JP4501858B2

JP4501858B2 - 磁気インピーダンス素子及び電流・磁界センサ

Info

Publication number: JP4501858B2
Application number: JP2005504000A
Authority: JP
Inventors: 雄二松添; 雄二郎北出; 崇林; 秀雄清水
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2003-03-25
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2010-07-14
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JPWO2004086073A1; WO2004086073A1

Description

この発明は、磁気インピーダンス素子とこれを用いた電流・磁界センサに関する。

従来、電流センサとして用いられているホール素子や磁気抵抗素子に代えて、ＭａｇｎｅｔｏＩｍｐｅｄａｎｃｅ（ＭＩ）効果を利用した高感度な磁気インピーダンス素子（単に、ＭＩ素子とも略記する）が出現しており（例えば、非特許文献１、特許文献１，２参照）、これを用いたセンサもある（特許文献３，４参照）。

図１３にこの種のＭＩ素子を用いた電流センサ（磁界センサの場合も全く同様である）による計測方法例を示す。
これは、バイアスコイル８と負帰還コイル９とが二重に巻かれたＭＩ素子１を、計測対象である電線１００から距離ｒ₀だけ離れた位置に配置して電流計測を行なうものである。
このとき、ＭＩ素子１はその製造プロセスによって、“０”磁場付近では信号が安定しないものがある。そこで、ＭＩ素子１には、通常１０００μＴ程度の外部磁場をバイアス磁場として印加し、電流による信号成分磁界を測定するようにしている。

図１４にＭＩ素子を用いた電流センサの信号処理回路例を示す。
上記のようなＭＩ素子１に、発振器１４から正弦波またはパルス信号を印加すると、図１３の電線１００を流れる電流Ｉによって生じる磁界でインピーダンスが変化し、これに比例する出力信号Ｓを信号処理回路から得ることができる。このとき、電流センサからの出力ＳをＭＩ素子１に巻かれた負帰還コイル９に与えることにより、ＭＩ素子１の温度誤差等の影響を除去することができる。なお、出力信号Ｓは、
Ｓ＝α（Ｉ／ｒ₀）
で表現できる。ここに、αは係数、Ｉは電線１００を流れる電流、ｒ₀は電線１００からＭＩ素子１までの距離を示す。

比嘉、外５名，「パルス電流励磁によるスパッタ薄膜マイクロＭＩセンサ」，日本応用磁気学会誌，１９９７，ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．４−２

特開２００２−０４３６４９号公報特開２００２−０５５１４８号公報特開平１１−１０９００６号公報特開２００１−３２４５５５号公報

しかし、上記のようなＭＩ素子または電流センサでは、
（１）バイアスコイルに流れる電流による消費電力が大きい。
（２）イアスコイルおよび負帰還コイルを機械的に巻くための加工費が大きいため、コスト高になる。
と言う問題がある。
したがって、この発明の課題は、機械的に巻くバイアスコイルを省略可能にして省力化を図り、負帰還コイルを機械的に巻くためのコストを低減することにある。

このような課題を解決するため、請求の範囲第１項記載の発明では、基板と、この基板に配置された永久磁石と、この永久磁石と対向する面に配置された金属パターンと、この金属パターン上に配置された第１絶縁層と、この第１絶縁層上に配置された磁性膜と、この磁性膜上に配置された第２絶縁層とから構成され、
前記永久磁石は前記基板の平行方向に磁極が配置され、前記金属パターンは前記永久磁石の磁極に対し垂直方向に短冊アレイ状に配置されており、前記金属パターンの端部の絶縁層は除去されており、前記金属パターンの片端部から、その隣り合う金属パターンの端部に対向する端部に、ワイヤボンディングにより電気的に配線され、前記磁性膜は前記金属パターンに対して垂直方向に配置されてなることを特徴とする。
この請求の範囲第１項記載の発明においては、前記永久磁石が前記基板の各側面に１個以上配置され、永久磁石片側面の磁極が、もう片面の磁極に対して逆極性であることができる（請求の範囲第２項の発明）。

請求の範囲第３項の発明では、基板と、この基板に配置された永久磁石と、この永久磁石上に配置された金属パターンと、この金属パターン上に配置された第１絶縁層と、この第１絶縁層上に配置された磁性膜と、この磁性膜上に配置された第２絶縁層とから構成され、
前記永久磁石は前記基板の平行方向に磁極が配置され、前記金属パターンは前記永久磁石の磁極に対し垂直方向に短冊アレイ状に配置されており、前記金属パターンの端部の絶縁層は除去されており、前記金属パターンの片端部から、その隣り合う金属パターンの端部に対向する端部に、ワイヤボンディングにより電気的に配線され、前記磁性膜は前記金属パターンに対して垂直方向に配置されてなることを特徴とする。

