JPH01105178A - 電流検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、導体に流れる被測定電流を該導体から電気的
に絶縁した状態にて検出する電流検出器に関する。

〔従来の技術〕

そのような電流検出器として従来では、被測定電流をコ
イルに流して磁界を発生させ、ホール素子あるいは磁気
抵抗素子にて検出するものが提案されている。

〔発明が解決しようとする課題］ しかしながら、従来の電流検出器によると、被測定電流
の回路にコイルによるリアクタンス成分が入る為、出力
の応答性が悪くなってしまう。又、コイルと検出素子の
一体化が困難であり、別部品となる為に小型化に限界が
あり、さらには、コイルと検出素子との間のギャップ等
の組み付は精度に限界がある為にその調整を行う必要が
あるという問題があった。

そこで本発明は上記の問題点に鑑みなされたものであっ
て、従来のものと比較して十分に小型で高精度の電流検
出器を提供する事を目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記の目的を達成する為に本発明の電流検出器は、被測
定電流の流れる薄膜の導電膜、及び薄膜の電流磁気効果
素子より成る感磁性膜とを電気的に絶縁した状態にて基
板上に形成した事を特徴としている。

又、前記導電膜及び前記感磁性膜は、該両者間に絶縁膜
を介して前記基板上に積層し、前記電流磁気効果素子は
、強磁性磁気抵抗素子としても良い。

又、前記感磁性膜は、前記導電膜の上側に形成し、前記
感磁性膜のパターン中をＷＨ２前記導電膜のパターン中
をＷＡＬとした場合、Ｗ１４／ＷＡＬ≧１．３に設定し
ても良い。

〔作用〕

上記の手段によると、導電膜に流れる被測定電流により
その電流の大きさに比例した磁界が発生し、その磁界が
感磁性膜に印加されると電流磁気効果により電気的にそ
の磁界の強さ、延いては被測定電流の大きさを検出でき
る。又、基板上に形成する導電膜及び磁性膜は全て薄膜
である為に、半導体の薄膜波′術、フォトリソグラフィ
技術により小型で高精度に形成できる。

又、強磁性磁気抵抗素子を用いて積層することにより、
感度を高くできると共に、より一層の小型化が可能とな
る。

又、パターン中をＷ　Ｈ／ＷＡＬ≧１．３に設定するこ
とにより抵抗変化率が高くなり、はぼ飽和する。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に示す実施例を用いて詳細に説明す
る。

第１図は本発明の第１実施例を示す図であり、同図（ａ
）にその平面図、同図（ロ）に同図（ａ）中のＡ−Ａ線
断面図を示す。図において、４は絶縁性基板であり、そ
の絶縁性基板４上に本発明の言う電流磁気効果素子とし
てＮｉ−Ｆｅ合金から成る強磁性磁気抵抗素子の薄膜を
蒸着により付着した後、フォトリソグラフィ技術により
所定のパターンにエツチングして感磁性膜１を形成する
。そして、感磁性膜１上にスパッタリングにより例えば
ＳｔＯ。

膜による絶縁膜２を被覆する。さらに、この絶縁［２上
に蒸着によりアルミニウム薄膜を付着し、フォトリソグ
ラフィ技術により所定パターンにエツチングして導電膜
３を形成する。

ここで、強磁性磁気抵抗素子としては上記の他にＦｅ、
Ｇｏ、Ｎｉ等を主成分として含むものであれば良い、又
、強磁性磁気抵抗素子は電流の流れる方向に対して直交
する方向から磁界を受けると、その部分の抵抗値が減少
する特性を有している。

そこで本実施例によると、導電膜３に図中上向の矢印で
示す方向、即ち端部５から端部６に向う方向に電流■を
流すと、図中左向の矢印で示す方向に電流Ｉの大きさに
比例した強度の磁界Ｈが発生する。ここて、感磁性膜１
の両端部７．８間に、例えば図中点線矢印で示す方向に
定電流を流した場合、前記の磁界Ｈはこの感磁性膜１に
対して、水平に、かつ電流の流れる方向に対して直交す
る方向に印加される事になる。そして、その磁界Ｈを受
けると感磁性膜１の抵抗値はその磁界強度に比例して変
化する。従って、この抵抗値を検出する事により電流Ｉ
の大きさを検出する事ができる。

又、この電流検出器は感磁性膜１と導電膜３とが絶縁膜
２により電気的に絶縁されているので被測定電流に影響
を与えずに測定する事ができる。

をらに、本実施例によると以下に示す効果がある。即ち
、 ■従来技術のように被測定電流をコイルに流す必要がな
いのでリアクタンス成分が入る事がなく、その分、出力
の応答性が良くなる。

