DE102019133937A1

DE102019133937A1 - Stromsensor mit integriertem stromleiter

Info

Publication number: DE102019133937A1
Application number: DE102019133937.5A
Authority: DE
Inventors: Javier Bilbao De Mendizabal; Simon HOUIS
Original assignee: Melexis Technologies SA
Current assignee: Melexis Technologies SA
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2020-06-18
Also published as: FR3090121A1; FR3090121B1

Abstract

Stromsensorvorrichtung (200) zum Messen eines Stroms von zumindest 30 Ampere, umfassend: einen Leitungsrahmen mit einem ersten und einem zweiten elektrischen Leiterabschnitt, die durch einen Spalt getrennt sind; ein Substrat (210), das auf den elektrischen Leiterabschnitten montiert ist und einen ersten und einen zweiten Magnetsensor (211, 212) umfasst, die zum Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Wertes (v1, v2) konfiguriert sind; und eine Verarbeitungsschaltung (610; 710) zum Bestimmen des Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten und dem zweiten Wert (v1, v2). Die elektrischen Leiterabschnitte können durch einen dritten elektrischen Leiterabschnitt, innerhalb oder außerhalb der Stromsensorvorrichtung, miteinander verbunden sein. Die elektrischen Leiterabschnitte können einen integrierten elektrischen Leiter, der eine U-Form oder eine Omega-Form aufweist, bilden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Stromsensoren und insbesondere Stromsensoren, die in der Lage sind, einen relativ hohen Strom (z.B. zumindest 30 Ampere) zu messen.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt Stromsensoren, die auf Magnetsensoren zum Messen relativ hoher Ströme (z.B. zumindest 25 Ampere) basieren. Sie messen typischerweise einen Strom, der in einem äußeren Leiter fließt. Ein Problem eines solchen Stromsensorsystems besteht darin, dass die Genauigkeit der Messung stark von den Montagetoleranzen der Sensorvorrichtung in Bezug auf den elektrischen Leiter abhängt. Während es möglich ist, die Genauigkeit zu erhöhen, indem ein Kalibrierungstest auf Systemebene durchgeführt wird (z.B. nachdem der Sensorchip auf einer PCB montiert wurde), ist dies sehr unbequem, unterliegt menschlichen Fehlern, ist zeitaufwendig und kostspielig.
Es gibt immer Raum für Verbesserungen oder Alternativen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der in der Lage ist, einen relativ hohen Strom (z.B. einen Strom von zumindest 30 Ampere) zu messen.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, eine „integrierte Stromsensorvorrichtung“ (d.h. mit einem in die Vorrichtung eingebauten elektrischen Leiter) bereitzustellen, die in der Lage ist, einen relativ hohen Strom (z.B. einen Strom von zumindest 30 Ampere) zu messen.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen solchen Stromsensor bereitzustellen, der sehr kompakt ist.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen solchen Stromsensor bereitzustellen, der gegenüber einem äußeren Störfeld (auch als „Streufeld“ bekannt) sehr unempfindlich ist.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der sehr genau ist, ohne dass ein Kalibrierungstest auf PCB-Ebene (z.B. durch einen OEM-Kunden) erforderlich ist.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der einfach herzustellen ist.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der mit verringerten Montagetoleranzen auf einer PCB montiert werden kann, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der einen Halbleiterchip umfasst und in der Lage ist, einen relativ hohen Strom (z.B. einen Strom von zumindest 30 Ampere) zu messen, ohne die Chipgröße (erheblich) zu vergrößern und ohne die Genauigkeit (erheblich) zu verringern.
Es ist eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der einen integrierten elektrischen Leiter und einen Halbleiterchip, der kleiner als 7 mm² ist, umfasst und in der Lage ist, einen Strom von zumindest 40 Ampere zu messen.
Diese und andere Aufgaben werden durch eine Stromsensorvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Stromsensorvorrichtung zum Messen eines Stroms bereit, umfassend: einen Leitungsrahmen, der einen ersten Leitungsrahmenabschnitt umfasst, der erste Leitungen umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen ersten elektrischen Leiterabschnitt und einen zweiten elektrischen Leiterabschnitt zu bilden, wobei der zweite elektrische Leiterabschnitt durch einen Spalt von dem ersten elektrischen Leiterabschnitt beabstandet ist; wobei der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt konfiguriert sind, sodass der zu messende Strom durch den ersten elektrischen Leiterabschnitt und durch den zweiten elektrischen Leiterabschnitt fließt; ein Substrat, das zumindest einen ersten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist und das einen zweiten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist; wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines ersten Wertes konfiguriert ist, und wobei der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes konfiguriert ist; wobei sich der erste Magnetsensor über oder unter dem ersten elektrischen Leiterabschnitt befindet und wobei sich der zweite Magnetsensor über oder unter dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt befindet und wobei sich der erste und der zweite Magnetsensor auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts befinden; eine Verarbeitungsschaltung, die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms zumindest basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert angepasst ist. Die Verarbeitungsschaltung kann auch in das Substrat integriert sein.
Es ist ein Vorteil, den Strom basierend auf einer Differenz zwischen zwei Sensoren, die parallele Achsen maximaler Empfindlichkeit aufweisen, zu berechnen, weil dies ermöglicht, den Strom auf eine Weise zu bestimmen, die im Wesentlichen gegen Streufelder immun ist.
