JPWO2013065266A1

JPWO2013065266A1 - 磁気センサ

Info

Publication number: JPWO2013065266A1
Application number: JP2013541616A
Authority: JP
Inventors: 聡佑西田; 高塚　俊徳; 俊徳高塚
Original assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Current assignee: Asahi Kasei EMD Corp
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2015-04-02
Anticipated expiration: 2032-10-25
Also published as: US9535139B2; KR101585353B1; EP2775315B1; JP5795383B2; CN104024877A; EP2775315A4; CN104024877B; US20140266183A1; WO2013065266A1; EP2775315A1; KR20140068219A

Abstract

本発明の磁気センサは、磁気を検出するホールセンサと、ホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとを備え、ＩＣが２層以上の複数のメタル配線層を有しており、ホールセンサとＩＣがワイヤー配線により電気的に接続され、かつ１つのパッケージ内に封入されている。外部から印加される磁束密度の変化により、ホールセンサの出力端子及び、ホールセンサの出力電極パッドに接続されたワイヤー配線及び、ホールセンサの出力電圧をＩＣが備える信号処理部に入力するためのＩＣ上のメタル配線に、発生する誘導起電力を抑制するように、ホールセンサの出力電圧をＩＣが備える信号処理部に入力するためのメタル配線に立体交差部を備える。これにより、急激な磁束密度の変化による誘導起電力の影響を抑え、電流センサに必要な高速応答性を提供する。

Description

本発明は、磁気センサに関し、より詳細には、電流センサなどに用いられる高速応答性を備えた磁気センサに関する。

一般に、磁気センサのホールセンサは、磁束密度に比例して出力電圧が変化する。この特性を利用し、導体に流れる電流に比例して発生する磁束密度をホールセンサで検出することにより、導体に流れる電流量を測定する、いわゆる電流センサなどで広く用いられていることはよく知られている。

一方、排出ガスの低減や燃費の向上を図るべく、内燃機関及び電動機（モータ）の双方を駆動源として用いるようにした、いわゆるハイブリッド自動車がよく知られている。このハイブリッド自動車には、一般に、車載バッテリから供給される直流電力を三相交流電力に変換するインバータ装置が設けられており、このインバータ装置で変換された三相交流電力が電力供給対象であるモータに供給される。また、このようなハイブリッド自動車では、インバータ装置内に設けられるＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）などのパワーモジュールとモータとを接続する給電用の導体、例えば、バスバーやケーブルなどに電流センサが取り付けられている。そして、この電流センサを通じてバスバーやケーブルなどを流れる電流が検出されるとともに、検出された電流に基づいてモータに供給される電力が制御される。モータを効率よく回転させるためには、モータの電流を高速に高精度で検出し制御を行う必要性があり、電流センサには数μｓ程度の応答性が求められている。

また、従来の電流センサは、例えば、特許文献１の図１に記載されているように、被検出電流が流れる導体と、その導体を囲み、空隙部を有する集磁用のコアと、コアの空隙部に配置されるホールセンサと、基板からなる。ここで、ハイブリッド自動車などのモータでは数百アンペアの大電流が急激に変化するので、ホールセンサに印可される磁束密度も急激に変化する。その際、ホールセンサの出力電極パッドと外部端子を接続するワイヤー配線や、ホールセンサの出力外部端子とアンプなどの信号処理回路を接続する基板の配線に、配線ループが存在すれば、無視できない大きさの誘導起電力が出力電圧に重畳するため、特許文献１に記載されるような基板配線の引きまわし方法によって、誘導起電力を抑えることがよく知られている。

