KR101585353B1

KR101585353B1 - 자기 센서

Info

Publication number: KR101585353B1
Application number: KR1020147010744A
Authority: KR
Inventors: 소스께 니시다; 도시노리 다까쯔까
Original assignee: 아사히 가세이 일렉트로닉스 가부시끼가이샤
Priority date: 2011-10-31
Filing date: 2012-10-25
Publication date: 2016-01-13
Also published as: US9535139B2; EP2775315A4; EP2775315A1; JPWO2013065266A1; WO2013065266A1; CN104024877B; KR20140068219A; JP5795383B2; CN104024877A; US20140266183A1; EP2775315B1

Abstract

본 발명의 자기 센서는, 자기를 검출하는 홀 센서와, 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC를 구비하고, IC가 2층 이상의 복수의 메탈 배선층을 갖고 있으며, 홀 센서와 IC가 와이어 배선에 의해 전기적으로 접속되고, 또한 1개의 패키지 내에 봉입되어 있다. 외부로부터 인가되는 자속 밀도의 변화에 따라, 홀 센서의 출력 단자 및 홀 센서의 출력 전극 패드에 접속된 와이어 배선 및 홀 센서의 출력 전압을 IC가 구비하는 신호 처리부에 입력하기 위한 IC 상의 메탈 배선에 발생하는 유도 기전력을 억제하도록, 홀 센서의 출력 전압을 IC가 구비하는 신호 처리부에 입력하기 위한 메탈 배선에 입체 교차부를 구비한다. 이에 의해, 급격한 자속 밀도의 변화에 의한 유도 기전력의 영향을 억제하여, 전류 센서에 필요한 고속 응답성을 제공한다.

Description

자기 센서{MAGNETIC SENSOR}

본 발명은, 자기 센서에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 전류 센서 등에 사용되는 고속 응답성을 구비한 자기 센서에 관한 것이다.

일반적으로, 자기 센서의 홀 센서는, 자속 밀도에 비례하여 출력 전압이 변화한다. 이 특성을 이용하여, 도체에 흐르는 전류에 비례하여 발생하는 자속 밀도를 홀 센서로 검출함으로써, 도체에 흐르는 전류량을 측정하는, 소위 전류 센서 등에서 널리 사용되고 있는 것은 잘 알려져 있다.

한편, 배출 가스의 저감이나 연비의 향상을 도모하기 위해, 내연 기관 및 전동기(모터)의 쌍방을 구동원으로서 사용하도록 한, 소위 하이브리드 자동차가 잘 알려져 있다. 이 하이브리드 자동차에는, 일반적으로, 차량 탑재 배터리로부터 공급되는 직류 전력을 삼상 교류 전력으로 변환하는 인버터 장치가 설치되어 있고, 이 인버터 장치로 변환된 삼상 교류 전력이 전력 공급 대상인 모터로 공급된다. 또한, 이러한 하이브리드 자동차에서는, 인버터 장치 내에 설치되는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터) 등의 파워 모듈과 모터를 접속하는 급전용의 도체, 예를 들어, 버스 바나 케이블 등에 전류 센서가 설치되어 있다. 그리고, 이 전류 센서를 통하여 버스 바나 케이블 등을 흐르는 전류가 검출됨과 함께, 검출된 전류에 기초하여 모터로 공급되는 전력이 제어된다. 모터를 효율적으로 회전시키기 위해서는, 모터의 전류를 고속으로 고정밀도로 검출하여 제어를 행할 필요성이 있고, 전류 센서에는 수 ㎲ 정도의 응답성이 요구되고 있다.

또한, 종래의 전류 센서는, 예를 들어 특허문헌 1의 도 1에 기재되어 있는 바와 같이, 피검출 전류가 흐르는 도체와, 그 도체를 둘러싸고 공극부를 갖는 집자(集磁)용의 코어와, 코어의 공극부에 배치되는 홀 센서와, 기판을 포함하여 이루어진다. 여기서, 하이브리드 자동차 등의 모터에서는, 수백 암페어의 대전류가 급격히 변화하기 때문에, 홀 센서에 인가되는 자속 밀도도 급격히 변화한다. 그 때, 홀 센서의 출력 전극 패드와 외부 단자를 접속하는 와이어 배선이나, 홀 센서의 출력 외부 단자와 증폭기 등의 신호 처리 회로를 접속하는 기판의 배선에 배선 루프가 존재하면, 무시할 수 없는 크기의 유도 기전력이 출력 전압에 중첩되기 때문에, 특허문헌 1에 기재되어 있는 것과 같은 기판 배선의 배치 방법에 의해, 유도 기전력을 억제하는 것이 잘 알려져 있다.

여기서, 유도 기전력은 수학식 1에 나타내어진 바와 같이, 자속이 가로지르는 루프의 면적 S와 자속 밀도 B의 시간 미분에 비례하여 발생하는 것은 잘 알려져 있다.

