DE102011006972A1

DE102011006972A1 - Magnetfeldstromsensoren

Info

Publication number: DE102011006972A1
Application number: DE102011006972A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2010-04-08
Filing date: 2011-04-07
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2031-04-08
Also published as: US20110248711A1; CN102236042A; US9983238B2; US8760149B2; US20140253115A1; DE102011006972B4; CN102236042B

Abstract

Stromsensoren, Leiter und Verfahren sind offenbart. Ein Magnetstromsensor umfasst einen Leiter, der eine erste Blechschicht mit einer ersten Dicke umfasst und zumindest eine Einkerbung umfasst, die sich einwärts von einer ersten Kante der ersten Blechschicht erstreckt, und eine zweite Blechschicht mit einer zweiten Dicke, die kleiner ist als die erste Dicke und zumindest eine Einkerbung umfasst, wobei die zweite Blechschicht mit der ersten Blechschicht derart gekoppelt ist, dass die zumindest eine Einkerbung der ersten Blechschicht im Allgemeinen mit der zumindest einen Einkerbung der zweiten Blechschicht ausgerichtet ist; und einen integrierten Schaltungschip (IC-Chip), der zumindest ein Magnetsensorelement umfasst und mit dem Leiter derart gekoppelt ist, dass das zumindest eine Magnetsenindest einen Einkerbung der zweiten Blechschicht ausgerichtet ist.

Description

Verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung bezieht sich auf die US-Patentanmeldung-Seriennummer 12/630,596, eingereicht am 3. Dezember 2009 mit dem Titel „Magnetic Field Current Sensors”, die Priorität der US-Provisional-Patentanmeldung beansprucht, Seriennummer 61/138,557, eingereicht am 18. Dezember 2008, wobei beide derselben hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen sind.
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Stromsensoren und insbesondere auf relativ kostengünstige, integrierte Stromsensoren, die Strom über ein zugeordnetes Magnetfeld erfassen.
Sensormodule mit großen Magnetkernen sind üblicherweise teuer und sperrig. Ein Beispiel eines solchen Systems 100 ist in 1 gezeigt. In 1 ist ein primärer Leiter 102 durch einen Schlitzmagnetkern 104 gesteckt, der den gesamten Fluss um den Leiter 102 sammelt und ihn auf einen Hall-Sensor 106 richtet, der in dem Luftzwischenraum 108 des Kerns 104 platziert ist. Das System 100 und andere ähnliche sind nicht differentiell, was bedeutet, dass solche Systeme im Allgemeinen das Magnetfeld nur an einem Ort messen. Wenn ein Hintergrundfeld vorhanden ist, kann es zu Fehlern bei der Sensorausgabe führen; obwohl ein wesentlicher Teil des Hintergrundfeldes durch den Magnetkern abgeschirmt ist, ist die Unterdrückung von Hintergrundfeldern üblicherweise nicht besser als ein Faktor von 100. Andererseits leiden diese Systeme unter Fehlern aufgrund von Kernmängeln, wie z. B. Hysterese, Sättigung, Verschiebung bei Versatz nach großen Überstromereignissen und begrenzte Bandbreite aufgrund von Wirbelströmen in dem Kern oder in dem Leitungsrahmen des Sensors.
Ein anderes Sensorsystem 200 ist in 2 gezeigt und umfasst eine integrierte Sensorschaltung (IC) 202 mit kleinen Magnetkonzentratoren 204 auf dem Chip 206. Die Sensorhäusung 208 ist ein Allzwecktyp, obwohl die Häusung 208 modifiziert sein kann, um ein nicht magnetisches Kupferleitungsrahmenmaterial zu verwenden. Die Sensor-IC 202 ist über oder unter dem primären Leiter 210 platziert. Das System 200 ist im Allgemeinen klein und leicht, kann aber unter Montagetoleranzproblemen leiden, da der Leiter 201 nicht in die Häusung 208 integriert ist. Das System 200 leidet ferner unter einer eingeschränkten Bandbreite aufgrund von Wirbelströmen in dem Leitungsrahmen der standardmäßigen IC-Häusung 208. Ferner ist die Unterdrückung von horizontalen Hintergrundfeldern senkrecht zu der Stromspur begrenzt, obwohl das System 200 Differenzmessprinzipien verwendet (d. h. das System 200 misst das Magnetfeld an zwei unterschiedlichen Orten und subtrahiert eines von dem anderen). Das System 200 benötigt ferner einen bestimmten technischen Prozess zum Herstellen von Konzentratoren 204, die selbst zusätzliche Fehler erzeugen können, wie z. B. Hysterese und begrenzte Überlastfähigkeit.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetstromsensor, einen Leiter, ein Verfahren und einen Magnetstromsensorleiter mit verbesserten Charakteristika zu schaffen.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Weiterbildungen finden sich in den abhängigen Ansprüchen.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Magnetstromsensor einen Leiter auf, der eine erste Blechschicht mit einer ersten Dicke aufweist und die zumindest eine Einkerbung aufweist, die sich einwärts von einer ersten Kante der ersten Blechschicht erstreckt, und eine zweite Blechschicht mit einer zweiten Dicke, die kleiner ist als die erste Dicke, und die zumindest eine Einkerbung aufweist, wobei die zweite Blechschicht mit der ersten Blechschicht derart gekoppelt ist, dass die zumindest eine Einkerbung der ersten Blechschicht im Allgemeinen mit der zumindest einen Einkerbung der zweiten Blechschicht ausgerichtet ist; und einen integrierten Schaltungschip (IC-Chip), der zumindest ein Magnetsensorelement aufweist und mit dem Leiter derart gekoppelt ist, dass das zumindest eine Magnetsensorelement im Allgemeinen mit einer Spitze der zumindest einen Einkerbung der zweiten Blechschicht ausgerichtet ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Magnetstromsensor einen Leiter auf, der eine erste Blechschicht mit einer ersten Dicke und die zumindest ein Loch aufweist, und eine zweite Blechschicht mit einer zweiten Dicke, die kleiner ist als die erste Dicke und zumindest eine Einkerbung aufweist, wobei die zweite Blechschicht mit der ersten Blechschicht derart gekoppelt ist, dass das zumindest eine Loch der ersten Blechschicht zumindest teilweise die zumindest eine Einkerbung der zweiten Blechschicht überlappt; und einen integrierten Schaltungschip (IC-Chip), der zumindest ein Magnetsensorelement aufweist und mit dem Leiter derart gekoppelt ist, dass das zumindest eine Magnetsensorelement im Allgemeinen mit einer Spitze der zumindest einen Einkerbung der zweiten Blechschicht ausgerichtet ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Leiter eines Magnetstromsensors, der in eine integrierte Schaltung (IC) integriert ist, eine erste Metallschicht mit einer ersten Dicke und die zumindest einen Leerraum aufweist; und eine zweite Metallschicht mit einer zweiten Dicke auf, die kleiner ist als die erste Dicke und zumindest einen Leerraum aufweist, wobei die zweite Metallschicht mit der ersten Metallschicht derart gekoppelt ist, dass der zumindest eine Leerraum der ersten Metallschicht zumindest teilweise den zumindest einen Leerraum der zweiten Metallschicht überlappt.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Verfahren das Bereitstellen eines Magnetstromsensors mit zumindest einem Erfassungselement auf, das relativ zu einem Stromkonzentrierelement eines Leiters des Sensors positioniert ist, wobei der Leiter eine erste Metallschicht und eine zweite Metallschicht aufweist, wobei die erste Metallschicht eine erste Dicke aufweist, die größer ist als eine zweite Dicke der zweiten Metallschicht, und eine Einkerbung mit einer Spitze mit einem Radius aufweist, wobei die zweite Metallschicht mit einem Chip gekoppelt ist und eine Einkerbung aufweist, die eine im Allgemeinen zugespitzte Spitze aufweist; und das Erfassen eines Stroms in der Nähe des Stromkonzentrierelements durch das zumindest eine Erfassungselement.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist ein Magnetstromsensorleiter zwei elektrisch gekoppelte Schichten auf, wobei jede Schicht zumindest eine Einkerbung aufweist, wobei die zumindest eine Einkerbung der ersten Schicht und die zumindest eine Einkerbung der zweiten Schicht angeordnet sind, um eine minimale Stromweglänge in dem Leiter zu definieren, die kürzer ist als eine Stromweglänge in einer dickeren der zwei elektrisch gekoppelten Schichten; einen Stromeingangskontakt; und einen Stromausgangskontakt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein herkömmliches Sensorsystem;
2 ein herkömmliches Sensorsystem;
3A einen Leiter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3B eine weitere Darstellung des Leiters aus 3a gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3C eine weitere Darstellung des Leiters aus 3A und 3B gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3D eine weitere Darstellung des Leiters aus 3A–C gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3E ein Diagramm von Abmessungen, die in 3E gezeigt sind, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
4 Stromdichten in einem Leiter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
5 Strom-Stromlinien in einem Leiter gemäß einem Ausführungsbeispiele;
6A Temperaturabweichungen in einem Leiter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
6B Temperaturabweichungen in einem Leiter gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7A eine Draufsicht eines Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
7B eine Querschnittseitenansicht des Sensors aus 7A;
7C eine Querschnittseitenansicht eines anderen Ausführungsbeispiels des Sensors aus 7A und 7B;
8 eine Draufsicht eines Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 eine Draufsicht eines Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
10 eine Draufsicht eines Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
11 eine Draufsicht eines Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
12 eine Draufsicht eines Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
13A eine perspektivische Ansicht einer ersten Seite der Stromsensoren gemäß einem Ausführungsbeispiel;
13B eine perspektivische Ansicht einer zweiten Seite der Stromsensoren aus 13A;
14A einen geöffneten Formkörper des Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel;
14B ein Draufsichtdiagramm des Sensors aus 14A;
14C ein Seitenansichtdiagramm des Sensors aus 14A und 14B; und
15 eine Draufsicht eines Stromsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Während die Erfindung an verschiedenen Modifikationen und alternative Formen anpassbar ist, wurden Details derselben beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden detailliert beschrieben. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass es nicht die Absicht ist, die Erfindung auf die bestimmten, beschriebenen Ausführungsbeispiele zu beschränken. Im Gegenteil ist es die Absicht, alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abzudecken, die in das Wesen und den Schutzbereich der Erfindung fallen, wie sie durch die beiliegenden Ansprüche definiert sind.
