DE10103398A1 - Device, ammeter and motor vehicle - Google Patents
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Abstract
Description
Die Messung von Strömen über Magnetfeldsensoren und Magnetfelder im Kraftfahrzeug, insbesondere in einer Umgebung, in der hohe elektromagnetische Störfelder auftreten, wie z. B. innerhalb elektrischer Antriebe, Motoren und Generatoren, stellt besondere Herausforderungen an die Anordnung von magnetischen Sensorelementen dar. Als weitere Herausforderung ist die Beherrschung der Frequenzabhängigkeit der Magnetfelder zu nennen, insbesondere der Skin-Effekt, der eine weitere konstruktive Einschränkung der Sensoranordnung bedeutet und einen bedeutenden Aufwand in Bezug auf die Positionierung der Sensorelemente erfordert.The measurement of currents via magnetic field sensors and Magnetic fields in the motor vehicle, especially in one Environment in which high electromagnetic interference fields occur, such as B. within electric drives, motors and generators, poses special challenges to the Arrangement of magnetic sensor elements. As another The challenge is mastery of the To name the frequency dependence of the magnetic fields, especially the skin effect, which is another constructive Restriction of the sensor arrangement means and one significant effort in terms of positioning the Requires sensor elements.
Bisher bekannt ist hinsichtlich der Messung von Stromstärken die Benutzung von Magnetfeldkonzentratoren, z. B. Ringkernen, um den Einfluß der magnetischen Stör- bzw. Streufelder zu eliminieren. Nachteil dieser Technik ist ein erhöhter Aufwand für die Konstruktion sowie ein erhöhter Materialaufwand, was zu Platzproblemen und relativ hohen Kosten führt. Weiterhin kann eine Beschränkung des Frequenzbereichs z. B. für die Strommessung resultieren, da die magnetischen Materialien oberhalb charakteristischer Frequenzen ein Sättigungsverhalten aufweisen. Außerdem muß die Hysterese dieser Materialien in der Auswertung der Signale berücksichtigt werden, um den dadurch verursachten Fehler zu kompensieren. Dies erfordert eine umfangreichere Signalauswertung. Ein weiteres Problem ist die mechanische Halterung der Sensormittel bzw. Sensoren derart, dass der Abstand zum z. B. stromführenden Leiter möglichst exakt eingehalten wird. Dies erfordert beispielsweise Vorrichtungen zur Mikropräzisionsmontage und Ähnliches.So far it is known regarding the measurement of current strengths the use of magnetic field concentrators, e.g. B. toroidal cores, to the influence of magnetic interference or stray fields eliminate. The disadvantage of this technique is an increased one Construction effort as well as an increased Material expenditure, which leads to space problems and relatively high Costs. Furthermore, a limitation of the Frequency range z. B. result for the current measurement, because the magnetic materials above more characteristic Frequencies have a saturation behavior. In addition, must the hysteresis of these materials in the evaluation of the Signals are taken into account to the caused by this To compensate for errors. This requires a more extensive one Signal evaluation. Another problem is the mechanical one Holding the sensor means or sensors such that the Distance to z. B. current-carrying conductor as precisely as possible is observed. This requires, for example Micro precision mounting devices and the like.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung, der erfindungsgemäße Strommesser und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass die Messung von Strömen über Magnetfelder bzw. die Messung von Magnetfeldern durch die Vereinfachung von Montageverfahren und unabhängig von frequenzabhängigen Effekten, wie beispielsweise dem Skin-Effekt, realsierbar ist. Weiterhin können erfindungsgemäß Montagetechniken eingesetzt werden, die eine Unabhängigkeit von magnetischen Störfeldern aus der Umgebung gewährleisten, ohne teuere zusätzliche Komponenten wie Magnetfeldkonzentratoren zu verwenden.The device according to the invention, the device according to the invention Ammeter and the motor vehicle according to the invention with the In contrast, features of the subordinate claims have the advantage that the measurement of currents via magnetic fields or the measurement of magnetic fields by simplification of assembly processes and independent of frequency-dependent Effects such as the skin effect can be realized is. Furthermore, assembly techniques according to the invention be used, which are independent of magnetic Ensure interference from the environment without expensive additional components such as magnetic field concentrators use.
Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Leiter zumindest im Bereich des Sensormittels eine zylindrische Form aufweist. Dadurch wird weiterhin die Frequenzabhängigkeit verringert, weil es nicht zur Ausbildung von frequenzabhängigen Magnetfeldern um den Leiter herum kommt.It is also advantageous that the conductor at least in Area of the sensor means has a cylindrical shape. This further reduces the frequency dependency, because it's not for frequency-dependent training Magnetic fields coming around the conductor.
