CN108254609A - 集成电流传感器器件和对应的电子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及集成电流传感器器件和对应的电子器件。集成电流传感器器件耦合到第一导电线，集成电流传感器器件具有：封装体；采用导电材料的支撑结构，支撑结构布置在封装体内；裸片，由封装体内的支撑结构携载并且集成沿着传感器轴线对准布置的第一和第二磁场传感器元件以及电子电路，电子电路操作性地耦合到第一和第二磁场传感器元件以实现差分检测。支撑结构限定针对封装体内的电流的路径，路径具有：第一路径部分，在第一磁场传感器元件处延伸；第二路径部分，在第二磁场传感器元件处延伸；以及第三路径部分，连接第一和第二路径部分；其中，第一和第二路径部分相对于横向轴线布置在传感器轴线的对向侧，横向轴线横向于传感器轴线。

Description

集成电流传感器器件和对应的电子器件
技术领域
本发明涉及集成电流传感器器件和对应的电子器件。
背景技术
存在需要用于检测电流值的电流传感器器件的若干应用；例如，若干工业应用需要使用能够检测高值电流(甚至是大约数百安培电流)的电流传感器器件。
具体地，已知解决方案设想到使用霍尔效应电流传感器，霍尔效应电流传感器能够检测由流过导线的电流所生成的磁场。根据所检测到的磁场，由此可以确定电流值。
使用霍尔效应传感器或类似的磁场传感器(例如，磁阻型)的优点在于，只有这些传感器通常具有低偏移以及相对于温度相同偏移下的高稳定性；此外，这些传感器通常具有低插入损耗。
例如，US 5,041,780公开了一种电流传感器器件，该电流传感器器件使用霍尔效应传感器来检测流过导体的电流的值。
如图1A和图1B中所示，用1标示的这个传感器器件包括平面或“总线”型的电流导体2，该电流导体具有沿着水平平面xy中的第一水平轴线x的纵向延伸以及在感测部分3处变窄的构造。导体2具有一对凹陷4a、4b，这对凹陷4a、4b限定构成前述感测部分3的其减小片段的一部分。例如，导体2耦合至本文中未展示的印刷电路板(PCB)。
支撑衬底5布置在导体2上在感测部分3处。此外，集成器件(芯片)6布置在支撑衬底5上在与导体2的感测部分3竖直对应的位置、通过采用电绝缘材料的绝缘或屏蔽层7与该同一导体2分开。
具体地，并且如示意性示出的，集成器件6集成属于霍尔效应类型的第一磁场传感器8a和第二磁场传感器8b，从而使得这些相同的传感器布置在导体2的感测部分3的对向侧，每个传感器均处于相应凹陷4a、4b的端部部分处。前述磁场传感器8a、8b沿着第二水平轴线y对准，该第二水平轴线与第一水平轴线x一起形成前述水平平面xy。
集成器件6还集成不同类型的电子电路(本文中未展示)，该电子电路被设计成用于以不同方式处理磁场传感器8a、8b所生成的检测信号，以生成输出检测信号。
此解决方案具有针对待检测电流的高灵敏度并且通常很好地抑制由于在该同一印刷电路板中循环的其他电流而引起的非期望影响。差分检测还使得能够大体减少干扰的外部场的影响。
具体地，如图2中示意性示出的，沿着导体2流动的电流I确定第一磁场传感器8a和第二磁场传感器8b处的具有相反方向的磁场B。差分检测因此使得能够增加检测灵敏度。
替代地，沿着同一印刷电路板的不同导体2’循环的干扰电流Id在第一磁场传感器8a和第二磁场传感器8b处生成具有相同方向的磁场Bd、Bd’。差分检测因此使得能够减小这些干扰电流的影响。
更详细地，可表明磁场传感器8a、8b处的磁场是生成磁场的电流同电流流过其中的线与磁场传感器位置之间的距离之比的函数。
假定磁场传感器8a、8b之间的距离相对于距电流流过其中的线的距离而言可忽略不计，并且假定干扰电流的值比感测电流小要低，则总体上描述的解决方案使良好的干扰减少成为可能。