Die Erfindung bezieht sich auf einen kostengünstigen, integrierten Stromsensor. Bei Ausführungsbeispielen bilden gestapelte Schichten aus Blech einen Stromsensorleiter. Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine erste Blechschicht relativ dick im Vergleich zu einer zweiten Blechschicht, die mit derselben gestapelt ist.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Blechelement mit zumindest einem Abschnitt einer oberen Oberfläche eines Sensorchips gekoppelt. Das Blechelement bildet einen Leiter für Strom, der durch Magnetfeldsensoren, wie z. B. Hall-Elemente, auf dem Sensorchip über ein zugeordnetes Magnetfeld gemessen werden soll, und bei einem Ausführungsbeispiel besteht keine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem Sensorchip und dem Leiter. Es ist bei verschiedenen Ausführungsbeispielen vorteilhaft, das Blech auch als einen Leitungsrahmenabschnitt für die Stifte des Sensorchips zu verwenden. Ein elektrischer Kontakt kann eingerichtet werden zwischen dem Sensorchip und den Stiften über Wafer-Durchgangskontakte, übliche Bond-Schleifen oder eine Flip-Chip-Anordnung des Chips bei den verschiedenen Ausführungsbeispielen. Eine elektrische Isolierung kann erreicht werden durch Verwenden eines Isolierfilms, wie z. B. eines Dielektrikums, bei einem Ausführungsbeispiel, auf der Ober- oder Unter-Seite des Wafers, ein isolierendes Chip-Befestigungsband (die-attach tage) oder ein isolierendes Chipbefestigungshaftmittel bei verschiedenen Ausführungsbeispielen. Die strukturelle Integrität zwischen dem Leiter und dem Chip kann ferner beibehalten werden durch einen floatenden bzw. schwebenden Metallabschnitt auf dem Isolierfilm und Löten, wie z. B. Diffusionslöten, des Leiters an das Metall.
Zum Beispiel weist ein Ausführungsbeispiel eine Häusung und eine integrierte Schaltung auf, und zumindest ein Abschnitt des Halbleiterchips ist durch einen elektrisch isolierenden Film abgedeckt, auf dem ein Leitungsrahmen angebracht ist. Der Leitungsrahmen kann eine Blechkonfiguration aufweisen, was bedeutet, dass die seitlichen Abmessungen mehr als ungefähr 5 mal größer sind als die Dicke bei einem Ausführungsbeispiel, und der Leitungsrahmen nicht elektrisch mit dem Hauptteil des Halbleiterchips gekoppelt ist, wodurch mehrere Kilovolt Isolationsspannung geliefert werden. Der Leitungsrahmen kann ferner einen Kontakt aufweisen, um einen Strom durchzuleiten. Somit kann der Strom in großer Nähe über der Oberflächenebene des Chips fließen, wie z. B. ungefähr 20 μm, bei einem Ausführungsbeispiel.
Bei einem Ausführungsbeispiel weist der Stromsensor zumindest ein Magneterfassungselement auf. Bei anderen Ausführungsbeispielen weist der Sensor eine Mehrzahl von Magneterfassungselementen auf, wie z. B. zumindest drei Magneterfassungselemente. Die Magneterfassungselemente können planare Hall-Platten aufweisen, und die Hall-Platten können ausgerichtet sein und sind bei einem Ausführungsbeispiel parallel zu einer allgemeinen globalen Richtung der Leitung der Hall-Sonden in großer Nähe zu einem Stromsensor angeordnet, der die Signale der Magneterfassungselemente gemäß folgender Beziehung verarbeitet: S_gesamt = S_links + S_rechts – 2·S_Mitte, um nicht nur homogene Hintergrundfelder, sondern auch Felder mit linearen Gradienten zu unterdrücken.
Der Leiter kann derart geformt sein, dass Hall-Sonden, wenn man sich entlang der stärksten Stromleitung bewegt, abwechselnd auf der linken und rechten Seite angeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel wird ein im Allgemeinen flacher Leiter verwendet, wobei Strom in einer Längsrichtung relativ zu der Konfiguration des Leiters fließt, und der Leiter kann einen oder mehrere Schlitze aufweisen, die senkrecht oder parallel zu der allgemeinen Stromrichtung gebildet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Schlitze ungefähr von dem Rand des Leiters zu der Mittellinie. Bei anderen Ausführungsbeispielen können sich einer oder mehrere Schlitze vorbei an der Mittellinie oder weniger als zu der Mittellinie erstrecken. Andere geometrische Merkmale der Schlitze können gemäß Ausführungsbeispielen auch variieren. Zum Beispiel können die Schlitze im Allgemeinen länglich sein, ein ungefähr V-förmiges Profil aufweisen und/oder unter anderem quadratische oder abgerundete Endgeometrien aufweisen. Planare Hall-Sonden können bei einem Ausführungsbeispiel über oder unter einem Ende von jedem Schlitz angeordnet sein. Der Leiter kann sich auch derart erstrecken, dass er mehrere Schichten isoliert voneinander und in Reihe oder parallel geschaltet aufweist.
