JPH10293141A

JPH10293141A - 電流センサー

Info

Publication number: JPH10293141A
Application number: JP9135685A
Authority: JP
Inventors: Yasusuke Yamamoto; 庸介山本
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 1998-11-04

Abstract

(57)【要約】【目的】従来究めて高価であった高精度なサーボ式
電流センサーを安価で信頼性の高いものにする。【構成】本特許は導体に流れる電流の大きさを測定
するのに、電流の流れる導体と、電流によって発生する
磁場を測定するホール効果素子と、この磁場を相殺する
サーボ電流を流す導体とを１基板上に極めて近接して、
しかも精度良く配置することによって、安定に電流を計
測する電流センサーの構成法に関するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本特許は集積回路技術によって形
成した高精度なサーボ式の電流センサーに関するもので
ある。

【従来技術】図１は、従来のサーボ式電流センサーの構
成例であって、１は計測すべき電流を流す配線１、３は
ホール効果素子、７はホール効果素子のバイアス端子、
８はホール効果素子のバイアス端子、９はホール効果素
子のホール起電力出力端子、１０はホール効果素子のホ
ール起電力出力端子、１１は電流源、１２は電圧源、１
３は磁気コア、１４は磁気コアに開いたスリット、１５
はサーボ帰還電流を流すコイル、１６はホール効果素子
の出力電圧を電流に変換する増幅器、１７は抵抗、１８
は出力端子である。図２は図１をディスクリート部品に
よって構成した具体的な図面である。従来この種の電流
測定には、図１、図２に示すように、電流を流す配線１
を小さなスリット１４の開いた磁気コア１３に通し、こ
のスリットに発生する磁場の強さをホール効果素子３に
よって測定し、さらにこのホール電圧をアンプ１６で増
幅し、このアンプの出力電流をコイル１５を通して磁気
コアに帰還させ、配線１によって発生した磁場を相殺す
る。このとき抵抗１７に流れる電流によって出力端子１
８に発生する電圧をもって、配線１に発生する電流の強
さを測定する。本来、この種の電流計測では、原理的に
電流によって発生する磁場をホール効果素子３によって
測定すれば良いので、磁気コアなどは不要であるが、磁
場の強さが配線１からの距離の２乗に反比例して減少す
るので、配線１とホール効果素子３を極めて厳密に位置
決めする必要がある。しかし、図１、図２の様にする事
によって、配線１がコアに挿入されていれば、その位置
に関係なく、安定した、電流計測が可能となり、また、
磁気コアのスリットに発生する磁場は常に相殺されるよ
うに動作するので、ホール効果素子の非線形性や温度特
性に関係なく、測定すべき電流に比例した電圧出力が得
られるという特徴があった。

【発明が解決しようとする課題】しかし、この図１、図
２のような従来型電流センサーは、上記したように配線
１、磁気コア１３、ホール効果素子３と言う３つのディ
スクリート部品と、アンプ１６という集積回路１つを組
合わせて組み立てる必要があったので、部品材料費用、
組み立て費用等が高額となり、低価格化を妨げていた。
またホール効果素子には磁場の強さがゼロの場合にも、
多少のオフセット電圧が発生してしまうという問題があ
る。従来はこれを除去するために、後段のアンプの回路
定数の調整に、熟練を要する調整を行っていた。此のた
めに集積回路化の妨げになり、また低価格化を妨げる大
きな要因の一つとなっていた。、

【課題を解決するための手段】本特許ではこの様な問題
点を解決するために、測定すべき電流を流す配線１と、
帰還電流を流す配線２と、ホール効果素子３を集積回路
技術を用いて、１つの基板２０上に精密に位置合わせし
て形成することによって、高精度、低価格な電流センサ
ーを実現しようとしたものである。