Es Ist ein großer Vorteil, den ersten und den zweiten elektrischen Leiterabschnitt zu integrieren, weil dies eine hochgenaue Positionierung des Substrats (und somit der Magnetsensoren) in Bezug auf die elektrischen Leiterabschnitte ermöglicht, im Gegensatz zu einem System, das in der Nähe eines äußeren elektrischen Leiters montiert ist, zum Beispiel auf einer PCB (Leiterplatte). Die Positionierungstoleranzen eines integrierten Stromsensors sind typischerweise um eine Größenordnung genauer als die Positionierungstoleranzen eines Chips auf einer PCB oder auf einem elektrischen Leiter. Darüber hinaus ist der Abstand zwischen dem Sensorort und einem integrierten Stromleiter typischerweise auch zumindest um einen Faktor 2 kleiner als der Abstand zwischen dem Sensorort und einem äußeren Stromleiter, und unter Berücksichtigung dessen, dass die magnetische Feldstärke typischerweise mit 1/r abnimmt und die Größe eines Magnetfeldgradienten typischerweise mit 1/(r*r) abnimmt, ist das SNR typischerweise zumindest um einen Faktor 4 gegenüber Lösungen, die einen äußeren Stromleiter verwenden, verbessert. Sowohl die kleineren Toleranzen als auch der kleinere Abstand sorgen dafür, dass ein Stromsensor mit integrierten elektrischen Leiterabschnitten eine viel höhere Genauigkeit aufweist als ein Stromsensor, der an einem äußeren elektrischen Leiter montiert ist.
Es ist ein großer Vorteil, den ersten und den zweiten Sensor auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts anzuordnen, anstelle von auf gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Leiterabschnitte, weil dies die Beziehung zwischen der Substratbreite und der Leiterbreite entkoppelt, oder mit anderen Worten, dies ermöglicht, die Substratgröße (oder die Chipgröße) kleiner zu wählen als die Leiterbreite, was bei Lösungen, bei denen sich die Sensoren in nahe gegenüberliegenden Kanten des Stromleiters befinden, nicht möglich ist. Dieser Vorteil ist nicht zu unterschätzen, da die Kosten eines (z.B. Halbleiter-) Substrats einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten des Stromsensors ausmachen, während (für ein gegebenes Material und eine gegebene Dicke des Leiterabschnitts und für einen gegebenen maximalen zu messenden Strom) die Breite des elektrischen Leiters den elektrischen Widerstand des Leiters bestimmt und somit die Wärmeableitung (Joule-Ableitung) und damit den maximalen Strom, der mit dem integrierten Stromsensor gemessen werden kann.
Die ersten Leitungen können eine oder mehrere erste Eingangsleitungen (Primärstrom) und eine oder mehrere erste Ausgangsleitungen (Primärstrom) umfassen. Der Leitungsrahmen kann weiter eine Mehrzahl von zweiten Leitungen umfassen, die von den ersten Leitungen galvanisch getrennt sind. Die zweiten Leitungen können als „Niederspannungsleitungen“ „oder Signalleitungen“ bezeichnet werden und können über Verbindungsdrähte oder Perlenverbinden mit dem Substrat verbunden sein.
Der erste Sensor und der zweite Sensor können in das Substrat (z.B. ein einzelnes Substrat) eingebettet sein oder können an oder oben auf dem Substrat montiert sein oder auf diesem abgeschieden sein. Alternativ ist nur der erste Sensor in das Substrat eingebettet, und der zweite Sensor ist in ein zweites Substrat eingebettet, das zum Beispiel mittels Verbindungsdrähten mit dem ersten Substrat verbunden ist.
Die ersten Eingangsleitungen und die ersten Ausgangsleitungen befinden sich vorzugsweise auf einer einzelnen Seite der Stromsensorvorrichtung.
Der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt können innerhalb der Stromsensorvorrichtung miteinander verbunden sein. In diesem Fall bildet der erste Leitungsrahmenabschnitt (z.B. einschließlich der ersten Leiter) einen elektrischen Leiter, der den ersten elektrischen Leiterabschnitt und den zweiten elektrischen Leiterabschnitt und einen dritten elektrischen Leiterabschnitt, der als Brücke oder Verbindungsabschnitt fungiert, umfasst.
Alternativ können der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt innerhalb der Stromsensorvorrichtung selbst galvanisch getrennt sein, jedoch extern elektrisch miteinander verbunden sein, z.B. durch eine Kupferspur auf einer PCB, die eine Brücke bildet.
Die Stromsensorvorrichtung kann zum Beispiel hergestellt werden durch: a) Bereitstellen des Leitungsrahmens, der den ersten und den zweiten (und gegebenenfalls auch den dritten) elektrischen Leiterabschnitt umfasst; b) gegebenenfalls Bereitstellen eines isolierenden Materials auf den elektrischen Leiterabschnitten; c) Montieren eines Substrats auf den elektrischen Leiterabschnitten oder auf dem isolierenden Material; d) elektrisches Verbinden der zweiten Leitungen mit dem Substrat (z.B. durch Anwenden von Verbindungsdrähten); e) Umspritzen des Leitungsrahmens und des Substrats.
Die elektrischen Leiterabschnitte können im Wesentlichen balkenförmig sein, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt können zumindest lokal (z.B. in der Nähe des ersten und des zweiten Magnetsensors oder in einer durch das Substrat definierten Fläche) in Bezug auf eine Symmetrieebene (SP), die sich zwischen dem ersten elektrischen Leiterabschnitt und dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt befindet, symmetrisch sein, wobei die Symmetrieebene senkrecht zu einer Leitungsrahmenoberfläche ausgerichtet ist.
In einer Ausführungsform ist zumindest eine Kontur des ersten Leitungsrahmenabschnitts, der den ersten und den zweiten elektrischen Leiterabschnitt enthält, in Bezug auf die Symmetrieebene im Wesentlichen symmetrisch.
In einer Ausführungsform ist der erste Leitungsrahmenabschnitt des Leitungsrahmens, der den ersten und den zweiten elektrischen Leiterabschnitt enthält und gegebenenfalls auch den dritten elektrischen Leiterabschnitt (hier auch als „Brückenabschnitt“ bezeichnet) umfasst, in Bezug auf die Symmetrieebene im Wesentlichen symmetrisch.
