JP2007147460A - Magnetic balance type electric current sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ホール素子を利用して電流を検出する電流センサにかかり、詳しくは、磁気平衡式の電流センサに関する。 The present invention relates to a current sensor that detects current using a Hall element, and more particularly to a magnetic balance type current sensor.
従来、ホール素子の特性を利用して電流を検出する電流センサが知られている。ホール素子は、半導体材料からなる素子であり、その内部に制御電流が流れている状態で制御電流の方向に対して直交する方向に磁界が印加されたときにホール効果の発現によってその磁界の大きさに応じたホール電圧を出力する。電流の流れる電流線の周囲にはこの電流の流れる方向に対して直交する方向に同電流の大きさに応じた磁界が発生するため、電流線に近接してホール素子を配設することで、その電流の大きさを検出することができる。例えば図12に示すように、ホール素子100を流れる制御電流Ibの方向と電流線CLとが平行となるように両者を近接させて配置すれば、電流線CLに流れる被検出電流Ifをホール素子100において発生するホール電圧Vhから求めることができるようになる。
2. Description of the Related Art Conventionally, current sensors that detect current using characteristics of Hall elements are known. A Hall element is an element made of a semiconductor material. When a magnetic field is applied in a direction perpendicular to the direction of the control current in a state where a control current flows in the Hall element, the magnitude of the magnetic field is increased by the development of the Hall effect. The hall voltage corresponding to the size is output. Since a magnetic field corresponding to the magnitude of the current is generated in the direction perpendicular to the direction of current flow around the current line through which the current flows, by disposing the Hall element close to the current line, The magnitude of the current can be detected. For example, as shown in FIG. 12, if the direction of the control current Ib flowing through the
ただし、このようにホール素子100と電流線CLとを近接させて同電流線CLに流れる被検出電流Ifを直接検出する方法では、電流線CLの周囲に発生する磁束の一部が外部の空間に漏れることから、被検出電流Ifの検出精度には自ずと限界がある。そこで、電流線CLの周囲に発生する磁束をフェライト等の磁性体からなるコアによって集磁するようにした電流センサが提案されており、広く実用化されている。
However, in the method of directly detecting the detected current If flowing through the current line CL by bringing the
こうした磁性体のコアを用いた電流センサとしては、磁気比例式と磁気平衡式との2つの方式のものがある。このうち磁気比例式の電流センサは、図13に示されるように、ギャップ(間隙)を有する環状のコア110と、そのコア110のギャップ部110aに配設されたホール素子111と、ホール素子111のホール電圧Vhを増幅する増幅回路112とを備えて構成されている。電流線CLは、上記コア110によって囲繞される空間内にあって同コア110の軸心と直交する方向に配設されている。このような構成のもとでは、電流線CLに被検出電流Ifが流れると、上記コア110のギャップ部110aに被検出電流Ifの大きさに応じた磁界が発生する。上記磁気比例式の電流センサでは、このコア110のギャップ部110aに発生する磁界を、ホール素子のホール電圧Vhとして検出するようにしている。こうした磁気比例式電流センサは、その構成が簡素であることから、製造コストが安く、また被検出電流Ifの検出範囲が広い等の利点を有する反面、ホール素子の温度依存性によるホール電圧Vhの変化が被検出電流Ifの検出精度に影響を及ぼす等の欠点も併有している。
As a current sensor using such a magnetic core, there are two types, a magnetic proportional type and a magnetic balance type. Among these, as shown in FIG. 13, the magnetic proportional current sensor includes an
その点、例えば特許文献1に記載の磁気平衡式の電流センサによれば、上述の磁気比例式電流センサのホール素子の温度依存性に起因する検出精度の悪化も好適に抑制され、被検出電流Ifの検出精度の向上が図られるようになる。ここで、この種の磁気平衡式電流センサについてその概略構成を図14に示し、同図14を参照しつつ説明する。
In that respect, for example, according to the magnetic balance type current sensor described in
同図14に示されるように、磁気平衡式電流センサは、ギャップを有する環状のコア120と、このコア120に巻回された二次巻線121と、コア120のギャップ部120aに配設されたホール素子122とを備えて構成されている。また磁気平衡式電流センサには、ホール素子122のホール電圧Vhを増幅するとともにこの増幅された電圧を電流Icに変換する電流増幅回路123が更に設けられている。二次巻線121の一端は、電流増幅回路123に接続され、その他端は、負荷抵抗Rを介して接地されている。電流線CLは、上記磁気比例式電流センサと同様、上記コア120によって囲繞される空間内にあって同コア120の軸心と直交する方向に配設されている。そして、この磁気平衡式電流センサにおいては、二次巻線121の巻回方向や電流増幅回路123の増幅率等が、電流線CLに被検出電流Ifが流れることによってコア120内に発生する磁界と二次巻線121に電流Icが流れることによって同コア120内に発生する磁界とが相殺されるように設定されている。
As shown in FIG. 14, the magnetic balanced current sensor is disposed in an
以上の構成を有する磁気平衡式電流センサでは、被検出電流Ifに応じてホール素子122の発生したホール電圧Vhを、電流増幅回路123を通じてまず電流Icに変換して二次巻線121に出力する。こうして電流Icが二次巻線121を流れると、被検出電流Ifに基づく磁界と、上記電流Icに基づく磁界、いわゆるキャンセル磁界とが相殺されて平衡状態が形成される。このとき、上記負荷抵抗Rにおける電圧降下分をセンサ出力電圧Vsとして検出し、このセンサ出力電圧Vsに基づき上記電流Icを検出すれば、電流線CLを流れる被検出電流Ifの検出が可能となる。このような磁気平衡式電流センサによれば、ホール素子の温度依存性に起因する温度ドリフトも好適に抑制され、また被検出電流Ifとセンサ出力電圧Vsとの直線性も良好であることから、高い精度のもとに被検出電流Ifを検出することができるようになる。
ところで、上述のような磁気平衡式電流センサでは、二次巻線121の巻かれたコア120とホール素子122との位置関係によってホール素子122周囲のキャンセル磁界の強さが変化してしまうため、それらの組み付け位置の精度によって電流の検出精度が大きく影響されてしまう。またたとえ組み付け時にはそれらの位置精度が十分に確保されていたとしても、例えば周囲温度等に起因して時間の経過とともに位置関係が変化して、電流センサの検出精度が悪化してしまうおそれがある。
By the way, in the magnetic balance type current sensor as described above, the strength of the canceling magnetic field around the Hall element 122 changes depending on the positional relationship between the
本発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流検出精度の更なる向上を図ることのできる磁気平衡式電流センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a magnetic balance type current sensor capable of further improving current detection accuracy.
