(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁性基板上に形成された第１絶縁層と、
前記第１絶縁層の同一平面上に形成されたホール膜及び前記ホール膜に並列して近接配置された電流路と、
前記ホール膜及び前記電流路を覆うようにして形成された第２絶縁層と、
前記第２絶縁層から露出した前記磁性基板から前記第２絶縁層上の前記ホール膜の中央部に対応する部分に至るまで形成されたヨーク磁性膜と、
前記第２絶縁層と前記ヨーク磁性膜との間に挟まれ、かつ平面的に見て、前記ホール膜の中央部と前記電流路との間に形成されて、前記ホール膜の中央部以外での磁気的作用を断つための磁気ギャップ膜と、からなり、
前記電流路に流れる被測定電流によって生じる磁界を、前記磁性基板と前記ヨーク磁性膜との閉ループで構成される磁気回路を介して前記ホール膜で感知することを特徴とする薄膜電流センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インバータその他の電流を検出するための高感度で、且つ小型な薄膜電流センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、ホール素子を応用した電流センサは、被測定電流を流す電流路と、その電流路を巻き回して磁路を形成し、ホール素子を挟み込むためのギャップを有する磁気コアと、ギャップに挟み込まれて被測定電流による磁束を検出するホール素子から主になっている。
従来の製法においては、ホール素子は、ＩｎＳｂ、ＧａＡｓなどのホール特性を持つ膜を磁性フェライト上に形成し、これにエッチングなどを施すことにより素子形状とし、更に感度向上のためのポールピースを素子の上に載せて一体化するようになっている。更に、このチップを適当にパッケージすることにより、ホール素子が作られている。また、電流センサの場合は、更にこのホール素子を適当な磁気コアに挟み込むことによって使用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記電流センサの感度は、ホール素子の感度に依存することはもちろんであるが、磁気コアのギャップ長さにも大きく依存しており、既に、特開昭６１−２２５６６１号公報等に、磁気コアとホール素子を一体化してなる電流センサが提案されている。しかしながら、この特許発明に係る電流センサでは、その具体的な製造方法、或いは内容については何ら提案しておらず、具体的な構造を十分に明らかにするものではない。
【０００４】
一方、小型の携帯機器の普及に伴い、戸外での使用時に電源の有効な使用時間を延ばすため、様々な電源管理システムが提案されている。それらのシステムには電源の使用状況を監視するため、小型の電流センサが求められる。しかしながら、現在の電流センサは、ホール素子自体のパッケージ、ポールピースなどの体積が大きいため、形状の小型化は困難である。
本発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたものであり、その目的は、高感度で且つ小型軽量な薄膜電流センサを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に規定する発明は、磁性基板上に形成された第１絶縁層と、前記第１絶縁層の同一平面上に形成されたホール膜及び前記ホール膜に並列して近接配置された電流路と、前記ホール膜及び前記電流路を覆うようにして形成された第２絶縁層と、前記第２絶縁層から露出した前記磁性基板から前記第２絶縁層上の前記ホール膜の中央部に対応する部分に至るまで形成されたヨーク磁性膜と、前記第２絶縁層と前記ヨーク磁性膜との間に挟まれ、かつ平面的に見て、前記ホール膜の中央部と前記電流路との間に形成されて、前記ホール膜の中央部以外での磁気的作用を断つための磁気ギャップ膜と、からなり、前記電流路に流れる被測定電流によって生じる磁界を、前記磁性基板と前記ヨーク磁性膜との閉ループで構成される磁気回路を介して前記ホール膜で感知するように形成したものである。これにより、電流センサ自体を、高感度で且つ小型軽量化することが可能となる。