Weiterhin ist von Vorteil, dass das Sensormittel auf ein flexibles Substrat aufgebracht ist. Dadurch ist es möglich, eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit hinsichtlich des Abstands des Sensormittels vom stromdurchflossenen Leiter zu gewährleisten.It is also advantageous that the sensor means on a flexible substrate is applied. This makes it possible high accuracy and reproducibility in terms of the distance of the sensor means from the current Ensure ladder.
Weiterhin ist von Vorteil, dass das Sensormittel den Leiter entlang eines Umfangs entschließt. Dadurch ist es möglich, dass der Sensor einen geschlossenen magnetischen Kreis darstellt. Hierdurch haben Störfelder keinen wesentlichen Einfluß mehr auf das Meßergebnis. Es können damit aufwendigere Maßnahmen wie beispielsweise Magnetfeldkonzentratoren oder Abschirmmaßnahmen entfallen, was Kostenvorteile und Platzvorteile bzw. Größenvorteile mit sich bringt.Another advantage is that the sensor means the conductor decides along a perimeter. This makes it possible that the sensor has a closed magnetic circuit represents. As a result, interference fields have no significant Influence more on the measurement result. It can more complex measures such as Magnetic field concentrators or shielding measures are not necessary, what cost advantages and space advantages or economies of scale with brings itself.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigenEmbodiments of the invention are in the drawing shown and in the following description explained. Show it
Fig. 1 ein erfindungsgemäßer Leiter mit einem Sensormittel in einer ersten Ausführungsform und Fig. 1 shows an inventive conductor with a sensor means in a first embodiment and
Fig. 2 ein erfindungsgemäßer Leiter mit einem Sensormittel in einer zweiten Ausführungsform. Fig. 2 shows a conductor according to the invention with a sensor means in a second embodiment.
In Fig. 1 ist ein Leiter 1 mit einem Sensormittel 5 dargestellt. Der Leiter 1 hat zumindest im Bereich des Sensormittels 5 eine zylindrische Form. Das Sensormittel 5 ist als Strom- bzw. Magnetfeldsensor-Chip vorgesehen. Das Sensormittel 5 ist als flexibler Sensorchip, wie beispielsweise ein Hall-Plättchen, ein lateraler Magnetotransistor ausgeführt als ein sehr dünn geschliffener Wafer bzw. Chip, oder Ähnliches. Das Sensormittel 5 ist auf den zylindrischen Leiter 1 aufgebracht. Die Montage kann beispielsweise durch Kleben oder Löten oder ähnliches erfolgen. Die Lotdicke bzw. die Klebstoffdicke fungiert dabei insbesondere als Abstandshalter des Sensormittels 5 von dem Leiter 1.In Fig. 1, a guide 1 is shown with a sensor means 5. The conductor 1 has a cylindrical shape at least in the area of the sensor means 5 . The sensor means 5 is provided as a current or magnetic field sensor chip. The sensor means 5 is designed as a flexible sensor chip, such as a Hall plate, a lateral magnetotransistor as a very thinly ground wafer or chip, or the like. The sensor means 5 is applied to the cylindrical conductor 1 . The assembly can be done for example by gluing or soldering or the like. The solder thickness or the adhesive thickness acts in particular as a spacer of the sensor means 5 from the conductor 1 .
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leiters 1 und des Sensormittels 5 dargestellt. Der Leiter 1 hat wiederum zylindrische Gestalt. Auf die Leiteroberfläche ist ein flexibles Substrat 10 aufgebracht. Auf das flexible Substrat 10 ist weiterhin eine magnetoresistive Schicht als Sensormittel 5 aufgebracht. Hierbei kommen als magnetoresistive Schichten 5 bzw. als Sensormittel 5 insbesondere AMR- oder GMR-Schichten (die eine "Anisotropic magneto resistance" bzw. eine "Giant magnetic resistance" aufweisen) oder ähnliche Schichten in Frage. Bei der Verwendung solcher magnetoresistiver Schichten, die auf ein flexibles Substrat 10 aufgebracht werden, kann bei entsprechender Auslegung des Substrats 10 zugleich ein Sensor 5 bzw. Sensormittel 5 realisiert werden, der bzw. die den gesamten Leiter 1 umschließt. Damit stellt das Sensormittel 5 einen geschlossenen magnetischen Kreis dar. Dadurch können Störfelder keinen wesentlichen Einfluß mehr auf das Meßergebnis des Sensormittels 5 haben. FIG. 2 shows a second embodiment of the conductor 1 according to the invention and the sensor means 5 . The conductor 1 in turn has a cylindrical shape. A flexible substrate 10 is applied to the conductor surface. A magnetoresistive layer is also applied to the flexible substrate 10 as sensor means 5 . AMR or GMR layers (which have an "anisotropic magneto resistance" or "Giant magnetic resistance") or similar layers are particularly suitable as magnetoresistive layers 5 or as sensor means 5 . When using such magnetoresistive layers, which are applied to a flexible substrate 10 , a sensor 5 or sensor means 5 can be realized at the same time, with a corresponding design of the substrate 10 , which or which encloses the entire conductor 1 . Sensor means 5 thus represents a closed magnetic circuit. As a result, interference fields can no longer have any significant influence on the measurement result of sensor means 5 .
