技術紹介 9 高温用ハイブリッド IC を使用した磁気センサの開発 技術紹介 9 高温用ハイブリッドICを使用した磁気センサの開発 Development of Magnetometer Using High-Temperature Hybrid IC 佐藤 秀俊 Hidetoshi Sato 航機事業部 第二設計部 高杉 良洋 Yoshihiro Takasugi 航機事業部 第三設計部 キーワード： 油田開発、磁気測定、地磁気、高温、ハイブリッド IC Keywords : oil development, magnetic measurement, earth magnetism, high temperature, hybrid IC 要 旨 油田掘削ビジネスにおいて昨今要求が高まっている 動作環境の高温化 (175℃ ⇒ 200℃ ) に対応するた め、既開発磁気センサの実績を応用し 200℃環境で 安定かつ高信頼な作動を実現するため、高温用ハイブ リッド IC を使用した磁気センサを開発しました。 試作評価の結果、ハイブリッド IC の使用により、 今後の油田掘削用磁気センサに要求される作動温度 200℃における良好な作動結果が得られました。 Copyright c 2008, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd. SUMMARY In response to the higher temperature operation environment (from 175 to 200 deg. C) to be required in the recent oil drilling business, JAE developed a magnetometer, which uses high-temperature hybrid IC technologies to be realizing stable and high-reliable operation at a high temperature environment, based on our proven technology accumulated through the magnetometers and hybrid ICs development and production experiences in the past. By the evaluation result of the prototypes, it was verified that, the product functions and accuracy is stable and normal at the high temperature environment of 200 deg. C, which is required for the recent oil drilling magnetometers. 航空電子技報 No.31（2008.3） 1 技術紹介 9 高温用ハイブリッド IC を使用した磁気センサの開発 2 1 まえがき 航空電子ではこれまで油田掘削市場に対して、耐高温および耐高振動・衝撃要求を満足 したセンサパッケージを販売してきました。その製品には、掘削ドリルの傾斜を計測するた めの加速度センサを 3 軸有する「インクリノメータ・パッケージ 1）」 、掘削ドリルの磁方 位を計測するための地磁気センサを 3 軸有する「マグネットメータ・パッケージ 2）」 、お よびこれら双方の計測機能を持ち合わせた「ディレクショナル・モジュール 3）」 があります。 「マグネットメータ・パッケージ」や「ディレクショナル・モジュール」に必要な地磁気 センサの電気回路部は、これまで耐高温技術を盛り込んだ表面実装プリント基板で構成し、 175℃程度の高温における使用実績をあげています。しかし、深深度化する油田掘削／油 田開発の増加から、使用されるこれらセンサも、更に高温化（200℃作動）のニーズが高 まっています。そこで、我々は航空電子が数多い実績を有するハイブリッド IC の技術を 地磁気センサに応用し、さらに高温への対応を実現するための開発を進めてきました。以 下に高温用ハイブリッド IC を使用した地磁気センサの概要とその評価結果を紹介します。 2 高温化のキーポイント 高温動作における最も大きな障害は、電気部品の安定な動作とその信頼性です。 