CN103134970B - 适于汽车应用的集成霍尔传感器和电流检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电流测量技术，特别涉及一种结构紧凑的集成霍尔传感器和基于该集成霍尔传感器的电流检测装置。按照本发明的集成霍尔传感器包括：衬底，在其中一个表面上形成有两个霍尔传感元件和处理电路；形成于所述衬底另一个表面上的铁磁层；以及将所述衬底和铁磁层封装在其内的壳体，其中，所述铁磁层被分为两部分，该两部分在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状，所述两个霍尔传感元件分别位于所述两部分的下方并且相对于所述两部分之间的空隙对称分布，并且所述处理电路被配置为按照下列方式运行：将所述两个霍尔传感元件的输出信号相减；以及根据相减后的信号确定被测电流的大小。

Description

适于汽车应用的集成霍尔传感器和电流检测装置

技术领域

本发明涉及电流测量技术，特别涉及一种结构紧凑的集成霍尔传感器和基于该集成霍尔传感器的电流检测装置。

背景技术

电流检测技术在汽车领域已经得到了广泛的应用。目前最为普遍的是采用霍尔传感器来测量电流。在典型的霍尔电流传感器中，当电流流经主电路时，将产生一强度正比于电流大小的磁场，该磁场在霍尔元件内感应出电压信号，该信号经功率放大器放大后输出，通过测量信号的大小即可确定主电路内的电流。

图1示出了利用霍尔元件检测电流的原理。如图1所示，霍尔元件是一种半导体薄片，当沿薄片的横向通过电流Ic时，在垂直于薄片表面的磁场B的作用下，极性不同的载流子在洛仑兹力的驱动下将在薄片的上下两侧分别累积，从而在上下两侧之间产生大小与磁感应强度B成正比的霍尔电势。由于磁感应强度B与待测电流的大小成正比，因此通过测量霍尔电势可以确定出待测电流的强度。

上述传统的霍尔元件的灵敏度较低，输出信号有偏置电压和噪声，对于处理电路要求高，系统成本高。而且传统的霍尔传感器如果使用不当，它的霍尔电压与磁感应强度为非线性关系，从而严重影响检测精度。在汽车应用中，霍尔传感器需要工作在复杂的电气和温度环境下，这使得上述问题更为突出。

在汽车用电负载中，诸如空调器、音响、车窗升降控制器、座椅加热器、风扇马达之类的电器数量众多，这类用电设备的安装空间比较局促。然而，目前一般都使用聚集磁场的装置(例如铁心)来提高霍尔传感器的灵敏度，这些装置需要耗费金属材料，而且体积较大，因此不利于测量装置的小型化。

由上可见，迫切需要一种能够克服上述缺点的霍尔电流传感器。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种适于汽车应用的集成霍尔传感器，其具有高灵敏度和易于小型化等优点。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种集成霍尔传感器，包括：

衬底，在其中一个表面上形成有霍尔传感元件和处理电路；

形成于所述衬底另一个表面上的铁磁层；以及

将所述衬底和铁磁层封装在其内的壳体，

其中，所述铁磁层被分为两部分，所述霍尔传感元件位于所述两部分的其中一个的下方。

优选地，在上述集成霍尔传感器中，所述铁磁层的两部分在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状，所述霍尔传感元件被设置在所述外凸曲线的凸点之间的连线上。

优选地，在上述集成霍尔传感器中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

y＝-ax⁴+bx²+c

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a、b和c＞0。

优选地，在上述集成霍尔传感器中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

$y=a\frac{\sin x}{x}$

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a＞0。

上述目的还可以由下述技术方案实现。

一种集成霍尔传感器，包括：

衬底，在其中一个表面上形成有两个霍尔传感元件和处理电路；

形成于所述衬底另一个表面上的铁磁层；以及

将所述衬底和铁磁层封装在其内的壳体，

其中，所述铁磁层被分为两部分，该两部分在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状，所述两个霍尔传感元件分别位于所述两部分的下方并且相对于所述两部分之间的空隙对称分布在所述外凸曲线的凸点之间的连线上，并且所述处理电路被配置为按照下列方式运行：