Der Spalt kann die Form eines Schlitzes aufweisen, der eine Breite Wg in dem Bereich von 0,1 bis 0,6 mm aufweist z.B. in dem Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm, zum Beispiel gleich etwa 0,15 mm oder gleich etwa 0,20 mm oder gleich etwa 0,25 mm oder gleich etwa 0,30 mm oder gleich etwa 0,35 mm oder gleich etwa 0,40 mm oder etwa 0,45 mm oder etwa 0,50 mm. Der Schlitz kann eine konstante Breite Wg aufweisen, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
In einer Ausführungsform basiert der zu bestimmende Strom auf einer gewichteten Differenz des ersten Wertes (v1) und des zweiten Wertes (v2), und die jeweiligen Gewichtsfaktoren (A, B) werden ausgewählt, sodass ein gleichmäßiges äußeres Magnetfeld aufgehoben wird. Die Gewichtsfaktoren können zum Beispiel während eines Kalibrierungstests bestimmt und in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden und während der tatsächlichen Verwendung aus dem nichtflüchtigen Speicher abgerufen werden.
In einer Ausführungsform fließt der Strom in dem ersten elektrischen Leiterabschnitt hauptsächlich in einer ersten Richtung und fließt in dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt hauptsächlich in einer zweiten Richtung, wobei die erste und die zweite Richtung im Wesentlichen entgegengesetzt sind.
Oder mit anderen Worten ausgedrückt, wobei der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt so angeordnet sind, dass der Strom in dem ersten elektrischen Leiterabschnitt hauptsächlich gemäß einem ersten Stromvektor (siehe 13: J1) fließt und in dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt hauptsächlich gemäß einem zweiten Stromvektor (siehe 13: J2) fließt und eine Projektion des ersten Stromvektors auf den Spalt und eine Projektion des zweiten Stromvektors auf den Spalt in entgegengesetzte Richtungen zeigen.
In einer Ausführungsform sind der erste Magnetsensor und der zweite Magnetsensor in Bezug auf den Spalt im Wesentlichen symmetrisch angeordnet.
Obwohl dies für die vorliegende Erfindung nicht zwingend erforderlich ist, ist es ein Vorteil, wenn der erste und der zweite Sensor in gleichem Abstand symmetrisch in Bezug auf dem Spalt angeordnet sind. Dies bietet den Vorteil, dass die Stromsensorvorrichtung gegenüber einem Positionsversatz sehr tolerant ist, weil in diesem Fall ein kleiner Versatz einen Anstieg des ersten Wertes v1 und einen Abfall des zweiten Wertes v2 um im Wesentlichen den gleichen Betrag verursacht.
In einer Ausführungsform umfasst der erste Leitungsrahmenabschnitt weiter einen dritten elektrischen Leiterabschnitt, der den ersten elektrischen Leiterabschnitt und den zweiten elektrischen Leiter miteinander verbindet, um einen integrierten elektrischen Leiter zu bilden.
Der dritte elektrische Leiterabschnitt (auch als „Brückenabschnitt“ bezeichnet) kann eine rechteckige Form oder trapezförmige Form oder eine im Wesentlichen trapezförmige Form mit abgerundeten Kanten oder eine teilweise Ringform oder eine teilweise Scheibenform oder eine teilweise elliptische Form oder eine Kuppelform aufweisen.
Vorzugsweise weist der elektrische Leiter einen elektrischen Widerstand kleiner als 0,80 mOhm oder kleiner als 0,60 mOhm oder kleiner als 0,50 mOhm oder kleiner als 0,40 mOhm oder kleiner als 0,30 mOhm oder kleiner als 0,28 mOhm oder kleiner als 0,26 mOhm auf.
Es ist ein Vorteil, dass der elektrische Widerstand kleiner als zum Beispiel 0,30 mOhm ist, weil dies ermöglicht, dass die Stromsensorvorrichtung einen Strom von zumindest 30 Ampere durch den (integrierten) elektrischen Leiter leiten kann (mit Spitzenströmen bis zu 100 Ampere oder sogar 120 Ampere).
In einer Ausführungsform weist der elektrische Leiter eine allgemeine U-Form oder eine allgemeine Omega-Form auf, und wobei der erste elektrische Leiterabschnitt einen ersten Schenkel der U-Form oder der Omega-Form bildet und der zweite elektrische Leiterabschnitt einen zweiten Schenkel der U-Form oder der Omega-Form bildet.
Die Schenkel der U-Form oder der Omega-Form können eine im Wesentlichen dreieckige oder trapezförmige oder rechteckige Form aufweisen. In dem Fall einer rechteckigen Form kann der zweite elektrische Leiterabschnitt im Wesentlichen parallel zu dem ersten elektrischen Leiterabschnitt sein, jedoch durch den Spalt von diesem beabstandet sein. Eine rechteckige Form ist jedoch nicht erforderlich, und es reicht aus, dass die Form des ersten und des zweiten Schenkels im Wesentlichen um den Spalt in der Nähe der Magnetsensoren gespiegelt sind, beispielsweise in einem Bereich über oder unter dem Substrat.
Der erste Schenkel kann eine Mehrzahl von ersten Eingangsleitungen aufweisen. Der zweite Schenkel kann eine Mehrzahl von ersten Ausgangsleitungen aufweisen. Die ersten Eingangsleitungen und die ersten Ausgangsleitungen befinden sich vorzugsweise auf einer einzelnen Seite der (z.B. quadratischen oder rechteckigen) Stromsensorvorrichtung.
Der elektrische Leiter kann eine oder mehrere Aussparungen (Sacklöcher) oder Durchgangslöcher zum Verbessern des mechanischen Griffs mit einer Formmasse aufweisen.
Der elektrische Leiter weist eine (geometrische) Mittellinie auf. Die Breite des elektrischen Leiters (z.B. definiert als die lokale Querabmessung des elektrischen Leiters an jedem Punkt der Mittellinie in einer Ebene senkrecht zu der Mittellinie und gemessen in einer Richtung parallel zu einer Leitungsrahmenoberfläche) beträgt vorzugsweise zumindest 1,0 mm oder zumindest 1,2 mm oder zumindest 1,4 mm oder zumindest 1,6 mm oder zumindest 1,8 mm oder zumindest 2,0 mm. Durch Erhöhen der minimalen Breite des elektrischen Leiters kann der elektrische Widerstand des elektrischen Leiters (gemessen zwischen den ersten Eingangsleitungen und den ersten Ausgangsleitungen) verringert werden.
