CN1295514C - 电流传感器与电流传感器的制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了小型、高灵敏度、能在制造集成电路时通常所用的标准组装线上封装化、适于大规模生产的低成本电流传感器及其制造方法。可不降低磁通检测灵敏度和能取得对干扰磁通充分的屏蔽效应。于电流导体(22c)的下方贴附第一磁性体(50)，第一磁性体(50)能完成对被测定电流产生的磁通进行会聚、放大和屏蔽外来磁通的功能。在磁传感器芯片(20)之上设有第二磁性体(51)，第二磁性体(51)能完成屏蔽从外部入射的干扰磁通的功能。

Description

电流传感器与电流传感器的制造方法
技术领域
本发明涉及电流传感器与电流传感器制造方法。
详细地说，本发明涉及这样的磁电变换型的电流传感器及其制造方法，这种传感器通过由磁场检测元件检测由拟测定的电流所产生的磁通来测定电流强度。
背景技术
作为磁传感器周知有利用霍尔效应的霍尔传感器、磁阻元件、磁晶体管(它们的单体或是包含着内设有放大功能或校正功能的磁传感器ASIC)等。应用这类磁传感器能俘获电流产生的磁通而测定其电流强度，为此在传统上广泛采用了具有图1所示结构的电流传感器。
但是具有图1所示结构的电流传感器由于必需有围绕在流过电流的金属导体2周围的磁芯4，就不适合小型化，此外磁芯4与霍尔元件6需要分别制造再组装，从而使成本增大，不适于大量生产。
为了解决上述不利问题，已提出了采用集成电路的塑料模制件的“具有电流检测端子的磁传感器”(特开昭61-80074号公报)。此公报中公开的“具有电流检端子的磁传感器”包括有：电流检测用金属导体；固定于此导体两端部以外的部分上的磁电变换元件芯片；以各端连接到此芯片上的多个引线架；以及将这各个引线架的一端与上述芯片和上述金属导体的芯片固定部密封为一体的密封部，而其特征在于具有以上述金属导体的两个端部作为电流检测用的外部端子。
但是上述特开昭61-80074号公报中所公开的发明存在下述种种问题。
(1)特开昭61-80074号公报所描述的发明是在电流流过金属导体时，由紧邻金属导体表面设置的磁传感器芯片检测以该金属导体为中心按同心圆状产生的磁通，但在金属导体表面附近，磁通在导体表面基本上只有水平分量，而磁传感器芯片则主要是对于相对芯片表面垂直方向的磁通才具有灵敏度，对于水平取向的磁通则只能获得显著弱的灵敏度，因而难以进行良好的电流检测。
此外，相对于芯片表面取垂直方向的磁通具有灵敏度的磁传感器为使其相对于电流产生的磁通芯片表面成为垂直的，是可以作90°旋转而配置于导体之上面由此来检测电流所产生的磁通，但考虑到将磁传感器芯片固定到电流导体上的方法以及传感器芯片端子与引线架的引线接合方法的烦杂程度，应该说实用性与大规模生产性是欠缺的。
(2)在电流传感器设置的环境中可以设想在此电流传感器的周围是会有大量的测定对象以外的电流流过的，特开昭61-80074号公报中所述的发明在这样的环境之下便容易受到由这种周围的电流所产生的外来磁通的影响，从而难以正确地检测由被测定对象的电流所产生的磁通。
(3)特开昭61-80074号公报所描述的发明中，电流流过的金属导体和磁传感器芯片的端子所连接的引线架部的表面不是于同一面上形成有阶差，因而整体成型的引线架加工困难，不适于大规模生产。
(4)由被测定电流产生的磁通之外的磁通即由于外部扰动或干扰引起的磁通存在于磁传感器周边的情形下，未能有可充分进行的合适的屏蔽方法。换言之，尚未能实现这样的电流传感器，它能将拟测定的磁通导引到磁检测元件，通过消除外部干扰所产生的磁通面不产生测量误差，同时能充分发挥磁屏蔽效果。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供小型与高灵敏度的，能在制造集成电路时通常所用的标准装配线上封装化且适于大规模生产的低成本电流传感器及其制造方法。
本发明的另一目的在于提供对外部干扰磁通具有充分屏蔽效应，能封装化的电流传感器及其制造方法。
为了达到上述目的，本发明第1方面是在被测定电流流过金属导体部分上设置磁检测元件的电流传感器，其中将上述磁检测元件设置于使上述被测定电流产生的磁通会聚的磁通会聚板邻近，同时将上述磁检测元件的输入/输出端设置于与上述金属导体部分同一个面上或是具有预定阶差的平面上。
本发明第2方面是，使第1方面所述的电流传感器中的上述磁通会聚板由具有预定宽度间隙的一对部件构成。
本发明第3方面是，在第1方面所述的电流传感器中，于上述金属导体部分的未设置上述磁检测元件的背面还设有第一磁性体。
本发明第4方面是，在第3方面所述的电流传感器中，于上述金属导体部分的设有上述磁检测元件的上方还设有第二磁性导体。
本发明第5方面是，在第4方面所述的电流传感器中，沿上述被测定电流形成的磁通方向的上述磁通会聚板的全长为α，且设上述磁检测元件的磁检测面与上述第二磁性体之间的距离为X时，上述第二磁性体的位置的设定应满足关系式：0.1α≤X≤3.6α。