こうした目的を達成するため、請求項1に記載の発明では、電流線への被検出電流の通電により発生する磁界に対して方向の異なるキャンセル磁界を通電に応じて発生する二次巻線と、上記電流線および上記二次巻線の近傍に配設されるホール素子とを有するとともに、周囲の磁界に応じて上記ホール素子に発生するホール電圧により上記二次巻線への通電を行って、該ホール素子の周囲において上記電流線の周囲の磁界と上記キャンセル磁界とが相殺される平衡状態となったときの上記二次巻線に流れる電流に基づき上記被検出電流を検出する磁気平衡式電流センサにおいて、上記二次巻線を、上記ホール素子の形成される半導体基板に一体に形成するようにした。
In order to achieve such an object, in the invention described in
上記構成では、二次巻線とホール素子とが同一の半導体基板に形成されている。こうした場合、半導体プロセス技術を用いて、二次巻線とホール素子との位置決めを極めて高い精度で行うことができるため、電流の検出精度を向上することができるようになる。 In the above configuration, the secondary winding and the Hall element are formed on the same semiconductor substrate. In such a case, the current detection accuracy can be improved because the positioning of the secondary winding and the Hall element can be performed with extremely high accuracy using semiconductor process technology.
ちなみにこうした磁気平衡式電流センサでは、ホール素子と二次巻線とを極めて近い位置に配置することができるため、たとえコアによる集磁を行わなくても、小電流で十分に強いキャンセル磁界をホール素子に作用させることができる。そのため、上記構成では、コアを割愛することが可能でもある。勿論、コアが必要な場合には、ホール素子や二次巻線と共に、コアも同一の半導体基板に一体形成するように、磁気平衡式電流センサを構成することは可能である。 By the way, in such a magnetic balanced current sensor, the Hall element and the secondary winding can be arranged very close to each other, so that a sufficiently strong canceling magnetic field can be generated with a small current even if the magnetic flux is not collected by the core. It can act on the element. Therefore, in the above configuration, it is possible to omit the core. Of course, when a core is required, it is possible to configure the magnetic balance type current sensor so that the core is integrally formed on the same semiconductor substrate together with the Hall element and the secondary winding.
またこの磁気平衡式電流センサにおいて、請求項2に記載の発明によるように、上記二次巻線を、上記被検出電流の流れる方向に直交する方向がその軸心方向となるように形成すれば、電流線への被検出電流の通電により発生する磁界のうち、上記二次巻線の軸心方向、すなわちキャンセル磁界の方向と平行な方向における磁界成分がより大きくなるため、ホール素子において発生するホール電圧の変化量も大きくなり、電流検出の精度をより向上することができるようになる。
In this magnetic balance type current sensor, as in the invention according to
こうした請求項1または請求項2に記載の磁気平衡式電流センサにおいて、上記二次巻線は、例えば請求項3に記載の発明によるように、上記半導体基板の内部に並行して延伸された複数の帯状の導体パターンからなる第1配線パターンと、上記半導体基板の内部に並行して延伸された複数の帯状の導体パターンからなり、上記第1配線パターンと平行に形成された第2配線パターンと、を備えるとともに、上記第1配線パターンの導体パターンのそれぞれについて、その先端および基端を上記第2配線パターンの導体パターンの先端およびそれに隣接する同第2配線パターンの導体パターンの基端にそれぞれ接続する2つの導電性の接続部を設けることで形成される。このように第1配線パターン、第2配線パターン、および接続部といった複数の部材から上記二次巻線を構成するようにすれば、半導体基板における二次巻線の配置に関してその自由度が向上するようになり、ひいては半導体基板においてより的確な形態で二次巻線を形成することができるようになる。
In such a magnetic balance type current sensor according to
更に、請求項3に記載の磁気平衡式電流センサにおいて、請求項4に記載の発明によるように、上記半導体基板の同一層に上記第1配線パターンの各導体パターンが形成され、それとは別の上記半導体基板の同一層に上記第2配線パターンの各導体パターンが形成されるようにすれば、半導体プロセス技術を用いて上記二次巻線をより容易に形成することができるようになる。 Furthermore, in the magnetic balance type current sensor according to claim 3, each conductor pattern of the first wiring pattern is formed in the same layer of the semiconductor substrate as in the invention according to claim 4. If each conductor pattern of the second wiring pattern is formed on the same layer of the semiconductor substrate, the secondary winding can be more easily formed using a semiconductor process technique.