ここで、誘導起電力は式１に示されるように磁束が横切るループの面積Ｓと磁束密度Ｂの時間微分に比例して発生することはよく知られている。

（Ｖｉｎｄｕｃｔｉｏｎ：誘導起電力、Φ：磁束、Ｓ：ループ面積、Ｂ：磁束密度）

ここで、単位はそれぞれ、Ｖｉｎｄｕｃｔｉｏｎ［Ｖ］、Φ［Ｗｂ］、Ｓ［ｍ^２］、Ｂ［Ｗｂ／ｍ^２］である。単位［Ｖ］は単位［Ｗｂ／ｓ］と等価であり、単位［Ｗｂ／ｍ^２］は単位［Ｔ］と等価であることは言うまでもない。

誘導起電力の向きは、ループに印加される磁場の変化を打ち消す方向に電流が流れるように発生することは言うまでもない。誘導起電力の向きがホールセンサの出力電圧と同極性であれば、出力電圧の立ち上がり時にオーバーシュートし、誘導起電力の向きがホールセンサの出力電圧と逆極性であれば、出力電圧の立ち上がり時にアンダーシュートする。これら誘導起電力が原因で、本来出力するべき出力電圧を安定して出力するまでに遅延が発生し出力応答に遅れが発生する。また、一般に電流センサにおけるオーバーシュート、アンダーシュートの許容値は出力電圧安定時の±１０％である。

一方、近年は、電流センサを構成する部品点数を減少させ、電流センサを小型化するために、例えば、特許文献２に記載されているように、ホールセンサと、ホールセンサの信号処理部を備えたＩＣを１つのパッケージに封入したリニアホールＩＣが使用されている。この際に、ホールセンサの感度が高ければ高いほど高分解能で電流検出ができるので、感度の高い化合物半導体を導電層に用いたホールセンサが適していることはいうまでもない。

ここで、リニアホールＩＣにおいて、化合物半導体のホールセンサチップと、センサチップの駆動や信号処理を行うためのＩＣチップは、Ａｕ線などのワイヤー配線により接続され、１つのパッケージ内に封入されていることがよく知られている。

特開２００６−２１４８１５号公報特開２０１１−０６４６４８号公報

しかしながら、化合物半導体のホールセンサを用いたリニアホールＩＣ等の磁気センサにおいては、ホールセンサとＩＣを接続するためのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線に発生した誘導起電力を、ＩＣの信号処理回路部の増幅回路で数十倍から数百倍程度に増幅するため、上述した特許文献１に記載されているように、基板上に形成した配線ループでキャンセルする方法では、十分な効果が得られず誘導起電力がノイズとしてリニアホールＩＣの出力電圧に重畳してしまい応答性が落ちてしまうという問題があった。ここで、誘導起電力を打ち消す効果を極力得ようとすると、基板上に形成した配線ループ面積の増大は避けられず、それに伴う基板面積の増大により電流センサが大型化してしまうという問題もあった。

また、基板上の配線では、微細なループの形成は非常に難しく、ホールセンサとＩＣを接続するためのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線が形成するループと同等の微小かつ複雑なループを正確に形成することが困難であるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、磁気を検出するホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとを備え、ホールセンサとＩＣがワイヤー配線により電気的に接続され、かつ１つのパッケージ内に封入され、急激な磁束密度の変化による誘導起電力の影響を抑え、電流センサに必要な高速応答性を備えた磁気センサを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、磁気を検出するホールセンサと、該ホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣと、前記ホールセンサと前記ＩＣとを接続するワイヤー配線とが、１つのパッケージ内に封入されている磁気センサにおいて、前記ＩＣ上に配置された正極ホール出力用電極パッドと前記信号処理部とを接続する第１のメタル配線と、前記ＩＣ上に配置された負極ホール出力用電極パッドと前記信号処理部とを接続する第２のメタル配線の少なくとも一方もしくはお互いが、立体交差する立体交差部を備えていることを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記ホールセンサの出力両端子及び前記ホールセンサの出力電極パッドに接続された前記ワイヤー配線及び前記ホールセンサの出力電圧を前記ＩＣが備える信号処理部に入力するための前記ＩＣ上のメタル配線を、前記ホールセンサの感磁面に平行な平面に投影した際にできる２個以上の複数のループにおいて、前記複数のループのうち少なくとも一つ以上が前記ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力を発生するループであり、少なくとも一つ以上が前記ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力を発生するループであることを特徴とする。