将所述两个霍尔传感元件的输出信号相减；以及

根据相减后的信号确定被测电流的大小。

本发明的另一个目的是提供一种适于汽车应用的电流检测装置，其具有高灵敏度和易于小型化等优点。

上述目的可以由下述技术方案实现。

一种适于汽车应用的电流检测装置，包括：

印刷电路板；

安装在所述印刷电路板上的集成霍尔传感器，包含：

衬底，在其中一个表面上形成有霍尔传感元件和处理电路；

形成于所述衬底另一个表面上的铁磁层；以及

将所述衬底和铁磁层封装在其内的壳体，被安装在所述印刷电路板的布线附近，

其中，所述铁磁层被分为两部分，所述霍尔传感元件位于所述两部分的其中一个的下方。

上述目的还可以由下述技术方案实现。

一种适于汽车应用的电流检测装置，包括：

印刷电路板；

安装在所述印刷电路板上的集成霍尔传感器，包含：

衬底，在其中一个表面上形成有霍尔传感元件和处理电路；

形成于所述衬底另一个表面上的铁磁层；以及

将所述衬底和铁磁层封装在其内的壳体，被安装在所述印刷电路板的布线附近，

其中，所述铁磁层被分为两部分，该两部分在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状，所述两个霍尔传感元件分别位于所述两部分的下方并且相对于所述两部分之间的空隙对称分布在所述外凸曲线的凸点之间的连线上，并且所述处理电路被配置为按照下列方式运行：

将所述两个霍尔传感元件的输出信号相减以扣除垂直于所述霍尔传感元件表面的、与所述布线内通过的被测电流无关的磁场的分量；以及

根据相减后的信号确定被测电流的大小。

优选地，在上述电流检测装置中，所述印刷电路板为汽车空调器的控制电路板。

按照本发明的实施例，由于采用铁磁层来聚集磁场，因此大大提高了磁场检测的灵敏度。而且铁磁层与霍尔传感元件以及处理电路都可利用CMOS工艺形成，因此有利于器件小型化和降低制造成本。再者，铁磁层的引入将水平磁场变换为垂直磁场，使得霍尔传感元件能够设置在更为靠近待测电流的位置，进一步提高了灵敏度。

从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其它目的及优点更加完全清楚。

附图说明

图1为按照本发明一个实施例的集成霍尔传感器的剖面示意图。

图2示出了图1所示集成霍尔传感器的俯视图。

图3为按照本发明另一个实施例的集成霍尔传感器的剖面示意图。

图4示出了图3所示集成霍尔传感器的俯视图。

图5为按照本发明另一个实施例的适于汽车应用的电流检测装置。

具体实施方式

下面通过参考附图描述具体实施方式来阐述本发明。但是需要理解的是，这些具体实施方式仅仅是示例性的，对于本发明的精神和保护范围并无限制作用。

在本说明书中，“耦合”一词应当理解为包括在两个单元之间直接传送能量或信号的情形，或者经一个或多个第三单元间接传送能量或信号的情形，而且这里所称的信号包括但不限于以电、光和磁的形式存在的信号。另外，“包含”和“包括”之类的用语表示除了具有在说明书和权利要求书中有直接和明确表述的单元和步骤以外，本发明的技术方案也不排除具有未被直接或明确表述的其它单元和步骤的情形。再者，诸如“第一”、“第二”、“第三”和“第四”之类的用语并不表示单元或数值在时间、空间、大小等方面的顺序而仅仅是作区分各单元或数值之用。

还需要指出的是，为阐述方便，附图中各单元并不一定按照它们实际的比例绘制，而且附图中各单元的尺寸以及它们之间的比例不构成对本发明保护范围的限定。

图1为按照本发明一个实施例的集成霍尔传感器的剖面示意图。

如图1所示，该集成霍尔传感器10包括衬底110、铁磁层120、壳体130和引脚140。

利用典型的CMOS工艺可在衬底110表面形成功能电路层111，该功能电路层包括霍尔传感元件111A(图1中以阴影示出)和对霍尔传感元件测量的霍尔电压信号进行处理(例如放大、存储、模数转换、滤波和温度补偿等)的处理电路。

