JP2007003237A - 電流センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 体格を小型化でき、且つ、検出精度のばらつきを低減することができるホール素子を備えた電流センサを提供すること。
【解決手段】 電流経路に被検出電流Ｉが導通したときに生じる被検出磁界による磁束Ｂを、半導体基板１０に設けたホール素子２０により検出する構成の電流センサ１００であって、半導体基板１０の表面に対して垂直方向に流れる駆動電流がホールプレートＨＰに供給された状態で、被検出電流Ｉによって半導体基板１０の表面に平行な成分を有する磁束ＢがホールプレートＨＰに作用すると、作用磁束Ｂの大きさに応じたホール電圧を発生するように縦型のホール素子２０を構成し、ホール素子２０の形成された半導体基板１０の一面上に、絶縁膜３０を介して電流経路としての配線部４０を一体的に設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電流経路に被検出電流が導通したときに生じる被検出磁界による磁束を、半導体基板に設けたホール素子により検出する構成の電流センサに関するものである。

従来、ホール素子の形成された半導体基板表面に対して垂直方向の磁束を検出する所謂横型のホール素子を用いて、電流経路に被検出電流が導通したときに生じる被検出磁界による磁束を検出する電流センサが知られている。この電流センサとしては、略Ｃ字状の集磁コアに対して電流経路を貫通配置するとともに、集磁コアの端面間にホール素子を有するセンサチップを配置して、端面間に生じる垂直方向の磁束をホール素子にて検出する構成が一般的である。しかしながら、この構成の場合、集磁コアを必要とするため、センサ体格を小さくしがたい。

これに対し、例えば特許文献１には、横型ホール素子が形成された磁気センサの上面に、磁束を収束する軟磁性材料の磁気収束板を載置し、磁気収束板の両端部に対応する位置にホール素子を配置する構成とすることで、基板表面に対して垂直方向の磁束をホール素子に与える構成の電流センサが開示されている。この構成によれば、集磁コアを不要とできるので、上記構成の電流センサよりも体格を小型化することも可能である。
特開２００３−２６２６５０号公報

しかしながら、特許文献１に示す構成も、集磁コアよりは小型化が可能ではあるものの、基板表面に対して垂直方向の磁束をホール素子に与えるために磁気収束板を必要とする。このように、集磁コアや磁気収束板といった磁気収束部材を必要とする構成においては、磁気収束部材自体の大きさの分、電流センサの体格小型化には限界がある。

また、被測定電流による磁束をホール素子によって精度良く検出するためには、電流経路、ホール素子、及び磁気収束部材を位置決めする必要がある。このように、３つの要素を位置決めする構成においては、位置のばらつき（すなわち、検出精度のばらつき）が生じやすい。

本発明は上記問題点に鑑み、体格を小型化でき、且つ、検出精度のばらつきを低減することができるホール素子を備えた電流センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成する為に、請求項１〜６に記載の発明は、電流経路に被検出電流が導通したときに生じる被検出磁界による磁束を、半導体基板に設けたホール素子により検出する構成の電流センサに関するものである。

先ず、請求項１に記載の発明は、ホール素子が、半導体基板の表面に対して垂直方向に流れる駆動電流が供給された状態で、被検出電流によって半導体基板の表面に水平な成分を有する磁束が作用すると、作用磁束の大きさに応じたホール電圧を発生するように構成され、電流経路が、ホール素子と電気的に絶縁された状態で、半導体基板の表面上に配置されていることを特徴とする。

このように本発明によると、ホール素子が所謂縦型ホール素子として構成されており、電流経路が被検出電流の導通に伴って半導体基板の表面に水平な成分を有する磁束を生じるように半導体基板の表面上に配置されている。従って、従来のように磁気収束部材を必要としないので、従来よりもセンサの体格を小型化することができる。

また、本発明の構成によると、被測定電流による磁束をホール素子によって精度良く検出するために、電流経路とホール素子の２つの要素を位置決めすれば良いので、従来よりも位置のばらつきが生じにくい。すなわち、高精度に位置決めしやすく、検出精度のばらつきを低減することができる。

