(57)【要約】【課題】高感度のセンサチップを提供する。【解決手段】実施形態のセンサチップは、基板と、基板上に設けられ、第１面と、第１面に対向する第２面と、を有する直方体あるいは立方体であり、絶縁材料を含む立体物と、第１面に設けられた第１コイルと、第２面に設けられた第２コイルであって、第１コイル及び第２コイルを通電する電流により第１コイルと第２コイルに生じる磁界の向きが同じになるように、第１コイルに電気的に接続された第２コイルと、立体物内に設けられた磁気測定素子と、を備える。【選択図】図１
2020148629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設けられ、第１面と、前記第１面に対向する第２面と、を有する直方体あるいは立方体であり、絶縁材料を含む立体物と、
前記第１面に設けられた第１コイルと、
前記第２面に設けられた第２コイルであって、前記第１コイル及び前記第２コイルを通電する電流により前記第１コイルと前記第２コイルに生じる磁界の向きが同じになるように、前記第１コイルに電気的に接続された第２コイルと、
前記立体物内に設けられた磁気測定素子と、
を備えるセンサチップ。
【請求項２】
前記立体物は、第３面と、前記第３面に対向する第４面と、をさらに有し、
前記センサチップは、
前記第３面に設けられ、前記第１コイル及び前記第２コイルに接続された第３コイルと、
前記第４面に設けられた第４コイルであって、前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイル及び前記第４コイルを通電する電流により前記第３コイルに生じる磁界の向きが前記第４コイルに生じる磁界の向きと同じ向きになるように前記第１コイル、前記第２コイル及び前記第３コイルに電気的に接続された第４コイルと、
をさらに備える請求項１記載のセンサチップ。
【請求項３】
前記立体物は、第５面をさらに有し、
前記センサチップは、
前記第５面に設けられ、前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイル及び前記第４コイルに電気的に接続された第５コイルと、
をさらに備える請求項２記載のセンサチップ。
【請求項４】
前記立体物は、前記第５面に対向する第６面をさらに有し、
前記センサチップは、
前記第６面に設けられた第６コイルであって、前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイル、前記第４コイル、前記第５コイル及び前記第６コイルを通電する電流により前記第５コイルに生じる磁界の向きが前記第６コイルに生じる磁界の向きと同じ向きになるように前記第１コイル、前記第２コイル、前記第３コイル、前記第４コイル及び前記第５コイルに電気的に接続された第６コイルと、
をさらに備える請求項３記載のセンサチップ。
【請求項５】
前記磁気測定素子は、
第１方向の磁束を検出する第１感磁部と、
前記第１方向に交差する第２方向の磁束を検出する第２感磁部と、
前記第１方向及び前記第２方向に交差する第３方向の磁束を検出する第３感磁部と、
を有する請求項３乃至請求項４いずれか一項記載のセンサチップ。
【請求項６】
前記第１方向は前記第１面に垂直であり、
前記第２方向は前記第３面に垂直であり、
前記第３方向は前記第５面に垂直である、
請求項５記載のセンサチップ。
【請求項７】
第１面と、前記第１面に対向する第２面と、を有する直方体あるいは立方体の形状を有し、絶縁材料を含む立体物と、
前記第１面に設けられた第１コイルと、
前記第２面に設けられた第２コイルであって、前記第１コイル及び前記第２コイルを通電する電流により生じる磁界の向きが前記第１コイルと前記第２コイルに生じる磁界の向きが同じになるように前記第１コイルに電気的に接続された第２コイルと、
前記立体物内に設けられた磁気測定素子と、
を備えるセンサチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、センサチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサチップ（電流検出装置）は、コイルに流れる電流により発生する磁界を、ホール素子等の感磁部で検出するものである。例えばホール素子により磁界を検出する場合には、センサチップはコイルに流れる電流の強度を電圧に変換している。
