JP2010281576A - 電流センサ及び電流センサ内蔵電子部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 電流センサ及び電流センサ内蔵電子部品において、測定対象回路に対して検出回路を電気接続せずに電流検出が可能であると共に低コストで小型化を可能にすること。
【解決手段】 基板１１と、回路に接続される一対の電極膜１２と一対の電極膜１２の一方に接続された第１の導電体膜１３Ａと該第１の導電体膜１３Ａに接合されていると共に一対の電極膜１２の他方に接続され第１の導電体膜１３Ａよりも抵抗値の高い第２の導電体膜１３Ｂとが基板１１上にパターン形成されて構成された電流熱変換部１４と、第１の導電体膜１３Ａ及び第２の導電体膜１３Ｂ上の絶縁膜１５と、第１の導電体膜１３Ａの上方から第２の導電体膜１３Ｂの上方にわたって形成されていると共に端部で接合されて電気的に直列接続された少なくとも一対の第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂで構成された薄膜熱電対部１７と、を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、回路に流れる電流を検出可能な電流センサ及び電流センサ内蔵電子部品に関する。

種々の回路に流れる電流を測定する技術として、従来、シャント抵抗、カレントトランス（ＣＴ）、ホール素子等を用いたものが使用されている。上記シャント抵抗を用いた電流検出では、回路にシャント抵抗を接続し、電流を電圧に変換してシャント抵抗に接続した検出回路で電圧を測定して電流を検出している。このシャント抵抗を用いた電流検出では、直流及び交流の両方の電流計測が可能である。

また、カレントトランスを用いた電流検出では、交流電流が流れる測定対象の回路を環状コアに巻回された１次側コイルに接続すると共に環状コアに巻回された２次側コイルに生じる電圧を検出回路で電流を検出している。
さらに、ホール素子を用いた電流検出では、例えば特許文献１に示すように、回路近傍にホール効果を利用した磁気センサであるホール素子を設置し、このホール素子によって回路の電流に応じて発生した磁界を捉えて電流を検出している。このホール素子では、測定対象の回路に非接触で電流を検出することができる。

特開２００８−２０４０２号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、シャント抵抗を用いた電流検出では、検出回路もシャント抵抗を介して測定対象の回路に電気的に接続させる必要があった。しかしながら、高電圧電源の電流検出を行う場合や大電流によるインパルス雑音等に対応して、検出回路の安全性や信頼性を確保するため、このような用途に応じて検出回路を測定対象の回路に電気的に接続せずに電流を検出する方法が要望されている。このため、従来、図９に示すように、高電圧電源１からの回路ＥＣに直接接続する場合、シャント抵抗２の電圧を検出する検出回路３にカレントトランス４を挿入して電気的に分離して電流検出を行っていた。しかしながら、カレントトランス４を挿入することで形状が大きくなると共に部品数が増え、コストの増大とセンサ形状の大型化とを招いてしまう不都合があった。また、ホール素子を用いた電流検出では、高価なホール素子（磁気センサ）を使用するため、やはり高コストになってしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、測定対象の回路に対して検出回路を電気接続せずに電流検出が可能であると共に、低コストで小型化が可能な電流センサ及び電流センサ内蔵電子部品を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明の電流センサは、基板と、回路に接続される一対の電極膜と一対の前記電極膜の一方に接続された第１の導電体膜と該第１の導電体膜に接合されていると共に一対の前記電極膜の他方に接続され前記第１の導電体膜よりも抵抗値の高い第２の導電体膜とが前記基板上にパターン形成されて構成された電流熱変換部と、前記第１の導電体膜及び前記第２の導電体膜の上に形成された絶縁膜と、該絶縁膜上に前記第１の導電体膜の上方から前記第２の導電体膜の上方にわたって互いに異なるｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で接合されて電気的に直列接続された少なくとも一対の第１の熱電膜及び第２の熱電膜で構成された薄膜熱電対部と、を備えていることを特徴とする。

