JP5773813B2 - 電流検出器およびそれを含む半導体装置 - Google Patents

Description

この発明は、基板上に実装可能な磁電変換素子（磁気抵抗効果素子、磁界センサ）を用いた電流検出器およびそれを含む半導体装置に関するものである。

従来から、外部から印加された磁界を検出する磁電変換素子として、ホール素子のほかに磁気抵抗効果素子が知られている。また、磁気抵抗効果素子としては、金属の磁気抵抗効果を利用したＡＭＲ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、巨大磁気抵抗効果を利用したＧＭＲ（Ｇｉａｎｔ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子、トンネル磁気抵抗効果を利用したＴＭＲ（Ｔｕｎｎｅｌ Ｍａｇｎｅｔｏ−Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）素子などが知られている。

特に、近年では、他の素子に比べて大きなＭＲ比が得られるＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子が注目されている（たとえば、特許文献１、特許文献２参照）。
特許文献１には、スピンバルブ構造を有するＧＭＲ素子およびＴＭＲ素子が開示されている。

スピンバルブ構造の磁気抵抗効果素子は、非磁性の薄膜層によって仕切られた強磁性体の第１の薄膜層（自由層）および第２の薄膜層（固定層）を有する。強磁性体の第１の薄膜層の磁化方向は、印加磁界がゼロの場合に、第２の薄膜層の固定された磁化方向に対して直交するように設定される。

強磁性体の第２の薄膜層には、磁化方向を固定させるために、反強磁性体の薄膜層が、直接、接触して付着されている。また、代替構造として、反強磁性体の薄膜層を、高飽和保磁力を有する強磁性の層にすることもできる。

ＴＭＲ素子は、自由層と固定層とを仕切る非磁性層に、ＡｌＯｘやＭｇＯなどの絶縁性材料を用いて、膜の面に対して垂直方向に流れる電流の変化を検出する。
一方、ＧＭＲ素子は、非磁性層にＣｕやＲｕのような導電性材料を用いて、膜の面に対して平行方向に流れる電流の変化を検出する。

また、ＣＰＰ（Ｃｕｒｒｅｎｔ−Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ−ｔｏ−Ｐｌａｎｅ）−ＧＭＲ素子は、非磁性層にＣｕやＲｕのような導電性材料を用いて、膜の面に対して垂直方向に流れる電流の変化を検出する。

外部磁界が印加されていないときの自由層および固定層の磁化方向を実質的に垂直にすることにより、外部磁界に対して線形の出力信号が得られるＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子を構成することができる。
また、ＴＭＲ素子をはじめとした磁電変換素子をＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）の中に組み込むことにより、ＩＣに流れる電流を検出することができる。

特許文献２には、ＩＣ上に作製されたＴＭＲ素子を用いて、ＩＣ内に流れる電流を検知する電流センサが開示されている。
ＩＣ内を流れる電流を正確に検出することにより、回路素子の異常動作や故障を検出することが可能となる。また、異常な電流信号の流入を検知するばかりでなく、回路における消費電力を抑制制御することにより、ＩＣの消費電力を低減することも可能になることから、上記電流検出器は多大な効果が期待されている。

特公平８−２１１６６号公報 特表２００７−５２００５７号公報

従来の電流検出器およびそれを含む半導体装置では、磁電変換素子に対して被検出電流が発生する磁界分布が不均一な場合に、磁電変換素子と被検出電流線との位置バラつきによって電流検出感度が変化するので、被検出電流線の発生する磁界分布は、被検出電流線からの距離が遠くなるほど均一になるものの、発生磁界は、被検出電流線からの距離が遠くなるほど弱くなる。したがって、微弱な電流を検出可能にしようとすると、磁電変換素子と被検出電流線との距離を近づけて感度を高める必要があることから、距離のばらつきによる感度のバラつきが大きくなって、歩留まりが低下し易いという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、格別な追加構成を不要とした簡単な構成で、被検出電流線が発生する磁界分布が均一な領域を設定して、その領域に磁電変換素子を配置することにより、検出精度の高い電流検出器およびそれを含む半導体装置を得ることを目的とする。