【０００３】
高い磁界強度を得るために、２個のコイルを対向させて配置し、上述の２個のコイルの間に磁気測定素子を配置することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６２６７６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、高感度のセンサチップを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態のセンサチップは、基板と、基板上に設けられ、第１面と、第１面に対向する第２面と、を有する直方体あるいは立方体であり、絶縁材料を含む立体物と、第１面に設けられた第１コイルと、第２面に設けられた第２コイルであって、第１コイル及び第２コイルを通電する電流により第１コイルと第２コイルに生じる磁界の向きが同じになるように、第１コイルに電気的に接続された第２コイルと、立体物内に設けられた磁気測定素子と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態のセンサチップの模式図である。
【図２】第１の実施形態の磁気測定素子の模式図である。
【図３】第１の実施形態の他の態様におけるコイルの模式図である。
【図４】第１の実施形態の比較形態となるセンサチップの模式図である。
【図５】第２の実施形態のセンサチップの模式図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を用いて実施形態を説明する。なお、図面中、同一又は類似の箇所には、同一又は類似の符号を付している。
【０００９】
本明細書中、同一又は類似する部材については、同一の符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。
【００１０】
本明細書中、部品等の位置関係を示すために、図面の上方向を「上」、図面の下方向を「下」と記述する。本明細書中、「上」、「下」の概念は、必ずしも重力の向きとの関係を示す用語ではない。
【００１１】
（第１の実施形態）
【００１２】
本実施形態のセンサチップは、基板と、基板上に設けられ、第１面と、第１面に対向する第２面と、を有する直方体あるいは立方体であり、絶縁材料を含む立体物と、第１面に設けられた第１コイルと、第２面に設けられた第２コイルであって、第１コイル及び第２コイルを通電する電流により第１コイルと第２コイルに生じる磁界の向きが同じになるように、第１コイルに電気的に接続された第２コイルと、立体物内に設けられた磁気測定素子と、を備える。
【００１３】
図１は、本実施形態のセンサチップ１００の模式図である。ここで、構造の理解のために、絶縁材料１０は透明なものとして図示をしている。
【００１４】
図１（ａ）は、本実施形態のセンサチップ１００の模式図である。ここで、構造の理解のために、後述する第１コイル４２、第２コイル４４、第３コイル４６、第４コイル４８、第５コイル５０の図示を省略している。
【００１５】
基板２は、例えば、エポキシ樹脂、メラミン誘導体、液晶ポリマー、ＰＰＥ（Ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅｅｔｈｅｒ：ポリフェニレンエーテル）樹脂、フッ素樹脂、フェノール樹脂、ＰＡＢＭ（Ｐｏｌｙａｍｉｎｏｂｉｓｍａｌｅｉｍｉｄｅ：ポリアミノビスマレイミド）樹脂等を用いて形成された、板状の部材である。なお、基板２の材料は、上述のものに限定されるものではない。また、例えば基板２は多層の基板であるが、これに限定されるものではなく、単層の基板であってもかまわない。
【００１６】
ここで、ｘ軸と、ｘ軸に垂直に交差するｙ軸と、ｘ軸及びｙ軸に垂直に交差するｚ軸を定義する。基板２の表面は、ｘｙ面に平行に配置されているものとする。また、ｘ軸に平行なｘ方向は第１方向の一例であり、ｙ軸に平行なｙ方向は第２方向の一例であり、ｚ軸に平行なｚ方向は第３方向の一例である。
【００１７】