(V_induction: 유도 기전력, φ: 자속, S: 루프 면적, B: 자속 밀도)

여기서, 단위는 각각, V_induction[V], φ[㏝], S[㎡], B[㏝/㎡]이다. 단위 [V] 는, 단위 [㏝/s]와 등가이며, 단위 [㏝/㎡]는 단위 [T]와 등가인 것은 말할 필요도 없다.

유도 기전력의 방향은, 루프에 인가되는 자장의 변화를 상쇄하는 방향으로 전류가 흐르도록 발생하는 것은 말할 필요도 없다. 유도 기전력의 방향이 홀 센서의 출력 전압과 동극성이면, 출력 전압의 상승시에 오버슛 하고, 유도 기전력의 방향이 홀 센서의 출력 전압과 역극성이면, 출력 전압의 상승시에 언더슛 한다. 이들 유도 기전력이 원인으로, 본래 출력해야 하는 출력 전압을 안정적으로 출력할 때까지 지연이 발생하여, 출력 응답에 지연이 발생한다. 또한, 일반적으로 전류 센서에 있어서의 오버슛, 언더슛의 허용값은 출력 전압 안정시의 ±10％이다.

한편, 최근에는, 전류 센서를 구성하는 부품 개수를 감소시켜, 전류 센서를 소형화하기 위해서, 예를 들어 특허문헌 2에 기재되어 있는 바와 같이, 홀 센서와, 홀 센서의 신호 처리부를 구비한 IC를 1개의 패키지에 봉입한 리니어홀 IC가 사용되고 있다. 이때에, 홀 센서의 감도가 높으면 높을수록 고분해능으로 전류 검출을 할 수 있으므로, 감도가 높은 화합물 반도체를 도전층에 사용한 홀 센서가 적합하다는 것은 말할 필요도 없다.

여기서, 리니어홀 IC에 있어서, 화합물 반도체의 홀 센서 칩과, 센서 칩의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC 칩은, Au선 등의 와이어 배선에 의해 접속되고, 1개의 패키지 내에 봉입되어 있는 것이 잘 알려져 있다.

일본 특허 공개 제2006-214815호 공보 일본 특허 공개 제2011-064648호 공보

그러나, 화합물 반도체의 홀 센서를 사용한 리니어홀 IC 등의 자기 센서에 있어서는, 홀 센서와 IC를 접속하기 위한 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선에 발생한 유도 기전력을, IC의 신호 처리 회로부의 증폭 회로에서 몇 십 배로부터 몇 백 배 정도로 증폭하기 위해서, 상술한 특허문헌 1에 기재되어 있는 바와 같이, 기판 상에 형성된 배선 루프에서 캔슬하는 방법으로는 충분한 효과가 얻어지지 않고, 유도 기전력이 노이즈로서 리니어홀 IC의 출력 전압에 중첩해 버려, 응답성이 떨어져 버린다고 하는 문제가 있었다. 여기서, 유도 기전력을 상쇄하는 효과를 최대한 얻고자 한다면, 기판 상에 형성된 배선 루프 면적의 증대는 피할 수 없고, 그것에 수반되는 기판 면적의 증대에 의해 전류 센서가 대형화해 버린다는 문제도 있었다.

또한, 기판 상의 배선에서는, 미세한 루프의 형성은 매우 어렵고, 홀 센서와 IC를 접속하기 위한 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선이 형성하는 루프와 동등한 미소(微小)하고 복잡한 루프를 정확하게 형성하는 것이 곤란하다는 문제가 있었다.

본 발명은 이러한 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 자기를 검출하는 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC를 구비하고, 홀 센서와 IC가 와이어 배선에 의해 전기적으로 접속되고, 또한 1개의 패키지 내에 봉입되어, 급격한 자속 밀도의 변화에 의한 유도 기전력의 영향을 억제하여, 전류 센서에 필요한 고속 응답성을 구비한 자기 센서를 제공하는 데 있다.

본 발명은 이와 같은 목적을 달성하기 위하여 이루어진 것으로, 청구항 제1항에 기재된 발명은, 자기를 검출하는 홀 센서와, 상기 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와, 상기 홀 센서와 상기 IC를 접속하는 와이어 배선이, 1개의 패키지 내에 봉입되어 있는 자기 센서에 있어서, 상기 IC 상에 배치된 정극(正極) 홀 출력용 전극 패드와 상기 신호 처리부를 접속하는 제1 메탈 배선과, 상기 IC 상에 배치된 부극(負極) 홀 출력용 전극 패드와 상기 신호 처리부를 접속하는 제2 메탈 배선의 적어도 한쪽 또는 서로가, 입체 교차하는 입체 교차부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 제2항에 기재된 발명은, 제1항에 기재된 발명에 있어서, 상기 홀 센서의 출력 양단자 및 상기 홀 센서의 출력 전극 패드에 접속된 상기 와이어 배선 및 상기 홀 센서의 출력 전압을 상기 IC가 구비하는 신호 처리부에 입력하기 위한 상기 IC 상의 메탈 배선을, 상기 홀 센서의 감자면에 평행한 평면에 투영했을 때에 생기는 2개 이상의 복수의 루프에 있어서, 상기 복수의 루프 중 적어도 하나 이상이 상기 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력을 발생하는 루프이고, 적어도 1개 이상이 상기 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력을 발생하는 루프인 것을 특징으로 한다.