この請求の範囲第３項の発明においては、前記永久磁石は、複数の磁石からなることができる（請求の範囲第４項の発明）。
上記請求の範囲第３項または第４項の発明においては、前記永久磁石を多層に配置することができ（請求の範囲第５項の発明）、これら請求の範囲第１項〜第５項のいずれかの発明においては、前記磁性膜をつづら折れ構造とすることができ（請求の範囲第６項の発明）、この請求の範囲第６項の発明においては、前記つづら折れ部分を金属パターンで形成することができる（請求の範囲第７項の発明）。

請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１つに記載の磁気インピーダンス素子が、前記磁性体に印加された磁界に応じた信号を処理する信号処理回路に接続され、この信号処理回路の出力が前記金属パターンに接続されて磁界・電流センサを得ることができる（請求の範囲第８項の発明）。
請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１つに記載の磁気インピーダンス素子と、その磁性体に印加された磁界に応じた検出信号を処理する信号処理回路とを、同一基板上に一体的に形成した磁界・電流センサを得ることができる（請求の範囲第９項の発明）。

請求の範囲第１０項の発明では、基板上に信号処理回路および短冊アレイ状の第１金属パターンが配置されており、前記信号処理回路および第１金属パターン面上に第１絶縁層が配置されており、この第１絶縁層上に第２金属パターンが短冊アレイ状に配置されており、この第２金属パターン面上に第２絶縁層が配置されており、この第２絶縁層上に磁性膜が配置されており、この磁性膜面上に第３絶縁層が配置されており、この第３絶縁層上に第３金属パターンが短冊アレイ状に配置されており、この第３金属パターン面上に第４絶縁層が配置されており、この第４絶縁層上に第４金属パターンが短冊アレイ状に配置されており、この第４金属パターン面上に第５絶縁層が配置され、
前記第１金属パターンと第４金属パターンは第１のコイルを形成するように電気的に接続されており、前記第２金属パターンと第３金属パターンは第２のコイルを形成するように電気的に接続されており、第１のコイルと第２のコイルとは前記信号処理回路に電気的に接続されており、前記磁性膜は信号処理回路と電気的に接続されることにより前記磁性膜、第１および第２コイルと信号処理回路とを一体的に薄膜形成したことを特徴とする。

請求の範囲第１項〜第１０項の発明によれば、負帰還コイルを薄膜型に形成でき、コイルを機械的に巻く必要がないので、作業が簡素化され低コストになる。
請求の範囲第１項〜第９項の発明によれば、負帰還コイルがワイヤボンディング加工により得られ、機械的に巻く必要がないので、作業が簡素化されて低コストになる利点に加え、バイアスコイルを除去することができ省力化を図ることができる。
また、請求の範囲第９項，第１０項の発明によれば、ＭＩ部と信号処理部とを配線により接続する必要がないので、作業が簡素化され低コストになる。

図１は、この発明の第１の実施の形態を示す素子構成図
図２は、この発明による素子を用いた電流測定の説明図
図３は、この発明による素子を用いた電流センサ回路図
図４は、この発明の第２の実施の形態を示す素子構成図
図５は、この発明の第３の実施の形態を示す素子構成図
図６は、この発明の第４の実施の形態を示す素子構成図
図７は、この発明の第５の実施の形態を示す素子構成図
図８は、この発明の第６の実施の形態を示す素子構成図
図９は、ＩＣ化電流センサの例を示す概要図
図１０は、図９に示すＩＣ化電流センサの回路図
図１１は、図９に示すＩＣ化電流センサの構造図
図１２は、ＩＣ化電流センサの別の例を示す説明図
図１３は、ＭＩ素子による従来の電流測定例その１の説明図
図１４は、電流センサの信号処理回路の従来例を示す回路図
図１５は、ＭＩ素子による従来の電流測定例その２の説明図

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す素子構成図である。
なお、図１の構成により得られるＭＩ素子は図２のように、従来例と同じく電線１００から一定の距離ｒ₀だけ離れた位置に配置して用いるものとし、また、電流センサ回路は例えば図３のように、図１４に示す従来例からバイアスコイル８を省略した構成となる。このことは、以下の第１〜第６の実施例についても同様である。