然而，本申请实现并且验证了：存在的一些应用和操作状况，其中，尽管以上差分检测方案，之前描述的解决方案不能够消除干扰电流(或干扰磁场)的影响或者将该影响减至期望水平以下。
具体地，由于干扰而导致的检测误差在任何情况下都是重要的，在具有高值的干扰电流流入PCB中的情况下，至少在高于待检测电流的值的给定操作条件下。
例如，这是诸如三相逆变器的功率器件的PCB的情况，三相逆变器大体上包括电流流过其中的三条并行的电线，一条电线针对每一个电子相位。尤其是在待检测电流具有低值的情况下，因存在沿着其他电线中的一条流动的高电流，沿着电线流动的电流的检测可能受到危害。
发明内容
本发明的目的是至少部分地解决之前强调的问题，以提供用于集成电流传感器器件的改进的解决方案。
根据本发明，因此提供了一种集成电流传感器器件和对应的电子器件，如在所附权利要求中所限定的。
附图说明
为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：
-图1A示出已知类型的电流传感器器件的顶视平面图；
-图1B示出图1A的电流传感器器件的横截面视图；
-图2是与通过图1A的电流传感器器件进行的电流检测相关的示意性表示；
-图3A是根据本解决方案的一个实施例的集成电流传感器器件的底部透视图；
-图3B是图3A的集成电流传感器器件的顶部透视图；
-图4A是图3A的集成电流传感器器件的一部分的底视图；
-图4B是图3A的集成电流传感器器件的该部分的顶视平面图；
-图5是图3A的集成电流传感器器件的一部分的示意图；
-图6是其中使用图3A的集成电流传感器器件的电子器件的一部分的示意性透视图；以及
-图7和图8是根据本解决方案的变体实施例的集成电流传感器器件的一部分的示意性顶视平面图。
具体实施方式
初始地参照图3A和图3B，根据本解决方案的一个实施例的集成电流传感器器件10包括：封装体12，该封装体包括采用塑料材料(例如，环氧树脂)的涂层；裸片13，该裸片采用半导体材料(具体地，硅)、集成了电子电路和部件(如下文中更好描述的)；以及支撑结构，该支撑结构布置在封装体12内，并且被设计成用于携载封装体12内部的裸片13并且用于提供朝向集成在该同一裸片13内的电子电路和部件外部的电连接。
如下文中描述的，采用导电材料的支撑结构被进一步配置成用于限定封装体12内针对源自集成电流传感器器件10所耦合的电线的待检测电流的合适的电流路径。
具体地，前述支撑结构包括引线框14，该引线框进而包括：裸片焊盘15，该裸片焊盘由例如铜制成并且具有500μm的厚度、具有在水平平面xy中的主延伸、完全布置在封装体12内、并且具有顶表面15a(该顶表面位于水平平面xy中)，裸片13借助插入绝缘层16而耦合至该顶表面，该绝缘层由例如玻璃制成并且具有50μm的厚度；以及多条引线17，该多条引线是不同的并且与裸片焊盘15分开并且具有与封装体12的侧壁(侧壁沿着横向于前述水平平面xy的竖直轴线z布置)齐平的端部部分。
具体地，每条引线17的端部部分耦合到采用金属材料(例如，锡)的接触焊盘18，该接触焊盘从封装体12外突出，或者与该同一封装体12的底表面12b齐平，被设计用于机械和电耦合到其中使用集成电流传感器器件10的电子器件的PCB(本文中未展示)。
裸片13通过电键合接线19电连接到引线17，这些电键合接线从相应接触焊盘(未展示)开始延伸，被未与裸片焊盘15和相应引线17相接触的裸片13的顶表面携载。电键合接线19将电信号从集成在裸片13中的电子电路和部件朝向封装体12的外部携载并且有可能将控制和驱动信号从封装体12外部朝向前述电子电路和部件携载。
根据本解决方案的特定方面，第一电流焊盘20a和第二电流焊盘20b耦合在裸片焊盘15的底表面15b下面，与其接触；第一电流焊盘20a和第二电流焊盘20b由金属材料(例如，锡)制成、在该示例中具有水平平面xy中的矩形或正方形构造并且例如具有大约250μm的厚度。这些电流焊盘20a、20b从封装体12突出或者与该同一封装体12的底表面12b齐平地布置，并且被设计成用于与待检测沿其流动的导电线(本文中未展示)的第一部分和第二部分耦合(如下文中所展示的)。
