JP2016001118A - Current detection device, magnetic field detection device, and methods thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、電流検出装置、磁界検出装置等に関するもので、特にスピンバルブ構造を有するトンネル磁気抵抗効果または巨大磁気抵抗効果を用いた電流検出装置、磁界検出装置等に関するものである。 The present invention relates to a current detection device, a magnetic field detection device, and the like, and particularly to a current detection device, a magnetic field detection device, and the like using a tunnel magnetoresistance effect or a giant magnetoresistance effect having a spin valve structure.
近年、磁気抵抗効果素子として、従来の巨大磁気抵抗(GMR:giant-magnetoresistance)効果よりも大きな抵抗変化率が得られるトンネル磁気抵抗(TMR:tunneling magnetoresistance)効果を有するTMR素子が開発され、磁気ヘッドなど、磁界検出装置への応用が進められている。 In recent years, as a magnetoresistive effect element, a TMR element having a tunneling magnetoresistance (TMR) effect capable of obtaining a larger resistance change rate than a conventional giant-magnetoresistance (GMR) effect has been developed. Etc., application to magnetic field detection devices is underway.
磁気抵抗(MR:magnetoresistance)効果は、磁界によって変化する磁性体の磁化方向に依存して電気抵抗が変化する現象であり、磁界検出装置や磁気ヘッドなどに利用されている。GMR素子においては強磁性層/金属層/強磁性層からなる積層構造が用いられ、TMR素子においては、強磁性層/絶縁層/強磁性層からなる積層構造が用いられる。これらの素子においては、外部磁界によって2つの強磁性層のスピンを互いに平行(0°)あるいは反平行(180°)に設定することにより、GMR素子では、強磁性/金属層界面での電子の散乱確率に依存して抵抗が変化し、TMR素子では、膜面垂直方向の絶縁層を流れるトンネル電流の大きさが変化するため、これらの特性が利用されている。GMR素子やTMR素子では、抵抗変化を検出することにより、2層の強磁性層の相対的な磁化方向を検出することが可能である。 The magnetoresistance (MR) effect is a phenomenon in which electric resistance changes depending on the magnetization direction of a magnetic material that changes with a magnetic field, and is used in a magnetic field detection device, a magnetic head, and the like. In the GMR element, a laminated structure composed of a ferromagnetic layer / metal layer / ferromagnetic layer is used, and in the TMR element, a laminated structure composed of a ferromagnetic layer / insulating layer / ferromagnetic layer is used. In these elements, by setting the spins of the two ferromagnetic layers to be parallel (0 °) or antiparallel (180 °) to each other by an external magnetic field, in the GMR element, electrons at the ferromagnetic / metal layer interface The resistance changes depending on the scattering probability, and the TMR element uses these characteristics because the magnitude of the tunnel current flowing through the insulating layer in the direction perpendicular to the film surface changes. In the GMR element and the TMR element, it is possible to detect the relative magnetization directions of the two ferromagnetic layers by detecting a resistance change.
これらの磁気抵抗効果素子では、一方の強磁性層を反強磁性層と交換結合させて、その強磁性層の磁化を固定していわゆる固着層とし、他方の強磁性層の磁化を外部磁界で容易に反転することのできる自由層とする、いわゆるスピンバルブ型構造が知られている。 In these magnetoresistive elements, one ferromagnetic layer is exchange-coupled with an antiferromagnetic layer to fix the magnetization of the ferromagnetic layer to a so-called pinned layer, and the magnetization of the other ferromagnetic layer with an external magnetic field. A so-called spin-valve type structure is known, which is a free layer that can be easily inverted.
スピンバルブ型構造の磁気抵抗効果素子は、金属層や絶縁層を介した強磁性層間の磁気的な相互作用を抑制することが可能であり、高感度な磁界検出装置として用いられる。スピンバルブ型磁気抵抗効果素子に外部から磁界が印加されると、固着層の磁化は固定されているために、自由層の磁化のみが外部印加磁界に応じて回転する。これにより、2つの強磁性層の磁化の相対角が変化し、磁気抵抗効果により素子の抵抗が変化する。この抵抗値の変化を、たとえば素子に定電流を流した状態で電圧の変化として検出する。この電圧変化が印加された磁界に応じて変化する信号として読出され、高感度の磁界検出が可能となる。 A magnetoresistive effect element having a spin valve structure can suppress a magnetic interaction between ferromagnetic layers via a metal layer or an insulating layer, and is used as a highly sensitive magnetic field detection device. When a magnetic field is applied to the spin valve magnetoresistive element from the outside, the magnetization of the pinned layer is fixed, so that only the magnetization of the free layer rotates according to the externally applied magnetic field. As a result, the relative angle of magnetization of the two ferromagnetic layers changes, and the resistance of the element changes due to the magnetoresistive effect. This change in resistance value is detected as a change in voltage with a constant current flowing through the element, for example. This voltage change is read out as a signal that changes in accordance with the applied magnetic field, so that highly sensitive magnetic field detection is possible.
さらに、単体の磁気抵抗効果素子における抵抗変化を検出するのではなく、4個の磁気抵抗効果素子を用いてホイートストンブリッジ回路を形成し、かつ、固着層の磁化方向が逆向きの素子を組合せることで、磁界が存在しない場合の出力を0とし、高出力な磁界検出装置を形成する技術が提案されている(例えば下記特許文献1参照)。
Furthermore, instead of detecting a resistance change in a single magnetoresistive effect element, a Wheatstone bridge circuit is formed using four magnetoresistive effect elements, and elements whose magnetization directions of the pinned layer are reversed are combined. Thus, a technique has been proposed in which the output in the absence of a magnetic field is set to 0 and a high-output magnetic field detection device is formed (for example, see
また、固着層の磁化方向が逆向きである2個の磁気抵抗効果素子を直列に接続したハーフブリッジ回路でも、2個の磁気抵抗効果素子の抵抗比で出力信号が決定されるため、温度や製造工程に起因した抵抗変動の影響を抑制することが可能である。 Even in a half-bridge circuit in which two magnetoresistive elements whose magnetization directions of the pinned layer are opposite to each other are connected in series, the output signal is determined by the resistance ratio of the two magnetoresistive elements. It is possible to suppress the influence of resistance fluctuation caused by the manufacturing process.
以上の磁界検出方式を用いることで、磁気抵抗効果素子からは電気的に絶縁された導体における、電流の検出も可能である。この際は、電流によって誘起され、電流に比例した磁界を、磁気抵抗効果素子で検出する。特にスピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子は、固定層磁化に沿った方向の磁界強度の検出に適しているため、(導体方向と磁気抵抗効果素子の配置が固定されれば)磁界方向が常に一定となる電流検出に適している。 By using the magnetic field detection method described above, it is possible to detect current in a conductor that is electrically insulated from the magnetoresistive effect element. At this time, a magnetic field induced by the current and proportional to the current is detected by the magnetoresistive element. In particular, a magnetoresistive element with a spin valve structure is suitable for detecting the magnetic field strength in the direction along the fixed layer magnetization, so that the magnetic field direction is always constant (if the conductor direction and the arrangement of the magnetoresistive element are fixed). Suitable for current detection.