図１（ａ）は素子断面図、図１（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図を示す。
すなわち、ガラス基板５の片面にはこれと平行になるように永久磁石１８の磁極（Ｎ，Ｓ）を配置する一方、ガラス基板５のもう片面には金属パターン１１を、この金属パターン１１上には第１の絶縁膜１３を、この第１の絶縁膜１３上には磁性膜４を、この磁性膜４上には第２の絶縁膜１２をそれぞれ配置する。
金属パターン１１は図１（ａ）に示すように、永久磁石１８の磁極と垂直方向に短冊アレイ状に配置し、短冊の端部はアッシング（ａｓｈｉｎｇ：灰化）により絶縁層を除去した構成とする。また、磁性膜４は金属パターン１１に対し、垂直のつづら折れ形状となるように配置する。ガラス基板に代えて、シリコン基板を用いることができる。

そして、金属パターン１１の片端部から、その隣り合う金属パターン１１の対向する端部に、図１（ａ）のようにワイヤボンディング１０によって電気的に接続すると、磁性膜４は金属パターン１１とワイヤボンディング１０によるコイルの中に配置されたことになる。なお、このコイルの両端部を図３に負帰還コイル９とある位置に接続して使用する。
このように構成することで、従来例のバイアスコイルによるバイアス磁界を永久磁石によって代替することが可能となり、省電力化は勿論のこと、バイアスコイルの加工費削減による低コスト化を図ることができる。

図４はこの発明の第２の実施の形態を示す素子構成図で、（ａ）は平面図，（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
図４からも明らかなように、図１に示すものに対し永久磁石２８をガラス基板５の側面に配置したものである（永久磁石２８は各側面に各１つとは限らない）。こうすることで、磁性膜４に対して位置によるムラのない安定した磁界を印加することが可能となり、電流計測精度が向上する。

図５はこの発明の第３の実施の形態を示す素子構成図で、（ａ）は平面図，（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
これは永久磁石を薄膜永久磁石３８とした点が特徴で、図示のようにガラス基板３５と金属パターン面３１との間に配置したものである。この薄膜永久磁石３８は、例えばガラス基板３５に強磁性体をスパッタまたは蒸着により成膜し、着磁機により強磁性体を磁化して作製する。
このように、ガラス基板３５上に薄膜永久磁石３８を配置することにより、ガラス基板３５と薄膜永久磁石３８との間隔が狭くなり、薄膜永久磁石の磁場が小さくても所望のバイアスを得ることが可能となる。

図６はこの発明の第４の実施の形態を示す素子構成図で、（ａ）は平面図，（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
薄膜永久磁石４８を用いる点は図５と同じであるが、この薄膜永久磁石４８は小区画に分割され（または複数の単一磁石から構成され）て周期性を有しており、その結果、図５のような１極構成のものに比べて高い（大きい）バイアス磁界を発生できるようにしたものである。なお、その作製方法は図５の場合と同じであり、着磁機で着磁パターンを形成するときに、周期性を持たせるようにする点で異なる程度である。

図７はこの発明の第５の実施の形態を示す素子構成図で、（ａ）は平面図，（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
これまでに説明した磁性膜のつづら折れ部は磁気特性が不安定なため、ＭＩ素子の磁気特性のバラツキを大きくする要因となっていた。そこで、この磁性膜のつづら折れ部を、例えばアルミなどの非磁性の膜面を形成する（非磁性膜面）金属パターン５６で作ることにより、ＭＩ素子の磁気特性のバラツキを少なくするものである。

図８はこの発明の第６の実施の形態を示す素子構成図で、（ａ）は平面図，（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
これは、図７に示すものに対し、さらに別の薄膜永久磁石層６８を挿入して２層構造にしたもので、こうすることにより、バイアス磁界をさらに大きくできるようにしたものである。

ところで、バイアスコイルおよび負帰還コイルを備えたＭＩ素子からの信号は、通常は図１４に示したような信号処理回路に入力されるが、従来は信号処理回路のみが、例えば図１５のようにＩＣチップ化（ＩＣチップ３参照）されているのが普通である。しかし、このような構成、つまり計測部としてのＭＩ部とその信号処理回路を搭載したＩＣチップとを別々に作製して、これらを電気的に接続するのでは作業が煩雑でコスト高になることが考えられる。

そこで、例えば図９のようにすることができる。
これは、ＩＣチップ３内にＭＩ部を組み込み、ＭＩ部とその信号処理回路を一体化してＩＣ化電流センサ１１０としたものである。なお、このＩＣ化電流センサ１１０も従来例と同じく、図９のように電線１００から一定の距離ｒ₀だけ離れた位置に配置して用いられる。

