JP2018025569A - センサ装置 - Google Patents

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敬継 根本
Takatsugu Nemoto
敬継 根本
中柴 康隆
Yasutaka Nakashiba
康隆 中柴
隆介 橋本
Ryusuke Hashimoto
隆介 橋本
慎一 内田
Shinichi Uchida
慎一 内田
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Abstract

【課題】センサ装置のコストを低くする。【解決手段】センサ装置SNDは、プリント配線基板PCB、第1端子TER1、第2端子TER2、配線PINC、及び半導体装置SDを備えている。第1端子TER1及び第2端子TER2はプリント配線基板PCBに設けられており、かつ、電力線PLに接続している。第2端子TER2は、第1端子TER1よりも電力線PLの下流側に接続している。配線PINCは、プリント配線基板PCBに設けられており、第1端子TER1と第2端子TER2を互いに接続している。すなわち配線PINCは、電力線PLに並列になっている。半導体装置SDはプリント配線基板PCBに搭載されており、配線層、及び配線層に形成されたインダクタINDを有している。【選択図】図1

Description

本発明は、センサ装置に関し、例えばインダクタを有するセンサ装置に適用可能な技術である。
電力線を流れる電力量を検出する電力計には、インダクタが用いられている。電力線を流れる電流量が変化すると、電力線から発生する磁界の強度が変化する。 インダクタには、この磁界の強度の変化に応じた電力が発生する。電力計は、この電力をモニタすることにより、電力線を流れる電力量を検出する。
一般的に、電力計には磁気コアが設けられている。磁気コアは、電力線の周囲を取り囲む形状を有している。これに対して特許文献1には、多層プリント基板を用いたコアレス型の電流センサが記載されている。特許文献1において、多層プリント基板にはコイルが設けられている。このコイルは、多層プリント基板のうち異なる2層の配線層と、これらの配線層を接続するビアを用いて形成されている。そしてこのコイルの内側にはホールICが埋め込まれている。そして、検出対象となる電流は、コイルを流れる。
特開2011−185914号公報
磁気コアは、電力線の感度を高めるために設けられている。一方で、磁気コアを設けた場合、センサが大型化し、またコストが上がってしまう。特許文献1に記載の方法では、磁気コアを設けなくても良いが、多層プリント基板にホールICを埋め込む必要があるため、コストを十分に下げることはできない。本発明者は、コストを低くすることができる、新たなセンサ装置の構造を検討した。
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
一実施の形態によれば、半導体装置は、回路基板上に搭載されている。半導体装置は、インダクタを有している。回路基板は、第1端子、第2端子、及び配線を有している。第2端子は、電力線に、第1端子よりも下流側で接続する。配線は、第1端子及び第2端子を互いに接続し、かつ電力線に対して電気的に並列に設けられている。
また、他の一実施の形態によれば、半導体装置は回路基板上に搭載されている。半導体装置は、複数のインダクタを有している。回路基板は、第1端子、第2端子、及び複数の配線を有している。複数の配線は、第1端子及び第2端子を接続し、かつ互いに並列に設けられている。そして、半導体装置に垂直な方向で見た場合において、複数のインダクタは、互いに異なる配線の近くに配置されている。
前記一実施の形態によれば、センサ装置のコストを低くすることができる。
第1の実施形態に係るセンサ装置の構成を示す図である。 半導体装置が有する半導体チップの構成を示す断面図である。 回路が有する増幅部とインダクタの接続関係を示す図である。 (a)は2つのインダクタの巻き方向の第1例を示す図であり、(b)は2つのインダクタの巻き方向の第2例を示す図である。 第2の実施形態に係るセンサ装置の構成を示す平面図である。 図5の変形例を示す平面図である。 第3の実施形態に係るセンサ装置の構成を示す平面図である。
以下、実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るセンサ装置SNDの構成を示す図である。本実施形態に係るセンサ装置SNDは、プリント配線基板PCB、第1端子TER1、第2端子TER2、配線PINC、及び半導体装置SDを備えている。第1端子TER1及び第2端子TER2はプリント配線基板PCBに設けられており、かつ、電力線PLに接続している。第2端子TER2は、第1端子TER1よりも電力線PLの下流側に接続している。配線PINCは、プリント配線基板PCBに設けられており、第1端子TER1と第2端子TER2を互いに接続している。すなわち配線PINCは、電力線PLに並列になっている。半導体装置SDはプリント配線基板PCBに搭載されており、配線層、及び配線層に形成されたインダクタINDを有している。
