JP4274420B2 - 磁界センサー - Google Patents

Description

本発明は、請求項１の前文に記述されたタイプの磁界センサーに関する。

このような磁界センサーは、例えば地球の磁界の方向を測定するためのコンパスとして、磁界の強さがわずか数ｎＴから数ｍＴの磁界の測定に適する。

請求項１の前文に記述されるタイプの磁界センサーは、ＥＰ１０５２５１９Ａ１号公報、および雑誌”Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ ８２（２０００）１７４−１８０”に発表された、Ｌ. Ｃｈｉｅｓｉ、Ｐ． Ｋｅｊｉｋ、Ｂ． Ｊａｎｏｓｓｙ、Ｒ．Ｓ．Ｐｏｐｏｖｉｃによる”ＣＭＯＳ ｐｌａｎａｒ ２Ｄ ｍｉｃｒｏ−ｆｌｕｘｇａｔｅ ｓｅｎｓｏｒ”という記事から周知である。このような磁界センサーは、強磁性コアと、該コアを交流で磁気飽和させ消磁するために交流電流が流れる励磁コイルとを含む。このセンサーの重大な欠点は、適切な感度を得るために比較的大きな強磁性コアを犠牲にしなくてはならないところにある。これは、更なる小型化を阻み、センサーを比較的高価なものにしている。もう１つの問題は、強磁性コアは、実際に測定される磁界よりもはるかに大きい外部の磁界によって偶発的に磁化される場合があることである。その場合、コイルを流れる電流は自由に個々の磁区と調整できなくなり、結果として測定に誤差が生じる。

磁界の単一の成分を測定するための装置は、ＥＰ３５９９２２Ａ１号公報から周知である。これによると、環状の強磁性コアが、方向の固定された磁界を切断する機能を有する。しかし、該強磁性コアは磁束コンセントレータの機能は果たさない。

本発明の目的は、更なる小型化を可能にする磁界センサーの概念を発展させることである。

本発明は、請求項１に記載の特徴を備え、その従属項から優れた設計が得られる。

本発明では、磁束ゲートセンサーの原理は例えば上記の記事などから周知であると仮定する。磁束ゲートセンサーは、励磁コイル、強磁性コアおよび読出しコイルを有する。これらは弱い磁界の測定に適する。その理由は、測定される磁界は励磁コイルと強磁性コアの助けを借りて切断される、つまり読出しコイルの位置で定期的に入切の切替えが行われるからである。そして、読出しコイルの出力信号は、ロックイン技術により切断と同調して評価可能である。本発明では、弱い磁界の測定において予測される磁界センサーの特徴を最大限に生かすために、半導体技術で用いられるあらゆるプロセス、つまりウエハー上での半導体チップの形成に始まり、強磁性コアを設ける後工程、そして半導体チップが搭載され封包されて磁界センサーが完成する最終段階まで、を含むことを提案する。このアプローチは、環状の強磁性コアの使用を可能にし、最小限の電流および電力で磁気飽和が可能になるという利点がある。そして、励磁コイルの巻線は、導体抵抗線と結合ワイヤーとから成ることが好ましい。さらに、本発明は、読出しコイルの代わりにホール素子を用いることを提案する。なぜなら、感度を損なうことなくサイズを小さくできるからである。このような磁界センサーは大幅な小型化が可能である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて更に詳述する。