In einer Ausführungsform umfasst jeder von dem ersten und dem zweiten Magnetsensor höchstens ein oder zumindest ein oder zumindest zwei horizontale Hall-Elemente und zumindest einen oder zwei integrierte Magnetkonzentratoren (IMC).
Es ist ein Vorteil, IMC zu verwenden, weil dies Magnetfeldkomponenten in der Ebene (oft mit Bx oder By bezeichnet) in eine Magnetfeldkomponente außerhalb der Ebene (oft mit Bz bezeichnet) umwandelt, weil das Letztere durch ein horizontales Hall-Element gemessen werden kann. Es ist ein weiterer Vorteil, IMC zu verwenden, weil dies eine passive Signalverstärkung (typischerweise um einen Faktor 5 oder 6) bereitstellt. Die IMC-Dicke liegt typischerweise in dem Bereich von etwa 20 bis 25 Mikron, ist z.B. gleich etwa 23 Mikron.
Für eine optimale Aufhebung des externen Störfeldes sollte die magnetische Empfindlichkeit gegenüber externen Feldern (Bext) für den ersten und den zweiten Sensor vorzugsweise gleich sein. Demzufolge sollte die Länge und/oder Form der IMCs der relevanten Sensorelemente vorzugsweise im Wesentlichen gleich sein.
In einer Ausführungsform umfassen der erste und der zweite Magnetsensor jeweils zumindest ein vertikales Hall-Element. Die vertikalen Hall-Elemente können angeordnet sein, um eine Magnetfeldkomponente (Bx) zu messen, die parallel zu einer Ebene ist, die im Wesentlichen parallel zu den elektrischen Leiterabschnitten ist.
In einer Ausführungsform umfassen der erste und der zweite Magnetsensor jeweils zumindest ein Magnetwiderstandselement. Das Magnetwiderstandselement kann zumindest eines von Indiumantimonid (InSb), ein Riesenmagnetwiderstandselement (GMR), ein anisotropes Magnetwiderstandselement (AMR), ein Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR) oder ein magnetisches Tunnelübergangselement (MTJ) umfassen.
Das zumindest eine Magnetwiderstandselement kann in einer Brückenschaltung angeordnet sein. Der Magnetsensor kann weiter eine Kompensationsspule und ein Stromerfassungssystem mit geschlossenem Regelkreis umfassen. Es ist ein Vorteil eines solchen Stromerfassungssystems mit geschlossenem Regelkreis, dass es Nichtlinearitäten verringern oder im Wesentlichen entfernen kann.
In einer Ausführungsform ist der Leitungsrahmen ein Kupfer-Leitungsrahmen, der eine Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron oder von 200 bis 500 Mikron aufweist, die z.B. im Wesentlichen gleich 200 Mikron oder im Wesentlichen gleich 250 Mikron ist.
Es ist nicht einfach, eine Stromsensorvorrichtung zu bauen, die in der Lage ist, einen Strom von zumindest 30 Ampere oder zumindest 40 Ampere oder zumindest 50 Ampere unter Verwendung eines inneren Leiters zu messen, der als Teil des Leitungsrahmens mit einer Dicke in dem Bereich von 100 bis 400 Mikron oder gleich etwa 200 oder etwa 250 Mikron gebildet ist, unter anderem, weil die klassische Art und Weise, die elektrische Leitfähigkeit eines integrierten Leiters in Stromsensorvorrichtungen zu verringern, darin besteht, die Dicke des Leiters zu erhöhen (z.B. auf einen Wert über 1 mm) während die Breite des Leiters unverändert bleibt, weil ansonsten), wenn die Breite zunimmt und die Dicke gleich bleibt, die Größe des Substrats (und somit auch die Kosten) zunehmen muss.
In einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen dem ersten Sensorort und dem zweiten Sensorort kleiner als eine Breite (z.B. eine kleinste Breite) des ersten oder des zweiten elektrischen Leiterabschnitts (z.B. gemessen in einer Richtung im Wesentlichen senkrecht zu dessen Mittellinie) oder kleiner als 90% der Breite oder kleiner als 80% der Breite oder kleiner als 70% der Breite oder kleiner als 60% der Breite oder kleiner als 50% der Breite oder kleiner als 40% der Breite.
In einer Ausführungsform ist eine Breite des Substrats kleiner als eine kleinste Breite der (ersten, zweiten und gegebenenfalls auch dritten) elektrischen Leiterabschnitte.
In einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen dem ersten Sensorort und dem zweiten Sensorort ein Wert in dem Bereich von 0,2 bis 3,0 mm oder in dem Bereich von 0,3 bis 2,5 mm oder in dem Bereich von 0,4 bis 2,0 mm, z.B. gleich etwa 0,35 mm oder gleich etwa 0,40 mm oder gleich etwa 0,45 mm oder gleich etwa 0,50 mm oder gleich etwa 0,55 mm oder gleich etwa 0,60 mm oder gleich etwa 0,65 mm oder gleich etwa 0,70 mm.
In einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen dem ersten Sensorort und dem zweiten Sensorort ein Wert in dem Bereich von 110% bis 500% der Breite des Spalts, z.B. ein Wert in dem Bereich von 150% bis 400% oder in dem Bereich von 200% bis 500%. (Die Breite des Spalts ist kleiner als die Länge des Spalts).
In einer Ausführungsform weist das Substrat eine Größe in dem Bereich von 1 bis 7 mm² oder von 2 bis 7 mm², von 1 bis 5 mm² oder eine Größe von 2 ± 0,5 mm mal 3 ± 0,5 mm auf.
Vorzugsweise weist der Leiter einen Leiterabschnitt mit einem konstanten Querschnitt in unmittelbarer Nähe des ersten und des zweiten Magnetsensors auf.
In einer Ausführungsform weist das Substrat eine erste Oberfläche auf, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und die erste Oberfläche ist dem elektrischen Leiter zugewandt; und die Stromsensorvorrichtung umfasst weiter ein elektrisch isolierendes Material, das sich zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter befindet. Das elektrisch isolierende Material kann eine Polyamidschicht als Teil des Halbleiterchips (z.B. CMOS-Bauelement) sein oder kann ein elektrisch isolierendes Band sein, das zwischen dem Leitungsrahmen und dem Halbleiterchip aufgebracht ist.
Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass der Abstand zwischen den Magnetsensoren und dem elektrischen Leiter relativ klein ist und dass das von den Sensoren gemessene Signal relativ groß ist (z.B. größer als in dem Fall, in dem die erste Oberfläche von dem elektrischen Leiter abgewandt war). Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis.
In dieser Ausführungsform wird das Substrat vorzugsweise an einem ersten Bereich oder einem ersten Ende durch den elektrischen Leiter und das isolierende Material mechanisch gestützt. Das Substrat kann zusätzlich an einem gegenüberliegenden Bereich oder gegenüberliegenden Ende mechanisch gestützt werden oder kann an dem anderen Ende mit einem Spalt dazwischen schwebend belassen sein, wobei der Spalt mit Luft oder mit einer Formmasse oder mit einem isolierenden Band oder einem anderen elektrisch isolierenden Material (z.B. einem geeigneten Polymer) gefüllt sein kann.
In einer Ausführungsform weist das Substrat eine erste Oberfläche auf, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und die erste Oberfläche ist dem elektrischen Leiter zugewandt. Der Abstand zwischen der ersten Oberfläche und dem elektrischen Leiter kann ein Wert in dem Bereich von 150 bis 250 µm oder in dem Bereich von 170 bis 210 µm sein, zum Beispiel gleich etwa 190 Mikron.
In einer Ausführungsform ist das elektrisch isolierende Material angepasst, einer Spannung von zumindest 1000 Volt standzuhalten.
In einer Ausführungsform weist das Substrat eine erste Oberfläche auf, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und die erste Oberfläche ist vom elektrischen Leiter abgewandt. In dieser Ausführungsform ist ein elektrisch isolierendes Material zwischen dem elektrischen Leiter und dem Substrat nicht unbedingt erforderlich, aber ein elektrisch isolierendes Material kann gegebenenfalls vorhanden sein. In Ausführungsformen ohne elektrisch isolierendem Material kann das Substrat ohne zusätzliches isolierendes Material dazwischen direkt oben auf dem elektrischen Leiter positioniert werden. Dies ist einfacher herzustellen (erfordert weniger Material und weniger Handhabung) und ist somit schneller und billiger herzustellen. Der Abstand zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter kann ein Wert in dem Bereich von 300 bis 400 µm oder in dem Bereich von 320 bis 380 µm sein, zum Beispiel gleich etwa 350 Mikron.
In Ausführungsformen, in denen das Substrat mittels eines elektrisch isolierenden Bandes von den elektrischen Leiterabschnitten getrennt ist, kann der Abstand zwischen dem Substrat und den elektrischen Leiterabschnitten ein Wert in dem Bereich von etwa 10 bis 100 µm oder von 15 bis 100 µm oder von 20 bis 100 µm oder von 30 bis 100 µm oder von 30 bis 80 µm oder von 30 bis 50 µm sein, zum Beispiel gleich etwa 40 µm.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter eine Mehrzahl von Verbindungspads, die sich auf einem Abschnitt des Substrats befinden, der den elektrischen Leiter überlappt; und die Stromsensorvorrichtung umfasst weiter eine Mehrzahl von Verbindungsdrähten, die eine oder mehrere der Mehrzahl von zweiten Leitungen und einen oder mehrere der Mehrzahl von Verbindungspads miteinander verbinden.
In einer Ausführungsform befinden sich die Verbindungspads nur in einem Bereich des Substrats, der einem Abschnitt des Substrats entspricht, der mechanisch darunter gestützt wird (d.h. nicht schwebend gelassen ist).
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter eine Mehrzahl von Lötperlen, die mit zumindest einigen der zweiten Leitungen verbunden sind, jedoch galvanisch von dem elektrischen Leiter und von den ersten Leitungen getrennt sind.
Die galvanische Trennung kann durch einen mit Luft gefüllten Spalt oder einen mit Formmasse gefüllten Spalt oder einen mit einem isolierenden Material, z.B. einem isolierenden Band oder dergleichen, gefüllten Spalt implementiert sein.
In einer Ausführungsform umfasst die elektrische Schaltung einen Differenzverstärker, der zum Bestimmen und Verstärken der Differenz oder der gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert konfiguriert ist.
In einer Ausführungsform umfasst die elektrische Schaltung einen Verstärker, der zum selektiven Verstärken des ersten Wertes und des zweiten Wertes konfiguriert ist, zum Beispiel mittels eines Schalters vor dem Verstärker, und die zwei verstärkten Signale können vorübergehend gespeichert werden (z.B. auf einem oder mehreren Abtast- und Halteschaltungen) und dann subtrahiert werden.
In einer Ausführungsform kann das erste Sensorsignal durch einen ersten Verstärker verstärkt werden, und der zweite Sensorsensor kann durch einen zweiten Verstärker verstärkt werden, und die zwei verstärkten Werte können voneinander subtrahiert werden.
Die Sensorvorrichtung kann weiter einen Analog-Digital-Wandler ADC umfassen, der zum Digitalisieren des verstärkten Differenzsignals (v1-v2) oder zum selektiven Digitalisieren des ersten verstärkten Signals und des zweiten verstärkten Signals konfiguriert ist. Der ADC kann Teil eines digitalen Prozessors sein, zum Beispiel eines programmierbaren Mikrocontrollers.
Der zu messende Strom kann als ein zu dem Strom proportionales analoges Ausgangssignal oder als ein digitales Signal bereitgestellt werden, das zum Beispiel über einen seriellen Bitstrom ausgegeben werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Stromsensorvorrichtung weiter einen digitalen Prozessor, der einen nichtflüchtigen Speicher, der zumindest einen konstanten Wert (z.B. einen Umrechnungsfaktor) speichert, oder ist mit diesem verbunden und der digitale Prozessor ist zum Bestimmen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert und basierend auf dem konstanten Wert angepasst.