【０００６】
また前記ヨーク磁性膜の下層には、前記ホール素子もしくはＭＲ素子等の感磁素子の中心部以外との間における磁気的相互作用を断つための磁気ギャップ膜が部分的に形成されているので、これにより、不要な部分に磁気回路を形成しないようにして更に感度向上を図ることができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る薄膜電流センサの一実施例を添付図面に基づいて詳述する。
図１乃至図６は本発明の薄膜電流センサの製造工程を示す図である。尚、各図中において、（Ａ）は平面図を示し、（Ｂ）はその平面図中心部における断面図を示している。尚、ここで磁界に反応する素子である感磁素子としてホール素子を用いる場合を例にとって説明する。
まず、始めに適当な材料よりなる磁性基板、好ましくはＮｉフェライト板等のような電気抵抗の大きな磁性基板２を準備し（図１参照）、この上に、例えばＣＶＤ法の手段により予め絶縁層３として、例えばＳｉＯ２  を形成し、その上にＩｎＳｂよりなるホール膜４を例えば十字状に例えば蒸着法及びフォトリソグラフィーを用いて薄膜状に形成する（図２参照）。次に、図３に示すように、上記十字状のホール膜４の各端部に接続された状態で例えばＣｒ／Ａｕよりなる４つのホール電極６を、例えば蒸着及びリフトオフ方法を用いて薄膜状に形成する。
【０００８】
これにより、感磁素子として薄膜状のホール素子８が形成されることになる。通常のホール素子の形成方法では、磁性基板ウエハに多数の上述したようなホール素子を形成し、そして電極形成後に各チップに切断し、電極付けパッケージがなされる。
本発明では、電流センサとして機能させるために、上記ホール素子８に加えて測定対象となる被測定電流を流す電流路１０と、磁気回路を形成する必要がある。そのため、次に図４に示すように、上記ホール素子８に近接させて被測定電流を流す電流路１０を例えばスパッタ、蒸着などの方法を用いて形成する。この電流路１０は、例えばＡｌ、Ｃｕ等の良導体よりなる。図示例では一本の電流路１０による構成を示しているが、測定される電流の大きさによっては、電流路１０は、例えば薄膜ヘッドの巻線構造のように、渦巻き状に複数回巻回してもよい。
【０００９】
上述のように、電流路１０を形成したならば、次に、図５に示すように上記ホール電極６上と上記電流路１０上を跨ぐようにして薄い絶縁膜１２を形成する。この時、上記十字状のホール素子８の中心部全体は、上記絶縁膜１２により確実に覆われている。この絶縁膜１２は、後述するヨーク磁性膜と上記ホール素子８との間を絶縁する目的で設けられるものであり、例えばＳｉＯ２  、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＴｉＯ２  等の材料を用い、例えばスパッタ、蒸着などの成膜手段により形成されるが、これ以外の適当な材料及び成膜手段によって形成してもよいことは言うまでもない。
【００１０】
そして、上述のように絶縁膜１２を形成したならば、上記絶縁膜１２上であって、上記ホール素子８の中心部Ｃに対応する部分と上記電流路１０に対応する部分を除いて、例えばスパッタ法、或いは蒸着などの方法によりＳｉＯ２  、ＴｉＯ２  、ＺｒＯ２  などよりなる磁気ギャップ膜１４を形成する（図５参照）。これは、磁気回路が、ホール膜４とその中心以外には実質的な磁気回路を形成しないように、適当な磁気的絶縁物により磁気回路内に空間を設けるものである。これにより、次に述べるヨーク磁性膜は、上記ホール素子８の中心部以外との間における磁気的相互作用が断たれることになる。この磁気ギャップ膜１４も上記絶縁膜１２と同様の材質、成膜方法により形成される。
【００１１】
そして、図６に示すように、最後に、上記ホール素子８の十字の中心部Ｃに一端を位置させて他端を上記磁性基板２に接続するように、上記絶縁膜１２上及び上記磁気ギャップ膜１４上に亘ってヨーク磁性膜１６を形成する。このヨーク磁性膜１６は、例えばパーマロイ、アモルファス、センダストなどの軟磁性材料を用い、スパッタ、蒸着、メッキなどの成膜方法により形成される。この膜１６に関しても、他の材料、成膜方法により形成しても、同様の効果が達成できることは言うまでもない。