請求項２に記載のように、電流経路が、半導体基板の表面に固定された絶縁部材を介して、半導体基板上に一体的に配置された構成とすることが好ましい。この場合、電流経路とホール素子とを、所定の位置関係に保持することができる。また、絶縁部材の厚さによって、被測定電流による磁束をホール素子が精度良く検出するように、電流経路とホール素子との間の距離を調整することができる。

請求項３に記載のように、絶縁部材としての絶縁膜を介して半導体基板上に形成された配線部を電流経路とすると尚良い。この場合、半導体プロセスによって、ホール素子及び電流経路としての配線部を、同一の半導体基板に作り込むことができるので、両者をより高精度に位置決めすることができる。すなわち、検出精度が向上する。また、製造工程を簡素化することができる。

尚、電流経路は、半導体基板の表面上に配置されていれば良い。例えば、両表面にそれぞれ配置された構成としても良いし、ホール素子が設けられた半導体基板表面の裏面に配置された構成としても良い。なかでも請求項４に記載のように、ホール素子が設けられた半導体基板の一面上に電流経路としての配線部を形成する構成とすると、製造プロセスを簡素化することができる。

請求項５に記載のように、電流経路を、半導体基板の平面方向において、駆動電流が供給されるホール素子のホールプレートを少なくとも覆うように配置された構成とすれば良い。この場合、ホール素子は半導体基板の表面に水平な成分を有する磁束を安定して検出することができる。尚、ホール素子全体を覆うように配置しても良い。

尚、請求項６に記載のように、同一の半導体基板に、ホール素子とももにその処理回路部（例えば、ホール素子の駆動回路や電源回路等）を形成した構成としても良い。集積化することで、センサ体格をより小型化することができる。

以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施形態における電流センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＬ１−Ｌ１断面図、（ｃ）は（ａ）のＬ２−Ｌ２断面図である。尚、図１（ａ）においては、ホール素子の構成を説明する都合上、半導体基板表面に形成された絶縁膜を省略し、絶縁膜上に形成された配線部（２本の一点鎖線間の領域）を透過させて図示している。

図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、電流センサ１００は、半導体基板１０に形成されたホール素子２０と、ホール素子２０の形成された半導体基板１０の一面側に絶縁層３０を介して形成された配線部４０とにより構成される。尚、ホール素子２０の構成及び製造方法については、本出願人が先に出願した特願２００５−５６５３号に詳細に記載されているので、本実施形態においては、その概略を説明する。

半導体基板１０は、特に限定されるものではない。本実施形態においては、面方位（１００）面をカット面とするＰ型のシリコン基板（Ｐ−ｓｕｂ）を採用しており、これにより、応力の印加に起因して生じるオフセット電圧を低減する構成としている。

ホール素子２０は、半導体基板１０に所謂縦型のホール素子として構成されている。本実施形態においては、半導体基板１０の基板表面に例えばＮ型不純物が導入されて拡散層として形成されたＮ型の半導体領域（Ｎｗｅｌｌ）２１を有しており、この半導体領域２１は半導体基板１０に囲繞される形で形成されている。また、半導体基板１０には、当該ホール素子２０を他の素子と素子分離すべく例えばＰ型不純物が導入されて拡散層として形成されたＰ型の拡散分離壁（Ｐｗｅｌｌ）２２が形成されている。そして、半導体領域２１の表面にあって、拡散分離壁２２にて囲まれる領域（活性領域）には、同表面の不純物濃度が選択的に高められる形でコンタクト領域（Ｎ^＋拡散層）２３ａ〜２３ｅが形成されている。

これにより、これら各コンタクト領域２３ａ〜２３ｅとそこに配設される配線との間に良好なオーミックコンタクトが形成されることとなる。そして、コンタクト領域２３ａ〜２３ｅは、そこに配設される配線を介して、それぞれの接続端子Ｓ，Ｇ１，Ｇ２，Ｖ１，及びＶ２と電気的に接続されている。コンタクト領域２３ｂ，２３ｃは、それぞれコンタクト領域２３ａと対をなしてホール素子２０に駆動電流を供給する電流供給対を形成しており、コンタクト領域２３ｄ，２３ｅは、ホール電圧出力対の各端部に相当している。尚、図１（ａ）において、各コンタクト領域２３ａ〜２３ｅは、便宜上配線部４０形成領域においてそれぞれの接続端子Ｓ，Ｇ１，Ｇ２，Ｖ１，及びＶ２と接続するように図示しているが、実際は配線部４０を介して、配線部４０の形成領域外にて、それぞれの接続端子Ｓ，Ｇ１，Ｇ２，Ｖ１，及びＶ２と接続する構成となっている。