本发明第6方面是，在第1-5方面任一项所述的电流传感器中，通过减小装载着上述磁检测元件的上述金属导体的宽度，以显著地提高上述磁检测元件的检测灵敏度。
本发明第7方面是于被测定电流流过的金属导体部分上设有磁检测元件的电流传感器的制造方法。此方法包括下述步骤：将上述磁检测元件配置于使上述被测定电流产生的磁通会聚的磁通会聚板邻近，且在将上述磁检测元件的输入/输出端配置于与上述金属导体部分同一面上或是具有预定阶差的平面上时，应用相对于一片平板材料的蚀刻处理和/或加压处理，使磁检测元件用的引线架与上述金属导体部分同时整体成形的步骤；将上述金属导体部分、上述引线架与上述磁检测元件整体地密封的步骤。
本发明第8方面是于被测定电流流过的金属导体部分上设有磁检测元件的电流传感器的制造方法。此方法包括下述步骤：将上述磁检测元件配置于使上述被测定电流产生的磁通会聚的磁通会聚板邻近，且在将上述磁检测元件的输入/输出端配置于与上述金属导体部分同一面上或是具有预定阶差的平面上时，应用相对于一片平板材料的蚀刻处理和/或加压处理，使磁检测元件用的引线架与上述金属导体部分同时整体成形的步骤；于上述金属导体部分的未配置有上述磁检测元件的背面设置第一磁性体的步骤；将上述金属导体部分，上述引线架、上述第一磁性体以及上述磁检测元件整体地密封的步骤。
本发明第9方面是于被测定电流流过的金属导体部分上设有磁检测元件的电流传感器的制造方法。此方法包括下述步骤：将上述磁检测元件配置于使上述被测定电流产生的磁通会聚的磁通会聚板邻近，且在将上述磁检测元件的输入/输出端配置于与上述金属导体部分同一面上或是具有预定阶差的平面上时，应用相对于一片平板材料的蚀刻处理和/或加压处理，使磁检测元件用的引线架与上述金属导体部分同时整体成形的步骤；于上述金属导体部分的未配置有上述磁检测元件的背面设置第一磁性体的步骤；于上述金属导体部分的设置了上述磁检测元件的上方设置第二磁性体的步骤；使上述金属导体部分、上述引线架、上述第一磁性体以及上述第二磁性体成为整体结构的步骤。
本发明第10方面是在第9方面所述的电流传感器的制造方法中，设沿上述被测定电流形成的磁通方向的上述磁通会聚板的全长为α，且设上述磁检测元件的磁检测面与上述第二磁性体之间的距离为X时，上述第二磁性体的位置的设定应满足关系式：0.1α≤X≤3.6α。
本发明第11方面是，在第1-7方面任一项所述的电流传感器制造方法中，通过减小装载着上述磁检测元件的上述金属导体的宽度，以显著地提高上述磁检测元件的检测灵敏度。
附图说明
图1是示明已知的电流传感器的说明图。
图2A示明本发明实施形式1的电流传感器的图。
图2B示明本发明实施形式1的电流传感器的图。
图3A更详细地示明了图2A与2B所示的磁传感器芯片20的图。
图3B更详细地示明了图2A与2B所示的磁传感器芯片20的图。
图3C更详细地示明了图2A与2B所示的磁传感器芯片20的图。
图4A是表示说明磁传感器芯片20的制造过程的图。
图4B是表示说明磁传感器芯片20的制造过程的图。
图5A示明本发明的实施形式2的电流传感器的图。
图5B示明本发明的实施形式2的电流传感器的图。
图6A是示明图5A与图5B所示软磁性体薄板(第一磁性体)50的功能的说明图。
图6B是示明图5A与图5B所示软磁性体薄板(第一磁性体)50的功能的说明图。
图6C是示明图5A与图5B所示软磁性体薄板(第一磁性体)50的功能的说明图。
图7是示明作为本发明另一实施形式的具有单一霍尔元件70的磁传感器芯片的说明图。
图8A示明本发明实施形式3的电流传感器的图。
图8B示明本发明实施形式3的电流传感器的图。
图9示明本发明实施形式3的电流传感器的图。
图10示明本发明实施形式3的电流传感器的图。
图11示明图8A、8B、9与10所示实施形式中干扰电流线上下移动时的屏蔽效应图。
图12A是示明实施形式3中特异区域的下限值的特性图。
图12B是示明实施形式3中特异区域的下限值的特性图。
图12C是示明实施形式3中特异区域的下限值的特性图。
图13A是示明实施形式3中特异区域的上限值的特性图。
图13B是示明实施形式3中特异区域的上限值的特性图。
图13C是示明实施形式3中特异区域的上限值的特性图。
图14说明实施形式3的制造方法图。
图15A说明实施形式3的制造方法图。
图15B说明实施形式3的制造方法图。
图15C说明实施形式3的制造方法图。
图16说明实施形式3的制造方法图。
具体实施形式
实施形式1
图2A是概示采用本发明的电流传感器的整体结构的斜视图。图2B概示图2A中所示电流传感器的剖面构成图。在这两个图中，20为包括有霍尔元件等磁检测元件的磁传感器芯片，22A-22C为使被测定电流流过的电流导体，24A-24D为引线架。引线架24A-24D与电流导体22A-22C将于以后详述，是由一片金属薄板形成(参看图4A、4B)。26为用于将各引线架24A-24D与磁传感器芯片20连接的键合引线。M则表示由塑料模制的部分。