Die magnetische Empfindlichkeit der Hall-Platten des Sensorsystems kann eingestellt werden, um zumindest mit einem Teil von 100 bei einem Ausführungsbeispiel übereinzustimmen oder einem Teil von 10.000 bei einem anderen Ausführungsbeispiel. Ausführungsbeispiele des Sensorsystems können diese Übereinstimmung beibehalten, trotz Drift bei Temperatur und mechanischer Belastung, über die Lebensdauer des Sensors hinweg. Das Sensorsystem kann auch eine Spinning-Current-Technik (Wirbelstromtechnik) verwenden, um den Versatz bis hinunter zu zumindest ungefähr 100 Mikrotesal (μT) durch den Arbeitstemperaturbereich hindurch bei einem Ausführungsbeispiel zu reduzieren.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Formen und Konfigurationen der Magnetfeldsensoren und einen primären Leiter eines Stromsensorsystems, derart, dass das Sensorsystem eine oder mehrere vorteilhafte Charakteristika aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel können die Magnetfeldsensoren und/oder der Primärleiter derart entworfen sein, dass ein großer Magnetfeldgradient, linear oder mit einer höheren räumlichen Ableitung, auf der Oberfläche eines Halbleiterchips erzeugt werden kann, gekoppelt mit dem Leiter. Bei einem Ausführungsbeispiel kann das Magnetfeld einen Hauptabschnitt aufweisen, senkrecht zu der Chipoberfläche, derart, dass ein planares Hall-Sensorelement erfassen kann, dass das Feld und der interne Widerstand des Leiters so niedrig wie möglich sind. Ferner können die Magnetfeldsensoren und/oder der primäre Leiter derart entworfen sein, dass der thermische Widerstand zwischen Punkten einer maximalen Stromdichte und Umgebung so niedrig wie möglich ist, und dass die mechanische Steifigkeit des Leiters und des Chips maximiert werden. Es ist ferner erwünscht, dass der erfasste Strom nicht durch Ströme in der Nähe beeinflusst wird, oder durch Nebensprechen, und dass der Leiter kein erkennbares Feld auf andere Komponenten erzeugt, wie z. B. andere Stromsensoren in der Nähe. Zusätzlich dazu kann die Form des Leiters relativ einfach sein, und in der Lage sein, mit Häusungs-, Montage- und anderen Verfahren aufgebaut zu werden, die üblicherweise in der Halbleiterindustrie verwendet werden.
Das System kann eine integrierte Sensorschaltung (IC; Integrated Circuit) aufweisen, die konfiguriert ist, um ein Ausgangssignal zu liefern, das Informationen über einen Strom umfasst, der durch einen primären Leiter fließt. Bei einem Ausführungsbeispiel liegt keine galvanische Verbindung zwischen dem primären Leiter und der Sensor-IC vor. Zu diesem Zweck weist die Sensor-IC zumindest einen Magnetfeldsensor auf, der konfiguriert ist, um auf das Magnetfeld zu antworten, das aus dem Strom durch den primären Leiter stammt. Die Sensor-IC wird in einer gut definierten Position im Hinblick auf das Magnetfeld des Leiters gehalten. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Magnetfeld des Leiters nicht weiter verstärkt oder durch eine Magnetflusspfadschaltung gesammelt, wie z. B. ein weichmagnetisches Material, da dies Kosten und Gewicht erhöhen könnte und Genauigkeit reduzieren könnte. Bei anderen Ausführungsbeispielen jedoch kann es vorteilhaft sein, einen oder mehrere kleine magnetische Flusspfade in die Sensorhäusung zu integrieren, wie z. B. gesputtert auf die Oberseite des Chips.
Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen weist das Sensorsignal vorteilhafterweise nur einen kleinen additiven Fehler oder Versatz auf. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Sensorsignal Null bei Null Ampere, mit einem kleinstmöglichen Fehler. Das Sensorsignal weist vorteilhafterweise nur einen kleinen Verstärkungs- bzw. Gewinnfehler auf. Bei vollem Strom sollte die Ausgabe konstant über Temperatur und Lebensdauer bleiben. Das Sensorsignal weist auch eine Bandbreite auf, die von Gleichstrom (DC) zu ungefähr 100 Kilohertz (KHz) oder höher reicht, sowie eine kleine Reaktionszeit, wie z. B. ungefähr eine Mikrosekunde (μs) bei einem Ausführungsbeispiel.
Bei Ausführungsbeispielen ist der Nennstrombereich ungefähr ein Ampere (A) bis ungefähr ein Kiloampere (kA), wie z. B. ein kA bei einem Ausführungsbeispiel. Der Stromsensor weist eine kleine Größe im Hinblick auf Volumen und Standfläche bei verschiedenen Ausführungsbeispielen auf und ist ferner leicht, bleibt aber robust gegen externe Magnetfelder, Temperatur, Feuchtigkeit, Überlaststrom durch den primären Leiter und Spannungsschwankungen zwischen dem primären Leiter und der Masse der Sensor-IC. Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Stromsensor einem Strom widerstehen, der ungefähr 10 mal oder mehr des Nennstroms ist. Die Spannungsisolation zwischen dem primären Leiter und der Sensor-IC ist bei verschiedenen Ausführungsbeispielen im Bereich von Kilovolt. Der Stromsensor weist ferner einen niedrigen Leistungsverbrauch auf, wie z. B. weniger als ungefähr 50 Milliwatt (mW) bei einem Ausführungsbeispiel, und eine niedrige Verlustleistung bei dem primären Leiter. Eine Übertemperatur aufgrund einer Selbsterwärmung des Sensors ist bei Ausführungsbeispielen ebenfalls niedrig.
Das Ausgangssignal der Sensor-IC kann eine analoge Spannung oder Strom, eine Frequenz, eine Pulscode-modulierte oder Pulsbreiten-modulierte Welle, einen digitalen Code oder eine andere Signalform aufweisen. Wie oben erwähnt wurde, kann das Sensorausgangssignal Informationen über den Strom übermitteln, wie z. B. Stärke des Stroms, Flussrichtung, Phase, Frequenz, Oberwellengehalt und Frequenzspektrum, Zeitintegrale oder Zeitableitung desselben, und andere Informationen.
Das Sensorsystem kann gemäß einem Standard-CMOS-Prozess hergestellt werden, bei einem Ausführungsbeispiel kombiniert mit einer fortschrittlichen Häusungstechnik. Diese Kombination ermöglicht die Verwendung eines einzigen Typs eines Siliziumchips und daher ein einziges Layout für einen großen Bereich von Stromsensoren.
Bei einem Ausführungsbeispiel kann der Leitungsrahmen weggelassen sein, was induzierte Wirbelströme und Bandbreitenbegrenzungen vermeidet. Da der zu messende Strom einen primären Leiter benötigt, kann der primäre Leiter bei einem Ausführungsbeispiel als Chip-Paddle oder Befestigungsplatte verwendet werden, an die der Chip angebracht ist. Es wird darauf hingewiesen, dass Wirbelströme, die in dem primären Leiter induziert werden, den Magnetfeldsensor nicht stören, aber die Impedanz des primären Leiters erhöhen, der durch einen starken Generator betrieben wird. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Simulation kann demonstriert werden, dass ein Sensorchip, der an einen üblichen Kupferleitungsrahmen angebracht ist, mit einer Dicke von ungefähr 0,2 Millimeter (mm), und in der Nähe eines Leiters platziert ist, eine –3dB-Bandbreite von 15 kHz aufweist, aufgrund von Wirbelströmen, die durch das Feld des Leiters in dem Leitungsrahmen induziert werden. Wenn der Strom durch den Leitungsrahmen selbst fließt und kein anderer guter Leiter in der Nähe der Magnetfeldelemente vorliegt, erhöht sich die Bandbreite weit über 100 kHz.
Bei herkömmlichen Leitungsrahmen sind Chip-Paddel und Massestift ein einzelnes Teil, gestanzt aus einem Blech. Dies liefert eine gute strukturelle Stabilität und ist einfach herzustellen. Es bindet den Chip an das Massepotential über eine niedrige Impedanz. Bei einem Ausführungsbeispiel des Stromsensors dient der primäre Leiter als ein Chip-Paddel, ist jedoch galvanisch von dem Chip isoliert. Daher ist das Massepotential mit dem Chip wie alle anderen Stifte verbunden, wie z. B. über dünne Bonddrähte. Dies liefert zusätzliche Vorteile insofern, dass alle Stifte der Sensorschaltung über dünne Bonddrähte verbunden sind. Daher, wenn versehentlich ein Kurzschluss zwischen dem primären Leiter und jeglichen der Stifte der Sensorschaltung auftritt, kann dieser Kurzschluss eine große Menge an Leistung übertragen, da der dünne Bonddraht als eine Sicherung wirkt, die schnell durchbrennt.
