗素子と、
前記第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するか否かを切り替える切り替え手段と、
センス電流の前記第１の磁気抵抗素子による電圧降下と、前記測定対象電流の前記第２の磁気抵抗素子による電圧降下とを測定する測定手段と、
前記測定手段での、前記第１の磁気抵抗素子による電圧降下の測定結果に応じて前記切り替え手段を制御する制御手段と
を有し、
前記制御手段は、
前記切り替え手段により前記第２の磁気抵抗素子に対して前記測定対象電流が供給されないように切り替えられている状態において前記測定手段により測定された前記第１の磁気抵抗素子による電圧降下の大きさが閾値未満である場合に、該第２の磁気抵抗素子に対して前記測定対象電流を供給するように前記切り替え手段を制御する
ことを特徴とする電流検知装置。
【請求項２】
前記閾値は、前記第２の磁気抵抗素子のＩＶ特性における直線領域内の値である
ことを特徴とする請求項１に記載の電流検知装置。
【請求項３】
前記第１の磁気抵抗素子および前記第２の磁気抵抗素子は、１の磁気抵抗素子を共通に用いる
ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電流検知装置。
【請求項４】
前記切り替え手段は、
前記測定対象電流を前記配線および前記第２の磁気抵抗素子のうち何れに供給するかを切り替える
ことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項５】
前記配線は、前記第１の磁気抵抗素子に対して周回して設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項６】
前記磁気抵抗素子は、前記フリー層、前記障壁層および前記固定層を含む複数の薄膜が基板上に積層されてなり、
前記配線は、前記薄膜の積層方向に沿って前記第１の磁気抵抗素子に対して周回して設けられる
ことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項７】
前記測定手段、前記切り替え手段および前記制御手段のうち、少なくとも前記切り替え手段が前記基板上に構成される
ことを特徴とする請求項６に記載の電流検知装置。
【請求項８】
前記配線は、前記第１の磁気抵抗素子を挟む平行な２のループからなるヘルムホルツコイル構造を持つ
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項９】
前記第１の磁気抵抗素子および前記第２の磁気抵抗素子は、トンネル型磁気抵抗素子である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項８の何れか１項に記載の電流検知装置。
【請求項１０】
基板と、
外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、該フリー層と該固定層とで磁化の方向が反平行の場合に該フリー層と該固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを含む複数の薄膜が前記基板に対して積層されてなる磁気抵抗部と、
測定対象電流が入力される入力部と、
前記磁気抵抗部に対して周回して前記基板上に設けられる配線部と、
前記入力部から入力された前記測定対象電流を前記磁気抵抗部に対して供給するか否かを切り替える切り替え部と
を備える
ことを特徴とする電流検知素子。
【請求項１１】
外部磁界により磁化の方向が反転するフリー層と、磁化の方向が固定された固定層と、該フリー層と該固定層とで磁化の方向が反平行の場合に該フリー層と該固定層との間に流れる電流に対する障壁となる障壁層とを備える磁気抵抗素子を用いた電流検知装置の電流検知方法であって、
測定手段が、測定対象電流により磁界を発生する配線が予め定められた距離に配置される第１の磁気抵抗素子によるセンス電流の電圧降下を測定する第１の測定ステップと、
測定手段が、測定対象電流の第２の磁気抵抗素子による電圧降下を測定する第２の測定ステップと、
切り替え手段が、前記第２の磁気抵抗素子に対して測定対象電流を供給するか否かを切り替える切り替えステップと、
制御手段が、前記切り替えステップにより前記第２の磁気抵抗素子に対して前記測定対象電流が供給されないように切り替えられている状態において前記第１の測定ステップにより測定された前記電圧降下の大きさが閾値未満である場合に、該第２の磁気抵抗素子に対して前記測定対象電流を供給するように前記切り替えステップを制御する制御ステップと
を有する
ことを特徴とする電流検知方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−１１３７９９（Ｐ２０１３−１１３７９９Ａ）
【公開日】平成２５年６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６２５７２（Ｐ２０１１−２６２５７２）
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【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６月１０日（２０１３．６．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月３０日（２０１１．１１．３０）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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