在衬底110的与形成功能电路层的表面相对的表面上附着有铁磁层120，其也可以借助于CMOS工艺形成。铁磁层120可采用高导磁率、低矫顽磁场的铁磁材料制成。

在本实施例中，铁磁层120由互不连通的第一部分121和第二部分122组成。由于铁磁层120的存在，衬底附近的磁场分布将发生变化，因此通过选择合适的铁磁层120形状以及其与霍尔传感元件的位置关系，可以将磁场集聚到霍尔传感元件上，从而提高检测灵敏度。特别是，在铁磁层120的两个部分121和122之间的空隙处，原本平行于衬底表面的磁场将发生弯曲，从而将水平磁场变换为垂直于衬底表面的磁场。另一方面，空隙实际上还起着聚集磁场的作用，使得在空隙附近的磁场的垂直分量最大，因此当如图1所示将霍尔传感元件111A设置在平行于衬底的水平方向上比较靠近空隙的区域时，可以大大提高检测的灵敏度。

图2示出了图1所示集成霍尔传感器的俯视图。

为突出重点，图2未画出集成霍尔传感器的壳体和引脚等部分，而且以虚线框的形式表示位于铁磁层下方的霍尔传感元件。但是对于本领域内的技术人员来说，上述这些图示方式不会给他们对本发明实施例的理解带来任何困难。

如图2所示，在衬底110上形成铁磁层120，其由第一和第二部分121和122组成，它们之间存在空隙。在本实施例中，这两部分121和122在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状。优选地，霍尔传感元件311A设置在两条外凸曲线的凸点之间的连线(图2中以虚线表示)上。

本发明的发明人在深入研究之后发现，当轮廓呈下列形式的外凸曲线时，与轮廓呈直线状的情形相比，聚磁效果明显增强：

y＝-ax⁴+bx²+c(1)

这里，x和y为轮廓的任一点的坐标，a、b和c＞0。

可选地，当轮廓呈下列形式的外凸曲线时，也可以获得较佳的聚磁效果：

$y=a\frac{\sin x}{x}---\left(2\right)$

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a＞0。

衬底110和铁磁层120都被封装壳体130内，集成霍尔传感器10与外部设备之间传送的控制信号、输出/输入信号以及外部电源的供电电流等都经过从壳体130引出的引脚140传输。

以下对本实施例的集成霍尔传感器的检测灵敏度要求作一个估算。

根据电磁学理论，加载电流的长直导线周围将产生磁场，并且磁场强度B与通过的电流I大小成正比，与距离r成反比。在实际应用中，可以合理地将长直导线视为无限长的细导线，因此其周围磁场为：

$B\left(r\right)=\frac{\mathrm{\μI}}{2\mathrm{\πr}}---\left(3\right)$

这里μ为磁导率，在图1所示的布局中，虽然霍尔传感元件与导线之间相隔有衬底和铁磁层，但是研究表明，将可以将μ取为真空磁导率对于估算结果无实质性的影响。

假设通过导线的电流强度为5安培，霍尔传感元件距离导线的距离为2毫米，则磁场强度大约为4×10^-4特斯拉。当电压输出要求在0.1伏以上时，使用灵敏度为300V/T的集成霍尔传感器即可满足要求。

另外，由式(3)可见，通过减小霍尔传感元件与导线之间的距离，可以提高灵敏度。为此，壳体130可采用SSOP的封装形式。

在实际的应用环境中(例如汽车内部)，存在各种电磁干扰源，也就是说，施加在霍尔元件表面的磁场除了待测电流的分量以外，还包括其它来源。为了减小这种干扰磁场的影响，在本发明的另一实施例中采用两个霍尔传感元件的布置。

