JP2014169952A - Electric current sensor, and electric power sensor - Google Patents
Electric current sensor, and electric power sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2014169952A JP2014169952A JP2013042606A JP2013042606A JP2014169952A JP 2014169952 A JP2014169952 A JP 2014169952A JP 2013042606 A JP2013042606 A JP 2013042606A JP 2013042606 A JP2013042606 A JP 2013042606A JP 2014169952 A JP2014169952 A JP 2014169952A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- current
- current sensor
- magnetoresistive element
- magnetic field
- load
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Measuring Instrument Details And Bridges, And Automatic Balancing Devices (AREA)
Abstract
【課題】簡単な構成で、高性能な電流センサを提供する。
【解決手段】本発明の実施の形態の電流センサは、負荷に電流を供給する交流電源と、負荷に流れる電流に伴って変化する磁界に基づき抵抗値が変化する磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子に電流を供給する電流源と、磁気抵抗素子の両端子の電位差の最大値及び最小値を検出して出力する検出出力回路と、を有し、最大値及び最小値に基づき、負荷に流れる電流を検知することを特徴とすることにより上記課題を解決する。
【選択図】図1A high-performance current sensor with a simple configuration is provided.
A current sensor according to an embodiment of the present invention includes an AC power supply that supplies current to a load, a magnetoresistive element that changes its resistance value based on a magnetic field that changes in accordance with the current that flows through the load, and a magnetoresistive element And a detection output circuit that detects and outputs a maximum value and a minimum value of a potential difference between both terminals of the magnetoresistive element, and a current that flows through the load based on the maximum value and the minimum value. This problem is solved by detecting the above.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、電流センサ、及び電力センサに関する。 The present invention relates to a current sensor and a power sensor.
近年、スピン(電子が持つ磁気的な性質)という物理量を利用して、新しい物性や機能、デバイス等を実現しようとするスピントロニクスの研究が、大きな潮流になっている。磁気抵抗素子の1つである巨大磁気抵抗効果を有するGMR(Giant Magneto Resistive)素子や、トンネル磁気抵抗効果を有するTMR(Tunneling Magneto Resistive)素子等の次世代磁気メモリヘッド、磁気ヘッド、磁気センサ分野等への応用が検討されている。 In recent years, research on spintronics that attempts to realize new physical properties, functions, devices, and the like using physical quantities called spins (magnetic properties of electrons) has become a major trend. Next-generation magnetic memory heads, such as GMR (Giant Magneto Resistive) elements that have one of the magnetoresistive elements and TMR (Tunneling Magneto Resistive) elements that have a tunnel magnetoresistive effect, magnetic heads, and magnetic sensor fields The application to etc. is examined.
TMR素子とは、強磁性金属/薄い絶縁膜トンネル障壁/強磁性金属、から成る素子である。絶縁膜の厚さが2nm程度と非常に薄いため両側の強磁性金属間にトンネル電流を流すことができる。強磁性金属の磁化方向に依存するトンネル抵抗の変化を、磁気センサ等の検知素子として利用できる。 The TMR element is an element made of ferromagnetic metal / thin insulating film tunnel barrier / ferromagnetic metal. Since the insulating film is very thin, about 2 nm, a tunnel current can flow between the ferromagnetic metals on both sides. A change in tunnel resistance depending on the magnetization direction of the ferromagnetic metal can be used as a sensing element such as a magnetic sensor.
磁気センサの応用としては、例えば、磁界変化を測定することで電流を非接触で検知できる電流センサ等が広く用いられている。 As an application of the magnetic sensor, for example, a current sensor that can detect a current in a non-contact manner by measuring a magnetic field change is widely used.
特許文献1では、GMR素子と、GMR素子にバイアス磁界を印加するバイアス磁石と、被測定電流が流れるプリント基板とを積層し、微小電流や大電流を精度良く検出する電流センサを開示している。 Patent Document 1 discloses a current sensor that stacks a GMR element, a bias magnet that applies a bias magnetic field to the GMR element, and a printed circuit board through which a current to be measured flows to detect a minute current or a large current with high accuracy. .
特許文献2では、被測定磁界、或いは被測定電流の大きさや方向の情報を含む微分信号を検波することで、バイアス磁界用の永久磁石の使用に伴う動作点及び感度のばらつきを低減させた磁気センサ装置及び電流センサ装置を開示している。 In Patent Document 2, a magnetic field in which variation in operating point and sensitivity associated with the use of a permanent magnet for a bias magnetic field is reduced by detecting a differential signal including information on the magnitude and direction of a magnetic field to be measured or a current to be measured. A sensor device and a current sensor device are disclosed.
電流センサの性能を表す指標として、例えば、測定対象に流れる電流を正確に検知できること、電流センサに搭載される磁気抵抗素子が近接部を流れる電流に対して鋭敏に磁化反転すること、等が挙げられる。 As an index representing the performance of the current sensor, for example, it is possible to accurately detect the current flowing through the measurement target, and that the magnetoresistive element mounted on the current sensor sharply reverses magnetization with respect to the current flowing through the adjacent portion. It is done.
