CN100485407C - 磁场传感器以及其电流传感器 - Google Patents

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Abstract

一种磁场传感器包括一个磁场传感单元(10)和一个磁场屏蔽(9)，该磁场屏蔽包括由一个空气隙(20)隔开的至少两个部件(12a、12b)，并且围绕放置在该磁场屏蔽的一个空腔(11)中的磁场传感单元。

Description

磁场传感器以及其电流传感器
技术领域
本发明涉及一种用于测量磁感应(磁通量密度)的磁场传感器。本发明还涉及一种用于通过感测由导体生成的磁场来测量导体中流动的电流的电流传感器。
背景技术
许多常规电流传感器具有磁路，该磁路包括磁性材料芯，该磁芯被提供了空气隙，在该空气隙中放置了磁场传感器，例如霍耳效应传感器。待测电流在其中流动的导体，通常称为“初级导体”，经过磁路一次或几次。通常在测量相对大的电流的应用中，或者由于诸如需要电流隔离或待测电流中存在DC分量这样的原因而无法使用诸如电流旁路或变压器这样的简单设备的应用中，可找到这种传感器。
上述类型的电流传感器通常可被分类成三组：闭环传感器、开环传感器以及将变压器效应用于高频的修改后的开环传感器群组。
闭环传感器依赖于由初级导体所生成的电流交链的补偿原理，通过次级线圈待测电流流经该初级导体，该次级线圈是由放置在磁路空气隙中的磁场传感器所控制的电路驱动的。因此，磁路的空气隙中的磁感应被调整成尽可能小，以便获得可忽略的测量误差。
开环传感器依赖于围绕初级导体的磁路的空气隙中的磁感应的测量。只要磁路的导磁率远高于空气或填充在空气隙中的具有与空气接近的导磁率(约等于1)的其他材料的导磁率，空气隙中的磁感应就正比于待测电流。在具有变压器效应的修改后的开环传感器中，低频电流是以与上述开环传感器相同的方式来测量的，而高频电流是通过连接到电流测量旁路的次级绕组来测量的。初级电流的高频分量通过变压器效应被传送到次级绕组，从而旁路的信号被电添加到测量感应空气隙的设备的信号。这使得开环传感器的有用频率范围能够被扩展，这是因为由于磁芯中的涡流效应和普通磁场传感器的有限带宽，未修改的开环传感器通常无法跟随急剧上升的高频电流。
与闭环传感器相比，开环电流传感器一般不那么复杂，并且成本不那么高，但是它们有不那么线性和稳定的缺点，从而具有更高的测量误差.
磁场传感器，例如霍耳效应传感器，显现了相对于温度的高偏置量和增益漂移，具有对机械应力敏感的另外缺点。
例如，由于传感器安放于其上的元件的相对热膨胀，这种问题限制了霍耳效应在具有相对较高的温度或遭受机械应力的应用中使用。例如，这种问题发生在集成功率模块(IPM，Integrated Power Module)中，这种集成功率模块具有安放在陶瓷衬底上的半导体功率芯片，通常称为“DCB”(Direct Copper Bonding，直接铜粘合)技术。在IPM操作时，120℃范围中的温度是常见的，这种温度对于没有偏置漂移的霍耳单元的稳定和线性操作是有问题的。
其他已知的磁场传感器，例如磁通闸门传感器(fluxgate sensor)或磁致阻抗传感器，与霍尔传感器相比更加稳定，并且具有较低的偏置和增量漂移。但是它们受其磁感应测量范围所限，此范围在几毫特斯拉(mT)量级，而在开环传感器的空气隙中，大于100mT的感应级别是常见的。
除了与电流测量相关的应用以外，还有许多需要在不利温度和/或机械应力情况中测量磁感应的应用。
发明内容
考虑到上述缺点，本发明的一个目的是提供一种电流传感器，其在大操作范围上具有高度线性和稳定性，并且遭受低偏置和增益漂移。另外还有利的是，这种传感器成本效率较高，并且紧凑。
本发明的另一个目的是提供一种磁场传感器，其具有低偏置和增益漂移，并且能够测量大磁感应级别。另外还有利的是，提供一种鲁棒的并且能够在大温度范围上精确操作的磁场传感器。
附图说明
本发明的目的和有利特征将从以下说明、权利要求和附图中显现出来，附图中：
