CN107144716A - 传感器装置和半导体装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种传感器装置和半导体装置，其课题是减少因电流配线部放射的电场噪声而影响传感器装置的可能性。为了解决上述课题，提供一种传感器装置，具备：电流配线部；半导体装置，其具有电感器和放大部，所述电感器对产生于所述电流配线部周围的磁场进行检测，所述放大部包括对产生于所述电感器的电压进行放大的双极元件；基板，其配置有所述半导体装置，该半导体装置离所述电流配线部预定距离以上，若面对着所述基板的表面观察，则所述电流配线部不与所述半导体装置重叠。

Description

传感器装置和半导体装置
技术领域
本发明涉及一种传感器装置和半导体装置。
背景技术
迄今已知的传感器装置具备在半导体装置内的两个电感器之间延伸的电力线，通过对因电力线周围产生的磁场而分别在两个电感器上产生的电动势进行相加，检测流经电力线的电流(例如，参照专利文献1)。该专利文献1中记载了可通过缩短电力线与半导体装置内的电感器的距离提高传感器装置的灵敏度(具体而言，产生于电力线周围的磁场的变化的检测灵敏度)主旨。
现有技术文献
专利文献：
专利文献1：日本特开2015-52470号公报
发明内容
然而，如果像上述现有技术那样缩短电力线与电感器的距离，从电力线放射的电场噪声容易输入至电感器，从而有可能传感器装置受影响。
因此，本发明以减少因电力线等电流配线部放射的电场噪声而传感器装置受影响的可能性为课题。
用于解决课题的方案
在一方案中，提供一种传感器装置，该传感器装置具备：
电流配线部；
半导体装置，其具有电感器和放大部，所述电感器对产生于所述电流配线部周围的磁场进行检测，所述放大部包括对产生于所述电感器的电压进行放大的双极元件；以及
基板，其配置有所述半导体装置，该半导体装置离所述电流配线部预定距离以上，
若面对着所述基板的表面观察，则所述电流配线部不与所述半导体装置重叠。
发明效果
根据一方式，可以减少因电流配线部放射的电场噪声而传感器装置受影响的可能性。
附图说明
图1是示出传感器装置的结构的一示例的示意性平面图。
图2是示出传感器装置的结构的一示例的示意性剖面图。
图3是示出传感器装置的其他结构的一示例的示意性剖面图。
图4是示出传感器装置的电路结构的一示例的等效电路图。
图5是示出噪声特性的一示例的图。
图6是为了说明输入偏移的产生机制的一示例的图。
图7是示出具备基极电流校正电路的半导体芯片的电路结构的一示例的等效电路图。
图8是示出半导体装置和电流配线部在X轴方向上的距离与输入换算电动势变动率的关系的一示例的图。
图9是示出半导体装置和电流配线部在Z轴方向上的距离与输入换算电动势变动率的关系的一示例的图。
具体实施方式
以下，根据附图说明本发明的实施方式。
<第一实施方式>
图1是示出第一实施方式的传感器装置1A的结构的一示例的示意性平面图。图2是传感器装置1A在A-A上的剖面图。传感器装置1A是非接触地检测流经电流配线部2的电流13所产生的磁通密度的传感器装置的一示例。传感器装置1A例如具备电流配线部2、第一半导体装置3、第二半导体装置4以及基板5。
电流配线部2是电流13流经的导体。电流13为交流电流。若面对着基板5的表面观察(例如，从基板5的第一表面9的法线方向观察)，则电流配线部2在第一半导体装置3和第二半导体装置4之间非接触地延伸。若基板5的第一表面9平行于XY平面，则第一表面9的法线方向为平行于Z轴的方向。电流配线部2例如是沿基板5的第一表面9向平行于Y轴的方向延伸的部分。
图示的电流配线部2的剖面形状为圆形，但电流配线部2的剖面形状也可以是圆形以外的其他形状(例如，多边形)。此外，图示的电流配线部2接触基板5的第一表面9，但电流配线部2可以是形成于基板5的表面或内部的导体图案，也可以是脱离基板5的电线部分。