磁界検出装置に用いられる磁気抵抗効果素子では、強磁性体の磁化が回転する際に、それ以前の磁化の状態に依存した経路を示すヒステリシスが発生することで、検出精度の再現性が得られず、検出誤差となる。この対策としては、フリー(自由)層における磁気異方性を制御する必要がある。この目的や磁界応答性におけるオフセットを調整する目的により、素子の外部からフリー層にバイアス磁界を印加する方法が用いられている。バイアス磁界を印加する方法として、例えば下記特許文献2に示されるような、永久磁石を用いる方法がある。
In the magnetoresistive effect element used in the magnetic field detection device, when the magnetization of the ferromagnetic material rotates, a hysteresis indicating a path depending on the previous magnetization state is generated, so that reproducibility of detection accuracy can be obtained. First, it becomes a detection error. As a countermeasure, it is necessary to control the magnetic anisotropy in the free layer. For this purpose and the purpose of adjusting the offset in the magnetic field response, a method of applying a bias magnetic field to the free layer from the outside of the element is used. As a method for applying the bias magnetic field, for example, there is a method using a permanent magnet as disclosed in
スピンバルブ構造のTMR素子TMR素子は、前述の通り、小さい磁界に対して大きな抵抗変化示すことで、磁界に対して高感度な特長を有するが、一方でフリー(自由)層の磁化が磁界印加方向と一致した(飽和した)場合は、その抵抗は一定値となり、それ以上の大きな磁界を検出できず、これによってその動作範囲が限定されるという課題があった。 As described above, the TMR element with a spin valve structure has a high sensitivity to a magnetic field by exhibiting a large resistance change with respect to a small magnetic field, but the magnetization of the free layer is applied to the magnetic field. When the direction matches (saturates), the resistance becomes a constant value, and a large magnetic field beyond that cannot be detected, which limits the operation range.
またTMR素子自由層の磁化においてヒステリシスが発生すると、TMR素子磁界検出における再現性を低下させ、検出誤差が発生する課題があった。 Further, when hysteresis occurs in the magnetization of the TMR element free layer, there is a problem in that the reproducibility in TMR element magnetic field detection is lowered and a detection error occurs.
これらの課題の対策としては、TMR素子のフリー層に対してバイアス磁界を印加する方法がある。しかしながら、従来のバイアス磁界の印加方法として永久磁石を用いる方法は、磁界、電流の検出、また、装置の製造の際の工程を複雑化するとともに、永久磁石を設置するために一定の領域を占有する。すなわち、コストの増大と素子の集積化を困難にするという課題が発生する。上記と異なる方法として、電流によって誘起される磁界により、バイアス磁界を印加する方法が考えられるが、この場合においては、追加的な配線の形成による工程数の増大や、電流を発生するための消費電力の増大という課題がある。 As a countermeasure for these problems, there is a method of applying a bias magnetic field to the free layer of the TMR element. However, the conventional method of using a permanent magnet as a bias magnetic field application method complicates the magnetic field and current detection and the manufacturing process of the device and occupies a certain area for installing the permanent magnet. To do. That is, there arises a problem that it is difficult to increase costs and to integrate elements. As a method different from the above, a method in which a bias magnetic field is applied by a magnetic field induced by current can be considered. In this case, however, the number of processes increases due to the formation of additional wiring, and the consumption for generating a current occurs. There is a problem of increasing electric power.
この発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、磁気抵抗効果素子における磁界応答性の飽和、さらにヒステリシスが改善され抵抗−磁気特性における再現性を向上させた電流検出装置等を提供することを目的とする。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems. A current detection device and the like in which saturation of magnetic field responsiveness in a magnetoresistive effect element and further improvement in hysteresis and improved reproducibility in resistance-magnetic characteristics are provided. The purpose is to provide.
この発明は、磁化方向が固定された固定層と外部磁界によって磁化方向が変化する自由層とが積層された細長い磁気抵抗効果素子と、前記磁気抵抗効果素子の近傍に延在する導体と、を備え、前記導体に流れる電流の電流誘起磁界により変化する前記磁気抵抗効果素子の抵抗値に従い、前記導体に流れる電流を検出する電流検出装置であって、前記磁気抵抗効果素子における積層方向からみて、前記磁気抵抗効果素子が前記導体とその一部または全部が重なる位置に配置され、かつ前記導体の電流が流れる方向に沿った中心線の方向が、前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った中心線の方向と異なることを特徴とする電流検出装置等にある。 The present invention includes an elongated magnetoresistive effect element in which a fixed layer whose magnetization direction is fixed and a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field, and a conductor extending in the vicinity of the magnetoresistive effect element, A current detecting device for detecting a current flowing through the conductor according to a resistance value of the magnetoresistive element that changes due to a current-induced magnetic field of the current flowing through the conductor, as viewed from the stacking direction in the magnetoresistive element, The magnetoresistive effect element is arranged at a position where the conductor and a part or all of the conductor overlap, and the direction of the center line along the direction in which the current of the conductor flows is the center along the longitudinal direction of the magnetoresistive effect element The current detecting device is characterized by being different from the direction of the line.
この発明では、磁気抵抗効果素子における磁界応答性の飽和、さらにヒステリシスが改善され抵抗−磁気特性における再現性を向上させた電流検出装置等を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a current detection device or the like in which saturation of magnetic field response in the magnetoresistive effect element and further improvement of hysteresis are improved and reproducibility in resistance-magnetic characteristics is improved.
この発明による電流検出装置、磁気検出装置は、検出対象となる電流が流れる導体が、磁気抵抗効果素子であるTMR素子の長手方向と異なる向きに交差することによって、導体を流れる電流が作る磁界がTMR素子の長手方向と短手方向の両方向に印加され、TMR素子の長手方向にバイアス磁界を印加することができる。これによってTMR素子の磁界応答性が飽和することを抑制することができ、広い磁界領域での動作が可能となる。またこれに加えて、バイアス磁界によってTMR素子のヒステリシスが改善され抵抗―磁気特性における再現性を向上することで、高精度な電流または磁界の測定が可能となる。この際に、追加的な電力の消費や占有面積や工程数の増大もない。 In the current detection device and the magnetic detection device according to the present invention, the conductor through which the current to be detected crosses in the direction different from the longitudinal direction of the TMR element which is a magnetoresistive effect element, thereby generating a magnetic field generated by the current flowing through the conductor. A bias magnetic field can be applied in the longitudinal direction of the TMR element by applying it in both the longitudinal direction and the short direction of the TMR element. As a result, saturation of the magnetic field response of the TMR element can be suppressed, and operation in a wide magnetic field region is possible. In addition to this, the hysteresis of the TMR element is improved by the bias magnetic field and the reproducibility in the resistance-magnetic characteristics is improved, so that the current or magnetic field can be measured with high accuracy. At this time, there is no additional power consumption, an occupied area, or an increase in the number of processes.
以下、この発明による電流検出装置等を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, a current detection device and the like according to the present invention will be described with reference to the drawings according to each embodiment. In each embodiment, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
実施の形態1.