【作用】この様な構成にすることによって、今まで手作
業で精密な組立を行わなければならなかった図１、図２
の磁気回路を、簡単に製造でき、かつ大量に一括して形
成できるので極めて高精度で安価なサーボ式の電流セン
サーを得ることが出来る。またこの種の電流センサーで
は従来、電流が流れない場合に、ホール効果素子から発
生するオフセット電圧が問題となっていたが、一つの基
板上に特性のそろった複数のホール効果素子を集積する
ことによってオフセットを相殺出来るので、帰還アンプ
部での微妙な調整が不要となるため、さらに高精度、安
価格化を実現できるものである。また、この電流センサ
ーを半導体基板上に作成すれば、同一基板上に、オペア
ンプや制御用デジタル回路などの集積回路を搭載出来る
ので、さらに高精度で様々な機能を兼ね備えた電流セン
サーを得ることが出来る。

【実施例】図３は本特許電流センサーの１実施例であっ
て、１は測定すべき電流を流す配線、２はサーボ帰還電
流を流す第２の配線、３はホール効果素子、４はＸ座標
合わせマーク、５はＹ座標合わせマーク、７、８はホー
ル効果素子のバイアス端子、９、１０はホール効果素子
のホール起電力出力端子、１９はコンタクト穴、２０は
基板である。また図４は図３の中心付近の横方向断面図
であって、２１、２２はシリコン酸化膜などの絶縁膜で
ある。図３の様な構造を製造する手法は、公知の集積回
路技術を組み合わせることによって容易に実現できる
が、以下に概略を説明する。例えば、まず基板２０とし
てシリコン単結晶ウエハーを用い、全面にシリコン酸化
膜等の絶緑膜２１を形成する。次にこの上にポリシリコ
ン膜を堆積した後、ホール効果素子３のパターンと合わ
せマーク４、５のパターンを、このポリシリコン膜によ
って形成する。次にこの上に別の絶緑薄積を基板上全面
に推積した後、コンタクト穴１９を形成する。次に基板
上全面にアルミニウム薄膜を推積した後、測定すべき電
流を流す配線１、帰還電流を流す配線２、ホール効果素
子用配線などのパターンを一括して形成する。この配線
パターン形成時には、ホール効果素子３の形成時に同時
に形成した合わせマーク４、５等を基準にして、パター
ン合わせを行ってゆく。このパターン合わせでは現代の
集積回路技術を用いれば±０．１μｍ程度の高精度な合
わせ精度が容易に実現できる。このような手法を積み重
ねることによって、図３の様な構造を容易に実現でき
る。この様な構成になっているので、配線１に電流を流
すとき、この配線の周囲にはこの電流の強さに比例した
強さの磁場が発生する。従ってホール効果素子３のホー
ル出力端子９、１０からは、この電流の強さに比例した
電圧出力が得られる。このホール起電力をアンプによっ
て増幅し、その帰還電流を配線２に流すことによって、
ホール効果素子にかかる磁場の強さをゼロにすることが
出来る。その時配線２に流れる電流の強さを図１のよう
な抵抗に流せば、入力電流に比例した電圧を得ることが
出来る。配線１に流れる電流による磁場の強さは、配線
１からホール効果素子までの距離の２乗に反比例するの
で、この距離のバラツキがそのまま電力測定精度に影響
するが、図３の様な構造を上記のような製法で作れば、
この距離の精度はパターン露光機の合わせ精度０．１μ
ｍ程度におさまっているので、例えばこの距離が１０μ
ｍならば１％程度の誤差１００μｍならば０．１％程度
の精度におさえることが出来る。距離が大きくなればな
るほど、この位置合わせ精度による誤差は小さくなる
が、逆に信号の絶対値も小さくなるので、最終的にはこ
の信号を増幅するアンプの精度との間で最適設計を行う
必要がある。このような電流センサーを構成するにあた
り、上記ではホール効果素子としてポリシリコンを用い
ることを念頭において説明を行ってきたが、基板２０と
して半導体を用い、いわゆる拡散抵抗構造としても同様
な効果を得ることが出来ることは明らかである。また、
オペアンプなどの集積回路を同一基板の上に集積するの
でなければ、基板２０としては、石英などを用いること
も可能である。また、電流の大きさがそれほど大きくな
い場合には、配線１の材料としてホール効果素子と同じ
材料のポリシリコンや拡散抵抗を用いることも可能であ
る。このようにすることによって、位置合わせ精度は、
露光装置の合わせ精度に依存せず、専ら１枚のマスク内
のパターン形成時におけるパターン相互の位置精度とな
るので、上に説明した第１層配線を用いる手法に比べ
て、さらに小さな誤差とすることが可能である。また、
小さな電流を測定する場合の感度向上策として、配線１
とホール効果素子３の距離をできるだけ近ずけることが
効果的と考えられる。これを実現するために、配線１と
して集積回路で言ういわゆる、第１層配線以外の層、例
えば第２層配線を用いると、配線１とホール効果素子は
さらに接近させることが出来るので、感度の向上が見込
める。ただし上記したような、精度とのトレードオフが
生じる。またホール効果素子は、磁場の強さゼロの時に
も多少の電圧が発生してしまう、いわゆるオフセット電
圧の問題を