このようなＩＣ化電流センサの回路構成は、例えば図１０のように、大きく分けて計測部であるＭＩ部２と、この計測部からの信号を処理する信号処理回路である信号処理部６と、無線通信手段としての無線通信部７とからなり、これらを同一のシリコン基板上に薄膜形成等により、一体的に形成することができる。ＭＩ部２は図のような磁性膜４、バイアスコイル８および負帰還コイル９からなり、磁気インピーダンス効果に基づく信号を発生するものでも良く、または、先の図１，４〜７のようにバイアスコイルを永久磁石で構成したものも使用可能である。永久磁石を２層以上設けるものは、製造上の観点から不適当と考えられる。

信号処理部６は図１０に示すように、磁性膜４に接続された発振器１４、整流回路１５、増幅回路１６および負帰還回路１７等から構成されるが、基本的には図１４に示すものと同じである。つまり、発振器１４からのパルス状または正弦波状の電圧信号が整流回路１５に入力されると、整流回路１５では電圧信号の振幅成分が所定のＤＣ（直流）電圧値として増幅回路１６に入力される。増幅回路１６の出力の１つは無線通信部７に出力信号Ｓとして、もう１つは負帰還回路１７を介して負帰還コイル９に与えられる。無線通信部７は、測定信号としての電流信号を無線信号に変換し、外部へ発信する。

図１１はＩＣ化電流センサの具体例を示す構造図で、（ａ）は平面図，（ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。
すなわち、ＩＣチップ３またはＩＣ化電流センサは、
シリコン基板５Ａ、
シリコン基板５Ａ上の信号処理部６と無線通信部７からなる電子回路、
シリコン基板５Ａ上に配置されたバイアスコイル８（下側）、
シリコン基板５Ａとバイアスコイル８（下側）を絶縁するための第１絶縁層２１、
さらに、
第１絶縁層２１上に配置された負帰還コイル９（下側）、
負帰還コイル９（下側）を絶縁するための第２絶縁層２２、
第２絶縁層２２上に配置されたＭＩ効果を得るための磁性膜４、
磁性膜４を絶縁するための第３絶縁層２３、
第３絶縁層２３上に配置された負帰還コイル９（上側）、
負帰還コイル９（上側）を絶縁するための第４絶縁層２４、
第４絶縁層２４上に配置されたバイアスコイル８（上側）、
バイアスコイル８の保護，絶縁を図るための第５絶縁層２５、
などから構成されている。

磁性膜４は図１０に示すように、信号処理部６に電気的に接続されている。また、図１１（ａ）に示すように、磁性膜４はつづら折れ構造となっている。さらに、負帰還コイル９（下側）と負帰還コイル９（上側）とは電気的に接続されており、これにより磁性膜４は負帰還コイル９で巻かれた状態となる。負帰還コイル９は図１０にも示すように、信号処理部６に電気的に接続される。同様に、バイアスコイル８（下側）とバイアスコイル８（上側）とは電気的に接続されており、これにより磁性膜４はバイアスコイル８でも巻かれた状態となる。バイアスコイル８も図１０に示すように、信号処理部６に電気的に接続される。

上記のような構成で、図９に示すように、電線１００に流れる電流による磁界変化がＩＣ化電流センサ１１０に印加されると、図１０に示すＭＩ素子１のインピーダンスが変化する。これが電圧信号となって、図１０に示す信号処理部６の整流回路１５、増幅回路１６を通して無線通信部７に出力されるので、無線通信部７では無線信号に変換して、外部に出力する。
このように、ＩＣチップ３内にＭＩ素子１と信号処理部とを一体的に薄膜形成することにより、ＭＩ素子部と信号処理部とを接続するための工程が低減されるだけでなく、半導体プロセスで同時に製造されるため、低コスト化を図ることが可能となる。

図１２にこの発明の他の実施の形態を示す。
これは、各ＩＣ化電流センサ１Ａ〜１Ｅにメモリを内蔵させてそれぞれに認識番号を保有しておき、これをもとに各ＩＣ化電流センサ１Ａ〜１Ｅ間で双方向の通信を可能にする例である。
また、図示のように計算機としてホストコンピュータＣを設ければ、各ＩＣ化電流センサ１Ａ〜１Ｅの電流監視を一括して行なうことも可能である。
無線通信なので、配線が不要となり工事費の削減が可能となる。
なお、以上では主として電流センサについて説明したが、この発明は磁界センサについても同様にして適用することが可能である。