第一电流焊盘20a和第二电流焊盘20b沿着水平平面xy的第一水平轴线x对准地布置，沿着该同一第一水平轴线x处于裸片焊盘15的对向端部部分处。
此外，桥接元件22布置在电流焊盘20a、20b之间，再次在裸片焊盘15下面并且与其接触；桥接元件22还由材料金属(例如，锡)制成，并且与电流焊盘20a、20b具有相同厚度。另外，此桥接元件22从封装体12伸出，或者与该同一封装体12的底表面12b齐平地布置。
具体地，桥接元件22沿着第一水平轴线x与电流焊盘20a、20b分开第一缝隙24a和第二缝隙24b，该第一缝隙和该第二缝隙沿着水平平面xy的第二水平轴线y(横向于前述第一水平轴线x)延伸，贯穿桥接元件22的对应延伸。
此外，桥接元件22在内部具有第一凹槽26a和第二凹槽26b，该第一凹槽和该第二凹槽也沿着第二水平轴线y延伸，此时，延伸达桥接元件22的对应尺寸的大约一半。具体地，每个凹槽26a、26b延伸通过桥接元件22被传感器轴线A划分的相应一半，在此实施例中，与第一水平轴线x平行并且与桥接元件22的中轴线重合。
换言之，第一凹槽26a从桥接元件22的外壁延伸直至前述传感器轴线A，并且第二凹槽26b从传感器轴线A本身延伸直至桥接元件22的对向外壁。第一凹槽26a和第二凹槽26b(在该示例中，但并非必须地)在水平平面xy中相对于桥接元件22的中心对称。
应注意的是，在集成电流传感器器件10的封装体12内，前述凹槽26a、26b与隙缝24a、24b同样地被该封装体12的涂层的环氧树脂完全填充。
裸片焊盘15具有相应的第一凹槽27a和相应的第二凹槽27b，该相应的第一凹槽和该相应的第二凹槽与桥接元件22的前述凹槽26a、26b竖直地对应布置并且与其连通，并且也被封装体12的环氧树脂完全填充。
根据本解决方案的其他方面，裸片13布置在裸片焊盘15上，以便竖直地叠加在第一凹槽26a和第二凹槽26b二者上，具体地，在传感器轴线A处其以上端部部分上。
此外，裸片13集成具体为霍尔效应型(图3B中示意性示出的)的第一磁场传感器28a和第二磁场传感器28b，该第一磁场传感器和该第二磁场传感器沿着前述传感器轴线A对准布置(并且在对应于传感器轴线A的区域中)、在第一凹槽26a与第二凹槽26b之间的相应一个的上方。在前述图3B中展示的实施例中，第一磁场传感器28a和第二磁场传感器28b布置在相应凹槽26a、26b(相对于第一水平轴线x)的中心处。
裸片13还集成电子电路29(所谓的ASIC——专用集成电路)，该电子电路操作性地耦合到第一磁场传感器28a和第二磁场传感器28b，具体地被设计成实现对应磁场检测信号的差分放大的操作，以输出指示作为检测信号之间的差异的函数的检测到的电流的值的电信号。
图4A示出了正好具有耦合的第一电流焊盘20a和第二电流焊盘20b以及耦合的桥接元件22的引线框14的俯视图，而图4B示出该同一引线框14的顶视平面图(为了清晰原因，本文中未展示裸片13)。
在使用中，并且还参照图5的示意性表示，集成电流传感器器件10耦合到导电线30，其值有待检测的感测电流Is流过该导电线。
具体地，导电线30耦合到电子器件(本文中未展示)的印刷电路板35、具有沿着第一水平轴线x的纵向延伸并且由互不相同的在感测区域33处变窄的两个线部分30a、30b构成。
集成电流传感器器件10与导电线30耦合于该感测区33处。具体地，第一电流焊盘20a电性地且机械地耦合到第一线部分30a，并且第二电流焊盘20b电性地且机械地耦合到第二线部分30b。