従来は耐高温材料を使用したプリント基板に高温用半田を使用して部品を取り付けて地 磁気センサの電気回路部分を構成していました。しかしながら、この手法では部品のパッ ケージの問題、プリント基板そのものの耐熱性、半田接合の高温における信頼性の問題か ら 175℃程度での使用が限界です。そこで、200℃での安定かつ高信頼な電気回路を実 現するために従来手法から脱却し、航空電子が多くの実績を有するハイブリッド IC 技術 （図 1 に示す）を応用して 200℃環境に対応した地磁気センサ回路を開発しました。 Copyright c 2008, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd. 航空電子技報 No.31（2008.3） 技術紹介 9 高温用ハイブリッド IC を使用した磁気センサの開発 3 㻌 ᅗ1䚷䝝䜲䝤䝸䝑䝗IC㛤Ⓨ⏕⏘ᐇ⦼ 㻌 㻌 㻌 1987 1990 1995 䚷䚷 2005 2000 㻌 㻌 㻌 ⯟✵Ᏹᐂ⏝䚷䝝䜲䝤䝸䝑䝗IC ( -54 䡚 +125 degC) 㻌 ຍ㏿ᗘィ⏝䚷䝝䜲䝤䝸䝑䝗IC (150degC) 㻌 㻌 ຍ㏿ᗘィ⏝䚷䝝䜲䝤䝸䝑䝗IC (175 degC) 㻌 㻌 㻌 ຍ㏿ᗘィ⏝䝝䜲䝤䝸䝑䝗IC (200 degC) 㻌 㻌 以下に今回開発した高温用ハイブリッド IC のポイントを示します。 ① ワイヤボンド IC 等、実装する部品の電極に応じた最適ワイヤでボンディングを行う ② 導電性接着剤 高温用導電性接着剤の選定 ③ サブストレート ( ハイブリッド IC 内の基板 ) 材質とパターン設計 熱膨張係数差を考慮した材質選定と導体抵抗による最適なパターン形成 ④ 封止方法の最適化 内部に影響を与えないクリーンな封止方法の選択 さらに今回の開発では、前述の基本的な高温用ハイブリッド IC 技術に加えて以下の技 術も重要なポイントでした。 ⑤ 地磁気センサとしての非磁性対策 地磁気センサの周囲に磁性体があると地磁気の正確な測定ができないため、本ハイ ブリッド IC も非磁性でなければなりません。今回ケースの材料として非磁性の金 属を使用し磁性金属のメッキも排除することにより非磁性化を実現しています。 Copyright c 2008, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd. 航空電子技報 No.31（2008.3） 技術紹介 9 高温用ハイブリッド IC を使用した磁気センサの開発 4 3 評価結果 3.1 高温用ハイブリッド IC の仕様 表 1 に磁気センサに使用する高温用ハイブリッド IC の仕様を示します。 また、写真 1 に本ハイブリッド IC の外観を示します。 表 1 ハイブリッド IC の仕様 項目 仕様 作動温度 ∼ 200℃ 電源電圧 ＋ 12V, −12V 消費電流 ＋25mA, −25mA 以下 寸法 68H × 20W × 7H 以下 その他 非磁性であること 写真 1 ハイブリッド IC 外観 Copyright c 2008, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd. 航空電子技報 No.31（2008.3） 技術紹介 9 高温用ハイブリッド IC を使用した磁気センサの開発 5 3.2 マグネットメータ・パッケージの仕様および評価結果 表 2 に本ハイブリッド IC を使用したマグネットメータ・パッケージの仕様と評価 結果を示します。 評価方法は 25℃から 175℃までは 25℃おきに、それ以上の温度では 185℃、 200℃、205℃、210℃で Bias、Scale Factor、Total Field Error を測定しました。 さらに、Bias と Scale Factor についてはこれらの測定値を補正して温度補正残差を 求めました。 2 台のマグネットメータ・パッケージについて評価を行いましたが、いずれも要求 仕様を満足し、高温における再現性を含めて、良好な結果を得ることができました。 