特許文献1における電流センサは、被測定磁界の他に、バイアス磁界印加手段により一定のバイアス磁界を、磁気抵抗手段に印加している。被測定磁界及びバイアス磁界により、被測定電流を検知しているため、バイアス磁界の影響を容易に受け易く、検知精度が十分ではない。更に、磁気抵抗素子を、GMR素子に限定している。 In the current sensor in Patent Document 1, in addition to the magnetic field to be measured, a constant bias magnetic field is applied to the magnetoresistive means by the bias magnetic field applying means. Since the measured current is detected by the measured magnetic field and the bias magnetic field, it is easily affected by the bias magnetic field, and the detection accuracy is not sufficient. Furthermore, the magnetoresistive element is limited to the GMR element.
更に、電流センサは、小型且つ簡単な構成であることが望まれる。 Furthermore, the current sensor is desired to have a small and simple configuration.
特許文献2における電流センサは、微分信号を生成、或いは検波するための回路を必要とするため、電流センサの構成が複雑になっている。 Since the current sensor in Patent Document 2 requires a circuit for generating or detecting a differential signal, the configuration of the current sensor is complicated.
即ち、磁気抵抗素子の特性を生かしつつ、簡単な構成を有し、且つ性能が高い電流センサは、未だ開発されていない。 That is, a current sensor having a simple configuration and high performance while utilizing the characteristics of the magnetoresistive element has not been developed yet.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で、高性能な電流センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a high-performance current sensor with a simple configuration.
上記目的を達成するために、本発明の実施の形態の電流センサは、負荷に電流を供給する交流電源と、負荷に流れる電流に伴って変化する磁界に基づき抵抗値が変化する磁気抵抗素子と、磁気抵抗素子に電流を供給する電流源と、磁気抵抗素子の両端子の電位差の最大値及び最小値を検出して出力する検出出力回路と、を有し、最大値及び最小値に基づき、負荷に流れる電流を検知することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a current sensor according to an embodiment of the present invention includes an AC power supply that supplies current to a load, a magnetoresistive element that changes its resistance value based on a magnetic field that changes in accordance with the current flowing through the load, and A current source that supplies current to the magnetoresistive element, and a detection output circuit that detects and outputs a maximum value and a minimum value of a potential difference between both terminals of the magnetoresistive element, and based on the maximum value and the minimum value, It is characterized by detecting a current flowing through a load.
本発明の実施の形態によれば、簡単な構成で、高性能な電流センサを提供することができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a high-performance current sensor with a simple configuration.
(電流センサの構成)
図1は、本実施形態に係る電流センサ10の概略構成の一例である。
(Configuration of current sensor)
FIG. 1 is an example of a schematic configuration of a
図1に示す様に、電流センサ10は、交流電源11と、負荷12(測定対象)と、検出出力回路13と、磁気抵抗素子14と、磁気抵抗素子14用の電流源15とを有する。
As shown in FIG. 1, the
検出出力回路13と磁気抵抗素子14とは並列に接続されている。また、電流源15と磁気抵抗素子14とは直列に接続されている。また、負荷12の一方の端子は、交流電源11と電気的に接続され、負荷12の他方の端子は、例えばGND等に電気的に接続されている。
The
電流センサ10は、測定対象である負荷12に流れる電流を検知することで、電流センサ10として機能する。
The
交流電源11は、負荷12に、交流電流を供給する。
The
負荷12には、電流センサ10により検知される電流が流れる。
A current detected by the
磁気抵抗素子14は、磁気抵抗素子14に生じる磁界変化に基づき抵抗値が変化する素子である。本実施形態に係る電流センサ10の場合、外部から磁界が印加されていないため、磁気抵抗素子14に磁界変化を生じさせる要因は、磁気抵抗素子14の近接部に流れる電流(負荷に流れる電流でもある)である。該電流に伴って、磁気抵抗素子14に生じる磁界は変化する。
The magnetoresistive element 14 is an element whose resistance value changes based on a magnetic field change generated in the magnetoresistive element 14. In the case of the
なお、この磁気抵抗素子14の磁界は、磁気抵抗素子14の磁化のメジャーループにて動作する以外にマイナーループ(微弱な交流磁界に対して形成される微小な磁化ループ)に沿って変化する。 The magnetic field of the magnetoresistive element 14 changes along a minor loop (a minute magnetization loop formed with respect to a weak alternating magnetic field) in addition to operating in the major loop of magnetization of the magnetoresistive element 14.