【００１２】
上述のように構成された素子は、図７に示すようにパッケージされる。図７はパッケージの概念を示す図である。図７（Ａ）に示すように、この素子は所定のパターンの電極フレーム２０（図示例では説明の都合上、一体物として示している）に貼り付け、そして、この電極フレーム２０と上記各ホール電極６及び電流路１０との間を、金線、或いはアルミニウム線などのワイヤ２２によりボンディングし、更に、樹脂等よりなる適当なパッケージ２４に封入することにより、薄膜電流センサ２６が完成する。図示例では、▲１▼〜▲６▼で示される６個の端子が示されており、▲１▼、▲５▼は測定電圧端子、▲２▼、▲４▼はホール電流端子及び▲３▼、▲６▼は被測定電流端子をそれぞれ示す。尚、電流センサではなく、ホール素子として用いる場合には、先に説明した図３に示した工程を終えたならば、この素子を図７（Ｂ）に示すようにパッケージ２４により封入すれば、ホール素子２８が完成する。図７（Ｂ）に示すようなホール素子での磁界の測定には、ホール電流端子▲２▼−▲４▼間に数ミリアンペア程度の適当な電流を流すと、ホール素子に磁界が印加されたときにホール効果によって測定電圧端子▲１▼−▲５▼間に電圧が発生し、その電圧から磁界の強度を知ることができる。
【００１３】
次に、上述のように構成された電流センサ２６を用いて電流を測定する時の回路接続と動作を、図８に示す電流センサの回路接続概念図により説明する。電流センサも原理的には回路を流れる電流により励起される磁界をホール素子により検出することにより動作する。
電流センサ２６のホール電流端子▲２▼−▲４▼間には矢印記号で表す適当な電流源３０が接続される。この電流源３０は、素子にもよるが通常数ミリアンペア程度で十分である。測定する電流は図示のように被測定電流端子▲３▼−▲６▼間に接続される。図の波線は交流電源３２を示し、ＬＯＡＤは負荷３４を表し、端子▲３▼−▲６▼を含めて閉回路を形成するように接続する。この時、電流の測定は、測定電圧端子▲１▼−▲５▼間の電圧Ｖにより得られることになる。
尚、上記実施例におけるホール素子８と電流路１０の配置関係は、単に一例を示したに過ぎず、これに限定されないのは勿論である。
また、上記実施例では感磁素子としてホール素子を用いた場合を例にとって説明したが、これに限定されず、例えばＭＲ素子（磁気抵抗素子）を用いることができ、この場合にも上記ホール素子と全く同様にして製造することができる。
【００１４】
【発明の効果】
以上要するに、本発明によれば、一つの磁性基板上に、ホール素子もしくはＭＲ素子等の感磁素子、電流路を形成し、更にヨーク磁性膜により磁気回路を形成することにより、電流検出用磁気回路の磁気ギャップを最小とすることによる高感度化、及び薄膜コアによる小型、薄型化を実現することができる。
また基板が磁性体であるので、集磁効果が得られるため、微小磁界に対しても高感度で検出できる。さらに第１絶縁層の同一平面上にホール膜と電流路が形成されているので、薄型化が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の薄膜電流センサの製造工程を示す図である。
【図２】本発明の薄膜電流センサの製造工程を示す図である。
【図３】本発明の薄膜電流センサの製造工程を示す図である。
【図４】本発明の薄膜電流センサの製造工程を示す図である。
【図５】本発明の薄膜電流センサの製造工程を示す図である。
【図６】本発明の薄膜電流センサの製造工程を示す図である。
【図７】パッケージの概念を示す図である。
【図８】電流センサの回路接続の概念図である。
【符号の説明】
２…磁性基板、４…ホール膜、６…ホール電極、８…ホール素子（感磁素子）、１０…電流路、１２…絶縁膜、１４…磁気ギャップ膜、１６…ヨーク磁性膜、２６…薄膜電流センサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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