また、拡散分離壁２２にて囲まれる活性領域は、図１（ａ）に示すように、各拡散層によるｐｎ接合分離を通じて、Ｐ型の拡散分離壁２２ａ，２２ｂを互いに隔てた素子領域２１ａ〜２１ｃに分割されている。ここで、拡散分離壁２２ａ，２２ｂは、図１（ｃ）に示すように半導体領域２１よりも浅い拡散深さをもち、半導体領域２１の底面近傍を選択的に狭めて電流通路を形成している。そして、図１（ｃ）に示されるように、上記素子領域２１ａ〜２１ｃにおいては、基板内部においても電気的に区画された領域が形成されている。

さらに詳しくは、素子領域２１ａにコンタクト領域２３ａ，２３ｄ，及び２３ｅが、素子領域２１ｂにコンタクト領域２３ｂが、素子領域２１ｃにコンタクト領域２３ｃがそれぞれ形成されている。そして、コンタクト領域２３ａは、コンタクト領域２３ｂ，２３ｃと、これらコンタクト領域に直交するコンタクト領域２３ｄ，２３ｅの双方に挟まれる形で配置されている。すなわち、コンタクト領域２３ａは、拡散分離壁２２ａ，２２ｂを隔ててコンタクト領域２３ｂ，２３ｃの各々に対向するような配置となっている。

このように構成されるホール素子２０において、素子領域２１ａの基板内部に電気的に区画される領域にあってコンタクト領域２３ｄ，２３ｅにて挟まれる領域（図中において破線で囲んだ領域）が、所謂ホールプレート（磁気検出部）ＨＰとなっている。ここで、電流供給対の一端を相当するコンタクト領域２３ａが、ホール電圧出力対を構成するコンタクト領域２３ｄ，２３ｅに挟まれ、電流供給対の他端に相当するコンタクト領域２３ｂ，２３ｃがホール電圧出力対に関して線対称に配置されている。従って、ホールプレートＨＰを横方向に流れる電流（基板表面に対して平行に流れる電流）に対して生じるホール電圧が打ち消され、検出対象とする基板表面に平行な成分を有する磁束を精度良く検出することができる。また、拡散分離壁２２ａ，２２ｂが設けられているので、基板表面に平行な方向への電流がこれらに阻止され、これによっても検出精度の向上が図られている。

絶縁膜３０は、ホール素子２０と配線部４０とを電気的に絶縁するものである。本実施形態においては、ホール素子２０が形成された半導体基板１０の一面上に、例えば酸化シリコン膜が所定の厚さをもって形成されている。この絶縁膜３０の厚さは、配線部４０に被検出電流が導通した際に生じる被検出磁界による基板表面に平行な成分を有する磁束が、ホール素子２０のホールプレートＨＰに作用するように設定されている。

配線部４０は、被検出電流が導通される電流経路であり、本実施形態においては、絶縁膜３０を介して半導体基板１０の表面上に一体的に形成されている。具体的には、蒸着法によって銅からなる配線部４０が形成されている。このように、絶縁膜３０、配線部４０を含む電流センサ１００の各要素を半導体プロセスにより形成する構成とすると、製造工程を簡素化することができる。また、絶縁膜３０及び配線部４０を、ホール素子２０の形成された半導体基板１０の一面上に設けているので、製造プロセスをより簡素化することができる。さらには、半導体プロセスによって、同一の半導体基板１０にホール素子２０、絶縁膜３０、及び配線部４０を作り込むので、ホール素子２０と配線部４０を高精度に位置決めすることができる。従って検出精度を向上することができる。