图1是透视根据本发明的磁场传感器的第一实施例的分解图；
图2a是透视根据本发明的磁场传感器的传感单元的部分截面图；
图2b是透视图2a所示的传感单元的下侧的视图；
图3a、3b和3c是透视根据本发明的传感单元的软磁芯的变体的视图；
图4是透视根据本发明的电流传感器的实施例的视图；
图5是根据本发明的电流传感器的磁路的实施例的平面图，其中磁场屏蔽被放置在磁路的空气隙中，并且显示了磁能量线B；
图6是图5的实施例的磁场屏蔽的详细截面图；
图7是透视根据本发明的封装的电流传感器的实施例的视图；
图8是透视根据本发明的磁场传感器的第二实施例的分解图；
图9是透视根据本发明的磁场传感器的第三实施例的分解图；
图10是根据本发明的另一个实施例的磁场传感器的部分截面图；
图11是图10的磁场传感器的箭头X方向上的视图，其中磁场屏蔽的上半部被去除；以及
图12是透视根据本发明的封装的电流传感器的分解图。
具体实施方式
参见附图，用于测量初级导体1中的初级电流Ip的电流传感器2，包括一个磁路3和一个磁场传感器4、104、204、304、404。磁路3包括一个导磁材料的磁芯5，并且在端面27a、27b之间被提供了一个空气隙6，其中放置了磁场传感器。磁芯5一般被示为环形部件，其带有一个中央开口7，初级导体1经过该开口延伸。但是，在不脱离本发明的范围的情况下，也可提供其他磁路形状，例如矩形、多边形、螺旋管形或者其他形状.此外，初级导体1被示为延伸经过磁路，但是，初级磁体也可被提供多个绕组或导体部分，这些绕组和导体部分缠绕在磁路芯5周围并且延伸穿过开口7。磁芯5的磁材料可被提供已知的这种一般类型的电流传感器中所找到的属性，并且具有分层状构造，以降低涡流。
正如图4或5中最佳看出的，有利地，磁芯5的端面27a、27b各自在磁芯的外围处具有一个延伸部分28a、28b，其减小空气隙的宽度。通过沿磁芯的外围传导外部磁通量，这些外部延伸部分有利地降电流传感器外生成的磁场的干扰作用，从而避免了磁场传感器4、104、204、304、404。由于对称原因，也可沿着磁芯5的内围提供延伸部分29a、29b.
电流传感器可具有开环电流传感器的一般特性，即没有(闭环传感器中所找到的)用于补偿由初级导体生成的安培匝数的次级线圈或导体。但是，如图4所示，所述传感器可在磁芯5周围被提供一个次级绕组8，用于检测变压器效应产生的高频电流。
磁场传感器4、104、204、304、404包括由软磁性材料制成的磁场屏蔽9、109、209、412，以及放置在磁场屏蔽的空腔11中的传感单元10、310。磁场屏蔽包括至少两个外壳部分12、12a、12b、112、212、412，其间由一个小空气隙20隔开。在图1所示的实施例中，磁场屏蔽9一般具有轴对称或圆柱形状，并且被安排成圆柱的中轴与在电流传感器空气隙6上延伸的磁通线成一直线。但是，磁场屏蔽也可被提供非轴对称形状，例如具有矩形(参见图8、9、和12)、多边形或椭圆截面。还可以提供具有非棱柱形状的磁场屏蔽，例如像在图6中所示的磁场屏蔽9的实施例的纵向截面中所看到的那样。
在图8和9的实施例中，磁场屏蔽109、209是全部或部分由金属片压印并形成，其在形成后可被退火，以确保均匀和最佳的磁属性，比如高导磁率和低矫磁力。与用机器造的屏蔽相比，大量的磁场屏蔽的压印和形成的成本效率尤其高。
磁场屏蔽的外壳部分412也可从导磁材料以机器制成，如图12所示。
空气隙20可用具有低导磁率的材料(换句话说即非磁性材料)来填充。空气隙最好包括一种材料，例如焊料或粘合剂，用于将外壳部分对12、112、212、412粘合在一起。一个与磁场传感器的轴基本平行地延伸的纵向槽13、113、213、313、413被提供在磁场屏蔽9、109、209、309、412中，并且帮助降低软磁性屏蔽中的涡流.该槽还可充当用于连接到传感单元10、310的导电构件14、214、314、414进入磁场屏蔽中的通路.在图8的实施例中，槽213是通过将磁场屏蔽外壳部件分离成第一和第二部分212a和212b来形成的，这两个部分被装配在导电构件214的衬底的相对侧上。从而衬底的厚度定义了纵向槽213的宽度。