この発明に係る半導体装置は、磁電変換素子と、磁電変換素子の近傍に配置された第１および第２の被検出電流線と、磁電変換素子の抵抗値に応じた出力信号を得るための検出回路とを備えた電流検出器であって、第１および第２の被検出電流線は、互いにインピーダンスが等しくかつ磁電変換素子の近傍において平行配置され、磁電変換素子は、第１および第２の被検出電流線の中心位置から等距離で、かつ第１および第２の被検出電流線の中心位置で規定される平面から上方または下方に離間配置され、第１および第２の被検出電流線には、それぞれ大きさと向きが等しい電流が流れる複数の電流検出器を有する半導体装置であって、複数の電流検出器は、同一感度を有する磁電変換素子が、第１および第２の被検出電流線の間隔が異なる位置に配置されることにより、電流検出器としての感度が互いに異なることを特徴とするものである。

この発明によれば、磁電変換素子付近の磁界分布が均一になり、位置ばらつきの影響を受けにくいので、高精度に電流を検出することができる。

この発明の実施の形態１に係る電流検出器の電流検出部分を示す斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る電流検出器の検出回路の構成例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る電流検出器の発生磁界を断面図とともに示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電流検出器の異なる条件下での発生磁界分布を特性グラフで示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電流検出器の異なる条件下での発生磁界分布を特性グラフで示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電流検出器の異なる条件下での発生磁界分布を特性グラフで示す説明図である。 この発明の実施の形態１に係る電流検出器の異なる条件下での発生磁界分布を特性グラフで示す説明図である。 この発明の実施の形態１の第１の変形例による電流検出器の電流検出部分の斜視図である。 この発明の実施の形態１の第２の変形例による電流検出器の電流検出部分の斜視図である。 この発明の実施の形態１の第３の変形例による電流検出器の電流検出部分の斜視図である。 この発明の実施の形態１の第４の変形例による電流検出器の電流検出部分の斜視図である。 この発明の実施の形態１の第５の変形例による電流検出器の電流検出部分の斜視図である。 この発明の実施の形態１に係る電流検出器を含む半導体装置の構成例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る電流検出器を含む半導体装置の第１の変形例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１に係る電流検出器を含む半導体装置の第２の変形例を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る電流検出器を含む半導体装置の構成例を示す平面図および断面図である。

実施の形態１．
以下、図面を参照しながら、この発明の実施の形態１について説明する。
図１はこの発明に係る電流検出器１０を示す斜視図であり、電流検出部分の磁電変換素子１および検出用電流線１１、１２と、被検出電流線１３、１４との関係を拡大して示している。
また、図２はこの発明の実施の形態１に係る電流検出器１０の検出回路２０の構成例を示すブロック図である。

図１において、電流検出器１０は、基板（図示せず）の上に形成された磁電変換素子１と、磁電変換素子１に接続された検出用電流線１１、１２と、磁電変換素子１の近傍においてほぼ平行に配置された被検出用電流線１３、１４と、を備えている。

磁電変換素子１は、前述のように、非磁性の薄膜層によって仕切られた自由層および固定層（いずれも図示せず）を有する３層構造からなる。
磁電変換素子１および検出用電流線１１、１２は、たとえば図２に示す検出回路２０に接続されている。なお、図２の検出回路２０は、一例に過ぎず、要求に応じて任意の公知回路が適用可能なことは言うまでもない。

図２において、検出回路２０は、検出用電流線１１を介して磁電変換素子１に接続された定電圧回路２１と、検出用電流線１２を介して磁電変換素子１に接続されかつグランドに接地された参照抵抗２２と、磁電変換素子１と参照抵抗２２との接続点に接続された増幅回路２３と、増幅回路２３の出力端子２４と、を備えている。
出力端子２４は、電流検出器１０による検出信号（出力信号）を出力し、たとえば演算回路（図示せず）に導入する。

図１において、被検出電流線１３、１４は、磁電変換素子１の近傍においてほぼ平行配置された２本の電流線からなり、被検出電流線１３、１４の各々には、向きが等しくほぼ等しい大きさの電流ｉが流れている。

磁電変換素子１および検出用電流線１２は、被検出電流線１３、１４に対し、絶縁膜（図示せず）を介して上側の層（基板から遠い側）に配置されている。
検出回路２０（図２）は、磁電変換素子１に接続された検出用電流線１１、１２を介して、磁電変換素子１の抵抗値を測定する。磁電変換素子１の抵抗値は、磁電変換素子１に印加される磁界強度（電流ｉに対応）と対応するので、抵抗値を検出回路２０で演算することにより、電流ｉに対応した検出信号を得ることができる。