図１は、磁界の２つの成分を測定するための半導体チップ１として形成された磁界センサーの平面図を示す。デカルト座標のｘ、ｙ、ｚ系は座標系として機能し、これによりｚ方向は図面に対して垂直に延びる。磁界センサーは、電流が流れる少なくとも１つの巻線を有する励磁コイル２と、環状の強磁性コア４と、２つの読出しセンサー５、６と、電子回路７とを含んで構成される。読出しセンサー５は磁界のｘ成分を検出するよう機能し、読出しセンサー６は磁界のｙ成分を検出するよう機能する。各読出しセンサー５、６は、位置的に離れているが電気的に接続される２つのセンサーから成ることが好ましい。磁界センサーは、標準的なＣＭＯＳ技術を用いてまず電子回路７と、励磁コイル２および読出しセンサー５、６の一部が最初に製造され、次いでいわゆる後工程で強磁性コア４を取り付けるような技術を用いて作成される。その際、半導体回路を有しフォトリソグラフィおよび化学エッチングによって構成されたウエハー上に、アモルファス強磁性素材から成るテープを接着する。ウエハーを個々の半導体チップに切断した後、励磁コイル２の少なくとも１つの巻線は、ワイヤー結合またはフリップチップ技術によって、半導体チップを基板８上に搭載して完成される。電子回路７は、励磁コイル２を流れる電流と読出しセンサー５、６によって提供される信号の評価を生み出すよう機能する。

図１に示す実施形態によると、励磁コイル２は、一部分が第１の導体抵抗線９および第２の導体抵抗線１０から、また一部分が２つの結合ワイヤー１１、１２から構成される単一の巻線を有する。第１の導体抵抗線９は、強磁性コア４の下部の環状の強磁性コア４の外側に設けられる電流源１３から、環状の強磁性コア４の内側に設けられる第１のボンドパッドへと続く。第１の結合ワイヤー１１は、第１のボンドパッド１４から基板８上のボンドパッド１５へと続く。第２の結合ワイヤー１２は、このボンドパッド１５から、環状の強磁性コア４の外側の半導体チップ１上に設けられた第２のボンドパッド１６へと続く。第２の導体抵抗線１０は、第２のボンドパッド１６から電流源１３へと続く。

強磁性コア４の材料としては、例えばアモルファス金属から成る記号ＶＡＣ６０２５Ｚで得られるテープがある。この材料は、保磁力Ｈｃ ＝ ３ｍＡ／ｃｍを有する。強磁性コア４を磁気飽和させるには、励磁コイル２を流れる電流Ｉは、保磁力Ｈｃよりも約２０倍大きい磁界Ｈｓを生成しなければならない。環状の強磁性コア４の外径ＤがＤ＝３００μｍ、励磁コイル２の巻線の数ｎがｎ＝１の場合、等式
Ｉ＝２０＊Ｈｃ＊Ｄ＊π／ｎ （１）
により、電流はＩ＝６ｍＡとなる。さらに、電流Ｉの負荷サイクルは約１０％まで減少し、これにより必要な平均電流は約０．６ｍＡまで減少する。強磁性コア４には空隙がないため、少しの磁界、つまり低い電流Ｉで既に磁気飽和している。

磁界センサーは、読出しセンサー５、６として、４つのいわゆる水平ホール素子１７、１８、１９、２０を有する。これらは電気的に結合された対を成し、半導体チップ１の表面に対して垂直に延びる、つまりｚ方向に延びる磁界に対する感度を持つ。ホール素子１７、１９は、デカルト座標系のｘ軸上に配置され第１の読出しセンサーを形成し、ホール素子１８、２０はデカルト座標系のｙ軸上に配置され第２の読出しセンサーを形成する。ホール素子１７〜２０は各々、強磁性コア４の下、実際には強磁性コア４の外端部に近接して設けられる。

磁界センサーは、動作において次のように機能する。電流源１３からの、好ましくは方形波の交流電流が、励磁コイル２に流れる。その際、交流電流は、交流電流の周波数で強磁性コア４を飽和させ、消磁させる。強磁性コア４が磁気飽和する段階では、測定される外部の磁界に影響を与えることはない。磁界の磁力線はホール素子１７〜２０の表面と平行に延びる。ホール素子は出力信号を出さない。強磁性コア４が消磁される段階では、測定される磁界は磁束コンセントレータの影響を受ける。強磁性コア４の比透磁率μｒは、その周囲の比透磁率に比べて非常に大きいため、磁界の磁力線はほぼ垂直に強磁性コア４の表面に当たり、ほぼ垂直の角度で離れる。磁界の集中度は、ホール素子１７〜２０が配置される強磁性コア４の端部の領域が最も高い。４つのホール素子１７〜２０の内の少なくとも２つからの出力信号は、ゼロではない。