Ein weiterer Lösungsansatz ist das direkte Aufbringen des Sensormittels 5 auf den stromführenden Leiter 1 bzw. auf die den Leiter 1 umgebende Isolation, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist.Another solution is the direct application of the sensor means 5 to the current-carrying conductor 1 or to the insulation surrounding the conductor 1 , which is not shown in the drawing.
Durch die Wahl von geeigneten Leitergeometrien, wie z. B. eine zylindrische Leitergeometrie, ist eine Unabhängigkeit von frequenzabhängigen Effekten, wie beispielsweise dem Skin-Effekt gegeben, ohne dass dazu eine anspruchsvolle Montage der Sensormittel benötigt würde. Dadurch wird eine Frequenzunabhängigkeit des Meßverfahrens mit einfachen Mitteln erreicht. By choosing suitable conductor geometries, such as. B. a cylindrical conductor geometry is an independence of frequency-dependent effects, such as that Skin effect given without being a demanding one Assembly of the sensor means would be required. This will make one Frequency independence of the measuring method with simple Means reached.
Durch den geringen Platzbedarf einer solchermaßen vorgesehenen Vorrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke ist weiterhin eine leichte und einfache Anpassung des Sensors bzw. der Sensormittel an vorgegebene Geometrien möglich. Hierdurch ist ein minimaler Bauraum des Sensormittels möglich.Because of the small amount of space required provided device for measuring the electrical Amperage is still an easy and simple Adaptation of the sensor or the sensor means to predetermined ones Geometries possible. As a result, the installation space is minimal Sensor means possible.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, auf dem flexiblen Substrat 10 eine Auswerteschaltung 6 vorzusehen. Die Auswerteschaltung 6 ist auch nach der Ausführungsform gemäß der Fig. 1 vorgesehen, dort jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt. Es ist insbesondere erfindungsgemäß vorgesehen, eine solche Auswerteschaltung 6 bzw. einen solchen ASIC auf dem flexiblen Chip, der auch die Sensormittel 5 umfasst, vorzusehen.Furthermore, the invention provides for an evaluation circuit 6 to be provided on the flexible substrate 10 . The evaluation circuit 6 is also provided according to the embodiment according to FIG. 1, but is not shown there for the sake of simplicity. In particular, it is provided according to the invention to provide such an evaluation circuit 6 or such an ASIC on the flexible chip, which also includes the sensor means 5 .
In der ersten Ausführungsform gemäß der Fig. 1 ist erfindungsgemäß das Sensormittel 5 als Chip auf dem zylindrischen Leiter 1 vorgesehen. Der Chip 5 bzw. die Sensormittel 5 ist erfindungsgemäß auf einen gedünnten Wafer gesägt, dessen Dicke so niedrig ist, dass der Chip gebogen werden kann, beispielsweise deutlich kleiner als 150 µm, abhängig von der Chipgröße. Auf dem zylindrischen Leiter 1 bzw. auf der Rückseite des Sensormittels 5 wird entweder Lot oder Klebstoff aufgetragen und der Chip 5 wird im Anschluß daran auf den Leiter 1 aufgebracht. Um eine Dejustage des Chips 5 zu vermeiden, wird auf den Leiter 1 vor dem Fügevorgang eine Justagehilfe, z. B. in Form einer Prägung, mit Hilfe einer mechanischen Maske oder der Aufbringung von Lötstoplack aufgebracht. Der Leiter wird zusammen mit dem gefügten Chip und dem Lot bzw. dem Klebstoff z. B. thermisch ausgeheizt, um die Verbindung zu festigen. Es können erfindungsgemäß insbesondere auch mehrere Sensorchips montiert werden. Erfindungsgemäß ist insbesondere eine symmetrische Anordnung mehrerer solcher Sensorchips 5 vorgesehen.In the first embodiment according to FIG. 1, the sensor means 5 is provided according to the invention as a chip on the cylindrical conductor 1 . According to the invention, the chip 5 or the sensor means 5 is sawn onto a thinned wafer, the thickness of which is so small that the chip can be bent, for example significantly smaller than 150 μm, depending on the chip size. Either solder or adhesive is applied to the cylindrical conductor 1 or on the back of the sensor means 5 and the chip 5 is then applied to the conductor 1 . A misalignment of the chip to avoid 5, is applied to the conductor 1 prior to the joining process, an adjustment aid, z. B. in the form of an embossing, using a mechanical mask or the application of solder resist. The conductor is together with the joined chip and the solder or the adhesive z. B. thermally heated to strengthen the connection. According to the invention, it is also possible in particular to mount a plurality of sensor chips. According to the invention, a symmetrical arrangement of a plurality of such sensor chips 5 is provided in particular.