图3为按照本发明另一个实施例的集成霍尔传感器的剖面示意图。

如图3所示，该集成霍尔传感器30包括衬底310、铁磁层320、壳体330和引脚440。

在衬底310表面形成功能电路层，该功能电路层311包括两个霍尔传感元件31IA和311B(图3中以阴影示出)和对霍尔传感元件测量的霍尔电压信号进行处理(例如放大、存储、模数转换、滤波和温度补偿等)的处理电路。

在衬底110的与形成功能电路层的表面相对的表面上附着有铁磁层120，其也可以借助于CMOS工艺形成。在本实施例中，铁磁层320也由两个互不连通的第一和第二部分321和322组成，它们改变了衬底附近的磁场分布。同样，这两部分在相互面对的一侧的轮廓也可呈对称的外凸曲线的形状，并且更为优选地采用由式(1)和(2)限定的形式。

如图3所示，霍尔传感元件311A和311B分别被对称地设置在第一部分和第二部分321和322的下方的位置。图4示出了图3所示集成霍尔传感器的俯视图，其进一步示出了霍尔传感元件布局的细节。

为突出重点，图4未画出集成霍尔传感器的壳体和引脚等部分，而且以虚线框的形式表示位于铁磁层下方的霍尔传感元件。对于本领域内的技术人员来说，上述这些图示方式不会给他们对本发明实施例的理解带来任何困难。

参见图4，第一和第二部分321和322在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状，霍尔传感元件311A和311B沿着穿越两部分之间的空隙的中心线对称地分布在第一和第二部分的下方，并且优选地位于外凸曲线的凸点之间的连线(图4中的虚线)上。如前所述，在空隙附近，沿平行于衬底方向的磁场被铁磁层320的第一和第二部分321和322变换为垂直于衬底表面的磁场。由于霍尔传感元件311A和311B对称地位于不同的铁磁层部分的下方，因此作用于这两个霍尔传感元件的磁场强度相等但是方向相反。另一方面，垂直于霍尔传感元件表面的干扰磁场分量在小区域内是均匀分布的，也即它们的强度和方向都是相同的。由此，作用于霍尔传感元件311A和311B的垂直磁场B₁和B₂可分别表示为：

B₁＝B_I+B_int(4)

B₂＝-B_I+B_int(5)

这里，B_I和B_int分别为待测电流产生的磁场分量和干扰磁场分量。

如果霍尔传感元件311A和311B的性能一致或基本上一致，则通过将其输出的霍尔电势相减，就可以将垂直于霍尔传感元件表面的干扰磁场分量扣除，从而进一步提高了检测精度。

图5为按照本发明另一个实施例的适于汽车应用的电流检测装置。

如图5所示，该电流检测装置50包括印刷电路板510、集成霍尔传感器520、形成于印刷电路板510表面的布线530。为简化起见，这里未画出集成霍尔传感器的内部结构。

流经布线530的电流将产生磁场，因此将集成霍尔传感器520安装在布线附近时即可测得电流强度。在本实施例中，可以将集成霍尔传感器520焊接在印刷电路板510上，需要检测的电流布线从集成霍尔传感器520的下方穿过。

霍尔集成传感器510可以采用如上借助图1-4所述的实施例，这里不再赘述。

此外，通过设计合适的印刷电路板布线可以调节集成霍尔传感器的测量范围。例如，为使待测电流落在集成霍尔传感器的最佳测量范围，可以采用多线分流的方法使通过集成霍尔传感器的导线电流减小以减小磁场强度，或者使导线多次同向通过集成霍尔传感器来增大电流强度以增强磁场强度。

本实施例的电流检测装置可以与其它装置集成在一起。例如印刷电路板510可以是汽车空调的控制电路板，从而将电流检测与空调控制功能在一个装置中实现。

由于可以在不背离本发明基本特征的精神下，以各种形式实施本发明，因此本实施方式是说明性的而不是限制性的，由于本发明的范围由所附权利要求定义，而不是由说明书定义，因此落入权利要求的边界和界限内的所有变化，或这种权利要求边界和界限的等同物因而被权利要求包涵。

Claims (16)