本実施形態によれば、電力線PLに流れる電流の一部は配線PINCを経由する。そして、インダクタINDには、配線PINCの周囲に発生した磁場の強さに応じた電圧が発声する。そして配線PINCはプリント配線基板PCBに形成されているため、配線PINCとインダクタINDの距離を短くすることができる。従って磁気コアを設けなくてもセンサ装置SNDの感度を高めることができる。また、プリント配線基板にICを埋め込む必要がないため、製造コストも増加しない。以下、詳細に説明する。
半導体装置SDは、半導体チップをインターポーザやリードフレームなどのチップ搭載部に搭載し、半導体チップ及びチップ搭載部を封止樹脂で封止したものである。半導体装置SDは、インダクタINDを2つ有している。そして、プリント配線基板PCBに垂直な方向から見た場合、配線PINCの一部(本図に示す例では、第1部分PINC1)は、2つのインダクタINDの間を延在している。そして配線PINCの残りの部分(本図に示す例では第2部分PINC2及び第3部分PINC3)は、2つのインダクタINDを囲んでいる。
詳細には、半導体装置SDの4辺は、プリント配線基板PCBの4辺と平行になっている。そして、第1端子TER1及び第2端子TER2は、プリント配線基板PCBの一方の長辺に設けられている。第1端子TER1は、配線PINCの第2部分PINC2を介して第1部分PINC1の一端に接続している。また、第2端子TER2は、配線PINCの第3部分PINC3を介して第1部分PINC1の他端に接続している。第2部分PINC2は、第1部分PINC1とともに一方のインダクタINDを囲んでおり、第3部分PINC3は、第1部分PINC1とともに他方のインダクタINDを囲んでいる。
本図に示す例では、インダクタINDの外形は略矩形である。2つのインダクタINDは、一辺が互いに対向する向きに並んでいる。配線PINCの第1部分PINC1は、これら一辺の間に位置している。そして配線PINCの第2部分PINC2は第1のインダクタINDの残りの3辺に沿って延在している、第3部分PINC3は第2のインダクタINDの残りの3辺に沿って延在している。
なお、配線PINCは、例えばプリント配線基板PCBのうち半導体装置SDが搭載されている面の配線層に形成されている。ただし、配線PINCは、他の配線層に形成されていても良いし、複数の配線層を用いて形成されていても良い。
また、半導体装置SDが有する半導体チップは、アナログ回路やロジック回路を有している。これらの回路は、インダクタINDに生成した電圧を処理する回路であり、例えば増幅部AMP(図3を用いて後述)を有している。
図2は、半導体装置SDが有する半導体チップの構成を示す断面図である。この半導体チップは、基板SUBを用いて形成されている。基板SUBは、例えばシリコン基板である。基板SUBには、トランジスタTR及び素子分離領域EIが形成されている。素子分離領域EIは、素子形成領域を他の領域から分離している。素子形成領域には、例えばトランジスタTRが形成されている。トランジスタTRは、例えばロジック回路LCの一部である。ただしトランジスタTRは、アナログ回路ACの一部であっても良い。
トランジスタTRおよび素子分離領域EI上には、多層配線層MINCが形成されている。多層配線層MINCは、内部配線WIRを有している。内部配線WIRはロジック回路LCを構成する配線、又は電源配線である。
多層配線層MINCは、複数の配線層を有している。各配線層は、内部配線WIRが形成されている層と、ビアVA(又はコンタクト)が形成されている層を有している。本図に示す例では、内部配線WIRは、配線層を形成する絶縁膜に埋め込まれている。ただし少なくとも一つの内部配線WIRは、配線層を形成する絶縁膜上に形成されていても良い。また、内部配線WIR及びビアVAは、別々に形成されていても良いし、一体となっていてもよい。内部配線WIRは、例えばCu又はAlである。ビアVAは、例えばCu、Al、又はWである。
インダクタINDは、少なくとも一つの内部配線WIRと同一層に形成されている。本図に示す例では、インダクタINDは、複数層の配線層(具体的には、層目以上の配線層から、最上層より一つ下の配線層までの間のいずれかの配線層)を用いて形成されている。このようにすると、インダクタINDの巻数が増えるため、インダクタINDによる磁界の変化の検出感度は高くなる。