【発明が解決しようとする課題】において指摘した。し
かしながら、本発明の手法．を用いれば、この問題は容
易に解決することができる。さまざまな解決策が考えら
れるが、図５にこの問題を解決する、本発明の第２の実
施例を示す。１は測定すべき電流を流す配線、２はサー
ボ帰還電流を流す第２の配線、３は第１のホール効果素
子、４はＸ座標合わせマーク、５はＹ座標合わせマー
ク、６は第２のホール効果素子、７、８はホール効果素
子のバイアス端子、９、１０はホール効果素子のホール
起動出力端子、１９はコンタクト穴、２０は基板、２
３、２４は第２のホール効果素子のホール起電力出力端
子、２５は第２のサーボ帰還電流を流す配線である。ホ
ール効果素子のオフセット電圧ばらつきは、主にホール
効果素子の構造的なばらつきが原因であるので、これを
集積回路技術によって同一基板上に作成すれば、この構
造的なばらつきは２素子とも同じ方向にばらつく性質が
ある。したがって、オフセット電圧も同じ方向にほぼ同
じ大きさで発生する。本実施例では、このような性質を
利用して、２つのホール効果素子を用いてお互いのオフ
セット電圧を相殺させることを可能としている。図５の
ようにその各々が配線１に対して対称の位置に配置すれ
ば、電流がゼロの場合には、お互いのオフセット電圧は
互いにキャンセルしあい、差の電圧はゼロになる。一
方、電流が流れて磁場が発生した場合には、ホール効果
素子の端子１０と端子２４からは反対のホール起電力が
発生するので、結局、オフセット電圧をなくした状態
で、電流に比例した差分電圧を得ることが出来る。これ
を、アンプで増幅したのち、図１や図２と同様の考え方
で、アンプの出力電流を配線２と２５にフィードバック
し、この電流を抵抗に通して、その電圧をモニターすれ
ば、全体としてサーボ式の電流センサーを構成したこと
になる。オフセット相殺用のホール効果素子６を配置す
る別な方法としては、例えば配線１に対して充分遠い距
離に配置すれば、ホール起電力出力端子２４からは配線
１に流れる電流のいかんにかかわらず、一定のホール効
果素子が発生するのみであるから、ホール効果素子３の
ホール起電力出力端子１０の電圧と比較することによっ
て、図５と同様の効果を得ることが可能である。ただ
し、この場合には出力電圧は図５の実施例の半分にな
る。良い点としては、サーボ帰還電流を流す第３の配線
２５が不要となって、回路を簡便にすることが出来る。
また、サーボ帰還電流を流す配線２や２５は図３や図５
では直線をもって表示したが、ホール効果素子に対して
磁場が平行にならなければ、原理的にはどのように配置
することも、可能である。図６は本特許電流センサーの
第３の実施例であって、１は測定すべき電流を流す配
線、３はホール効果素子である。図６の第３の実施例の
ように、配線１は第１層配線を用いてホール効果素子の
周囲を取りまく円状に配置することも可能である。この
場合、配線２は図では省略してあるが、例えば、第２層
配線によって、配線１上に同じく円状に配置し、配線１
と逆の電流が流れるように構成してあれば、配線１に流
す電流がもたらす磁場を打ち消すことが可能であるか
ら、本発明の主旨が実現出来ることは明らかである。配
線材料はポリシリコンなどの併用も考えられるし、レイ
アウト的な工夫としては、配線２の周囲を同じ配線層を
用いて配線１がとりまく様に配置することも可能であ
る。このような配線のレイアウト上の工夫によって、直
線的な配線に比較してホール効果素子に対して磁場を集
中させることが出来るので、さらに感度の高い電流セン
サーを実現出来る。