ここで、図３を参照しながら、磁電変換素子１に印加される磁界について説明する。
図３は磁電変換素子１および電流検出器１０に印加される磁界φ（発生磁界）を断面図とともに示す説明図である。

図３において、磁電変換素子１に印加される磁界φは、２つの被検出電流線１３、１４が電流ｉによって生成する磁界φ１、φ２をベクトル和した値であり、被検出電流線１３、１４の形成面内（２つの被検出電流線１３、１４に沿った直線で規定される平面内）と平行な面内の１方向（以下、「検出磁界方向」という）を向く。

磁電変換素子１は、被検出電流線１３、１４の形成面と平行な面内に形成されており、磁電変換素子１の抵抗値は、磁電変換素子１の形成されている面内における磁界φの成分に対応して変化する。

また、磁電変換素子１は、検出感度が高くなる方向が、検出すべき磁界φの方向となるように配置することが好ましい。
たとえば、磁電変換素子１が、ＴＭＲ素子、スピンバルブＧＭＲ素子の場合には、検出磁界方向と平行または反平行方向に、自由層と対向する固定層の磁化が向くように配置すればよい。また、磁電変換素子１が、量子井戸形ＧＭＲ素子やＭＲ素子の場合には、磁性体の長辺と垂直となるように配置することが好ましい。

次に、図４〜図７を参照しながら、この発明の実施の形態１の構成（図１）が実現されるまでの過程として、磁電変換素子１の近傍に発生する磁界の分布について説明する。
図４〜図７は電流検出器１０の異なる条件下での発生磁界分布を特性グラフで示す説明図であり、横軸はＸ軸位置［μｍ］、縦軸は発生磁界強度［Ｏｅ］を示している。

図４においては、幅Ｗを有する１本の被検出電流線１３の直上に磁電変換素子１を配置した構成例について発生磁界分布を計算し、検出磁界方向の位置に対する依存性を示している。

ここでは、被検出電流線１３に流れる電流ｉを一定（１［ｍＡ］）とし、被検出電流線１３の中心と磁電変換素子１との距離ｔを一定（０．１２［μｍ］）としたときに、被検出電流線１３の幅Ｗを、左側から順に、０．１２［μｍ］、０．３６［μｍ］、０．６［μｍ］と、３通りに変化させた場合の発生磁界分布を示している。

図４から明らかなように、被検出電流線１３の幅Ｗが大きくなるほど、磁電変換素子１に印加される磁界強度の分布は緩やかになる。
このことは、被検出電流線１３の幅Ｗを大きい値に設定すれば、被検出電流線１３と磁電変換素子１との位置がずれた場合であっても、電流検出器としての感度が安定することを示している。

図５においては、図１のように、２本の被検出電流線１３、１４の中間位置で被検出電流線１３、１４の上側の層に磁電変換素子１を配置した場合について、磁界分布を計算し、検出磁界方向の位置に対する依存性を示している。
また、この場合、被検出電流線１３、１４の幅Ｗをそれぞれ０．１２［μｍ］とし、２本の被検出電流線１３、１４のそれぞれに０．５［ｍＡ］の電流ｉを流したときに、２本の被検出電流線１３、１４の間隔ｄを、０．０１［μｍ］、０．０７［μｍ］、０．１０［μｍ］、０．１２［μｍ］、０．１４［μｍ］、０．３６［μｍ］と、６通りに変化させた場合の磁界分布を示している。

図５から明らかなように、磁電変換素子１の付近（Ｘ軸位置＝０）の磁界分布は、２本の被検出電流線１３、１４の間隔ｄが０．１２［μｍ］のときに、最も緩やか（ほぼ一定）になることが分かる。

図６においては、Ｗ＝０．３６［μｍ］の１本の被検出電流線１３が生成する磁界分布と、Ｗ＝０．１２［μｍ］の２本の被検出電流線１３、１４をｄ＝０．１２［μｍ］の間隔で配置したときの磁界分布と、を比較したグラフを示している。

図６から明らかなように、いずれの場合（１本の被検出電流線１３または２本の被検出電流線１３、１４）も被検出電流線が占有する幅は同じ値であるにもかかわらず、磁界分布としては、１本の被検出電流線１３のみの場合よりも、２本の被検出電流線１３、１４とした方が緩やか（ほぼ一定）になることが分かる。
なお、磁電変換素子１の付近の磁界分布が最も緩やかになる最適な間隔ｄは、被検出電流線１３、１４の中心位置と磁電変換素子１との距離ｔに応じて決定される。

