CN115917332A - 具有磁通集中器的集成电流传感器 - Google Patents

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Abstract

一种封装式电流传感器(100)包含引线框架(102)、集成电路(106)、隔离间隔件(104)、第一磁集中器(108)及第二磁集中器(110)。所述引线框架(102)包含导体(103)。所述隔离间隔件(104)位于所述引线框架(102)与所述集成电路(106)之间。所述第一磁集中器(108)与所述导体(103)对准。所述第二磁集中器(110)与所述导体(103)对准。

Description

具有磁通集中器的集成电流传感器
背景技术
非接触式电流感测用于各种安全测量电流应用中，尤其是在高电流电平下。开环电流感测提供具成本效益的解决方案，其中由通过电导体的电流流动产生的磁场集中在磁芯内侧，且磁性传感器测量磁场并提供用于估计电流流动的输出信号。开环方法通常消耗小功率，且可使用低灵敏度传感器来测量高电流。
发明内容
在提供高压隔离及抗杂散磁场的电流传感器中，封装式电流传感器包含引线框架、集成电路、隔离间隔件、第一磁集中器及第二磁集中器。引线框架包含导体。隔离间隔件位于引线框架与集成电路之间。第一磁集中器与导体对准。第二磁集中器与导体对准。
在另一实例中，电流传感器包含引线框架、集成电路、隔离间隔件、第一磁集中器及第二磁集中器。引线框架包含导体。所述导体包含电流输入段及电流输出段。集成电路包含霍尔效应传感器。隔离间隔件位于引线框架与集成电路之间。第一磁集中器与电流输入段对准，并与霍尔效应传感器重叠。第二磁集中器与电流输出段对准。
在另一实例中，电流传感器包含引线框架、第一磁集中器、第二磁集中器、集成电路及隔离间隔件。引线框架包含导体。所述导体包含电流输入段及电流输出段。所述集成电路包含第一霍尔效应传感器、第二霍尔效应传感器、第三霍尔效应传感器及第四霍尔效应传感器。隔离间隔件位于引线框架与集成电路之间。第一磁集中器形成为集成电路上的金属层，并与电流输入段、第一霍尔效应传感器及第二霍尔效应传感器重叠。第二磁集中器形成为集成电路上的金属层，且与电流输出段、第三霍尔效应传感器及第四霍尔效应传感器重叠。
附图说明
图1展示包含与两个磁集中器重叠的霍尔效应传感器的电流传感器的侧视图。
图2展示包含与两个磁集中器重叠的霍尔效应传感器的电流传感器的俯视图。
图3展示包含与两个磁集中器重叠的四个霍尔效应传感器的电流传感器的侧视图。
图4展示包含与两个磁集中器重叠的四个霍尔效应传感器的电流传感器的俯视图。
图5展示没有杂散磁场的图3的磁集中器中的磁场。
图6展示具有杂散磁场的图3的磁集中器中的磁场。
图7展示根据此描述的用于制造电流传感器的方法的流程图。
具体实施方式
封装电流感测电路的缺点包含集成电路(包含霍尔效应传感器及/或其它电路系统)与载流导体之间的有限电压隔离，以及易受由杂散磁场引起的误差的影响。本文描述的电流传感器包含保护集成电路的高压隔离。电流传感器的一些实施方案还包含磁集中器及霍尔效应传感器的布置，其提供对归因于杂散磁场引起的误差的抗扰度。
图1展示根据此描述的电流传感器100的侧视图。电流传感器100包含引线框架102、隔离间隔件104、集成电路106、磁集中器108及磁集中器110。引线框架102包含载送将要测量的电流的导体103。导体103包含电流通过其流入电流传感器100的电流输入支路/段103A及电流通过其流出电流传感器100的电流输出支路/段103B。隔离间隔件104放置在引线框架102与集成电路106之间，以将集成电路106与可存在于导体103上的高压隔离。隔离间隔件104由具有高电介质强度的材料形成，例如玻璃电介质材料、基于聚合物的电介质材料或基于硅的电介质材料。在电流传感器100的一些实施方案中，隔离间隔件104具有约100到150微米(um)的厚度。
集成电路106是包含形成在其上的霍尔效应传感器112的硅裸片。霍尔效应传感器112是水平霍尔效应传感器。集成电路106放置在隔离间隔件104与磁集中器108及磁集中器110之间。在一些实施方案中，集成电路106具有大约150到250um的厚度。集成电路106通过接合线114耦合到引线框架102用于在引线框架102与集成电路106之间传送电信号。