この電流センサでは、薄膜熱電対部が、第１の導電体膜の上方から第２の導電体膜の上方にわたって互いに異なるｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで形成されていると共に端部で接合された第１の熱電膜及び第２の熱電膜で構成されているので、電流熱変換部に流れる電流に応じて第１の導電体膜と第２の導電体膜との間で温度差が生じると共に薄膜熱電対部に起電力が発生することで、電流を検出することができる。
すなわち、測定対象の回路に接続された電流熱変換部に電流が流れると、第１の導電体膜よりも抵抗値の高い第２の導電体膜が第１の導電体膜よりも高いジュール熱で発熱し、電流に応じて第１の導電体膜と第２の導電体膜との間で温度差が生じる。この温度差により、第１の導電体膜から第２の導電体膜にわたって設置された薄膜熱電対部に起電力が生じる。このとき、電流熱変換部で生じるジュール熱による温度差は、通過する電流量に比例するため、上記起電力も電流量に比例することから、この起電力によって電流を検出することができる。特に、電流熱変換部及び薄膜熱電対部がいずれも膜状であることから、温度差が生じる部分間の断面積を小さくできるので、温接点から冷接点へ熱が伝わり難く、発熱による温度差が大きくなって検出感度が向上する。
このように、検出回路に接続される薄膜熱電対部を、測定対象の回路に接続された電流熱変換部に電気接続を行わずに、回路の電流検出が可能である。また、薄膜熱電対部の起電力を測定することで電流を検出できるため、簡易な検出回路で済み、低コストで作製可能である。さらに、薄膜熱電対部が簡易な構成で安価であるため、部材コストも安く、小型化も可能である。
また、電流熱変換部及び薄膜熱電対部が、いずれも基板上の薄膜でパターン形成されているので、低コストで作製可能であると共に薄型化が可能である。

また、本発明の電流センサは、複数対の前記第１の熱電膜及び前記第２の熱電膜が、互いに交互に接続されて折り返され全体として櫛歯状に配設されていることを特徴とする。
すなわち、この電流センサでは、複数対の第１の熱電膜及び第２の熱電膜が、互いに交互に接続されて折り返され全体として櫛歯状に配設されているので、小さいスペースでも折り返し構造によって熱電対部分を多数直列に接続することができ、高い起電力を得ることができる。

本発明の電流センサ内蔵電子部品は、基板と、該基板に形成された回路と、前記基板上に形成され前記回路に一対の前記電極膜が接続された上記本発明の電流センサと、を備えていることを特徴とする。
すなわち、この電流センサ内蔵電子部品では、基板上に形成され回路に一対の電極膜が接続された上記本発明の電流センサを備えているので、基板上に回路と共に一体に形成された電流センサによって小型の電流センサ内蔵電子部品を得ることができる。

また、本発明の電流センサ内蔵電子部品は、前記基板が、半導体基板であって、前記回路が、半導体素子を含んでいることを特徴とする。
すなわち、この電流センサ内蔵電子部品では、基板が半導体基板であって、回路が半導体素子を含んでいるので、フォトリソグラフィ技術等の半導体製造技術により電流センサと共に１チップに集積化が可能になり、より小型化及び低コスト化を図ることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る電流センサ及び電流センサ内蔵電子部品によれば、薄膜熱電対部が、第１の導電体膜の上方から第２の導電体膜の上方にわたって形成されていると共に端部で接合された第１の熱電膜及び第２の熱電膜で構成されているので、電流熱変換部に流れる電流に応じて第１の導電体膜と第２の導電体膜との間で温度差が生じると共に薄膜熱電対部に起電力が発生することで、電流を検出することができる。したがって、電流熱変換部に電気接続を行わずに、回路の電流検出が可能であると共に、薄膜熱電対部が安価であり、検出回路も簡単であるため、低コスト化及び小型化が可能である。

