1 電流プローブ向け薄膜ホール素子の低ノイズ化 電流プローブ向け薄膜ホール素子の低ノイズ化 野村 淳士*1 要 旨 クランプオンプローブ3273-50，3276はオシロスコープを用いた電流波形観測を目的とした，直流からMHzまで の広帯域を1台で測定できるクランプ式電流プローブである．今回，市場のさらなる低電流測定ニーズに対応する ため，電流プローブのキーデバイスである薄膜ホール素子の低ノイズ化を実現した．ここに薄膜ホール素子に要 求される性能と新たに開発した薄膜ホール素子の特性について解説する． 1. はじめに クランプオンプローブ 3273-50，3276 はオシロスコ ープによる電流波形観測を目的としたクランプ式の 電流プローブである．最大の特長は直流から 50 MHz(-3 dB，3273-50)または 100 MHz(-3 dB，3276) までの交流を 1 台で測定できる広帯域な周波数特性 であり，高速のスイッチング波形や過渡応答波形を 図1 電流プローブの構成 はじめとしてさまざまな用途で活用されている．1) 電流プローブでは，磁気コアを通る磁束を検出す るために自社生産した薄膜ホール素子を採用してい る(図 1)．薄膜ホール素子を用いることで，磁気コア の空隙部を最小限にとどめることを可能にし，S/N 比 を向上させている．1) 近年，より微小な電流を測定したいという要望が増 加しており，それに伴って薄膜ホール素子のさらなる 高感度化が求められていた．このような市場ニーズ に対応するため，従来品と比較して 1/f ノイズを 1/10 に低減した薄膜ホール素子を開発した． 図 2 10 Hz におけるノイズ強度 2. 要求項目 (2) 抵抗値と 1/f ノイズの関係 以下に電流プローブ向け薄膜ホール素子におけ る素子特性および生産上の要求項目を示す． 1/f ノイズは周波数が低くなるにつれて増加する傾 向にある．今回は 10 Hz におけるノイズ強度を用いて 1/f ノイズを評価した． 2.1 素子特性の要求項目 図 2 に薄膜ホール素子の 10 Hz における規格化ノ イズを抵抗値でプロットしたグラフを示す．規格化ノイ (1) 電子移動度と素子特性の関係 薄膜ホール素子の性能を表す電子移動度 μは式 (1)のように抵抗値 R の逆数と積感度 KH の積として記 述できる．A は素子形状などに起因する定数である． μ = A⋅ KH [m2/Vs] ..................................... (1) R ズとは薄膜ホール素子間での比較を行うために素子 の個体差の影響を取り除いて規格化処理をしたノイ ズ強度である． 図 2 より，薄膜ホール素子の抵抗値が小さくなると ノイズ強度も低減することがわかる． 式(1)が示すとおり，抵抗値が小さいほど，また積 感度が大きいほど電子移動度は大きくなるため，薄 *1 技術部 技術6課 膜ホール素子の S/N 比が大きくなる． 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1 2 電流プローブ向け薄膜ホール素子の低ノイズ化 2.2 生産上の要求項目 2.1 項で示した低ノイズ薄膜ホール素子を成膜す る一般的な方法として分子線エピタキシー法が挙げ られるが，非常に高額な設備であり，電流プローブ 向け薄膜ホール素子生産設備として採用するには 導入コストと生産能力が釣り合わない問題があった． また，当社は電流プローブ向け薄膜ホール素子を 成膜するための三温度法真空蒸着装置を保有して おり，この装置を用いた成膜および処理方法を構築 する方が生産上合理的であった． 図3 薄膜ホール素子のノイズ特性 以上に示した素子特性および生産上の要求項目 を満たし，かつ安定して薄膜ホール素子を生産でき るプロセスを構築した． 3. 特性例 以下に電流プローブ 3273-50 および 3276 で使用 している薄膜ホール素子(以下：従来薄膜ホール素 子)と今回新たに開発した薄膜ホール素子(以下：新 開発薄膜ホール素子)との特性比較を示す． 図4 規格化ノイズを用いた特性比較 3.1 抵抗値および積感度による比較 従来薄膜ホール素子は抵抗値 800 Ω，積感度 1. 5 V/A・T が標準的な特性である．新開発薄膜ホール 素子は抵抗値 100 Ω，積感度 1.0 V/A・T であった． このように，新開発薄膜ホール素子は 1/f ノイズを 大幅に低減し S/N 比が向上したため，微小電流測定 に対応した電流プローブに十分使用可能である． 素子の組成が同じ場合，抵抗値が 1/2 になると積 感度も 1/2 になるが，新開発薄膜ホール素子では 1/f ノイズ要因である抵抗値を大幅に低減させた． 一方で，積感度の低下を抑制することに成功した． 3.2 ノイズ強度による比較 4. おわりに これまで電流プローブの高感度化においてボトル ネックとされていた薄膜ホール素子の高感度化を素 子の大幅な低ノイズ化により実現できた．今回開発し 図 3 に従来薄膜ホール素子と新開発薄膜ホール た薄膜ホール素子を用いて，微小電流を測定可能 素子の 500 Hz までの低周波域におけるノイズ強度を， な電流プローブという市場ニーズに応えた製品を開 図 4 に図 3 の結果を規格化ノイズに換算して比較し 発する予定である． たものを示す． 図 3 に示したとおり，新開発薄膜ホール素子のノイ 本研究に関して技術的指導していただいた故・大 ズ強度は 10 Hz 未満の領域において測定器のバック 浦秀男氏(元株式会社東栄科学産業技術部)にこの グラウンドノイズとほぼ等しくなった．これは新開発薄 膜ホール素子の 1/f ノイズが大幅に低減していること を意味する．また，図 4 に示したように規格化してノイ ズ強度を比較したところ，新開発薄膜ホール素子は 従来薄膜ホール素子の 1/10 のノイズ強度であった． 図 3 および図 4 では 100 Hz 以上の高周波におい 場を借りて深く御礼申しあげます． 平林 明彦*2 参考文献 1) 平林明彦 : 3276 クランプオンプローブ，日置技 報，VOL.25，2004，NO.1 47/64(2004) てノイズ成分が増加しているが，これは後段の回路 系により発生するノイズであり，薄膜ホール素子に起 因するものではない． *2 技術部 技術6課 日 置 技 報 VOL.36 2015 NO.1
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