第一半导体装置3将第一半导体芯片31内置于树脂封装内。第一半导体芯片31具有形成有第一电感器(inductor)11的第一配线层33。即，第一半导体装置3是内置了形成有用于检测产生于电流配线部2周围的磁场的第一电感器11的第一配线层33的第一半导体装置的一示例。第一半导体装置3配置于与电流配线部2延伸的方向(延伸方向6)正交的第一方向7的那一侧。
第二半导体装置4将第二半导体芯片32内置于树脂封装内。第二半导体芯片32具有形成有第二电感器12的第二配线层34。即，第二半导体装置4是内置了形成有用于检测产生于电流配线部2的周围的磁场的第二电感器12的第二配线层34的第二半导体装置的一示例。第二半导体装置4配置于与电流配线部2的延伸方向6正交的第二方向8的那一侧。第二方向8是与第一方向7相反侧的方向。第二半导体装置4具有与第一半导体装置3相同的结构。
第一配线层33由一个或多个配线层构成。例如，第一电感器11可以是螺旋状地形成于一个配线层的线圈，也可以是螺旋状地形成于多个配线层的线圈。第一配线层33例如是由铝线形成的铝配线层。对于第二配线层34和第二电感器12而言，同样如此。
第一电感器11检测因电流13流经电流配线部2而产生的磁场变化。因该磁场变化，第一电感器11上产生电压，且电流13的电流值变得越高，产生于第一电感器11两端的电压的电压值就变得越高。对于第二电感器12，也同样如此。通过使第一电感器11的电感(inductance)和第二电感器12的电感彼此相等，可以减少因电流13引起的磁通密度的检测误差。
基板5具有第一表面9和与第一表面9相反侧的第二表面10。基板5例如是印刷配线基板等树脂基板。对于图1和图2而言，第一半导体装置3和第二半导体装置4配置在相对于基板5与电流配线部2的同一侧，更具体而言，安装在基板5的第一表面9。
第一半导体装置3和第二半导体装置4分别离电流配线部2预定距离(以下，称“距离L0”)以上而配置于基板5上。距离L0的长度大于零。
所谓第一半导体装置3离电流配线部2预定距离L0以上，是指第一半导体装置3与电流配线部2的最短距离L1为距离L0以上的距离。所谓第二半导体装置4离电流配线部2预定距离L0以上，是指第二半导体装置4与电流配线部2的最短距离L2为距离L0以上的距离。
最短距离L1为第一半导体装置3的封装表面与电流配线部2的表面的最短距离。由于第一电感器11内置于第一半导体装置3的封装内，第一电感器11的表面与电流配线部2的表面的最短距离大于最短距离L1。同理，最短距离L2为第二半导体装置4的封装表面与电流配线部2的表面的最短距离。由于第二电感器12内置于第二半导体装置4的封装内，第二电感器12的表面与电流配线部2的表面的最短距离大于最短距离L2。
通过使最短距离L1和最短距离L2彼此相等，可以减少电流13所产生的磁通密度的检测误差。
在本实施方式中，第一半导体装置3和第二半导体装置4分别离电流配线部2预定距离L0以上而配置。由此，可以在确保在电流配线部2的周围产生的磁场的检测灵敏度的基础上，减少从施加了高电压的电流配线部2发射的电场噪声对传感器装置1A的影响。当第一半导体装置3(或者第二半导体装置4)离电流配线部2不足距离L0而配置时，由电场噪声产生的高电压被施加至第一半导体装置3(或者第二半导体装置4)的封装和电流配线部2之间，传感器装置1A受到影响的可能性变高。
图8是表示半导体装置和电流配线部在X轴方向上的距离与输入换算电动势变动率的关系的一例的图。图2、图8所示的x1表示半导体装置3、4分别与电流配线部2的X轴方向上的距离。X轴方向指平行于第一方向7和第二方向8的方向。x1为0时，指第一半导体装置3和电流配线部2接触，且第二半导体装置4与电流配线部2接触的状态(即，最短距离L1、L2皆为0的状态)。x1为大于0的值时，指第一半导体装置3和第二半导体装置4分别在X轴方向上距离电流配线部2相同的长度的状态。当x1为大于0的值时，若面对着基板5的表面观察，则电流配线部2不与半导体装置3、4重叠。另一方面，图8的纵轴的输入换算电动势变动率表示产生于第一电感器11两端的电动势Vcoil对应于距离x1的变化率。距离x1为0时，将输入换算电动势变动率设为100％。
