CN113341199B - 基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器及其应用和方法 - Google Patents

Abstract

基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器，由多种低温共烧陶瓷瓷带层组成，在瓷带层表面印刷导带并按照一定顺序堆叠而成；所述低温共烧陶瓷瓷带层包括顶盖、顶部功率连接层、顶部信号连接层、铁氧体磁环包覆层、铁氧体磁环外部垂直连接层、铁氧体磁环、铁氧体磁环中央垂直连接层、底部信号连接层、底部信号汇集层、底部基板层。本发明提出了基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术和铁氧体磁环线圈方法的高温电流传感器，可实现在高温环境下功率模块的电流测量，具有测量准确、成本低、用性强、易集成易推广等诸多优点。

Description

基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器及其应用和方法

技术领域

本发明涉及一种高温电流传感器电子器件，尤其是涉及一种基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器，属于电子元器件设计领域。

背景技术

随着电动汽车、智能电网和航空航天等行业的发展，电力电子模块的应用市场日益广阔，良好的发展前景意味着对功率模块的应用性能提出了更高的要求。由于传统的功率模块需要复杂的散热控制和冷却系统，导致功率密度和整体效率大大降低、系统成本显著提高。当前，基于碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）等新一代半导体材料的功率芯片正在快速发展。这些新材料的卓越性能优势（宽带隙、高导热性和高载流子饱和度等）使得新一代功率芯片能够在更恶劣的环境（例如高温）下工作。

为了提高功率模块工作的可靠性和稳定性，集成了各种传感器的智能功率模块正逐渐成为科学研究和产品开发中的重要方向。集成在智能功率模块中的电流传感器可用于监测功率模块的运行状态，通过反馈控制达到保护模块的目的。然而，为保证高温环境下模块的正常工作，功率模块中集成的电流传感器需要在高温环境下实现准确而稳定地测量电流。而低温共烧陶瓷（LTCC）基板具有良好的温度特性，可适应大电流及耐高温特性要求。

目前，在实际应用中主要采用电阻分流器、半导体电流镜和印制电路板（PCB）罗氏线圈三种电流测量技术来实现商用功率模块中的电流测量。

1. 电阻分流器

（1）由于分流电阻直接插入到功率回路中，电阻带来的功率损耗将降低功率模块整体的效率，并且在分流电阻的应用中存在电压隔离问题。

（2）由于同轴电阻分流器的体积过大，无法集成在功率模块的封装中。而贴片型分流电阻的寄生电感在高频下由于集肤效应将极大地影响高频电流的测量精度。

因此，电阻分流器不适用于具有高开关频率的宽禁带半导体模块应用中。

2. 半导体电流镜

（1）在实际应用中，半导体电流镜的测量准确性受传感设备和开关设备的参数分散性影响。例如应用中碳化硅MOSFET的导通电阻分散性可超过15％，将导致难以保证基于半导体电流镜原理测得电流的准确性和一致性。

（2）功率半导体例如功率MOSFET的器件特性在很大程度上受温度变化影响。

因此半导体电流镜在高温环境下难以获得准确的电流测量结果。

3. 印制电路板（PCB）罗氏线圈

（1）虽然在相对较高的开关频率下，印制电路板（PCB）罗氏线圈具有较好的电流测量性能。但是印制电路板的基板材料通常是环氧树脂，其在高温环境下（例如超过200℃时）面临着绝缘性能下降和机械退化的问题。并且由于具有较大的热膨胀系数，高温环境下印制电路板（PCB）罗氏线圈也将发生形变，影响电流测量结果的准确性和稳定性。因此，印制电路板（PCB）罗氏线圈的电流测量精度受到高温环境的限制。

（2）在印制电路板（PCB）罗氏线圈目前集成在模块中进行电流测量的研究中，均通过环绕键合线的方式实现芯片电流的测量。这种没有设计机械紧固的测量方式导致罗氏线圈在测量过程中的位置可能发生变化，从而影响测量结果的准确性和稳定性。