ここで、ＩＣ上のメタル配線が形成するループは、フォトリソグラフィ技術を用いて高精度に管理されたループであることは言うまでもない。よって、高精度にループ面積を制御できる。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和が、前記ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和と等しいことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１、２又は３に記載の発明において、前記ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和と、前記ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和の差［単位：ｍ^２］の絶対値が、０．１と、ホール素子の感度［単位：Ｖ・ｍ^２／Ｗｂ］と、印加する最大磁束密度［単位：Ｗｂ／ｍ^２］の３つの値の積を、印加する磁束密度の時間微分値［Ｗｂ／ｍ^２・ｓ］で割り返した値［単位：ｍ^２］以下であることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の発明において、前記ＩＣ上の誘導起電力を発生するループを形成している前記第１のメタル配線と前記第２のメタル配線のいずれか、もしくは両方が２層以上の複数のメタル配線層を用いて形成されることを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の発明において、外部から印加される磁束密度の変化により発生する前記誘導起電力の総和の極性が、前記ホールセンサの出力電圧の極性と同じであることを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれかに記載の発明において、前記磁気センサに印加された磁束密度が安定してから、出力電圧が安定するまでにかかる時間が２μｓ以下であることを特徴とする。

本発明によれば、磁気を検出するホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとを備え、ホールセンサとＩＣがワイヤー配線により電気的に接続され、かつ１つのパッケージ内に封入され、急激な磁束密度の変化による誘導起電力の影響を抑え、電流センサに必要な高速応答性を備えた磁気センサを提供することが可能となる。

本発明の磁気センサに係るホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線の第１の概略図である。図１に示した配線形状において、紙面手前方向から紙面垂直方向に磁束密度が増加的に変化した際に発生する誘導起電力の向きの概略図である。本発明の実施例１のリニアホールＩＣにおける磁場に対する出力応答波形を示す図である。比較例１におけるホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣチップ上のメタル配線の概略図である。図４に示した比較例１のリニアホールＩＣにおける磁場に対する出力応答波形を示す図である。本発明の実施例２のリニアホールＩＣにおける磁場に対する出力応答波形を示す図である。本発明の実施例３のリニアホールＩＣにおける磁場に対する出力応答波形を示す図である。本発明の磁気センサに係るホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線の第２の概略図である。本発明の磁気センサに係るホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線の第３の概略図である。本発明の磁気センサに係るホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線の第４の概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の磁気センサに係るホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線の概略図である。本発明の磁気センサは、磁気を検出するホールセンサ１と、このホールセンサ１の駆動や信号処理を行うためのＩＣ２と、ホールセンサ１とＩＣ２とを接続するワイヤー配線３ａ乃至３ｄとから構成されていて、ＩＣ２は２層以上の複数のメタル配線層を有しており、これらの構成要素が１つのパッケージ内に封入されている。

ホールセンサ１には、正極入力電極パッド１ａと正極出力電極パッド１ｂと負極入力電極パッド１ｃと負極出力電極パッド１ｄが設けられている。

ＩＣ２上には、ホールセンサ１の正極入力電極パッド１ａと接続される正極駆動用電極パッド２ａと、ホールセンサ１の正極出力電極パッド１ｂと接続される正極ホール出力用電極パッド２ｂと、ホールセンサ１の負極入力電極パッド１ｃと接続される負極駆動用電極パッド２ｃと、ホールセンサ１の負極出力電極パッド１ｄと接続される負極ホール出力用電極パッド２ｄとが設けられている。