另外，图8示出当电流配线部2的线径为3mm时，对应于距离x1的输入换算电动势变动率的理论值。此外，设为产生于第一电感器11两端的电动势与产生于第二电感器12两端的电动势相同。
产生于第一电感器11两端的电动势Vcoil可基于法拉第定律(Faraday law)用下面的公式来表示。
(公式1)
B＝μ0×H
I＝A×sinωt
ω＝2πf
N表示第一电感器11的圈数，φ表示磁通，t表示时间，B表示磁通密度，S表示第一电感器11在XY平面内的面积，μ0表示真空的磁导率(magnetic permeability)，H表示产生于电流配线部2周围的磁场的强度。I表示以交流流经电流配线部2的电流13的电流值，r表示第一电感器11与电流配线部2的距离，A表示电流13的振幅，ω表示角速度，f表示频率。
半导体装置所受到的电场噪声与半导体装置和电场噪声的发生源的距离的2次方分之一成比例。因而，距离x1变得越大，输入于半导体装置3、4的电感器的电场噪声就变得越小，因此半导体装置3、4受电场噪声的影响的可能性会降低。另一方面，如上述公式和图8所示，由于电动势Vcoil与距离x1成反比，距离x1变得越大，电动势Vcoil也变得越小。
然而，在用于传感器装置1A的半导体装置3、4中，由于放大电动势Vcoil的元件为双极元件，因此，如后述，可以减少闪烁噪声。从而，根据本实施方式，通过使半导体装置3、4离电流配线部2预定距离L0(例如，3mm)以上，即使电动势Vcoil变小，也能降低因闪烁噪声无法准确检测电动势Vcoil的可能性。
此外，在本实施方式中，第一电感器11和第二电感器12并非内置于一个半导体装置，而是内置于不同的半导体装置。由此，使第一半导体装置3和第二半导体装置4分别离电流配线部2预定距离L0以上的状态下，可分别布局第一半导体装置3在基板5上的配置方向和第二半导体装置4在基板5上的配置方向。例如，可以将第一半导体装置3的纵向布局为平行于电流配线部2的延伸方向6，且将第二半导体装置4的纵向布局为平行于与延伸方向6正交的方向。
<第二实施方式>
图3是第二实施方式的传感器装置1B的剖面图。若面对着基板5的表面观察(例如，从基板5的第一表面9的法线方向观察)，电流配线部2在第一半导体装置3和第二半导体装置4之间非接触地延伸。对于传感器装置1B的结构和効果中与传感器装置1A相同之处，将引用对传感器装置1A的上述说明。
在传感器装置1B中，电流配线部2配置于基板5的第一表面9侧，第一半导体装置3和第二半导体装置4配置于第二表面10侧。在传感器装置1B中，第一半导体装置3和第二半导体装置4分别离电流配线部2预定距离L0以上而配置于所述基板5上。在传感器装置1B中，第一半导体装置3和第二半导体装置4隔着基板5配置于与电流配线部2相对侧。由此，基板5可以使第一半导体装置3和第二半导体装置4与从电流配线部2发射的电场噪声绝缘。其结果是，可以减少传感器装置1B所受的电场噪声的影响。
另外，图3所示的传感器装置1B中，当面对着基板5的表面透过基板5观察时，电流配线部2不与半导体装置3、4重叠。然而，若半导体装置3、4离电流配线部2预定距离L0以上，则面对着基板5的表面透过基板5观察时，即使电流配线部2与半导体装置3、4重叠，也可以减少传感器装置1B所受的电场噪声的影响。这是因为，可以使半导体装置3、4与基板5之间至少距离基板5的板厚的距离。例如，在图3中，也可以使半导体装置3、4中的至少一方隔着基板5位于电流配线部2的正下方。
