JP7595592B2 - 磁気抵抗差動フルブリッジを備える磁気電流磁場センサ - Google Patents

Description

本開示は、磁気電流センサに関する。より具体的には、本開示は、磁気抵抗差動フルブリッジを備える磁気電流センサに関する。磁気電流センサは、温度差の援用を必要としないプログラミングであり、外部の均一な磁場の存在に影響されない。

トンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）に基づく従来の（磁気）電流センサ１を図１に模式的に示す。電流センサ１は、Ｕ字形の電流線４と、電流線４の第１部分４ａの近くにある第１ＴＭＲセンサ要素２１と、電流線４の第２部分４ｂの近くにある第２ＴＭＲセンサ要素２２とを備える。

図２は、固定された基準磁化２３１を有する強磁性基準層２３０と、磁場内で自由に配向可能なセンス磁化２１１を有する強磁性検知層２１０との間に挟まれたトンネルバリア層２２０を備えるＴＭＲセンサ素子２１、２２の側面図を示す。

再び図１を参照すると、第１ＴＭＲセンサ要素２１は、その基準磁化２３１が第１方向に固定されていて、第２ＴＭＲセンサ素子２２は、その基準磁化２３１が第１方向とは反対の第２方向に固定されている。電流線４に界磁電流４１を流すことにより、第１部分４ａを流れる界磁電流４１は、第２部分４ｂを流れる界磁電流４１によって誘導される第２検知磁場４２ｂとは逆向きの第１検知磁場４２ａを誘導する。したがって、通過する界磁電流４１の極性に応じて電流線４では、第１及び第２ＴＭＲセンサ要素２１、２２のセンス磁化２１１は、基準磁化２３１に対して反平行に配向されて２つのＴＭＲセンサ要素２１、２２の抵抗を増加するか、又は基準磁化に平行に配向されて２つのＴＭＲセンサ要素２１、２２の抵抗を減少する。

図１の矢印６０で表される均一な外部磁場の存在下で、第１及び第２ＴＭＲセンサ要素２１、２２のセンス磁化２１１は、外部磁場６０の向きに依存して、基準磁化２３１に対して逆平行及び平行に配向される。その結果、ＴＭＲセンサ要素２１、２２の１つの電気コンダクタンスは増加し、他のＴＭＲセンサ要素２１、２２の電気コンダクタンスは減少する。２つのＴＭＲセンサ要素２１、２２の合計抵抗は、外部磁場６０の向きによっては変化しない。

電流センサ１は、そのように、外部磁場６０に影響を受けずに、電流線４を通過する界磁電流４１によって生成される第１検知磁場４２ａ及び第２検知磁場４２ｂに比例する。

しかしながら、従来の電流センサ１は、２つの反対方向に第１ＴＭＲセンサ要素２１及び第２ＴＭＲセンサ要素２２の基準磁化２３１をプログラムする必要がある。そのプログラミングは温度を援用する手順である。各センサ要素は、磁場の存在下で加熱され、次に冷却される。磁場方向は、それらの基準層磁化２３１の固定方向を決定する。センサプログラミングは、装置ごと２つの磁場方向を必然的に含む。このようなプログラミングは、大量生産の帯域幅を制限する装置１個ごとにだけ実行できる。

さらに、電流線４の湾曲部分４ｃにおける界磁電流４１によって生成される検知磁場の直交成分の存在が、電流センサ１の直線性をゆがめる可能性がある。

特許文献１（ＵＳ２０１４２４２４１８）は、自由強磁性層と、ピン止め強磁性層と、非磁性トンネルバリア層を備える磁気抵抗要素を開示している。自由強磁性層は、薄い非磁性スペーサ副層によって互いに分離された２つの磁性副層を備える。自由強磁性層は、膜表面に垂直に向けられた磁化方向を有する。