ホールセンサ１とＩＣ２とを接続するワイヤー配線は、ホールセンサ１の正極入力電極パッド１ａとＩＣ２上に設けられた正極駆動用電極パッド２ａとを接続するためのワイヤー配線３ａと、ホールセンサ１の正極出力電極パッド１ｂとＩＣ２上に設けられた正極ホール出力用電極パッド２ｂとを接続するためのワイヤー配線３ｂと、ホールセンサ１の負極入力電極パッド１ｃとＩＣ２上に設けられた負極駆動用電極パッド２ｃとを接続するためのワイヤー配線３ｃと、ホールセンサ１の負極出力電極パッド１ｄとＩＣ２上に設けられた負極ホール出力用電極パッド２ｄとを接続するためのワイヤー配線３ｄとから構成されている。

また、ＩＣ２上には、ホールセンサ１からの出力の信号処理を行なう信号処理部４が設けられており、ＩＣ２上に配置された正極ホール出力用電極パッド２ｂと信号処理部４とを接続する第１のメタル配線５と、ＩＣ２上に配置された負極ホール出力用電極パッド２ｄと信号処理部４とを接続する第２のメタル配線６とが設けられており、さらに、ＩＣ２上に配置された正極ホール出力用電極パッドと信号処理部とを接続する第１のメタル配線５と、ＩＣ２上に配置された負極ホール出力用電極パッドと信号処理部とを接続する第２のメタル配線６とが立体交差する立体交差部７が設けられている。

この立体交差部７は、外部から印加される磁束密度の変化により、ホールセンサ１の出力端子及びホールセンサ１の出力電極パッド１ｂ、１ｄに接続されたワイヤー配線３ｂ、３ｄ及びホールセンサ１の出力電圧をＩＣ２上に設けられた信号処理部４に入力するためのＩＣ２上の第１のメタル配線５、第２のメタル配線６で形成するループに発生する誘導起電力を抑制するように、ホールセンサ１の出力電圧をＩＣ２上に設けられた信号処理部４に入力するための第１のメタル配線５と第２のメタル配線６が立体交差する部分である。

また、ホールセンサ１の出力端子間を結ぶ線分及びホールセンサ１の出力電極パッド１ｂ、１ｄに接続されたワイヤー配線３ｂ、３ｄ及びホールセンサ１の出力電圧をＩＣ２上に設けられた信号処理部４に入力するためのＩＣ２上に設けられた第１のメタル配線５、第２のメタル配線６を、ホールセンサ１の感磁面に垂直な平面に投影した際にできる２個以上の複数のループにおいて、この複数のループのうち少なくとも一つ以上がホールセンサ１の出力電圧と同極性の誘導起電力を発生するループであり、少なくとも一つ以上がホールセンサ１の出力電圧と逆極性の誘導起電力を発生するループである。

また、ホールセンサ１の正極入力電極パッド１ａから負極入力電極パッド１ｃに駆動電流が流れるように、ＩＣ上の正極駆動用電極パッド２ａと負極駆動用電極パッド２ｄにそれぞれワイヤー配線３ａ、３ｃを介して接続する。ここで、図１に示すようにホールセンサ１の上面から紙面垂直方向に磁束密度が印加された場合、ホールセンサ１の正極出力電極パッド１ｂに正、負極出力パッド１ｄに負のホール出力電圧が発生する。

また、上記のように駆動電流をホールセンサ１に流した場合において、符号８はホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積で、符号９はホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積を示している。