本発明に係る電流センサ及び電流センサ内蔵電子部品の一実施形態において、電流センサを示す平面図である。 本実施形態において、第１の熱電膜と第２の熱電膜との接合を示す要部の拡大平面図である。 本実施形態において、測定対象の回路に接続した電流センサの等価回路図である。 本実施形態の電流センサにおいて、基板上に第１の導電体膜、第２の導電体膜及び電極膜を形成した状態と、第１の導電体膜及び第２の導電体膜の上に絶縁膜を形成した状態と、を示す平面図である。 本実施形態において、薄膜熱電対部の製造方法を工程順に示す要部（図２のＡ−Ａ線）の断面図である。 本実施形態において、１チップ化された電流センサ内蔵電子部品を示す断面図である。 本実施形態において、電流センサ内蔵電子部品を示す等価回路図である。 本発明に係る従来例において、ＩＧＢＴに接続された電流センサの等価回路図である。 本発明に係る従来例において、測定対象の回路に接続した電流検出回路の等価回路図である。

以下、本発明に係る電流センサ及び電流センサ内蔵電子部品の一実施形態を、図１から図８を参照しながら説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能又は認識容易な大きさとするために縮尺を適宜変更している。

本実施形態の電流センサ１０は、図１から図３に示すように、基板１１と、測定対象の回路ＥＣに接続される一対の電極膜１２と一対の電極膜１２の一方に接続された第１の導電体膜１３Ａと該第１の導電体膜１３Ａに接合されていると共に一対の電極膜１２の他方に接続され第１の導電体膜１３Ａよりも抵抗値の高い第２の導電体膜１３Ｂとが基板１１上にパターン形成されて構成された電流熱変換部１４と、第１の導電体膜１３Ａ及び第２の導電体膜１３Ｂの上に形成された絶縁膜１５と、該絶縁膜１５上に第１の導電体膜１３Ａの上方から第２の導電体膜１３Ｂの上方にわたって互いに異なるｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で接合されて電気的に直列接続された複数対の第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂで構成された薄膜熱電対部１７と、直列接続された第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂの末端に接続された一対の電極端部１８と、を備えている。

上記基板１１は、例えば、シリコン基板等の半導体基板で形成されている。
上記第１の導電体膜１３Ａは、例えば銅膜で形成されていると共に、上記第２の導電体膜１３Ｂは、銅とニッケルとの合金膜で形成されている。すなわち、銅で形成された第１の導電体膜１３Ａは、その抵抗値がほぼ０Ωであるのに対して、不純物としてニッケルが添加された第２の導電体膜１３Ｂは、その抵抗値が約０．１ｍΩに設定されている。

上記絶縁膜１５は、例えばＳｉＯ_２膜である。
互いに端部で接合される上記第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとは、図２に示すように、一方の熱電膜の端部がＬ字状に曲がって他方の熱電膜の端部に重なって接合部１６ａを形成している。

すなわち、第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとは、互いに端部の接合部１６ａで接続されて一対で一つの熱電対部を構成している。また、第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとは、複数が交互に接続されて折り返すことで全体として櫛歯状に配設され、複数の熱電対部が繰り返し直列接続されて構成されている。この第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとによる熱電対部のパターンの繰り返し数（第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとの接続の数）を増やすことによってその感度を向上させることができる。

これら第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂは、例えばｐ型熱電材料及びｎ型熱電材料の双方がＦｅＳｉ_２系熱電材料で形成されている。例えば、ＦｅＳｉ_２系熱電材料以外には、既知のＢｉ−Ｔｅ系熱電材料、Ｍｇ―Ｓｉ系熱電材料、Ｍｎ−Ｓｉ系熱電材料、酸化物系熱電材料でもよい。

