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

部品からの電流信号を検出する方法として

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

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

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

ホール素子型電流センサフラックスゲートセンサ

磁気センサ

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

測定箇所に抵抗を直列に挿入し，両端の電圧を測る

1.2 研究目的

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

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

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　　 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

　針状磁気プローブの概略図

配線

GMR1測定範囲(75×40µm)

I

GMR2,3,4

B

センシング方向

x

z

y

指向性

高感度 非接触

SV-GMR センサ

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

2.3 スピンバルブ形巨大磁気抵抗 (SV-GMR)

　　スピンバルブ磁気抵抗素子の概略図

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　　

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 　 ：被測定点の磁束密度

r ：測定距離

i ・　　：電流素

　Bd

ld

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　

1I2I

x

y

z

YB1

2B YB2

1B

ZB1ZB2

y　リフトオフ高さ

1 23 4

)(4 21

101

a

IB Z

)(4 43

202

a

IB Z

34 r

rldiBd

SV-GMR センサ

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

-200 0 200 400 600 800 1000 12000.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

Distance z (µm)

Den

sity

of

mag

neti

c fl

ux B

z (µ

T) 配線

2配線1

　 z 方向の磁束密度 Bz の変化

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

B1z B2z

クロストークとは他の配線からの信号による影響

　　計測システムのブロック図　

3.1 計測システム

PCBSV-GMR

probeOscilloscope or lock-in amplifier

DC power 　supply

Function Generator

内部に 100 倍のプリアンプ内蔵

プリント基板配線から磁界が発生

正弦波入力信号を印加 基準信号と同位相の信号出

力

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

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

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① ステップ②配線 1 入力 (I1in=0~2mA) 入力 (I1in=0~2mA)

配線 2 入力なし 入力 (I2in=1mA) （一定）

0 0.5 1 1.5 20

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Current of wire1 (mA)

Out

put v

olta

ge (

mV

)

4.1 出力信号の変化

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 の直上での出力信号の変化（ y=20,40µm,f=1kHz ）

配線 1+ 配線 2(y=20μm)

配線 1(y=20μm)

配線 1(y=40μm)

配線 1+ 配線 2(y=40μm)

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

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

10

20

30

40

50

60

Current of wire1 (mA)

Cro

ssta

lk (

%)

4.2 クロストークの変化

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 ）

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

5. まとめ・今後の課題

ありがとうございました