図1はこの発明による電流検出装置および磁気検出装置の、磁気抵抗効果素子であるTMR素子1と、測定対象となる電流が印加させる導体2の位置関係を示した透過斜視図である。上部電極3aとTMR素子1の上面、及び下部電極3bとTMR素子1の下面は電気的に接続されており、上部電極3aと下部電極3bはTMR素子1を電源、接地または基準電位面、及び電圧計に接続するための配線(図示省略)に接続される。
FIG. 1 is a transparent perspective view showing a positional relationship between a
図2は図1の検出装置が電流検出装置として機能する場合の構成例を示す。TMR素子1の抵抗変化の検出は、TMR素子1に電流源20から一定電流を流し、その時の電圧を電圧計21で測定することで実施する。導体2には測定対象となる負荷電流(検出対象電流)Ilを消費する負荷22を接続する。このとき負荷電流Ilが導体2の周囲に作る磁界の分布を図3に示す。破線bは導体2の幅方向(図3のx軸方向)の中心を示している。導体2に負荷電流Ilを流した時に発生する磁界H2のx軸方向成分の強度は破線bに近いほど大きくなり、また導体2に近づくほど大きくなる。
FIG. 2 shows a configuration example when the detection device of FIG. 1 functions as a current detection device. Detection of the resistance change of the
また図4は図1の一転鎖線aに沿った断面図である。ここでのTMR素子1は、スピンバルブ構造であり、下部電極3b上に下から、固定層を構成する反強磁性膜1aa、強磁性膜1bb、非磁性膜1cc、強磁性膜1ddが形成されており、その上にトンネル絶縁層1eeが形成され、更にその上に自由層である強磁性膜1ffが形成されている。そして強磁性膜1ffは上部電極3aと電気的に接続されている。下部電極3bの更に下層にある導体2は、下部電極3bと電気的に絶縁するために間に絶縁層4を挟んで配置されている。なお各磁性膜は磁性体層ともいう。
4 is a cross-sectional view taken along the dashed line a in FIG. The
図5は実施の形態1によるTMR素子1と測定対象となる電流が流れる導体2を、磁気抵抗効果素子であるTMR素子1における積層方向、またはTMR素子1と導体2を結ぶ線の方向のTMR素子1側から見た(以下、例えば単に上面から見たもの等とする)時の配置を示す平面図である。なおTMR素子1は通常、電圧等の測定のために、積層方向の上下両端面に図4の上部電極3aと下部電極3bに相当する電極層からなる電極を有する。
FIG. 5 shows a
TMR素子1は、上面から見た際の形状が角丸長方形状に加工される。それぞれ、長辺長はl、短辺長(幅)はwであり、l>wの関係にある。ここでは、TMR素子1の各辺を結ぶ長方形101を想定し、その対角線の交点を、中心0と定義している。
The
図6にはこの実施の形態1のTMR素子1の自由層と固定層の磁化方向を示す。強磁性体における形状磁気異方性の影響により、TMR素子1の自由層の磁化10は、無磁界においてその長手方向を向いている。固定層の磁化11はTMR素子1の形状の短辺方向に固定されている。
FIG. 6 shows the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the
本実施の形態においては、導体2の電流が流れる方向(長手方向)に沿った中心線c2とTMR素子1の中心0が一致して設計される。ここで、導体2に電流が流れた際に、図3に示したように磁界H2が誘起され、この磁界H2のx軸方向の成分により、TMR素子1の自由層(図4の1ff)の磁化10(図6参照)は磁界強度に依存した回転力を受け、x軸方向に傾斜する。この際に、TMR素子1の固定層(図4の1aa−1dd)の磁化は固定されているため、トンネル絶縁層1eeを介した、自由層(強磁性膜1ff)の磁化方向1fdと固定層の強磁性膜1ddの磁化方向1ddが変化する。この結果、導体2の電流に依存して、TMR素子1の抵抗が変化する。この発明において導体2に電流を流した場合の、電流の変化に対するTMR素子1の抵抗の変化を図7の実線Aに示す。また導体2とTMR素子1が平行に配置されている場合、すなわち図5の導体2の電流が流れる方向に沿った中心線c2と、TMR素子1の長辺方向に沿った中心線c1と、のなす角度θがθ=0度の場合の、電流の変化に対するTMR素子1の抵抗の変化を破線Bで示す。
In the present embodiment, the center line c2 along the direction (longitudinal direction) in which the current of the
実際に使用する場合は、TMR素子1に一定電流を流し、その上下の電圧を計測することでTMR素子1の抵抗の変化を読み取る。この結果、TMR素子1により、導体2における電流の計測が可能となる。
すなわち例えば、図2の電流源20からTMR素子1に一定電流を流し、その上下の電圧を電圧計21で計測する。そして図示を省略した測定・制御部で、電流と電圧からTMR素子1の抵抗を演算し、例えば予め記憶部に格納された図7のAに示すような導体2の電流とTMR素子1の電流−抵抗特性テーブルから導体2における電流を求める。
In actual use, a constant current is passed through the
That is, for example, a constant current is supplied from the
上記の磁界を介した電流検出を実施した場合、図4の断面図でも分かるように、導体2とTMR素子1は電気的に絶縁されているため、互いに影響を及ぼすことなく導体2の電流の検出が可能である。
When the current detection via the magnetic field is performed, the
本実施の形態の配置では、TMR素子の中心0が図3の破線bで示す位置にあるため、導体2から一定の距離zのx−y平面内では最大の磁界を検出することが可能であり、効率的な検出が可能となる。
In the arrangement of the present embodiment, since the
またここでは、
TMR素子1と導体2の延在方向のなす角度θ、
TMR素子1の長さl、
導体2の幅w0、
との関係において、
w0/l=sinθ
の条件をみたしている。また、このなす角度θは、0度よりも大きい角度で設計を行う。θは3度以上が望ましい。導体2から発生する磁界は、先にも述べたように、その中心線c2に沿った部分で最大となるが、導体2の幅に含まれる範囲であれば電流検出装置として機能させるために十分な磁界を印加することができる。ここで示した配置では、TMR素子1の長手方向の中心線c1は全て導体2の幅w0の範囲内に含まれている。このため、導体2を流れる検出対象電流Ilが発生する磁界H2がTMR素子1に効率的に印加される。これによって電流の検出においても効率的な検出が可能である。
Also here
An angle θ between the extending direction of the
The length l of the
The width w0 of the
In relation to
w0 / l = sinθ
I met the conditions. In addition, the design is performed at an angle θ that is greater than 0 degrees. θ is preferably 3 degrees or more. As described above, the magnetic field generated from the
以下に本実施の形態の効果について説明する。先に述べたように本実施の形態では、TMR素子1と導体2の延在方向のなす角度θは、実質的に0より大きく、特に3度以上になるように意図して設計されており、且つ、例えば図5のように上から見た時にTMR素子1の全体が導体2に重なるように配置されているため、効率的な磁界の検出が可能な配置である。この際に、導体2を流れる電流が誘起する磁界のx方向の成分が、TMR素子1によって検知される磁界成分である。
The effects of this embodiment will be described below. As described above, in the present embodiment, the angle θ formed by the extending direction of the
ここで図8に、導体2に流される電流が誘起する磁界のx方向の磁界に注目した時、この磁界成分を更にTMR素子1の長手方向を向く成分211と、短手方向を向く成分212に分解した時の様子を示す。導体2に流される電流が誘起する磁界のx軸方向を向く成分210は一様と仮定し、大きさをH0とした場合、TMR素子1の長手方向の成分はH0・sinθであり、短手方向はH0・cosθである。この場合、TMR素子1の自由層が磁界方向に飽和する磁界Hsは、近似的に、
Hs=Hk+H0・sinθ
と表わされる。Hkは自由層の磁化の異方性磁界であり、形状の長手方向に留まろうとする磁界を表わしている。θを0度とならないように設計するため、H0・sinθ≠0である。すなわち、x軸方向の磁界成分210は、TMR素子1の長手方向成分211と短手方向成分212に同時に作用する効果が得られる。
Here, in FIG. 8, when attention is paid to the magnetic field in the x direction of the magnetic field induced by the current flowing through the
Hs = Hk + H0 · sinθ
It is expressed as Hk is an anisotropic magnetic field of the magnetization of the free layer, and represents a magnetic field that tries to stay in the longitudinal direction of the shape. In order to design θ so as not to be 0 degrees, H0 · sin θ ≠ 0. That is, the
この効果によって、導体2からの磁界が増大すると、長手方向成分211が増加するため、磁化が短手方向に飽和することを抑制することが可能となる。これによって、θが0である場合よりも大きな磁界の検出が可能となる。具体的には、従来の素子配置の場合は
、測定可能な最大の電流は、Hkと等しい磁界を発生させる電流強度i(Hk)(図7参照)であるが、これに対して本発明によると、i(Hk)よりも大きい、Hk+H0・sinθと等しい磁界を発生させる電流まで測定することが可能となる。
この際、θが3度以上の場合に、TMR素子1の長手方向の成分はH0に対して5%以上の大きさとなり、有意な効果が得られる。
Due to this effect, when the magnetic field from the
At this time, when θ is 3 ° or more, the longitudinal component of the
また、ここでの電流検出装置はTMR素子1と検出対象の電流が流される導体2からのみ構成されており、TMR素子1の自由層の特性を改善するための特別な機構は設けていない。
Further, the current detecting device here is composed only of the
ところで、TMR素子1と導体2の延在方向となす角度θが0であった場合は、TMR素子1の自由層の磁化はヒステリシスを発生する。これは、自由層における磁化の分布において、主に長辺方向の端部における磁化が、形状に沿って緩和する影響によるものである。これを改善するためには、TMR素子1の長手方向に直流磁界を印加する方法が有効である(この時に印加する磁界を一般にバイアス磁界と呼ぶ)。
By the way, when the angle θ between the extending direction of the
一方、この発明のように、TMR素子1と導体2の延在方向となす角が0ではない場合、導体2から発生する磁界の長手方向成分は、有意な磁界がTMR素子1の長手方向に印加されるため、測定対象である電流が誘起する磁界の一部を、バイアス磁界としても利用することが可能となり、ヒステリシスの発生を抑制することが可能である。
以上の実施の形態により、電流検出において、TMR素子1以外の追加的な機構を設けることなくバイアス磁界の効果を得ることが可能となるため、従来よりも大きな測定領域を確保する効果が得られるとともに、電流の高精度な検出が可能となる。
On the other hand, when the angle between the extending direction of the
According to the above embodiment, in the current detection, it is possible to obtain the effect of the bias magnetic field without providing an additional mechanism other than the
実施の形態2.