なお、磁気抵抗素子14の抵抗値は、磁気抵抗素子14の近接部に流れる電流の他にも、素子の膜厚、素子の面積、素子を構成する材料等にも依存する。 Note that the resistance value of the magnetoresistive element 14 depends not only on the current flowing in the vicinity of the magnetoresistive element 14, but also on the film thickness of the element, the area of the element, the material constituting the element, and the like.
なお、磁気抵抗素子14としては、TMR素子、GMR素子、AMR(An-Isotropic Magneto Resistive)素子等が挙げられるが、これらの素子に限定されない。用途に合わせて適宜、素子を選択すれば良い。 Examples of the magnetoresistive element 14 include a TMR element, a GMR element, and an AMR (An-Isotropic Magneto Resistive) element, but are not limited to these elements. An element may be selected as appropriate according to the application.
検出出力回路13は、磁気抵抗素子14の一方の端子(例えば、後述するキャップ層)の電圧と、他方の端子(例えば、後述するシード層)の電圧との間の電位差を検出する。
The
該電位差は、磁気抵抗素子14の近接部に流れる電流に伴って、変化する。即ち、磁気抵抗素子14に生じる磁界変化に基づき、磁気抵抗素子14の抵抗値が変化し、磁気抵抗素子14の両端子の電位差が変化する。 The potential difference changes with the current flowing in the vicinity of the magnetoresistive element 14. That is, based on the change in the magnetic field generated in the magnetoresistive element 14, the resistance value of the magnetoresistive element 14 changes, and the potential difference between both terminals of the magnetoresistive element 14 changes.
更に、検出出力回路13は、検出した磁気抵抗素子14の両端子の電位差の最大値(瞬時値)、及び最小値(瞬時値)を取り込み、取り込んだ最大値及び最小値に基づく出力信号を、外部に設けられている出力信号処理部16等へ出力する。該出力信号は、電流センサが検知する電流である。
Further, the
電流源15は、磁気抵抗素子14に、所定の大きさの定電流を供給する。
The
なお、電流源15は、磁気抵抗素子14に磁界変化が生じる場合も、生じない場合も、磁気抵抗素子14用の電流源15は、磁気抵抗素子14に対して、一定電流を供給する。
The
本実施の形態に係る電流センサ10によれば、磁気抵抗素子の両端子に発生する電位差の最大値及び最小値に基づき、測定対象である負荷12に流れる電流を、正確に検知することができる。即ち、ピーク値(最大値及び最小値)のみを検知の対象とするため、複雑な回路等を搭載することなく、非常に簡単な構成で、高性能な電流センサを実現することができる。更に、磁気抵抗素子14の近接部に流れる電流と、測定対象に流れる電流が等しいため、該電流を流すことで生じる磁気抵抗素子14の磁界変化を利用することができる。従って、例えば、外部磁界を印可するための構成等を省くことができ、簡単な構成で電流センサを実現できる。
According to the
なお、図1に示す電流センサ10において、交流電源11から負荷12へ流れる電流の電流経路(磁気抵抗素子14の近接部に流れる電流の電流経路)は、磁気抵抗素子14を囲む様な形状(平面ループ状形状)であるが、電流経路の形状は、特に限定されない。
In the
例えば、図2に示す電流センサ20の様に、電流分岐点及び電流合流点(例えば、分岐点A、合流点B)を有する形状であっても良い。図2に示す様に、電流IAが、分流されて、分岐点Aを通過し、電流IA1及び電流IA2となり、合流点Bを通過し、再び合流して電流IAとなる様な、電流が流れるような電流経路の形状であっても良い。
For example, like the
電流経路の形状を、電流分岐点及び電流合流点を有する形状とすることで、磁気抵抗素子14で検知する電流を低く抑えることができる。即ち、実際負荷12には、大きな電流(電流IA)が流れていても、磁気抵抗素子14には、電流IA1分を電流IAから差し引いた小さな電流(電流IA2)が流れているため、電流センサ20は、電流IA2に基づき電流IAを検知することができる。
By making the shape of the current path into a shape having a current branch point and a current junction, the current detected by the magnetoresistive element 14 can be kept low. That is, even though a large current (current I A ) flows through the
このように、電流センサ20によれば、磁気抵抗素子14に流れる電流が大きすぎることによって、生じてしまう磁気抵抗素子14の磁気飽和現象を低減できる。従って、電流センサの検知できる電流の検知範囲を広げることができる。即ち、小電流から大電流まで、広い範囲の電流を負荷に流しても、比較的容易に電流を検知できる。
Thus, according to the
なお、電流経路の形状は、特に限定されない。この他にも、例えば、電流経路の形状は、直線形状でも良いし、半ループ形状でも良い。いずれの場合においても、電流経路が磁気抵抗素子14に近接し、十分な感度(磁気抵抗素子14が磁界変化及び抵抗値の変化を生じ得る程度の電流が流れる)が得られるような形状で、電流経路を形成することが好ましい。また、検出出力回路13が、所望の信号出力を出力し得る様な形状で、電流経路を形成することも可能である。
The shape of the current path is not particularly limited. In addition, for example, the shape of the current path may be a linear shape or a half-loop shape. In any case, the current path is close to the magnetoresistive element 14, and the shape is such that sufficient sensitivity (current that can cause the magnetoresistive element 14 to change the magnetic field and the resistance value flows) is obtained. It is preferable to form a current path. It is also possible to form the current path in such a shape that the
なお、図1及び図2に示す電流センサにおいては、磁気抵抗素子14を1個有する構成としているが、磁気抵抗素子14の個数は、特に限定されない。 The current sensor shown in FIGS. 1 and 2 is configured to have one magnetoresistive element 14, but the number of magnetoresistive elements 14 is not particularly limited.