また、請求項3または請求項4に記載の磁気平衡式電流センサにおいて、請求項5に記載の発明によるように、上記ホール素子を、制御電流の方向が上記半導体基板の厚さ方向となる縦型ホール素子とし、上記二次巻線を、上記ホール素子の上記制御電流の方向に対して直交する方向がその軸心方向となるように形成することが、キャンセル磁界を発生するための二次巻線への通電量を抑制する点から有効である。すなわち、このように二次巻線を縦型ホール素子の制御電流の方向に対して直交する方向がその軸心方向となるように形成すれば、同縦型ホール素子によって検出されるキャンセル磁界の大きさがより大きくなるため、二次巻線への通電量を少なくしても、電流線の周囲の磁界を相殺して平衡状態とするのに十分なキャンセル磁界を発生させることができるようになる。
Further, in the magnetic balance type current sensor according to claim 3 or 4, as in the invention according to
こうした請求項5に記載の磁気平衡式電流センサにおいて、上記二次巻線の具体的な構成としては、例えば請求項6に記載の発明によるように、
(イ)その第1配線パターンおよび第2配線パターンが共に、前記ホール素子に対して前記半導体基板の厚さ方向における同一の側に位置されるように形成される。
あるいは、請求項8に記載の発明によるように、
(ロ)上記半導体基板の厚さ方向において、その第1配線パターンと第2配線パターンとの間に上記ホール素子が位置されるように形成される。
等々、を採用することができる。このうち上記(イ)の構成を採用する場合には、更に請求項7に記載の発明によるように、上記二次巻線が、上記半導体基板の厚さ方向においてその第1配線パターンおよび第2配線パターンが共に、上記ホール素子に対して上記電流線が配置される側に位置されるように形成されるようにすれば、二次巻線が電流線に対してホール素子に近い側に配置されるため、上記キャンセル磁界を発生させるための二次巻線への通電量をより少なくすることができるようになる。また、上記(ロ)の構成によれば、二次巻線への通電によって生じるキャンセル磁界が最も強い領域内にホール素子が配設されることになるため、上記キャンセル磁界を発生させるための二次巻線への通電量をさらに少なくすることができるようになる。
In such a magnetic balanced current sensor according to
(A) Both the first wiring pattern and the second wiring pattern are formed so as to be located on the same side in the thickness direction of the semiconductor substrate with respect to the Hall element.
Alternatively, as in the invention according to claim 8,
(B) The Hall element is formed so as to be positioned between the first wiring pattern and the second wiring pattern in the thickness direction of the semiconductor substrate.
And so on. Among these, when adopting the configuration of (a) above, as in the invention according to claim 7, the secondary winding has the first wiring pattern and the second wiring in the thickness direction of the semiconductor substrate. If both the wiring patterns are formed so as to be positioned on the side where the current line is disposed with respect to the Hall element, the secondary winding is disposed on the side closer to the Hall element with respect to the current line. As a result, the energization amount to the secondary winding for generating the canceling magnetic field can be further reduced. Further, according to the configuration (b), the Hall element is disposed in a region where the cancellation magnetic field generated by energization of the secondary winding is strongest. It is possible to further reduce the energization amount to the next winding.
また、請求項1〜8のいずれかに記載の磁気平衡式電流センサにおいて、請求項9に記載の発明によるように、上記ホール素子の特性を調整する回路および同ホール素子の出力処理を行なう処理回路を上記ホール素子の形成される半導体基板に一体に形成するようにすれば、二次巻線、ホール素子、およびその周辺回路が1チップ上に集積されることから、磁気平衡式電流センサの小型化と製造コストの抑制とを併せて図ることができるようになる。
Further, in the magnetic balanced current sensor according to any one of
(第1の実施の形態)
以下、本発明にかかる磁気平衡式電流センサを具体化した第1の実施の形態について、図1〜図6を参照しつつ説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which a magnetic balance type current sensor according to the present invention is embodied will be described with reference to FIGS.
図1に示されるように、この磁気平衡式電流センサは、大きくは、被検出電流Ifの流れる電流線CLに近接される磁気検出部10と、該磁気検出部10からの出力に基づいて上記被検出電流Ifを検出するための各種処理を行う処理回路30とを備えて構成されている。本実施の形態において、これら磁気検出部10および処理回路30は、同一の半導体基板1上に配設されている。
As shown in FIG. 1, this magnetic balanced current sensor is largely based on the
このうち磁気検出部10は、縦型ホール素子11と、その上方に配設された二次巻線20とを備えて構成されている。二次巻線20は、半導体基板1の内部に並行して延伸された複数の帯状の第1導体パターン21と、同じく半導体基板1の内部に並行して延伸された複数の帯状の第2導体パターン22と、これら第1導体パターン21および第2導体パターン22を電気的に接続する接続部25とを備えて構成されている。上記電流線CLは、二次巻線20の上方にあって、その被検出電流Ifの方向が上記二次巻線20の軸心Oの方向と直交するように配置されている。以下、こうした磁気検出部10について、更に詳細に説明する。
Among these, the
図2に、図1中の二次巻線20の軸心Oに沿った磁気検出部10の断面構造を示す。同図2に示されるように、磁気検出部10では、縦型ホール素子11の形成されたベース基板1aの上方に、それぞれ層間絶縁膜からなる第1スペーサ層IDL1、第2配線パターン層IDL2、第2スペーサ層IDL3および第1配線パターン層IDL4が順に、ベース基板1aの上面に平行となるように積層されている。第2配線パターン層IDL2には、二次巻線20の第2配線パターン24を構成する各第2導体パターン22が層間絶縁膜内に埋込形成されている。また第1配線パターン層IDL4には、二次巻線20の第1配線パターン23を構成する各第1導体パターン21が層間絶縁膜内に埋込形成されている。すなわち、第1配線パターン23の各第1導体パターン21は、半導体基板1内の同一の層(第1配線パターン層IDL4)内に形成されており、また第2配線パターン24の各第2導体パターン22は、それとは別の半導体基板1内の同一の層(第2配線パターンIDL2)に、第1配線パターン23と平行をなすように形成されている。なお、第2スペーサ層IDL3の層間絶縁膜内には、第1導体パターン21と第2導体パターン22とを接続する導電性の接続部25(図1参照)が埋込形成されている。
FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the
こうした二次巻線20の第1配線パターン23および第2配線パターン24は、縦型ホール素子11と半導体基板1の上方に配置される電流線CLとに挟まれる態様で配設されている。すなわち、半導体基板1の厚さ方向において、二次巻線20の第1配線パターン23および第2配線パターン24は共に、縦型ホール素子11に対して電流線CLが配置されたその上方に配置されている。