因此，感测电流Is通过第一电流焊盘20a进入封装体12，并且通过第二电流焊盘20b从封装体12中出来。桥接元件22构成封装体12内的第一电流焊盘20a与第二电流焊盘20b之间的导电桥，从而使感测电流Is从第一电流焊盘20a能够通向第二电流焊盘20b。
具体地，桥接元件22限定用于感测电流Is的基本上S形电流路径P，该电流路径由以下部分构成：第一部分P1，该第一部分具有基本上沿着第一水平轴线x的主延伸并且相对于第二水平轴线y(横向于前述传感器轴线A)布置在传感器轴线A的第一侧；第二部分P2，该第二部分具有基本上沿着第一水平轴线x的主延伸并且相对于第二水平轴线y布置在传感器轴线A的第二侧，与第一部分P1对向；以及第三部分P3，该第三部分连接第一部分P1和第二部分P2并且具有横向于第一水平轴线x的延伸，与传感器轴线A交叉。
如图5中再次示出的，此电流路径P在第一磁场传感器28a和第二磁场传感器28b处生成磁场B1、B2，磁场B1、B2具有基本上相同值，假定它们是源自相同值的感测电流Is并且假定磁场传感器28a、28b基本上布置在与电流路径P的相应第一部分P1或第二部分P2和该电流路径P的第三部分P3相隔相同距离处。此外，前述磁场B1、B2具有相反符号(或方向)：
B1(Is)＝-B2(Is)＝Bs
其中，Bs是由于感测电流Is而导致的公共磁场值。
由电子电路29实现的差分检测方案处理指示磁场B1和B2的检测信号之间的差异，从而以这种方式保证高检测灵敏度：
B1(Is)-B2(Is)＝2Bs
替代地，沿着同一PCB 35上的不同电子线36(在该示例中，具有平行于导电线30的延伸)流动的干扰电流Id在磁场传感器28a、28b处生成具有相同值和相同方向的磁场：
B1(Id)＝B2(Id)＝Bd
其中，Bd是由于干扰电流Id而导致的公共磁场值。
差分检测方案再次执行对磁场B1与B2之间的差异的处理，在这种情况下，该差异基本上为零：
B1(Id)-B2(Id)＝0
电流传感器器件10因此具有针对感测电流Is的高灵敏度以及相对于干扰电流Id的高灵敏度。
换言之，电流路径P的构造和磁场传感器元件28a、28b的布置由于感测电流Is而引起与传感器轴线A(或与第一水平轴线x、或与导电线30的延伸方向)平行的方向上的磁场梯度，而由于沿着与前述导电线30平行的不同电线36循环的干扰电流Id而导致的磁场是基本上恒定的。
所提出的解决方案的优点从之前的描述中清楚显现。
在任何情况下，再次强调的是，集成电流传感器器件10具有针对待检测电流的高灵敏度以及对干扰电流或磁场的高灵敏度。
应该特别注意的是，无论干扰电流Id的值如何(具体地，还在此值为高的情况下)，由于干扰电流Id而导致的磁场效果被抵消。
其他优点在于以下事实：桥接元件22部分布置在封装体12的涂层外部上，或者与涂层自身齐平，从而构成散热元件。
以上特性在用于诸如三相逆变器器件的功率电子器件的情况下是特别有利的。
在此方面，图6示出逆变器器件40的一部分，该逆变器器件包括三条导电路线30、30’、30”，这三条导电线相互平行(在该示例中，沿着第一轴线x)，每条导电线均被设计成用于携载具有相应相位的电流。
逆变器器件40包括三个集成电流传感器器件10，每条导电路线30、30’、30”有一个集成电流传感器器件，如之前详细描述地制作和配置每个集成电流传感器器件。导电路线30、30’、30”和集成电流传感器器件10耦合到同一PCB 35。
有利地，还在如所示出的示例中沿着导电线30中的一条流动的感测电流Is(例如，具有2A的值)比沿着其他导电路线30’、30”流动的干扰电流Id(例如，具有200A的值)低得多的情况下，相应集成电流传感器器件10能够以高灵敏度检测此感测电流Is，从而呈现针对干扰电流Id的高灵敏度。
最后，清楚的是，可以对本文中所描述和展示的内容做出修改和变化，而不会由此脱离如在所附权利要求中限定的本发明的范围。