여기서, IC 상의 메탈 배선이 형성하는 루프는, 포토리소그래피 기술을 사용하여 고정밀도로 관리된 루프인 것은 말할 필요도 없다. 따라서, 고정밀도로 루프 면적을 제어할 수 있다.

또한, 청구항 제3항에 기재된 발명은, 제1항 또는 제2항에 기재된 발명에 있어서, 상기 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합이, 상기 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합과 동등한 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 제4항에 기재된 발명은, 제1항, 제2항 또는 제3항에 기재된 발명에 있어서, 상기 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합과, 상기 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합의 차[단위: ㎡]의 절댓값이, 0.1과, 홀 소자의 감도[단위: V·㎡/㏝]와, 인가하는 최대 자속 밀도[단위: ㏝/㎡]의 세 개의 값의 곱을, 인가하는 자속 밀도의 시간 미분 값[㏝/㎡·s]으로 다시 나눈 값[단위: ㎡] 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 제5항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서, 상기 IC 상의 유도 기전력을 발생하는 루프를 형성하고 있는 상기 제1 메탈 배선과 상기 제2 메탈 배선 중 어느 하나, 또는 양쪽이 2층 이상의 복수의 메탈 배선층을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 제6항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서, 외부로부터 인가되는 자속 밀도의 변화에 따라 발생하는 상기 유도 기전력의 총합의 극성이, 상기 홀 센서의 출력 전압의 극성과 같은 것을 특징으로 한다.

또한, 청구항 제7항에 기재된 발명은, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 발명에 있어서, 상기 자기 센서에 인가된 자속 밀도가 안정되고 나서, 출력 전압이 안정될 때까지에 걸리는 시간이 2㎲ 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 자기를 검출하는 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC를 구비하고, 홀 센서와 IC가 와이어 배선에 의해 전기적으로 접속되고, 또한 1개의 패키지 내에 봉입되어, 급격한 자속 밀도의 변화에 의한 유도 기전력의 영향을 억제하여, 전류 센서에 필요한 고속 응답성을 구비한 자기 센서를 제공하는 것이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 자기 센서에 관한 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선의 제1 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 배선 형상에 있어서, 지면 앞 방향으로부터 지면 수직 방향으로 자속 밀도가 증가적으로 변화했을 때에 발생하는 유도 기전력 방향의 개략도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1의 리니어홀 IC에 있어서의 자장에 대한 출력 응답 파형을 나타내는 도면이다.
도 4는 비교예 1에 있어서의 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 칩 상의 메탈 배선의 개략도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 비교예 1의 리니어홀 IC에 있어서의 자장에 대한 출력 응답 파형을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2의 리니어홀 IC에 있어서의 자장에 대한 출력 응답 파형을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예 3의 리니어홀 IC에 있어서의 자장에 대한 출력 응답 파형을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 자기 센서에 관한 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선의 제2 개략도이다.
도 9는 본 발명의 자기 센서에 관한 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선의 제3 개략도이다.
도 10은 본 발명의 자기 센서에 관한 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선의 제4 개략도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 자기 센서에 관한 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선의 개략도이다. 본 발명의 자기 센서는, 자기를 검출하는 홀 센서(1)와, 이 홀 센서(1)의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC(2)와, 홀 센서(1)와 IC(2)를 접속하는 와이어 배선(3a 내지 3d)을 포함하여 구성되어 있고, IC(2)는 2층 이상의 복수의 메탈 배선층을 갖고 있으며, 이들 구성 요소가 1개의 패키지 내에 봉입되어 있다.

홀 센서(1)에는, 정극 입력 전극 패드(1a)와 정극 출력 전극 패드(1b)와 부극 입력 전극 패드(1c)와 부극 출력 전극 패드(1d)가 설치되어 있다.

IC(2) 상에는, 홀 센서(1)의 정극 입력 전극 패드(1a)와 접속되는 정극 구동용 전극 패드(2a)와, 홀 센서(1)의 정극 출력 전극 패드(1b)와 접속되는 정극 홀 출력용 전극 패드(2b)와, 홀 센서(1)의 부극 입력 전극 패드(1c)와 접속되는 부극 구동용 전극 패드(2c)와, 홀 센서(1)의 부극 출력 전극 패드(1d)와 접속되는 부극 홀 출력용 전극 패드(2d)가 설치되어 있다.