在图12的实施例中，在装配时，纵向槽413被用机器制造在外壳部件412中，并且衬底414被插进槽中。
导电构件14、414可采取柔性印刷电路的形式，其具有导电轨道15，用于将一个用于处理传感器信号的电子电路22(参见图7和12)连接到磁场传感单元10、310。如图9所示，印刷电路也可被提供金属化部分15a，用于将磁场屏蔽部件的部分212a和212b焊接到其上。但是，磁场屏蔽部件的部分也可用粘合剂来粘合到导电构件，或者通过机械装置固定。
磁场传感单元10、310包括一个线圈16、316和一个可饱和软磁芯17、317。线圈16被安放在一个线轴18上，该线轴被提供了一个凹槽19或空腔319，软磁芯17、317被安放在其中。在所示的实施例中，线圈16是由一根绝缘电线制成的，该绝缘电线经由其粘合到连接垫16c的末端16a、16b，连接到导电构件14、214的各导电轨道15。线圈和线轴可被一个外壳30部分覆盖，这不仅帮助保护线圈，也帮助将传感单元放置在磁场屏蔽的空腔内。
有利地，软磁芯17、117、217是由一根软磁性材料的细带制成的，其厚度最好小于0.1mm。细带17、117、217的截面可随其长度变化，如图3a到3c的不同变体所示，以便实现在其整个体积上基本恒定的磁感应值，这帮助了以一种非常陡峭的方式饱和所述细带，并且导致易由相关电子电路检测到的磁通闸门的饱和电流阈值。
如图10和11的实施例所示的软磁芯317，也可由多根由软磁性材料制成的非常细的金属丝制成，这些金属丝被捆扎或粘合在一起以形成一般为圆柱形的形状，并且被放置在线轴318的一个空腔319中。金属丝最好非常细，例如直径在10到50微米范围中，例如30微米，并且用一种介电材料粘合到一起，以最小化涡流。这使得传感单元310能够在非常高的频率下操作，而不损失线性。
上述磁场传感单元10、310以与已知的磁通闸门传感器类似的方式操作。存在不同的已知技术，通过这些技术磁通闸门传感器可被电子电路所控制，以确定待测感应值，这种技术也可应用于根据本发明的磁场传感单元的控制。
磁通闸门传感器是非常稳定和精确的，并且具有低偏置漂移和增益。但是，磁通闸门传感器的主要缺点是它具有较低的磁感应操作范围，通常只有几毫特丝拉量级，因此在具有大磁场的电流传感器中难以找到。
在本发明中，通过将磁场传感单元10、310放置在带有空气隙20的磁场屏蔽9、109、209中，克服了此问题，所述空气隙20充当了感应划分器。磁场屏蔽9、109、209传导大部分磁能量，其比例取决于外壳部件12、112、212、412之间的空气隙20的宽度。屏蔽内的磁感应直接正比于屏蔽的软磁性材料中出现的磁感应，但是其值低得多。
例如，如果磁场屏蔽具有μr＝105的导磁率，并且外壳部件12、112、212、412之间的空气隙宽10微米，则电流传感器的空气隙6中的磁感应是60mT，传感单元10、310的磁芯17、317内的磁感应小于2mT。
因此，有利地，磁场传感器4、104、204、304被用于测量100至200mT那么大的磁感应，同时受益于磁通闸门传感单元的精确性和稳定度以及无偏置和增益漂移。
取代磁通闸门传感器，可以采用其他类型的灵敏磁场传感单元，这些单元也显现了较低的温度偏置和增益漂移。可用于本发明中的其他这种磁场传感单元的示例是任何种类的所谓的巨磁致阻抗传感器或磁致电阻传感器。
要注意到，根据本发明的磁场传感器不仅可用于测量电流传感器的空气隙中的磁感应，还可用于在其他应用中测量磁感应，例如换能器中生成的磁感应，例如位置传感器、接近开关或编码器以及其他磁场系统。
参见图7，用于集成功率模块(IPM)中的根据本发明的一种电流传感器的示例被示出。该电流传感器被示为安放在一个电路板22的衬底上，其可以是陶瓷材料的并且其上带导电轨道。磁路3被直接固定到电路板22上，并且围绕一个穿过其延伸的初级导电棒1。具有任何上述实施例的构造的磁场传感器，也可被直接粘合到印刷电路板，从而其柔性电路14导电地连接到导电轨线，这些导电轨线将磁场传感器连接到一个用于处理传感器输入和输出信号的ASIC 23。到电路板的外部连接可经由一个连接器24来提供，该连接器安放在电路板上并且可插到一个互补电缆连接器25中。