特許文献２（ＥＰ１５６６６５１）は、ヒステリシスの発生を抑制して１／ｆノイズを低減することにより、信号磁場を高感度で安定して感知できる磁気感知装置を開示している。磁気感知装置は、所定の方向に固定された磁化方向を有するピン止め層と、外部磁場に応じて変化し、外部磁場がゼロのとき、ピン止め層の磁化方向に平行になる磁化方向を有する自由層と、ピン止め層と自由層の間に挟まれた中間層とを備える積層体を有する。

非特許文献１（Ｂｏｅｖｅ Ｈ．ら、「オンチップＩＣ試験のためのＴＭＲ電流センサの幾何学的最適化」、２００５年ＩＥＥＥ国際磁気会議（ＩＮＴＥＲＭＡＧ）、２００５年、１２６１から１２６２頁）は、磁気ランダムアクセスメモリと同様の構造を持つ、サブミクロン及びミクロンサイズのトンネル磁気抵抗センサを開示している。

米国特許出願公開第２０１４／２４２４１８号明細書 欧州特許出願公開第１５６６６５１号明細書

Ｂｏｅｖｅ Ｈ． ｅｔ ａｌ．，"Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ＴＭＲ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｅｎｓｏｒｓ ｆｏｒ ｏｎ－ｃｈｉｐ ＩＣ ｔｅｓｔｉｎｇ"，２００５ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＩＮＴＥＲＭＡＧ），２００５，ｐｐ．１２６１－１２６２

本開示は、
２つの直列接続され斜めに対向するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサ要素を含む第１ハーフブリッジと、２つの直列接続され斜めに対向するＴＭＲセンサ要素を含む第２ハーフブリッジとを備えるセンサブリッジ回路であって、各ＴＭＲセンサ要素は、トンネル障壁層と、ピン止めされた基準磁化を有する基準層と、自由に配向できるセンス磁化を有するセンス層とを備え、ＴＭＲセンサ要素は、実質的に同一の方向に向いている基準磁化を持っている、センサブリッジ回路と、
磁場を生成する界磁電流を通過させるように構成された界磁線であって、第１ハーフブリッジの対角線上に対向するＴＭＲセンサ要素のセンス磁化と、第２ハーフブリッジの対角線上に対向するＴＭＲセンサ要素は、磁場の方向に沿って、そして互いに反対方向に向けられているように、構成されている界磁線と、
を備える磁気電流センサであって、
第１ハーフブリッジのＴＭＲセンサ要素と第２ハーフブリッジ要素のＴＭＲセンサ要素の間の非ヌルの差動電圧出力が、界磁電流が界磁線を通過しているときに測定可能であり、
差動電圧出力が、外部の均一な磁場の影響を受けない、磁気電流センサに関する。各ＴＭＲセンサ要素のピン止め方向は、界磁線の正接線に対して約４５°を向いている。

磁気電流センサは、差熱援用プログラミングを必要とせず、外部の均一な磁場の存在に影響されない。

本発明は、例として与えられ、図によって示される実施形態の説明の助けを借りて、よりよく理解されるであろう。

図１は、２つのＴＭＲセンサ要素を備える従来の磁場センサを概略的に示す。 図２は、ＴＭＲセンサ要素の側面図を示す。 図３は、それぞれが２つの直列接続されたＴＭＲセンサ要素を備える２つのハーフブリッジを備えるセンサブリッジ回路を示す。 図４は、１実施形態による、センサブリッジ回路を備える磁気検知装置を示す。 図５は、別の実施形態による、磁気検知装置を示す。 図６は、さらに別の実施形態による、磁気検知装置を示す。