图9是表示半导体装置和电流配线部在Z轴方向上的距离与输入换算电动势变动率的关系的一例的图。图3、图9所示的z1表示半导体装置3、4分别与电流配线部2在Z轴方向上的距离。Z轴方向指平行于第一表面9的法线方向的方向。z1为0时，指第一半导体装置3和电流配线部2接触，且第二半导体装置4和电流配线部2接触的状态。z1为大于0的值时，指第一半导体装置3和第二半导体装置4分别在Z轴方向上距离电流配线部2相同长度的状态。z1为大于0的值时，指若面对着基板5的表面透过地观察，电流配线部2不与半导体装置3、4重叠。另一方面，图9的纵轴的输入换算电动势变动率表示产生于第一电感器11两端的电动势Vcoil对应于距离z1的变化率。距离z1为0时，将输入换算电动势变动率设为100％。
另外，图9示出当电流配线部2的线径为3mm时，对应于距离z1的输入换算电动势变动率的理论值。此外，基板5的板厚为0.8mm，从第一半导体装置3的底面至第一电感器11的高度为1mm。此外，设为产生于第一电感器11两端的电动势与产生于第二电感器12两端的电动势相同。
与第一实施方式相同，距离z1变得越大，输入至半导体装置3、4的电感器的电场噪声就变得越小，电动势Vcoil也变小。然而，在用于传感器装置1B的半导体装置3、4中，放大电动势Vcoil的元件为双极元件，因此，如后述，可以减少闪烁噪声。从而，根据本实施方式，即使因半导体装置3、4离电流配线部2预定距离L0(例如，3mm)以上而电动势Vcoil变小，也可以减少因闪烁噪声无法准确检测电动势Vcoil的可能性。
<传感器装置的电路结构>
图4是示意性地表示传感器装置1的电路结构的一例的等效电路图。传感器装置1是传感器装置1A或传感器装置1B的一例。传感器装置1具备第一半导体装置3、第二半导体装置4、反馈电阻14以及差动电路17。省略电流配线部2和基板5的图示。反馈电阻14和差动电路17，例如被安装于基板5上。反馈电阻14具有三个电阻14a，14b，14c。
第一半导体装置3内置有第一电感器11和放大产生于第一电感器11的电压的第一放大部15。第一放大部15例如是低噪声放大器(LNA)。第一半导体装置3具备非反向输入端子IN+、反向输入端子IN-以及输出端子Vo作为外部连接端子。
第一电感器11的一端通过非反向输入端子IN+连接至偏置电压Vb的电压源，第一电感器11的另一端连接至第一放大部15的非反向输入部。第一放大部15的反向输入部通过反向输入端子IN-连接至电阻14b的一端与电阻14a的一端的连接点。第一放大部15的输出部通过电阻14a连接至第一放大部15的反向输入部，并且通过输出端子Vo连接至差动电路17的非反向输入部。
第二半导体装置4内置有第二电感器12和放大产生于第二电感器12的电压的第二放大部16。第二放大部16例如是低噪声放大器(LNA)。第二半导体装置4具备非反向输入端子IN+、反向输入端子IN-以及输出端子Vo作为外部连接端子。
第二电感器12的一端通过非反向输入端子IN+连接至偏置电压Vb的电压源，第二电感器12的另一端连接至第二放大部16的非反向输入部。第二放大部16的反向输入部通过反向输入端子IN-连接至电阻14b的另一端与电阻14c的一端的连接点。第二放大部16的输出部通过电阻14c连接至第二放大部16的反向输入部，并且通过输出端子Vo连接至差动电路17的反向输入部。
差动电路17具有电阻18、19、21、22以及运算放大器20。运算放大器20的反向输入部通过电阻18连接至第一半导体装置3的输出端子Vo。运算放大器20的非反向输入部通过电阻21连接至第二半导体装置4的输出端子Vo。运算放大器20的非反向输入部通过电阻22连接至偏置电压Vb的电压源。运算放大器20的输出端子通过电阻19连接至运算放大器20的非反向输入部，并且连接至将模拟电压转换成数字电压的ADC(Analog-to-digitalConverter，模数转换器)。
差动电路17既可以是内置于微型计算机的电路，也可以是通用运算放大器20与外置电阻18、19、21、22的组合电路。ADC既可以是内置于微型计算机的AD转换器，也可以是通用AD转换器。传感器装置1检测流经电流配线部2的电流13所产生的磁通密度。