Bezug nehmend auf die Ansichten von 3, insbesondere 3A, ist ein Leiter 300 eines Stromsensors gezeigt. Der Leiter 300 weist bei einem Ausführungsbeispiel gestapelte Blechschichten auf, wie z. B. einen Leitungsrahmen 302 und einen Leistungsmetallabschnitt 304. Nur die rechte Hälfte des Leiters 300 ist gezeigt, wobei die yz-Ebene des Leiters 300 eine Symmetrieebene ist. Der gesamte Leiter 300 kann erhalten werden durch Erweitern des Spiegelbildes des Leiters 300 in 3B im Allgemeinen nach rechts, derart, dass der Leiter 300 dann drei Schlitze 306 aufweisen würde: den ersten 306a, wie in 3 gezeigt ist, einen zweiten 306b, für den die Hälfte in 3b gezeigt ist, und einen dritten, der das Spiegelbild des Schlitzes 306a auf der rechten Seite des Leiters 300 ist. Die Schlitze 306 sind im Allgemeinen mit Kerben 308 ausgerichtet, die in dem Leitungsrahmen 302 gebildet sind.
Bei einem Ausführungsbeispiel weisen der Leitungsrahmen 302 und der Leistungsmetallabschnitt 304 Kupfer auf. Der Leitungsrahmen 302 ist relativ gesehen dicker als der Leistungsmetallabschnitt 304. Zum Beispiel ist der Leitungsrahmen 302 ungefähr 1,2 mm dick und der Leistungsmetallabschnitt 304 bei einem Ausführungsbeispiel ungefähr 20 μm. Da der Leistungsmetallabschnitt 304 in der Halbleiterherstellung hergestellt werden kann, kann der Abschnitt 304 präzise strukturiert sein, wie z. B. mit einer Genauigkeit innerhalb von 0,5 μm bei einem Ausführungsbeispiel. Der Leitungsrahmen 302 kann dann bei einem Ausführungsbeispiel während eines Häusungsprozesses an den Leistungsmetallabschnitt 304 gelötet werden. Dies bedeutet, dass der Leitungsrahmen 302 im Allgemeinen weniger gut mit Sensorelementen, wie z. B. Hall-Sonden des Sensors, ausgerichtet ist, wie z. B. innerhalb einer Genauigkeit von 50 μm. Dies ist nicht sehr nachteilhaft, da die höchsten Stromdichten sich in dem Leistungsmetallabschnitt 304 befinden, insbesondere in den Regionen 310 der Enden der Schlitze 306, da der Strom versucht, den kürzesten Weg durch den Leiter 300 zu finden. Die Geometrie des Leistungsmetallabschnitts 304, mit den Schlitzen 306, konzentriert den Strom in den Regionen 310, da der Strom diesen kürzesten Weg sucht.
Der Leistungsmetallabschnitt 304 kann präziser im Hinblick auf den Chip ausgerichtet werden, während er auch genauer hergestellt werden kann als der Leitungsrahmen 302, da es im Allgemeinen einfacher ist, Schlitze und Löcher in ein dünnes Metall als ein dickes Metall herzustellen. Es ist im Allgemeinen nicht möglich, Schlitze mit einem Stanzprozess herzustellen, wenn eine Breite der Schlitze kleiner ist als die Blechdicke. Wenn Schlitze und Löcher durch Ätzen hergestellt werden, sind ihre Seitenwände möglicherweise nicht gerade, sondern insofern konisch, als sie schmaler an der Oberfläche sind, wo das Ätzen angefangen hat. Daher, wenn eine Gesamtleiterdicke z. B. ein Millimeter wäre, um einen ausreichend kleinen Innenwiderstandswert für einen 200 A Strom zu haben, wäre ein Schlitz ungefähr 1 mm breit. Für ungefähr 0,3 mm Breite könnte ein 0,3 mm dickes Blech mit einem 0,7 mm dicken gestapelt werden und ein 0,3 mm breiter Schlitz in dem dünnen Blech und ein 0,7 mm breiter Schlitz in dem dicken Blech hergestellt werden. Wenn eine Ausrichtungstoleranz von dickem und dünnem Blech besser als ungefähr (0,7–0,3)/2 = +/–0,2 mm ist, wird der Stromweg um den feinen Schlitz nicht durch das dicke Blech kurzgeschlossen.
Ein Großteil des Stromflusses in dem Leiter 300 fließt durch den Leitungsrahmen 302. Aufgrund der unterschiedlichen Form und Anordnung der Einkerbungen 308 im Hinblick auf die Schlitze 306 jedoch, nimmt Strom, der durch den Leistungsmetallabschnitt 304 fließt, eine schärfere Winkelabweichung oder Biegung um jeden Schlitz 306 im Vergleich zu Strom, der um die Einkerbungen 308 des Leitungsrahmens 302 fließt. Diese Anordnung führt zu einem höheren Pegel an Stromdichte in den Regionen 310 im Vergleich zu einer Stromdichte von anderen Regionen des Leitungsrahmens 302 und des Leistungsmetallabschnitts 304. Während somit ein Großteil des Stroms durch den Leitungsrahmen 302 mit einem geringeren Innenwiderstand fließt im Vergleich dazu, wenn der Leitungsrahmen 302 selbst Schlitze ähnlich zu den Schlitzen 306 aufweist, was zu einem geringeren Innenwiderstand führt, fließt ein kleinerer Teil des Stroms in einem winkeligeren Weg um die Schlitze 306 durch den Leistungsmetallabschnitt 304. Als solches kann ein Sensorelement, das in der Nähe des Leistungsmetallabschnitts 304 angeordnet ist, und insbesondere der Schlitze 306, den Strom genauer erfassen, aufgrund der erhöhten Stromdichte in den Regionen 310.
Verschiedene Konfigurationen der Schlitze 306 und Einkerbungen 308 sind bei Ausführungsbeispielen möglich. Einige Merkmale und Abmessungen können basierend auf einer einfachen Herstellung ausgewählt werden. Zum Beispiel können Herstellungstoleranzen vorgeben, dass Einkerbungen 308 in dem Leitungsrahmen 302 im Allgemeinen länger und breiter sind. Zusätzlich dazu können Einkerbungen 308, die langer als die Hälfte der Breite des Leitungsrahmen 302 sind, wo die Breite im Allgemeinen senkrecht zu dem Stromfluss in dem Leiter 300 gemessen wird, den Innenwiderstand unnötig erhöhen.
3D zeigt verschiedene Abmessungen des Leiters 300, wobei die Abmessungen hierin beispielhaft von nur einem Ausführungsbeispiel gegeben sind. Verschiedene andere Abmessungen, Konfigurationen und Kombinationen derselben können bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, wie Fachleute auf dem Gebiet wissen.
T1 stellt eine Dicke des Leitungsrahmens 302 dar. Bei Ausführungsbeispielen, wie z. B. jenen, bei denen der Strom von ungefähr 20 A bis ungefähr 200 A reicht, kann T1 von ungefähr 0,2 mm bis ungefähr 2,0 mm reichen. Bei einem Ausführungsbeispiel, wie z. B. für ungefähr 75 A des Stroms, ist T1 ungefähr 0,5 mm.
T2 stellt eine Dicke des Leistungsmetallabschnitts 304 dar. Bei Ausführungsbeispielen kann T2 von ungefähr 5 μm bis ungefähr 100 um reichen, wie z. B. ungefähr 20 μm sein.
C1 stellt einen oskulierenden Kreis in einer Spitze einer Einkerbung 308 in dem Leitungsrahmen 302 dar. Bei Ausführungsbeispielen weist C1 einen Durchmesser D1 auf, der nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
C2 stellt einen oskulierenden Kreis in einer Spitze des Schlitzes 306 in dem Leistungsmetallabschnitt 304 dar. Bei Ausführungsbeispielen weist C2 einen Durchmesser D2 auf. Während eine Breite des Schlitzes 306 in 3D derart gezeigt ist, dass sie dieselbe ist wie D2, kann sich die Breite bei Ausführungsbeispielen α nähern, um Platz für einen Durchgang zu den Verbindungsanschlussflächen zu machen, die darunter angeordnet sind.