The
図3に、こうして半導体基板1の内部に埋込形成された二次巻線20の斜視構造を示す。ここで各導体パターン21、22の図中右側の端部を先端とし、図中左上側の端部を基端とすると、各第2導体パターン22がその先端から基端まで真直に延伸されているのに対して、第1導体パターン21は、その先端側と基端側とがそれぞれ隣接する第2導体パターン22の上方に位置するように、略S字状に屈曲して延伸されている。そして、こうした第1導体パターン21のそれぞれについて、その先端および基端を第2導体パターン22の先端およびそれに隣接する同第2導体パターン22の基端にそれぞれ接続する2つの導電性の接続部25が設けられている。なお、本実施の形態では、上記第1配線パターン23の各第1導体パターン21、上記第2配線パターン24の各第2導体パターン22、および上記接続部25の材質を、アルミニウム(Al)としている。また、接続部25については、半導体プロセス技術により、ビアホールとして形成するようにしている。
FIG. 3 shows a perspective structure of the secondary winding 20 embedded in the
次に、縦型ホール素子11の構造および磁界検出原理について、図4を参照しながらその概略を説明する。図4(a)はこの縦型ホール素子11の平面構造を模式的に示したものであり、図4(b)は図4(a)中のL1−L1に沿った同縦型ホール素子11の断面構造を、図4(c)は図4(a)中のL2−L2に沿った同縦型ホール素子11の断面構造をそれぞれ模式的に示したものである。
Next, the outline of the structure and magnetic field detection principle of the
縦型ホール素子11は、ベース基板1aの表面に垂直な成分を含む制御電流Ibが供給された状態で、同ベース基板1aの表面に平行な磁界成分が印加されるとき、その磁界成分に対応するホール電圧Vhを出力する素子である。すなわち、縦型ホール素子11における制御電流Ibの方向は、半導体基板1の厚さ方向となっている。具体的には、この縦型ホール素子11は、その断面構造を同図4(b)に示すように、例えばP型のシリコンからなる半導体層(P−sub)12と、この表面にN型の導電型不純物が導入されるかたちで形成された埋込層BLと、さらにこの上にエピタキシャル成長にて形成されたN型のシリコンからなる半導体領域13とを有して構成されている。半導体層12に形成された上記埋込層BLの不純物濃度は、上記半導体領域13よりも高い濃度となっている。
The
このうち半導体領域13には、その平面構造を図4(a)に示すように、ベース基板1aから縦型ホール素子11を電気的に隔離するための拡散分離壁としてP型の拡散層14が、上記半導体層12に接続するように四角筒状に形成されている。また、この拡散層14の内周面には、P型拡散層15、16とが、上記埋込層BLに接続されるように形成されており、半導体領域13は、これら拡散層14〜16によって略直方体形状をなす3つの領域13a〜13cに分割されている。これら領域13a〜13cのうち、中央に位置する領域13aの表面には、不純物濃度(N型)が選択的に高められるかたちで3つのコンタクト領域(N+拡散層)17a、17d、17eが形成されている。コンタクト領域17a、17d、17eは、コンタクト領域17aが中央に位置するように、直線上に配置されている。一方、領域13bの表面中央には、不純物濃度(N型)が選択的に高められるかたちでコンタクト領域(N+拡散層)17bが形成され、領域13cの表面中央には、同様に、不純物濃度(N型)が選択的に高められるかたちでコンタクト領域(N+拡散層)17cがそれぞれ形成されている。すなわち、上記コンタクト領域17aは、上記拡散層15および上記拡散層16を隔ててコンタクト領域17bおよびコンタクト領域17cの各々に対向するように配置されている。これらコンタクト領域17a〜17eには、それぞれ端子S、端子G1、端子G2、端子V1、および端子V2がそれぞれ接続されている。そしてこの縦型ホール素子11においては、上記領域17aの基板内部に電気的に区画される領域にあって上記コンタクト領域17dおよびコンタクト領域17eにて挟まれる領域が、いわゆるホールプレートHPとなる。
Among these, the
ここで例えば、図4(c)に示すように、端子Sから端子G1へ、また端子Sから端子G2へそれぞれ一定の制御電流Ibを流すと、その制御電流Ibは、基板表面に形成されたコンタクト領域17aから上記ホールプレートHP、埋込層BLを通じて、コンタクト領域17bおよびコンタクト領域17cへとそれぞれ流れ込む。その結果、上記ホールプレートHPには、基板表面に垂直な成分を主に含む制御電流Ibが流れることとなる。このため、この制御電流Ibを流した状態において、基板表面に平行な成分を含む磁界(例えば図4中に矢印Bで示される磁界)が当該縦型ホール素子11のホールプレートHPに印加されたとすると、ホール効果の発現によって、図4(b)に示すように、上記端子V1と端子V2との間にその磁界に対応するホール電圧Vhが発生する。よって、このホール電圧Vhを検出することで、当該縦型ホール素子11の基板表面、すなわち半導体基板1に平行な磁界成分が求められる。
Here, for example, as shown in FIG. 4C, when a constant control current Ib is passed from the terminal S to the terminal G1 and from the terminal S to the terminal G2, the control current Ib is formed on the substrate surface. The
こうした縦型ホール素子11の各端子S、G1、G2、V1、V2、および上述の二次巻線20の両端部は、それぞれ処理回路30に接続されている。次に、この処理回路30の概略構成について、図5を参照しつつ説明する。
Each terminal S, G1, G2, V1, V2 of the
同図5に示されるように、処理回路30は、制御電流印加回路31、電流増幅回路32、負荷抵抗R、検出回路33、およびホール素子補正回路34を備えて構成されている。
制御電流印加回路31には、縦型ホール素子11の各端子S、G1、G2がそれぞれ接続されている。この制御電流印加回路31は、定電流源回路または定電圧源回路を備えて構成されており、端子Sに対して一定の制御電流Ibを出力する。
As shown in FIG. 5, the
Each terminal S, G1, G2 of the
また、電流増幅回路32には、縦型ホール素子11の端子V1、V2が接続されるとともに、端子INを介して二次巻線20の一方の端部に接続されている。電流増幅回路32は、端子V1および端子V2の電位差として検出されるホール電圧Vhを差動増幅するとともに、この増幅された電圧に比例したキャンセル電流Icを端子INに出力する。具体的には、この電流増幅回路32は、端子V1、V2からの入力電圧を差動増幅する比較器と、この比較器の出力電圧に基づき作動し、同比較器の出力電圧を電流増幅して上記端子INに出力する相補エミッタホロワ回路とを備えて構成されている。そして、電流増幅回路32における各回路定数は、縦型ホール素子11の周囲において、被検出電流Ifの流れる電流線CLの周囲に発生する磁界と、二次巻線20にキャンセル電流Icが流れることによって同二次巻線20の周囲に発生するキャンセル磁界とが相殺されて平衡状態となるような値に設定されている。
The
一方、二次巻線20の他方の端部は、端子OUTを介して負荷抵抗Rに接続されている。負荷抵抗Rの両端は、検出回路33に接続されている。検出回路33は、負荷抵抗Rの端子間電圧であるセンサ出力電圧Vsに基づき、二次巻線20に流れるキャンセル電流Icを検出する。この検出回路33により、電流線CLの周囲に発生する磁界と二次巻線20の周囲に発生するキャンセル磁界とが平衡状態となった状態でのキャンセル電流Icを検出することができる。
On the other hand, the other end of the secondary winding 20 is connected to a load resistor R via a terminal OUT. Both ends of the load resistor R are connected to the
また、ホール素子補正回路34は、縦型ホール素子11に接続され、同縦型ホール素子11の特性を補正(調整)するための回路である。このホール素子補正回路34は、縦型ホール素子11の補正係数が予め記憶されたEPROMやEEPROM、あるいはヒューズのトリム回路等から構成されている。
The Hall
次に、以上のように構成された磁気平衡式電流センサによる被検出電流Ifの検出手順について、図6を参照しつつ説明する。
磁気平衡式電流センサでは、被検出電流Ifの検出に際して、処理回路30の制御電流印加回路31を通じて縦型ホール素子11に制御電流Ibを出力する。この制御電流Ibは、例えば同図6に示すように、半導体基板1の厚さ方向にて下方に流れるように出力される。
Next, the detection procedure of the detected current If by the magnetic balance type current sensor configured as described above will be described with reference to FIG.