そして、多層配線層MINCには、シールド部材SLDが設けられている。シールド部材SLDはインダクタINDを囲んでおり、インダクタINDがロジック回路LCやアナログ回路のノイズ源となること、及びロジック回路LCがインダクタINDやアナログ回路のノイズ源になることを抑制できる。
シールド部材SLDは、詳細には、第1シールド部材SLD1、第2シールド部材SLD2、第3シールド部材SLD3、及び第4シールド部材SLD4を有している。
第1シールド部材SLD1は、インダクタINDとロジック回路LC(又はアナログ回路AC)の間に位置しており、第2シールド部材SLD2はインダクタINDを介して第1シールド部材SLD1とは逆側に位置している。第1シールド部材SLD1及び第2シールド部材SLD2は、いずれも、インダクタINDが形成されている配線層より下の配線層から、インダクタINDが形成されている配線層より上の配線層まで連続して形成されている。第1シールド部材SLD1及び第2シールド部材SLD2は、いずれの配線層においても、内部配線WIRが形成されている層と同一層に位置する金属層、及び、ビアVAが形成されている層と同一層に位置する金属層を有している。
第3シールド部材SLD3は、インダクタINDが形成されている配線層より一つ上の配線層に形成されている。また、第4シールド部材SLD4は、インダクタINDが形成されている配線層より一つ下の配線層に形成されている。第3シールド部材SLD3は、第1シールド部材SLD1の最上層の金属層と、第2シールド部材SLD2の最上層の金属層とをつないだものであり、インダクタINDの上方を覆っている。第4シールド部材SLD4は、第1シールド部材SLD1の最下層の金属層と、第2シールド部材SLD2の最下層の金属層とをつないだものであり、インダクタINDの下方を覆っている。そして、インダクタINDは、第1シールド部材SLD1、第3シールド部材SLD3、第2シールド部材SLD2、及び第4シールド部材SLD4によって囲まれている。
図3は、半導体装置SDに搭載されている回路が有する増幅部AMPとインダクタINDの接続関係を示す図である。本図に示す例において、増幅部AMPはオペアンプである。そして、配線PINCに電流が流れた場合、一方のインダクタINDには、正電圧を有する信号が発生し、他方のインダクタINDには負電圧を有する信号が発生する。そして、これら2つの信号が増幅部AMPに入力されることによって、増幅部AMPの出力は、一つのインダクタINDのみが増幅部AMPに接続している場合と比較して、大きくなる。
図4(a)は、2つのインダクタINDの巻き方向の第1例を示す図である。本図に示す例において、2つのインダクタINDの巻き方法は同一である。そして第1のインダクタINDの中心側の端部は増幅部AMPの+側の入力端子に接続し、第2のインダクタINDの中心側の端部は増幅部AMPの−側の入力端子に接続している。また、2つのインダクタINDの外側の端部は接地されている。
図4(b)は、2つのインダクタINDの巻き方向の第2例を示す図である。本図に示す例において、2つのインダクタINDの巻き方法は逆になっている。そして第1のインダクタINDの中心側の端部は増幅部AMPの一方の入力端子(例えば−側の入力端子)に接続し、第2のインダクタINDの外側の端部は増幅部AMPの他方の入力端子(例えば+側の入力端子)に接続している。また、第1のインダクタINDの外側の端部は接地されており、第2のインダクタINDの中心側の端部も接地されている。
以上、本実施形態によれば、電力線PLに流れる電流の一部は配線PINCを経由する。配線PINCはプリント配線基板PCBに形成されているため、配線PINCとインダクタINDの距離を短くすることができる。従って磁気コアを設けなくても、センサ装置SNDの感度を高めることができる。また、プリント配線基板にICを埋め込む必要がないため、製造コストも増加しない。
また、配線PINCは2つのインダクタINDの間を延在している。このため、2つのインダクタINDのそれぞれには、配線PINCの周囲に発生する磁場に起因して起電力が生じる。そしてこれら2つの起電力を足し合わせることで、電力線PLを流れる電流量を示す信号の強度を大きくすることができる。
特に本実施形態では、配線PINCは、2つのインダクタINDのそれぞれを囲んでいる。従って、インダクタINDによる、配線PINCの周囲に発生した磁界の変化の検出感度は高くなる。
(第2の実施形態)
図5は、第2の実施形態に係るセンサ装置SNDの構成を示す平面図である。本実施形態に係るセンサ装置SNDは、以下の点を除いて、第1の実施形態に係るセンサ装置SNDと同様の構成である。