此外，如现有技术：中国专利申请：申请号：CN2015103978684，公开号：CN105021659 A，公开一种基于低温共烧陶瓷基板的无源无线气体传感器及其制备方法，并具体公开如下内容：包括：低温共烧陶瓷基板、形成于所述低温共烧陶瓷基板上的LC谐振天线、以及涂覆于所述LC谐振天线上的由金属硫族化合物构成的气敏膜。中国专利申请：申请号：CN201811058050x，公开号：CN109342460 A，公开一种用于裂缝监测的无线无源高温传感器及其制备方法，该传感器包括接地板、介质层和辐射贴片，所述接地板和辐射贴片为导电金属制成，所述介质层的材料为低温共烧陶瓷，所述介质层位于所述接地板上方，所述辐射贴片为矩形且位于所述介质层上方，并与所述接地板之间形成谐振腔。中国专利申请：申请号：CN201910072513，公开号：CN109813931 A，公开一种高量程加速度传感器陶瓷硅陶瓷三层无引线封装结构，包括一层为一面可接地钎焊的低温共烧陶瓷片，不可钎焊面采用阳极键合技术，实现熟瓷片与敏感结构背面键合，敏感结构正面也采用阳极键合与三层熟瓷片键合，第一层为一片和传感器框架面积一样的低温共烧陶瓷框架，同时通过激光打孔、浆料填孔实现敏感结构的PAD点与第二层电路相连；第二层通过浆料印刷，实现电路转接功能，将信号传输至熟瓷片第三层，即封装结构顶层；封装结构顶层印刷上可钎焊浆料，由此可以通过钎焊将熟瓷片与输出电线相连。中国专利申请：申请号：CN201310296698，公开号：CN103344679 A，公开一种基于LTCC的无源LC湿度传感器，自上而下包括十三层，其中奇数层均为陶瓷介质层，偶数层均为金属层；第一层介质层开窗露出第二层电容金属层以便电容层感湿；第四、六、八、十和十二层金属均为电感金属层，位于第四和十二层金属层的电感的两端通过通孔与第二层电容金属层的两端相连，形成并联LC电路。

中国专利申请：申请号：CN201911281917，公开号：CN111060579 A，公开一种洗烘一体机氧传感器，包括从上至下依次设置的第一氧化铝绝缘层、第一氧化锆瓷体、第二氧化锆瓷体、第三氧化锆瓷体、第二氧化铝绝缘层和加热器，所述第一氧化铝绝缘层上端设置有外泵电极，所述第一氧化锆瓷体与第二氧化锆瓷体之间设置有内泵电极和扩散障，且扩散障位于内泵电极一端下侧，所述第二氧化锆瓷体上端开设有与扩散障相对应的空腔，所述扩散障设置在空腔内，所述第一氧化铝绝缘层和第一氧化锆瓷体的一侧分别设有对应的导电孔，并且外泵电极和内泵电极的一端分别与导电孔位置对应，所述加热器下端还设有加热器保护层。

虽然上述现有技术都与低温共烧陶瓷相关，或如中国专利公开号：CN107915207A、CN109141689 A、CN109342460 A、CN109655194 A、CN109786918 A、CN112797885 A、CN107923810 A、CN103922869 A、CN105021659 A、CN105806519 A、CN106682564 A、CN102249724 A、CN102928133 A、CN103675040 A、CN102782456 A、CN1926410 A、CN111386443 A、CN112505124 A、CN108286967 A、CN108507621 A、CN208998967U、CN105005010 A等都涉及传感器及其传感器材质制备方法等，但是该技术并没有将其应用于电流传感器的设计，从而无法在实际应用中不会影响功率模块的开关性能，以及具有更高的功率模块电流测量准确性，本领域技术人员没有将该技术应用于电流传感器的技术启示。

发明内容

本发明基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的性能优势，设计了一种新型的高温电流传感器，主要解决了以下问题：

（1）本发明提出的基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的电流传感器，可测量功率模块在高温环境下的电流。在目前现有的电流测量技术中，半导体电流镜和印制电路板（PCB）罗氏线圈都存在高温环境下测量准确度较低的问题。本发明设计的电流传感器基于低温共烧陶瓷（LTCC）材料基板，具有良好的高温稳定性，且由于材料的热膨胀系数较小，与功率模块中的直接键合铜（DBC）基板的热膨胀系数相近，在高温下电流传感器和DBC基板的连接可靠性更高。