例えば、図2に示す分岐させた電流IA1、電流IA2に対して、各々磁気抵抗素子を設けても良い。 For example, a magnetoresistive element may be provided for each of the branched currents I A1 and I A2 shown in FIG.
また、例えば、図3に示す電流センサ30の様に、磁気抵抗素子を4個有する構成としても良い。磁気抵抗素子を4個設けた場合、これらの全ての磁気抵抗素子を利用しても良いし、一部の磁気抵抗素子を利用しても良い。
Further, for example, a configuration having four magnetoresistive elements as in the
電流センサ30は、磁気抵抗素子14A、14B、14C、14Dを有する。磁気抵抗素子14A、14Bが直列に接続され、磁気抵抗素子14C、14Dが直列に接続され、且つ、直列接続された磁気抵抗素子14A、14Bと、直列接続された磁気抵抗素子14C、14Dとが並列に接続されている。
The
検出出力回路13は、端子X(磁気抵抗素子14Cと磁気抵抗素子14Dとの間の端子)の電圧と端子Y(磁気抵抗素子14Aと磁気抵抗素子14Bとの間の端子)の電圧との間の電位差を検出する。なお、端子Xと端子Yとの間の電位差は、磁気抵抗素子14A、14B、14C、14Dの抵抗値の変化に付随して変化する。なお、これらの磁気抵抗素子の抵抗値の変化の増減する方向は、適宜設定することができる。
The
磁気抵抗素子の個数が多い程、電流を検知するために必要となる磁気抵抗素子の抵抗値変化をより厳密に検出することができる。従って、電流センサとしての性能をより高めることができる。 The greater the number of magnetoresistive elements, the more precisely the change in resistance value of the magnetoresistive elements necessary for detecting the current can be detected. Therefore, the performance as a current sensor can be further improved.
(磁気抵抗素子)
次に、図4及び図5を用いて本実施の形態に係る電流センサに用いられる磁気抵抗素子14の一例として、TMR素子について説明する。なお、磁気抵抗素子14は、TMR素子に限定されない。磁気抵抗素子14の近接部を流れる電流(測定対象に流れる電流)の変化に対して、鋭敏な磁界変化を示す磁気抵抗素子であれば、特に好ましい。
(Magnetic resistance element)
Next, a TMR element will be described as an example of the magnetoresistive element 14 used in the current sensor according to the present embodiment with reference to FIGS. The magnetoresistive element 14 is not limited to a TMR element. It is particularly preferable if the magnetoresistive element exhibits a sharp magnetic field change with respect to a change in the current flowing in the vicinity of the magnetoresistive element 14 (current flowing through the measurement target).
図4は、磁気抵抗素子として、TMR素子100を用いた場合の、TMR素子の磁界に対する抵抗値変化の一例を示すグラフである。また、図5は、TMR素子100の断面概略図である。横軸は、磁界(相対値)、縦軸は、抵抗値(相対値)を示す。
FIG. 4 is a graph showing an example of a change in resistance value with respect to the magnetic field of the TMR element when the
図4に示す様に、領域C1において、TMR素子の抵抗値は、磁界に対して直線的な増加特性を有する。ある磁界(例えば領域C1と領域C2との境界)までは、TMR素子の抵抗値は、磁界に対して直線的な増加特性を有する(磁界の増加に対して磁化のマイナーループの傾きは一定の値を維持する)。しかし、ある磁界を過ぎると磁気飽和が始まり、TMR素子の抵抗値は、一定の値で飽和する。(磁界の増加に対して磁化のマイナーループの傾きは小さくなる)。領域C2において、TMR素子の抵抗値は、磁界に対して飽和特性を有する。即ち、領域C1から領域C2への移行に伴い、TMR素子の抵抗値は、直線的な増加特性から飽和特性へと徐々にシフトする。 As shown in FIG. 4, in the region C1, the resistance value of the TMR element has a linear increase characteristic with respect to the magnetic field. Up to a certain magnetic field (for example, the boundary between region C1 and region C2), the resistance value of the TMR element has a linear increase characteristic with respect to the magnetic field (the inclination of the minor loop of magnetization is constant as the magnetic field increases) Value). However, when a certain magnetic field is passed, magnetic saturation begins, and the resistance value of the TMR element saturates at a constant value. (The inclination of the minor loop of magnetization decreases with increasing magnetic field). In the region C2, the resistance value of the TMR element has a saturation characteristic with respect to the magnetic field. That is, with the transition from the region C1 to the region C2, the resistance value of the TMR element gradually shifts from a linear increase characteristic to a saturation characteristic.