图3A、3B、3C分别为更详细示明图2A所示磁传感器芯片20的斜视图、剖面图与表面图。如这些图所示，磁传感器芯片20的整体设置于电流导体22C之上，可检测被测定电流所产生的感应磁场的大小。磁传感器芯片20的表面侧(即最远离传感器芯片基板32的一侧)上设置有分隔预定间隔的两块磁通会聚板28A、28B。在此磁通会聚板28A、28B的下方(即传感器芯片32一侧)且在磁通密度高的区域，设有两个霍尔元件30A、30B。
从图3A、3B、3C中可知，由被测定电流产生的感应磁场从一方的磁通会聚板28A通过一方的霍尔元件30A，再通过另一方的霍尔元件30B与另一方的磁通会聚板28B而经过磁传感器芯片20之内。
至于图中所示的磁传感器芯片20本身，已由本申请的发明人公开于美国专利公报(USP No.5,942,895：“磁场传感器与电流和/或能量传感器”，Popovic等)之中。通过设置此磁传感器芯片20，能实现高效率检测金属导体表面附近产生的(与导体表面平行方向的)磁通的，灵敏度良好的电流传感器。
图4A与4B说明图2A、2B与图3A、3B、3C中所示磁传感器芯片20的制造过程。如图4A所示，多个芯片的电流导体22A-22C和引线架24A-24D是通过对一块薄金属片蚀刻或冲压同时形成。结果能同时制造许多芯片的电流导体22A-22C和引线架24A-24D。从1个芯片区域切取下的加工完的金属薄片最后成为图4B所示的外现。换言之，图4B所示芯片的外观图与先前说明的图2A(斜视图)一致。
本实施形式的电流传感器中，被测定电流流过的电流导体部分22C与连接磁传感器芯片的端子的引线架24A-24D构成在同一平面上。或者，为了容易进行引线接合，也可对磁传感器芯片20所在的电流导体面22C进行冲压加工，使之减薄到接近于芯片的厚度。于是，与制造已有的集成电路用的引线架相同，由一块平板材料，能用蚀刻或冲压等方法同时整体地形成让电流流过的导体部分和它的引线架部分，在低成本下实现大规模生产。
(实施例)
下面说明与图2A相对应的实施例。
金属薄板(参考图4A)采用厚0.4mm的铜板，整体形成电流导体22A-22C与引线架24A-24D。如以前所述，图4A示明的是多个芯片连接状态，用与通常的集成电路用的引线架完全相同的工艺，能容易和大量生产，结果，如图4B所示，应用上述引线架，能由集成电路用的塑料模制方法形成电流传感器。
载承磁传感器芯片20的电流导体中央部分的宽度约2mm而塑料模制件外侧部分的宽度约5.5mm，能连续通电最大25A的电流，在磁传感器芯片20上应用图3B、3C所示的霍尔ASIC。此霍尔ASIC由集成电路的模压焊接中所用的绝缘粘合带固定于电流导体的小岛上。如图3B、3C所示，此霍尔ASIC具有由间隙分隔开的一对磁通会聚板(软磁性体薄膜)28A、28B，在各磁通会聚板的正下方设有霍尔元件。当电流流过电流导体22C，如图3A-3C所示，在电流导体表面上产生水平磁通，但这种磁通通过霍尔ASIC芯片表面一方的磁通会聚板28A，于磁通会聚板间隙部上描出圆弧形轨迹，通过磁通会聚板正下方的各霍尔元件，吸入到另一方的磁通会聚板28B中。在磁通通过的各霍尔元件中产生正比于其磁通密度的电动势。此磁通密度由于与流过电流导体的电流强度成正比，结果就从霍尔元件产生了与流过的电流强度成正比的电动势，从而可以检测出电流强度。
在此实施例中，作为电流的灵敏度，对每1安倍的被测定电流，于霍尔元件部中可产生约12高斯的磁通密度。
实施形式2
图5A与5B是概示另一实施形式的电流传感器整体结构的斜视图。在这两个图中，是在图2的结构之上再把软磁性体薄板50粘附到电流导体22C的下部(即与磁传感器20相反的一侧)上的结果。
图6A、6B、6C是表示图5A、5B所示软磁性体薄板50的功能说明图。
如图5A、5B与图6A、6B、6C所示，于构成电流导体小岛部的金属导体22C的背面粘附有高的磁导率、高饱和磁通密度、低矫顽力的软磁性体薄板50，使从外部入射的干扰磁通吸入并通过此软磁性体薄板50，由此可以减小干扰磁通的影响。此外，这种软磁性体薄板50对于被测定电流产生的磁通还兼具有会聚与放大的效果，从而能进一步提高电流传感器的灵敏度。
在上面说明的实施例1、2之中，于两个磁通会聚板28A、28B的下方设置了两个霍尔元件30A、30B，但也可取代这两个霍尔元件30A、30B，如图7所示设置单个霍尔元件70。在这种情形下，如图7所示，于2个磁通会聚板28A、28B及跨越它们的间隙部分设置单个霍尔元件70。
至于图7所示的单一霍尔元件70本身，已由本申请的发明人公开了美国专利公报(USP No.5942895：“磁传感器与电流和/或能量传感器“，Popovic等)之中。
此外，作为磁传感器芯片，只要是对于芯片表面水平方向的磁通具有良好的灵敏度的即可而不局限于霍尔元件，例如也可采用磁阻元件或GMR。
(实施例)
下面说明对应于图5A、5B的实施例
本实施例将厚0.35mm、长10mm×宽7mm的软磁性体薄板用作软磁性体薄板50。然后在电流导体背面上将前述的霍尔ASIC贴附到岛状部时所用相同的绝缘粘合带贴附此薄板。其结果，同未贴附此软磁性体薄板50的情形比较，对被测定电流的灵敏度约提高了1.8倍，同时对于图6A、6B所示的干扰磁通的灵敏度则减少约1/8。