The magnetic balance type current sensor outputs the control current Ib to the
ここで、電流線CLに同図6に示す方向に被検出電流Ifが流されると、電流線CLの周囲には、被検出電流Ifが流れている方向に対して時計回りに同心円状の磁束が発生する。このとき磁気平衡式電流センサでは、この被検出電流Ifによる磁界に応じて縦型ホール素子11からホール電圧Vhが出力される。磁気平衡式電流センサは、このホール電圧Vhを電流増幅回路32を通じてまずキャンセル電流Icに変換し、同キャンセル電流Icを端子INを介して二次巻線20に出力する。上述のように、電流増幅回路32における各回路定数は、電流線CLの周囲に発生する磁界と二次巻線20の周囲に発生するキャンセル磁界とが平衡状態となるような値に設定されているため、二次巻線20には、図6に示す方向にキャンセル電流Icが流れることとなる。すなわち、縦型ホール素子11の周囲においては、二次巻線20への通電により、電流線CLへの被検出電流Ifの通電により発生する磁界に対して方向の異なるキャンセル磁界が発生する。
Here, when the detected current If flows through the current line CL in the direction shown in FIG. 6, a concentric magnetic flux is formed around the current line CL in the clockwise direction with respect to the direction in which the detected current If flows. Will occur. At this time, in the magnetic balanced current sensor, the Hall voltage Vh is output from the
こうした二次巻線20へのキャンセル電流Icの通電は、電流線CLの周囲の磁界と二次巻線20の周囲の磁界とが縦型ホール素子11の周囲において平衡状態となって縦型ホール素子11から出力されるホール電圧Vhが「0」になるまで継続される。こうして平衡状態が形成されたときのキャンセル電流Icの大きさは、被検出電流Ifに応じて変化する。そこで、磁気平衡式電流センサは、検出回路33を通じてセンサ出力電圧Vsからこのときのキャンセル電流Icを求め、このキャンセル電流Icに基づいて被検出電流Ifを検出する。
When the canceling current Ic is applied to the secondary winding 20, the magnetic field around the current line CL and the magnetic field around the secondary winding 20 are in an equilibrium state around the
以上説明したように、本実施の形態にかかる磁気平衡式電流センサによれば、以下のような効果を得ることができるようになる。
(1)二次巻線20を、縦型ホール素子11の形成される半導体基板1に一体に形成するようにした。このため、半導体プロセス技術を用いて、二次巻線20と縦型ホール素子11との位置決めを極めて高い精度で行うことができるため、被検出電流Ifの検出精度を向上することができるようになる。
As described above, according to the magnetic balance type current sensor according to the present embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The secondary winding 20 is formed integrally with the
(2)半導体プロセス技術により二次巻線20と縦型ホール素子11との位置決めを極めて高い精度で行うことができることから、縦型ホール素子11と二次巻線20とを極めて近い位置に配置して、従来の磁気平衡式電流センサにおけるような集磁用のコアを割愛するようにした。このため、磁気平衡式電流センサを小型化することができるとともに、その製造コストを抑制することができるようにもなる。
(2) Since the positioning of the secondary winding 20 and the
(3)二次巻線20を、半導体基板1の厚さ方向においてその第1配線パターン23および第2配線パターン24が共に、縦型ホール素子11に対して電流線CLが配置される側に位置されるように形成した。そして、二次巻線20が電流線CLに対して縦型ホール素子11に近い側に配置されるようにした。このため、被検出電流Ifの検出を、上記キャンセル磁界を発生させるための二次巻線20への通電量をより少なくして行うことができる。
(3) The secondary winding 20 is arranged on the side where the current line CL is arranged with respect to the
(4)二次巻線20や縦型ホール素子11が形成された半導体基板1に、縦型ホール素子11からのホール電圧Vhを増幅するための電流増幅回路32や、縦型ホール素子11の特性を補正するためのホール素子補正回路34等の各種回路を処理回路30として一体に形成するようにした。これにより、磁気平衡式電流センサの小型化と製造コストの抑制とを併せて図ることができるようになる。
(第2の実施の形態)
次に、本発明にかかる磁気平衡式電流センサを具体化した第2の実施の形態について説明する。本実施の形態にかかる磁気平衡式電流センサの構造も、基本的には、先の第1の実施の形態にかかる磁気平衡式電流センサの構造に準じたものとなっている。ただし、本実施の形態にかかる磁気平衡式電流センサでは、二次巻線と縦型ホール素子との配置関係を変更することで、二次巻線への通電量がより少なくとも、電流線の周囲の磁界を相殺して平衡状態とするのに十分なキャンセル磁界を発生することができるようにしている。こうした磁気平衡式電流センサについて、図7〜図9を参照しつつ説明する。なお、本実施の形態にかかる磁気平衡式電流センサの処理回路部の構成は、先の第1の実施の形態における構成と基本的に同一であるため、ここではその詳細な説明を割愛することとする。また、先の第1の実施の形態と同様あるいはそれに準じた構造については、同一の符号を付してその説明は割愛する。
(4) The
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment in which the magnetic balance type current sensor according to the present invention is embodied will be described. The structure of the magnetic balance type current sensor according to the present embodiment is basically based on the structure of the magnetic balance type current sensor according to the first embodiment. However, in the magnetic balanced current sensor according to the present embodiment, by changing the arrangement relationship between the secondary winding and the vertical Hall element, the energization amount to the secondary winding is at least around the current line. It is possible to generate a canceling magnetic field sufficient to cancel out the magnetic field and to achieve an equilibrium state. Such a magnetic balance type current sensor will be described with reference to FIGS. The configuration of the processing circuit unit of the magnetic balance type current sensor according to the present embodiment is basically the same as the configuration in the first embodiment, and therefore detailed description thereof is omitted here. And In addition, the same reference numerals are assigned to the same or similar structures as those in the first embodiment, and the description thereof is omitted.