まず、電力線PLは、上流側の部分と下流側の部分の2つに分割されている。そして、第1端子TER1は電力線PLの上流側の部分に接続しており、第2端子TER2は電力線PLの下流側の部分に接続している。言い換えると、配線PINCは電力線PLの一部となっており、電力線PLの上流側の部分と下流側の部分を接続している。
またプリント配線基板PCBは、複数の配線PINCを並列に有している。これら複数の配線PINCは、いずれも第1端子TER1と第2端子TER2を接続している。このため、一つの配線PINCを流れる電流量は小さくなる。このようにすると、特定の配線PINCに電流が集中することを抑制できる。
そして、プリント配線基板PCBの上には、複数の半導体装置SDが設けられている。半導体装置SDは、インダクタINDを一つ有しており、かつ、それぞれが互いに異なる配線PINCの近くに配置されている。そして、半導体装置SDのロジック回路は、複数のインダクタINDのそれぞれの検出値を加算(又は平均)して、電力線PLを流れる電流量を示す信号を生成する。
なお、本実施形態において、図6に示すように、一つの半導体装置SDに複数のインダクタINDが設けられていても良い。
本実施形態によれば、電力線PLに流れる電流は、複数の配線PINCに分散して流れる。そして複数のインダクタINDのそれぞれには、そのインダクタINDの近くに位置する配線PINCを流れる電流量に応じた電圧が生じる。そして、半導体装置SDのロジック回路は、複数のインダクタINDのそれぞれの検出値を加算して、電力線PLを流れる電流量を示す信号を生成する。また、インダクタINDと配線PINCの距離は短い。従って磁気コアを設けなくても、センサ装置SNDの感度を高めることができる。また、プリント配線基板にICを埋め込む必要がないため、製造コストも増加しない。
(第3の実施形態)
図7は、第3の実施形態に係るセンサ装置SNDの構成を示す平面図である。本実施形態に係るセンサ装置SNDは、平面視において配線PINCが、インダクタINDの周囲を囲んでいる点を除いて、第2の実施形態に係るセンサ装置SNDと同様の構成である。
配線PINCの一部は、ビアを介して、プリント配線基板PCBのうち半導体装置SDが搭載されている面(第1面)とは逆側の面(第2面)に引き回されている。そして配線PINCは、平面視において、第2面に位置する部分が、第1面に位置する部分と交差している。このようにすることで、配線PINCは、半導体装置SDを隙間なく囲むことができる。
具体的には、配線PINCは、第4部分PINC4、第5部分PINC5、及び第6部分PINC6を備えている。第4部分PINC4は、プリント配線基板PCBの第1面に位置しており、一端が第1端子TER1に接続している。そして第4部分PINC4は、半導体装置SDの4辺を囲んでいる。第5部分PINC5はプリント配線基板PCBの第2面に位置しており、平面視で第5部分PINC5は第4部分PINC4と交差している。第5部分PINC5の一端はビアVA1を介して第4部分PINC4の他端に接続している。第6部分PINC6の一端は、ビアVA2を介して第5部分PINC5の他端に接続している。そして第6部分PINC6の他端は、第2端子TER2に接続している。
本実施形態によっても、第2の実施形態と同様の効果が得られる。また、配線PINCが半導体装置SDを隙間なく囲んでいるため、インダクタINDによる、配線PINCの周囲に発生した磁界の変化の検出感度は高くなる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
AC アナログ回路
AMP 増幅部
EI 素子分離領域
IND インダクタ
LC ロジック回路
MINC 多層配線層
PCB プリント配線基板
PINC 配線
PINC1 第1部分
PINC2 第2部分
PINC3 第3部分
PINC4 第4部分
PINC5 第5部分
PINC6 第6部分
PL 電力線
SD 半導体装置
SLD シールド部材
SLD1 第1シールド部材
SLD2 第2シールド部材
SLD3 第3シールド部材
SLD4 第4シールド部材
SND センサ装置
SUB 基板
TER1 第1端子
TER2 第2端子
TR トランジスタ
VA1 ビア
VA2 ビア
WIR 内部配線

Claims (12)

  1. 主面と、第1端子と、第2端子と、前記第1端子及び前記第2端子に接続している配線と、を有する回路基板と、
    前記回路基板の前記主面上に搭載され、第1インダクタと、平面視において前記第1インダクタと並ぶ第2インダクタと、を有する半導体チップと、
    を備え、
    平面視において、前記第1端子及び前記第2端子は、前記半導体チップと重なっておらず、
    平面視において、前記配線は、前記第1インダクタと前記第2インダクタの間を経由して前記第1端子から前記第2端子にかけて延伸しているセンサ装置。
  2. 請求項1に記載のセンサ装置において、