实施形式3
图8A是概示第三实施形式的电流传感器整体结构的斜视图。本实施形式3除具有图5A的结构之外，还在电流导体的小岛部22C中载承的磁传感器芯片20的上方设置了第二磁性体(屏蔽板)51。
图8B说明图8A中所示第二磁性体51的功能。于磁传感器芯片20的上部通过设置具有高磁导率、高饱和磁通密度、低矫顽力的磁性体(屏蔽板)，使从外部入射的干扰磁通吸入并通过第二磁性体51(屏蔽板)。由此可以减小于干扰磁通的影响。图8省略了如图6B所示第一磁性体50的对干扰磁通的屏蔽作用的表示。
图9与10是实施形式3的主要部件的放大说明图。严格地说，它们表示的是横切中心的剖面，但C与G表示的是磁性体板的全长(剖面长度的2倍)。
图9中，采用霍尔元件等的磁检测元件的磁感应面与磁通会聚板的底面所在的位置基本相同。从该位置到第二磁性体51底边的距离设为X。沿被测定电流形成的被测磁场的流通方向，包括2个磁通会聚板28A、28B与间隙在内的磁通会聚板整体的长度设为α。
在图8与图9中，为了保持磁屏蔽效果而求得充分的检测灵敏度，以满足0.1α≤X≤3.6α条件的区域为有效。被测定磁场通过第一磁性体与磁通会聚板所形成磁路的区域，即主要是由第二磁性体(屏蔽板)51导致的“磁通引入”而不是由被测定电流所产生的被测定磁通的干扰磁通的实用的特异区域，乃是满足上述条件0.1α≤X≤3.6α的区域。在此，下限值之所以为0.1α，其理由将在后面参看图12A-12C详加说明，而上限值设定为3.6α的理由则在以后参考图13A-13C详细说明。在此特异区域中，若使磁场检测灵敏度放大到≥1，则能获得显著的屏蔽效果。
在图8A与8B中，第一磁性体50与第二磁性体51不限于设在模压树脂的内侧(也可以在模压树脂的表面或是在模压树脂的外侧)。
图11是示明图8A、8B、9与10所示实施形式中，当干扰电流的电线上下移动时磁屏蔽效果的数值分析结果。
图10中，第二磁性体51的尺寸为厚F＝0.35mm，长G＝10mm，宽度E＝7mm。第一磁性体50的尺寸为厚B＝0.35mm，长C＝10mm，宽度A＝7mm。
在此分析中，干扰电流线设于第二磁性体51的上方以便横切磁传感器芯片的中心并作上下移动。这种情形会给被测定磁场以最大的干扰。
图11中还示明了“实施形式1”与“实施形式2”的磁屏蔽效果，作为参考。除数值分析(实线)的结果外还给出了实际侧定值(带标记的虚线)。
在实际测定中，电流传感器的输出值由市售的数字电压表读取。为了研究干扰的程度外必须计算检测的灵敏度，因而被测定电流与干扰电流都以25安为基准量。干扰电流线的尺寸采用直径3mm-5mm的。
图11的横轴表示从干扰电流线到霍尔元件的磁感应面的距离X(单位：mm)。从封装表面到霍尔元件的距离则根据封装试制时的设计尺寸算出。图11的纵轴表示输出偏差(％)。在此算出无干扰时的检测灵敏度(mV/A)和对应于到干扰电流线的距离的检测灵敏度(mV/A)。根据这些检测灵敏度求出干扰磁通引起的“转感器输出偏差”。
应用市售的磁场分析工具进行数值分析，假定干扰电流线中流过的是理想的DC线电流。然后对无干扰和有干扰两种情形，由数值分析方法求横切试制的霍尔元件的磁检测面的磁通。作为后处理，算出磁探面整体上的平均磁通密度，据此结果求干扰平均的“传感器输出偏差”。
由图11可知，数值分析结果相对于实测值良好地再现。注意X值小的区域，可以看到按实施形式1、2、3的顺序，相对于干扰的误差显著地降低，在使干扰电流线趋近试制封装的上侧表面的情形，实施形式3中的输出偏差≤1％。
在将灵敏度保持到某个值的同时需要实现磁屏蔽效果。为此要确定配置第二磁性体以满足磁屏蔽效应和灵敏度两者的实际距离X的范围。在此，设磁通会聚板与第一磁性体之间所形成的磁路上，有着重要影响的使被测定电流的感应磁场增强的电流导体宽度为L，设检测感应磁场的磁通会聚板的总长为α，再将与包含磁通会聚板的磁传感器芯片20相接近的第二磁性体的尺寸(宽度E、厚度F)相组合，对它们的各个进行改变距离X的磁场分析。
下面设电流导体的高度T＝0.4mm，且设由磁检测元件到电流导体中心的距离、第一磁性体的形状(尺寸：宽A＝7mm，厚B＝0.35mm)以及从磁检测元件的磁检测面到第一磁性体上表面的距离为常数。首先求特异区域的下限。
图12A、12B与12C示明的是，应用图11所示数值计算中采用的磁路模型进行磁场分析求得的灵敏度曲线。具体地说，图12A示明改变第二磁性体51的尺寸(宽度E、厚度F)时的灵敏度特性，图12B示明改变电流导体宽度L时的灵敏度特性，而图12C示明改变α(磁通会聚板的全长，参看图10)时的灵敏度特性。在此，横轴为从第二磁性体51的底边到霍尔元件的磁感应面的距离X(单位：α)。纵轴表示设不存在第一磁性体50与第二磁性体51(实施形式1：参考图2A)的灵敏度为1时距离X的相对灵敏度。