図7に示すように、本実施の形態の磁気検出部40は、縦型ホール素子11と、この縦型ホール素子11を半導体基板の厚さ方向に挟んで形成された二次巻線50とを備えて構成されている。電流線CLは、二次巻線50の上方にあって、その被検出電流Ifの方向が上記二次巻線50の軸心Oの方向と直交するように配設されている。以下、こうした磁気検出部40について、更に詳細に説明する。
As shown in FIG. 7, the
図8に、図7中の二次巻線50の軸心Oに沿った磁気検出部40の断面構造を示す。同図8に示されるように、磁気検出部40は、埋込層として形成された第2配線パターン24と、縦型ホール素子11とが順に積層されたベース基板1aの上方に、層間絶縁膜からなるスペーサ層IDL10および第1配線パターン23が層間絶縁膜内に埋め込み形成された配線パターン層IDL11が順に積層された構造を有している。すなわち、二次巻線50は、半導体基板1の厚さ方向において、その第1配線パターン23と第2配線パターン24との間に縦型ホール素子11が位置されるように形成されている。また、本実施の形態においても、半導体基板1の同一層に第1配線パターン23の各第1導体パターン21が形成されるとともに、それとは別の半導体基板1の同一層に第2配線パターン24の各第2導体パターン22が形成されている。そして、第2配線パターン24は、第1配線パターン23と平行となるように形成されている。
FIG. 8 shows a cross-sectional structure of the
また、上記二次巻線50は、先の第1の実施の形態同様、第1導体パターン21のそれぞれについて、その先端および基端を第2導体パターン22の先端およびそれに隣接する同第2導体パターン22の基端にそれぞれ接続する2つの導電性の接続部25aとを設けることで形成されている。
In addition, the secondary winding 50 is similar to the first embodiment in that the
以上の構成を有する磁気平衡式電流センサによる被検出電流Ifの検出も、基本的には、先の第1の実施の形態における磁気平行電流センサによる磁気検出手順にしたがって行われる。図9は、先の第1の実施の形態に準じて、被検出電流Ifを図9に示す方向に流した場合の、電流線CLの周囲に発生する磁界の磁束、キャンセル電流Icの方向、およびこのキャンセル電流Icによって二次巻線50の周囲に発生するキャンセル磁界の磁束の方向をそれぞれ示したものである。同図9に示すように、第1配線パターン23と第2配線パターン24との間に縦型ホール素子11が形成されているため、縦型ホール素子11にはより多くの磁束が鎖交する。このため、電流線CLに被検出電流Ifが流れる際に発生する磁界を打ち消すために二次巻線50に入力されるキャンセル電流Icをより小さくすることができる。
The detection of the detected current If by the magnetic balance type current sensor having the above configuration is also basically performed according to the magnetic detection procedure by the magnetic parallel current sensor in the first embodiment. FIG. 9 shows the magnetic flux generated around the current line CL, the direction of the cancel current Ic when the detected current If flows in the direction shown in FIG. 9 according to the first embodiment, The direction of the magnetic flux of the cancel magnetic field generated around the secondary winding 50 by the cancel current Ic is shown. As shown in FIG. 9, since the
以上説明したように、本実施の形態にかかる磁気平衡式電流センサによれば、以下のような新たな効果を得ることができるようになる。
(5)半導体基板の厚さ方向において、その第1配線パターン23と第2配線パターン24との間に縦型ホール素子11が位置されるように二次巻線50を形成した。そして、二次巻線50への通電によって生じるキャンセル磁界が最も強い領域内に縦型ホール素子11を配設するようにした。このため、上記キャンセル磁界を発生させるための二次巻線50への通電量を更に少なくして、被検出電流Ifの検出を行うことができるようになる。
(他の実施の形態)
なお、この発明にかかる磁気平衡式電流センサは上記各実施の形態に限定されるものではなく、これら実施の形態を適宜変更した例えば次のような形態として実施することもできる。
As described above, according to the magnetic balance type current sensor according to the present embodiment, the following new effects can be obtained.
(5) The secondary winding 50 is formed so that the
(Other embodiments)
The magnetic balance type current sensor according to the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented as, for example, the following forms obtained by appropriately changing these embodiments.