一方、ホールセンサ１の正極ホール出力用電極パッド１ｂと負極ホール出力用電極パッド１ｄを、ＩＣ上の正極ホール出力用電極パッド２ｂと負極ホール出力用電極パッド２ｄにそれぞれワイヤー配線３ｂ、３ｄを介して接続する。また、正極ホール出力用電極パッド２ｂと負極ホール出力用電極パッド２ｄは、ＩＣ上で第１のメタル配線５、第２のメタル配線６を介して信号処理部４と接続する。その際、第１のメタル配線５と第２のメタル配線６とを、ＩＣ上において、複数のメタル層を介して立体交差部７の位置で立体的に交差させ、かつ湾曲させることにより、ワイヤー配線３ｂ、３ｄと、ホールセンサ１の出力端子１ｂと１ｄを結ぶ線と、ＩＣ上の正極ホール出力用電極パッド２ｂから立体交差部７までの第１のメタル配線５の線と、ＩＣ上の負極ホール出力用電極パッド２ｄから立体交差部７までの第２のメタル配線６の線とを用いて、印加磁束密度に垂直な同一平面上に投影した際にできるループ面積８（点状塗潰し部）と、立体交差部７から信号処理回路４の入力までの第１のメタル配線５の線と、立体交差点７から信号処理回路４の入力までの第２のメタル配線６の線を用いて、印加磁束密度に垂直な同一平面上に投影した際にできるループ面積９（網状塗潰し部）とが同じ面積になるようにする。つまり、ホールセンサ１の出力電圧と同極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和が、ホールセンサ１の出力電圧と逆極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和と等しくなるようにする。

また、ホールセンサ１の出力電圧と同極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和と、ホールセンサ１の出力電圧と逆極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和の差の絶対値が、０．１と、ホール素子の感度と、印加する最大磁束密度の３つの値の積を、印加する磁束密度の時間微分値で割り返した値以下であるようにする。

また、ＩＣ２上の誘導起電力を発生するループを形成しているメタル配線が、２層以上の複数のメタル配線層を用いて形成されている。また、外部から印加される磁束密度の変化により発生する誘導起電力の総和の極性が、ホールセンサ１の出力電圧の極性と同じである。

図２は、図１に示した配線形状において、紙面手前方向から紙面奥行方向に磁束密度が増加的に変化した際に発生する誘導起電力の向きの概略図である。図２に示すように、ループ面積８を囲む配線に発生する誘導起電力は、ホールセンサ１の出力電圧と同極性で発生し、ループ面積９を囲む配線に発生する誘導起電力はホールセンサ１の出力電圧と逆極性で発生することが分かる。通常、ループ面積８とループ面積９における磁束密度変化は同じであるので、ループ面積８とループ面積９の面積が同じであれば、誘導起電力は打ち消される。ここで、磁束密度の向きが反転すれば、ホールセンサ１の出力電圧と各誘導起電力の極性は、それぞれ反転することは言うまでもない。

また、図８は、本発明の磁気センサに係るホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線の第２の概略図である。図８に示すように、ＩＣ上の第２のメタル配線６のみが立体交差する立体交差部７を備え、ワイヤー配線３ｂ、３ｄ等に発生する誘導起電力を打ち消すためのループを形成してもよい。ここで、ＩＣ上の第１のメタル配線５のみが立体交差する立体交差部を備えていてもよいことは言うまでもない。

また、図９は、本発明の磁気センサに係るホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線の第３の概略図である。図９に示すように、ＩＣ上の第２のメタル配線６が立体交差する複数の立体交差部７を備え、ワイヤー配線３ｂ、３ｄ等に発生する誘導起電力を打ち消すための複数のループを形成してもよい。この際、複数のループが複数層のメタル配線層を用いて作製されていてもよい。ここで、ＩＣ上の第１のメタル配線５のみが立体交差する複数の立体交差部を備えていてもよいことは言うまでもない。

また、図１０は、本発明の磁気センサに係るホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣ上のメタル配線の第４の概略図である。図１０に示すように、ＩＣ上の第１のメタル配線５、第２のメタル配線６のそれぞれが別々に立体交差する立体交差部７を備え、ワイヤー配線３ｂ、３ｄ等に発生する誘導起電力を打ち消すための複数のループを形成してもよい。この際、第１のメタル配線５、第２のメタル配線６のそれぞれが複数のループを備えていてもよいことは言うまでもない。また、複数のループが複数層のメタル配線層を用いて作製されていてもよい。ここで、ＩＣ上の第１のメタル配線５と第２のメタル配線６が互いに立体交差する複数の立体交差部を複数備えていてもよいことは言うまでもない。