図７においては、被検出電流線１３、１４の中心位置と磁電変換素子１との距離ｔを、０．１４［μｍ］、０．１９［μｍ］、０．２１［μｍ］、０．２４［μｍ］と、４通りに変化させた場合の磁界分布を示している。
また、この場合、４通りのそれぞれについて、検出磁界方向（Ｘ軸）の位置に対する磁界強度の依存性を、図５のように、間隔ｄを変えて計算した結果を重ね合わせたグラフで示している。

図７から明らかなように、ｔ＝０．２４［μｍ］の場合には、最適な間隔ｄが０．１２［μｍ］よりも少し大きく、ｔ＝０．２１［μｍ］の場合には、ｄ＝０．１２［μｍ］が最適値となり、ｔ＝０．１９［μｍ］の場合には、ｄ＝０．１［μｍ］が最適値となり、ｔ＝０．１４［μｍ］の場合には、最適な間隔ｄが０．０７［μｍ］よりも小さくなることが分かる。

なお、図１の電流検出器１０においては、被検出電流線１３、１４と検出用電流線１１、１２との配置関係を、一方の検出用電流線１１が被検出電流線１３、１４に対して平行とし、他方の検出用電流線１２が被検出電流線１３、１４に対して垂直としたが、この配置関係に限定されることはない。

図８〜図１２はこの発明の実施の形態１の第１〜第５の変形例による電流検出器１０Ａ〜１０Ｅを示す斜視図であり、それぞれ電流検出部分を拡大して示している。
たとえば、図８の電流検出器１０Ａのように、検出用電流線１１、１２の両方が被検出電流線１３、１４に対して垂直であってもよく、図９の電流検出器１０Ｂのように、検出用電流線１１、１２の両方が被検出電流線１３、１４に対して平行であってもよい。
この場合、検出用電流線１１、１２が発生する磁界により、被検出電流線１３、１４の発生する磁界に対して、図８の場合は垂直なバイアス磁界が印加され、図９の場合は平行なバイアス磁界が印加されるので、磁電変換素子１の特性の制御に利用可能である。

また、図１、図８、図９においては、磁電変換素子１および検出用電流線１２は、図示しない絶縁膜を介して上の層に配置されるが、図１０〜図１２に示すように、検出用電流線１１、１２の一方が被検出電流線１３、１４と同じ層に配置されてもよい。
これらの例では、検出用電流線１１、１２と被検出電流線１３、１４との間の距離ｔを、たとえば１層の絶縁膜の厚さで規定することができ、制御性が高いので、特に、距離ｔの値を小さい値に設定する場合に好ましい。

たとえば図１０の電流検出器１０Ｃのように、一方の検出用電流線１１が被検出電流線１３、１４と同じ層に配置されてもよい。
また、図１１および図１２の電流検出器１０Ｄ、１０Ｅのように、他方の検出用電流線１２が被検出電流線１３、１４と同じ層に配置されてもよい。
い。

図１１の電流検出器１０Ｄにおいては、検出用電流線１１、１２の両方が被検出電流線１３、１４に対して平行の場合を示し、図１２の電流検出器１０Ｅにおいては、一方の検出用電流線１１が被検出電流線１３、１４に対して垂直で、他方の検出用電流線１２が被検出電流線１３、１４に対して平行である場合を示している。
なお、図８〜図１２に示す変形例は、それぞれが一例に過ぎず、他の任意の変形例が適用可能なことは言うまでもない。

また、２本の被検出電流線１３、１４は、それぞれに流れる電流ｉが等しくなるようにインピーダンスが等しく設定されていることが好ましい。
たとえば、被検出電流線１３、１４は、同じ形状の２本の金属線のみで構成されてもよい。また、被検出電流線１３、１４にトランジスタ、ダイオード、キャパシタなどの回路素子が取り付けられる場合には、２本の被検出電流線１３、１４に対して、各素子を同様に接続して、インピーダンスを実質的に等しくすることが好ましい。