配線１４及び１８は、基板２の表面に設けられた配線である。
【００１８】
接続部１２及び接続部１６は、基板２の配線１４及び配線１８とセンサチップを電気的に接続するものである。接続部１２及び１６は、例えばはんだボールであるが、これに限定されるものではない。
【００１９】
立体物２０は、基板２上に設けられている。立体物２０は、直方体状の形状を有する。なお、立体物２０は、立方体状の形状であればさらに好ましい。立体物２０は、第１面２２と、第１面に対向する第２面２４と、第３面２６と、第３面２６に対向する第４面２８と、第５面３０と、第５面３０に対向する第６面３２と、を有する。例えば、第１面２２及び第２面２４は、ｘｚ面に平行（ｙ方向に垂直）に配置されている。第３面２６及び第４面２８は、ｙｚ面に平行（ｘ方向に垂直）に配置されている。第５面３０及び第６面３２は、ｘｙ面に平行（ｚ方向に垂直）に配置されている。例えば、第１面２２は正面に位置する面であり、第２面２４は背面に位置する面であり、第３面２６は右側面であり、第４面２８は左側面であり、第５面３０は上面であり、第６面３２は底面である。また、立体物２０の頂点として、図１に頂点２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ及び２０ｈを示す。
【００２０】
立体物２０は、絶縁材料１０を含む。ここで絶縁材料１０は、例えば、熱硬化性のエポキシ樹脂、セラミック材料、酸化シリコンや酸化アルミニウム等で形成されたフィラーを含むエポキシ樹脂等の、公知のセンサチップを構成可能な材料である。
【００２１】
図１（ｂ）乃至（ｆ）は、それぞれ第１面２２、第３面２６、第５面３０、第２面２４及び第４面２８における、第１コイル４２、第３コイル４６、第５コイル５０、第２コイル４４、第４コイル４８の模式図である。
【００２２】
第１コイル４２、第２コイル４４、第３コイル４６、第４コイル４８及び第５コイル５０は、Ｕ字状の形状を有する、例えばＣｕ（銅）等の導電材料を含む配線で形成されたコイルである。なお、第１コイル４２、第２コイル４４、第３コイル４６、第４コイル４８及び第５コイル５０は、Ｃｕ製のパッチ等を立体物２０の表面に貼り付けて形成しても良い。
【００２３】
第１コイル４２は、第１面２２上に設けられている。第１コイル４２の一端４２ａは接続部１２と接続されている。第１コイル４２の他端４２ｂは、第３面２６に設けられた第３コイル４６に電気的に接続されている。
【００２４】
第３コイル４６の一端４６ａは、第１コイル４２の他端４２ｂに接続されている。第３コイル４６の他端４６ｂは、第５面３０に設けられた第５コイル５０に電気的に接続されている。
【００２５】
第５コイル５０の一端５０ａは、第３コイル４６の他端４６ｂに接続されている。第５コイル５０の他端５０ｂは、第２面２４に設けられた第２コイル４４に電気的に接続されている。
【００２６】
第２コイル４４の一端４４ａは、第５コイル５０の他端５０ｂに接続されている。第２コイル４４の他端４４ｂは、第４面２８に設けられた第４コイル４８に電気的に接続されている。
【００２７】
第４コイル４８の一端４８ａは、第２コイル４４の他端４４ｂに電気的に接続されている。第４コイル４８の他端４８ｂは接続部１６に電気的に接続されている。
【００２８】
図示しない電流源が配線１４及び配線１８に接続され、電流源から測定対象となる電流が、配線１４から第１コイル４２、第３コイル４６、第５コイル５０、第２コイル４４及び第４コイル４８を通して配線１８へと流されるものとする。この場合、図１（ｂ）に示した第１面２２においては、紙面奥側に向かう磁界Ｂ１（図１（ａ）に示した立体物２０において、紙面の奥側に向かう磁界Ｂ１）が発生する。図１（ｃ）に示した第３面２６においては、紙面手前側に向かう磁界Ｂ２（図１（ａ）に示した立体物２０において、紙面の左から右に向かう磁界Ｂ２）が発生する。図１（ｄ）に示した第５面３０においては、紙面奥側に向かう磁界Ｂ３（図１（ａ）に示した立体物２０において、紙面の上から下に向かう磁界Ｂ３）が発生する。図１（ｅ）に示した第２面２４においては、紙面手前側に向かう磁界Ｂ４（図１（ａ）に示した立体物２０において、紙面奥側に向かう磁界）が発生する。図１（ｆ）に示した第４面２８においては、紙面奥側に向かう磁界Ｂ５（図１（ａ）に示した立体物２０において、紙面の左から右に向かう磁界）が発生する。