また、ＩＣ上の第１のメタル配線５と第２のメタル配線６が立体交差部７などで近づいた際に、発生する配線による寄生容量が、磁気センサの出力応答に影響が出ない範囲に抑えるよう、メタル配線の幅、メタル配線同士の距離、立体交差部の数、各層の誘電率、を適宜最適化することが望ましい。例えば、ＩＣ上の第１のメタル配線５が最上層のメタル配線層を用いて作製され、かつＩＣ上の第２のメタル配線６が最下層のメタル配線層を用いて作製されるなど、配線の寄生容量を下げる構造を選択する方法等があげられる。

本発明によれば、急激な磁束密度の変化による誘導起電力の影響を抑え、電流センサに必要な応答性を実現可能な、磁気を検出するホールセンサと、ホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣを１つのパッケージ内に封入した磁気センサを提供可能となることが分かる。

以下に、具体的な実施例について説明する。しかしながら、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積の総和が０．５６７ｍｍ^２、ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積の総和が０．５６６ｍｍ^２となるように設計配置した場合について説明する。ここで、実施例１においてループ面積差は０．００１ｍｍ^２であり、ループ面積はほぼ同じである。

また、実施例１において、ホールセンサは、旭化成エレクトロニクス製ＨＧ１１６Ｃ相当品を定電流駆動Ｉｃ＝１．５ｍＡで使用し、信号処理ＩＣで出力電圧を１５０倍に増幅している。このときのホールセンサの感度は０．２５ｍＶ／ｍＴである。

図３は、本発明の実施例１のリニアホールＩＣにおける磁場に対する出力応答波形を示す図である。上述した条件で作製したリニアホールＩＣのサンプルに、最大立ち上がり磁束密度変化３９．７ｍＴ／μｓで磁場を印加した際の、リニアホールＩＣの出力電圧の規格化した波形を示している。規格化の基準は出力電圧が安定した時の電圧である。また、この実験における最大印加磁束密度は、Ｂ_ｍａｘ＝７１ｍＴである。

急峻に磁束密度が変化しても、誘導起電力による出力電圧のオーバーシュートはほぼ０％であり、印加磁束密度が安定してからリニアホールＩＣの出力電圧が安定するまで時間は１μｓ以下であることが分かる。

この結果より、本発明を用いれば、磁気を検出するホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとを備え、このＩＣが２層以上の複数のメタル配線層を有しており、ホールセンサとＩＣがワイヤー配線により電気的に接続され、かつ1つのパッケージ内に封入されている磁気センサにおいて、急激な磁束密度の変化による誘導起電力の影響を抑え、電流センサに必要な高速応答性を備えた磁気センサを提供可能となることが分かる。

［比較例１］
図４は、比較例１におけるホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとのワイヤー配線及びＩＣチップ上のメタル配線の概略図である。ＩＣ上のメタル配線が立体交差部を備えていないため、ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力に寄与する配線ループは無い。

また、比較例１において、ホールセンサは旭化成エレクトロニクス製ＨＧ１１６Ｃ相当品を定電流駆動Ｉｃ＝１．５ｍＡで使用し、信号処理ＩＣで出力電圧を１５０倍に増幅している。このときのホールセンサの感度は０．２５ｍＶ／ｍＴである。

図５は、図４に示した比較例１のリニアホールＩＣにおける磁場に対する出力応答波形を示す図である。比較例１を用いたリニアホールＩＣのサンプルに、最大立ち上がり磁束密度変化３９．７ｍＴ／μｓで磁場を印加した際の、リニアホールＩＣの出力電圧の規格化した波形を示している。規格化の基準は出力電圧が安定した時の電圧である。また、この実験における最大印加磁束密度は、Ｂ_ｍａｘ＝７１ｍＴである。