Der digitale Prozessor kann einen Eingang aufweisen, der mit einem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist, in welchem Fall der digitale Prozessor zum Digitalisieren des Differenzsignals und zum Multiplizieren des digitalisierten Wertes mit dem konstanten Wert K angepasst sein kann, zum Beispiel gemäß der Formel: I=K.(ΔV), wobei ΔV das digitalisierte Differenzsignal ist.
Alternativ kann die Subtraktion in der digitalen Domäne durchgeführt werden. Der digitale Prozessor kann einen Eingang aufweisen, der mit einem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, und der digitale Prozessor kann zum selektiven Digitalisieren jedes von dem ersten verstärkten Signal und dem zweiten verstärkten Signal angepasst sein, um die Subtraktion in der digitalen Domäne durchzuführen und um das Ergebnis mit dem konstanten Wert K zu multiplizieren, um ein Ergebnis zu erhalten, das den zu messenden Strom anzeigt, zum Beispiel gemäß der Formel: I=K.(V1-V2), wobei V1 ein digitalisierter Wert des (gegebenenfalls verstärkten) ersten Signals ist, und V2 ein digitalisierter Wert des (gegebenenfalls verstärkten) zweiten Signals ist.
In einer Variante kann der digitale Prozessor angepasst sein, um den Strom unter Verwendung der Formel zu berechnen: I=(A.V1) - (B.V2), wobei „A“ ein erster Verstärkungsfaktor (analog oder digital) ist und „B“ ein zweiter Verstärkungsfaktor (analog oder digital) ist. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sie eine Empfindlichkeitsfehlanpassung korrigieren kann. Der Wert von A und von B kann in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden und während der Kalibrierung oder auf eine beliebige andere geeignete Weise bestimmt werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter zumindest einen Temperatursensor, der zum Messen von zumindest einer Temperatur, die sich auf eine Temperatur des ersten Magnetsensors und/oder des zweiten Magnetsensors bezieht, konfiguriert ist, wobei der zumindest eine Temperatursensor mit dem digitalen Prozessor verbunden ist; und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert und unter Berücksichtigung der zumindest einen gemessenen Temperatur angepasst ist.
Es ist ein Vorteil dieses Stromsensors, dass er einen Temperaturkompensationsmechanismus aufweist. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter einen ersten Temperatursensor und einen zweiten Temperatursensor, wobei der erste Temperatursensor zum Messen einer ersten Temperatur T1, die sich auf eine Temperatur des ersten Magnetsensors bezieht, konfiguriert ist und der zweite Temperatursensor zum Messen einer zweiten Temperatur T2, die sich auf eine Temperatur des zweiten Magnetsensors bezieht, konfiguriert ist, wobei der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor mit dem digitalen Prozessor verbunden (z.B. kommunikativ) sind; und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert v1 und dem zweiten Wert v2 und unter Berücksichtigung der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur.
Es ist ein großer Vorteil dieser Ausführungsform, dass die Temperatur jedes Magnetsensors separat gemessen wird, weil die Temperatur des ersten und des zweiten Magnetsensors wesentlich verschieden sein kann, insbesondere wenn ein relativ hoher Strom (z.B. größer als 30 Ampere) gemessen wird, weil ein derart hoher Strom typischerweise bewirkt, dass sich der elektrische Leiter erheblich erwärmt und ein relativ großer Temperaturgradient über dem Substrat entsteht. Durch Messen und Berücksichtigen beider Temperaturen kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden. Darüber hinaus kann der Temperatursensor oder die Temperatursensoren auch verwendet werden, um zu erfassen, ob die Vorrichtung in ihrem spezifizierten Betriebsbereich arbeitet. Wenn nicht, dann kann die Sensorvorrichtung einen Fehler melden, der zu Sicherheitszwecken verwendet werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst der erste Magnetsensor zumindest ein erstes horizontales Hall-Element und der erste Temperatursensor umgibt im Wesentlichen das erste horizontale Hall-Element und der zweite Magnetsensor umfasst zumindest ein zweites horizontales Hall-Element und der zweite Temperatursensor umgibt im Wesentlichen das zweite horizontale Hallelement.
Der Temperatursensor kann auf ähnliche Weise, wie in dem Patentdokument EP3109658A1 beschrieben, mit oder ohne Belastungssensor um die horizontalen Hall-Elemente herum angeordnet sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter zumindest einen Belastungssensor, der zum Messen von zumindest einem Belastungswert in Bezug auf eine mechanische Belastung, die vom ersten Magnetsensor erfahren wird, konfiguriert ist, wobei der zumindest eine Belastungssensor (z.B. kommunikativ) mit dem digitalen Prozessor verbunden ist; und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert und unter Berücksichtigung des zumindest einen gemessenen Belastungswertes angepasst ist.
Der Belastungssensor kann auf ähnliche Weise, wie in dem Patentdokument EP3109658A1 beschrieben, um das horizontale Hall-Element herum angeordnet sein, jedoch ohne einen Temperatursensor.
Es ist ein Vorteil dieses Stromsensors, dass er einen Belastungskompensationsmechanismus aufweist. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter einen ersten Belastungssensor und einen zweiten Belastungssensor, wobei der erste Belastungssensor zum Messen einer ersten Belastung an dem ersten Sensorort konfiguriert ist und der zweite Belastungssensor zum Messen einer zweiten Belastung an dem zweiten Sensorort konfiguriert ist, wobei der erste Belastungssensor und der zweite Belastungssensor mit dem digitalen Prozessor verbunden sind und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert v1 und dem zweiten Wert v2 und unter Berücksichtigung der ersten Belastung und der zweiten Belastung angepasst ist.