    平面視において、前記第1インダクタと前記第2インダクタは、第1方向に並んでおり、
    前記回路基板の前記主面は、
    前記第1インダクタを挟んで前記第2インダクタの反対側にあって前記第1インダクタの近傍に位置する第1部分と、
    前記第1方向に直交する第2方向において前記第1インダクタと並び、前記第1インダクタの近傍に位置する第2部分と、
    前記第1インダクタと前記第2インダクタの間の第3部分と、
    前記第2方向において前記第1インダクタ及び前記第2インダクタを挟んで前記第2部分の反対側で前記第2インダクタと並び、前記第2インダクタの近傍に位置する第4部分と、
    前記第2インダクタを挟んで前記第1インダクタの反対側にあって前記第2インダクタの近傍に位置する第5部分と、
    を有し、
    平面視において、前記配線は、前記第1部分、前記第2部分、前記第3部分、前記第4部分及び前記第5部分を順に経由して前記第1端子から前記第2端子にかけて延伸しているセンサ装置。
  3. 請求項1に記載のセンサ装置において、
    前記回路基板は、第1辺と、前記第1辺の反対側の第2辺と、を有し、
    平面視において、前記第1端子及び前記第2端子は、前記第1辺に沿って並んでおり、
    平面視において、前記第1端子及び前記第2端子の方が前記半導体チップよりも前記第1辺の近くに位置しているセンサ装置。
  4. 請求項1に記載のセンサ装置において、
    前記半導体チップは、前記第1インダクタに生成された電圧及び前記第2インダクタに生成された電圧を処理する回路を有するセンサ装置。
  5. 主面と、第1端子と、第2端子と、前記第1端子及び前記第2端子にそれぞれ接続している複数の配線と、を有する回路基板と、
    前記回路基板の前記主面上に搭載され、インダクタをそれぞれ有する複数の半導体チップと、
    を備え、
    平面視において、前記第1端子及び前記第2端子は、前記複数の半導体チップと重なっておらず、
    平面視において、前記複数の配線のそれぞれは、前記複数の半導体チップのそれぞれの前記インダクタの近傍を経由して前記第1端子から前記第2端子にかけて延伸しているセンサ装置。
  6. 請求項5に記載のセンサ装置において、
    平面視において、前記複数の配線のそれぞれは、前記複数の半導体チップのそれぞれの前記インダクタの周囲を巻いているセンサ装置。
  7. 請求項5に記載のセンサ装置において、
    平面視において、前記複数の半導体チップのそれぞれの前記インダクタは、第1方向に並んでおり、
    前記回路基板は、前記第1方向に沿って延伸する第1辺と、前記第1辺の反対側の第2辺と、を有し、
    平面視において、前記第1端子の方が前記複数の半導体チップ及び前記第2端子よりも前記第1辺の近くに位置しており、
    平面視において、前記第2端子の方が前記複数の半導体チップ及び前記第1端子よりも前記第2辺の近くに位置しているセンサ装置。
  8. 請求項5に記載のセンサ装置において、
    前記複数の半導体チップのそれぞれは、前記複数の半導体チップのそれぞれの前記インダクタに生成された電圧を処理する回路を有するセンサ装置。
  9. 主面と、第1端子と、第2端子と、前記第1端子及び前記第2端子にそれぞれ接続している複数の配線と、を有する回路基板と、
    前記回路基板の前記主面上に搭載され、複数のインダクタを有する半導体チップと、
    を備え、
    平面視において、前記第1端子及び前記第2端子は、前記半導体チップと重なっておらず、
    平面視において、前記複数の配線のそれぞれは、前記複数のインダクタのそれぞれの近傍を経由して前記第1端子から前記第2端子にかけて延伸しているセンサ装置。
  10. 請求項9に記載のセンサ装置において、
    平面視において、前記複数の配線のそれぞれは、前記複数のインダクタのそれぞれの周囲を巻いているセンサ装置。
  11. 請求項9に記載のセンサ装置において、
    平面視において、前記複数のインダクタは、第1方向に並んでおり、
    前記回路基板は、前記第1方向に沿って延伸する第1辺と、前記第1辺の反対側の第2辺と、を有し、
    平面視において、前記第1端子の方が前記半導体チップ及び前記第2端子よりも前記第1辺の近くに位置しており、
    平面視において、前記第2端子の方が前記半導体チップ及び前記第1端子よりも前記第2辺の近くに位置しているセンサ装置。
  12. 請求項9に記載のセンサ装置において、
    前記半導体チップは、前記複数のインダクタのそれぞれに生成された電圧を処理する回路を有するセンサ装置。
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