■絶縁性基板４上に形成する感磁性膜１、絶縁膜２、及
び導電膜３は全て薄膜に形成され、それらは半導体の薄
膜技術、フォトリソグラフィ技術により形成されるので
、その幅方向、及び厚さ方向において制御性の良い状態
で微細加工が可能となり、非常に高精度に、かつ小型に
形成、できる。

又、本実施例によると、感磁性［１、絶縁膜２、及び導
電膜３が積層されているので、絶縁性基板４上の占有面
積が非常に小さく、より一層の小型化が可能となる。

■電流磁気効果素子として強磁性磁気抵抗素子を使用し
ている事から、他のホール素子あるいは半導体磁気抵抗
素子（例えばＩｎ５ｂ）等と比較して、第２図の電流値
と出力との関係図に示すように感度が高いので、小電流
域においても良好に使用でき、又、温度特性についても
定電流におけるその温度係数が半導体磁気抵抗素子では
一２％／”Ｃ、ホール素子では−０，１３％／’Ｃであ
るのに対し、強磁性磁気抵抗素子では−０，０５％／°
Ｃであり、その値が小さい事から比較的特性の良い電流
検出器を構成できる。

尚、上記第１実施例では感磁性膜１の上側に導電膜３が
形成される構成であるが、言うまでもなく導電膜３の上
側に感磁性膜１を形成しても同様の効果が期待できる。

次に、第３図を用いて本発明の第２実施例を説明する。

第３図（ａ）は第２実施例の斜視図、第３図（ｂ）はそ
のＢ−Ｂ線断面図である。図において、１１は絶縁性基
板であり、その絶縁性基板１１上に蒸着によりアルミニ
ウム薄膜を付着し、フォトリソグラフィ技術により所定
のパターンにエツチングして第１の導電ＩＩｘ１２を形
成する。そして、スパッタリングにより絶縁膜１３を被
覆し、絶縁膜１３上に強磁性磁気抵抗素子の薄膜を蒸着
により付着した後、所定のパターンにエツチングして感
磁性膜１４を形成する。その後に、上記と同様の方法に
て絶縁膜１５、アルミニウムから成る第２の導電膜１６
を形成し、絶縁膜１３．１５にコンタクトホール２０を
形成する事により該コンタクトホール２０内にもアルミ
ニウムを充填させて、第１の導電膜１２と第２の導電膜
１６との結線を行う。そして、保護膜１７を形成して本
実施例の電流検出器を構成する。尚、図中１８ａ、１８
ｂは被測定電流端子、１９ａ、１９ｂは感磁性膜１４の
両端子である。

そこで上記第２実施例によると、被測定電流ｉを端子１
８ａから端子１８ｂの方向に流すと、感磁性膜１４は上
下の第１、第２の導電膜１２．１６から共に水平でかつ
電流の流れる方向（端子１９ａから端子１９ｂに向う方
向、あるいはその逆方向）に対して直交する方向に磁界
Ｈを受け、その抵抗値が減少する。従って抵抗値を測定
する事により、被測定電流ｉの大きさを検出できる。そ
して、この第２実施例においても上記第１実施例と同様
の効果が期待できる事になるが、再実施例を比較すると
、導電膜に同じ大きさの被測定電流を流した場合、感磁
性膜が受ける磁界の強度が２倍になるので第２実施例の
方が出力が大きくなり感度が向上する。

次に、第４図を用いて本発明の第３実施例を説明する。

第４図（ａ）は第３実施例の平面図、第４図０））はそ
のＣ−Ｃ線断面図である０図において、２１は絶縁性基
板であり、その絶縁性基板２１上の所定′ｐｒＩ域にア
ルミニウム薄膜から成る導電膜２２を形成する。そして
、絶縁性基板２１上で導電膜２２に並行に電流磁気効果
素子の薄膜から成る感磁性膜２３を所定パターンに形成
する。尚、この第３実施例では電流磁気効果素子として
ＩｎＳｂ。

ＧａＡｓ等から成るホール素子、あるいはＩｎＳｂ等か
ら成る′半導体磁気抵抗素子が好適である。

そこで上記第３実施例によると、導電膜２２に図中矢印
に示す方向に被測定電流■を流すと、感磁性膜２３はそ
の平面に垂直な方向から磁界Ｈを受ける。従って、電流
磁気効果素子としてホール素子を採用した場合には、感
磁性膜２３の電流ｉの流れる方向（図では端子２４ａか
ら端子２４ｂに向う方向）、及び磁界Ｈの方向のいずれ
にも直角な方向、即ち、端子２５ａから端子２５ｂに向
う方向に磁界Ｈの強さに比例した大きさの電位差が生じ
るので、その電位差を測定する事により、被測定電流Ｉ
の大きさを検出できる。又、電流磁気効果素子として半
導体磁気抵抗素子を採用した場合には、磁界Ｈの強さに
比例して感磁性膜２３の抵抗値が増加する事から、その
抵抗値を測定する事により、被測定電流■の大きさを検
出できる。