홀 센서(1)와 IC(2)를 접속하는 와이어 배선은, 홀 센서(1)의 정극 입력 전극 패드(1a)와 IC(2) 상에 설치된 정극 구동용 전극 패드(2a)를 접속하기 위한 와이어 배선(3a)과, 홀 센서(1)의 정극 출력 전극 패드(1b)와 IC(2) 상에 설치된 정극 홀 출력용 전극 패드(2b)를 접속하기 위한 와이어 배선(3b)과, 홀 센서(1)의 부극 입력 전극 패드(1c)와 IC(2) 상에 설치된 부극 구동용 전극 패드(2c)를 접속하기 위한 와이어 배선(3c)과, 홀 센서(1)의 부극 출력 전극 패드(1d)와 IC(2) 상에 설치된 부극 홀 출력용 전극 패드(2d)를 접속하기 위한 와이어 배선(3d)을 포함하여 구성되어 있다.

또한, IC(2) 상에는, 홀 센서(1)로부터의 출력의 신호 처리를 행하는 신호 처리부(4)가 설치되어 있고, IC(2) 상에 배치된 정극 홀 출력용 전극 패드(2b)와 신호 처리부(4)를 접속하는 제1 메탈 배선(5)과, IC(2) 상에 배치된 부극 홀 출력용 전극 패드(2d)와 신호 처리부(4)를 접속하는 제2 메탈 배선(6)이 설치되어 있고, 또한 IC(2) 상에 배치된 정극 홀 출력용 전극 패드와 신호 처리부를 접속하는 제1 메탈 배선(5)과, IC(2) 상에 배치된 부극 홀 출력용 전극 패드와 신호 처리부를 접속하는 제2 메탈 배선(6)이 입체 교차하는 입체 교차부(7)가 설치되어 있다.

이 입체 교차부(7)는, 외부로부터 인가되는 자속 밀도의 변화에 따라, 홀 센서(1)의 출력 단자 및 홀 센서(1)의 출력 전극 패드(1b, 1d)에 접속된 와이어 배선(3b, 3d) 및 홀 센서(1)의 출력 전압을 IC(2) 상에 설치된 신호 처리부(4)에 입력하기 위한 IC(2) 상의 제1 메탈 배선(5), 제2 메탈 배선(6)으로 형성되는 루프에 발생하는 유도 기전력을 억제하도록, 홀 센서(1)의 출력 전압을 IC(2) 상에 설치된 신호 처리부(4)에 입력하기 위한 제1 메탈 배선(5)과 제2 메탈 배선(6)이 입체 교차하는 부분이다.

또한, 홀 센서(1)의 출력 단자간을 연결하는 선분 및 홀 센서(1)의 출력 전극 패드(1b, 1d)에 접속된 와이어 배선(3b, 3d) 및 홀 센서(1)의 출력 전압을 IC(2) 상에 설치된 신호 처리부(4)에 입력하기 위한 IC(2) 상에 설치된 제1 메탈 배선(5), 제2 메탈 배선(6)을 홀 센서(1)의 감자면에 수직한 평면에 투영했을 때에 생기는 2개 이상의 복수의 루프에 있어서, 이 복수의 루프 중 적어도 하나 이상이 홀 센서(1)의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력을 발생하는 루프이며, 적어도 1개 이상이 홀 센서(1)의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력을 발생하는 루프이다.

또한, 홀 센서(1)의 정극 입력 전극 패드(1a)로부터 부극 입력 전극 패드(1c)로 구동 전류가 흐르도록, IC 상의 정극 구동용 전극 패드(2a)와 부극 구동용 전극 패드(2d)에 각각 와이어 배선(3a, 3c)을 개재하여 접속한다. 여기서, 도 1에 나타낸 바와 같이 홀 센서(1)의 상면으로부터 지면 수직 방향으로 자속 밀도가 인가된 경우, 홀 센서(1)의 정극 출력 전극 패드(1b)에 정, 부극 출력 패드(1d)에 부의 홀 출력 전압이 발생한다.

또한, 상기와 같이 구동 전류를 홀 센서(1)로 흘린 경우에 있어서, 부호 8은 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적이고, 부호 9는 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적을 나타내고 있다.