次に、図１３を参照しながら、この発明の実施の形態１に係る電流検出器を含む半導体装置３０について説明する。
図１３は電流検出器１０ａ、１０ｂを含む半導体装置３０の構成例を示すブロック図であり、電流検出器１０ａ、１０ｂは、たとえば前述（図１）の電流検出器１０に対応している。なお、ここでは、２つの回路ブロック３５、３６に対応した２つの電流検出器１０ａ、１０ｂを設けた一例を示すが、それぞれ、任意数に設定され得ることは言うまでもない。

図１３において、半導体装置３０は、入力端子３１および出力端子３２と、半導体装置３０内の各回路素子に給電を行う電源回路３３と、電流検出器１０ａ、１０ｂの出力信号に応答する切替回路３４と、切替回路３４によってオン／オフするスイッチＳＷ１〜ＳＷ４と、任意数（ここでは、２個）の回路ブロック３５、３６と、を備えている。

電流検出器１０ａは、回路ブロック３５の消費電流ｉ１（回路ブロック３５への供給電流）をモニタし、同様に、電流検出器１０ｂは、回路ブロック３６の消費電流ｉ２（回路ブロック３６への供給電流）をモニタする。ここでは、図示を省略するが、それぞれの被検出電流線は、前述（図１）のように、平行配置された２本の被検出電流線により構成されている。

スイッチＳＷ１、ＳＷ２は、回路ブロック３５の電源入力端子および出力端子に挿入され、同様に、スイッチＳＷ３、ＳＷ４は、回路ブロック３６の電源入力端子および出力端子に挿入されている。

図１３においては、スイッチＳＷ１、ＳＷ２がオン、スイッチＳＷ３、ＳＷ４がオフであって、回路ブロック３５が有効の場合を示している。
切替回路３４は、電流検出器１０ａ、１０ｂからの個別のモニタ信号（ｉ１、ｉ２）に基づき、たとえば回路ブロック３５、３６の故障の有無を判定して、不具合の起こった回路ブロックを代替の回路ブロックと切替える機能を有する。

たとえば、切替回路３４は、回路ブロック３５の消費電流ｉ１をモニタして、消費電流ｉ１が規定範囲外であるか否かを判定し、消費電流ｉ１が異常電流を示す場合には、スイッチＳＷ１、ＳＷ２をオンからオフに切替え、スイッチＳＷ３、ＳＷ４をオフからオンに切替えることにより、回路ブロック３５への電源供給を遮断し、回路ブロック３６への電源供給を開始し、出力端子３２への接続を回路ブロック３５から回路ブロック３６に切替える。

これにより、半導体装置３０内の回路ブロックにおける万一の故障発生事態に対しても、迅速に対応可能なデバイスを構成することができる。

図１４はこの発明の実施の形態１に係る電流検出器を含む半導体装置３０Ｆの第１の変形例を示すブロック図であり、前述（図１３参照）と同様のものについては、前述と同一符号が付されている。
ここでは、一例として、外付けされる外部デバイスＤ１、Ｄ２（図示せず）に対して電源を供給するための半導体装置３０Ｆを示している。

図１４において、半導体装置３０Ｆは、入力端子３１および出力端子３２ａ、３２ｂと、電流検出器１０ａ、１０ｂの出力信号に個別に応答する切替回路３４ａ、３４ｂと、切替回路３４ａ、３４ｂによってオン／オフするスイッチＳＷ２、ＳＷ４と、出力端子側にスイッチＳＷ２、ＳＷ４を有する回路ブロック３５、３６と、を備えている。

回路ブロック３５、３６に対応した出力端子３２ａ、３２ｂには、外部デバイスＤ１、Ｄ２が個別に接続されている。
ここでは、スイッチＳＷ２がオンされ、スイッチＳＷ４がオフされており、外部デバイスＤ１のみへの給電が有効化された状態を示している。

図１４のように、半導体装置３０Ｆに接続された外部デバイスＤ１、Ｄ２に電源を供給するＩＣにおいて、電流検出器１０ａ、１０ｂは、外部デバイスＤ１、Ｄ２への供給電流ｉ１、ｉ２をモニタし、切替回路３４ａ、３４ｂは、供給電流ｉ１、ｉ２が規定範囲外であるか否かを判定する。