次に、TMR素子の具体的な構成について説明する。 Next, a specific configuration of the TMR element will be described.
図5に示す様に、TMR素子100は、キャップ層101、フリー層102、トンネル障壁層103、磁化固定層104、シード層105、基板106を含む。
As shown in FIG. 5, the
TMR素子100ではトンネル障壁層103を挟む2つの磁性層(フリー層102及び磁化固定層104)の磁界の方向が、TMR素子100の抵抗値を決定する。
In the
磁化固定層104の磁界の方向は、固定されている。フリー層102の磁界の方向は、変化する。従って、磁化固定層104の磁界の方向に対するフリー層102の磁界の方向の変化の度合いにより、TMR素子100の抵抗値は定まる。
The direction of the magnetic field of the magnetization fixed
例えば、磁化固定層104の磁界の方向とフリー層102の磁界の方向が平行であれば、TMR素子100の抵抗値は小さくなる。また例えば、反平行であれば、TMR素子100の抵抗値は大きくなる。
For example, if the direction of the magnetic field of the fixed
なお、近接部を流れる電流に対してフリー層102の磁界の方向が反転し易い程(鋭敏に磁化反転する程)、TMR素子100としての性能は高いため、高感度な電流センサとして用いることが可能である。フリー層102の磁界の方向の反転(磁化反転)し易さは、磁化固定層104及びフリー層102の膜厚等によっても変更可能である。
Since the performance of the
なお、TMR素子100の抵抗値は、電流の他にも、トンネル障壁層103の膜厚により制御することもできる。トンネル障壁層103の膜厚を薄くする程、抵抗値は小さくなる。
Note that the resistance value of the
また、TMR素子100の抵抗値は、フリー層102及び磁化固定層104等の素子面積により制御可能である。素子面積が大きい程、抵抗値は小さくなる。
Further, the resistance value of the
また、磁気抵抗素子14の抵抗値は、磁気抵抗素子14を構成する材料によっても、制御できることが知られている。材料により変化する電子移動度の違い等が抵抗値を変化させる原因になる。 It is also known that the resistance value of the magnetoresistive element 14 can be controlled by the material constituting the magnetoresistive element 14. Differences in electron mobility, etc. that vary depending on the material cause the resistance value to change.
このように、TMR素子100の抵抗値は、素子の膜厚、素子の面積、素子を構成する材料等により比較的制御し易く、本実施形態に係る電流センサに適用し易い。
As described above, the resistance value of the
基板106としては、Si基板や、SiO2基板等を用いることができる。 As the substrate 106, a Si substrate, a SiO2 substrate, or the like can be used.
シード層105は、基板106と磁化固定層104との間の緩衝層となる。シード層105は、超高真空スパッタ装置やイオンビームスパッタ装置、EB蒸着装置等を用いて、膜厚0.5nm〜10nm程度で形成される。シード層105は、積層構造としても良い。例えば、Ta層とFeNiとの積層構造にすることで、シード層105としての特性を向上させることが可能である。
The seed layer 105 serves as a buffer layer between the substrate 106 and the magnetization fixed
磁化固定層104としては、FeMn層、PtMn層、IrMn層、NiMn層、PdPt層、Mn層、CrPtMn層、CoMn層等、またはそれらの合金層等を用いることができる。また、保持力の大きい材料や、硬質磁性材料(例えば、AlNiCo、PtCo、等)を用いても良い。磁化固定層104の膜厚は、3nm〜400nm程度が好ましいが、10nm〜100nm程度であれば、より好ましい。
As the magnetization fixed
なお、磁化固定層104上に、ピンド層として、シンセティックフェリ磁性媒体(Synthetic Ferrimagnetic Media)等を形成しても良い。
Note that a synthetic ferrimagnetic medium or the like may be formed on the magnetization fixed
トンネル障壁層103としては、AlO層、MgO層等を用いることができる。トンネル障壁層103の膜厚は、0.5nm〜6nm程度が好ましいが、1nm〜4nm程度であれば、より好ましい。例えばMgO層を用いた場合、膜厚が比較的厚くても、優れた磁気抵抗変化率特性を得ることができる。更に、MgO層にアニール処理を施すことで、MgO層の結晶性を高め、磁気抵抗変化率特性を向上させることもできる。 As the tunnel barrier layer 103, an AlO layer, an MgO layer, or the like can be used. The thickness of the tunnel barrier layer 103 is preferably about 0.5 nm to 6 nm, more preferably about 1 nm to 4 nm. For example, when an MgO layer is used, an excellent magnetoresistance change rate characteristic can be obtained even if the film thickness is relatively large. Furthermore, the MgO layer can be annealed to increase the crystallinity of the MgO layer and improve the magnetoresistance change rate characteristics.