한편, 홀 센서(1)의 정극 홀 출력용 전극 패드(1b)와 부극 홀 출력용 전극 패드(1d)를 IC 상의 정극 홀 출력용 전극 패드(2b)와 부극 홀 출력용 전극 패드(2d)에 각각 와이어 배선(3b, 3d)을 개재하여 접속한다. 또한, 정극 홀 출력용 전극 패드(2b)와 부극 홀 출력용 전극 패드(2d)는 IC 상에서 제1 메탈 배선(5), 제2 메탈 배선(6)을 개재하여 신호 처리부(4)와 접속한다. 그 때, 제1 메탈 배선(5)과 제2 메탈 배선(6)을 IC 상에 있어서, 복수의 메탈 층을 개재하여 입체 교차부(7)의 위치에서 입체적으로 교차시키고, 또한 만곡시킴으로써, 와이어 배선(3b, 3d)과, 홀 센서(1)의 출력 단자(1b와 1d)를 연결하는 선과, IC 상의 정극 홀 출력용 전극 패드(2b)로부터 입체 교차부(7)까지의 제1 메탈 배선(5)의 선과, IC 상의 부극 홀 출력용 전극 패드(2d)로부터 입체 교차부(7)까지의 제2 메탈 배선(6)의 선을 사용하여, 인가 자속 밀도에 수직인 동일 평면 상에 투영했을 때에 생기는 루프 면적(8)(점 형상으로 표시한 부분)과, 입체 교차부(7)로부터 신호 처리 회로(4)의 입력까지의 제1 메탈 배선(5)의 선과, 입체 교차점(7)으로부터 신호 처리 회로(4)의 입력까지의 제2 메탈 배선(6)의 선을 사용하여, 인가 자속 밀도에 수직인 동일 평면 상에 투영했을 때에 생기는 루프 면적(9)(망 형상으로 표시한 부분)이 동일한 면적이 되도록 한다. 즉, 홀 센서(1)의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합이, 홀 센서(1)의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합과 동등해 지도록 한다.

또한, 홀 센서(1)의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합과, 홀 센서(1)의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합의 차의 절댓값이, 0.1과, 홀 소자의 감도와, 인가하는 최대 자속 밀도의 3개의 값의 곱을, 인가하는 자속 밀도의 시간 미분 값으로 다시 나눈 값 이하이도록 한다.

또한, IC(2) 상의 유도 기전력을 발생하는 루프를 형성하고 있는 메탈 배선이, 2층 이상의 복수의 메탈 배선층을 사용하여 형성되어 있다. 또한, 외부로부터 인가되는 자속 밀도의 변화에 따라 발생하는 유도 기전력의 총합의 극성이, 홀 센서(1)의 출력 전압의 극성과 같다.

도 2는 도 1에 나타낸 배선 형상에 있어서, 지면 앞 방향으로부터 지면 안쪽 방향으로 자속 밀도가 증가적으로 변화했을 때에 발생하는 유도 기전력 방향의 개략도이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 루프 면적(8)을 둘러싸는 배선에 발생하는 유도 기전력은, 홀 센서(1)의 출력 전압과 동극성에서 발생하고, 루프 면적(9)을 둘러싸는 배선에 발생하는 유도 기전력은 홀 센서(1)의 출력 전압과 역극성에서 발생하는 것을 알 수 있다. 통상, 루프 면적(8)과 루프 면적(9)에 있어서의 자속 밀도 변화는 동일하므로, 루프 면적(8)과 루프 면적(9)의 면적이 동일하면, 유도 기전력은 상쇄된다. 여기서, 자속 밀도의 방향이 반전하면, 홀 센서(1)의 출력 전압과 각 유도 기전력의 극성은, 각각 반전하는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 도 8은 본 발명의 자기 센서에 관한 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선의 제2 개략도이다. 도 8에 나타내는 바와 같이, IC 상의 제2 메탈 배선(6)만이 입체 교차하는 입체 교차부(7)를 구비하고, 와이어 배선(3b, 3d) 등에 발생하는 유도 기전력을 상쇄하기 위한 루프를 형성해도 된다. 여기서, IC 상의 제1 메탈 배선(5)만이 입체 교차하는 입체 교차부를 구비하고 있어도 되는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 도 9는 본 발명의 자기 센서에 관한 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선의 제3 개략도이다. 도 9에 나타내는 바와 같이, IC 상의 제2 메탈 배선(6)이 입체 교차하는 복수의 입체 교차부(7)를 구비하고, 와이어 배선(3b, 3d) 등에 발생하는 유도 기전력을 상쇄하기 위한 복수의 루프를 형성해도 된다. 이때, 복수의 루프가 복수층의 메탈 배선층을 사용하여 제작되어 있어도 된다. 여기서, IC 상의 제1 메탈 배선(5)만이 입체 교차하는 복수의 입체 교차부를 구비하고 있어도 되는 것은 말할 필요도 없다.