図9はこの発明の実施の形態2による電流検出装置のTMR素子1と導体2の位置関係を示す上面から見た平面図である。断面から見た構成や、その他の基本的構成については、実施の形態1と同じであり、TMR素子1と導体2の平面における大きさと位置関係のみが異なる。
FIG. 9 is a plan view seen from above showing the positional relationship between the
ここでは、TMR素子1は導体2の幅w0よりも小さく、上から見た時、導体2はTMR素子1全体に重なる。実施の形態1と同様に、導体2から発生する磁界は、その中心線c2に沿った部分で最大となり、導体2の幅に含まれる部分で大きい。導体2がTMR素子1に重なるとき、TMR素子1の長手方向の中心線c1が全て導体2の幅の範囲内に含まれていることを前提とすると、TMR素子1の長さl、導体2の幅w0、TMR素子1の長手方向と導体2の長手方向との角度θおよび、TMR素子1の中心0と導体2の中心線c2との最短距離aの関係が
w0>l・sinθ+2a
を満たす。
Here, the
Meet.
以上の構成により、例えば、実施の形態1と同様な効果を得つつ、複数のTMR素子1を集積化して用いる際の配置の自由度を向上させることが可能である。複数個のTMR素子を直列に接続した配線の例を図10と図11に示す。例えば図10に示したTMR素子の直列接続を実現するためのTMR素子、上部電極、下部電極の配置の一例を図25に示す。図25の(a)は図10の破線Xに沿った断面図、(b)は各TMR素子1の各層の断面での磁化方向を示す。それぞれのTMR素子は上部電極191と下部電極192で直列に接続される。
With the above configuration, for example, it is possible to improve the degree of freedom of arrangement when using a plurality of
図10は本実施の形態の条件を満たす、TMR素子1が複数個、導体2と重なるように配置されており、全てのTMR素子1が直列に接続されている例である。TMR素子1は基本的に上部電極と下部電極をそれぞれ有している(この発明に渡って同様)。図10における配線191,192はTMR素子1間の電気的配線を示しており、具体的には配線191,192は図25に示すように、隣接するTMR素子間に延びて共有される上部電極(192)、下部電極(191)からなる。複数個のTMR素子1はその上部同士、下部同士が交互に順番に電気的に接続されて直列接続されている。TMR素子1の配置を示すため、TMR素子1の下部同士を接続する配線を配線191、上部同士を接続する配線を配線192、下部配線とTMR素子1の下部の接続点を白丸194、上部配線とTMR素子の上部との接続点を黒丸193で示す。TMR素子1の下側(裏側)になる配線は破線で、接続点は白丸で示されている。そしてこれらの配線191,192が、例えば図25で示すように下部電極(191)、上部電極(192)で実現される。そして抵抗測定器190とグランドとの間に複数個のTMR素子1が配列されて、隣接するTMR素子1の上部同士、下部同士が交互に順に電気的に接続されている。図11の配線では、抵抗測定器190とグランドとの間に同様にして直列接続されたTMR素子1の直列回路が2本、並列接続されている。
FIG. 10 shows an example in which a plurality of
直列接続とすることで、TMR素子の製造時のばらつきを平均化し、製造時の特性のばらつきを低減することが可能となる。また直列接続をすることで素子全体の抵抗を大きくすることができるため、静電気などで意図せず大きな電圧が印加された時に、素子が絶縁破壊し故障することを抑制することが可能になる。 By using the series connection, it is possible to average variations in manufacturing TMR elements and reduce variations in characteristics during manufacturing. In addition, since the resistance of the entire element can be increased by connecting in series, it is possible to prevent the element from being broken down and failing when a large voltage is applied unintentionally due to static electricity or the like.
一方、図20は抵抗測定器190とグランドとの間で、それぞれTMR素子1を複数個直列接続したものを並列接続した例である。このような構成であればTMR素子1の製造時の抵抗ばらつきを平均化する前述の効果をえられ、またTMR素子1の抵抗を調整することが可能となる。
On the other hand, FIG. 20 shows an example in which a plurality of
本実施の形態の構成とすることで、ここまで述べたような、TMR素子の導体上でのレイアウトに自由度を拡張することが可能となる。 With the configuration of the present embodiment, the degree of freedom can be extended to the layout of the TMR element on the conductor as described above.
実施の形態3.
図12はこの発明の実施の形態3による電流検出装置のTMR素子1と導体2の位置関係を示す上面から見た平面図である。断面から見た構成や、その他の基本的構成については実施の形態1と同じであり、TMR素子1と導体2の平面における大きさと位置関係のみが異なっている。
FIG. 12 is a plan view seen from above showing the positional relationship between the
本実施の形態では、平面図で見たとき、TMR素子1と導体2が部分的に重なる配置である。実施の形態1および2と比較して効果は小さいが、TMR素子1と導体2が部分的に重なっていることから、同様な効果を得ることが可能である。ここでは、TMR素子1と導体2が部分的に重なるための条件である、
2a<l・sinθ,かつl・sinθ>w0
をみたした構成としている。
In the present embodiment, the
2a <l · sinθ and l · sinθ> w0
It has a configuration that meets the requirements.
TMR素子1の感度は、素子の微細化とともに、反磁界の影響が大きくなることで減少する。一方、導体2を流れる電流の大きさが一定の場合は導体2の幅w0が小さいほど、電流によって誘起される磁界の強度は大きくなる。本実施の形態の構成とすることで、TMR素子の一部分に大きな磁界を集中させることで感度を回復させることが可能となる。
The sensitivity of the
実施の形態4.