急峻に磁束密度が変化した際、誘導起電力による出力電圧のオーバーシュートは約３６％であり、印加磁束密度が安定してからリニアホールＩＣの出力電圧が安定するまで時間は４μｓ以上であることが分かる。よって、電流センサに必要とされるオーバーシュートの許容値１０％を超えてしまっており、問題となる。

比較例１の結果より、本発明を用いることにより大幅に誘導起電力の影響を抑制し、リニアホールＩＣの応答速度を著しく改善していることが分かる。

［実施例２］
ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積の総和が０．６２９ｍｍ^２、ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積の総和が０．５６６ｍｍ^２となるように設計配置した場合について説明する。ここで、実施例２においてループ面積差は０．０６３ｍｍ^２である。

また、実施例２において、ホールセンサは旭化成エレクトロニクス製ＨＧ１１６Ｃ相当品を定電流駆動Ｉｃ＝１．５ｍＡで使用し、信号処理ＩＣで出力電圧を１５０倍に増幅している。このときのホールセンサの感度は０．２５ｍＶ／ｍＴである。

図６は、本発明の実施例２のリニアホールＩＣにおける磁場に対する出力応答波形を示す図である。上述した条件で作製したリニアホールＩＣのサンプルに、最大立ち上がり磁束密度変化３９．７ｍＴ／μｓで磁場を印加した際の、リニアホールＩＣの出力電圧の規格化した波形を示している。規格化の基準は出力電圧が安定した時の電圧である。また、この実験における最大印加磁束密度は、Ｂ_ｍａｘ＝７１ｍＴである。

これらの結果より、この程度のホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力が残っている状況においては、急峻に磁束密度が変化しても、誘導起電力による出力電圧のオーバーシュートは約２％であり、印加磁束密度が安定してからリニアホールＩＣの出力電圧が安定するまで時間は１μｓ以下であることが分かる。また、この程度のオーバーシュートを容認できるのであれば、磁束密度の立ち上がりに対する応答性は、ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力が残っている方が早いので、用途によっては誘導起電力成分が残った方が良い場合もある。

［実施例３］
図１において、ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積８が０．７３５ｍｍ^２、ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積９が０．５６６ｍｍ^２となるように設計配置した場合について説明する。ここで、実施例２においてループ面積差は０．１６９ｍｍ^２である。

また、実施例３において、ホールセンサは旭化成エレクトロニクス製ＨＧ１１６Ｃ相当品を定電流駆動Ｉｃ＝１．５ｍＡで使用し、信号処理ＩＣで出力電圧を１５０倍に増幅している。このときのホールセンサの感度は０．２５ｍＶ／ｍＴである。

図７は、本発明の実施例３のリニアホールＩＣにおける磁場に対する出力応答波形を示す図である。上述した条件で作製したリニアホールＩＣのサンプルに、最大立ち上がり磁束密度変化３９．７ｍＴ／μｓで磁場を印加した際の、リニアホールＩＣの出力電圧の規格化した波形を示す。規格化の基準は出力電圧が安定した時の電圧である。また、この実験における最大印加磁束密度は、Ｂ_ｍａｘ＝７１ｍＴである。

急峻に磁束密度が変化しても、誘導起電力による出力電圧のオーバーシュートは約５％であり、印加磁束密度が安定してからリニアホールＩＣの出力電圧が安定するまで時間は２μｓ以下であることが分かる。

これらの結果より、誘導起電力が完全に打ち消せて無い状態でも、電流センサ用のリニアホールＩＣとして使用可能であることが分かる。

ここで、電流センサにおける出力電圧のオーバーシュートとアンダーシュートの許容値±１０％以下を満たすためには、ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積の総和と、ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積の総和の差がどの範囲に収まっていればよいかを考える。