また、切替回路３４ａ、３４ｂは、外部デバイスＤ１、Ｄ２への供給電流ｉ１、ｉ２が異常電流を示す場合には、スイッチＳＷ２、ＳＷ４をオンからオフに切替える。
たとえば、外部デバイスＤ１が故障した場合には、スイッチＳＷ２をオンからオフに切替えて、外部デバイスＤ１への電源供給を遮断することができる。また、これと同時に、エラー信号を発生することも可能となる。

このように、故障した外部デバイスＤ１に対する電源供給を遮断することにより、安全性を高めるとともに無駄な消費電力を抑制することが可能となる。

図１５はこの発明の実施の形態１に係る電流検出器１０Ｇ（検出回路２０Ｇ）を含む半導体装置３０Ｇの第２の変形例を示すブロック図であり、前述（図２参照）と同様のものについては、前述と同一符号が付されている。

図１５において、半導体装置３０Ｇ内に構成される検出回路２０Ｇは、前述と同様の定電圧回路２１、参照抵抗２２、増幅回路２３Ｇおよび出力端子２４に加え、出力端子２４とグランドとの間に挿入された被検出電流線１５および抵抗２５と、を備えている。
被検出電流線１５は、増幅回路２３Ｇからの出力電流ｉ３により、外部磁界（右向きの破線矢印参照）を打ち消すような磁界φ３（左向きの破線矢印参照）を発生する。

この場合、電流検出器１０Ｇの応用例として、検出回路２０Ｇ内の増幅回路２３Ｇは、被検出電流線１５が発生する磁界が外部から印加される外部磁界をキャンセルするように、被検出電流線１５に流す電流ｉ３を調節する。
これにより、電流ｉ３の調節量に応じて、外部磁界の強度を検出することができる。

この場合の、磁電変換素子１は、たとえばＴＭＲ素子、ＧＭＲ素子、ＣＰＰ−ＧＭＲ素子などであるが、ＩＣの配線層間への実装が容易な素子サイズからなるＴＭＲ素子またはＣＰＰ−ＧＭＲ素子を適用することが、この発明の実施の形態１として好ましい。

この発明の実施の形態１において、被検出電流線１３、１４は磁電変換素子１の近傍においてほぼ平行で電流ｉの向きが等しい２本の電流線からなり、ほぼ等しい電流ｉが流れる。また、磁電変換素子１は、被検出電流線１３、１４に対して、絶縁膜を介して上の層（基板から遠い側）に配置されている。
さらに、２本の被検出電流線１３、１４の間隔ｄを適切に設定することにより、磁電変換素子１の近傍の磁界分布が緩やかになるので、被検出電流線１３、１４と磁電変換素子１との位置ばらつきの影響が小さくなる。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１〜図１５）に係る電流検出器１０（１０Ａ〜１０Ｅ、１０Ｇ）は、磁電変換素子１と、磁電変換素子１の近傍に配置された被検出電流線１３、１４（第１および第２の被検出電流線）と、磁電変換素子１の抵抗値に応じた出力信号を得るための検出回路２０（２０Ｇ）とを備えている。

被検出電流線１３、１４は、互いにインピーダンスが等しくかつ磁電変換素子１の近傍において平行配置されている。
磁電変換素子１は、被検出電流線１３、１４の中心位置から等距離で、かつ被検出電流線１３、１４の中心位置で規定される平面から上方または下方に離間配置されている。

また、被検出電流線１３、１４には、それぞれ大きさと向きが等しい電流ｉが流れる。
これにより、磁電変換素子１の付近の磁界分布がほぼ均一になり、位置ばらつきの影響を受けにくくなるので、高精度に電流ｉを検出することができる。

また、この発明の実施の形態１（図１３）に係る電流検出器１０ａ、１０ｂ（１０、１０Ａ〜１０Ｅ、１０Ｇ）を少なくとも１つ含む半導体装置３０は、少なくとも１つの回路ブロック３５、３６を含み、検出回路２０の出力信号に応じて、半導体装置３０に含まれる一部の回路ブロックへの電力供給を制御する。

これにより、不要部分（たとえば、故障箇所）への電力供給を遮断することができるので、無駄な電力供給を抑制することが可能となる。また、たとえば故障箇所の過熱による悪影響を抑制することができる。

また、この発明の実施の形態１（図１４）に係る電流検出器１０ａ、１０ｂ（１０、１０Ａ〜１０Ｅ、１０Ｇ）を少なくとも１つ含む半導体装置３０Ｆは、少なくとも１つの外部デバイスＤ１、Ｄ２が接続されており、検出回路（電流検出器１０ａ、１０ｂ）の出力信号に応じて、外部デバイスＤ１、Ｄ２への電力供給を制御する。