磁集中器108与电流输出支路/段103B对准并重叠，以集中由电流输出支路/段103B中的电流流动产生的磁通。类似地，磁集中器110与电流输入支路/段103A对准并重叠，以集中由电流输入支路/段103A中的电流流动产生的磁通。磁集中器108及磁集中器110周围的磁通与在电流输入支路/段103A及电流输出支路/段103B中流动的电流成正比。在100的一些实施方案中，通过作为晶片级处理的部分的电镀在集成电路106上形成/沉积磁集中器108及110。因此，磁集中器108及110与霍尔效应传感器112的对准被精确地控制。磁集中器108及110可由例如铁镍合金的软磁性材料形成。
霍尔效应传感器112放置在磁集中器108与磁集中器110之间，且与磁集中器108及磁集中器110两者的一部分重叠。例如，霍尔效应传感器112与磁集中器108的边缘108A及磁集中器110的边缘110A重叠。霍尔效应传感器112检测磁集中器108及磁集中器110周围的磁通，且基于检测到的磁通产生与在电流输入支路/段103A及电流输出支路/段103B中流动的电流成正比的输出电压。
图2展示电流传感器100的俯视图。图2中展示导体103、磁集中器108、磁集中器110及霍尔效应传感器112。如图2中展示，导体103为“U形”或“马蹄形”。在电流传感器100的各种实施方案中，导体103可具有任何形状。磁集中器108与电流输出支路/段103B及霍尔效应传感器112重叠，且磁集中器110与电流输入支路/段103A及霍尔效应传感器112重叠。
图3展示根据此描述的电流传感器300的侧视图。电流传感器300包含引线框架302、隔离间隔件304、集成电路306、磁集中器308及磁集中器310。引线框架302包含载送将要测量的电流的导体303。导体303包含电流通过其流入电流传感器300的电流输入支路/段303A及电流通过其流出电流传感器300的电流输出支路/段303B。隔离间隔件304放置在引线框架302与集成电路306之间，以将集成电路306与可存在于导体303上的高压隔离。隔离间隔件304由具有高电介质强度的材料形成，例如玻璃电介质材料、基于聚合物的电介质材料或基于硅的电介质材料。在一些实施方案中，隔离间隔件304具有约100到150微米(um)的厚度。
集成电路306是硅裸片，其包含形成在其上的霍尔效应传感器312、霍尔效应传感器314、霍尔效应传感器316及霍尔效应传感器318。霍尔效应传感器312、霍尔效应传感器314、霍尔效应传感器316及霍尔效应传感器318是水平霍尔效应传感器。集成电路306放置在隔离间隔件304与磁集中器308及磁集中器310之间。在一些实施方案中，集成电路306具有大约150到250um的厚度。集成电路306通过接合线320耦合到引线框架302，用于在引线框架302与集成电路306之间传送电信号。
磁集中器308与电流输出支路/段303B对准并重叠，以集中由电流输出支路/段303B中的电流产生的磁通。类似地，磁集中器310与电流输入支路/段303A对准并重叠，以集中由电流输入支路/段303A中的电流产生的磁通。磁集中器308及磁集中器310周围的磁通与在电流输入支路/段303A及电流输出支路/段303B中流动的电流成正比。磁集中器308及磁集中器310可以例如铁镍合金的软磁性材料的圆形磁盘、八角形磁盘、椭圆形磁盘、多边形磁盘等的形式提供。在300的一些实施方案中，通过作为晶片级处理的部分的电镀在集成电路306上形成/沉积磁集中器308及310。因此，磁集中器308及310与霍尔效应传感器312到318的对准被精确地控制。
霍尔效应传感器312布置成与磁集中器308的边缘308A重叠。霍尔效应传感器314布置成与磁集中器308的与霍尔效应传感器312相对的边缘重叠。霍尔效应传感器312及霍尔效应传感器314检测磁集中器308周围的磁通，并基于检测到的磁通产生与在电流输出支路/段303B中流动的电流成正比的输出电压。
霍尔效应传感器316布置成与磁集中器310的边缘310A重叠。霍尔效应传感器318布置成与磁集中器310的与霍尔效应传感器316相对的边缘重叠。霍尔效应传感器316及霍尔效应传感器318检测磁集中器310周围的磁通，并基于检测到的磁通产生与在电流输入支路/段303A中流动的电流成正比的输出电压。