（2）本发明提出的基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的高温电流传感器，在实际应用中不仅不会影响功率模块的开关性能，并且具有更高的功率模块电流测量准确性。这是因为本发明提出的高温电流传感器具有较小的寄生参数，而电阻分流器作为现有的一种电流测量技术，存在寄生电感较大时电流测量准确性较低的缺陷。

（3）本发明提出的基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的高温电流传感器，在实际应用中由于体积较小和采用了表面贴片封装方式，具有成本低、实用性强、易集成到功率模块中的诸多优势。解决了在现有的电流测量技术中，同轴电阻分流器面临的体积过大、无法集成到封装中的问题；印制电路板（PCB）罗氏线圈没有设计机械紧固的测量方式导致罗氏线圈在测量过程中的位置发生变化，从而影响测量结果的准确性和稳定性的问题。

本发明采用如下技术方案：

基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器，由多种低温共烧陶瓷瓷带层组成，在所述瓷带层表面印刷导带并按照一定顺序堆叠而成；其特征为：所述低温共烧陶瓷瓷带层包括顶盖1、顶部功率连接层2、顶部信号连接层3、铁氧体磁环包覆层4、铁氧体磁环外部垂直连接层5、铁氧体磁环6、铁氧体磁环中央垂直连接层7、底部信号连接层8、底部信号汇集层9、底部基板层10。

优选为：所述顶盖1位于顶端，叠放在顶部功率连接层2上；顶部功率连接层2叠放在顶部信号连接层3上；顶部信号连接层3叠放在铁氧体磁环包覆层4上。

优选为：所述铁氧体磁环包覆层4与多个铁氧体磁环外部垂直连接层5堆叠并实现铁氧体磁环6的包覆。

优选为：所述铁氧体磁环6位于堆叠后的铁氧体磁环外部垂直连接层5的中央位置。

优选为：多个所述铁氧体磁环中央垂直连接层7叠放在铁氧体磁环6的内部。

优选为：多个所述铁氧体磁环外部垂直连接层5、铁氧体磁环6和多个铁氧体磁环中央垂直连接层7共同构成铁氧体磁环绕组的组成部分；底部信号连接层8叠放在底部信号汇集层9上，底部信号汇集层9叠放在底部基板层10上。

优选为：所述底部基板层用于连接底部的功率回路及信号回路，并引出功率回路焊盘和信号回路焊盘。

优选为：所述高温电流传感器采用模块化设计，其顶部设计的泄压孔可用于确保电流传感器内部空腔的气压稳定。

本发明还公开一种集成在高温功率模块内的电流传感器，其特征为，包括上述基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器。

本发明还公开一种将上述基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器应用于电力电子模块。

与现有的电流测量技术相比，本发明提出的电流传感器主要具有以下优点：

（1）本发明所提出的高温电流传感器使用了基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的基板，高温稳定性良好。且由于材料的热膨胀系数较小，与功率模块中的直接键合铜（DBC）基板的热膨胀系数相近，在高温下不会影响内部电流测量部分的参数，且在高温下电流传感器和功率模块的连接可靠性更高。

（2）本发明所提出的高温电流传感器具有较低的寄生电感，对功率模块的开关性能影响很小且电流测量的准确性更高。

（3）本发明所提出的高温电流传感器体积小，并且在实际应用中选用贴片封装设计，具有易集成至功率模块封装的优势。

附图说明

图1为电磁感应原理图；

图2为铁氧体磁环绕组示意图；

图3为本发明电流传感器内部导电部分示意图，其中图3（a）为电流传感器内部导电部分仰视图;图3（b）为电流传感器内部导电部分俯视图；图4为本发明电流传感器外观示意图；

图5为本发明电流传感器的底部设计示意图；

图6为本发明电流传感器分解示意图；

其中：1-顶盖、2-顶部功率连接层、3-顶部信号连接层、4-铁氧体磁环包覆层、5-铁氧体磁环外部垂直连接层、6-铁氧体磁环、7-铁氧体磁环中央垂直连接层、8-底部信号连接层、9-底部信号汇集层、10-底部基板层、11-铁氧体磁环、12-功率回路、13-信号回路。