1.一种集成霍尔传感器，其特征在于，包括：

衬底，在其中一个表面上形成有霍尔传感元件和处理电路；

形成于所述衬底另一个表面上的铁磁层；以及

将所述衬底和铁磁层封装在其内的壳体，

其中，所述铁磁层被分为互不连通的两部分，所述霍尔传感元件位于所述两部分的其中一个的下方。

2.如权利要求1所述的集成霍尔传感器，其中，所述铁磁层的两部分在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状，所述霍尔传感元件被设置在所述外凸曲线的凸点之间的连线上。

3.如权利要求2所述的集成霍尔传感器，其中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

y＝-ax⁴+bx²+c

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a、b和c>0。

4.如权利要求2所述的集成霍尔传感器，其中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

$y=a\frac{\sin x}{x}$

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a>0。

5.一种集成霍尔传感器，其特征在于，包括：

衬底，在其中一个表面上形成有两个霍尔传感元件和处理电路；

形成于所述衬底另一个表面上的铁磁层；以及

将所述衬底和铁磁层封装在其内的壳体，

其中，所述铁磁层被分为互不连通的两部分，该两部分在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状，所述两个霍尔传感元件分别位于所述两部分的下方并且相对于所述两部分之间的空隙对称分布在所述外凸曲线的凸点之间的连线上，并且所述处理电路被配置为按照下列方式运行：

将所述两个霍尔传感元件的输出信号相减；以及

根据相减后的信号确定被测电流的大小。

6.如权利要求5所述的集成霍尔传感器，其中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

y＝-ax⁴+bx²+c

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a、b和c>0。

7.如权利要求5所述的集成霍尔传感器，其中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

$y=a\frac{\sin x}{x}$

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a>0。

8.一种适于汽车应用的电流检测装置，其特征在于，包括：

印刷电路板；

安装在所述印刷电路板上的集成霍尔传感器，包含：

衬底，在其中一个表面上形成有霍尔传感元件和处理电路；

形成于所述衬底另一个表面上的铁磁层；以及

将所述衬底和铁磁层封装在其内的壳体，被安装在所述印刷电路板的布线附近，

其中，所述铁磁层被分为互不连通的两部分，所述霍尔传感元件位于所述两部分的其中一个的下方。

9.如权利要求8所述的电流检测装置，其中，所述铁磁层的两部分在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状，所述霍尔传感元件被设置在所述外凸曲线的凸点之间的连线上。

10.如权利要求9所述的电流检测装置，其中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

y＝-ax⁴+bx²+c

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a、b和c>0。

11.如权利要求9所述的电流检测装置，其中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

$y=a\frac{\sin x}{x}$

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a>0。

12.如权利要求8所述的电流检测装置，其中，所述印刷电路板为汽车空调器的控制电路板。

13.一种适于汽车应用的电流检测装置，其特征在于，包括：

印刷电路板；

安装在所述印刷电路板上的集成霍尔传感器，包含：

衬底，在其中一个表面上形成有两个霍尔传感元件和处理电路；

形成于所述衬底另一个表面上的铁磁层；以及

将所述衬底和铁磁层封装在其内的壳体，被安装在所述印刷电路板的布线附近，

其中，所述铁磁层被分为互不连通的两部分，该两部分在相互面对的一侧的轮廓呈对称的外凸曲线的形状，所述两个霍尔传感元件分别位于所述两部分的下方并且相对于所述两部分之间的空隙对称分布在所述外凸曲线的凸点之间的连线上，并且所述处理电路被配置为按照下列方式运行：

将所述两个霍尔传感元件的输出信号相减以扣除垂直于所述霍尔传感元件表面的、与所述布线内通过的被测电流无关的磁场的分量；以及

根据相减后的信号确定被测电流的大小。

14.如权利要求13所述的电流检测装置，其中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

y＝-ax⁴+bx²+c

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a、b和c>0。

15.如权利要求13所述的电流检测装置，其中，所述外凸曲线以下列曲线方程表示：

$y=a\frac{\sin x}{x}$

这里，x和y为所述轮廓的任一点的坐标，a>0。

16.如权利要求13所述的电流检测装置，其中，所述印刷电路板为汽车空调器的控制电路板。