図２Ａは、強磁性コア４が飽和し磁界がｘ方向に沿って延びて半導体チップ１の表面と平行となる場合の磁界の磁力線２１を示す。強磁性コア４および２つの読出しセンサー５のみが図示されている。この図の断面は半導体チップ１の表面に対して垂直に、外部の磁界に対して平行に延びている。図２Ｂは、励磁コイルを流れる電流によって強磁性コア４が飽和しない場合の、図２Ａと同じ磁界の磁力線２２を示す。２つの読出しセンサー５の位置で、磁力線は異なるｚ方向を向いている。なぜなら、磁界は一方の読出しセンサー５（例えば図２Ｂでは左の読出しセンサー５）の位置で強磁性コア４に入り、他方の読出しセンサー５（図２Ｂでは右の読出しセンサー５）の位置で再び離れるからだ。これに対応して、２つの読出しセンサー５は電気的に切り替えられる。

従って、励磁コイル２は測定される磁界を切断するために強磁性コアを用いるよう機能する。ホール素子１７〜２０の出力信号は、周知のロックイン技術によって励磁コイル２を流れる電流と同調して評価されることが可能である。

上記以外の方策で、それを適用することにより磁界センサーの感度が高まる、および／または電流或いはエネルギーの消費が減少する方策を以下に説明する。

励磁コイル２の巻線の数がｎ個に増えると、同じエネルギー消費で、励磁コイル２を流れる電流が因数ｎの分だけ減少するか、または環状の強磁性コア４の直径Ｄが因数ｎの分だけ増大する。直径Ｄの増大は、磁束の集中を強化する効果があるが、必要なスペースも増大し、従って半導体チップ１の寸法も大きくなる。磁界センサーを最大限小型化するという目的においては、強磁性コア４の直径Ｄが、電子回路７のための必要スペースから求められる半導体チップ１の寸法に適合され、巻線３の数ｎが強磁性コア４のサイズに適合される場合に、最適な関係が達成される。

図３は、直列に接続された４本の巻線を励磁コイル２が有する、磁界センサーの平面図を示す。巻線は各々、導体抵抗線２３と結合ワイヤー２４から成り、これにより各結合ワイヤー２４は、強磁性コア４内のボンドパッド２５から強磁性コア４の外側のボンドパッド２６へと続く。この例では、ボンドパッドは全て半導体チップ１上に設けられている。

図４は、フリップチップとして搭載された磁界センサーの断面図を示す。これにより、励磁コイルの巻線が半導体チップ１上の導体抵抗線２３、いわゆるバンプ２７、および基板上の印刷導体２８によって実現される。

上記の磁界センサーでは、磁界のｚ成分も測定可能である。ここで、半導体チップ１の表面に平行に延びる磁界とは反対に、磁界の磁力線は全ての読出しセンサー５、６またはホール素子１７〜２０で同じ方向を向いている。ホール素子１７〜２０は、この状態に対応して接続される必要がある。半導体チップ１の表面に水平に延びる磁界の成分、つまりｘおよびｙ成分を測定するためには、２つのホール素子１７および１９または２つのホール素子１８および２０の出力電圧の差異を決定しなければならず、半導体チップ１の表面に垂直に延びるｚ成分を測定するためには、ホール素子１７〜２０の出力電圧の合計が決定されなければならない。

強磁性コア４の厚さ、つまりｘ方向の寸法が、その幅に比べて比較的小さい限りにおいて、強磁性コア４は磁界のｚ成分の磁束コンセントレータとして機能しない。しかし、厚さが幅と一致する場合、強磁性コア４は磁界のｚ成分の磁束コンセントレータとしても機能する。磁界は、励磁コイルを流れる電流によってｚ成分の測定のために切断され、これによりｚ成分に対する磁界センサーの感度が著しく高まる。強磁性コア４の厚さは、その幅の少なくとも０．５倍が好ましい。