또한, 도 10은, 본 발명의 자기 센서에 관한 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 상의 메탈 배선의 제4 개략도이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, IC 상의 제1 메탈 배선(5), 제2 메탈 배선(6)의 각각이 따로 따로 입체 교차하는 입체 교차부(7)를 구비하고, 와이어 배선(3b, 3d) 등에 발생하는 유도 기전력을 상쇄하기 위한 복수의 루프를 형성해도 된다. 이때, 제1 메탈 배선(5), 제2 메탈 배선(6)의 각각이 복수의 루프를 구비하고 있어도 되는 것은 말할 필요도 없다. 또한, 복수의 루프가 복수층의 메탈 배선층을 사용하여 제작되어 있어도 된다. 여기서, IC 상의 제1 메탈 배선(5)과 제2 메탈 배선(6)이 서로 입체 교차하는 복수의 입체 교차부를 복수 구비하고 있어도 되는 것은 말할 필요도 없다.

또한, IC 상의 제1 메탈 배선(5)과 제2 메탈 배선(6)이 입체 교차부(7) 등에서 근접한 때에 발생하는 배선에 의한 기생 용량이, 자기 센서의 출력 응답에 영향을 미치지 않는 범위로 억제되도록, 메탈 배선의 폭, 메탈 배선끼리의 거리, 입체 교차부의 수, 각 층의 유전율을 적절히 최적화 하는 것이 바람직하다. 예를 들어, IC 상의 제1 메탈 배선(5)이 최상층의 메탈 배선층을 사용하여 제작되고, 또한 IC 상의 제2 메탈 배선(6)이 최하층의 메탈 배선층을 사용하여 제작되는 등, 배선의 기생 용량을 낮추는 구조를 선택하는 방법 등을 들 수 있다.

본 발명에 따르면, 급격한 자속 밀도의 변화에 의한 유도 기전력의 영향을 억제하여, 전류 센서에 필요한 응답성을 실현 가능한 자기를 검출하는 홀 센서와, 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC를 1개의 패키지 내에 봉입한 자기 센서를 제공 가능하게 되는 것을 알 수 있다.

이하에, 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. 그러나, 본 발명은 이들 실시예로 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적의 총합이 0.567㎟, 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적의 총합이 0.566㎟가 되도록 설계 배치한 경우에 대하여 설명한다. 여기서, 실시예 1에 있어서 루프 면적차는 0.001㎟이며, 루프 면적은 거의 동일하다.

또한, 실시예 1에 있어서, 홀 센서는, 아사히 가세이 일렉트로닉스제 HG116C 상당품을 정전류 구동 Ic=1.5㎃로 사용하고, 신호 처리 IC에서 출력 전압을 150배로 증폭하고 있다. 이때의 홀 센서의 감도는 0.25㎷/mT이다.

도 3은 본 발명의 실시예 1의 리니어홀 IC에 있어서의 자장에 대한 출력 응답 파형을 나타내는 도면이다. 상술한 조건으로 제작한 리니어홀 IC의 샘플에, 최대 상승 자속 밀도 변화 39.7mT/㎲에서 자장을 인가했을 때의 리니어홀 IC의 출력 전압의 규격화한 파형을 나타내고 있다. 규격화의 기준은 출력 전압이 안정되었을 때의 전압이다. 또한, 이 실험에 있어서의 최대 인가 자속 밀도는, B_max=71mT이다.

급격하게 자속 밀도가 변화하더라도, 유도 기전력에 의한 출력 전압의 오버슛은 거의 0％이며, 인가 자속 밀도가 안정되고 나서 리니어홀 IC의 출력 전압이 안정될 때까지의 시간은 1㎲ 이하인 것을 알 수 있다.

이 결과로부터, 본 발명을 사용하면, 자기를 검출하는 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC를 구비하고, 이 IC가 2층 이상의 복수의 메탈 배선층을 갖고 있으며, 홀 센서와 IC가 와이어 배선에 의해 전기적으로 접속되고, 또한 1개의 패키지 내에 봉입되어 있는 자기 센서에 있어서, 급격한 자속 밀도의 변화에 의한 유도 기전력의 영향을 억제하여, 전류 센서에 필요한 고속 응답성을 구비한 자기 센서를 제공 가능하게 되는 것을 알 수 있다.

[비교예 1]

도 4는 비교예 1에 있어서의 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC와의 와이어 배선 및 IC 칩 상의 메탈 배선의 개략도이다. IC 상의 메탈 배선이 입체 교차부를 구비하고 있지 않기 때문에, 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프는 없다.

또한, 비교예 1에 있어서, 홀 센서는 아사히 가세이 일렉트로닉스제 HG116C 상당품을 정전류 구동 Ic=1.5㎃로 사용하고, 신호 처리 IC에서 출력 전압을 150배로 증폭하고 있다. 이때의 홀 센서의 감도는 0.25㎷/mT이다.

도 5는 도 4에 나타낸 비교예 1의 리니어홀 IC에 있어서의 자장에 대한 출력 응답 파형을 나타내는 도면이다. 비교예 1을 사용한 리니어홀 IC의 샘플에, 최대 상승 자속 밀도 변화 39.7mT/㎲에서 자장을 인가했을 때의, 리니어홀 IC의 출력 전압의 규격화한 파형을 나타내고 있다. 규격화의 기준은 출력 전압이 안정되었을 때의 전압이다. 또한, 이 실험에 있어서의 최대 인가 자속 밀도는, B_max=71mT이다.