図３は、２つの直列接続されたトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサ要素２１、２２を備える第１ハーフブリッジと、２つの直列接続されたＴＭＲセンサ要素２３、２４を備える第２ハーフブリッジとを有するセンサブリッジ回路１０を示す。センサ要素２１から２４は、ホイートストンブリッジを形成するように配置されている。ＴＭＲセンサ素子２１から２４は、ピン止めされた基準磁化２３１を有する強磁性基準層２３０と、自由に配向可能なセンス磁化２１１を持つ強磁性層２１０と、ＴＭＲセンサ要素のそれぞれについて実質的に同一であるセンス磁化２１１を持つ強磁性センス層２１０とを備える。基準磁化２３１は、各ＴＭＲセンサ要素に実質的に等しい所定のピン止め方向２３２を持つ。ピン止め方向２３２は、第１及び第２ブリッジの検知軸線に対応している。

図４は、１実施形態による、センサブリッジ回路１０を備える磁気電流センサ１を示す。磁気電流センサ１は、界磁電流４１を通過させ、センス磁化２１１の向きを変化させるように適合された磁場４２を生成するように構成された界磁線４を備える。界磁線４は、センサブリッジ回路１０の周りに円形ループを形成する。円形の界磁線４は、磁場４２がセンサブリッジ回路１０の中心点について対称的に方向付けられるように、半径方向に磁場４２を生成する。ここで、中心点は円５で表され、円形の界磁線４の幾何学的中心に相当している。

図４の例では、センサブリッジ回路１０の各ＴＭＲセンサ要素２１から２４のピン止め方向２３２は、半径方向の磁場４２の（矢印４２ａで表される）平均方向に対して約４５°に向けられている。したがって、円形の界磁線４によって生成された半径方向の磁場４２は、第１ハーフブリッジセンサ素子２１及び第２ハーフブリッジセンサ素子２３のセンス磁化２１１を、第１ハーフブリッジセンサ素子２２及び第２ハーフブリッジセンサ要素２４それぞれのセンス磁化２１１の１つと反対の方向に向ける。

基準磁化２３１のピン止め方向２３２は、各ＴＭＲセンサ要素について実質的に同一であるため、磁気電流センサ１は、差熱援用プログラミングを必要とせず、それにより、ＴＭＲセンサ要素２１から２４のサブセットが加熱され、第１方向に、対応する基準磁化２３１がプログラムされる。そして、ＴＭＲセンサ要素２１から２４の別のサブセットが加熱され、第１方向とは異なる第２方向に、対応する基準磁化２３１がプログラムされる。

特に、半径方向の磁場４２は、ＴＭＲセンサ要素２１及び２４のセンス磁化２１１を基準磁化２３１に対してより平行に配向し、これらの２つのＴＭＲセンサ要素２１、２４の抵抗を減らす。半径方向の磁場４２は、ＴＭＲセンサ要素２２及び２３のセンス磁化２１１を基準磁化２３１に対してより反平行に配向し、これらの２つのＴＭＲセンサ要素の抵抗を増やす。

その結果、界磁電流４１が円形の界磁線４を流れるとき、電圧出力Ｖ_ｏｕｔ－は、第１ハーフブリッジのＴＭＲセンサ要素２１と２２の間で測定可能であり、電圧出力Ｖ_ｏｕｔ＋は、第２ハーフブリッジのＴＭＲセンサ素子２３と２４の間で測定可能である。センサブリッジ回路１０は、そのように、差動構成、又は分圧器構成を形成する。

図４から分かるように、センス磁化２１１は、磁場４２によって磁場４２と同じ方向に向けられている。よって、センス磁化２１１及び磁場４２は、各ＴＭＲセンサ要素２１から２４について、ピン止めされた基準磁化２３１の方向に対して実質的に同じ角度をなしている。

１観点では、強磁性センス層２１０は、センス磁化２１１が安定した磁化渦構成を備えるように構成される。渦キャンセル磁場よりも小さい外部磁場に、その渦構成が存在し、その渦コアは、強磁性検知層２１０の平面内で弾性的かつ可逆的に移動する。