图4展示电流传感器300的俯视图。图4中展示导体303、磁集中器308、磁集中器310、霍尔效应传感器312、霍尔效应传感器314、霍尔效应传感器316及霍尔效应传感器318。如图4中展示，导体303为“U形”。磁集中器308与电流输出支路/段303B、霍尔效应传感器312及霍尔效应传感器314重叠。磁集中器310与电流输入支路/段303A、霍尔效应传感器316及霍尔效应传感器318重叠。
磁集中器308放置成与电流输出支路/段303B的线性区段重叠。例如，磁集中器308比导体303的顶点404更靠近电流输入支路/段303B的端402。磁集中器310放置成覆盖电流输入支路/段303A的线性区段。例如，磁集中器310比导体303的顶点404更靠近电流输入支路/段303A的端406。磁集中器308及磁集中器310的定位有助于消除归因于杂散磁场引起的误差。
图5展示不存在杂散磁场的磁集中器308及310中的磁场。给定磁场，设置于集成电路306上的求和电路系统将霍尔效应传感器312到318的输出求和为：
Vout＝-VHall1+VHall2+VHall3-VHall4
其中：
Vout是求和电路系统的输出，且与在电流输入支路/段303A及电流输出支路/段303B中流动的电流成正比；
VHall1是霍尔效应传感器312的输出；
VHall2是霍尔效应传感器314的输出；
VHall3是霍尔效应传感器316的输出；以及
VHall4是霍尔效应传感器318的输出。
图6展示存在杂散磁场的磁集中器308及310中的磁场。
Vout＝-(VHall1+Vstray)+(VHall2-Vstray)+(VHall3+Vstray)-(VHall4-Vstray)
其中Vstray是由杂散磁场在霍尔效应传感器312到318中诱发的电压。
在导体303中流动的电流在磁集中器308及磁集中器310周围产生相反的面内磁场。霍尔效应传感器312到318测量相反的磁场以产生输出电压。霍尔效应传感器312到318的输出的总和抵消归因于杂散磁场引起的电压。因此，电流传感器300的实施方案不受由杂散磁场引起的电流测量误差的影响。
图7展示根据此描述的用于制造电流传感器的方法700的流程图。尽管为了方便起见循序地进行描绘，但所展示的动作中的至少一些可按不同顺序执行及/或并行执行。而且，一些实施方案可仅执行所展示动作中的一些。在方法700中，框702及704的操作在晶片级处理期间执行，且框706到710的操作在封装级处理期间执行。
在框702中，在集成电路306上形成电路系统。因此，电路系统形成在晶片的裸片上，其中裸片对应于集成电路106的例子。形成在裸片上的电路系统包含霍尔效应传感器312到318及处理霍尔效应传感器312到318的输出的求和电路系统。
在框704中，在集成电路106上形成磁集中器308及310。因此，在设置在晶片上的集成电路106的每个例子上形成磁集中器308及310的例子。磁集中器308及310作为一或多层磁性材料电镀在每个裸片的表面上。因为磁集中器308及310的位置是经由晶片级掩模来建立的，所以可精确地控制磁集中器308及310与霍尔效应传感器312到318的对准，以改进磁集中器308及310与霍尔效应传感器312到318之间的磁场的通信。
在单切后，集成电路106在框706到710中被封装。在框706中，将隔离间隔件304放置在引线框架302上。例如，隔离间隔件304可使用环氧树脂或其它粘合剂接合到引线框架302。在方法700的一些实施方案中，隔离间隔件300在单切之前而不是在单切之后接合到晶片。
在框708中，将集成电路306放置在隔离间隔件304上。例如，集成电路306可使用环氧树脂或其它粘合剂接合到隔离间隔件304。
在框710中，添加接合线320以将集成电路306电耦合到引线框架302。可涂覆囊封化合物来保护引线框架302(或其一部分)、隔离间隔件304及集成电路306。
在此描述中，术语“耦合”可涵盖实现与此描述一致的功能关系的连接、通信、或信号路径。举例来说，如果装置A产生控制装置B执行动作的信号，那么：在第一实例中，装置A经耦合到装置B；或在第二实例中，如果中介组件C未实质上更改装置A与装置B之间的功能关系，那么装置A通过中介组件C耦合到装置B，使得装置B经由由装置A产生的控制信号由装置A控制。
在所描述实施例中，修改是可能的，且在权利要求书的范围内，其它实施例是可能的。