フリー層102としては、パーマロイ(NiFe)層、スーパーマロイ層、CoFe層、CoNiFe層、CoZrNb層、CoFeB層、CoFeSiB層、FeAlSi層等を用いることができる。また、軟磁気特性を有する材料、硬質磁気特性を有する材料等を用いることができる。 As the free layer 102, a permalloy (NiFe) layer, a supermalloy layer, a CoFe layer, a CoNiFe layer, a CoZrNb layer, a CoFeB layer, a CoFeSiB layer, a FeAlSi layer, or the like can be used. Further, a material having soft magnetic characteristics, a material having hard magnetic characteristics, or the like can be used.
なお、TMR素子100において、微弱磁界の検知は主にフリー層102の特性に依存する。フリー層102の特性を向上させることで、電流センサの場合は、電流の検知感度を高めることができる。
In the
キャップ層101は、フリー層102を保護するために形成される。キャップ層101としては、Ta層、Au層等を用いることができる。 The cap layer 101 is formed to protect the free layer 102. As the cap layer 101, a Ta layer, an Au layer, or the like can be used.
上述の様に、本実施の形態に係る電流センサに、スピントロニクス素子の特性を生かしたTMR素子100を適用することで、簡単な構成で、且つ高性能な電流センサを提供し易い。
As described above, by applying the
(電流センサの動作)
次に、本実施の形態に係る電流センサ10の電流検知時の動作について説明する。
(Operation of current sensor)
Next, the operation at the time of current detection of the
図6は、電流センサ10の電流検知時の動作の一例を示すフローチャートである。
FIG. 6 is a flowchart showing an example of the operation of the
負荷12に、交流電源11から電流が供給されると(S201)、負荷12に流れる電流の変化に伴って、磁気抵抗素子14の磁界に変化が生じる(S202)。
When a current is supplied from the
磁気抵抗素子14の磁界変化に基づき、磁気抵抗素子14の抵抗値が変化する。磁気抵抗素子14の抵抗値が変化することにより、磁気抵抗素子14の両端子の電位差が変化する(S203)。 Based on the magnetic field change of the magnetoresistive element 14, the resistance value of the magnetoresistive element 14 changes. As the resistance value of the magnetoresistive element 14 changes, the potential difference between both terminals of the magnetoresistive element 14 changes (S203).
磁気抵抗素子14の電位差の変化に基づき、電流センサ10は、測定対象(負荷12)に流れる電流を検知する。具体的には、検出出力回路13が、電位差の最大値(瞬時値)、及び最小値(瞬時値)を取り込み(S204)、最大値及び最小値に基づく出力信号を出力する(S205)。
Based on the change in the potential difference of the magnetoresistive element 14, the
検出出力回路13が、出力信号を出力した後は、再びS201へ戻る。S201からS205までのフローを、繰り返し、測定対象に流れる電流を検知する。
After the
なお、電流センサ10の外部或いは内部に、検知制御部やプログラム等を設けて、適宜操作することも可能である。
It should be noted that a detection control unit, a program, or the like may be provided outside or inside the
なお、最大値及び最小値の取り込みは、各周期単位の瞬時値測定が可能である。例えば、1周期分の最大値及び最小値を取り込むことも可能であるし、必要に応じて、周期数を任意に選択することができる。状況に合わせて最適な周期数を選択することにより、電流センサとしての即時性を高め、且つ性能を維持することができる。 Note that the maximum value and the minimum value can be captured by measuring the instantaneous value in each cycle unit. For example, the maximum value and the minimum value for one period can be taken in, and the number of periods can be arbitrarily selected as necessary. By selecting the optimal number of cycles according to the situation, the immediacy of the current sensor can be improved and the performance can be maintained.
次に、図7に、本実施の形態に係る電流センサ10により、測定対象(負荷12)に流れる電流を検知した際の、測定データの一例を示す。
Next, FIG. 7 shows an example of measurement data when the current flowing through the measurement target (load 12) is detected by the
図7に示す様に、時間の経過に伴って変化する負荷12に流れる電流を、電流センサ10により、正確に検知できていることがわかる。
As shown in FIG. 7, it can be seen that the
なお、図7に示す測定データと、交流電源11の電圧との積から、電力を算出することも可能である。従って、電流センサ10に電力算出手段を設けることで、電流センサを利用した電力センサを構成することも可能である。
Note that it is also possible to calculate the power from the product of the measurement data shown in FIG. 7 and the voltage of the
また、図8(A)に示すように、図7に示す測定データを、検波し、検波した後、各周期で積分することもできる。また、図8(B)に示すように、図7に示す測定データを、検波し、検波した後、各周期で積分し、各周期で積分した後、更に整流することもできる。 Further, as shown in FIG. 8A, after the measurement data shown in FIG. 7 is detected and detected, it can be integrated in each cycle. Further, as shown in FIG. 8B, the measurement data shown in FIG. 7 can be detected, detected, integrated in each cycle, integrated in each cycle, and further rectified.