また、配線部４０は、図１（ａ）に示すように、被検出電流Ｉの導通方向に対して直交する方向において、ホール素子２０の半導体領域２１を完全に被覆するように配置されている。従って、配線部４０に被検出電流Ｉが導通した際に、ホールプレートＨＰは基板表面に平行な磁束を安定して検出することができる。

このように構成される電流センサ１００において、例えば端子Ｓから端子Ｇ１へ、また端子Ｓから端子Ｇ２へそれぞれ一定の駆動電流を流すと、その電流は、基板表面に形成されたコンタクト領域１３ａからホールプレートＨＰ、拡散分離壁１２ａ，１２ｂの下方を通じて、コンタクト領域１３ｂ，１３ｃへとそれぞれ流れる。すなわち、ホールプレートＨＰには、基板表面に垂直な成分を含む電流が流れることとなる。従って、この駆動電流が供給された状態で配線部４０に被検出電流Ｉが導通し、被検出電流Ｉによって生じた被検出磁界のうち、基板表面に平行な成分を有する磁束（図中におけるＢ）がホールプレートＨＰに作用すると、ホール効果によって端子Ｖ１，Ｖ２間に、作用磁束の大きさに応じたホール電圧Ｖ_Ｈが発生する。従って、数式１，２に示す関係から、端子Ｖ１，Ｖ２を通じてホール電圧信号を検出することで、被検出電流を求めることができる。
（数１） Ｖ_Ｈ＝（Ｒ_ＨＩ_０Ｂ／ｄ）ｃｏｓθ
（数２） Ｂ＝μ_０Ｉ／２πｒ
尚、Ｒ_Ｈ：ホール係数、Ｉ_０：駆動電流、ｄ：ホールプレートＨＰの厚さ（拡散分離壁２２ａ，２２ｂ間の対向距離）、θ：ホール素子２０と磁界のなす角、μ_０：真空透磁率（４π×１０^−７Ｎ／Ａ^２）、Ｉ：被検出電流、ｒ：ホールプレートＨＰと配線部４０との間の距離である。

このように、本実施形態に示す電流センサ１００によると、ホール素子２０が所謂縦型ホール素子であり、電流経路が被検出電流Ｉの導通に伴って半導体基板１０の表面に水平な成分を有する磁束Ｂを生じるように半導体基板１０の表面上に形成された配線部４０である。従って、従来のように磁気収束部材を必要としないので、従来よりもセンサの体格を小型化することができる。

また、本実施形態に示す構成によると、被測定電流Ｉによる磁束Ｂをホール素子２０によって精度良く検出するために、配線部４０とホール素子２０の２つの要素を位置決めすれば良いので、従来よりも位置のばらつきが生じにくい。すなわち、高精度に位置決めしやすく、検出精度のばらつきを低減することができる。

尚、本実施形態においては、電流経路としての配線部４０が、ホール素子２０の形成された半導体基板１０の一面上に配置される例を示した。しかしながら、電流経路は、被検出電流が導通した状態で、ホールプレートＨＰに基板表面に平行な磁束Ｂが作用するように半導体基板１０の表面上に配置されていれば良い。例えば、図２に示すように、配線部４０を、ホール素子２０が形成された半導体基板１０表面の裏面に配置した構成としても良い。図２は、本実施形態に示す電流センサ１００の変形例を示す断面図であり、図１（ｃ）に対応している。この構成の場合、各コンタクト領域２３ａ〜２３ｅと接続端子Ｓ，Ｇ１，Ｇ２，Ｖ１，及びＶ２との接続構成を簡素化できる。また、それ以外にも、半導体基板１０の上下両表面にそれぞれ配置した構成としても良い。しかしながら、本実施形態に示したように、ホール素子２０が形成された半導体基板１０の一面上に、絶縁膜３０を介して配線部４０を形成する構成とすると、製造プロセスを簡素化することができる。

また、本実施形態においては、配線部４０が、被検出電流Ｉの導通方向に対して直交する方向において、ホール素子２０の半導体領域２１を完全に被覆するように配置されている例を示した。しかしながら、図３に示すように、少なくとも磁気検出部であるホールプレートＨＰを完全に被覆するように配置されていれば良い。これにより、ホール素子２０は半導体基板１０の表面に水平な成分を有する磁束Ｂを安定して検出することができる。図３は、本実施形態に示す電流センサ１００の変形例を示す断面図であり、図１（ｃ）に対応している。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を、図４に基づいて説明する。図４は、本実施形態における電流センサ１００の概略構成を示す平面図である。尚、図４においても、便宜上、半導体基板１０表面に形成された絶縁膜３０を省略し、絶縁膜３０上に形成された配線部４０（２本の一点鎖線間の領域）を透過させて図示している。