次に、第５図を用いて本発明の第４実施例を説明する。

第５図（ａ）は第４実施例の平面図、第５図（ロ）はそ
のＤ−Ｄ線断面図である０本実施例は上記第１実施例に
おいて、導電膜の上側に感磁性膜を形成した例であり、
各構成要素は第１実施例と同様の工程により形成可能で
ある。

絶縁性基板３４上に所定パターンに形成された導電膜３
３には、端部３５から端部３６に向う方向に被測定電流
Ｉが流れる。この導電膜３３上に絶縁膜３２を介して感
磁性膜３１が積層されており、被測定電流■が導電膜３
６を流れると、その電流の大きさに比例した強度の磁界
Ｈがこの感磁性膜３１上に作用するようになる。その結
果、第１実施例と同様の作用により感磁性膜３１の両端
部３７．３８間の抵抗値がその磁界強度に比例して変化
することになり、この抵抗値を検出する事により電流■
の大きさを検出することができる。

第６図は第４実施例による電流検出器における感磁性膜
３１と導電膜３３のパターン比と、その際の感磁性膜３
１の抵抗変化率との関係を表す特性図であり、パターン
比は第５図（ｂ）に示すように感磁性膜３１のパターン
巾ＷＨと導電膜３３のパターン巾ＷＡ＆を用いてＷＨ／
ＷＡＬで表され、又、抵抗変化率は電流Ｉ＝ＯｍＡの時
の抵抗値をＲ（０）、電流Ｉ＝５０ｍＡの時の抵抗値を
Ｒ（５０）とする場合、（Ｒ（０）−Ｒ（５０））／Ｒ
（０）で表される。

尚、測定は感磁性膜３１としてＮｉ−Ｆｅ合金から成る
強磁性磁気抵抗素子を用いて行った。

第６図よりＷＭ／ＷＡＬ≧１．３にすることにより抵抗
変化率を最も高い値に設定することができ、検出器の感
度を高めることができる。又、抵抗変化値がほぼ飽和す
るので、製造誤差等の影響を低減でき、安定的な電流検
出を行い得る検出器を提供できる。尚、このような特性
が得られる理由として次の事が考えられる。電流■によ
り発生する磁−界Ｈは導電膜３３を中心に環状に作用す
るので、必然的に導電膜３３のパターンより巾方向に広
がった部位にも磁界Ｈは作用する事になる。そこで、導
電膜３３のパターン巾ＷＡＬより感磁性膜３１の／＜タ
ーン巾Ｗ。を巾広とすることにより、そのような磁界Ｈ
の幅方向成分を感磁性膜３１に有効に作用させる事がで
きる。又、導電膜３３のパターンのエツジの部分で感磁
性膜３１が導電膜３３を取り囲むように形成される為に
、導電膜３３に流れる電流Ｉにより発生する磁界Ｈが第
５図（ロ）中に点線で示すように、感磁性膜３１中を効
果的に横切る為に、その抵抗変化率を高めているものと
考えられる。又、ＷＭ／ＷＡＬ≧１．３に設定する事に
より抵抗変化率がほぼ飽和するのは、はぼＷＭ／Ｗａｔ
　””　１．３にて磁界Ｈが感磁性膜３１に最も効果的
に作用する為に、抵抗変化率が最も高い値となり、ＷＭ
　／Ｗ＾ｔ　＞　１．３になると、磁界強度は距離（こ
の場合、導電膜３３と感磁性膜３１との間隔）の２乗に
反比例する為に導電膜３３から離れた部分の感磁性膜３
１においてはほとんど抵抗値変化しなくなり、抵抗変化
率が飽和するものと考えられる。

又、上述のような電流検出器を用いる場合には、感磁性
膜３１の両端部３７．３８間に抵抗値として得られる微
弱な信号を処理する為に、一般には後段の回路に演算増
幅器（オペアンプ）が接続されることになるが、演算増
幅器のオフセット電圧　　゛は通常３ｍＶ程度以下であ
る為、抵抗変化率が０．３％以上であればオフセットが
あったとしても問題なく電流検出が行える。従って、第
６図よりＷＭ／ＷａＬ≧０．６に設定すれば良い。