图12A中，设α＝1.74mm、电流导体宽度L＝1.149α(2mm)、高度T＝0.229α(0.4mm)(参看图10)。设第一磁性体屏蔽板50的厚度B＝0.201α(0.35mm)、纵长C＝5.747α(10mm)、横宽A＝4.022α(7mm)(参看图10)。对于第二磁性体51设定厚度F＝0.201α(0.35mm)，纵长G＝5.747α(10mm)，横宽E＝4.022α(7mm)(参看图10)。以实线表示此时的敏感度特性。此外，设厚度变为F＝0.0287α(0.05mm)与F＝0.574α(1mm)，使宽度的变化为E＝1.149α(2mm)、E＝2.298α(4mm)、E＝4.022α(7mm)、E＝4.885α(8.5mm)，这种情形下观察到的灵敏度特性曲线与上述实线的基本相同(图12A中未示明)。
图12A中，灵敏度1上的虚线对应于“实施例1”，而相对灵敏度1.8周围的虚线对应于“实施例2”，实线则对应于“实施例3”，其中厚度为F＝0.201α(0.35mm)、纵长G＝5.747α(10mm)、横宽E＝4.022α(7mm)。当横宽E增大，绝对灵敏度趋向降低。此灵敏度虽然随横宽E的增大而降低但其变化很小，可以看到在横宽E＝2.298α(4mm)附近基本上无变化(图12A中未示明)。此外，即使改变厚度F，这种变化也很小。
在图12A所示例子中，于X＝0.23α附近的检测灵敏度为1。在第二磁性体51设置于试作封装的上侧表面上的情形，X＝0.681α，检测灵敏度为1.53。
图12B示明电流导体的宽度变窄时的灵敏度特性。
图10中，基本构型是α＝1.74mm、电流导体宽度L＝1.149α(2mm)。此外，对于第一磁性体50，设厚度B＝0.201α(0.35mm)、纵长C＝5.747α(10mm)、横宽A＝4.022α(7mm)。对于第二磁性体51，设厚度F＝0.201α(0.35mm)、纵长G＝5.747α(10mm)、横宽E＝4.022α(7mm)。
对于电流导体的宽度L＝1.149α(2mm)、L＝0.574α(1mm)与L＝最窄限度的线电流这三种模式进行了计算。L＝2mm、1mm时的电流导体高度T为常数(0.4mm)。作为极细的电流导体的极限值，进行了线电流的研究。实施形式2的绝对灵敏度设在电流导体的宽度L＝1.149α(2mm)时为1，则当L＝0.574α(1mm)时提高了1.26倍，而在线电流时提高了1.37倍。在图12B中则是以实施形式1为基准，对于各电流导体宽度L，将X变化时的相对灵敏度按同一标度以实线标绘。在相对灵敏度1.8附近、1.7附近、1.6附近所示的虚线，依此顺序示明了电流导体宽度变窄时的实施形式2的灵敏度。
其电流导体的宽度变窄，被测定的磁场强度则增加，本例中，在任何情形下，X＝0.23α附近的灵敏度都为1。
图12C示明将磁通会聚板的总长α加大时的灵敏度特性。α＝3.04mm。作为比较，图中还绘出了α＝1.74的曲线。在此设基本数据为：电流导体的宽度L＝1mm，第一磁性体50的厚度B＝0.35mm、纵长C＝10mm、横宽A＝7mm，第二磁性体51的厚度F＝0.35mm、纵长G＝10mm、横宽E＝7mm。
“实施形式1(参看图2A、2B)”的绝对灵敏度设当磁通会聚板的总长α＝1.74mm时为1，则在α＝3.04mm时本例中相对地提高了2.4倍。本例中，以实施形式1为基准，对各个α将X变化时的相对灵敏度以实线绘于同一图面上。在相对灵敏度1.7附近以及相对敏感度1.8虚线依此顺序表明了将磁通会聚板的总长α增大时“实施形式2”的相对灵敏度。
α＝3.04mm时，电流导体的宽度L＝0.328α(1mm)，第一磁性体50的厚度B＝0.115α(0.35mm)、纵长C＝3.289α(10mm)、横宽A＝2.302α(7mm)。第二磁性体51的尺寸与此相同。
图12C中，与实施形式1的灵敏度相应的相对灵敏度为1的X的最小值在X＝0.13α附近。再设E＝1.315α(4mm)、F＝0.0164α(0.05mm)。则此灵敏度可以提高。作为α的下限是取变小的方向，但由计算，X的下限为0.13α。据以上所述，实用的X下限设定为0.1α。
下面求特异区域的上限。
图13A、13B与13C是为了探讨第二磁性体51的屏蔽效应，借助图11所示数值计算所用磁路模型进行磁场分析的结果。
距磁检测面约22mm的一定位置处设置了干扰电流线，让第二磁性体51于磁传感器芯片20和干扰电流线之间上下运动。图中的横轴是从第二磁性体51的底边到霍尔元件的距离X(单位：α)。纵轴表示以通过具有第一磁性体50的“实施形式2(参考图5A、5B)”的霍尔元件中磁检测面的磁通密度(即灵敏度)为1，改变距离X时的相对灵敏度。更正确地说，是对于各磁通会聚板的形状(尺寸)、各电流导体的形状、各磁性体的形状(尺寸)的每种组合，基于通过磁检测元件的磁检测面的磁通容度，应该表示的相对灵敏度(输出的变化)[“实施形式2”的磁通密度(即灵敏度)设为1]。
磁检测面的磁通密度可作为干扰电流的干扰磁通与被测定电流的被测定磁场的合计值求得。此时，在第二磁性体51中，取决于它的位置，相对于磁检测面的磁通引入现象换言之磁通的吸入现象显著。