好ましい構成では、各ＴＭＲセンサ要素２１から２４は、界磁線４を通過する界磁電流４１の所与の振幅範囲に対して線形応答を有する。換言すると、その所与の振幅範囲において、ＴＭＲセンサ要素２１から２４の抵抗は、界磁電流４１とともに線形に変化する。その場合、電圧出力Ｖ_ｏｕｔ－及びＶ_ｏｕｔ＋は、界磁電流４１の振幅変動に比例する。

基準磁化２３１は、全てのＴＭＲセンサ要素２１から２４に対して同じ所定のピン止め方向２３２にプログラムされているので、磁気電流センサ１は、均一な外部磁場６０を検知しない。実際、ＴＭＲセンサ素子２１－２４のセンス磁化２１１は、均一な外部磁場６０の方向に従って配向され、その結果、全てのＴＭＲセンサ素子２１－２４が同じ抵抗を有する。その結果、磁気電流センサ１は、外部磁場の存在下で測定可能な電圧出力Ｖ_ｏｕｔ－及びＶ_ｏｕｔ＋を生成しない。換言すると、差動電圧出力Ｖ_ｏｕｔ－及びＶ_ｏｕｔ＋は、外部の均一な磁場６０の存在に影響を受けない。

全てのＴＭＲセンサ要素２１から２４について同じ所定のピン止め方向２３２に基準磁化２３１をプログラミングすることが、磁場の存在下でウェーハ全体を加熱及び冷却することによって単一工程で達成可能である。

好ましい構成では、ＴＭＲセンサ要素２１から２４は、中心点５に対して等距離に配置され、その結果、センサブリッジ回路１０の各ＴＭＲセンサ素子２１から２４は、実質的に同じ大きさの磁場４２に曝される。この構成では、磁気電流センサ１の測定可能な電圧出力Ｖ_ｏｕｔ－及びＶ_ｏｕｔ＋は、１つのＴＭＲセンサ要素２１から２４から別のＴＭＲセンサ要素２１から２４への磁場４２の向きの唯一の変化によって決定される。

図５は、別の実施形態による磁気電流センサ１を示していて、円形の界磁線４は、第１部分４ａから電気的に絶縁された第１部分４ａ及び第２部分４ｂを備える。この例では、円形の界磁線は、円形の界磁線４の２つの対向する部分に絶縁間隙４３を含む対称的な第１界磁線部分４ａ及び第２界磁線部分４ｂを備える。図５の配置の円形の界磁線４は、図４の配置よりも対称的である。

図４と図５の両方の構成について、センサブリッジ回路１０は、好ましくは、界磁線４（及び中心点５）と同心に配置される。

図６は、さらに別の実施形態による、磁気電流センサ１を示していて、界磁線４は、正方形を形成するように構成されている。界磁線４のこの構成では、磁場４２は、センサブリッジ回路１０のＴＭＲセンサ要素２１から２４に実質的に直交するように向けられている。磁場４２がより均一であるため、各ＴＭＲセンサ要素２１から２４内の半径方向の勾配は、そのため、より小さくなり、より良い感度が得られるはずである。

本発明は、上記の例示的な実施形態及び他の実施例に限定されないことが理解される。特許請求の範囲内で、他の実装例も可能である。

例えば、界磁線４は、第１ハーフブリッジセンサ素子２２及び第２ハーフブリッジセンサ素子２４のセンス磁化２１１の１つを、第１ハーフブリッジセンサ素子２１及び第２ハーフブリッジセンサ素子２３のセンス磁化２１１の１つに対して反対方向に方向付けるという条件で、円形の界磁線４によって生成された磁場４２をセンサブリッジ回路１０内又は他の任意の構成で配置してよい。