表 2 マグネットメータ・パッケージの仕様と評価結果 項目 消費電流 仕様 ＋ 25m A, − 25m A 以下 No.1 評価結果 X軸 Y軸 Z軸 ＋ 23m A、− 18m A No.2 評価結果 X軸 Y軸 Z軸 記事 ＋ 23m A、− 18m A Bias 25℃での値 200℃までの変化量 温度補正残差 ± 5mGauss 以下 0.49 − 3.28 − 3.88 0.73 − 3.12 − 4.03 図 2 参照 ± 10mGauss 以下 4.08 8.93 5.17 4.24 7.48 4.87 図 3 参照 ± 1mGauss 以下 0.14 0.33 0.25 0.16 0.39 0.28 図 4 参照 Scale Factor 25℃での値 200℃までの変化量 温度補正残差 Total Field Error 7.84 ∼ 8.16V/Gauss 8.083 8.087 8.027 8.085 8.083 8.041 図 5 参照 ± 1% 以下 0.13 0.30 0.44 0.20 0.32 0.43 図 6 参照 ± 1000ppm 以下 129 80 231 662 292 484 図 7 参照 2mGauss 以下 0.56 @200℃ 1.17 @200℃ 注：本稿は、磁気の単位として慣例的に Gauss を使用しています。 SI 単位系による表記は 1mGauss=100nT となります。 Copyright c 2008, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd. 航空電子技報 No.31（2008.3） 技術紹介 9 高温用ハイブリッド IC を使用した磁気センサの開発 㼄㻌 㼅㻌 㼆㻌 㻮㼕㼍㼟 ᐃ್㻌 㻝㻜㻚㻜㻌 㻝㻜㻚㻜㻌 1R 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉㻌 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉㻌 㻡㻚㻜㻌 㻜㻚㻜㻌 㻙㻡㻚㻜㻌 㻜㻌 㻞㻡㻌 㼄㻌 㼅㻌 㼆㻌 㻮㼕㼍㼟 ᐃ್㻌 1R 6 㻡㻜㻌 㻣㻡㻌 㻝㻜㻜㻌 㻝㻞㻡㻌 㻝㻡㻜㻌 㻝㻣㻡㻌 㻞㻜㻜㻌 㻡㻚㻜㻌 㻜㻚㻜㻌 㻙㻡㻚㻜㻌 㻞㻞㻡㻌 㻜㻌 㼇䉝㼉㻌 㻞㻡㻌 㻡㻜㻌 㻣㻡㻌 㻝㻜㻜㻌 㻝㻞㻡㻌 㼇䉝㼉㻌 㻝㻡㻜㻌 㻝㻣㻡㻌 㻞㻜㻜㻌 㻞㻞㻡㻌 図 2 Bias 測定値 㼄㻌 㼅㻌 㼆㻌 㻮㼕㼍㼟ኚື㔞㻌 㻝㻜㻚㻜㻌 㻝㻜㻚㻜㻌 1R 1R 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉㻌 㻡㻚㻜㻌 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉㻌 㼄㻌 㼅㻌 㼆㻌 㻮㼕㼍㼟ኚື㔞㻌 㻜㻚㻜㻌 㻙㻡㻚㻜㻌 㻜㻌 㻞㻡㻌 㻡㻜㻌 㻣㻡㻌 㻝㻜㻜㻌 㻝㻞㻡㻌 㻝㻡㻜㻌 㻝㻣㻡㻌 㻞㻜㻜㻌 㻡㻚㻜㻌 㻜㻚㻜㻌 㻙㻡㻚㻜㻌 㻞㻞㻡㻌 㻜㻌 㼇䉝㼉㻌 㻞㻡㻌 㻡㻜㻌 㻣㻡㻌 㻝㻜㻜㻌 㻝㻞㻡㻌 㻝㻡㻜㻌 㻝㻣㻡㻌 㻞㻜㻜㻌 㻞㻞㻡㻌 㼇䉝㼉㻌 図 3 Bias 変動量 1R 㼅㍈ 㼆㍈ 㻝㻚㻜 㻝㻚㻜 㻜㻚㻡 㻜㻚㻡 㻜㻚㻡 㻜㻚㻜 㻙㻜㻚㻡 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉 㻝㻚㻜 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉 㼄㍈ 㻜㻚㻜 㻙㻜㻚㻡 㻙㻝㻚㻜 㻙㻜㻚㻡 㻙㻝㻚㻜 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㻜㻚㻜 㻙㻝㻚㻜 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㼇䉝㼉 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㼇䉝㼉 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㼇䉝㼉 1R 㼆㍈ 㼅㍈ 㻝㻚㻜 㻝㻚㻜 㻜㻚㻡 㻜㻚㻡 㻜㻚㻡 㻜㻚㻜 㻙㻜㻚㻡 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉 㻝㻚㻜 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉 㼇㼙㻳㼍㼡㼟㼟㼉 㼄㍈ 㻜㻚㻜 㻙㻜㻚㻡 㻙㻝㻚㻜 㻙㻜㻚㻡 㻙㻝㻚㻜 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㻙㻝㻚㻜 㻜 㼇䉝㼉 㻜㻚㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㼇䉝㼉 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㻝㻡㻜 㼇䉝㼉 図 4 Bias 温度補正残差 Copyright c 2008, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd. 