これにより、不要部分（たとえば、故障箇所）への電力供給を遮断することができるので、電力供給を抑制することが可能となる。また、たとえば故障箇所の過熱による悪影響を抑制することができる。

さらに、この発明の実施の形態１（図１５）に係る電流検出器１０Ｇを少なくとも１つ含む半導体装置３０Ｇは、検出回路２０Ｇの出力信号が所望の値になるように検出回路２０Ｇを制御することにより、外部から印加されている磁界を検出することができる。
また、このとき、被検出電流線１５による磁界分布が緩やかなので、外部から印加される磁界を均一に打ち消すことができ、磁界検出の線形性が高くなる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１〜図１５）では、電流検出器の感度について言及しなかったが、図１６のように、高感度の電流検出器１０Ｈと低感度（広い磁界検出範囲）の電流検出器１０Ｌとを並設した半導体装置３０Ｈを構成してもよい。

図１６はこの発明の実施の形態２に係る電流検出器１０Ｈ、１０Ｌを含む半導体装置３０Ｈの構成例を示す平面図および断面図であり、前述と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

図１６において、半導体装置３０Ｈは、高感度および低感度の２つの電流検出器１０Ｈ、１０Ｌを備えており、低電流に対する高感度検出と、電流ｉに対しては低感度でも広範囲の磁界検出と、の両立が実現可能な電流検出器を構成している。
高感度の電流検出器１０Ｈにおいて、２本の被検出電流線１３ａ、１４ａの間隔ｄ１は、低感度の電流検出器１０Ｌの被検出電流線１３ｂ、１４ｂの間隔ｄ２よりも小さく設定されている。

前述の図７に示した発生磁界分布から明らかなように、間隔ｄが異なる電流検出器においては、電流ｉに対する感度が異なり、間隔ｄが小さくなるほど感度が向上することが分かる。したがって、間隔ｄ１、ｄ２の異なる電流検出器１０Ｈ、１０Ｌは、被検出電流ｉに対する感度が互いに異なり、間隔ｄ１（＜ｄ２）の電流検出器１０Ｈの方が高感度になる。

なお、各電流検出器１０Ｈ、１０Ｌの磁電変換素子１ａ、１ｂ（ＴＭＲ素子）に関しては、素子形状や膜厚などを変更することにより、感度の異なる素子を実現することが可能であるが、素子サイズのばらつきなどの影響を受け易い。

したがって、図１６では、各電流検出器１０Ｈ、１０Ｌにおいて、磁電変換素子１ａ、１ｂの素子形状や膜厚を実質的に一定に設定し、被検出電流線の間隔ｄ１、ｄ２のみを変えて、磁電変換素子１ａ、１ｂと被検出電流線との配置差を発生させることにより、異なる感度の電流検出器１０Ｈ、１０Ｌを構成している。

仮に、素子形状や膜厚を変えることによって磁電変換素子１ａ、１ｂの感度を変更する場合には、異なる素子形状または異なる膜厚の素子をそれぞれ精密に作製しなければならない。
一方、図１６のように、間隔ｄ１、ｄ２を変えることにより、同じ電流ｉであっても磁電変換素子１ａ、１ｂに印加される磁界が互いに異なるように構成した場合には、磁電変換素子１ａ、１ｂと被検出電流線との位置バラつきが小さくなるように作製すればよい。

この発明の実施の形態２（図１６）によれば、磁電変換素子１ａ、１ｂが２本の被検出電流線の間（中心位置）に配置されているので、被検出電流線が生成する磁界分布が、ゆるやかになり、配線と磁電変換素子１ａ、１ｂとの位置ばらつきの影響も少ない。
この結果、２つの検出感度を有し、かつばらつきの少ない電流検出器を得ることが可能となる。また、２つの電流検出器１０Ｈ、１０Ｌの値から、オフセットのリアルタイム補正を行うことが可能である。

以下、図１６に示した半導体装置３０Ｈにおいて、二股に分岐した被検出電流線１３ａ（１３ｂ）、１４ａ（１４ｂ）の間隔ｄ１（ｄ２）の中心位置に配置された２個の電流検出器１０Ｈ、１０Ｌの磁電変換素子１ａ、１ｂ（ＴＭＲ素子）に生じる磁界について考慮する。