好ましくは、磁場４２は、センサブリッジ回路１０の中心点を中心に対称的に配向される。

磁気電流センサ１の中心対称配置は、センサブリッジ回路１０を異なるサイズの界磁線４と組み合わせてよい。例えば、より高い界磁線４１を使用する必要がある場合、円形の界磁線４又は四角形の界磁線４の側面の直径を大きくできる。センサブリッジ回路１０が製造される円形の界磁線４の内径内の型枠の部分は、変更しないでおく場合がある。
本願は例えば次の観点を提供する。
［観点１］
２つの直列接続され斜めに対向するトンネル磁気抵抗（ＴＭＲ）センサ要素（２１、２２）を含む第１ハーフブリッジと、２つの直列接続され斜めに対向するＴＭＲセンサ要素（２１－２４）を含む第２ハーフブリッジとを備えるセンサブリッジ回路（１０）であって、各ＴＭＲセンサ要素（２１－２４）は、トンネル障壁層（２２０）と、ピン止めされた基準磁化（２３１）を有する基準層（２３０）と、自由に配向できるセンス磁化（２１１）を有するセンス層（２１０）とを備え、ＴＭＲセンサ要素（２１－２４）は、実質的に同一の方向に向いている基準磁化（２３１）を持っている、センサブリッジ回路（１０）と、
磁場（４２）を生成する磁場電流（４１）を通過させるように構成された界磁線（４）であって、第１ハーフブリッジの対角線上に対向するＴＭＲセンサ要素（２１、２２）のセンス磁化（２１１）と、第２ハーフブリッジの対角線上に対向するＴＭＲセンサ要素（２３、２４）のセンス磁化は、磁場（４２）の方向に沿って、そして互いに反対方向に向けられているように、構成されている界磁線（４）と、
を備える磁気電流センサ（１）であって、
第１ハーフブリッジのＴＭＲセンサ要素（２１、２２）と第２ハーフブリッジ要素のＴＭＲセンサ要素（２３、２４）の間の非ヌルの差動電圧出力（－Ｖ _ｏｕｔ 、Ｖ _ｏｕｔ ）が、界磁電流（４１）が界磁線（４）を通過しているとき測定可能であり、
差動電圧出力（－Ｖ _ｏｕｔ 、Ｖ _ｏｕｔ ）が、外部の均一な磁場（６０）に影響されない、磁気電流センサ（１）。
［観点２］
センサブリッジ回路（１０）はホイートストンブリッジを形成している、観点１に記載の磁気センサ回路。
［観点３］
界磁線（４）は、磁場（４２）がセンサブリッジ回路（１０）の中央の中心点（５）について対称的な方向となるように構成されている、観点２に記載の磁気センサ回路。
［観点４］
界磁線（４）が円形ループを形成している、観点３に記載の磁気センサ回路。
［観点５］
界磁線（４）は、第１部分（４ａ）と、第１部分（４ａ）から電気的に絶縁されている第２部分（４ｂ）とを備える、観点４に記載の磁気センサ回路。
［観点６］
第１部分（４ａ）と第２部分（４ｂ）とが対称的である、観点５に記載の磁気センサ回路。
［観点７］
界磁線（４）が正方形である、観点２に記載の磁気センサ回路。
［観点８］
磁場（４２）が、センサブリッジ回路（１０）のセンサ要素（２１－２４）に実質的に直交するように、界磁線（４）が構成されている、観点７に記載の磁気センサ回路。
［観点９］
各ＴＭＲセンサ要素（２１－２４）が磁場（４２）の実質同一の磁気に曝されるように、前記ＴＭＲセンサ要素（２１－２４）が前記中央点（５）について等距離にある、観点３から８のいずれか一つに記載の磁気センサ回路。

１ 磁気検知装置
１０ センサブリッジ回路
２ 磁気トンネル接合
２１、２２ ＴＭＲセンサ要素
２３、２４ ＴＭＲセンサ要素
２１０ センス層
２１１ センス磁化
２２０ トンネル障壁層
２３０ 基準層
２３１ 基準磁化
２３２ 固定方向
４ 電流線
４ 電流線の第１部分
４ｂ 電流線の第２部分
４ｃ 電流線の湾曲部分
４１ 界磁電流
４２ センス磁場
４３ 絶縁間隙
４４ プログラミング電流
５ 中心点
６０ 外部磁場