ホールセンサの感度がＫ_ｈａｌｌ、リニアホールＩＣに印加される安定時の最大印加磁束密度Ｂ_ｍａｘのとき、ホール出力電圧Ｖ_ｈａｌｌは式２であらわされる。

満たすべき式は式３であるので、

となり、式１乃至式３より以下の式４を満たせばよい。

ここで、単位はそれぞれ、Ｖ_ｈａｌｌ［Ｖ］、Ｋ_ｈａｌｌ［Ｖ・ｍ^２／Ｗｂ］、Ｂ_ｍａｘ［Ｗｂ／ｍ^２］、ΔＳ［ｍ^２］である。

但し、式４で言うΔＳは、ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積の総和と、ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力に寄与する配線ループ面積の総和の差を示す。また、式４における磁束密度の微分値ｄＢ／ｄｔは、磁束密度が安定する直前の値を使用することが好ましい。

本発明は、電流センサ等に用いられる高速応答性を備えた磁気センサに関し、磁気を検出するホールセンサと、このホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣとを備え、ホールセンサとＩＣがワイヤー配線により電気的に接続され、かつ１つのパッケージ内に封入され、急激な磁束密度の変化による誘導起電力の影響を抑え、電流センサに必要な高速応答性を備えた磁気センサを実現することができる。

１ホールセンサ
１ａ〜１ｄホールセンサの電極パッド
２センサの駆動や信号処理を行うＩＣ
２ａ〜２ｄＩＣ上の電極パッド
３ａ〜３ｄワイヤー配線
４ＩＣ上に配置されたホールセンサ出力の信号処理部
５第１のメタル配線
６第２のメタル配線
７立体交差部
８、９配線ループ面積

Claims

磁気を検出するホールセンサと、該ホールセンサの駆動や信号処理を行うためのＩＣと、前記ホールセンサと前記ＩＣとを接続するワイヤー配線とが、１つのパッケージ内に封入されている磁気センサにおいて、
前記ＩＣ上に配置された正極ホール出力用電極パッドと前記信号処理部とを接続する第１のメタル配線と、前記ＩＣ上に配置された負極ホール出力用電極パッドと前記信号処理部とを接続する第２のメタル配線の少なくとも一方もしくはお互いが、立体交差する立体交差部を備えていることを特徴とする磁気センサ。
前記ホールセンサの出力両端子及び前記ホールセンサの出力電極パッドに接続された前記ワイヤー配線及び前記ホールセンサの出力電圧を前記ＩＣが備える信号処理部に入力するための前記ＩＣ上のメタル配線を、前記ホールセンサの感磁面に平行な平面に投影した際にできる２個以上の複数のループにおいて、前記複数のループのうち少なくとも一つ以上が前記ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力を発生するループであり、少なくとも一つ以上が前記ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力を発生するループであることを特徴とする請求項１に記載の磁気センサ。
前記ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和が、前記ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和と等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
前記ホールセンサの出力電圧と同極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和と、前記ホールセンサの出力電圧と逆極性の誘導起電力を発生するループ面積の総和の差[単位：ｍ2]の絶対値が、
０．１と、ホール素子の感度［単位：Ｖ・ｍ^２／Ｗｂ］と、印加する最大磁束密度［単位：Ｗｂ／ｍ^２］の３つの値の積を、印加する磁束密度の時間微分値［Ｗｂ／ｍ^２・ｓ］で割り返した値［単位：ｍ^２］以下であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の磁気センサ。
前記ＩＣ上の誘導起電力を発生するループを形成している前記第１のメタル配線と前記第２のメタル配線のいずれかもしくは両方が２層以上の複数のメタル配線層を用いて形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁気センサ。
外部から印加される磁束密度の変化により発生する前記誘導起電力の総和の極性が、前記ホールセンサの出力電圧の極性と同じであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁気センサ。
前記磁気センサに印加された磁束密度が安定してから、出力電圧が安定するまでにかかる時間が２μｓ以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の磁気センサ。