この発明の実施の形態4による電流検出装置の基本的構成、動作については、実施の形態の1と同一である。図13にはこの実施の形態4におけるTMR素子1の自由層と固定層の磁化方向を示し、自由層の磁化方向10と固定層の磁化方向11が示されている。
Embodiment 4 FIG.
The basic configuration and operation of the current detection device according to the fourth embodiment of the present invention are the same as those of the first embodiment. FIG. 13 shows the magnetization directions of the free layer and the fixed layer of the
実施の形態1の図6に示すように、固定層の磁化11をTMR素子1の短辺方向に固定した場合、形状による反磁界の影響にで、例えば高温になった場合などに、形状の長手方向へと傾斜する場合がある。図13に示した固定層の磁化11は、予め形状の長手方向になるように固定しており、短手方向に固定した場合と比較してその固定がより安定となる。この場合は、例えば、温度が上昇して、反強磁性膜による強磁性膜の固定が弱くなった場合でも、形状磁気異方性の効果により、その磁化方向が保たれる。なお、固定層の磁化方向は、TMR素子1の製造工程における熱処理時に、反強磁性膜とそれに接する強磁性膜の交換結合が無くなる温度において、固定層の磁化を飽和し得る磁界を、所望の方向に印加することで決定することが可能である。
As shown in FIG. 6 of the first embodiment, when the
この構成においては、図13に示す自由層の磁化10が180°反転した場合に、抵抗の変化が生じるが、この対策として、例えば動作前に紙面上向き方向に、自由層の磁化10を飽和する磁界を印加することが有効である。
In this configuration, a resistance change occurs when the
図14は自由層の磁化の一部が、180度反転している様子を示している。図14中の矢印220および221はTMR素子1の自由層の磁化を磁区構造のレベルで見た時のそれぞれの磁化方向である。初期状態では、TMR素子1の自由層の磁化は、TMR素子の長手方向を向くが、図14中に示す矢印222のA方向を向くかB方向を向くかは未確定である。この状態であると、無磁界でのTMR素子1の抵抗が不安定となるため、動作前に自由層の磁化方向を揃える必要がある。このためには、例えば、動作前にA方向に一定の磁界231を印加することで向きを揃えることが可能である。図15は仮にA方向に一定の磁界231を印加して、無磁界での自由層の磁化方向を揃えたあとの様子を示している。
FIG. 14 shows a state in which a part of the magnetization of the free layer is inverted by 180 degrees.
本実施の形態によれば、固定層の磁化を安定化し、実施の形態1と同様な効果を得ることが可能である。これによって例えば温度や微細化に伴う、固定層の磁化方向の変化に因る影響を小さくすることが可能となる。 According to the present embodiment, it is possible to stabilize the magnetization of the fixed layer and obtain the same effect as in the first embodiment. As a result, for example, it is possible to reduce the influence caused by the change in the magnetization direction of the fixed layer due to temperature and miniaturization.
実施の形態5.
図16はこの発明の実施の形態5による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図である。この図16においては導体2とTMR素子1の位置関係を明確に示すため、TMR素子1は実施の形態1〜3での図よりも、大きく示されている。実施の形態1で示したTMR素子1と導体2の組み合わせ(図6の61)と、それとは導体2の位置が鏡面対称である組合せ(図6の62)を用意し、それぞれの導体2同士の一端2aが接続された構成である。TMR素子1の長手方向は同一方向である。ここに示した2つのTMR素子1は直列に接続されている。一方のTMR素子は接地され、他方が電源に接続され、TMR素子間の電位63と接地電位の差を検出する。
すなわち、一方のTMR素子1の一方の電極が接地(GND)され他方の電極が他方のTMR素子1の一方の電極と接続され、他方のTMR素子1の他方の電極が電源(Vcc)に接続され、TMR素子1同士の接続点が出力端子(Vout)となっている。また、15が検出対象電流、16が電流が誘起する磁界(電流誘起磁界)を示す。
FIG. 16 is a schematic plan view showing the configuration of a current detection device according to
That is, one electrode of one
そしてTMR素子間の電位(Vout)63と接地電位の差を検出する。図16は組み合わせ61の構成と組み合わせ62の構成においてTMR素子を1つずつ示したが、それぞれの構成において互いに同数であれば、複数が直列接続されていても良く、更に並列接続を含んでいてもよい。
Then, the difference between the potential (Vout) 63 between the TMR elements and the ground potential is detected. FIG. 16 shows one TMR element in each of the configuration of the
導体2の配置がTMR素子1の長手方向に対して鏡面対称となっていることから、それぞれの導体2を流れる電流が誘起する磁界のTMR素子の短手方向成分は逆向きとなる。このためTMR素子1は導体2を流れる電流に対して、互いに逆方向の抵抗変化を示す。それぞれを構成する各TMR素子1は、同じ温度特性を持つため、一方を固定抵抗など温度特性の異なるものとした場合と比較して、導体2に電流を印加しない時の出力の誤差(オフセット)を低減することが可能である。また本実施の形態であると、一方の抵抗を固定とした場合と比較して、それぞれのTMR素子1の抵抗がそれぞれ大小逆に変化する分、変化量が2倍となるため、導体2を流れる同じ大きさの電流に対する出力変化が2倍となる。この結果として、より小さな電流を検出することが可能となる。
Since the arrangement of the
以上の構成によれば、温度等によるTMR素子の抵抗変動の影響を抑制可能で、且つ大きな出力信号が得られる電流検出装置を実現可能である。また、複数個のTMR素子を接続することで、製造工程に起因した特性ばらつきの影響も抑制可能である。 According to the above configuration, it is possible to realize a current detection device that can suppress the influence of resistance variation of the TMR element due to temperature or the like and can obtain a large output signal. Further, by connecting a plurality of TMR elements, it is possible to suppress the influence of characteristic variations caused by the manufacturing process.
実施の形態6.
図17はこの発明の実施の形態6による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図である。ここでは、実施の形態5で示した構成(電流検出部と称す)を2つ直列に接続することで構成され(1本の導体2と2つのTMR素子1からなる構成を2つ並べて接続)、その接続点70が電源(Vcc)に接続されている。更に各々の中点(直列接続されたTMR素子1同士の接続点)の箇所が電圧計18に接続され、残りの端子はそれぞれ接地(GND)されている。
Embodiment 6 FIG.
FIG. 17 is a schematic plan view showing the configuration of a current detection device according to Embodiment 6 of the present invention. Here, two configurations (referred to as current detection units) shown in the fifth embodiment are connected in series (two configurations each composed of one
すなわち、図16の鏡面対称のV字型の導体を鏡面対称に2つ直列に接続したW字型の導体2に対し、導体2のそれぞれの傾斜部分(TMR素子が導体に対して傾き(θ)を持つように)に配置された4つのTMR素子1を、電源(Vcc)から接地(GND)の間に、2つのTMR素子1の直列回路が2つ形成されるように接続し、2つの直列回路のTMR素子1同士の接続点間に電圧計18が接続されている。このとき電源(Vcc)側に接続される2つの直列回路のTMR素子は、互いに導体の配置が鏡面対称でなければならない。
That is, with respect to the W-shaped
この構成において、導体2に電流を印加しない場合、それぞれのTMR素子1は互いに同じ抵抗になるため、各々の中点は互いに等電位であるため、電位差は生じない。このとき中点間に接続された電圧計18は0を示す。一方、導体2に電流を印加した場合は、中点間に電位差が生じるため、ホイートストンブリッジを構成している。導体2に電流が流れた際に、電圧計18で電圧を測定することにより、導体2における電流の検出が可能である。
In this configuration, when no current is applied to the
なお、図17で示したそれぞれのTMR素子については、実施に形態5と同様に、複数のTMR素子から構成されてもよい。 Each TMR element shown in FIG. 17 may be composed of a plurality of TMR elements as in the fifth embodiment.