励磁コイル２のオーム抵抗は低いため、励磁コイル２を流れる電流は、ホール素子１７〜２０の供給に用いることもできる。

磁界センサーの効率を高める他の方法は、強磁性コア４全体が磁気飽和するのではなく局所的に磁気飽和するよう強磁性コア４を設計することである。それでも、磁界は読出しセンサー５、６つまりホール素子１７〜２０の領域で十分に切断される。図５は、このように修正された磁界センサーの平面図である。直径Ｄを有する環状の強磁性コア４は、４つの孔２９を有するため、小さなリング３０が形成され、その各々が２つのホール素子１７〜２０の間に設けられる。例えば、大きなリングは直径D＝１．５ｍｍであり、小さなリング３０は直径ｄ＝１５０μｍである。ボンドパッド３１は、各小リング３０内に設けられる。この小リング３０は閉鎖された磁気回路である。励磁コイルはやはり、導体抵抗線２３と結合ワイヤー２４から成り、これらは励磁コイルを流れる電流が小リング３０を飽和させるように配置され、配線される。励磁コイルを流れる電流は、各小リング３０内に磁界を生成し、これによって小リング３０が磁気飽和する。大リングの直径Ｄに関わらず、金属テープＶＡＣ６０２５Ｚを用いる場合、等式（１）に従って算出される電流Ｉ＝３ｍＡは、小リング３０を磁気飽和させるのに十分足る。小リング３０が飽和すると、大リングは磁束コンセントレータとしての機能を失い、外部の磁界は切断される。

図６は、励磁コイルがフラットコイル３２の形で設計された磁界センサーの一部分を示す平面図である。フラットコイル３２は、環状の強磁性コア４の下部の空間の一部を占める。フラットコイル３２によって生成された磁界の磁力線は強磁性コア４内で閉鎖されないため、干渉フィールドが生成される。従って、フラットコイル３２の寸法は、強磁性コア４の直径Ｄに比べて小さくなるべきであり、またフラットコイル３２は読出しセンサー５、６（またはホール素子１７〜２０）から可能な限り離すべきである。フラットコイル３２は、相反する方向に巻かれた２つのコイル部から成り、その内の一方のコイル部は本質的に強磁性コア４の内部に配置され、他方のコイル部は強磁性コア４の外部に配置される。図６に示すように、コイル部は、強磁性コア４に近接して延びる巻線部を流れる電流が同一方向に流れるように巻かれる。単一のフラットコイルを設ける代わりに、幾つかのフラットコイルを強磁性コア４に沿って設けてもよい。

現在のＣＭＯＳプロセスでは、幾つかの金属層があるのが通例である。これらの金属層は、電子回路７に必要にならない限りフラットコイルの実現に用いることが可能である。

図５および図６による提案を組み合わせることも可能である。図７は、図５の磁界センサーの一部分を示し、１つの小リング３０のみを含む。フラットコイル３３は小リング３０の下に設けられ、その巻線はボンドパッド３１の周りに渦巻き状に巻かれる。この解決策により、励磁コイルはフラットコイル３３と導体抵抗線２３および結合ワイヤー２４から形成される巻線とを含む。