・第1実施形態では、半導体基板1の厚さ方向において、二次巻線20を構成する第1および第2配線パターン23、24が共に、縦型ホール素子11に対して電流線CLが配置される側に位置するようにしていたが、第1および第2配線パターン23、24を、縦型ホール素子11に対して電流線CLが配設される側と反対側に位置するように磁気検出部10を構成するようにしてもよい。すなわち、この場合、縦型ホール素子11は、電流線CLと二次巻線20との間に挟み込まれる態様で配置されることになる。
In the first embodiment, in the thickness direction of the
・上記各実施の形態において、第1配線パターン23の各第1導体パターン21および第2配線パターン24の各第2導体パターン22の数、すなわち二次巻線20の巻き数は任意である。例えば第1導体パターン21および第2導体パターン22の数を増加させることとすれば、二次巻線20の周囲により強いキャンセル磁界を発生させることができるため、キャンセル磁界を発生させるための二次巻線20への通電量をさらに少なくすることができるようになる。
In each of the above embodiments, the number of the
・上記各実施の形態において、縦型ホール素子11の構造は任意である。例えば、図10(a)〜(c)に示すような構造を有する縦型ホール素子を採用するようにしてもよい。この縦型ホール素子は、図10(b)に示すように、例えばP型のシリコンからなる半導体層(P−sub)60と、該半導体層60の表面に例えばN型の導電型不純物が導入されて拡散層(ウェル)として形成されたN型の半導体領域(Nウェル)61とを有して構成されている。また、その平面構造を図10(a)に示すように、この半導体層60には、拡散分離壁としてP型の拡散層(Pウェル)62が、上記半導体領域61を囲繞するように形成されている。拡散層62の内周面には、上記半導体領域61よりも浅い拡散深さを有するP型の拡散層(Pウェル)63、64が形成されており、半導体領域61の表面近傍は、これら拡散層62〜64によって略直方体形状をなす3つの領域61a〜61cに分割されている。そして、当該縦型ホール素子においても、中央に位置する領域61aの表面には、3つのコンタクト領域17a、17d、17eがコンタクト領域17aを中央にして直線上に形成されている。一方、領域61bの表面中央にはコンタクト領域17bが、領域61cの表面中央にはコンタクト領域17cがそれぞれ形成されている。なお、この縦型ホール素子では、上記領域61aの基板内部に電気的に区画される領域にあって上記コンタクト領域17dおよび17eにて挟まれる領域がホールプレートHPとなっている。このような構造を有する縦型ホール素子によっても、図10(c)に示すように、端子Sから端子G1へ、また端子Sから端子G2へそれぞれ一定の制御電流Ibを流すと、基板表面に垂直な成分を主に含む制御電流Ibが上記ホールプレートHPに流れるようになる。このため、この制御電流Ibを流した状態において、基板に平行な成分を含む磁界(例えば図10中に矢印Bで示される磁界)が当該縦型ホール素子のホールプレートHPに印加されると、端子V1と端子V2との間にその磁界に対応するホール電圧Vhが発生する。したがって、このホール電圧Vhを検出することで、上記半導体基板1に平行な磁界成分を求めることができる。また、このような構造の縦型ホール素子の製造にあたっては、半導体層60の表面に半導体領域61を拡散層(ウェル)として形成すればよいことから、単一の導電型からなる半導体基板を当該縦型ホール素子の形成基板として採用することができる。このため、上記各実施の形態における上記処理回路30をCMOS回路として構成することとすれば、縦型ホール素子および処理回路30を共にCMOS工程で製造することができるようになり、ひいては磁気平衡式電流センサの製造工程の簡素化を図ることができるようにもなる。
In each of the above embodiments, the structure of the
またこの他にも、例えば図11に示すように、端子G2、端子V2、端子S、端子V1、および端子G1がこの順に直線上に配置される縦型ホール素子を採用するようにしてもよい。このようにしても、縦型ホール素子において、制御電流Ibの方向が半導体基板1の厚さ方向となるため、電流線CLの周囲の磁界およびキャンセル磁界を縦型ホール素子により有効に検出することができる。
In addition, as shown in FIG. 11, for example, a vertical Hall element in which the terminal G2, the terminal V2, the terminal S, the terminal V1, and the terminal G1 are arranged in a straight line in this order may be adopted. . Even in this case, since the direction of the control current Ib is the thickness direction of the
・半導体支持基板に形成されるホール素子は、縦型ホール素子に限定されない。例えば、制御電流Ibの方向が半導体基板1の厚さ方向となるように、横型ホール素子を半導体基板1に形成するようにしてもよい。要するに、制御電流Ibの方向が半導体基板1の厚さ方向となるようであれば、ホール素子として任意のものを採用することができる。
The Hall element formed on the semiconductor support substrate is not limited to a vertical Hall element. For example, the lateral Hall element may be formed on the
・上記各実施の形態では、半導体基板1の同一層に第1配線パターン23の各第1導体パターン21が形成されるとともに、それとは別の半導体基板1の同一層に第2配線パターン24の各第2導体パターン22が形成されている。しかしながら、第1配線パターン23の各第1導体パターン21および第2配線パターン24の各第2導体パターン22は、それぞれ必ずしも同一層に形成されなくてもよい。半導体基板1の内部に縦型ホール素子11とともに二次巻線20が形成される構成であれば、二次巻線20(50)を半導体プロセス技術を用いて形成することが可能であり、二次巻線20(50)と縦型ホール素子11との位置決めを極めて高い精度で行うことができる。
In each of the above embodiments, each
・第1配線パターン23の第1導体パターン21や第2配線パターン24の第2導体パターン22の材質、あるいは接続部25の材質は、アルミニウム(Al)に限定されない。例えば、第1導体パターン21および第2導体パターン22の少なくとも一方の材質に多結晶シリコンを採用するようにしてもよい。また、上記各実施の形態では、接続部25は、半導体プロセス技術により、ビアホールとして形成されている。これに代えて、接続部25を、コンタクト層として形成するようにしてもよい。
-The material of the
・上記各実施の形態において、第1配線パターン23の第1導体パターン21、第2配線パターン24の第2導体パターン22、および接続部25(25a)の各形状としては、任意の形状を採用することができる。二次巻線20(50)は、第1導体パターン21のそれぞれについて、その先端および基端を第2導体パターン22の先端およびそれに隣接する同第2導体パターン22の基端にそれぞれ接続する2つの導電性の接続部25(25a)とを設けることで形成されればよい。こうした二次巻線20(50)の構成が確保される限り、その構成部材である第1導体パターン21、第2導体パターン22、および接続部25(25a)の各形状を任意とすることができる。
-In each said embodiment, arbitrary shapes are employ | adopted as each shape of the
・上記各実施の形態では、電流線CLの周囲の磁界を縦型ホール素子11にてより有効に検出されるように、二次巻線20(50)に対して被検出電流Ifの流れる方向と二次巻線20(50)の軸心Oの方向とが直交するように電流線CLを配設している。しかしながら、電流線CLの周囲に十分大きな磁界が発生している場合には、被検出電流Ifの流れる方向と二次巻線20(50)の軸心Oの方向とが必ずしも直交する関係でなくてもよい。
In each of the above embodiments, the direction in which the detected current If flows in the secondary winding 20 (50) so that the magnetic field around the current line CL is more effectively detected by the
・上記各実施の形態にかかる磁気平衡式電流センサでは、縦型ホール素子11と二次巻線20とを、極めて近い位置に配置することにより、従来の磁気平衡式電流センサにおける集磁用のコアを割愛している。しかし、縦型ホール素子11にて検出される磁界が弱い等の諸事情がある場合には、必要に応じて、縦型ホール素子11や二次巻線20(50)と共に、コアも半導体基板1に一体形成するようにしてもよい。
In the magnetic balance type current sensor according to each of the above embodiments, the
1…半導体基板、1a…ベース基板、10,40…磁気検出部、11…縦型ホール素子、20,50…二次巻線、21…第1導体パターン、22…第2導体パターン、23…第1配線パターン、24…第2配線パターン、25,25a…接続部、30…処理回路、31…制御電流印加回路、32…電流増幅回路、33…検出回路、34…ホール素子補正回路、R…負荷抵抗、IDL…絶縁膜、IDL1…第1スペーサ層、IDL2…第2配線パターン層、IDL3…第2スペーサ層、IDL4…第1配線パターン層、IDL10…スペーサ層、IDL11…配線パターン層、CL…電流線。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記二次巻線を、前記ホール素子の形成される半導体基板に一体に形成した