从图13A可知，通过改变第二磁性体51的横宽E与厚度F，能读取磁通引入程度的改变，改变参数时的磁通引入差(即纵轴值的差)对应于屏蔽效果的不同。
图13A中，设α＝1.74mm、电流导体的宽度L＝1.149α(2mm)、高度T＝0.229α(0.4mm)，设第一磁性体50的厚度B＝0.201α(0.35mm)、纵长C＝5.747α(10mm)、横宽A＝4.022α(7mm)；设第二磁性体51的厚度F为F＝0.0287α(0.05mm)-0.574α(1mm)，而对于横宽E为E＝2.298α(4mm)、E＝4.022α(7mm)、E＝4.885α(8.5mm)时，示明了这种情形下的灵敏度变化。比虚线表示的E＝2.298α(4mm)大的尺寸(实线)下，磁通的引入效果无差别，从而在磁屏蔽效果上无差别。从此图可知，磁屏蔽效应在3.6α或其下时变得明显。
图13B示明电流导体的宽度变窄时的磁屏蔽效应。取α＝1.74mm，设第一磁性体50的厚度B＝0.201α(0.35mm)，纵长C＝5.747α(10mm)，横宽A＝4.022α(7mm)，再设第二磁性体51的厚度F＝0.201α(0.35mm)、纵长G＝5.747α(10mm)、横宽E＝4.022α(7mm)。
相对于电流导体的宽度L＝1.149α(2mm)、L＝0.574α(1mm)、L＝最低限度宽度的理想的线电流这样三种模式进行了计算。宽度L为2mm、1mm时的电流导体的高度为常值(0.4mm)。线电流的中心与具有实际剖面积时的中心位置设为同一位置。也对极细电流导体的极限情形的线电流进行了研究。
设实施形式2(参考图5A、5B)的绝对灵敏度在电流导体的宽度L＝1.149α(2mm)时为1，则当L＝0.574α(1mm)时，此灵敏度提高了1.26倍，而在理想的线电流时提高了1.37倍。但在图13B中是对各种电流导体宽度以实施形式2的磁检测面的的磁通密度(灵敏度)为1而改变X时的相对灵敏度，是在同一图面上以实线与虚线作相重迭的描绘的。虚线示明L＝1.149α(2mm)时的特性，带菱形标记的实线示明L＝0.574α(1mm)时的特性，带*标记的实线示明线电流时的特性。
从图13B可知，在电流导体的宽度变窄面被测定磁场强度增大时，本例中不论在哪种情形下于X＝3.6α附近都显现出磁屏蔽效应。
图13C示明加大磁通会聚板的整体长度α时磁屏蔽效应。这里的干扰电流线的位置也固定于霍尔元件的磁检测面上方约22mm处。
首先取电流导体的宽度L＝1mm，设第一磁性体50的厚度B＝0.35mm、纵长C＝10mm、横宽A＝7mm，同时设第二磁性体51的厚度F＝0.35mm、纵长G＝10mm、横宽E＝7mm。
图13C中，对各α以实施形式2为基准将改变X时的相对灵敏度于同一图面上以实线与虚线作相重叠的描绘。虚线示明α＝1.74mm时的特性，实线示明α＝3.04mm时的特性。
α＝3.04mm时，电流导体的宽度L＝0.328α(1mm)。第一磁性体50由厚度B＝0.115α(0.35mm)、纵长C＝3.289α(10mm)、横宽A＝2.302α(7mm)表示。此外，设E＝1.315α(4mm)、F＝0.0164α(0.05mm)。这样，作为α的上限，由于是下降方向故X＝3.6α成为X的上限。
从图13可知，最大磁屏蔽效应出现于X＝3.6α附近。由以上可知，实用的X的上限为3.6α。
下面讨论α与X(α)的关系。设横轴由α的实际尺寸(单位：mm)表示而纵轴由特异区域X的上限或下限(单位：α)表示时，X的上限在α＝1.2-3.5mm附近且不管α为何值X基本上是常数(X＝3.6α)。X的下限在α＝1.2-3.5mm附近，且当α增大时成为从0.1α进而到小于0.1α。在α进一步增大的区域，X的下限接近0。在α进一步减小的区域，X的下限将大于0.23α。
在以上的说明中是假定具有线电流所致的扰动电流，但即使对于线电流以外的“干扰电流”，或是干扰磁场或者取代干扰电流而是由外部磁性体的磁场所致的干扰，也能取得相同的屏蔽效果。
在上面说明的实施形式3中，与先前描述的实施形式1与2相同是将两个霍尔元件30A、30B设置于两个磁通会聚板28A、28B之下，但也可如图7所示设置单个霍尔元件70取代这两个霍尔元件30A、30B。此时，如图7所示，在两个磁通会聚板28A、28B及其间隙部之上设置单个霍尔元件70。
有关图7所示单一霍尔元件70本身，已由本申请的发明人公开了美国专利公报(USP No.5942895：“磁传感器与电流和/或能量传感器”，Popovic等)之中。
作为磁传感器芯片，只要是对于芯片表面水平方向的磁通具有良好的灵敏度的即可而不局限于霍尔元件，例如也可采用磁组元件或GMR。
因此，根据第三实施形式，在由第二磁性体51获得屏蔽效应同时，通过由磁通会聚与第一磁性体50形成的磁路，能够获得充分的灵敏度。这就是说，在进行磁屏蔽时能够实现这样的磁屏结构，使被测定磁通不会通过磁屏蔽偏离开磁检测元件。
(实施例)
下面说明对应于上述“实施形式3”的实施例。