DX stellt eine Distanz zwischen einer Mitte von C2 von einem Rand des Leitungsrahmens 302 in der x-Richtung dar. Wie in 3D gezeigt ist, verläuft die x-Richtung im Allgemeinen von links nach rechts, während die y-Richtung im Allgemeinen von oben nach unten im Hinblick auf die Ausrichtung auf der Seite verläuft.
DY stellt eine Distanz zwischen den Mitten von C1 und C2 dar. DY wird nachfolgend detaillierter erörtert.
W1 stellt eine Breite des Leitungsrahmens 302 dar. Bei Ausführungsbeispielen kann W1 von ungefähr 2 mm bis ungefähr 20 mm reichen, wie z. B. bei einem Ausführungsbeispiel ungefähr 4 mm sein.
W2 stellt eine Breite des Leistungsmetallabschnitts 304 dar. Bei Ausführungsbeispielen kann W2 kleiner als W1 sein, aber größer als 2·DY.
L1 stellt die Hälfte der Länge des Leiters 300 dar. Wie oben im Hinblick auf eine ähnliche Ansicht erwähnt wurde, ist nur die Hälfte des Leiters 300 in 3D gezeigt. Bei Ausführungsbeispielen ist L1 größer als DH (wird nachfolgend erörtert).
L2 stellt die Hälfte der Länge des Leistungsmetallabschnitts 304 dar. Bei Ausführungsbeispielen ist L2 größer als 2·DX und kleiner als L1.
DH + DX stellt eine Distanz zwischen einer Mittellinie des Leitungsrahmens 302 und einer Mittellinie der Einkerbung 308 dar, oder die Distanz zwischen zwei benachbarten Magnetfeldsensorelementen. DH wird nachfolgend detaillierter erörtert.
Der Winkel α stellt einen Aperturwinkel der Einkerbung 308 dar. Bei einem Ausführungsbeispiel ist α ungefähr 60 Grad.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist eine elektrische Isolierschicht zwischen der dünnen Leiterschicht und dem Chip gebildet. Die Isolierschicht kann mehrere Schichten aufweisen, z. B. einen Stapel, aus Isolator-Leiter-Isolator, wobei der Innenleiter als ein elektrostatischer Schild verwendet werden kann. Zu diesem Zweck ist zumindest ein Kontakt vorgesehen, der an einstabiles Potential gebunden sein kann, wie z. B. Masse.
Bei einem Ausführungsbeispiel deckt C2 zumindest 25% eines aktiven Bereichs eines Magnetfeldsensorelements ab, das in der Nähe angeordnet ist. Zum Beispiel ist eine Silizium-Hall-Platte bei einem Ausführungsbeispiel ungefähr 50 μm mal ungefähr 50 μm, und für eine Versatzkompensation sind üblicherweise zwei (als Duplet) oder vier (als Quadrupel) solche Platten miteinander gehaust. Somit ist ein aktiver Bereich der Hall-Platten ungefähr 100 μm mal ungefähr 100 μm bei einem Ausführungsbeispiel. Kleinere Hall-Platten, wie z. B. jene, die ungefähr 20 μm mal 20 μm sind, können ebenfalls verwendet werden. Bei Ausführungsbeispielen ist D2 größer als ungefähr 10 μm für Ströme, die größer sind als ungefähr 50 A und T2 ist kleiner als ungefähr 100 μm, wenn ein Leistungsmetall verwendet wird, da kleinere Durchmesser von D2 die Stromdichte über die Elektromigrationsgrenze hinaus erhöhen könnten. Daher ist D2 bei Ausführungsbeispielen im Bereich von ungefähr 10 μm bis ungefähr 100 μm. Es wird darauf hingewiesen, dass, wenn Nanopasten anstelle von Leistungsmetall verwendet werden, die Stromdichte weiter um einen Faktor von ungefähr 2 bis ungefähr 10 reduziert werden kann.
DX, DY und D1 hängen von verschiedenen Toleranzen bei Ausführungsbeispielen ab, was eine Genauigkeit der Kontur der Einkerbung 306 in dem Leitungsrahmen 302 und eine Chipanbringungstoleranz umfasst. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Chip an einem Leitungsrahmen 302 mit einer Toleranz von ungefähr +/– 100 μm befestigt. Während eine genauere Chipanbringung bis zu wenigen Mikrometern möglich ist, reduziert dies den Durchsatz und erfordert nicht standardmäßige Fließbänder. Die Genauigkeit der Einkerbung 308 in dem Leitungsrahmen 302 kann auch von der Dicke, T1, des Leitungsrahmens 302 und von der Werkzeugslebensdauer der Stanzen abhängen, die die Einkerbungen bilden. Wenn andere Techniken verwendet werden, um den Leitungsrahmen 302 herzustellen, wie z. B. Ätzen, Funkenerudieren oder andere, können diese Techniken genauer sein, sind aber wahrscheinlich auch teurer. Bei der Verwaltung von Kosten kann eine typische Gesamtgenauigkeit der Platzierung des Randes des Leitungsrahmens 302 im Hinblick auf den Chip ungefähr +/–200 μm sein. Es folgt, dass DY größer als ungefähr 200 μm – (D1 – D2)/2 sein sollte, um zu garantieren, dass der Leitungsrahmen 302 nicht die Spitze des Schlitzes 306 in dem Leistungsmetallabschnitt 304 überlappt, sogar wenn die Fehlplatzierung in der y-Richtung auf einem Maximum ist.
Analog dazu sollte in der x-Richtung DX größer sein als ungefähr 200 μm – D2/2 für kleinere D1s. Wenn D1 größer ist, dann ist C2 ungefähr in der Mitte von C1 und DX verliert seine Bedeutung. Bezug nehmend auf 3E ist bei Ausführungsbeispielen der Durchmesser von C1 größer als ungefähr 400 μm, derart, dass die Distanz zwischen der Kante bzw. dem Rand des Leitungsrahmens 302 und der Kante des Leistungsmetallabschnitts 304 (D1 – D2)/2 ist, was größer sein sollte als ungefähr 200 μm, um eine Überlagerung des Leitungsrahmens 302 im Hinblick auf den Schlitz 306 zu vermeiden.
4 ist ein Graph, der Stromdichten an unterschiedlichen Regionen des Leiters 300 zeigt. Skizze 320 zeigt die Stromdichte bei x = 0 in dem Leistungsmetallabschnitt 304, Skizze 322 bei x = 0 in dem Leitungsrahmen 302, Skizze 324 bei x = 1,9 mm in dem Leistungsmetallabschnitt 304 und Skizze 326 bei x = 1,9 mm bei dem Leitungsrahmen 302. Im Allgemeinen ist ersichtlich, dass die Stromdichte in der Mittelebene des Leitungsrahmens 302 viel niedriger ist als in einem ähnlichen Bereich des Leistungsmetallabschnitts 304. Wenn der Leistungsmetallabschnitt 304 näher an den Sensorelementen angeordnet ist als an dem Leitungsrahmen 302, sind die Sensorelemente vorteilhafterweise der höchsten Flussdichte ausgesetzt, wenn sie in der Nähe der Enden der Schlitze 306 positioniert sind, wie vorangehend erwähnt wurde. Bei einem Ausführungsbeispiel ist ein Spitzenwert der Stromdichte in dem Leistungsmetallabschnitt 304 ungefähr 65 A/mm² für einen Gesamtstrom von ungefähr 10 A, während der Leiter 300 einen Gesamtinnenwiderstand von ungefähr 92 μΩ hat. Somit ist bei ungefähr 100 A der Verlust nur ungefähr 0,92 W und die Spitzenstromdichte ist ungefähr 650 A/mm² bei einem Ausführungsbeispiel, was niedrig genug ist, um einen Elektromigrationsschaden bei Kupfer zu vermeiden.