<1/f噪声的特性>
数kHz以上的热噪声自然不用说，当还需要考虑商用电源的频域(50Hz～60Hz)的噪声时，尤其希望减少低频(DC～数kHz)的1/f噪声(闪烁噪声)。
在本实施方式中，第一半导体装置3具有包含双极元件而构成的第一放大部15，第二半导体装置4具有包含双极元件而构成的第二放大部16。若以双极工艺形成运算放大器(第一放大部15和第二放大部16的例)，相比于以CMOS(Complementary Metal OxideSemiconductor，金属氧化物半导体元件)工艺形成运算放大器，可以减少1/f噪声(参照图5)。
在图5中，“Bip-1/f”表示以双极工艺形成运算放大器的情形，“CMOS-1/f”表示以CMOS工艺形成运算放大器的情形。
如此，以双极工艺形成运算放大器(第一放大部15和第二放大部16的例)的情况下，可以减少1/f噪声。由此，在第一放大部15和第二放大部16中被放大的信号的SN比提高，后续阶段中对ADC的信号处理的影响(例如，ADC的输出误差)减少。
<电感器中的噪声降低>
若传感器元件即第一电感器11和第二电感器12由铝配线形成，有时会含有电阻成分。该电阻成分有可能会成为热噪声的噪声源，因此，有时会发生热噪声在第一放大部15和第二放大部16中被放大而使SN比恶化的情况。
为了抑制SN比的恶化，例如，提升构成第一电感器11和第二电感器12的铝配线的纯度。由此，可以降低第一电感器11和第二电感器12的等效电阻成分，从而可以抑制SN比的恶化。
在本实施方式中，第一电感器11以双极工艺形成于与第一放大部15相同的第一半导体芯片31，第二电感器12以双极工艺形成于与第二放大部16相同的第二半导体芯片32。
<输入电流的降低>
由于CMOS元件是电压驱动元件，输入阻抗非常高(输入电流为数pA级别)。另一方面，由于双极元件是电流驱动元件，因此若不给基极提供数n～数百nA的电流，双极晶体管不会运作。如此，双极元件的输入电流会变得大于CMOS元件的输入电流。因此，随着双极元件的输入电流即基极电流(base current)Ib流经电感器的电阻Rs，在电阻Rs的两端会产生偏移电压(Rs×Ib)(参照图6)。其结果是，输入至第一放大部15的偏移电压(输入偏移电压ΔVi)和从第一放大部15输出的偏移电压(输出偏移电压ΔVo)会变高。对于第二放大部16而言，同样如此。
例如，设基极电流Ib的电流值为100nA，电阻Rs的电阻值为10kΩ，则产生于电阻Rs的两端的偏移电压ΔVRs为1mV。从而，设放大部的放大率为100倍，则输出偏移电压ΔVo为100mV(＝1mV×100)。
如果输出偏移电压ΔVo变得过大，放大部的运算放大器的输出动作点会发生位移，有可能会影响ADC的输入动作范围。
在本实施方式中，作为其对策，第一半导体装置3内置有第一基极电流校正电路，第二半导体装置4内置有第二基极电流校正电路。图7示出校正第一半导体装置3内的第一放大部15的基极电流的第一基极电流校正电路28。另外，校正第二半导体装置4内的第二放大部16的基极电流的第二基极电流校正电路也具有与第一基极电流校正电路28相同的结构和功能，因此，将省略校正第二半导体装置4内的第二放大部16的基极电流的第二基极电流校正电路的图示。
第一基极电流校正电路28通过产生与第一放大部15包括的双极晶体管的基极电流Ib1a反向的校正电流Ib1b来减少流经第一电感器11的电流Ib。基极电流Ib1a的电流值与校正电流Ib1b的电流值几乎相等为佳。通过设置第一基极电流校正电路28，可以将流经第一电感器11的电流Ib的电流值抑制在数pA～数百pA。由此，可以减少第一放大部15的输入偏移电压ΔVi，并减少第一放大部15的输出偏移电压ΔVo。对于第二放大部16而言，同样如此。其结果是，可以抑制放大部的运算放大器的输出动作点的偏移，抑制对ADC的输入动作范围的影响。