图14是示明电流传感器的俯视图的例子。图14中，20指具有磁通会聚板28A、28B的磁检测部、81指第二磁性体51的宽度E而82指其长度G，85表示具有磁通会聚板28A、28B的磁检测部20的总长α，86指电流流过方向的长度。此外，图14中略去了第一磁体50的各尺寸。
在图14所示的实施例中，磁通会聚板28A、28B所占区域中磁检测部的总长α为约1.7mm-约3mm。
第二磁性体51的宽度81、长度82与厚度83若是具有一定程度的大小则能具有充分的磁屏蔽效应，从而对其选择具有某种程度的富裕。例如可以设宽度81为7mm，长度82为10mm，厚度83为0.35mm。第一磁性体50在起到磁屏蔽效应与磁轭作用时，也有供选择的宽度来获得相同程度的效果。例如可取宽度为7mm，长度为10mm而厚度为0.35mm。
设于磁传感器芯片20上、下的两个磁性体50、51的尺寸与形状不限于相同的，也不限于薄板形状的。
本发明的本质是取至少有两片磁性体50、51分别设在适当的位置而夹持着电流导体22C与磁传感器芯片20的结构，因此根据本实施例能均衡地实现测定灵敏度与磁屏蔽效应。正如所详述的，第二磁性体51与霍尔元件等磁检测元件的磁检测面的距离X至关重要。
一般的配置是，从上面观察时要使电流导体22C与磁传感器芯片20的中心与第一磁性体50、第二磁性体51的中心一致，但在实际上即便以某种程度的偏移对合，也能获得充分的磁屏蔽效应。
第二磁性体51的大小若是对于包含磁通会聚板的磁传感器芯片于被测定电流方向的长度86、全长α有富裕时，即便沿与被测定磁场垂直的方向(电流的流向)有大的偏移，但检测灵敏度与磁屏蔽效应无大的变化。至于被测定磁场92与平行方向的偏移，若有约0.1mm的精度即可。
这样，当从模制的封装上面观察时，若是第二磁性体51的较大的程度覆盖了包含磁通会聚板的磁检测部时，可不必精密地求出从上面观察时的磁性体的位置偏移，也能实现预定的检测灵敏度和磁屏蔽效应。
除配置于封装的上侧、下侧、横侧上的与磁检测面平行、垂直的电流线外，即使对于来自外部的平行磁场、外部的磁性体等所致的磁场干扰，也能发挥磁屏蔽效应。
例如在只有第一磁性体50(长10mm×宽7mm×厚0.35mm)的实施形式2的情形中，当于电流传感器上方配置同形状(尺寸)的另一磁性体50时，若此距离小于约10mm，则传感器的输出变动率将大于1％。
这样，通过第二磁性体51，即便对于邻近的磁性体的干扰，也能取得显著的磁屏蔽效应。
第一磁性体50和第二磁性体51是与电流导体和传感器芯片平行地配置，但例如即便是第一磁性体50与第二磁性体51是八字形关系而在其间有电流导体与磁传感器芯片的情形，也能取得磁屏蔽效果。同样，当第一磁性体50与第二磁性体51平行，而在它们之间的电流导体与磁传感器芯片的配置相对于这两个磁性体不平行而倾斜时，也能获得磁屏蔽处理。
此外，夹持磁传感器芯片20与电流导体22C的磁性体也不限于上下各一片。
对于因第二磁性体51的厚度极薄而致磁屏蔽效果降低的情形，若通过于上、下重叠多片磁性体则能改进磁屏蔽效果。
当第二磁性体51的尺寸E、G(参看图10)小时，通过水平地排列多片磁性体，能够提高磁屏蔽效果。
本实施例通过采用磁性体的双层结构，不仅对外部的磁通有磁屏蔽效应，而且还有效于使磁通不易从电流传感器内部漏泄到传感器周边外部。
下面参看图15A-15C说明实施形式3的制造方法。图中的封装型虽是以DIP(双列直插式封装)型表示，但不局限于此，例如也可以是SOP(印刷电路板上的表面)型的这种表面安装型，另外，测试端子的脚形状也不限于图中的折弯状。本例中示明的是第一磁性体例如在最接近电流导体22C的状态下组装到模制封装中的情形。这里将说明第二磁性体51从一开始就未组装到模制封装内情形的制造方法。
在将第二磁性体(屏蔽板)51设置于模制组件的上表面的情形中，是用粘合剂、树脂等或盖件固定。
在从模制封装的上表面升高的状态下来安装第二磁性体(屏蔽板)51时，要插入厚度正确控制的非磁性体的隔件，再由粘合剂、树脂等或盖件固定，或可以由非磁性隔件本身来固定。
在将第二磁性体(屏蔽板)51安装到模制封装件上表面的下方时，例如可以用工业用钻具，对于与电流导体22C、包含磁通会聚板的磁传感器芯片20、另一磁性体50大致平行的钻入面进行钻孔。
图15A是于模制封装的上表面钻孔的例子。
图15B示明将第二磁性体51插入钻出的孔中。
图15C示明插入第二磁性体51后加盖的例子。盖不限于板状的，也可以以树脂、纤维等薄薄地涂层来取代盖。
或者，作为钻孔一方，可以从一开始于进行模制的模具中形成凹面，以在形成模制封装时，于小岛的上表面部中在以后插入软磁性体。
在把板状磁性体用作第一磁性体50与第二磁性体51时，传感器的组装简单。具体地说，由可不需弯曲插入的工序，从操作性考虑，以平板形式优越。
图16示明从一开始即组装有第二磁性体51在内的电流传感器的制造方法。图中示明了电流传感器的成形器的剖面。模具与成形器对应。模具的底部上例如设有图示的突起部91A、91B，第二磁性体51在置入模具底部中后便为突出部91A、91B从模具底部托起。
突起部91A、91B不限于图16中所示形状。例如也可以用横向延伸的棒形件来取代91A、91B。
