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環日本海域環境研究センター 磁気応用工学研究室 B4 　新元　渉

A-35 針状磁気プローブによるプリント 基板配線の電流信号の非 接触計測. 環日本海域環境研究センター 磁気応用工学研究室 B4 　新元　渉. 1.1 研究背景. 部品からの電流信号 を 検出する方法として. 抵抗を用いる電流検出方法. 磁界を介して電流検出する方法. 磁気センサ. 電子機器の高性能化・小型化に伴い，高密度のプリント基板や　 　 電子部品が用いられている. ホール素子型電流 セ ン サ フラックスゲートセンサ. 測定箇所に抵抗を直列に挿入し，両端の電圧を測る. 安価で使いやすいが，配線回路を切断するため， 信号に影響を及ぼす可能性 がある.

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Presentation Transcript

  1. A-35 針状磁気プローブによるプリント 基板配線の電流信号の非接触計測 環日本海域環境研究センター 磁気応用工学研究室 B4　新元　渉

  2. 1.1研究背景 部品からの電流信号を検出する方法として 抵抗を用いる電流検出方法 磁界を介して電流検出する方法 磁気センサ 電子機器の高性能化・小型化に伴い，高密度のプリント基板や　 　 電子部品が用いられている ホール素子型電流センサ フラックスゲートセンサ 測定箇所に抵抗を直列に挿入し，両端の電圧を測る 安価で使いやすいが，配線回路を切断するため，信号に影響を及ぼす可能性がある 信号に影響を及ぼすことなく，非接触で電流検出ができる

  3. 1.2研究目的 • プリント基板のように高密度な配線一本当たりの配線に流れ • る微小電流（1mA以下）を検出するには不向きである 本研究では 磁界発生源に近接可能で高感度な磁気センサが必要 磁界発生源に接近するほど，磁界の検出が有利 超小型・高感度な針状磁気プローブを用いる • プリント基板配線から発生する磁界を介して，非接触・非破壊的に電流信号を測定することを目的とする

  4. 針状磁気プローブの先端に大きさ(75µm×40µm) • のSV-GMRセンサ（スピンバルブ形巨大磁気抵抗） • 付き • 抵抗値の変化を電圧に変換し、電流信号を検出 • 超小型の針状プローブのため、測定対象物と数十 • µmという近距離で測定可能 • センサ感度は12.5µV/µT GMR2,3,4 2.2針状磁気プローブ SV-GMRセンサ センシング方向 y x GMR1 測定範囲(75×40µm) 指向性 z I 配線 高感度 非接触 B 　針状磁気プローブの概略図

  5. 2.3スピンバルブ形巨大磁気抵抗(SV-GMR) • 磁場をかけると電気抵抗率が増加する現象が磁気抵抗効果 • 　一般の物質は数％、しかし巨大磁気抵抗効果は数10％に増加　 • スピンバルブ磁気抵抗素子の構造は，非磁性体層を磁化 • 固定層とフリー層で挟んだ構造 • フリー層の磁化方向を変化させ，抵抗変化が生じる • 強磁性体層の磁化の方向がそろっている場合、電子は散乱 • 　 されること無く移動することができ、電気抵抗は小さくなる • 強磁性体層の磁化の向きを交互に変える場合、電子は散乱 • 　されやすく、電気抵抗は大きくなる 　　スピンバルブ磁気抵抗素子の概略図

  6. ：被測定点の磁束密度 r：測定距離 i・　　：電流素 2.4.1理論値の計算 SV-GMRセンサ y 磁束密度Bzの理論値の計算にビオ・サバールの法則を使用 x z リフトオフを小さくすることが重要リフトオフは，センサから測定対象物までの距離 無限長角形コイルの磁界の理論値計算

  7. 2.4.2磁束密度Bzの理論値 リフトオフ高さ：y=40,80µm 入力電流：100µA z軸方向に移動させた場合の磁束密度Bzの変化 • プローブの位置は配線の直上(z=100µm)の場合，クロストークが小さくなり，配線の信号をより顕著に検出することが可能 • 配線の直上(z=100µm)で，リフトオフ高さy=80µmのクロストークは約5.9% 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 リフトオフ高さy=40µmのクロストークは約2.4% • 他の配線からの影響を少なくすることが可能 B1z B2z クロストークとは他の配線からの信号による影響 z方向の磁束密度Bzの変化

  8. 3.1計測システム 内部に100倍のプリアンプ内蔵 正弦波入力信号を印加 プリント基板配線から磁界が発生 基準信号と同位相の信号出力 Oscilloscope or lock-in amplifier Function Generator PCB SV-GMR probe DC powersupply 　　計測システムのブロック図

  9. プローブを配線1の直上(z=100µm)に設置 • センサとプリント基板のリフトオフ高さyは20µm，40µmに設定 3.2針状磁気プローブを用いた非接触計測 磁気プローブの位置を固定し，測定対象 とのy方向の距離を一定に保ち，配線に 発生した磁界から電流値を測定 • プリント基板における2本の • 平行角形配線を使用 • 配線幅：200μm • 配線間隔：200μm

  10. 4.1出力信号の変化 配線1+配線2 (y=20μm) • 配線1の入力電流に比例⇒磁界を介して電流値を検出可能 • 配線2に入力を印加した時、入力なしと比較するとグラフが上にシフトし配線2からの信号も検出 • リフトオフ高さ20µmと40µmの場合、出力に1.5～1.7倍程の差 配線1 (y=20μm) 配線1+配線2 (y=40μm) 配線1 (y=40μm) 　　　　配線1の直上での出力信号の変化（y=20,40µm,f=1kHz）

  11. 4.2クロストークの変化 • リフトオフ高さyを20µmの時，入力電流I1in=1mA以上でクロストークは最大約6~9%以内となった • 理論値とは異なるが，周波数を上げると表皮効果により，電流分布が変化し，計測点の磁界分布が変わり，出力が増加したためと考えられる y=40μm y=20μm 配線1の直上でのクロストークの変化（y=20,40µm,f=1kHz）

  12. 5.まとめ・今後の課題 針状磁気プローブを用いて，磁界を介して電流値を計測できた リフトオフ高さyを40µmから20µmに変化させると，出力が1.5～1.7倍程変わる リフトオフ高さyを20µmにした場合，入力電流I1in=1mA以上でクロストークは約6～9%以内となった 将来の実用化に向けて，リフトオフ高さやセンシングを自動で設定・動作するシステムを導入する必要がある

  13. ありがとうございました

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