次に、本実施形態の電流センサ１０の製造方法について、図４から図５を参照して説明する。

まず、基板１１として、例えばシリコン基板を使用し、図４の（ａ）に示すように、この基板１１の表面に、第１の導電体膜１３Ａ及び第２の導電体膜１３Ｂとして例えば銅膜及び銅とニッケルとの合金膜をスパッタリング等により互いに中央で接合状態に所定パターンで成膜する。さらに、第１の導電体膜１３Ａの端部及び第２の導電体膜１３Ｂの端部にそれぞれ金、銅又はアルミニウム等の金属膜で電極膜１２をパターン形成する。

そして、図４の（ｂ）及び図５（ａ）に示すように、第１の導電体膜１３Ａ及び第２の導電体膜１３Ｂの表面に、例えばＳｉＯ_２膜の絶縁膜１５を所定のパターンで成膜する。
次に、図５の（ｂ）に示すように、絶縁膜１５を含む基板１１の表面全面に、第１の熱電膜１６Ａとして例えばｐ型ＦｅＳｉ_２膜をスパッタリングにより所定の厚さに被着する。さらに、図５の（ｃ）に示すように、この第１の熱電膜１６Ａ上に第１フォトレジスト膜２１を被着、露光等することにより所定のパターンの第１フォトレジスト膜２１を形成する。

次に、図５の（ｄ）に示すように、ＨＦ＋ＨＮＯ_３系またはＨＦ＋Ｈ_２ＳＯ_４系等のエッチング液で選択的にエッチングして第１フォトレジスト膜２１の下地以外の部分の第１の熱電膜１６Ａを除去する。図５の（ｅ）に示すように、さらに、第１フォトレジスト膜２１を除去して第１の熱電膜１６Ａのパターンを基板１１上に形成する。

次に、図５の（ｆ）に示すように、この第１の熱電膜１６Ａを第２フォトレジスト膜２２で覆い、露光、エッチングしてこの第１の熱電膜１６Ａ上の一部に所定パターンの第２フォトレジスト膜２２を残す。さらに、図５の（ｇ）に示すように、この基板１１、第１の熱電膜１６Ａおよび第２フォトレジスト膜２２の全体を覆うように絶縁層２４としてＺｒＯ_２膜を被着する。そして、図５の（ｈ）に示すように、リフトオフ法によりこの第２フォトレジスト膜２２を絶縁層２４の一部とともに剥離することにより、第１の熱電膜１６Ａのパターンの一部を露出部１６ｂとして露出させる。

次に、図５の（ｉ）に示すように、第１の熱電膜１６Ａの露出部１６ｂ及び絶縁層２４の全体を覆うように第２の熱電膜１６Ｂを、スパッタリング等で被着する。さらに、図５の（ｊ）に示すように、この第２の熱電膜１６Ｂ上に所定パターンの第３フォトレジスト膜２３を被着する。そして、図５の（ｋ）に示すように、ＨＦ＋ＨＮＯ_３系等のエッチング液で第３フォトレジスト膜２３の下地以外の第２の熱電膜１６Ｂを選択的にエッチングする。さらに、図５の（ｌ）に示すように、第３フォトレジスト膜２３を除去する。この結果、第１の熱電膜１６Ａの一部（露出部１６ｂ）と第２の熱電膜１６Ｂの一部とは接合されて接合部１６ａとなる。

次いで、第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとを結晶化させるために４００〜９００℃でアニールを行う。このアニールは、熱起電力を高めるものである。
そして、接続された第１の熱電膜１６Ａと第２の熱電膜１６Ｂとの末端に電極端部１８を銅やアルミニウム等の金属膜でパターン形成することで、電流センサ１０が作製される。

この電流センサ１０により測定対象の回路ＥＣの電流を検出する場合、図３に示すように、高電圧電源１に接続された回路ＥＣに電流熱変換部１４を接続する。すなわち、この電流熱変換部１４は、従来のシャント抵抗と同様に測定対象の回路ＥＣに接続される。さらに、この電流熱変換部１４に取り付けられた薄膜熱電対部１７の一対の電極膜１２に検出回路４３を接続する。なお、図３に示す符号１９は、回路ＥＣ中の負荷部である。