本実施の形態では、導体2に電流を流さない時の出力は0であり、導体に流した電流が誘起する磁界に対する抵抗変化に比例した電圧変化が出力として得られるため、基準電位からの差分を計算する処理が不要となり、周辺回路を簡略化することが可能となる。また構成しているTMR素子の温度特性は全て等しいため、オフセットの低減が可能となり温度特性による抵抗変化の影響を低減することが可能である。
In the present embodiment, the output when no current is passed through the
実施の形態7.
図18はこの発明の実施の形態7による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、参照用TMR素子17を用いたハーフブリッジの構成を示す。ここでは、紙面左側のTMR素子1と導体2は実施の形態1における配置と同様であるが、紙面右側の参照用TMR素子17は、左側のTMR素子1と長手方向が同方向であり、導体2はその長手方向に直交する向きで配置されている。固定層の磁化方向は同じである。実施の形態5と同様に、それぞれの導体は接続されており、且つ、2つのTMR素子の接続は、図7に示す実施の形態5と同様である。
FIG. 18 is a schematic plan view showing the configuration of a current detection device according to
ここでは、参照用TMR素子17の自由層の磁化は、磁界16が印加されない状態では、参照用TMR素子17の自由層の磁化方向10aは形状異方性によって形状の長手方向を向く。固定層の磁化方向11aはこれと直交する方向を向いている。
Here, with respect to the magnetization of the free layer of the
導体2に検出対象となる電流15が流れた場合、誘起される磁界16は参照用TMR素子17に対し長手方向と平行な方向に印加される。このため、参照用TMR素子17の抵抗値は導体2を流れる検出対象電流15の有無に関わらず一定の値を示す。
When the current 15 to be detected flows through the
なお、図18で示したそれぞれのTMR素子については、実施の形態5と同様に、複数のTMR素子から構成されてもよい。 Each TMR element shown in FIG. 18 may be composed of a plurality of TMR elements as in the fifth embodiment.
これらのTMR素子により、実施の形態5と同様なハーフブリッジを形成することで、検出対象電流15に応じた出力を、参照用TMR素子17の抵抗値を基準として出力することができる。これによって温度等の抵抗変動に対する出力の変動を抑制可能である。
By forming a half bridge similar to that of the fifth embodiment by using these TMR elements, an output corresponding to the detection target current 15 can be output based on the resistance value of the
実施の形態8.
図19はこの発明の実施の形態8による電流検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、参照用TMR素子17a,17bを用いたフルブリッジの構成を示す。ここでは、実施の形態7で示したハーフブリッジ(電流検出部と称す)を2つ直列に接続した構成であり(1本の導体2と1つのTMR素子(1a,1b)と1つの参照用TMR素子(17b,17a)からなる構成を2つ並べて接続)、その接続点70が電源(Vcc)に接続されている。更に各々のハーフブリッジの中点(TMR素子(1a,1b)と参照用TMR素子(17b,17a)の接続点)の箇所が電圧計18に接続され、残りの端子はそれぞれ接地(GND)されており、ホイートストンブリッジを構成している。
Embodiment 8 FIG.
FIG. 19 is a schematic plan view showing the configuration of a current detection device according to Embodiment 8 of the present invention, and shows the configuration of a full bridge using
すなわち、それぞれが、導体2の傾斜部分(TMR素子が導体に対して傾き(θ)を持つように)に配置された1つのTMR素子(1a,1b)と、導体2が長手方向と直交する向きで配置された1つの参照用TMR素子(17b,17a)とからなる2つの直列回路が、電源(Vcc)と接地(GND)の間に接続され、2つの直列回路のTMR素子1と参照用TMR素子17の接続点間に電圧計18が接続されている。ここでVccに接続されるTMR素子は上記の2つの直列回路の内、TMR素子(1a,1b)のうちのいずれか1つと、TMR素子(17b,17a)のうちのいずれか1つがそれぞれ接続されなければならない。
That is, each of the TMR elements (1a, 1b) disposed on the inclined portion of the conductor 2 (so that the TMR element has an inclination (θ) with respect to the conductor) and the
導体2に電流が流れた際に、電圧計18で電圧を測定することにより、導体2における電流の検出が可能である。
When a current flows through the
なお、図19で示したそれぞれのTMR素子については、実施の形態5と同様に、複数のTMR素子から構成されてもよい。 Each TMR element shown in FIG. 19 may be composed of a plurality of TMR elements as in the fifth embodiment.
本実施の形態に依れば、実施の形態7で示した効果に加え、導体2に電流を印加しない時の出力が0となり、電流を印加することで生じる電位差が電流に比例するため、得られた電位差の絶対値を測定値として扱うことが可能となる。また実施の形態7に対して、2倍の出力信号を得ることができるため、より微小な電流の検出も可能となる。
According to the present embodiment, in addition to the effects shown in the seventh embodiment, the output when no current is applied to the
実施の形態9.
図20はこの発明の実施の形態9による磁界検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、この発明による電流検出装置を用いて磁界検出を行う。ここでは図20に示すx軸方向から印加された外部磁界H20の検出を行う。この外部磁界H20は導体2を流れる電流が作る磁界のx方向の成分16と平行でなければならない。
Embodiment 9 FIG.