Claims (20)

1.一种封装式电流传感器，其包括：
引线框架，其包括导体；
集成电路；
隔离间隔件，其位于所述引线框架与所述集成电路之间；及
磁集中器，其与所述导体对准。
2.根据权利要求1所述的封装式电流传感器，其中所述集成电路包括与所述磁集中器对准的霍尔效应传感器。
3.根据权利要求2所述的封装式集成电路，其中：
所述磁集中器是第一磁集中器；
所述封装式集成电路包括第二磁集中器；及
所述霍尔效应传感器位于所述第一磁集中器与所述第二磁集中器之间。
4.根据权利要求3所述的封装式电流传感器，其中所述霍尔效应传感器与所述第一磁集中器的边缘及所述第二磁集中器的边缘重叠。
5.根据权利要求1所述的封装式电流传感器，其中所述集成电路包括：
第一霍尔效应传感器，其与所述磁集中器的边缘对准；及
第二霍尔效应传感器，其与所述磁集中器的与所述第一霍尔效应传感器相对的边缘对准。
6.根据权利要求5所述的封装式电流传感器，其中：
所述磁集中器是第一磁集中器；
所述封装式集成电路包括第二磁集中器；及
所述集成电路包括：
第三霍尔效应传感器，其与所述第二磁集中器的边缘对准；及
第四霍尔效应传感器，其与所述第二磁集中器的与所述第三霍尔效应传感器相对的边缘对准。
7.根据权利要求6所述的封装式电流传感器，其中：
所述导体包括：
电流输入支路；及
电流输出支路；及
所述第一磁集中器与所述电流输入支路对准；及
所述第二磁集中器与所述电流输出支路对准。
8.根据权利要求1所述的封装式电流传感器，其中所述第一磁集中器及所述第二磁集中器被电镀到所述集成电路上。
9.根据权利要求1所述的封装式电流传感器，其中所述第一磁集中器及所述第二磁集中器包括软磁材料的圆形盘或软磁材料的多边形盘。
10.一种电流传感器，其包括：
引线框架，其包括导体，其中所述导体包括：
电流输入段；及
电流输出段；
集成电路，其包括霍尔效应传感器；
隔离间隔件，其位于所述引线框架与所述集成电路之间；
第一磁集中器，其与所述电流输入段对准，并与所述霍尔效应传感器重叠；及
第二磁集中器，其与所述电流输出段对准。
11.根据权利要求10所述的电流传感器，其中所述第二磁集中器与所述霍尔效应传感器重叠。
12.根据权利要求10所述的电流传感器，其中：
所述霍尔效应传感器是第一霍尔效应传感器；及
所述集成电路包括第二霍尔效应传感器，所述第二霍尔效应传感器与所述第一磁集中器的与所述第一霍尔效应传感器相对的边缘重叠。
13.根据权利要求12所述的电流传感器，其中：
所述集成电路包括与所述第二磁集中器的边缘重叠的第三霍尔效应传感器。
14.根据权利要求13所述的电流传感器，其中：
所述集成电路包括第四霍尔效应传感器，所述第四霍尔效应传感器与所述第二磁集中器的与所述第三霍尔效应传感器相对的边缘重叠。
15.根据权利要求10所述的电流传感器，其中所述第一磁集中器及所述第二磁集中器包括软磁性材料的圆盘。
16.根据权利要求10所述的电流传感器，其中所述第一磁集中器及所述第二磁集中器包括软磁性材料的多边形盘。
17.一种电流传感器，其包括：
引线框架，其包括导体，其中所述导体包括：
电流输入段；及
电流输出段；
集成电路，其包括：
第一霍尔效应传感器；
第二霍尔效应传感器；
第三霍尔效应传感器；及
第四霍尔效应传感器；及
隔离间隔件，其位于所述引线框架与所述集成电路之间；及
第一磁集中器及第二磁集中器，其形成为所述集成电路上的金属层，所述第一磁集中器与所述电流输入段、所述第一霍尔效应传感器及所述第二霍尔效应传感器重叠，且所述第二磁集中器与所述电流输出段、所述第三霍尔效应传感器及所述第四霍尔效应传感器重叠。
18.根据权利要求17所述的电流传感器，其中：
所述第一霍尔效应传感器与所述第一磁集中器的边缘重叠；及
所述第二霍尔效应传感器与所述第一磁集中器的与所述第一霍尔效应传感器相对的边缘重叠。
19.根据权利要求17所述的电流传感器，其中：
所述第三霍尔效应传感器与所述第二磁集中器的边缘重叠；及
所述第四霍尔效应传感器与所述第二磁集中器的与所述第一霍尔效应传感器相对的边缘重叠。
20.根据权利要求17所述的电流传感器，其中所述第一磁集中器及所述第二磁集中器包括圆形磁盘或多边形磁盘。
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