航空電子技報 No.31（2008.3） 技術紹介 9 高温用ハイブリッド IC を使用した磁気センサの開発 㼄 㼅 㼆 㻤㻚㻝㻢 㻤㻚㻝㻢 㻤㻚㻜㻤 㻤㻚㻜㻤 㻤㻚㻜㻜 㻣㻚㻥㻞 㼄 㼅 㼆 㻿㼏㼍㼘㼑㻌㻲㼍㼏㼠㼛㼞㻌 ᐃ್ 㼇㼂㻛㻳㼍㼡㼟㼟㼉 㼇㼂㻛㻳㼍㼡㼟㼟㼉 㻿㼏㼍㼘㼑㻌㻲㼍㼏㼠㼛㼞㻌 ᐃ್ 7 㻤㻚㻜㻜 1R 㻣㻚㻥㻞 1R 㻣㻚㻤㻠 㻣㻚㻤㻠 㻜 㻞㻡 㻡㻜 㻣㻡 㻝㻜㻜 㻝㻞㻡 㻝㻡㻜 㻝㻣㻡 㻞㻜㻜 㻜 㻞㻞㻡 㻞㻡 㻡㻜 㻣㻡 㻝㻜㻜 㻝㻞㻡 㻝㻡㻜 㻝㻣㻡 㻞㻜㻜 㻞㻞㻡 㼇䉝㼉 㼇䉝㼉 図 5 Scale Factor 測定値 㼄 㼅 㼆 㻿㼏㼍㼘㼑㻌㻲㼍㼏㼠㼛㼞㻌ኚື㔞 㻝㻚㻜 㻝㻚㻜 1R 1R 㻜㻚㻡 㼇㻑㼉 㻜㻚㻡 㼇㻑㼉 㼄 㼅 㼆 㻿㼏㼍㼘㼑㻌㻲㼍㼏㼠㼛㼞㻌ኚື㔞 㻜㻚㻜 㻜㻚㻜 㻙㻜㻚㻡 㻙㻜㻚㻡 㻙㻝㻚㻜 㻙㻝㻚㻜 㻜 㻞㻡 㻡㻜 㻣㻡 㻝㻜㻜 㻝㻞㻡 㻝㻡㻜 㻝㻣㻡 㻞㻜㻜 㻜 㻞㻞㻡 㻞㻡 㻡㻜 㻣㻡 㻝㻜㻜 㻝㻞㻡 㻝㻡㻜 㻝㻣㻡 㻞㻜㻜 㻞㻞㻡 㼇䉝㼉 㼇䉝㼉 図 6 Scale Factor 変動量 1R 㼅㍈ 㼆㍈ 㻝㻜㻜㻜 㻝㻜㻜㻜 㻡㻜㻜 㻡㻜㻜 㻡㻜㻜 㻜 㼇㼜㼜㼙㼉 㻝㻜㻜㻜 㼇㼜㼜㼙㼉 㼇㼜㼜㼙㼉 㼄㍈ 㻜 㻙㻡㻜㻜 㻙㻡㻜㻜 㻙㻝㻜㻜㻜 㻙㻡㻜㻜 㻙㻝㻜㻜㻜 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㻜 㻙㻝㻜㻜㻜 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㼇䉝㼉 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㼇䉝㼉 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㼇䉝㼉 1R 㼅㍈ 㼆㍈ 㻝㻜㻜㻜 㻝㻜㻜㻜 㻡㻜㻜 㻡㻜㻜 㻡㻜㻜 㻜 㼇㼜㼜㼙㼉 㻝㻜㻜㻜 㼇㼜㼜㼙㼉 㼇㼜㼜㼙㼉 㼄㍈ 㻜 㻙㻡㻜㻜 㻙㻡㻜㻜 㻙㻝㻜㻜㻜 㻙㻡㻜㻜 㻙㻝㻜㻜㻜 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㻙㻝㻜㻜㻜 㻜 㼇䉝㼉 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㻝㻡㻜 㻞㻜㻜 㻞㻡㻜 㼇䉝㼉 㻜 㻡㻜 㻝㻜㻜 㼇䉝㼉 図 7 Scale Factor 温度補正残差 Copyright c 2008, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd. 航空電子技報 No.31（2008.3） 技術紹介 9 高温用ハイブリッド IC を使用した磁気センサの開発 8 4 むすび このたび油田掘削用マグネットメータ・パッケージ向けに、高温用ハイブリッド IC を 使用した地磁気センサを開発し 200℃までの温度範囲で良好な性能であることが確認で きました。 今後は 200℃環境での長期間にわたる信頼性試験など、各種試験の実施とお客様によ る評価を経て今年中には量産に移行する計画です。 また、これらの高温実装技術とノウハウ / 実績の蓄積をもとにして、今後は航空宇宙や 油田掘削等に限らず、最近 耐高温性の要求が高まっている“カーエレクトロニクス”等 への展開をはかってゆく計画です。 【参考文献】 1）安藤芳之：“油田掘削用インクリノメータ・パッケージの開発”, 航空電子技報 , 24 号（2001） 2）高辻祐輔：“油田掘削用マグネットメータ・パッケージの開発”, 航空電子技報 , 26 号（2003） 3）石井俊介：“デジタル・ディレクショナル・モジュールの開発” 航空電子技報 , 28 号（2005） Copyright c 2008, Japan Aviation Electronics Industry, Ltd. 航空電子技報 No.31（2008.3）