１…ＭＩ素子、２…ＭＩ部、３…ＩＣチップ、４，３４，４４，５４，６４…磁性膜、５，３５，４５，５５，６６，５Ａ…基板、６…信号処理部、７…無線通信部、８…バイアスコイル、９…負帰還コイル、１０，２０，３０，４０，５０，６０…ワイヤボンディング、１１，２１，３１，４１，５１，５６，６１，６６…金属パターン、１２，１３，２１，２２，２３，２４，２５，３２，３３，４２，４３，５２，５３，６２，６３，６９…絶縁層、１４…発振器、１５…整流回路、１６…増幅回路、１７…負帰還回路、１８，２８，３８，４８，５８，６８…永久磁石、１００…電線、１１０…ＩＣ化電流センサ、Ｃ…ホストコンピュータ（計算機）。

Claims

基板と、この基板に配置された永久磁石と、この永久磁石と対向する面に配置された金属パターンと、この金属パターン上に配置された第１絶縁層と、この第１絶縁層上に配置された磁性膜と、この磁性膜上に配置された第２絶縁層とから構成され、
前記永久磁石は前記基板の平行方向に磁極が配置され、前記金属パターンは前記永久磁石の磁極に対し垂直方向に短冊アレイ状に配置されており、前記金属パターンの端部の絶縁層は除去されており、前記金属パターンの片端部から、その隣り合う金属パターンの端部に対向する端部に、ワイヤボンディングにより電気的に配線され、前記磁性膜は前記金属パターンに対して垂直方向に配置されてなることを特徴とする磁気インピーダンス素子。
前記永久磁石が前記基板の各側面に１個以上配置され、永久磁石片側面の磁極が、もう片面の磁極に対して逆極性であることを特徴とする請求の範囲第１項記載の磁気インピーダンス素子。
基板と、この基板に配置された永久磁石と、この永久磁石上に配置された金属パターンと、この金属パターン上に配置された第１絶縁層と、この第１絶縁層上に配置された磁性膜と、この磁性膜上に配置された第２絶縁層とから構成され、
前記永久磁石は前記基板の平行方向に磁極が配置され、前記金属パターンは前記永久磁石の磁極に対し垂直方向に短冊アレイ状に配置されており、前記金属パターンの端部の絶縁層は除去されており、前記金属パターンの片端部から、その隣り合う金属パターンの端部に対向する端部に、ワイヤボンディングにより電気的に配線され、前記磁性膜は前記金属パターンに対して垂直方向に配置されてなることを特徴とする磁気インピーダンス素子。
前記永久磁石は、複数の磁石からなることを特徴とする請求の範囲第３項記載の磁気インピーダンス素子。
前記永久磁石を多層に配置することを特徴とする請求の範囲第３項または第４項記載の磁気インピーダンス素子。
前記磁性膜をつづら折れ構造とすることを特徴とする請求の範囲第１項〜第５項のいずれか１つに記載の磁気インピーダンス素子。
前記つづら折れ部分を金属パターンで形成することを特徴とする請求の範囲第６項記載の磁気インピーダンス素子。
請求の範囲第１項〜第７項のいずれか１つに記載の磁気インピーダンス素子が、前記磁性体に印加された磁界に応じた検出信号を処理する信号処理回路に接続され、この信号処理回路の出力が前記金属パターンに接続されていることを特徴とする磁気インピーダンス素子を用いた電流・磁界センサ。
請求の範囲第１項〜第４項のいずれか１つに記載の磁気インピーダンス素子と、その磁性体に印加された磁界に応じた検出信号を処理する信号処理回路とを、同一基板上に一体的に形成したことを特徴とする磁気インピーダンス素子を用いた電流・磁界センサ。
基板上に信号処理回路および短冊アレイ状の第１金属パターンが配置されており、前記信号処理回路および第１金属パターン面上に第１絶縁層が配置されており、この第１絶縁層上に第２金属パターンが短冊アレイ状に配置されており、この第２金属パターン面上に第２絶縁層が配置されており、この第２絶縁層上に磁性膜が配置されており、この磁性膜面上に第３絶縁層が配置されており、この第３絶縁層上に第３金属パターンが短冊アレイ状に配置されており、この第３金属パターン面上に第４絶縁層が配置されており、この第４絶縁層上に第４金属パターンが短冊アレイ状に配置されており、この第４金属パターン面上に第５絶縁層が配置され、
前記第１金属パターンと第４金属パターンは第１のコイルを形成するように電気的に接続されており、前記第２金属パターンと第３金属パターンは第２のコイルを形成するように電気的に接続されており、第１のコイルと第２のコイルとは前記信号処理回路に電気的に接続されており、前記磁性膜は信号処理回路と電気的に接続されることにより前記磁性膜、第１および第２コイルと信号処理回路とを一体的に薄膜形成したことを特徴とする電流・磁界センサ。