급격하게 자속 밀도가 변화했을 때, 유도 기전력에 의한 출력 전압의 오버슛은 약 36％이며, 인가 자속 밀도가 안정되고 나서 리니어홀 IC의 출력 전압이 안정될 때까지 시간은 4㎲ 이상인 것을 알 수 있다. 따라서, 전류 센서에 필요로 되는 오버슛의 허용값 10％를 초과해 버리고 있어, 문제가 된다.

비교예 1의 결과로부터, 본 발명을 사용함으로써 대폭 유도 기전력의 영향을 억제하여, 리니어홀 IC의 응답 속도를 현저하게 개선하고 있는 것을 알 수 있다.

[실시예 2]

홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적의 총합이 0.629㎟, 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적의 총합이 0.566㎟가 되도록 설계 배치한 경우에 대하여 설명한다. 여기서, 실시예 2에 있어서 루프 면적차는 0.063㎟이다.

또한, 실시예 2에 있어서, 홀 센서는 아사히 가세이 일렉트로닉스제 HG116C 상당품을 정전류 구동 Ic=1.5㎃로 사용하고, 신호 처리 IC에서 출력 전압을 150배로 증폭하고 있다. 이때의 홀 센서의 감도는 0.25㎷/mT이다.

도 6은 본 발명의 실시예 2의 리니어홀 IC에 있어서의 자장에 대한 출력 응답 파형을 나타내는 도면이다. 상술한 조건으로 제작한 리니어홀 IC의 샘플에, 최대 상승 자속 밀도 변화 39.7mT/㎲에서 자장을 인가했을 때의, 리니어홀 IC의 출력 전압의 규격화한 파형을 나타내고 있다. 규격화의 기준은 출력 전압이 안정되었을 때의 전압이다. 또한, 이 실험에 있어서의 최대 인가 자속 밀도는, B_max=71mT이다.

이들 결과로부터, 이 정도의 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력이 남아있는 상황에 있어서는, 급격하게 자속 밀도가 변화하더라도, 유도 기전력에 의한 출력 전압의 오버슛은 약 2％이며, 인가 자속 밀도가 안정되고 나서 리니어홀 IC의 출력 전압이 안정될 때까지 시간은 1㎲ 이하인 것을 알 수 있다. 또한, 이 정도의 오버슛을 용인할 수 있다면, 자속 밀도의 상승에 대한 응답성은, 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력이 남아있는 쪽이 더 빠르므로, 용도에 따라서는 유도 기전력 성분이 남은 편이 좋은 경우도 있다.

[실시예 3]

도 1에 있어서, 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적(8)이 0.735㎟, 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적(9)이 0.566㎟가 되도록 설계 배치한 경우에 대하여 설명한다. 여기서, 실시예 2에 있어서 루프 면적차는 0.169㎟이다.

또한, 실시예 3에 있어서, 홀 센서는 아사히 가세이 일렉트로닉스제 HG116C 상당품을 정전류 구동 Ic=1.5㎃로 사용하고, 신호 처리 IC에서 출력 전압을 150배로 증폭하고 있다. 이때의 홀 센서의 감도는 0.25㎷/mT이다.

도 7은 본 발명의 실시예 3의 리니어홀 IC에 있어서의 자장에 대한 출력 응답 파형을 나타내는 도면이다. 상술한 조건으로 제작한 리니어홀 IC의 샘플에, 최대 상승 자속 밀도 변화 39.7mT/㎲에서 자장을 인가했을 때의 리니어홀 IC의 출력 전압의 규격화한 파형을 나타낸다. 규격화의 기준은 출력 전압이 안정되었을 때의 전압이다. 또한, 이 실험에 있어서의 최대 인가 자속 밀도는, B_max=71mT이다.

급격하게 자속 밀도가 변화하더라도, 유도 기전력에 의한 출력 전압의 오버슛은 약 5％이며, 인가 자속 밀도가 안정되고 나서 리니어홀 IC의 출력 전압이 안정될 때까지 시간은 2㎲ 이하인 것을 알 수 있다.

이들의 결과로부터, 유도 기전력을 완전히 없애서 없는 상태에서도, 전류 센서용의 리니어홀 IC로서 사용 가능하다는 것을 알 수 있다.

여기서, 전류 센서에 있어서의 출력 전압의 오버슛과 언더슛의 허용값 ±10％ 이하를 만족시키기 위해서는, 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적의 총합과, 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적의 총합의 차가 어느 범위에 속해 있으면 좋을지를 생각한다.