FIG. 20 is a schematic plan view showing the configuration of a magnetic field detection device according to Embodiment 9 of the present invention. Magnetic field detection is performed using the current detection device according to the present invention. Here, the external magnetic field H20 applied from the x-axis direction shown in FIG. 20 is detected. This external magnetic field H20 must be parallel to the
ここでは、先ず、測定対象の外部磁界H20が存在しない状態で、TMR素子1の抵抗を測定し値を得る(外部磁界H20がないときのTMR素子1の抵抗をR0と定義する)。また図20に、このときTMR素子の抵抗を測定するための測定器と、得られた抵抗とR0の値を比較し、その結果に応じて電流源20aに対して、導体2に流す電流の増減を支持するための制御部および記憶部(共に図示省略)を備えた測定・制御部102を示す。
Here, first, the resistance of the
次に測定対象となる外部磁界H20を印加した状態でTMR素子1の抵抗を測定する(この時の測定値をR1とし、R0とR1の差の絶対値をΔRとする。ここでのΔRは、外部磁界H20を印加することでTMR素子1に生じた磁気抵抗効果による抵抗変化の絶対値である。そして、測定・制御部102から電流源20aに対して導体2に直流電流を供給させる電流供給指令103を出力する。この電流供給指令103は供給する電流値も指定する。この結果、導体2に供給された直流電流が作る電流誘起磁界16が外部磁界H20に加えられるため、TMR素子1の抵抗は更に変化する。ここで導体2に直流電流を供給した状態のTMR素子1の抵抗R2とR0との差をΔR’と定義する。
Next, the resistance of the
この時、ΔR>ΔR’(TMR素子1の抵抗がR0に近づくとき)であるならば、更に同じ向きに直流電流を増加させる。一方、ΔR<ΔR’(TMR素子1の抵抗がR0から遠ざかる)であるならば電流を減少させる。これを繰り返し、TMR素子1の抵抗が磁界を印加しない時の抵抗(R0)と等しくなる時の電流値を特定する。ここでその電流値を特定するときの条件は、ΔR’が一定の大きさαよりも小さいかどうかによる。このαは導体2に流す電流の制御分解能の下限の電流変化によって変化するTMR素子1の抵抗変化、または、空間に存在するノイズによる誤差や、測定・制御部102の測定分解能による量子化誤差のいずれかの最も大きい値とすることで、最も誤差の小さい外部磁界H20の測定が可能となる。
At this time, if ΔR> ΔR ′ (when the resistance of the
この結果、特定された電流は、その電流が誘起する磁界16が丁度、TMR素子1の部分に於いて、測定対象である外部磁界H20と逆方向で大きさが同じ磁界を発生させる電流とみなすことができる。また、電流が作る磁界の強度は、電流に強度が比例するため、この特定された電流に、一定の係数を乗じることによって、外部磁界H20の大きさを特定することが可能となる。
As a result, the specified current is regarded as a current that causes the
ここまで述べた方法を用いることで、この発明による磁界検出装置を用いて外部磁界の検出が可能であることを示した。このような方式の測定において精度良い測定、及び広い強度範囲の磁界を測定するためには、図7のこの発明を適用した場合のTMR素子1の磁気特性A(電流−抵抗特性)に示したような、飽和しづらく、ヒステリシスの出ない磁気特性が必要であり、この発明によって上記の効果を得た磁界検出装置を実現することが可能となる。
図21に、ここまでに述べた、この発明により外部磁界の測定を行うための一連の手順をフローチャートとして示す。これは測定・制御部102において行われる。簡単に説明すると、
外部磁界H20を印加した状態でTMR素子1の抵抗R0を測定し、次に外部磁界H20を印加した状態でTMR素子1の抵抗R1を測定し、R0とR1の差の絶対値ΔRを求め(ステップS1)、
図20の導体2の例えばA→B方向の電流を増加、またはB→A方向の電流を減少させ(ステップS2)、
導体2に直流電流を供給した状態のTMR素子1の抵抗R2を測定し、R2とR0の差の絶対値ΔR’を求め(ステップS3)、
ΔR>ΔR’(TMR素子1の抵抗がR0に近づくとき)であるならば、ステップS1〜S4を繰り返して、同じ向きに直流電流を増加させ、ΔR’<α(α:所定値)になったら(ステップS4、S5)、
供給電流Iを磁界に換算して出力し(ステップS11)、
また、ステップS4で、ΔR<ΔR’(TMR素子1の抵抗がR0から遠ざかる)場合には、R0とR1の差の絶対値ΔRを求め(ステップS6)、
図20の導体2の例えばB→A方向の電流を増加、またはA→B方向の電流を減少させ(ステップS7)、
R2とR0の差の絶対値ΔR’を求め(ステップS8)、
ΔR>ΔR’(TMR素子1の抵抗がR0に近づくとき)であるならば、ステップS6〜S9を繰り返して、同じ向きに直流電流を増加させ、ΔR’<αになったら(ステップS9、S10)、
供給電流Iを磁界に換算して出力し(ステップS11)、
ステップS9で、ΔR<ΔR’(TMR素子1の抵抗がR0から遠ざかる)場合には、ステップS1に戻り、動作を繰り返す。
導体2に供給する電流Iは、図21のフローチャートに置いては、先ず導体2の端Aから端Bの方向に流しているが、この順番は逆であってもよい。
It has been shown that by using the method described so far, it is possible to detect an external magnetic field using the magnetic field detection device according to the present invention. In order to measure with high accuracy and to measure a magnetic field in a wide intensity range in such a method, the magnetic characteristics A (current-resistance characteristics) of the
FIG. 21 is a flowchart showing a series of procedures for measuring an external magnetic field according to the present invention described so far. This is performed in the measurement /
The resistance R0 of the
For example, the current in the A → B direction of the
The resistance R2 of the
If ΔR> ΔR ′ (when the resistance of the
The supply current I is converted into a magnetic field and output (step S11),
If ΔR <ΔR ′ (the resistance of the
For example, the current in the B → A direction of the
An absolute value ΔR ′ of the difference between R2 and R0 is obtained (step S8),
If ΔR> ΔR ′ (when the resistance of the
The supply current I is converted into a magnetic field and output (step S11),
If ΔR <ΔR ′ (the resistance of the
The current I supplied to the
実施の形態10.
図22はこの発明の実施の形態10による磁界検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、実施の形態9で示した磁界検出装置を、実施の形態7で示したブリッジを用いて構成した場合の図である。実施の形態10では導体2と直交する位置に配置された参照用TMR素子17と、導体2とθの角度で交わるTMR素子1が直列に接続されており、それらの両端が電源(Vcc)と等電位面または接地(GND)面にそれぞれ接続されている。測定対象の外部磁界H20が存在しない場合は、これら2つのTMR素子1,17の抵抗は同値であるため、TMR素子1と参照用TMR素子17の接続点251の電位はVcc/2である。
FIG. 22 is a schematic plan view showing the configuration of the magnetic field detection device according to the tenth embodiment of the present invention. The magnetic field detection device shown in the ninth embodiment is replaced with the bridge shown in the seventh embodiment. It is a figure at the time of comprising. In the tenth embodiment, the
外部磁界H20を印加すると、TMR素子1の抵抗と参照用TMR素子17の抵抗が不等になる(このときの接続点251の電圧とVcc/2との差の絶対値をΔVと定義する)ため、接続点251の電位はVcc/2ではなくなる。ここで、導体2に電流を供給すると、電流が誘起する磁界16によってTMR素子1の抵抗が変化する。この結果、参照用TMR素子17とTMR素子1との抵抗の大小関係が変化するため、ΔVもまた変化する(この変化後のΔVをΔV’と定義する)。このΔV’を、先の実施の形態9におけるΔR’と同様に、最小になるように導体2に印加する電流を、電圧計・制御部252と電流源20aで制御することで、TMR素子1に外部磁界を印加しない場合の抵抗になる磁界を誘起するための電流を特定することができる。
When the external magnetic field H20 is applied, the resistance of the
この時、参照用TMR素子17は外部磁界H20の影響を受けないように、磁気シールド254などで覆っておくこと精度を向上させることが可能である。本実施の形態の回路要素の構成を図23に示す。図23の抵抗261が参照用TMR素子17、可変の抵抗260がTMR素子1である。それらの接続点の電位を、比較器262を用いてVcc/2と比較する。
At this time, it is possible to improve accuracy by covering the
本実施の形態であるとTMR素子1と参照用TMR素子17の温度特性が同じであることから、各温度において外部磁界H20を印加しないときの抵抗を参照用TMR素子17から得ることができ、各温度におけるTMR素子1が外部磁界H20を印加しない場合の抵抗になるための電流を、温度特性による誤差の影響を受けずに精度よく特定することが可能となる。
Since the temperature characteristics of the
なお、図22の電流源20aは図20の電流源20aのように、導体2に流す電流の向きを変えられる構成のものであってもよい。
Note that the
実施の形態11.