同じ被検出電流ｉの電流量ｉｐに対して、各ＴＭＲ素子の位置に生じる磁界Ｈ１、Ｈ２は、被検出電流線とＴＭＲ素子との配置のみで決定され、センサ設計において一意に決まる係数Ａ１、Ａ２を用いて、以下の式（１）、式（２）のように記述することができる。

Ｈ１＝Ａ１×ｉｐ ・・・（１）
Ｈ２＝Ａ２×ｉｐ ・・・（２）

ここで、２つのＴＭＲ素子の特性が等しく、かつＴＭＲ素子の抵抗値Ｒが線形領域において「Ｒ＝Ｒ０＋αＨ」と記載できるものとすると、各ＴＭＲ素子の抵抗値Ｒ１、Ｒ２は、以下の式（３）、式（４）のように表すことができる。

Ｒ１＝Ｒ０＋αＡ１×ｉｐ ・・・（３）
Ｒ２＝Ｒ０＋αＡ２×ｉｐ ・・・（４）

式（３）、式（４）において、電流量ｉｐの値は、あらかじめ測定で得られる抵抗値Ｒ１、Ｒ２と、既知の係数Ａ１、Ａ２とから、基準抵抗値Ｒ０によらずに求めることができる。
したがって、式（３）、式（４）を用いることにより、たとえば温度変化によって基準抵抗値Ｒ０の値が変化しても、抵抗値Ｒ１、Ｒ２の値から電流値ｉｐを高精度に求めることが可能になる。

なお、図１６においては、２つ異なる感度の電流検出器１０Ｈ、１０Ｌを有する半導体装置３０Ｈを示したが、同様の手法を拡大適用することにより、３つ以上の感度を有する電流検出器を有する半導体装置を構成することも可能なことは言うまでもない。
また、被検出電流線が２本に分かれた部分と、被検出電流線が１本に合流した部分とのそれぞれにＴＭＲ素子を配置してもよい。

以上のように、この発明の実施の形態１（図１６）に係る半導体装置３０Ｈは、電流ｉの感度（測定範囲）が互いに異なる複数（２個）の電流検出器１０Ｈ、１０Ｌを備えているので、複数の磁電変換素子１ａ、１ｂ（ＴＭＲ素子）から得られる信号を用いることにより、検出電流範囲を広くしつつ、ばらつきの影響を抑制することができる。

１、１ａ 磁電変換素子、１０、１０ａ、１０ｂ、１０Ａ〜１０Ｅ、１０Ｇ、１０Ｈ、１０Ｌ 電流検出器、１１、１２ 検出用電流線、１３、１３ａ、１３ｂ 被検出電流線、１５ 被検出電流線、２０、２０Ｇ 検出回路、２１ 定電圧回路、２３、２３Ｇ 増幅回路、３０、３０Ｆ、３０Ｇ 半導体装置、３０Ｈ 半導体装置、３３ 電源回路、３４、３４ａ 切替回路、３５、３６ 回路ブロック、ｄ、ｄ１、ｄ２ 間隔、Ｄ１、Ｄ２ 外部デバイス、ｉ 電流（被検出電流）、ＳＷ１〜ＳＷ４ スイッチ、ｔ 距離、Ｗ 幅、φ、φ１〜φ３ 磁界。

Claims (1)

1. 磁電変換素子と、
   前記磁電変換素子の近傍に配置された第１および第２の被検出電流線と、
   前記磁電変換素子の抵抗値に応じた出力信号を得るための検出回路と
   を備えた電流検出器であって、
   前記第１および第２の被検出電流線は、互いにインピーダンスが等しくかつ前記磁電変換素子の近傍において平行配置され、
   前記磁電変換素子は、前記第１および第２の被検出電流線の中心位置から等距離で、かつ前記第１および第２の被検出電流線の中心位置で規定される平面から上方または下方に離間配置され、
   前記第１および第２の被検出電流線には、それぞれ大きさと向きが等しい電流が流れる複数の電流検出器を有する半導体装置であって、
   前記複数の電流検出器は、同一感度を有する前記磁電変換素子が、前記第１および第２の被検出電流線の間隔が異なる位置に配置されることにより、前記電流検出器としての感度が互いに異なることを特徴とする半導体装置。

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