홀 센서의 감도가 K_hall, 리니어홀 IC에 인가되는 안정시의 최대 인가 자속 밀도 B_max인 때, 홀 출력 전압 V_hall은 수학식 2로 나타내어 진다.

만족해야 할 식은 수학식 3이므로,

이 되고, 수학식1 내지 수학식 3으로부터 이하의 수학식 4를 만족하면 된다.

여기서, 단위는 각각, V_hall[V], K_hall[V·㎡/㏝], B_max[㏝/㎡], △S[㎡]이다.

단, 수학식 4에서 말하는 △S는, 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적의 총합과, 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력에 기여하는 배선 루프 면적의 총합의 차를 나타낸다. 또한, 수학식 4에 있어서의 자속 밀도의 미분 값 ㏈/dt는, 자속 밀도가 안정되기 직전의 값을 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 전류 센서 등에 사용되는 고속 응답성을 구비한 자기 센서에 관한 것이며, 자기를 검출하는 홀 센서와, 이 홀 센서의 구동이나 신호 처리를 행하기 위한 IC를 구비하고, 홀 센서와 IC가 와이어 배선에 의해 전기적으로 접속되고, 또한 1개의 패키지 내에 봉입되어, 급격한 자속 밀도의 변화에 의한 유도 기전력의 영향을 억제하여, 전류 센서에 필요한 고속 응답성을 구비한 자기 센서를 실현할 수 있다.

1 : 홀 센서
1a~1d : 홀 센서의 전극 패드
2 : 센서의 구동이나 신호 처리를 행하는 IC
2a~2d : IC 상의 전극 패드
3a~3d : 와이어 배선
4 : IC 상에 배치된 홀 센서 출력의 신호 처리부
5 : 제1 메탈 배선
6 : 제2 메탈 배선
7 : 입체 교차부
8, 9 : 배선 루프 면적

Claims

자기를 검출하는 홀 센서와, 상기 홀 센서의 신호 처리를 행하는 신호처리부가 설치된 IC와, 상기 홀 센서의 출력 전극 패드와 상기 IC의 홀 출력용 전극 패드를 접속하는 와이어 배선이, 1개의 패키지 내에 봉입되어 있는 자기 센서로서,
상기 IC 상에 배치된 제1 홀 출력용 전극 패드와 상기 신호 처리부를 접속하는 상기 IC 상의 제1 메탈 배선과, 상기 IC 상에 배치된 제2 홀 출력용 전극 패드와 상기 신호 처리부를 접속하는 상기 IC 상의 제2 메탈 배선의 적어도 한쪽 또는 서로가, 입체 교차하는 입체 교차부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제1항에 있어서, 상기 홀 센서의 출력 양단자간을 연결하는 선분, 상기 홀 센서의 출력 전극 패드에 접속된 상기 와이어 배선, 및 상기 홀 센서의 출력 전압을 상기 IC가 구비하는 신호 처리부에 입력하기 위한 상기 IC 상의 상기 제1 메탈 배선 및 상기 제2 메탈 배선을, 상기 홀 센서의 감자면(感磁面)에 평행한 평면에 투영했을 때에 생기는 2개 이상의 복수의 루프에서, 상기 복수의 루프 중 적어도 하나 이상이 상기 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력을 발생하는 루프이며, 적어도 1개 이상이 상기 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력을 발생하는 루프인 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합이, 상기 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합과 동등한 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 홀 센서의 출력 전압과 동극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합과, 상기 홀 센서의 출력 전압과 역극성의 유도 기전력을 발생하는 루프 면적의 총합의 차[단위: ㎡]의 절댓값이,
0.1과, 홀 소자의 감도[단위: V·㎡/㏝]와, 인가하는 최대 자속 밀도[단위: ㏝/㎡]의 3개의 값의 곱을, 인가하는 자속 밀도의 시간 미분 값[㏝/㎡·s]으로 다시 나눈 값[단위: ㎡] 이하인 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 IC 상의 유도 기전력을 발생하는 루프를 형성하고 있는 상기 제1 메탈 배선과 상기 제2 메탈 배선 중 어느 하나 또는 양쪽이 2층 이상의 복수의 메탈 배선층을 사용하여 형성되는 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 외부로부터 인가되는 자속 밀도의 변화에 따라 발생하는 상기 유도 기전력의 총합의 극성이, 상기 홀 센서의 출력 전압의 극성과 같은 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기 센서에 인가된 자속 밀도가 안정되고 나서, 출력 전압이 안정될 때까지에 걸리는 시간이 2㎲ 이하인 것을 특징으로 하는 자기 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 홀 센서는 화합물 반도체 홀 센서인 자기 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 신호 처리부는 증폭 회로인 자기 센서.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 메탈 배선은 상기 IC 상의 최상층의 메탈 배선층이며,
상기 제2 메탈 배선은 상기 IC 상의 최하층의 메탈 배선층인 자기 센서.