次に、上記第１乃至第４実施例の電流検出器を用いて、
実際に被測定電流を検出する場合の電気回路を第７図乃
至第９図を用いて説明する。尚、図中の符号は第１図に
示した第１実施例の構成に対応している。

第７図に示す例は、感磁性膜１と他の抵抗Ｒ１＋Ｒ１，
Ｒ３によりフルブリッジを構成し、電極（端部）８を比
較器（コンパレータ）４０の一方の入力に接続し、電極
Ａを他方の入力に接続した構成である。この回路による
と、抵抗Ｒ，，Ｒ。

の抵抗値を調整して、電極Ａの電位を所望の値に設定す
る事により、所定の電流ｌに達した時に比較器４０より
信号が出力されることになり、任意の電流値■の検出が
行える。

第８図に示す例は、感磁性膜１と他の抵抗Ｒ４＋Ｒｓ、
Ｒｈによりフルブリッジを構成し、電極Ｂを演算増幅器
４１から成るボルテージフォロワの十人力に接続し、電
極（端部）８を演算増幅器４２及び抵抗Ｒ，，Ｒ，から
成る非反転増幅回路の十人力に接続した構成である。こ
の回路によると、非反転増幅回路の出力端子より被測定
電流Ｉに比例した出力が得られる。

第９図に示す例は、感磁性ｌ漠１を２ケ所に形成し、こ
れらと抵抗Ｒ，，Ｒ，。によりフルブリッジを構成して
おり、この回路による感度が２倍になるという利点があ
る。

以上、本発明を上記実施例により説明したが、本発明は
それらに限定される事なく、その主旨を逸脱しない限り
種々変形可能であり、例えば、感磁性膜及び導電膜を形
成する方法としては蒸着の他にスパッタリング、イオン
ビームデポジション、ＣＶＤ等が採用可能であり、絶縁
膜を形成する方法としてもスパッタリングの他にＣＶＤ
等が採用可能であり、又、その絶縁膜は５ｉｚＮ４等の
薄膜であってもよい。さらに、本発明の言う基板として
は絶縁性基板の他に例えば半導体基板上に絶縁膜を形成
したものであってもよい。その場合、半導体基板内に半
導体素子を形成すればｔＣとの一体化も容易である。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、導電膜及び感磁性
膜とを電気的に絶縁した状態にて基板上に形成している
ので、十分に小型で高精度が電流検出器を提供できると
いう優れた効果がある。

又、強磁性磁気抵抗素子を用いて積層する事により、感
度を高くできると共に、より一層の小型化が可能となる
。

又、パターン巾をＷ、／ＷＡＬ≧１．３に設定する事に
より、より感度を高めることができると共に安定な電流
検出器を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の第１実施例の平面図、第１図（
ｂ）は第１図（ａ）中のＡ−Ａ線断面図、第２図は電流
磁気効果素子における電流値と出力との関係図、第３図
（ａ）は本発明の第２実施例の斜視図、第３図（ｂ）は
第３図（ａ）中のＢ−Ｂ線断面図、第４図（ａ）は本発
明の第３実施例の平面図、第４図（ｂ）は第４図（ａ）
中のＣ−Ｃ線断面図、第５図（ａ）は本発明の第４実施
例の平面図、第５図（ｂ）は第５図（ａ）中のＤ−Ｄ線
断面図、第６図は第４実施例のパターン巾の比と抵抗変
化率との関係を表す特性図、第７図乃至第９図は本発明
の電流検出器を用いた装置の電気回路図である。 １・・・感磁性膜、２・・・絶縁膜、３・・・導電膜、
４・・・絶縁性基板。 代理人弁理士　　岡　部　　　隆 （ａ　）　　　　　　　　３　；導ｉ＆順第１図 １！廐値　（ｍＡ） 第　２　因 （ａ） （Ｃ１） ００．６１１，３　　　２　　　　　３　　　　　４Ｗ
門 前 第６図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定電流の流れる薄膜の導電膜、及び薄膜の電
   流磁気効果素子より成る感磁性膜とを電気的に絶縁した
   状態にて基板上に形成した事を特徴とする電流検出器。
2. （２）前記導電膜及び前記感磁性膜は、該両者間に絶縁
   膜を介して前記基板上に積層したものであり、前記電流
   磁気効果素子は、強磁性磁気抵抗素子である請求項１記
   載の電流検出器。
3. （３）前記感磁性膜は、前記導電膜の上側に形成される
   ものであり、前記感磁性膜のパターン巾をＷ＿Ｍ前記導
   電膜のパターン巾をＷ＿Ａ＿Ｌとした場合、Ｗ＿Ｍ／Ｗ
   ＿Ａ＿Ｌ≧１．３に設定されている請求項２記載の電流
   検出器。