【００２９】
磁界Ｂ１と磁界Ｂ４はそれぞれ同じ向きであるため、互いに強め合う。また、磁界Ｂ２と磁界Ｂ５はそれぞれ同じ向きであるため、互いに強め合う。
【００３０】
磁気測定素子７０は、立体物２０の内部に設けられている。磁気測定素子７０は、例えばホール素子である。ホール素子としては、温度特性の良いＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）材料を用いたホール素子が好ましい。なお、例えばＩｎＳｂ（アンチモン化インジウム）やＩｎＡｓ（ヒ化インジウム）を用いたホール素子であっても良い。また、磁気測定素子７０はホール素子に限定されず、例えば巨大磁気抵抗効果素子、異方性磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果素子等の磁気抵抗効果素子等であっても良い。
【００３１】
センサチップ１００の内部にＳｉＯｘ（酸化シリコン）、ＳｉＮｘ（窒化シリコン）等の無機絶縁材料を用いた絶縁層や、ポリイミド等の有機薄膜材料を用いた保護層を設けても良い。
【００３２】
センサチップ１００は、端子部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄを用いて、はんだ接続や銅めっき等により基板２に接続される。端子部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、Ｃｕ（銅）等の公知の導電材料を含む。なお端子部１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄは、複数の導電材料を含んでいても良い。
【００３３】
図２は、本実施形態の磁気測定素子７０の模式図である。磁気測定素子７０は、ｘ方向の磁束を検出する第１感磁部７２と、ｙ方向の磁束を検出する第２感磁部７４と、ｚ方向の磁束を検出する第３感磁部７６と、を有する。
【００３４】
第１感磁部７２、第２感磁部７４及び第３感磁部７６は、例えばホール素子である。第１感磁部７２、第２感磁部７４及び第３感磁部７６は、図示しない立体物２０内の配線により、図示しない基板２上の配線に接続されている。そして、ホール素子に発生した電圧を測定し、測定した電圧から磁界強度を測定する。なお、第１感磁部７２、第２感磁部７４及び第３感磁部７６は、ホール素子に限定されるものではなく、例えば巨大磁気抵抗効果素子、異方性磁気抵抗効果素子、トンネル磁気抵抗効果素子等の磁気抵抗効果素子等であっても良い。
【００３５】
第１感磁部７２により、磁界Ｂ２と磁界Ｂ５を測定する。第２感磁部７４により、磁界Ｂ１と磁界Ｂ４を測定する。第３感磁部７６により、磁界Ｂ３を測定する。
【００３６】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、本実施形態の他の態様におけるコイルの模式図である。第１コイル４２を形成する配線には角がないほうが好ましい（図３（ａ））。これは、特に電流の周波数が高くなった場合に、角が反射や損失の原因となるためである。また、出来るだけ小さい面積部分を囲むように第１コイル４２を形成する配線を形成することが好ましい（図３（ｂ））。これは、第１コイル４２により生じる磁界強度（磁束密度）を大きくするためである。なお、第２コイル４４、第３コイル４６、第４コイル４８及び第５コイル５０についても同様である。
【００３７】
次に、本実施形態のセンサチップ１００の用途を記載する。本実施形態のセンサチップ１００は、電流検出に用いられる。センサチップ１００の周辺には、例えば、図示しない磁気測定素子７０の駆動回路や、図示しない増幅アンプが設けられている。駆動回路は、例えば磁気測定素子７０の動作電圧を供給して磁気測定素子７０を動作させる。また、駆動回路は、例えば増幅アンプの動作電圧を供給して増幅アンプを動作させる。例えば磁気測定素子７０がホール素子である場合には、ホール素子が測定した磁界によって発生された電圧は、増幅アンプによって増幅された後測定され、電流に換算される。このようにして、センサチップ１００によって電流測定が可能となる。本実施形態のセンサチップ１００は、ＡＣ／ＤＣアダプタ、汎用インバータやモーター可変速機器での制御装置、パワーモジュールの過電流保護などに用いられる。