具体地，凹槽26a、26b的布置可相对于之前已经描述的布置进行变化。
例如，如图7中示意性示出的，凹槽26a、26b可沿着第二水平轴线y对准隙缝24a、24b，布置在该相同的隙缝24a、24b处并且与其流体连通。
第一凹槽26a的长度可进一步不同于第二凹槽26b的长度，在这种情况下，凹槽相对于桥接元件22的中心不对称。
此外，磁场传感器28a、28b的位置可以不同。
例如，如图8中示意性示出的，磁场传感器28a、28b可相对于相应凹槽26a、26b的中心布置在交错位置中，在它们沿着传感器轴线A更靠近在一起的位置中。此解决方案可允许实现针对干扰更大的灵敏度，代价是在存在沿着第一水平轴线x产生磁场梯度的其他干扰源的情况下，检测灵敏度可能降低。
此外，该相同的磁场传感器28a、28b可属于与之前描述的霍尔效应传感器不同的类型，例如，磁阻型，或者能够检测竖直磁场分量的其他合适类型。

Claims (15)

1.一种集成电流传感器器件(10)，所述集成电流传感器器件(10)被配置成用于耦合到第一导电线(30)以检测流入所述第一导电线(30)的电流(Is)，所述集成电流传感器器件包括：
封装体(12)；
采用导电材料的支撑结构(15，20a，20b，22)，所述支撑结构布置在所述封装体(12)内；以及
裸片(13)，所述裸片由所述封装体(12)内的所述支撑结构携载并且集成沿着传感器轴线(A)对准布置的第一磁场传感器元件(18a)和第二磁场传感器元件(18b)以及电子电路(19)，所述电子电路操作性地耦合到所述第一磁场传感器元件(18a)和所述第二磁场传感器元件(18b)以实现差分检测，
其特征在于，所述支撑结构(15，20a，20b，22)被配置成用于限定针对所述封装体(12)内的所述电流(Is)的路径(P)，所述路径(P)具有：第一路径部分(P1)，所述第一路径部分在所述第一磁场传感器元件(18a)处延伸；第二路径部分(P2)，所述第二路径部分在所述第二磁场传感器元件(18b)处延伸；以及第三路径部分(P3)，所述第三路径部分连接所述第一路径部分(P1)和所述第二路径部分(P2)；其中，所述第一路径部分(P1)和所述第二路径部分(P2)相对于横向轴线(y)布置在所述传感器轴线(A)的对向侧，所述横向轴线横向于所述传感器轴线(A)。
2.根据权利要求1所述的传感器器件，其中，所述支撑结构包括：支撑元件(15)，所述支撑元件具有顶表面(15a)和底表面(15b)，所述裸片(13)借助插入绝缘层(16)而耦合至所述顶表面(15a)；第一接触焊盘(20a)和第二接触焊盘(20b)，所述第一接触焊盘和所述第二接触焊盘耦合至所述底表面(15b)并与其接触；以及采用导电材料的桥接元件(22)，所述桥接元件布置在所述第一接触焊盘(20a)与所述第二接触焊盘(20b)之间并且被设计成用于限定所述电流路径(P)。
3.根据权利要求2所述的传感器器件，其中，所述桥接元件(22)具有第一凹槽(26a)和第二凹槽(26b)，所述第一凹槽和所述第二凹槽沿着所述横向轴线(y)延伸，在相对于所述传感器轴线(A)的对向侧，并且具有在所述传感器轴线(A)处的端点，所述第一凹槽(26a)和所述第二凹槽(26b)限定所述电流路径(P)；其中，所述第一磁场传感器元件(18a)和所述第二磁场传感器元件(18b)布置在所述第一凹槽(26a)和所述第二凹槽(26b)的所述端部部分处。
4.根据权利要求3所述的传感器器件，其中，所述桥接元件(22)具有中轴线，并且其中所述传感器轴线(A)与所述中轴线重合；并且其中，所述第一磁场传感器元件(18a)和所述第二磁场传感器元件(18b)沿着所述中轴线布置。