Es ist ein großer Vorteil dieser Ausführungsform, dass die (mechanische) Belastung jedes Magnetsensors separat gemessen wird, weil die auf den ersten und den zweiten Magnetsensor ausgeübte Belastung wesentlich verschieden sein kann, insbesondere wenn ein relativ hoher Strom (z.B. größer als 30 Ampere) wird gemessen, weil ein derart hoher Strom typischerweise bewirkt, dass sich der elektrische Leiterabschnitt erheblich erwärmt und ein relativ großer Temperaturgradient entsteht, der mechanische Belastung (in Bezug auf verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien) bewirkt. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter einen ersten Temperatursensor und einen ersten Belastungssensor, die den ersten Magnetsensor umgeben, und einen zweiten Temperatursensor und einen zweiten Belastungssensor, die den zweiten Magnetsensor, den ersten Temperatursensor und den ersten Belastungssensor umgeben, wobei der zweite Temperatursensor und der zweite Belastungssensor (z.B. kommunikativ) mit dem digitalen Prozessor verbunden sind; und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stromes basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Wert (gegebenenfalls verstärkt mit oder multipliziert mit einem ersten Faktor A) und dem zweiten Wert (gegebenenfalls verstärkt mit oder multipliziert mit einem zweiten Faktor B) und unter Berücksichtigung der ersten und der zweiten Temperatur und der ersten und der zweiten Belastung angepasst ist, wobei die Faktoren A und B gewählt werden können, um eine Empfindlichkeitsfehlanpassung zu kompensieren.
Der Temperatursensor und der Belastungssensor können auf ähnliche Weise, wie in dem Patentdokument EP3109658A1 beschrieben, um den ersten und um den zweiten Magnetsensor herum angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform wird der Stromwert, der von der Verarbeitungsschaltung basierend auf dem ersten und dem zweiten Magnetsensor bestimmt wird, als ein erster Stromwert betrachtet; und das Substrat umfasst weiter einen dritten Magnetsensor, der auf ähnliche Weise wie der erste Magnetsensor angeordnet ist und zum Messen eines dritten Wertes konfiguriert ist, und umfasst weiter einen vierten Magnetsensor, der auf ähnliche Weise wie der zweite Magnetsensor angeordnet ist und zum Messen eines vierten Wertes konfiguriert ist; und wobei die Verarbeitungsschaltung weiter mit dem dritten Magnetsensor verbunden ist, um den dritten Wert zu erhalten, und mit dem vierten Magnetsensor, um den vierten Wert zu erhalten, und weiter zum Bestimmen eines zweiten Stromwertes basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem dritten Wert und dem vierten Wert angepasst ist; und weiter zum Vergleichen des zweiten Stromwertes und des ersten Stromwertes und, wenn eine Differenz oder ein Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Stromwert eine vorbestimmte Bedingung (z.B. innerhalb oder außerhalb eines vordefinierten Bereichs liegt) erfüllt, zum Bereitstellen eines Mittelwertes des ersten Stromwertes und des zweiten Stromwertes als den zu messenden Stromwert angepasst ist. Alternativ kann entweder der erste Stromwert oder der zweite Stromwert als „der“ Stromwert bereitgestellt werden.
Der dritte und vierte Magnetsensor können ein drittes und ein viertes horizontales Hall-Element umfassen und ein zweites Paar von Magnetsensoren bilden. Die Sensorelemente des zweiten Paares können sich im Wesentlichen in demselben Abstand von der Mittellinie befinden, wie die Sensorelemente des ersten Paares, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Diese Ausführungsform kann vier Magnetsensoren zu Redundanzzwecken und/oder zu Zwecken der „funktionalen Sicherheit“ verwenden. In dem Fall, in dem der erste und der zweite Stromwert im Wesentlichen gleich sind, wird der Mittelwert dieser Ströme bereitgestellt, was die Genauigkeit weiter verbessert.
In dem Fall, dass der erste und der zweite Wert zu stark abweichen (mehr als ein vordefinierter Wert oder mehr als ein vordefinierter Prozentsatz), kann die Stromsensorvorrichtung ein Fehlersignal, zum Beispiel ein analoges Fehlersignal, über eine der zweiten Leitungen oder einen digitalen Fehlerwert in einem seriellen Datenstrom über eine der zweiten Leitungen bereitstellen.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Stromsensorvorrichtung zum Messen eines Stroms bereit, wobei das verfahren die Schritte umfasst von: a) Bereitstellen eines Leitungsrahmens, der einen ersten Leitungsrahmenabschnitt umfasst, der erste Leitungen umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen ersten elektrischen Leiterabschnitt und einen zweiten elektrischen Leiterabschnitt zu bilden, wobei der zweite elektrische Leiterabschnitt durch einen Spalt von dem ersten elektrischen Leiterabschnitt beabstandet ist, wobei der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt konfiguriert sind, sodass der zu messende Strom durch den ersten elektrischen Leiterabschnitt und durch den zweiten elektrischen Leiterabschnitt fließt; b) Bereitstellen eines Substrats, das zumindest einen ersten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist und einen zweiten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist, wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines ersten Wertes konfiguriert ist, und wobei der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes konfiguriert ist; c) Montieren des Substrats in Bezug auf den Leitungsrahmen, sodass sich der erste Magnetsensor über oder unter dem ersten elektrischen Leiterabschnitt befindet und der zweite Magnetsensor sich über oder unter dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt befindet und der erste und der zweite Magnetsensor sich auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts befinden; d) Bereitstellen einer Verarbeitungsschaltung, die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms zumindest basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert angepasst ist.
Die Verarbeitungsschaltung kann auf demselben Substrat wie der erste Magnetsensor und/oder der zweite Magnetsensor eingebettet sein, in welchem Fall Schritt d) in Schritt b) enthalten sein kann.
Besondere und bevorzugte Aspekte der Erfindung sind in den beigefügten unabhängigen und abhängigen Ansprüchen dargelegt. Merkmale aus den abhängigen Ansprüchen können gegebenenfalls mit Merkmalen der unabhängigen Ansprüche und mit Merkmalen anderer abhängiger Ansprüche kombiniert werden und nicht nur so, wie dies in den Ansprüchen ausdrücklich dargelegt ist.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus der/den nachstehend beschriebenen Ausführungsform/Ausführungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme auf diese erläutert.
Figurenliste

1(a) und 1(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht.
1(c) zeigt eine vergrößerte Ansicht von 1(b).