図8に示す様に、この場合も、時間の経過に伴って変化する負荷12に流れる電流を、電流センサ10により、正確に検知できていることがわかる。
As shown in FIG. 8, in this case as well, it can be seen that the current flowing through the
上述のように、負荷に流れる電流を積分する、或いは整流することで、ノイズ成分等を除去し易くなり、電流センサとしての性能を、より高めることができる。 As described above, by integrating or rectifying the current flowing through the load, noise components and the like can be easily removed, and the performance as a current sensor can be further improved.
本発明に係る電流センサ10によれば、磁気抵抗素子の特性を生かし、磁気抵抗素子の近接部に電流を流し、該電流を検知するという簡単な構成により、電流センサを実現できるため、実用性に富む。また、電位差の最大値及び最小値のみに着目し、該最大値及び最小値を、電流検知の対象として利用することで、簡単な構成であるにも関わらず、測定対象に流れる電流を正確に検知することができる。
According to the
(適用例1)
図9は、本実施形態の電流センサを、半導体LSI工程の中に取り込み作製した半導体装置の一例を示す断面模式図である。
(Application example 1)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing an example of a semiconductor device manufactured by incorporating the current sensor of this embodiment into a semiconductor LSI process.
TMR素子100は、一方の端子(キャップ層側)が、配線メタル層B及び配線メタル層Cを介して、検出出力回路13と電気的に接続されている。また、他方の端子(シード層側)が、配線メタルAを介して、MOSLSI領域と電気的に接続されている。
In the
電気配線wrは、TMR素子100の薄膜の積層方向(図中上下方向)に沿ってループ状に形成されている。
The electric wiring wr is formed in a loop shape along the thin film stacking direction (vertical direction in the drawing) of the
該構成によれば、TMR素子100に発生する磁界方向は、TMR素子100の膜面(図中左右方向)に平行となるため、TMR素子100の反磁界の影響を考慮できる。従って、電流センサとしての検知性能を向上させることができる。
According to this configuration, the direction of the magnetic field generated in the
また、TMR素子100に対して、垂直な方向に多層配線を形成することができるため、比較的低面積でのMOSLSIの作製が可能であり、電流センサの小型化と高感度化の両立を図ることができる。
In addition, since multilayer wiring can be formed in a direction perpendicular to the
(適用例2)
図10は、本実施形態の電流センサを、半導体LSI工程の中に取り込み作製した半導体装置の一例を示す上面模式図である。
(Application example 2)
FIG. 10 is a schematic top view showing an example of a semiconductor device manufactured by incorporating the current sensor of this embodiment into a semiconductor LSI process.
TMR素子で作製した検知素子の近接部に一対のループ状の電気配線wr1、wr2を形成し、且つ電気配線wr1、wr2を、TMR素子100の薄膜の積層方向に沿ってループ状に形成する。このようなヘルムホルツ構成(電気配線wr1と電気配線wr2とが向かい合い、且つ平行に形成されている構成)によれば、図9の場合と同様に、TMR素子100の反磁界の影響を考慮できることに加えて、発生する磁界の強度の均一性を向上させることができるため、電流センサとしての性能をより高めることができる。更に、電気配線の位置を比較的自由に選定し易くなるため、より正確な電流検知が可能になる。
A pair of loop-shaped electric wires wr1 and wr2 are formed in the vicinity of the sensing element made of the TMR element, and the electric wires wr1 and wr2 are formed in a loop shape along the thin film stacking direction of the
なお、本実施形態に係る電流センサは、例えば、磁界センサ、地磁気センサ、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等への適用が可能である。また、MRAM等の各素子への適用も可能である。 Note that the current sensor according to the present embodiment can be applied to, for example, a magnetic field sensor, a geomagnetic sensor, a current monitor (upper / lower limit value check, etc.), a system equipped with these, an LSI, and the like. Moreover, application to each element, such as MRAM, is also possible.
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の実施形態の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。 The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiment, and within the scope of the gist of the embodiment of the present invention described in the claims, Various modifications and changes are possible.