具体实施方式

本发明基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的高温电流传感器，在工艺制造上可通过对生瓷带进行冲孔、导带印制、叠压后，将铁氧体磁环嵌入其中并进行烧结处理实现。

图1为本发明提出的基于低温共烧陶瓷（LTCC）技术的高温电流传感器的电流测量原理—电磁感应原理图。图中一次侧电流i ₁为待测电流，二次侧感应电流i ₂即为电流传感器的输出量。R ₂为二次侧的等效电阻，L ₁和L ₂分别为一次侧和二次侧的电感， M为一次侧与二次侧之间的互感。在二次侧回路，由基尔霍夫电压定律（KVL）得：

假设一次侧回路的电流i ₁满足：

将式（2）代入式（1）中得到：

由电感值与匝数之间的关系得：

其中σ为电感泄漏系数，N ₂为二次侧匝数即铁氧体磁环绕组的匝数，一次侧即为功率回路的匝数为1匝。将式（4）代入到式（3）中可得：

当时间足够短时，认为t→0，即可得：

依据式（6）的线性关系，可通过铁氧体磁环绕组实现准确测量功率回路的电流。

图2为本发明设计的高温电流传感器的铁氧体磁环绕组示意图，图3为本发明设计的高温电流传感器的内部导电部分结构示意图。图2中的圆环为铁氧体磁环，对应图3中的标记11，其作用是提高线圈的耦合系数。图2中心电流的流入路径对应图3中的标记12，即穿过铁氧体磁环中心的一次侧功率回路。图2中缠绕在磁环上的线圈对应图3中的标记13，即为二次侧信号回路，一次侧功率回路和二次侧信号回路均由方形生瓷带上的印刷导带堆叠而成。

功率模块的功率回路穿过铁氧体磁环的中心，当功率模块的工作电流流过功率回路12，基于电磁感应原理将在铁氧体磁环的绕组上产生感应电流。在信号回路13上流过此感应电流并输出传感器的电流测量结果，通过准确测量感应电流的大小则能够反映功率回路流过的电流大小。

图4为本发明设计的高温电流传感器的外观示意图，顶部设计的泄压孔可用于确保电流传感器内部空腔的气压稳定，保证电流传感器在实际生产和应用中的高温安全性和可靠性。

图5为本发明设计的高温电流传感器的底部基层板设计示意图如所示。为保证实际应用中能够在直接键合铜DBC基板上安装本发明提出的高温电流传感器，将信号端子和功率端子连接到电流传感器的底部基板层的四个焊盘处。如图5中所示，右上角部分1为功率回路的两端焊盘，左下角部分2为信号回路的两端焊盘。功率焊盘通过串联方式焊接于功率模块的功率回路中，信号焊盘输出高温电流传感器的电流测量结果。在焊接技术允许的前提下，应当尽可能地减小两个功率焊盘的间距和两个信号焊盘的间距。

图6为本发明设计的高温电流传感器的分解示意图，可见传感器由多种低温共烧陶瓷瓷带层组成，在所述瓷带层表面印刷导带并按照一定顺序堆叠而成，在内部形成空腔，将铁氧体磁环以包覆的方式嵌入其中。其主要由9种LTCC瓷带与铁氧体磁环6组成，均在瓷带表面印刷导带并按照图中所示结构进行堆叠。图5中的标识1至10分别代表：1-顶盖、2-顶部功率连接层、3-顶部信号连接层、4-铁氧体磁环包覆层、5-铁氧体磁环外部垂直连接层、6-铁氧体磁环、7-铁氧体磁环中央垂直连接层、8-底部信号连接层、9-底部信号汇集层、10-底部基板层。