在此实施例中，次级绕组8的导体采取U形金属丝的形式，这些金属丝被放置在磁芯5的部分上，并且被粘合到电路板22的电路轨线上。次级线圈电路轨线在磁芯5之下穿过，以便与U形金属丝一起基本上形成围绕磁芯的线圈。
尤其对于高操作温度，有利地提供了一种尤其紧凑和有抵抗力的电流传感器。

Claims (17)

1.一种磁场传感器，用于测量所述磁场传感器外部的磁场，包括一个磁场传感单元(10、310)和一个由软磁性材料制成的磁场屏蔽(9、109、209)，所述磁场屏蔽(9、109、209)包括至少两个由一个空气隙(20)隔开的、并且包围放置在所述磁场屏蔽的一个空腔(11)中的所述磁场传感单元的部件(12、112、212、412)。
2.如权利要求1所述的磁场传感器，其中所述磁场传感单元包括一个软磁芯(17、317)，所述软磁芯由连接到一个电路的一个线圈(16)所包围，所述电路用于生成和处理所述磁场传感单元的电信号，以便提供一个输出信号，该输出信号是待测磁信号的函数。
3.如权利要求1所述的磁场传感器，还包括一个柔性电路(14、214)，所述柔性电路(14、214)穿过一个槽(13、113、213)延伸到所述磁场屏蔽中，并且连接到所述传感单元的一个线圈(16)。
4.如权利要求2或3所述的磁场传感器，其中所述磁场传感单元的软磁芯包括一个或多个由一种软磁性材料制成的带子。
5.如权利要求2或3所述的磁场传感器，其中所述磁场传感单元的软磁芯包括捆扎在一起的、由一种软磁性材料制成的细金属丝。
6.如权利要求1所述的磁场传感器，其中所述磁场屏蔽具有围绕一个中轴轴对称的形状，并且被安放在一个待测磁场中，以使得所述中轴与所述磁场的磁通线平行。
7.如权利要求1所述的磁场传感器，其中所述磁场屏蔽的空气隙是平面的，并且与所述磁通线垂直。
8.如权利要求1所述的磁场传感器，其中所述磁场屏蔽被提供一个纵向槽(13、113、213、413)，以降低所述磁场屏蔽中的涡流。
9.如权利要求1所述的磁场传感器，其中所述磁场屏蔽至少部分是由金属片压印并形成的。
10.用于测量一个初级导体(1)中流动的电流(Ip)的电流传感器，包括一个具有一个空气隙(6)的磁路(3)以及放置在所述空气隙中的、根据权利要求1的磁场传感器。
11.如权利要求10所述的电流传感器，其中所述磁路包括包围所述初级导体的一个软磁性材料芯(5)，所述芯的端面(27a、27b)具有延伸部分(28a、28b)，所述延伸部分减小所述空气隙沿所述磁芯的外围的宽度。
12.如权利要求10所述的电流传感器，还包括一个次级导体(8)，所述次级导体缠绕在所述磁芯周围，用于通过变压器效应测量高频电流。
13.如权利要求10所述的电流传感器，还包括一个电路板(22)，其由一种陶瓷或其他材料制成，所述电路板上具有导电轨道。
14.如权利要求13所述的电流传感器，其中所述磁路(3)被直接固定到所述电路板上。
15.如权利要求14所述的电流传感器，其中所述磁场传感器(4、104、204、304、404)被直接固定在所述电路板上。
16.如权利要求15所述的电流传感器，其中所述磁场传感器的柔性电路(14、214、414)导电地连接到所述电路板上的导电轨线上，所述导电轨线将所述磁场传感器连接到安放在所述电路板上的、用于处理所述传感器输入和输出信号的一个ASIC(23)。
17.如权利要求16所述的电流传感器，其中次级绕组(8)的导体采取U形金属丝(26)的形式，被放置在所述磁芯(5)的部分之上，并且被粘合到所述电路板(22)的电路轨线上。
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Granted publication date: 20090506