【００３８】
本実施形態のセンサチップは、ＭＩＤ（Ｍｏｌｄｅｄ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ  Ｄｅｖｉｃｅ）法により好ましく形成される。ただし、製造方法はこれに限定されるものではない。
【００３９】
次に、本実施形態の作用効果を記載する。
【００４０】
電流が小さい場合には、ホール素子等で検出する磁界について、所望の電圧値がホール素子で得られないことがある。この場合の対策としては、多くの電流をセンサチップに入力する、電圧を増幅させるアンプを用いること、又はアンプの増幅率を上げる、等が考えられる。しかし、多くの電流をセンサチップに入力する場合には、センサチップ自体が発熱してしまうという問題があった。また、発熱が特に大きくなると、コイルを形成する配線が切れてしまうという問題があった。アンプを用いる場合には、アンプ自身から発生したノイズが、増幅された電圧に混入してしまうという問題があった。また、アンプの増幅率を上げる場合には他の回路からのノイズが増幅された電圧にも混入してしまうという問題もあった。
【００４１】
図４は、本実施形態の比較形態となるセンサチップの模式図である。図４（ａ）は、比較形態で用いられるコイル８２０の上面図を示している。コイル８２０は、平面状の形状を有する、一巻きのコイルである。図４（ｂ）は、図３（ａ）に示したコイル８２０を用いた、比較形態となるセンサチップ８００ａの模式側面図である。なお、構造の理解のために、層間絶縁膜６０は透明なものとして図示をしている。コイル８２０としてのコイル８２０ａが第１基板８０２の表面に設けられている。また、コイル８２０としてのコイル８２０ｂが第４基板８０８の表面に設けられている。磁気測定素子８１２は第２基板８０４の上に設けられている。第１基板８０２、第２基板８０４、第３基板８０６、第４基板８０８が順に積層され、各基板間の電気的接続は接続導体８１０によってなされている。コイル８０２ａ及びコイル８０２ｂに、測定される電流が流されると、紙面の上下方向に磁界が発生する。この磁界を磁気測定素子８１２で測定することによって、電流の測定を行う。
【００４２】
しかし、磁界が紙面の上下方向に発生する。そのため、磁気測定素子８１２に接続された配線を有する第２基板８０４を準備し、磁気測定素子８１２を第２基板８０４の上に搭載した上で、コイル８２０ａとコイル８２０ｂの間に設ける。これは、高磁束を得て、磁気測定素子８１２でより大きな磁束を検出するためである。すると、基板の層数が増えてしまい、小型化が困難になり、高コストのセンサチップとなってしまうという問題があった。
【００４３】
本実施形態のセンサチップによれば、立体物２０のそれぞれの面にコイルを形成して磁界を発生させて、発生させた磁界を磁気測定素子７０で検出する。これにより、例えばセンサチップ１００の場合には、いわば、第１乃至第５コイルにより５倍の磁界強度を得ることができるため、高感度なセンサチップを得ることが可能となる。
【００４４】
また、図４に示したような比較形態のセンサチップとは異なり、立体物２０の内部には基板が設けられていない。そのため、小型化が容易である。さらに、本実施形態のセンサチップ１００は、図１に示したように、基板２の上に表面実装することができる。そのため、構成が簡易である。
【００４５】
立体物２０の形状が立方体状である場合には、それぞれの面で発生される磁界の対称性が向上するため、磁界の打ち消しあいが起こりづらくなり、さらに高感度なセンサチップを得ることが可能となる。
【００４６】