ことを特徴とする磁気平衡式電流センサ。 A secondary winding that generates a canceling magnetic field having a different direction with respect to a magnetic field generated by energization of a current to be detected to be applied to the current line, and disposed in the vicinity of the current line and the secondary winding. And a current applied to the secondary winding by a Hall voltage generated in the Hall element in response to a surrounding magnetic field, and the magnetic field around the current line and the cancellation around the Hall element. In a magnetic balance type current sensor that detects the detected current based on a current that flows in the secondary winding when an equilibrium state in which a magnetic field is canceled is achieved.
The magnetic balance type current sensor, wherein the secondary winding is integrally formed on a semiconductor substrate on which the Hall element is formed.
ことを特徴とする請求項1に記載の磁気平衡式電流センサ。 2. The magnetic balanced current sensor according to claim 1, wherein the secondary winding is formed such that a direction orthogonal to a direction in which the current to be detected flows is an axial center direction.
前記半導体基板の内部に並行して延伸された複数の帯状の導体パターンからなり、前記第1配線パターンと平行に形成された第2配線パターンと、
を備えるとともに、
前記第1配線パターンの導体パターンのそれぞれについて、その先端および基端を前記第2配線パターンの導体パターンの先端およびそれに隣接する同第2配線パターンの導体パターンの基端にそれぞれ接続する2つの導電性の接続部を設けることで、前記二次巻線が形成されてなる
請求項1または2に記載の磁気平衡式電流センサ。 A first wiring pattern comprising a plurality of strip-shaped conductor patterns extending in parallel to the inside of the semiconductor substrate;
A plurality of strip-shaped conductor patterns extending in parallel with the inside of the semiconductor substrate, and a second wiring pattern formed in parallel with the first wiring pattern;
With
For each of the conductor patterns of the first wiring pattern, two conductors that connect the leading end and the base end to the leading end of the conductor pattern of the second wiring pattern and the base end of the conductor pattern of the second wiring pattern adjacent thereto, respectively. The magnetic balance type current sensor according to claim 1, wherein the secondary winding is formed by providing a sexual connection portion.
請求項3に記載の磁気平衡式電流センサ。 4. The conductor patterns of the first wiring pattern are formed on the same layer of the semiconductor substrate, and the conductor patterns of the second wiring pattern are formed on the same layer of the semiconductor substrate different from the first wiring pattern. Magnetic balanced current sensor.
前記二次巻線は、前記ホール素子の前記制御電流の方向に対して直交する方向がその軸心方向となるように形成されてなる
請求項3または4に記載の磁気平衡式電流センサ。 The Hall element is a vertical Hall element in which the direction of the control current is the thickness direction of the semiconductor substrate,
5. The magnetic balanced current sensor according to claim 3, wherein the secondary winding is formed such that a direction orthogonal to a direction of the control current of the Hall element is an axial direction thereof.
請求項5に記載の磁気平衡式電流センサ。 The secondary winding is formed such that both the first wiring pattern and the second wiring pattern are positioned on the same side in the thickness direction of the semiconductor substrate with respect to the Hall element. 2. A magnetic balance type current sensor according to 1.
請求項5に記載の磁気平衡式電流センサ。 The secondary winding is formed such that both the first wiring pattern and the second wiring pattern in the thickness direction of the semiconductor substrate are positioned on the side where the current line is disposed with respect to the Hall element. The magnetic balance type current sensor according to claim 5.
請求項5に記載の磁気平衡式電流センサ。 The magnetic circuit according to claim 5, wherein the secondary winding is formed so that the Hall element is positioned between the first wiring pattern and the second wiring pattern in the thickness direction of the semiconductor substrate. Balanced current sensor.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の磁気平衡式電流センサ。 The magnetic balance type according to claim 1, wherein a circuit for adjusting characteristics of the Hall element and a circuit for performing output processing of the Hall element are integrally formed on a semiconductor substrate on which the Hall element is formed. Current sensor.
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