另外，在图7中，第一放大部15具有：恒流源23、构成差分对的一对PNP型双极晶体管24、25以及构成电流镜(current mirror)的一对NPN型双极晶体管26、27。恒流源23连接至一对双极晶体管24、25的发射极，使恒流Io流经一对双极晶体管24、25。基极电流Ib1a流经双极晶体管24的基极，基极电流Ib2流经双极晶体管25的基极。构成差分对的一对双极晶体管24、25的集电极连接有构成电流镜的一对NPN型的双极晶体管26、27。对于第二放大部16而言，同样如此。
以上，通过实施方式对传感器装置、半导体装置和半导体芯片进行了说明，但本发明不限于上述实施方式。可以在本发明的范围内，实施与其他实施方式的一部分或全部的组合和置换等各种变型和改良。
例如，电感器、放大产生于该电感器的电压的放大部可以形成于共同的半导体芯片，但也可以形成于各自不同的半导体芯片。
此外，传感器装置的实施方式不限于利用多个半导体装置以差动形式检测磁通密度的方式，也可以是利用一个半导体装置以单端式地检测磁通密度的方式。是传感器装置利用一个半导体装置以单端式地检测磁通密度的情况下，例如，可以考虑从图2或图3的结构中去除第二半导体装置4的结构。在这种情况下，第二半导体装置4离电流配线部2有距离L0以上的距离而配置于基板5，若面对着基板5的表面观察(例如，从基板5的第一表面9的法线方向观察)，则电流配线部2不与第一半导体装置3重叠地延伸。
附图标记
1、1A、1B 传感器装置
2 电流配线部
3 第一半导体装置
4 第二半导体装置
5 基板
9 第一表面
10 第二表面
11 第一电感器
12 第二电感器
14 反馈电阻
15 第一放大部
16 第二放大部
17 差动电路
31 第一半导体芯片
32 第二半导体芯片
33 第一配线层
34 第二配线层

Claims (5)

1.一种传感器装置，其特征在于，具备：
电流配线部；
半导体装置，其具有电感器和放大部，所述电感器对产生于所述电流配线部周围的磁场进行检测，所述放大部包括对产生于所述电感器的电压进行放大的双极元件；以及
基板，其配置有所述半导体装置，该半导体装置离所述电流配线部预定距离以上，
若面对着所述基板的表面观察，则所述电流配线部不与所述半导体装置重叠。
2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，
该传感器装置具有多个所述半导体装置，
所述半导体装置分别离所述电流配线部所述预定距离以上而配置于所述基板上，
若面对着所述基板的表面观察，则所述电流配线部在一方的所述半导体装置和另一方的所述半导体装置之间非接触地延伸。
3.一种传感器装置，其特征在于，具备：
电流配线部；
半导体装置，其具有电感器和放大部，所述电感器对产生于所述电流配线部周围的磁场进行检测，所述放大部包括对产生于所述电感器的电压进行放大的双极元件；以及
基板，其配置有所述半导体装置，该半导体装置离所述电流配线部预定距离以上，
所述基板具有第一表面和与所述第一表面相反侧的第二表面，
所述电流配线部配置于所述第一表面侧，
所述半导体装置配置于所述第二表面侧。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的传感器装置，其特征在于，
所述半导体装置具有：基极电流校正电路，其通过产生与所述放大部包括的双极晶体管的基极电流反向的校正电流，来减少流经所述电感器的电流。
5.一种半导体装置，用于对流经电流配线部的电流所产生的磁通密度进行检测的传感器装置，其特征在于，
所述半导体装置具有对产生于所述电流配线部周围的磁场进行检测的电感器以及包括对产生于所述电感器的电压进行放大的双极元件的放大部，且配置成离所述电流配线部预定距离以上而被使用。
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