太陽光発電の買い取り制度について

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
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
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
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
磁界を介して電流検出する方法
ホール素子型電流センサ
フラックスゲートセンサ
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
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
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
本研究では
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
2.2針状磁気プローブ



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
GMR2,3,4
SV-GMRセンサ
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
センシング方向

センサ感度は12.5µV/µT
y
x
GMR1
測定範囲
(75×40µm)
z
I
指向性
配線
B
高感度
非接触
針状磁気プローブの概略図
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
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
 スピンバルブ磁気抵抗素子の構造は，非磁性体層を磁化
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
固定層とフリー層で挟んだ構造
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
 フリー層の磁化方向を変化させ，抵抗変化が生じる
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
2.4.1理論値の計算
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

dB：被測定点の磁束密度

   i dl  r
dB 
4 r 3
B1
y
B1Z
z
r：測定距離

i ・ dl ：電流素
B2 B2Y
B1Y
SV-GMRセンサ
B2 Z
リフトオフ高さ　x
3  4
1  2
I1
I2
無限長角形コイルの磁界の理論値計算
y
 0 I1
B1Z 
(1   2 )
4a
0 I 2
B2 Z 
( 3   4 )
4a
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
2.4.2磁束密度Bzの理論値
Density of magnetic flux Bz (µT)
0.14
配線1
配線2
0.12
リフトオフ高さ：y=40,80µm
入力電流：100µA
0.10
0.08
B1z
B2z
0.06
z軸方向に移動させた場
合の磁束密度Bzの変化
0.04
0.02
0.00
-200
0
200
400
600
Distance z (µm)
800
1000
1200
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
 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
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
Function
Generator
プリント基板配線
から磁界が発生
PCB
基準信号と同位相の信号出力
SV-GMR
probe
DC power supply
計測システムのブロック図
Oscilloscope or
lock-in amplifier
3.2針状磁気プローブを用いた非接触計測
 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
配線1
配線2
ステップ①
入力(I1in=0~2mA)
入力なし
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
ステップ②
入力(I1in=0~2mA)
入力(I2in=1mA)（一定）
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
4.1出力信号の変化
0.8
配線1+配線2
(y=20μm)
Output voltage (mV)
0.7
0.6
配線1
(y=20μm)
0.5
0.4
0.3
0.2
配線1+配線2
(y=40μm)
配線1
(y=40μm)
0.1
0
0
0.5
1
1.5
2
Current of wire1 (mA)
配線1の直上での出力信号の変化（y=20,40µm,f=1kHz）
 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
4.2クロストークの変化
60
Crosstalk (%)
50
40
y=40μm
30
20
10
y=20μm
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
Current of wire1 (mA)
配線1の直上でのクロストークの変化（y=20,40µm,f=1kHz）
 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
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

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