ここで、磁気測定素子７０により測定される磁束密度Ｂは、Ｂ＝Φ／Ｓにより計算される。Φはコイルにより発生される全磁束であり、Ｓは磁気測定素子７０の感磁部の面積である。また、Φ＝ＬＩ×Ｉという関係がある。ここで、ＬＩはコイルの自己インダクタンスであり、Ｉはコイルに流される電流である。また、一般に、２個のコイルの総合インダクタンスＬについては、Ｌ＝ＬＡ＋ＬＢ＋２Ｍという関係がある。ここでＬＡは一方のコイルの自己インダクタンスであり、ＬＢは他方のコイルの自己インダクタンスであり、２Ｍは２個のコイルの間の相互インダクタンスである。そのため、立体物２０が小さくなれば、それぞれのコイルの間の距離が小さくなり相互インダクタンスが増加するため、結果として測定される磁束密度が増加することとなる。
【００４７】
なお、本実施形態のセンサチップ１００のように、直方体状の立体物２０の周囲にコイルを形成すると、Ｌが大きくなるため、コイルのＲが全体として大きくなると考えられる。しかし、磁気測定素子７０で観測される磁界強度は、上述の通り５倍になると考えられる。そのため、コイルに流す電流Ｉを１／５にしても、同等の強度の磁界強度が得られると考えられる。すると、電流を流すことによる１秒間当たりの発熱量は、ＲＩ２で計算されるため、発熱は５×（１／５）２＝１／５になると見積もられる。そのため、本実施形態のセンサチップは、発熱抑制という観点においても有利である。
【００４８】
本実施形態のセンサチップによれば、高感度のセンサチップの提供が可能となる。
【００４９】
（第２の実施形態）
本実施形態のセンサチップにおいては、第６面３２に第６コイル５２が設けられている点で、第１の実施形態のセンサチップと異なっている。ここで、第１の実施形態と重複する点については、記載を省略する。
【００５０】
図５は、本実施形態のセンサチップ１１０の模式図である。
【００５１】
第６コイル５２は、第６面３２に設けられている。第４コイル４８の他端４８ｂは第６コイル５２の一端５２ａに電気的に接続されている。第６コイル５２の他端５２ｂは、接続部１６を介して配線１８に電気的に接続されている。第６コイル５２に電流が流されると、紙面手前側に向かう磁界Ｂ６（図５（ａ）に示した立体物２０において、紙面の上から下に向かう磁界Ｂ６）が発生する。磁界Ｂ６は磁界Ｂ３と強め合うため、第３感磁部７６によりさらに強い磁界が検出される。いわば、第１乃至第６コイルにより６倍の磁界強度を得ることができるため、高感度のセンサチップの提供が可能となる。
【００５２】
本実施形態のセンサチップによれば、高感度のセンサチップの提供が可能となる。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態及び実施例を説明したが、これらの実施形態及び実施例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
２          基板
１０        絶縁材料
１１        端子部
１２        接続部
１４        配線
１６        接続部
１８        配線
２０        立体物
２２        第１面
２４        第２面
２６        第３面
２８        第４面
３０        第５面
３２        第６面
４２        第１コイル
４２ａ      第１コイル一端
４２ｂ      第１コイル他端
４４        第２コイル
４４ａ      第２コイル一端
４４ｂ      第２コイル他端
４６        第３コイル
４６ａ      第３コイル一端
４６ｂ      第３コイル他端
４８        第４コイル
４８ａ      第４コイル一端
４８ｂ      第４コイル他端
５０        第５コイル
５０ａ      第５コイル一端
５０ｂ      第５コイル他端
５２        第６コイル
５２ａ      第６コイル一端
５２ｂ      第６コイル他端
７０        磁気測定素子
７２        第１感磁部
７４        第２感磁部
７６        第３感磁部
１００      センサチップ
１１０      センサチップ
【図１】
2020148629.tif 000003
【図２】
2020148629.tif 000004
【図３】
2020148629.tif 000005
【図４】
2020148629.tif 000006
【図５】
2020148629.tif 000007