Erhöhte Stromdichten in den Regionen der Schlitze 306 sind in 5 gezeigt, die Stromflusslinien 330 durch den Leiter 300 zeigt. Hervorgehobene Regionen 310 zeigen erhöhte Stromdichten in dem Leistungsmetallabschnitt 304 in der Nähe der Enden der Schlitze 306, da der Strom in der Nähe und um die Enden fließt.
6A und 6B zeigen Wärmedarstellungen des Leiters 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Pfeil, der auf den Leiter 300 überlagert ist, fließt von der höchsten Temperaturregion an dem linken Rand des Leiters 300 zu der niedrigsten Temperaturregion entlang der rechten Seite. Wenn die Endoberflächen des Leitungsrahmens 302 auf festen Temperaturen gehalten werden, ist die Übertemperatur entlang der Oberfläche des Leistungsmetallabschnitts 304 relativ niedrig: Bei einem Gesamtstrom von ungefähr 100 A mit ungefähr 0,92 W Verlust und unter der Annahme, dass andere Oberflächen thermisch isoliert sind, ist die Spitzenübertemperatur nur ungefähr 1,5 Grad C. Somit kann der Leiter 300 Überstromereignissen widerstehen, die wesentlich mehr Energie ableiten bzw. verlieren als bei dem maximalen Strom des Messbereichs.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in 7 gezeigt, wobei eine Draufsicht in 7A gezeigt ist und eine Querschnittansicht in 7B. Das Ausführungsbeispiel von 7 sowie andere Ausführungsbeispiele umfassen einen Hauptschwerpunkt mehr auf der genauen Strukturierung der Leiterschicht als andere Ausführungsbeispiele, bei denen die Bedeutung der genauen Ausrichtung betont wurde. Die Ausrichtung kann im Prinzip verbessert werden durch eine teurere Herstellung und Produktionsmaschinen und kann sich ergeben während der Kalibrierung am Bandende. Eine genaue Strukturierung ist jedoch ebenfalls relevant. Wenn der Leiter z. B. ungefähr 2 mm dick für einen Sensor mit 500 A ist und die Schlitze nicht schmaler sind als ungefähr 2 mm bei herkömmlichen Stanztechniken, bei denen die Breite des Schlitzes im Allgemeinen nicht schmaler ist als die Dicke des Blechs, kann es eine Herausforderung sein, mehr als einen Schlitz unter dem Chip unterzubringen, wenn der Chip nur ungefähr 3 mm mal ungefähr 2 mm groß ist.
Daher sind bei Ausführungsbeispielen zumindest zwei Schichten aus Blech gestapelt, um einen Leiter zu bilden. Eine solche Konfiguration ist in 7 gezeigt, die ein Sensorelement 700 zeigt. Das Sensorelement 700 umfasst eine erste Blechschicht 702 und eine zweite Blechschicht 704 in einer gestapelten Konfiguration mit einem Halbleiterchip 706. Die erste Schicht 702 weist einen Leerraum oder eine Einkerbung 708 auf und die zweite Schicht 704 weist ebenfalls eine Einkerbung 710 auf. Die erste Schicht 702 weist ferner Kontaktabschnitte 712 für einen Primärstrom auf.
Sensorelemente 714a, 714b und 714c, wie z. B. planare Hall-Platten, sind um den Leiter angeordnet, wobei das Sensorelement 714b im Allgemeinen entlang einer Symmetrielinie angeordnet ist und in der Nähe eines Innenendes 711 der Einkerbung 710, verschoben im Hinblick auf ein Innenende 709 der Einkerbung 708. Während drei Sensorelemente 714a–c gezeigt sind, können mehr oder weniger Sensorelemente bei anderen Ausführungsbeispielen verwendet werden, wie es hierin im Allgemeinen durchgehend der Fall ist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist das Sensorelement 714b ungefähr 50 μm von dem Innenende der Einkerbung 708 positioniert. Bonddrähte 716 koppeln den Leiter mit Niedrigspannungsstiften 718 des Chips 706. Stifte 718 können einen Abschnitt derselben Schicht aufweisen wie Schicht 704 bei einem Ausführungsbeispiel und können konfiguriert sein für eine Durchgangslochvorrichtung, wie z. B. durch ein Abwärtsbiegen der Stifte 718 und/oder der Stromschiene der Schicht 702, wie bei dem Ausführungsbeispiel von 7C gezeigt ist. Eine Sensorhäusung 720 ist ebenfalls gezeigt, die bei einem Ausführungsbeispiel ein Formkörper ist.
Die erste Blechschicht 702 ist relativ dick im Vergleich zu der zweiten Blechschicht 704. Zum Beispiel kann die erste Blechschicht 702 ungefähr 0,3 mm bis ungefähr 3 mm dick sein, während die zweite Blechschicht 704 bei Ausführungsbeispielen ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 0,4 mm dick sein kann.
Die zweite Schicht 704 kann während eines Front-End-Halbleiterherstellungsprozesses hergestellt werden, obwohl es auch möglich ist, dass eine oder beide Schichten 702 und 704 durch einen Leitungsrahmenhersteller erzeugt werden. Die zweite Blechschicht 704 kann durch einen Ätzprozess hergestellt werden, wohingegen die erste Schicht 702 bei Ausführungsbeispielen erhalten werden kann durch Stanzen und Pressen. Die erste Blechschicht 702 ist vielleicht nicht einmal in der Form eines Blechs und kann stattdessen bei einen Ausführungsbeispiel einen massiven Clip bzw. eine Klemme aufweisen; trotzdem ist seine Dicke im Allgemeinen geringer als beide laterale Abmessungen, wobei lateral parallel zu der primären Oberfläche des Chips 706 ist. Da die zweite Metallschicht 704 nicht mit dem Halbleiterherstellungsprozess bei Ausführungsbeispielen verknüpft ist, kann die Schicht 704 die Ränder des Chips 706 überlappen.
Ein anderer Aspekt, der berücksichtigt werden muss, ist die Anbringung der Schichten 702 und 704 des Leiters. Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Schichten 702 und 704 entlang einer Gesamtkontaktoberfläche mit einem elektrischen Leiter angebracht, der auch starr genug ist, um die Position der Schichten 702 und 704 während des Sensorlebens nicht zu ändern oder wenn der Sensor an die Leiter gelötet oder geschraubt wird. Bei einem Ausführungsbeispiel erfolgt die Anbringung durch Diffusionslöten. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgt die Anbringung durch Ultraschallschweißen, was vorteilhaft sein kann, da eine Schweißnaht einer Belastung von Elektromigration und Temperaturwechselbeanspruchung weniger ausgesetzt sein kann als eine gelötete Verbindung. Eine optionale elektrische Isolierschicht zwischen dem Chip 706 und dem Leiter kann auch umfasst sein, obwohl dies in 7 nicht gezeigt ist.
Im Allgemeinen ist die Einkerbung 710 der Schicht 704 feiner, wie z. B. schmäler und flacher als die Einkerbung 708 der Schicht 702. Wie in 7B gezeigt ist, ist die Schicht 704 auch näher an den Sensorelementen 714 positioniert als Schicht 702.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel und Bezug nehmend auf 8 kann die dünne Metallschicht 704 kleiner sein als der Chip 706 bei einer oder beiden lateralen Abmessungen. Im Allgemeinen schließt die Schicht 704 den Strom um die Einkerbung 708 der Schicht 702 kurz, wodurch ein niederohmiger Weg für den Strom auf seinem Weg zwischen 712a und 712b geliefert wird. Obwohl die Schicht 704 dünner ist als die Schicht 702, liefert die Schicht 704 einen niederohmigeren Weg, wenn dieser Weg kürzer um die Einkerbung 708 ist. Anders ausgedrückt muss die Schicht 704 ihr Defizit bei der Dicke ausgleichen durch Bereitstellen eines attraktiveren lateralen Abkürzungswegs. Die Schicht 704 sollte auch einen ausreichenden Kontaktbereich mit der Schicht 702 aufweisen oder der Strom kann nicht von der Schicht 702 zu der Schicht 704 und zurück in den Bereich der Einkerbung 708 fließen. Bezug nehmend auf 9 kann die Schicht 702 auch zwei Abschnitte aufweisen, 712c und 712d.