図24はこの発明の実施の形態11による磁界検出装置の構成を示した模式的な平面図であり、実施の形態10で説明した磁界検出装置を用いて、ホイートストンブリッジを構成した場合の図である。実施の形態10の構成を直列に接続し、その接続点271に電源(Vcc)を印加し、他方の端はそれぞれ接地(GND)する。TMR素子(1a,1b)と参照用TMR素子(17c,17d)のそれぞれの中点間の電位を電圧計・制御部252で測定し、その結果に応じて電流源20aを制御できるように接続されている。
FIG. 24 is a schematic plan view showing the configuration of the magnetic field detection device according to the eleventh embodiment of the present invention, and is a diagram in the case where a Wheatstone bridge is configured using the magnetic field detection device described in the tenth embodiment. is there. The configurations of the tenth embodiment are connected in series, a power supply (Vcc) is applied to the
ここでTMR素子1a,1bは外部磁界H20に対して抵抗が変化するが、参照用TMR素子17c,17dは常に外部磁界H20が印加されない時の抵抗を示す。ここで、外部磁界H20が印加されない場合は、TMR素子1a,1b、参照用TMR素子17c,17dのいずれも同じ抵抗となるため、電圧計・制御部252で測定される出力は0となる。一方、外部磁界H20が存在すると、TMR素子1a、1bと参照用TMR素子17c、17dの抵抗が不等となるため、電圧計・制御部252で電圧が生じる。この時の電圧をΔVとする。ここで電流源20aから導体2に電流を供給させると、電流により誘起される磁界によって、やはりTMR素子1a、1bの抵抗が変化しΔVが変化する(変化後の電圧をΔV’とする)。この時の電圧ΔVとΔV’を比較して、ΔVが最小になる電流を特定することで、外部磁界H20に相当する磁界を誘起する電流を特定することができる。
Here, the resistances of the
本実施の形態であると、ΔVを絶対値として得ることができるため、得られたΔVを増幅して導体2に印加する電流を決定することが可能となり、回路の構成要素を単純にすることが可能となる。
In this embodiment, since ΔV can be obtained as an absolute value, it is possible to amplify the obtained ΔV and determine the current to be applied to the
なお、図24の電流源20aは図20の電流源20aのように、導体2に流す電流の向きを変えられる構成のものであってもよい。
Note that the
実施の形態12.
この発明の上記各実施の形態において、導体2をはじめ、上部電極3a、下部電極3bは導電性の物質で構成されなければならないことは言うまでもない。その材料としてアルミニウム、Cu、Au、Agなどの導電率の大きな金属を用いることが望ましい。これによって導体2に印加することのできる電流の上限が向上するため、より大きな電流を検出することが可能となる。
Embodiment 12 FIG.
In each of the embodiments of the present invention, it goes without saying that the
また導電率が上述の物質に匹敵または凌駕する材料であれば、金属に限定する必要はなく、高い導電性を持つカーボンナノチューブや、伝導性のポリマーなどを用いて導体2を形成しても良い。
The
アルミニウム、金、銀などの物質を使用する場合は、スパッタリングによって成膜される。またCuなどはメッキ技術と平坦化技術を用いたダマシン法などにより形成される。
図4のように導体2の上層にTMR素子1を形成する場合は、導体2や下部電極3bを形成した後、それぞれ化学機械研磨(CMP:Chemical Mechanical Polishing)などの手法で平坦化を行った後、TMR素子1を形成することが望ましい。
When a material such as aluminum, gold, or silver is used, the film is formed by sputtering. Cu or the like is formed by a damascene method using a plating technique and a planarization technique.
When the
なおこの発明は、上記の各実施の形態に限定されるものではなく、これらの可能な組み合わせを全て含む。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and includes all possible combinations thereof.
1,1a,1b TMR素子(磁気抵抗効果素子)、1aa 反強磁性膜、1bb 強磁性膜、1cc 非磁性膜、1dd 強磁性膜、1ee トンネル絶縁層、1ff 強磁性膜、2 導体、3a 上部電極、3b 下部電極、4 絶縁層、17,17a,17b 参照用TMR素子(磁気抵抗効果素子)、20,21a 電流源、21 電圧計、22 負荷、102 測定・制御部、190 抵抗測定器、252 電圧計・制御部、254 磁気シールド、262 比較器。 1, 1a, 1b TMR element (magnetoresistance effect element), 1aa antiferromagnetic film, 1bb ferromagnetic film, 1cc nonmagnetic film, 1dd ferromagnetic film, 1ee tunnel insulating layer, 1ff ferromagnetic film, 2 conductor, 3a upper part Electrode, 3b Lower electrode, 4 Insulating layer, 17, 17a, 17b Reference TMR element (magnetoresistance effect element), 20, 21a Current source, 21 Voltmeter, 22 Load, 102 Measurement / control unit, 190 Resistance measuring device, 252 Voltmeter / control unit, 254 Magnetic shield, 262 Comparator.
Claims (11)
前記磁気抵抗効果素子における積層方向からみて、前記磁気抵抗効果素子が前記導体とその一部または全部が重なる位置に配置され、かつ前記導体の電流が流れる方向に沿った中心線の方向が、前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った中心線の方向と異なることを特徴とする電流検出装置。 An elongated magnetoresistive effect element in which a fixed layer whose magnetization direction is fixed and a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field, and a conductor extending in the vicinity of the magnetoresistive effect element, In accordance with the resistance value of the magnetoresistive effect element that changes due to the current-induced magnetic field of the current that flows in the current detection device,
When viewed from the stacking direction of the magnetoresistive effect element, the magnetoresistive effect element is disposed at a position where the conductor and part or all of the conductor overlap, and the direction of the center line along the direction in which the current of the conductor flows is A current detection device characterized by being different from a direction of a center line along a longitudinal direction of the magnetoresistive effect element.
直列に接続された前記磁気抵抗効果素子に電圧印加したときの、前記半数の前記磁気抵抗効果素子と前記残りの半数の前記磁気抵抗効果素子との接続点の電位から前記導体に流れる電流を検出する制御部を有する請求項1に記載の電流検出装置。 An even number of magnetoresistive elements arranged in parallel in the longitudinal direction and electrically connected in series are provided, and half of the magnetoresistive elements are centered at a first angle. Intersecting with the other half of the magnetoresistive elements intersecting the conductors whose centerlines intersect at a second angle different from the first angle;
When a voltage is applied to the magnetoresistive effect elements connected in series, a current flowing through the conductor is detected from a potential at a connection point between the half of the magnetoresistive effect elements and the remaining half of the magnetoresistive effect elements. The current detection device according to claim 1, further comprising a control unit that performs the operation.
前記電流検出部間の接続点に電圧を印加した時の、それぞれの前記電流検出部に含まれる前記磁気抵抗効果素子の半数と残りの半数との接続点間の電位差から前記導体に流れる電流を検出する制御部を有する電流検出装置。 Two current detection units including the even number of the magnetoresistive effect elements according to claim 7 and the conductor are connected in series,
When a voltage is applied to a connection point between the current detection units, a current flowing through the conductor from a potential difference between the connection points between the half of the magnetoresistive effect elements included in each of the current detection units and the remaining half. A current detection device having a control unit for detection.
前記磁気抵抗効果素子における積層方向からみて、前記磁気抵抗効果素子を前記導体とその一部または全部が重なる位置に、前記導体の電流が流れる方向に沿った中心線の方向が、前記磁気抵抗効果素子の長手方向に沿った中心線の方向と異なるように配置する電流検出方法。 A current-induced magnetic field of a current flowing in a conductor extending in the vicinity of the magnetoresistive effect element of an elongate magnetoresistive effect element in which a fixed layer whose magnetization direction is fixed and a free layer whose magnetization direction is changed by an external magnetic field are laminated A current detection method for detecting a current flowing through the conductor in accordance with a resistance value that varies according to:
When viewed from the stacking direction of the magnetoresistive effect element, the magnetoresistive effect element is positioned so that the conductor and a part or all of the conductor overlap, and the direction of the center line along the direction in which the current of the conductor flows is the magnetoresistive effect. A current detection method of arranging differently from the direction of the center line along the longitudinal direction of the element.
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