第２の実施形態における電流センサ１００は、第１の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

本実施形態における電流センサ１００は、図４に示すように、ホール素子２０の形成された半導体基板１０に、ホール素子２０の処理回路部５０が一体的に形成されている。この処理回路部５０は、例えばホール素子２０に駆動電流を供給する駆動回路やホール電圧信号を処理する信号処理回路である。

このように、本実施形態における電流センサ１００は、同一の半導体基板１０に、ホール素子２０とももにその処理回路部５０を集積化した構成であるので、センサ体格をより小型化することができる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を、図５に基づいて説明する。図５は、本実施形態における電流センサ１００の概略構成を示す断面図であり、図１（ｃ）に対応している。

第３の実施形態における電流センサ１００は、第１，２の実施形態によるものと共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。

本実施形態における電流センサ１００は、図５に示すように、絶縁部材３１を介して、電流経路としての配線部材４１が、半導体基板１０の表面上に設けられている点にある。具体的には、絶縁材料（例えば樹脂）からなる枠状の絶縁部材３１が、半導体基板１０の表面に例えば接着固定され、固定面の裏面に、金属板（例えば銅板）を所定形状に加工してなる配線部材４１が例えば接着固定されている。

このように、半導体プロセス以外の製造工程によって、縦型のホール素子２０を有する半導体基板１０に、絶縁部材３１を介して配線部材４１を一体的に配置した構成とすることもできる。しかしながら、第１の実施形態で示したように、半導体プロセスを適用したほうが、ホール素子２０と電流経路との位置精度を向上することができる。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施することができる。

尚、ホール素子２０の構成については、本実施形態に示す例に特に限定されるものではない。縦型のホール素子２０であれば良い。

第１の実施形態における電流センサの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＬ１−Ｌ１断面図、（ｃ）は（ａ）のＬ２−Ｌ２断面図である。 変形例を示す断面図である。 変形例を示す断面図である。 第２の実施形態における電流センサの概略構成を示す平面図である。 第３の実施形態における電流センサの概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１０・・・半導体基板
２０・・・ホール素子
２１・・・半導体領域
２１ａ〜２１ｃ・・・素子領域
２２，２２ａ，２２ｂ・・・拡散分離壁
２３ａ〜２３ｅ・・・コンタクト領域
３０・・・絶縁膜（絶縁部材）
４０・・・配線部（電流経路）
５０・・・処理回路部
１００・・・電流センサ
ＨＰ・・・ホールプレート

Claims (6)

1. 電流経路に被検出電流が導通したときに生じる被検出磁界による磁束を、半導体基板に設けたホール素子により検出する構成の電流センサであって、
   前記ホール素子は、前記半導体基板の表面に対して垂直方向に流れる駆動電流が供給された状態で、前記被検出電流によって前記半導体基板の表面に水平な成分を有する磁束が作用すると、作用磁束の大きさに応じたホール電圧を発生するように構成されており、
   前記電流経路は、前記ホール素子と電気的に絶縁された状態で、前記半導体基板の表面上に配置されていることを特徴とする電流センサ。
2. 前記電流経路は、前記半導体基板の表面に固定された絶縁部材を介して、前記半導体基板上に一体的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の電流センサ。
3. 前記電流経路は、前記絶縁部材としての絶縁膜を介して、前記半導体基板上に形成された配線部であることを特徴とする請求項２に記載の電流センサ。
4. 前記電流経路は、前記ホール素子が設けられた前記半導体基板の一面上に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電流センサ。
5. 前記電流経路は、前記半導体基板の平面方向において、前記駆動電流が供給される前記ホール素子のホールプレートを覆うように配置されていることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の電流センサ。
6. 前記半導体基板には、前記ホール素子の処理回路部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の電流センサ。

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