在本发明设计的电流传感器结构中，1-顶盖位于顶端，叠放在2-顶部功率连接层上，用于覆盖传感器并保护在实际应用中内部连接不受到污染或损坏；2-顶部功率连接层叠放在3-顶部信号连接层上，实现功率回路的顶部至底部连接和信号回路的顶部至底部连接；3-顶部信号连接层叠放在4-铁氧体磁环包覆层上，实现信号回路从铁氧体磁环从外部至内部的连接；4-铁氧体磁环包覆层叠放在5-铁氧体磁环外部垂直连接层上，在已连接的功率回路与信号回路的基础上实现6-铁氧体磁环的包覆；多个5-铁氧体磁环外部垂直连接层堆叠，实现功率回路的顶部至底部连接和信号回路的顶部至底部连接，并实现6-铁氧体磁环的包覆；6-铁氧体磁环位于堆叠后的5-铁氧体磁环外部垂直连接层的中央位置，可提高线圈的耦合系数；多个7-铁氧体磁环中央垂直连接层叠放在6-铁氧体磁环的内部，实现功率回路的顶部至底部连接和信号回路的顶部至底部连接；多个5-铁氧体磁环外部垂直连接层、6-铁氧体磁环和多个7-铁氧体磁环中央垂直连接层共同构成铁氧体磁环绕组的组成部分；8-底部信号连接层叠放在9-底部信号汇集层上，9-底部信号汇集层叠放在10-底部基板层上，实现铁氧体磁环的外部与内部的信号连接及垂直方向上的功率信号连接；10-底部基板层用于连接底部的功率回路及信号回路，并引出功率回路焊盘和信号回路焊盘。综上所述，本发明设计的基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器包括的10层结构，每一层都有各自的功能和作用，缺一不可，从而实现本发明所要解决的技术问题并达到其技术效果。

此外，本发明需要进一步说明如下：铁氧体磁环6对应附图1中的圆形铁氧体磁环；堆叠后的结构5对应附图1中绕在环上的二次侧绕线；堆叠后的结构7对应附图1中的中心位置一次侧电流，但由于分解图中的10层每层不具有实际意义，需要堆叠起来有意义，将附图1作为整体的结构示意图，实际不同结构之间存在相互之间的连接，从而导致分解图和附图1不能完全一一对应，例如堆叠后的结构7既含有一次侧组成，也包含部分二次侧结构，但附图1、附图2、附图3中的铁氧体磁环、一次侧、二次侧三部分结构是一一对应关系。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述 的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各 种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (3)

1.基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器，由多种低温共烧陶瓷瓷带层组成，在所述瓷带层表面印刷导带并按照一定顺序堆叠而成；所述低温共烧陶瓷瓷带层包括顶盖、顶部功率连接层、顶部信号连接层、铁氧体磁环包覆层、铁氧体磁环外部垂直连接层、铁氧体磁环、铁氧体磁环中央垂直连接层、底部信号连接层、底部信号汇集层、底部基板层；其特征为：所述顶盖位于顶端，叠放在顶部功率连接层上，用于覆盖传感器并保护在实际应用中内部连接不受到污染或损坏；顶部功率连接层叠放在顶部信号连接层上，实现功率回路的顶部至底部连接和信号回路的顶部至底部连接；顶部信号连接层叠放在铁氧体磁环包覆层上，实现信号回路从铁氧体磁环从外部至内部的连接；铁氧体磁环包覆层叠放在铁氧体磁环外部垂直连接层上；多个铁氧体磁环外部垂直连接层堆叠，实现功率回路的顶部至底部连接和信号回路的顶部至底部连接，并实现铁氧体磁环的包覆；铁氧体磁环位于堆叠后的铁氧体磁环外部垂直连接层的中央位置；多个铁氧体磁环中央垂直连接层叠放在铁氧体磁环的内部，实现功率回路的顶部至底部连接和信号回路的顶部至底部连接；多个铁氧体磁环外部垂直连接层、铁氧体磁环和多个铁氧体磁环中央垂直连接层共同构成铁氧体磁环绕组的组成部分；底部信号连接层叠放在底部信号汇集层上，底部信号汇集层叠放在底部基板层上，实现铁氧体磁环的外部与内部的信号连接及垂直方向上的功率信号连接；底部基板层用于连接底部的功率回路及信号回路，并引出功率回路焊盘和信号回路焊盘。

2.根据权利要求1所述的基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器，其特征为：所述高温电流传感器采用模块化设计，其顶部设计的泄压孔用于确保电流传感器内部空腔的气压稳定。

3.将权利要求1-2任一所述基于低温共烧陶瓷技术的高温电流传感器应用于电力电子模块。

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