10 電流センサ
11 交流電源
12 負荷
13 検出出力回路
14 磁気抵抗素子
15 電流源
10 Current sensor
11 AC power supply
12 Load
13 Detection output circuit
14 Magnetoresistive element
15 Current source
Claims (6)
前記負荷に流れる電流に伴って変化する磁界に基づき抵抗値が変化する磁気抵抗素子と、
前記磁気抵抗素子に電流を供給する電流源と、
前記磁気抵抗素子の両端子の電位差の最大値及び最小値を検出して出力する検出出力回路と、を有し、
前記最大値及び前記最小値に基づき、前記負荷に流れる電流を検知する
ことを特徴とする電流センサ。 An AC power supply for supplying current to the load;
A magnetoresistive element whose resistance value changes based on a magnetic field that changes with a current flowing through the load;
A current source for supplying current to the magnetoresistive element;
A detection output circuit that detects and outputs a maximum value and a minimum value of a potential difference between both terminals of the magnetoresistive element, and
A current sensor that detects a current flowing through the load based on the maximum value and the minimum value.
ことを特徴とする請求項1に記載の電流センサ。 The current sensor according to claim 1, wherein the magnetoresistive element is a TMR element, an AMR element, or a GMR element.
ことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれか一項に記載の電流センサ。 3. The current sensor according to claim 1, wherein a current flowing through the load by the AC power source flows so as to surround the magnetoresistive element. 4.
ことを特徴とする請求項1又は請求項3のいずれか一項に記載の電流センサ。 The current sensor according to claim 1, wherein the current is shunted.
ことを特徴とする請求項1又は請求項4のいずれか一項に記載の電流センサ。 The current sensor according to any one of claims 1 and 4, wherein the current is rectified.
ことを特徴とする電力センサ。 An electric power sensor characterized by calculating electric power based on the voltage of said AC power supply, and the electric current which flows into the load detected by the electric current sensor according to any one of claims 1 to 5.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013042606A JP2014169952A (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Electric current sensor, and electric power sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013042606A JP2014169952A (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Electric current sensor, and electric power sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014169952A true JP2014169952A (en) | 2014-09-18 |
Family
ID=51692424
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013042606A Pending JP2014169952A (en) | 2013-03-05 | 2013-03-05 | Electric current sensor, and electric power sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2014169952A (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1194881A (en) * | 1997-09-19 | 1999-04-09 | Tokin Corp | Ac current detector |
| JP2002082136A (en) * | 2000-06-23 | 2002-03-22 | Yazaki Corp | Current sensor |
| JP2011038874A (en) * | 2009-08-10 | 2011-02-24 | Tdk Corp | Current sensor |
| JP2012184934A (en) * | 2011-03-03 | 2012-09-27 | Ricoh Co Ltd | Current sensor |
-
2013
- 2013-03-05 JP JP2013042606A patent/JP2014169952A/en active Pending
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1194881A (en) * | 1997-09-19 | 1999-04-09 | Tokin Corp | Ac current detector |
| JP2002082136A (en) * | 2000-06-23 | 2002-03-22 | Yazaki Corp | Current sensor |
| JP2011038874A (en) * | 2009-08-10 | 2011-02-24 | Tdk Corp | Current sensor |
| JP2012184934A (en) * | 2011-03-03 | 2012-09-27 | Ricoh Co Ltd | Current sensor |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10254315B2 (en) | Current sensor, current measuring module, and smart meter | |
| CN100541222C (en) | Magnetic field detector and detection device using the magnetic field detector | |
| US8593134B2 (en) | Current sensor | |
| US10295578B2 (en) | Current sensor and smart meter | |
| US9632150B2 (en) | Magnetic field sensor with increased field range | |
| US10036785B2 (en) | Temperature-compensated magneto-resistive sensor | |
| US11054490B2 (en) | Magnetic field detection device | |
| US10877109B2 (en) | Magnetic field detection device | |
| JP5857687B2 (en) | Current detection device, current detection element, and current detection method | |
| KR102825687B1 (en) | Magnetoresistive sensor element having compensated temperature coefficient of sensitivity and method for manufacturing the element | |
| JP2015135267A (en) | current sensor | |
| JP5254514B2 (en) | Magnetoresistive detector or memory element with reduced electromagnetic switching field | |
| JP2016186476A (en) | Magnetic sensor and magnetic encoder | |
| JP4985522B2 (en) | Magnetic field measuring method and magnetic sensor | |
| JP5747564B2 (en) | Current sensor | |
| CN110837066A (en) | Magnetic field sensing device | |
| KR20130091696A (en) | Self-referenced mram element with linear sensing signal | |
| JP5869405B2 (en) | Magnetic detection element and magnetic sensor using the same | |
| JP6116694B2 (en) | Magnetic field detector with magnetoresistive effect element and current detector | |
| JP6007479B2 (en) | Current sensor | |
| JP6586974B2 (en) | Magnetoresistive effect element | |
| JP2014169952A (en) | Electric current sensor, and electric power sensor | |
| JP5849654B2 (en) | Current sensor | |
| JP6040523B2 (en) | Power detection sensor | |
| JP2017058376A (en) | Power detection sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20160223 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20161202 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20161206 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170127 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20170509 |