5.根据权利要求3或4所述的传感器器件，其中，所述支撑元件(15)具有布置在所述桥接元件(22)的所述第一凹槽(26a)和所述第二凹槽(26b)处的相应第一凹槽(27a)和相应第二凹槽(27b)。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的传感器器件，其中，所述第一磁场传感器元件(18a)和所述第二磁场传感器元件(18b)布置在所述第一凹槽(26a)和所述第二凹槽(26b)的相应端部部分的中心处。
7.根据以上权利要求中任一项所述的传感器器件，其中，所述第一接触焊盘(20a)与所述桥接元件(22)分开第一隙缝(24a)，所述第一隙缝平行于所述横向轴线(y)延伸；并且所述第二接触焊盘(20b)与所述桥接元件(22)分开第二隙缝(24b)，所述第二隙缝平行于所述横向轴线(y)延伸。
8.根据以上权利要求中任一项所述的传感器器件，其中，所述封装体(12)包括涂层，并且其中，可从所述封装体(12)的所述涂层的外部触及所述第一接触焊盘(20a)和所述第二接触焊盘(20b)。
9.根据权利要求8所述的传感器器件，其中，可从所述封装体(12)的所述涂层的外部触及所述桥接元件(22)。
10.根据以上权利要求中任一项所述的传感器器件，其中，所述第一磁场传感器元件(18a)和所述第二磁场传感器元件(18b)是磁性传感器，所述磁性传感器被配置成用于检测沿着竖直轴线(z)引导的磁场，所述竖直轴线与由所述传感器轴线(A)且由所述横向轴线(y)所限定的水平平面(xy)正交。
11.根据权利要求10所述的传感器器件，其中，所述第一磁场传感器元件(18a)和所述第二磁场传感器元件(18b)是霍尔效应传感器。
12.根据以上权利要求中任一项所述的传感器器件，进一步包括多条引线(17)，所述引线(17)通过容纳在所述封装体(12)内的电线(19)电耦合到由所述支撑结构携载的所述裸片(13)。
13.一种电子器件(40)，所述电子器件包括：印刷电路板(35)，第一导电线(30)耦合至所述印刷电路板，所述第一导电线(30)具有互不相同并且相互分开的第一线部分(30a)和第二线部分(30b)；以及集成电流传感器器件(10)，所述集成电流传感器器件耦合到所述第一线部分(30a)与所述第二线部分(30b)之间的所述印刷电路板(35)；其中，第一路径部分(P1)电耦合到所述第一线部分(30a)并且第二路径部分(P2)电耦合到所述第二线部分(30b)，并且电流(Is)通过在所述集成电流传感器器件(10)中限定的电流路径(P)从所述第一线部分(30a)流向所述第二线部分(30b)。
14.根据权利要求13所述的电子器件，其中，所述集成电流传感器器件(10)的所述支撑结构(15，20a，20b，22)包括：支撑元件(15)，所述支撑元件具有与所述裸片(13)耦合的顶表面(15a)，以及底表面(15b)；第一接触焊盘(20a)和第二接触焊盘(20b)，所述第一接触焊盘和所述第二接触焊盘耦合至所述底表面(15b)并与其接触；以及采用导电材料的桥接元件(22)，所述桥接元件布置在所述第一接触焊盘(20a)与所述第二接触焊盘(20b)之间并且被设计成用于限定所述电流路径(P)；其中，所述第一电流焊盘(20a)电耦合到所述印刷电路板(35)上的所述第一线部分(30a)，并且所述第二电流焊盘(30b)电耦合到所述印刷电路板(35)上的所述第二线部分(30b)；并且其中，所述第一导电线(30)沿着与所述传感器轴线(A)平行的水平轴线(x)延伸。
15.根据权利要求13或14所述的电子器件，进一步包括第二导电线(30’)和第三导电线(30”)，所述第二导电线和所述第三导电线耦合至所述印刷电路板(35)、被布置在所述第一导电线(30)旁边并且与其平行，并且进一步，所述集成电流传感器器件(10)电耦合到所述第二导电线(30’)和第三导电线(30”)中的每一条。
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