电流导体22C上由芯片焊接方法焊接着包含磁通会聚板28A、28B的磁传感器芯片，第一磁性体50也固定到电流导体22C上。引线架24A-24D与电流导体22A-22C是整体成形的(图4A)。因而引线架与电流导体是上下倒转地设置于模具上。磁传感器芯片与测定端子之间由引线接合。图16中示明了置入系杆的槽孔但略去了定位于此槽孔中的系杆。
在图16所示状态下，将模塑树脂注入模具中。固化后，在由模具取出的模制封装中，上面(或侧面)开设有将第二磁性体板51支承于模具内时的孔，而在有需要时则可用涂布、树脂、纤维、粘合剂、盖等将孔封填。
根据以上所述，在模制封装内夹持地配置电流导体与包含磁通会聚板的磁传感器芯片，就能大规模地生产具有两个磁性体50、51的电流传感器。
如以上所述，根据本发明可实现小型与高灵敏度的，能在制备集成电路中通常使用的标准装配线上进行封装化，适合大规模生产的低成本电流传感器以及它的制造方法。
根据本发明，通过于小岛部的背面附加第一磁性体，能够不牺牲大规模生产性，有效地降低外来磁通的影响和提高灵敏度。
此外，根据本发明，通过增设第二磁性体能够不降低磁通的检测灵敏度，获得对于干扰磁通的充分屏蔽效应。

Claims (11)

1.一种电流传感器，它是在被测定电流流过金属导体部分上设置磁检测元件的电流传感器，其特征在于，将上述磁检测元件配置于使上述被测定电流产生的磁通会聚的磁通会聚板邻近，且将上述磁检测元件的输入/输出端子配置于与上述金属导体部分同一个面上或是具有预定阶差的平面上，从而构成单一的封装。
2.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，上述磁通会聚板由具有预定宽度间隙的一对部件构成。
3.根据权利要求1所述的电流传感器，其特征在于，在未设置上述磁检测元件的上述金属导体部分背面还设有第一磁性体。
4.根据权利要求3所述的电流传感器，其特征在于，在设有上述磁检测元件的上述金属导体部分上方还设有第二磁性体。
5.根据权利要求4所述的电流传感器，其特征在于，设沿上述被测定电流形成的磁通方向的上述磁通会聚板的全长为α，且设上述磁检测元件的磁检测面与上述第二磁性体之间的距离为X时，上述第二磁性体的位置的设定应满足关系式：0.1α≤X≤3.6α。
6.根据权利要求1～5的任一项所述的电流传感器，其特征在于，通过缩小装载着上述磁检测元件的上述金属导体的宽度，在实质上提高上述磁检测元件的检测灵敏度。
7.一种电流传感器的制造方法，它是于被测定电流流过的金属导体部分上设有磁检测元件的电流传感器的制造方法，此方法的特征在于，包括下述步骤：将上述磁检测元件配置于使上述被测定电流产生的磁通会聚的磁通会聚板邻近，且在将上述磁检测元件的输入/输出端子配置于与上述金属导体部分同一面上或是具有预定阶差的平面上时，应用相对于一片平板材料的蚀刻处理和/或加压处理，使磁检测元件用的引线架与上述金属导体部分同时整体成形的步骤；将上述金属导体部分、上述引线架与上述磁检测元件整体地密封的步骤。
8.一种电流传感器的制造方法，它是于被测定电流流过的金属导体部分上设有磁检测元件的电流传感器的制造方法。此方法包括下述步骤：将上述磁检测元件配置于使上述被测定电流产生的磁通会聚的磁通会聚板邻近，且在将上述磁检测元件的输入/输出端子配置于与上述金属导体部分同一面上或是具有预定阶差的平面上时，应用相对于一片平板材料的蚀刻处理和/或加压处理，使磁检测元件用的引线架与上述金属导体部分同时整体成形的步骤；于上述金属导体部分的未配置有上述磁检测元件的背面设置第一磁性体的步骤；将上述金属导体部分，上述引线架、上述第一磁性体以及上述磁检测元件整体地密封的步骤。
9.一种电流传感器的制造方法，它是于被测定电流流过的金属导体部分上设有磁检测元件的电流传感器的制造方法，此方法包括下述步骤：将上述磁检测元件配置于使上述被测定电流产生的磁通会聚的磁通会聚板邻近，且将上述磁检测元件的输入/输出端子配置于与上述金属导体部分同一面上或是具有预定阶差的平面上时，应用相对于一片平板材料的蚀刻处理和/或加压处理，使磁检测元件用的引线架与上述金属导体部分同时整体成形的步骤；在没有配置上述磁检测元件的上述金属导体部分的背面设置第一磁性体的步骤；在配置有上述磁检测元件的上述金属导体部分的上方设置第二磁性体的步骤；使上述金属导体部分、上述引线架、上述第一磁性体以及上述第二磁性体成为整体结构的步骤。
10.根据权利要求9所述的电流传感器的制造方法，其特征在于，设沿上述被测定电流形成的磁通方向的上述磁通会聚板的全长为α，且设上述磁检测元件的磁检测面与上述第二磁性体之间的距离为X时，上述第二磁性体的位置的设定应满足关系式：0.1α≤X≤3.6α。
11.根据权利要求7～10中任一项所述的电流传感器的制造方法，其特征在于，通过缩小装载着上述磁检测元件的上述金属导体部分的宽度，在实质上提高上述磁检测元件的检测灵敏度。
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