Bei der zweiten Ausführungsform gemäß der Fig. 2 ist eine magnetoresistive Sensorschicht als Sensormittel 5 vorgesehen. Die magnetoresistive Sensorschicht 5 ist auf ein flexibles Substrat 10 aufgebracht und umschließt den gesamten zylindrischen Leiter, so dass ein geschlossener Magnetkreis vorliegt. Das flexible Substrat 10 kann vor der Endmontage in die entsprechende Form gebracht werden, worauf dann die magnetoresistive Schicht 5 beispielsweise durch Sputtern, aufgebracht wird. Ebenso kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, die magnetoresistive Schicht auf dem flexiblen Substrat 10 aufzubringen, wobei das Substrat 10 zunächst noch planar vorgesehen ist und im Anschluß daran das Substrat 10 mitsamt der magnetoresistiven Schicht 5 in die gewünschte Form zu bringen. In diesem Fall muß die Verbindung der beiden Endstücke in geeigneter Form erfolgen, so dass ein geschlossener Magnetkreis entsteht.In the second embodiment according to FIG. 2, a magnetoresistive sensor layer is provided as sensor means 5 . The magnetoresistive sensor layer 5 is applied to a flexible substrate 10 and encloses the entire cylindrical conductor, so that a closed magnetic circuit is present. The flexible substrate 10 can be brought into the appropriate shape before final assembly, to which the magnetoresistive layer 5 is then applied, for example by sputtering. Likewise, it can be provided according to the invention to apply the magnetoresistive layer on the flexible substrate 10 , the substrate 10 initially being provided in a planar manner and subsequently bringing the substrate 10 together with the magnetoresistive layer 5 into the desired shape. In this case, the connection of the two end pieces must take place in a suitable form, so that a closed magnetic circuit is created.
Die Ausführung der magnetoresistiven Schicht 5 kann in der geometrischen Form jede beliebige geeignete Gestalt annehmen. Das flexible Substrat 10 wird auf den Leiter 1 beispielsweise geschoben und darauf fixiert, beispielsweise durch Kleben oder durch andere Art auf dem Leiter 1 positioniert.The design of the magnetoresistive layer 5 can take any suitable shape in the geometric form. The flexible substrate 10 is pushed onto the conductor 1, for example, and fixed thereon, for example positioned on the conductor 1 by gluing or by some other method.
Ebenso kann die magnetfeldempfindliche Schicht 5 direkt auf den Leiter aufgebracht werden bzw. gegebenenfalls auf dessen Isolation.Likewise, the magnetic field-sensitive layer 5 can be applied directly to the conductor or, if appropriate, to its insulation.
Die Auswertung des Meßsignals erfolgt erfindungsgemäß in beiden Ausführungsformen beispielsweise durch einen zweiten flexiblen ASIC bzw. eine flexible Auswerteschaltung, die entweder direkt auf den Leiter oder auf das flexible Substrat 10 bzw. die Isolation des Leiters montiert wird. Ebenso ist es denkbar, dass der ASIC bzw. die Auswerteschaltung in Stapeltechnik z. B. auf den Sensorchip 5 aufgebracht wird oder umgekehrt.In both embodiments, the measurement signal is evaluated according to the invention, for example by a second flexible ASIC or a flexible evaluation circuit which is mounted either directly on the conductor or on the flexible substrate 10 or the insulation of the conductor. It is also conceivable that the ASIC or the evaluation circuit in batch technology z. B. is applied to the sensor chip 5 or vice versa.
Die Messung von Strömen über deren Magnetfeldeffekt ist insbesondere im Automobilbereich notwendig und kritisch, weil hier mit besonders starken Störfeldern zu rechnen ist. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einem erfindungsgemäßen Stromsensor, hat daher die Vorteile der geringeren Einbaugröße eines Stromsensors bzw. einer Vorrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke.The measurement of currents via their magnetic field effect is necessary and critical, especially in the automotive sector, because particularly strong interference fields can be expected here. A motor vehicle according to the invention with a device according to the invention or an inventive Current sensor, therefore, has the advantages of less Installation size of a current sensor or a device for Measurement of electrical current.
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