【発明の効果】以上説明したように、本発明を用いれ
ば、電流を流す配線１と、磁場を測定するホール効果素
子３、帰還電流を流す配線２などを、極めて精密に位置
合わせできるので、精密で安定した電流計測が行える。
また、サーボ式電流センサー特有の温度依存性が小さい
という特徴はそのまま継承されており、磁気コアを用い
ないので、残留磁気による誤差も発生しない。また全て
を集積回路製造技術によって作成できるので、帰還用の
アンプや、出力電圧を増幅するアンプ、さらには、増幅
率を切り替える制御回路など、さまざまな回路を同一基
板上に搭載出来る。また通常の集積回路と同じく、１枚
の半導体基板の上に、特性のそろった極めて多量の電流
センサーチップを精度良く製造出来る。また、ホール効
果素子の特性ばらつきによるオフセット電圧の問題を、
２つのホール効果素子を組み合わせることによって、極
めて小さな値にすることも可能となる。従って、高精
度、高機能、かつ安価な電流センサーを作成することが
出来る。

【図面の簡単な説明】図１、図２は従来の電流センサーの構成例、図３は本特
許の一実施例である。図４は本特許の第１の実施例図３
の中心部横方向の断面図である。図５は本特許の第２の
実施例、図６は本特許の第．３の実施例である。

【符号の説明】

１・・・・・・・・計測すべき電流を流す配線２・・・・・・・・サーボ帰還電流を流す第２の配線３・・・・・・・・ホール効果素子４・・・・・・・・Ｘ座標合わせマーク５・・・・・・・・Ｙ座標合わせマーク６・・・・・・・・第２のホール効果素子７・・・・・・・・ホール効果素子のバイアス端子８・・・・・・・・ホール効果素子のバイアス端子９・・・・・・・・ホール効果素子のホール起電力出力
端子１０・・・・・・・ホール効果素子のホール起電力出力
端子１１・・・・・・・電流源１２・・・・・・・電圧源１３・・・・・・・磁気コア１４・・・・・・・磁気コアに開いたスリット１５・・・・・・・サーボ帰還電流を流すコイル１６・・・・・・・ホール効果素子の出力電圧を電流に
変換する増幅器１７・・・・・・・抵抗１８・・・・・・・出力端子１９・・・・・・・コンタクト穴２０・・・・・・・基板２１・・・・・・・絶縁膜１２２・・・・・・・絶縁膜２２３・・・・・・・第２のホール効果素子のホール起電
力出力端子２４・・・・・・・第２のホール効果素子のホール起電
力出力端子２５・・・・・・・サーボ帰還電流を流す配線２である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定する電流を流す配線１、同一基板上に
配置された第２の配線２、配線１の直近に配置されたホ
ール効果素子３、パターンのＸ方向合わせマーク４、パ
ターンのＹ方向合わせマーク５が同一基板上に形成さ
れ、かつ、ホール効果素子３を形成する半導体膜のパタ
ーンと導体１のパターンとが合わせマーク４、５によっ
て精密に位置合わせされて形成される事を特徴とする電
流センサー
【請求項２】測定する電流を流す配線１、これと平行な
第２の配線２ならびにホール効果素子３とが同一の半導
体膜によって形成されたことを特徴とする電流センサー
【請求項３】測定する電流を流す配線１、同一基板上に
配置された第２の配線２、第１のホール効果素子３、第
２のホール効果素子６とがあり、かつホール効果素子
３、６が各々２つずつ保有するホール起電力出力端子の
一端ずつから、ホール起電力を取り出す配線をつけた事
を特徴とする電流センサー