Wie in 10 dargestellt ist, muss der globale Stromweg nicht U-förmig sein. Bei einem Ausführungsbeispiel ist der Stromweg I-förmig, was einen niedrigeren Widerstand mit weniger Kriechdistanz zwischen den Stiften 718 und der Stromschiene der Schicht 702 bieten kann, gezeigt bei d.
Die Zahl und Konfiguration der Einkerbung 708 und/oder Einkerbung 710 kann ebenfalls variieren. Zum Beispiel weist das Ausführungsbeispiel, gezeigt in 11, drei Einkerbungen 708 und 710 auf, obwohl andere Ausführungsbeispiele mehr oder weniger umfassen. In 12 umfasst die Schicht 702 zwei Löcher 709 zusätzlich zu der Einkerbung 708 in Schicht 702. Eine solche Konfiguration kann geeignet sein, wenn der zweite Stromweg B in Schicht 702 ausreichend lang ist, so dass nur ein vernachlässigbarer Teil des Stroms durch die Schicht 702 fließt im Vergleich zu dem ersten Stromweg A. Ein Vorteil einer solchen Konfiguration ist eine erhöhte Steifigkeit der Schicht 702. Aus einer Herstellungsperspektive können Löcher 709 gestanzt oder gebohrt werden.
Ein anderes Ausführungsbeispiel ist in 13 gezeigt. 13A zeigt ein Stapeln einer dicken Schicht 702 und einer dünnen Schicht 704 von einer ersten Seite. Schicht 704 weist mehrere spitze Einkerbungen 710 auf und dient auch für Niedrigspannungsstifte 718. 13B zeigt die Schichten 702 und 704 von einer anderen Seite. Vorrichtung 701 in 13B weist ferner ein Isolationsplättchen 722 und einen Chip 724 auf. Der Chip 724 kann über Bonddrähte zu Niedrigspannungsstiften kontaktiert werden (nicht gezeigt).
Das Stapeln eines dünnen Leiters auf eine dickere Schicht oder einen Clip ermöglicht neue Möglichkeiten der galvanischen Isolierung. Der dünne Leiter kann als Podest dienen, auf dem der Chip ruht. Wenn der Chip größer ist als der dünne Leiter, liegt keine Kreuzung des Leiters über die Sägekante vor. Wenn somit die Dicke des Podests groß genug ist, um eine ausreichend große Kriechdistanz zwischen der Sägekante des Chips und dem dicken Clip zu liefern, kann die Spannungsisolation durch eine dieelektrische Schicht bei einem Ausführungsbeispiel erreicht werden, die auf der oberen oder unteren Oberfläche des Chips erzeugt wird während des Frontend-Halbleiterherstellungsprozesses. Eine solche Konfiguration ist kosteneffizient und liefert hochqualitative dielektrische Schichten, die höhere Isolationsspannungen bei geringeren Dicken erreichen, was wiederum die Stromempfindlichkeit des Sensors erhöht. In 14A ist der Formkörper geöffnet, um den Chip 706 und das Podest bzw. die Basis 726 zu zeigen. Zusätzliche Ansichten sind in 14B und 14C gezeigt.
Bei einem wiederum anderen Ausführungsbeispiel wird ein einzelnes dickes Blech auf eine Weise verarbeitet, um eine ähnliche Struktur zu erhalten, wobei ein dünnes Teil einen „Kurzschluss” für den Strom um die Einkerbungen liefert und somit die Stromdichte neben den Einkerbungsenden erhöht. Eine solche Struktur kann durch Ätzen erhalten werden, da ein Ätzprozess zu konischen Löchern/Schlitzen führen kann. In 15 ist die Breite des Schlitzes 708 auf der Seite des Blechs 702, die näher an den Magnetfeldsensorelementen 714 ist, W1, was kleiner ist als die Breite des Schlitzes 708 auf der gegenüberliegenden Seite des Blechs 702 (W2). Ferner ist der Krümmungsradius des Endes des Schlitzes 708 auf der ersten Seite des Blechs 702, die näher an den Magnetfeldsensoren 714 ist, R1, was kleiner ist als der Krümmungsradius des Endes des Schlitzes 708 auf der gegenüberlegenden Seite (R2). Im Allgemeinen weist daher ein Ausführungsbeispiel einen U-förmigen Leiter mit einer reduzierten Dicke entlang einem Innenrand auf, ohne den Außenrand zu ändern. Dies hat bei einem Ausführungsbeispiel die Wirkung der Erhöhung der Stromdichte nahe an Magnetfeldsensorelementen 714. Andere Konfigurationen sind jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen möglich.
Bei einem Ausführungsbeispiel können die Metallschichten, die in 15 gezeigt sind, separat hergestellt und dann miteinander verbunden werden. Die Schichten können durch eine Kontaktschicht verbunden werden, wie z. B. Lötmittel, bei einem Ausführungsbeispiel, oder durch eine Ultraschallschweißzone oder bei anderen Ausführungsbeispielen durch eine andere Einrichtung. Bei einem Lötmittelverbindungsausführungsbeispiel kann der Sensor 700 im Allgemeinen derart entworfen sein, dass eine Stromdichte bei dem maximal zulässigen Strom kleiner als ungefähr 20 A/mm² ist, um zu verhindern, dass eine Elektromigration verursacht, dass sich die Lötmittelschnittstelle unter der Wirkung eines hohen Stroms zersetzt. Dies kann bei einem Ausführungsbeispiel dadurch erreicht werden, dass die dünne Schicht so groß hergestellt wird, dass sich die Schicht von Bereichen extremer Stromdichte den gesamten Weg zu Bereichen einer niedrigeren Stromdichte erstreckt (z. B. den Kontaktregionen des Leiters).
Verschiedene Ausführungsbeispiele von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren wurden hierin beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind nur als Beispiele gegeben und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken. Es sollte ferner darauf hingewiesen werden, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsbeispiele, die beschrieben wurden, auf verschiedene Weisen kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsbeispiele zu erzeugen. Ferner, während verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Implantationsorte etc. zur Verwendung mit den offenbarten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können abgesehen von den offenbarten auch andere verwendet werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu überschreiten.
Durchschnittsfachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die Erfindung bei jeglichem individuellen oben beschriebenen Ausführungsbeispiel weniger Merkmale aufweisen kann als die, die dargestellt sind. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen keine erschöpfende Darstellung der Möglichkeiten sein, wie die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Entsprechend sind die Ausführungsbeispiele keine sich gegenseitig ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; stattdessen kann die Erfindung eine Kombination von unterschiedlichen individuellen Merkmalen aufweisen, die aus unterschiedlichen individuellen Ausführungsbeispielen ausgewählt sind, wie es für Fachleute auf dem Gebiet offensichtlich ist.
Jegliche Aufnahme durch Bezugnahme auf Dokumente oben ist derart beschränkt, dass kein Gegenstand aufgenommen wird, der entgegen der hierin explizit angegebenen Offenbarung ist. Jegliche Aufnahme durch Bezugnahme auf Dokumente oben ist ferner derart eingeschränkt, dass keine Ansprüche, die in den Dokumenten umfasst sind, hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Jegliche Aufnahme durch Bezugnahme auf Dokumente oben ist weiter derart beschränkt, dass jegliche Definitionen, die in den Dokumenten gegeben sind, hierin nicht durch Bezugnahme aufgenommen sind, außer dies ist ausdrücklich hierin anderweitig gegeben.
Zu Zwecken der Interpretation der Ansprüche der vorliegenden Erfindung ist es ausdrücklich beabsichtigt, dass sich nicht auf die Angabe von Abschnitt 112, sechster Absatz von 35 U.S.C. berufen wird, außer die spezifischen Ausdrücke „Einrichtung zum” oder „Schritt zum” sind in einem Anspruch gegeben.