Claims (9)

1. 直列接続され互いに対向して配置された第１ＴＭＲセンサ要素及び第２ＴＭＲセンサ要素を備える第１ハーフブリッジと、
   直列接続され互いに対向して配置された第３ＴＭＲセンサ要素及び第４ＴＭＲセンサ要素を備える第２ハーフブリッジと
   を備えるセンサブリッジ回路であって、前記第１ＴＭＲセンサ要素と、前記第２ＴＭＲセンサ要素と、前記第３ＴＭＲセンサ要素と、前記第４ＴＭＲセンサ要素とがそれぞれ、
   トンネル障壁層と、
   実質的に同一方向に配向されてピン止めされた基準磁化を有する基準層と、
   自由に配向できるセンス磁化を有するセンス層とを備える、前記センサブリッジ回路と、
   前記センサブリッジ回路を囲んで配置された界磁線であって、
   前記第１ハーフブリッジの前記第１ＴＭＲセンサ要素及び前記第２ＴＭＲセンサ要素のセンス磁化が、磁場によって互いに反平行に配向され、かつ
   前記第２ハーフブリッジの前記第３ＴＭＲセンサ要素及び前記第４ＴＭＲセンサ要素のセンス磁化が、前記磁場によって互いに反平行に配向される前記磁場を生成する電流を通す前記界磁線と
   を備える磁気電流センサであって、
   前記電流が前記界磁線を通過しているときに、２つの電圧出力から差動電圧出力を取得するように、前記第１ハーフブリッジの前記第１ＴＭＲセンサ要素と前記第２ＴＭＲセンサ要素の間の電圧出力が測定可能であり、かつ前記第２ハーフブリッジの前記第３ＴＭＲセンサ要素と前記第４ＴＭＲセンサ要素の間の電圧出力が測定可能であり、
   前記第１ＴＭＲセンサ要素と、前記第２ＴＭＲセンサ要素と、前記第３ＴＭＲセンサ要素と、前記第４ＴＭＲセンサ要素とが持つ前記基準磁化の前記ピン止めの向きが同じであることで、前記差動電圧出力が、前記界磁線による前記磁場とは異なる、前記磁気電流センサの外部の均一な磁場の影響を受けずに、前記磁気電流センサが前記外部の均一な磁場を検知しない、磁気電流センサ。
2. 前記センサブリッジ回路はホイートストンブリッジを形成している、請求項１に記載の磁気電流センサ。
3. 前記界磁線は、前記界磁線による前記磁場の向きが、前記センサブリッジ回路の中央の中心点について点対称となるように構成されている、請求項２に記載の磁気電流センサ。
4. 前記界磁線が円形ループを形成している、請求項３に記載の磁気電流センサ。
5. 前記界磁線は、前記円形ループの１半円をなす第１部分と、前記円形ループの残りの半円をなす前記第１部分から電気的に絶縁されている第２部分とを備える、請求項４に記載の磁気電流センサ。
6. 前記円形ループにおいて、前記第１部分と前記第２部分とが対称的に位置している、請求項５に記載の磁気電流センサ。
7. 前記界磁線が正方形である、請求項２に記載の磁気電流センサ。
8. 前記界磁線による前記磁場が、前記センサブリッジ回路の前記第１ＴＭＲセンサ要素と、前記第２ＴＭＲセンサ要素と、前記第３ＴＭＲセンサ要素と、前記第４ＴＭＲセンサ要素とに実質的に直交するように、前記界磁線が構成されている、請求項７に記載の磁気電流センサ。
9. 前記第１ＴＭＲセンサ要素と、前記第２ＴＭＲセンサ要素と、前記第３ＴＭＲセンサ要素と、前記第４ＴＭＲセンサ要素とが前記センサブリッジ回路の中心点について等距離にある、請求項３から８のいずれか一項に記載の磁気電流センサ。

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