測定対象の回路ＥＣに接続された電流熱変換部１４に電流が流れると第１の導電体膜１３Ａよりも抵抗値の高い第２の導電体膜１３Ｂが第１の導電体膜１３Ａよりも高いジュール熱で発熱し、電流に応じて第１の導電体膜１３Ａと第２の導電体膜１３Ｂとの間で温度差が生じる。この温度差により、第１の導電体膜１３Ａから第２の導電体膜１３Ｂにわたって設置された薄膜熱電対部１７に起電力が生じる。このとき、電流熱変換部１４で生じるジュール熱による温度差は、通過する電流量に比例するため、上記起電力も電流量に比例することから、この起電力によって電流を検出することができる。特に、電流熱変換部１４及び薄膜熱電対部１７がいずれも膜状であることから、温度差が生じる部分間の断面積を小さくできるので、温接点から冷接点へ熱が伝わり難く、発熱による温度差が大きくなって検出感度が向上する。

このように本実施形態の電流センサ１０では、薄膜熱電対部１７が、第１の導電体膜１３Ａの上方から第２の導電体膜１３Ｂの上方にわたって互いに異なるｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで形成されていると共に端部で接合された第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂで構成されているので、電流熱変換部１４に流れる電流に応じて第１の導電体膜１３Ａと第２の導電体膜１３Ｂとの間で温度差が生じると共に薄膜熱電対部１７に起電力が発生することで、電流を検出することができる。

したがって、検出回路４３に接続される薄膜熱電対部１７を、測定対象の回路ＥＣに接続された電流熱変換部１４に電気接続を行わずに、回路ＥＣの電流検出が可能である。また、薄膜熱電対部１７の起電力を測定することで電流を検出できるため、簡易な検出回路４３で済み、低コストで作製可能である。さらに、薄膜熱電対部１７が簡易な構成で安価であるため、部材コストも安く、小型化も可能である。

また、電流熱変換部１４及び薄膜熱電対部１７が、いずれも基板１１上の薄膜でパターン形成されているので、低コストで作製可能であると共に薄型化が可能である。
さらに、複数対の第１の熱電膜１６Ａ及び第２の熱電膜１６Ｂが、互いに交互に接続されて折り返され全体として櫛歯状に配設されているので、小さいスペースでも折り返し構造によって熱電対部分を多数直列に接続することができ、高い起電力を得ることができる。

次に、本実施形態の電流センサを内蔵した電流センサ内蔵電子部品について、図６から図８を参照して説明する。

本実施形態の電流センサ内蔵電子部品３０は、図６及び図７に示すように、スイッチングのドライバ回路に使用されるＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）３１と、該ＩＧＢＴ３１の電流を検出する電流センサ１０と、を１チップに集積化した電子部品である。

すなわち、図６に示すように、シリコン基板の基板１１にゲートＧ、エミッタＥ及びコレクタＣを有するＩＧＢＴ３１が半導体製造プロセスによって形成され、同じ基板１１の表面であってＩＧＢＴ３１の近傍に、上記の電流センサ１０が形成されている。また、一方の電極膜１２とＩＧＢＴ３１のコレクタＣとが、ワイヤーボンディングによる金属細線３２を介して接続されている。なお、図６に示す符号ｐはｐ型半導体層を示し、符号ｎはｎ型半導体層を示している。

従来は、図８に示すように、回路基板上に実装されたＩＧＢＴ３１にシャント抵抗やホール素子等の電流センサ部品３３が別途接続されて回路基板上に実装されていた。また、この電流センサ部品３３の出力は、負荷回路側に接続されていた。
これに対し、本実施形態の電流センサ内蔵電子部品３０では、図７に示すように、ＩＧＢＴ３１と電流センサ１０とが１チップ化されており、一体化されて回路基板に実装されると共に、電流センサ１０の出力（電極端部１８）が、負荷回路側に接続されずに絶縁されている。なお、図７及び図８に示す符号３４は負荷抵抗であり、符号３５は電源電圧である。