Claims

Magnetstromsensor, der folgende Merkmale aufweist: einen Leiter (300), der folgende Merkmale aufweist eine erste Blechschicht (702) mit einer ersten Dicke und die zumindest eine Einkerbung aufweist, die sich einwärts von einer ersten Kante der ersten Blechschicht erstreckt, und eine zweite Blechschicht (704) mit einer zweiten Dicke, die kleiner ist als die erste Dicke, und die zumindest eine Einkerbung aufweist, wobei die zweite Blechschicht (706) mit der ersten Blechschicht (704) derart gekoppelt ist, dass die zumindest eine Einkerbung (708) der ersten Blechschicht im Allgemeinen mit der zumindest einen Einkerbung (710) der zweiten Blechschicht ausgerichtet ist; und ein integrierter Schaltungschip (IC-Chip) (706), der zumindest ein Magnetsensorelement aufweist und mit dem Leiter (300) derart gekoppelt ist, dass das zumindest eine Magnetsensorelement im Allgemeinen mit einer Spitze der zumindest einen Einkerbung der zweiten Blechschicht ausgerichtet ist.
Magnetstromsensor gemäß Anspruch 1, bei dem der Chip (706) benachbart zu der zweiten Blechschicht (704) angeordnet ist.
Magnetstromsensor gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das zumindest eine Magnetsensorelement ein Hall-Effekt-Sensorelement aufweist.
Magnetstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem eine Spitze von zumindest einer der Einkerbungen (708) der ersten Blechschicht und der Einkerbung (710) der zweiten Blechschicht einen Radius aufweist.
Magnetstromsensor gemäß Anspruch 4, bei dem die Spitze der Einkerbung (708) der ersten Metallschicht (702) einen Radius aufweist und die Spitze der Einkerbung der zweiten Metallschicht im Allgemeinen spitz ist.
Magnetstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem ein Umfang von zumindest einer Einkerbung (710) der zweiten Metallschicht (704) im Allgemeinen innerhalb eines Umfangs von zumindest einer Einkerbung der ersten Metallschicht enthalten ist.
Magnetstromsensor gemäß Anspruch 6, bei dem ein Umfang von zumindest einer Einkerbung der zweiten Metallschicht (704) im Allgemeinen innerhalb des Umfangs der zumindest einen Einkerbung der ersten Metallschicht derart enthalten ist, dass die Umfänge sich nicht in den Spitzenregionen der Einkerbungen kreuzen.
Magnetstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die erste Dicke ungefähr 0,3 Millimeter (mm) bis ungefähr 3 mm ist, und bei dem die zweite Dicke ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 0,4 mm ist.
Magnetstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem der Leiter (300) im Allgemeinen U-förmig ist.
Magnetstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, bei dem der Leiter (300) zwei Abschnitte aufweist, wobei jeder Abschnitt eine erste Blechschicht und eine zweite Blechschicht umfasst.
Magnetstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, der ferner eine Mehrzahl von Stiften aufweist, die mit dem Chip (706) durch Bonddrähte gekoppelt sind.
Magnetstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, bei dem die erste Blechschicht (702) zumindest drei Einkerbungen aufweist und die zweite Blechschicht (704) zumindest drei Einkerbungen aufweist.
Magnetstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, der ferner ein Isolationsplättchen aufweist, das zwischen der zweiten Metallschicht und dem Chip (706) angeordnet ist.
Magnetstromsensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem das zumindest eine Magnetsensorelement drei Sensorelemente (714a–c) aufweist.
Magnetstromsensorelement gemäß Anspruch 14, bei dem die drei Sensorelemente (714a–c) linear angeordnet und beabstandet sind, und bei dem ein mittleres Sensorelement im Allgemeinen mit einer Spitze der zumindest einen Einkerbung der zweiten Blechschicht ausgerichtet ist.
Magnetstromsensor, der folgende Merkmale aufweist: einen Leiter (300), der folgende Merkmale aufweist: eine erste Blechschicht (702) mit einer ersten Dicke und die zumindest ein Loch aufweist, und eine zweite Blechschicht (704) mit einer zweiten Dicke, die kleiner ist als die erste Dicke und zumindest eine Einkerbung aufweist, wobei die zweite Blechschicht mit der ersten Blechschicht derart gekoppelt ist, dass das zumindest eine Loch der ersten Blechschicht zumindest teilweise die zumindest eine Einkerbung der zweiten Blechschicht überlappt; und ein integrierter Schaltungschip (IC-Chip) (706), der zumindest ein Magnetsensorelement aufweist und mit dem Leiter (300) derart gekoppelt ist, dass das zumindest eine Magnetsensorelement im Allgemeinen mit einer Spitze der zumindest einen Einkerbung der zweiten Blechschicht ausgerichtet ist.
Magnetstromsensor gemäß Anspruch 16, bei dem das zumindest eine Loch durch Stanzen gebildet ist.
Leiter (300) eines Magnetstromsensors, der in eine integrierte Schaltung (IC) integriert ist, der folgende Merkmale aufweist: eine erste Metallschicht mit einer ersten Dicke und die zumindest einen Leerraum aufweist; und eine zweite Metallschicht mit einer zweiten Dicke, die kleiner ist als die erste Dicke und zumindest einen Leerraum aufweist, wobei die zweite Metallschicht mit der ersten Metallschicht derart gekoppelt ist, dass der zumindest eine Leerraum der ersten Metallschicht zumindest teilweise den zumindest einen Leerraum der zweiten Metallschicht überlappt.
Leiter (300) gemäß Anspruch 18, bei dem zumindest entweder die erste oder die zweite Metallschicht ein Blech aufweist.
Leiter (300) gemäß Anspruch 18 oder 19, bei dem die erste Dicke ungefähr 0,3 Millimeter (mm) bis ungefähr 3 mm ist, und bei dem die zweite Dicke ungefähr 0,1 mm bis ungefähr 0,4 mm ist.
Leiter (300) gemäß einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem der erste Leerraum aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einer Einkerbung, einem Loch und einem Schlitz.
Verfahren, das folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines Magnetstromsensors mit zumindest einem Erfassungselement, das relativ zu einem Stromkonzentrierelement eines Leiters (300) des Sensors positioniert ist, wobei der Leiter (300) eine erste Metallschicht und eine zweite Metallschicht aufweist, wobei die erste Metallschicht eine erste Dicke aufweist, die größer ist als eine zweite Dicke der zweiten Metallschicht, und eine Einkerbung mit einer Spitze mit einem Radius aufweist, wobei die zweite Metallschicht mit einem Chip gekoppelt ist und eine Einkerbung aufweist, die eine im Allgemeinen zugespitzte Spitze aufweist; und Erfassen eines Stroms in der Nähe des Stromkonzentrierelements durch das zumindest eine Erfassungselement.
Verfahren gemäß Anspruch 22, bei dem das Stromkonzentrierelement eine erste Einkerbung aufweist, die in der ersten Metallschicht gebildet ist und im Allgemeinen mit zumindest einem Abschnitt einer zweiten Einkerbung ausgerichtet ist, die in der zweiten Metallschicht gebildet ist.
Magnetstromsensorleiter, der folgende Merkmale aufweist: zwei elektrisch gekoppelte Schichten, wobei jede Schicht zumindest eine Einkerbung aufweist, wobei die zumindest eine Einkerbung der ersten Schicht und die zumindest eine Einkerbung der zweiten Schicht angeordnet sind, um eine minimale Stromweglänge in dem Leiter (300) zu definieren, die kürzer ist als eine Stromweglänge in einer dickeren der zwei elektrisch gekoppelten Schichten; einen Stromeingangskontakt; und einen Stromausgangskontakt.
Magnetstromsensor gemäß Anspruch 24, der ferner einen integrierten Schaltungschip (IC-Chip) aufweist, der zumindest ein Magnetsensorelement aufweist und mit dem Leiter (300) gekoppelt ist, wobei das zumindest eine Magnetsensorelement im Allgemeinen relativ zu einer Spitze von einer oder mehreren der zumindest einen Einkerbung der zwei elektrisch gekoppelten Schichten positioniert ist.