磁界センサーを可能な限り小型化することを目的とする場合、ホール素子としての読出しセンサー５、６の形状は、正しい選択である。一方、極めて小さな磁界も測定できるよう感度を最大限高くすることを目的とする場合は、環状の強磁性コア４の直径Ｄを比較的大きくする一方で、読出しセンサー５、６としてフラットコイルを選択することが有用である。フラットコイルの感度は利用可能な空間に直角に高まる、つまり直径Ｄに直角に高まるが、ホール素子の感度はそのサイズとは無関係であるため直径Ｄに線状に高まる。従って、図示する全ての実施形態いついて、ホール素子をフラットコイルに代えることも可能である。一例として、図８は、読出しセンサー５として機能するフラットコイル３４〜３７を有する磁界センサーの平面図を示す。明確性を期すため、励磁コイルは描かれていない。フラットコイル３４〜３７は、その巻線が、図２Ｂに示すように表面に対して垂直に延びる磁界の周りを囲むよう巻かれる。フラットコイル３４〜３７は四角の形状が好ましく、あるいは、その形状は、強磁性コイル４の最大限大きな部分を囲み、従って磁束が最大限大きな部分を囲むよう、リングの曲率に適合される。読出しセンサー５は２つのフラットコイル３４および３６を含み、これらはその信号が付加されるよう相反する方向に巻かれる。読出しセンサー６は、２つのフラットコイル３５および３７を含む。フラットコイル３４〜３７は評価回路３８に接続される。このような磁界センサーも磁束ゲートセンサーとして指定される。

上記の実施形態では水平ホール素子を用いたが、垂直ホール素子を用いることもできる。ただし、これは強磁性リングの下に設けられるのではなく、強磁性リングの外部の、外端部の領域に設けられる。図３の例において、垂直ホール素子の理想的な位置は、水平ホール素子１７〜２０の位置を強磁性コア４の外端部に鏡映することによって得られる。つまり、垂直ホール素子はその表面に平行に延びる磁界に対して感度を持つ。測定される磁力線のコースは図２Ｂからわかる。従って、垂直ホール素子の理想的な位置は、強磁性コア４の外端部に隣接する場所にある。

励磁コイルおよび測定する磁界を切断するための強磁性コアを備えた磁界センサーを示す図である。 ＡとＢは、磁界の磁力線を示す図である。 幾つかの巻線を有する励磁コイルを備えた磁界センサーを示す図である。 フリップチップとして搭載された磁界センサーを示す図である。 もう１つの磁界センサーを示す図である。 フラットコイルとして形成された励磁コイルを備えた磁界センサーの図である。 もう１つの励磁コイルの詳細を示す図である。 磁束ゲートセンサーを示す図である。

Claims (5)

1. 磁界の少なくとも２つの直交する成分を測定するための磁界センサーであって、
   平坦な形状でかつ円形の外側端および円形に開口した内側端を有し、半導体チップの表面上に平行に密着して搭載される、磁界を集中させるための強磁性コア；
   前記強磁性コアの外側端に近接して配置され、前記半導体チップの表面内の磁界の直交する第１成分及び第２成分を測定するための２つの読み出しセンサー；
   その一部が前記半導体チップの導体抵抗線により形成され、他の部分が前記半導体チップの外側を通過する、少なくとも１巻を有する該強磁性コア用励磁コイル；及び
   前記強磁性コアが磁気的に飽和された状態において、前記強磁性コアが測定される前記磁界に影響を及ぼさないよう、かつ、前記強磁性コアが消磁された状態において、前記強磁性コアが測定される前記磁界に対し磁束コンセントレータとして機能するよう、交流電流の周波数によって前記強磁性コアを飽和及び消磁させるための、前記励磁コイルに交流電流を印加するための電流源；
   から構成される磁界センサー。
2. 前記強磁性コアはその内側端と外側端の間に設置された少なくとも１つの孔を有し、前記励磁コイルの少なくとも１つの巻線が該孔を通ることにより、前記励磁コイルを流れる電流が前記少なくとも１つの孔の領域において強磁性コアを磁気飽和させることができるが、該強磁性コアの残りの領域は磁気飽和されないことを特徴とする、請求項１に記載の磁界センサー。
3. 前記各々の読出しセンサーが前記強磁性コアの直径上の両側でかつ下側に配置される２つの水平ホール素子を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の磁界センサー。
4. 前記各々の読出しセンサーが前記強磁性コアの外側端の外側に設けられる１つの垂直ホール素子を含む請求項１または２に記載の磁界センサー。
5. 磁界の３つの成分を測定するための磁界センサーであって、前記強磁性コアの厚さは、その幅の少なくとも０．５倍である請求項１から４のいずれか一つに記載の磁界センサー。

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