このように、本実施形態の電流センサ内蔵電子部品３０では、基板１１上に形成され測定対象であるドライバ回路のＩＧＢＴ３１に電極膜１２が接続された電流センサ１０を備えているので、基板１１上にＩＧＢＴ３１と共に一体に形成された電流センサ１０によって小型の電流センサ内蔵電子部品を得ることができる。
特に、基板１１がシリコン基板等の半導体基板であって、測定対象回路がＩＧＢＴ３１等の半導体素子のＩＧＢＴ３１を含んでいるので、フォトリソグラフィ技術等の半導体製造技術により電流センサ１０と共に１チップに集積化が可能になり、より小型化及び低コスト化を図ることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、第１の導電膜及び第２の導電膜が一層形成されているが、第１の導電膜及び第２の導電膜を、絶縁層を介してそれぞれ複数積層しても構わない。すなわち、上記リソグラフィプロセスのうち図５の（ｆ）〜（ｌ）で示す工程を、各層毎に繰り返し、第１の熱電膜と第２の導電体膜とを交互にパターン形成しつつ接合部を除いて絶縁層を挟むことで、電気的に直列接続された複数の熱電対部を有する層を複数積層する。

この場合、第１の導電膜及び第２の導電膜が、絶縁層を介してそれぞれ複数積層されているので、小さいスペースでも多層構造によって熱電対部分を多数直列に接続することができ、さらに高い起電力を得ることができる。特に、絶縁層をＺｒＯ_２膜等の熱伝導性の低い材料で形成することで、より明確な温度差を得ることが可能になる。
また、上記実施形態では、ＩＧＢＴと電流センサとを１チップに集積化したが、他の半導体素子を含むＩＣ回路等の回路と電流センサとを同一基板上に一体に形成しても構わない。

１０…電流センサ、１１…基板、１２…電極膜、１３Ａ…第１の導電体膜、１３Ｂ…第２の導電体膜、１４…電流熱変換部、１５…絶縁膜、１６Ａ…第１の熱電膜、１６Ｂ…第２の熱電膜、１７…薄膜熱電対部、３０…電流センサ内蔵電子部品、３１…ＩＧＢＴ（半導体素子）、ＥＣ…測定対象の回路

Claims (4)

1. 基板と、
   回路に接続される一対の電極膜と一対の前記電極膜の一方に接続された第１の導電体膜と該第１の導電体膜に接合されていると共に一対の前記電極膜の他方に接続され前記第１の導電体膜よりも抵抗値の高い第２の導電体膜とが前記基板上にパターン形成されて構成された電流熱変換部と、
   前記第１の導電体膜及び前記第２の導電体膜の上に形成された絶縁膜と、
   該絶縁膜上に前記第１の導電体膜の上方から前記第２の導電体膜の上方にわたって互いに異なるｐ型熱電材料とｎ型熱電材料とで帯状にパターン形成されていると共に端部で接合されて電気的に直列接続された少なくとも一対の第１の熱電膜及び第２の熱電膜で構成された薄膜熱電対部と、を備えていることを特徴とする電流センサ。
2. 請求項１に記載の電流センサにおいて、
   複数対の前記第１の熱電膜及び前記第２の熱電膜が、互いに交互に接続されて折り返され全体として櫛歯状に配設されていることを特徴とする電流センサ。
3. 基板と、
   該基板に形成された回路と、
   前記基板上に形成され前記回路に一対の前記電極膜が接続された請求項１又は２に記載の電流センサと、を備えていることを特徴とする電流センサ内蔵電子部品。
4. 請求項３に記載の電流センサ内蔵電子部品において、
   前記基板が、半導体基板であって、
   前記回路が、半導体素子を含んでいることを特徴とする電流センサ内蔵電子部品。

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