2 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
3(a) und 3(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung und einer Stromsensoranordnung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht bzw. Draufsicht.
4 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
5 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer auf einer PCB montierten Stromsensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
6 zeigt ein elektrisches Blockdiagramm einer elektrischen Schaltung, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
7 zeigt ein elektrisches Blockdiagramm einer elektrischen Schaltung, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
8 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
9 zeigt Simulationsergebnisse für die Stromsensorvorrichtung von 8, wenn der erste und der zweite Sensor in einem Abstand von 190 Mikron von dem Leitungsrahmen angeordnet sind (z.B., wenn die aktive Oberfläche des Substrats den elektrischen Leiterabschnitten zugewandt ist).
10 zeigt Simulationsergebnisse für die Stromsensorvorrichtung von 8, wenn der erste und der zweite Sensor in einem Abstand von 350 Mikron von dem Leitungsrahmen angeordnet sind (z.B., wenn die aktive Oberfläche des Substrats von den elektrischen Leiterabschnitten abgewandt ist).
11 bis 14 zeigen beispielhafte Leitungsrahmen, wie sie in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. 11 bis 14 sind maßstabsgerecht gezeichnet.
15 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen eines Stromsensors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Die Zeichnungen sind nur schematisch und nicht einschränkend. In den Zeichnungen ist die Größe einiger Elemente möglicherweise übertrieben und zur Veranschaulichung nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Alle Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht als den Umfang einschränkend ausgelegt werden. In den verschiedenen Zeichnungen beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen oder analoge Elemente.
Detaillierte Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf besondere Ausführungsformen und mit Bezug auf bestimmte Zeichnungen beschrieben, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern nur durch die Ansprüche. Die beschriebenen Zeichnungen sind nur schematisch und nicht einschränkend. In den Zeichnungen ist die Größe einiger Elemente möglicherweise übertrieben und zur Veranschaulichung nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die Abmessungen und die relativen Abmessungen entsprechen nicht den tatsächlichen Reduzierungen bei der Ausführung der Erfindung.
Des Weiteren werden die Begriffe erstens, zweitens und dergleichen in der Beschreibung und in den Ansprüchen zur Unterscheidung zwischen ähnlichen Elementen und nicht notwendigerweise zur zeitlichen, räumlichen, rangmäßigen oder sonstigen Beschreibung einer Sequenz verwendet. Es versteht sich, dass die so verwendeten Ausdrücke unter geeigneten Umständen austauschbar sind und dass die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in anderen Sequenzen als hier beschrieben oder dargestellt betrieben werden können.
Darüber hinaus werden die Begriffe oben, unten und dergleichen in der Beschreibung und den Ansprüchen zu beschreibenden Zwecken und nicht notwendigerweise zur Beschreibung relativer Positionen verwendet. Es versteht sich, dass die so verwendeten Begriffe unter geeigneten Umständen austauschbar sind und dass die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in anderen Ausrichtungen als hier beschrieben oder dargestellt betrieben werden können.
Es ist anzumerken, dass der in den Ansprüchen verwendete Begriff „umfassend“ nicht als auf die nachfolgend aufgeführten Mittel beschränkt zu interpretieren ist; er schließt andere Elemente oder Schritte nicht aus. Er ist somit so auszulegen, dass er das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte oder Komponenten angibt, schließt jedoch das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten oder Komponenten oder Gruppen davon nicht aus. Somit sollte der Umfang des Ausdrucks „eine Vorrichtung, die Mittel A und B umfasst“ nicht auf Vorrichtungen beschränkt sein, die nur aus den Komponenten A und B bestehen. Es bedeutet, dass in Bezug auf die vorliegende Erfindung die einzelnen relevanten Komponenten der Vorrichtung A und B sind.
Eine Bezugnahme in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein besonderes Merkmal, eine besondere Struktur oder eine besondere Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wurden, in zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit bezieht sich der Ausdruck „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform, kann es jedoch. Des Weiteren können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen auf jede geeignete Weise kombiniert werden, wie es einem Fachmann aus dieser Offenbarung ersichtlich ist.
In ähnlicher Weise versteht es sich, dass in der Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung verschiedene Merkmale der Erfindung manchmal in einer einzelnen Ausführungsform, Figur oder Beschreibung derselben zusammengefasst sind, um die Offenbarung zu straffen und das Verständnis eines oder mehrerer der verschiedenen erfinderischen Aspekte zu unterstützen. Dieses Offenbarungsverfahren ist jedoch nicht so auszulegen, dass es die Absicht widerspiegelt, dass die beanspruchte Erfindung mehr Merkmale erfordert, als in jedem Anspruch ausdrücklich angegeben sind. Vielmehr liegen, wie die folgenden Ansprüche widerspiegeln, erfinderische Aspekte in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen vorangehenden offenbarten Ausführungsform. Somit werden die Ansprüche, die auf die detaillierte Beschreibung folgen, hiermit ausdrücklich in diese detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich als separate Ausführungsform dieser Erfindung steht.
Während einige hierin beschriebene Ausführungsformen einige, aber nicht andere Merkmale, die in anderen Ausführungsformen enthalten sind, enthalten, sollen des Weiteren Kombinationen von Merkmalen verschiedener Ausführungsformen im Umfang der Erfindung liegen und verschiedene Ausführungsformen bilden, wie es für Fachleute auf diesem Gebiet verständlich ist. Zum Beispiel kann in den folgenden Ansprüchen jede der beanspruchten Ausführungsformen in einer beliebigen Kombination verwendet werden.
In der hier bereitgestellten Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt. Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen der Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen wurden bekannte Verfahren, Strukturen und Techniken nicht im Detail gezeigt, um das Verständnis dieser Beschreibung nicht zu beeinträchtigen.
Der Begriff „Magnetsensor“, wie er hier verwendet wird, kann sich auf ein oder mehrere Sensorelemente beziehen, die in der Lage sind, einen oder mehrere magnetische Effekte, wie den Hall-Effekt, oder Magnetwiderstandseffekte (MR-Effekte) messen können. Nicht einschränkende Beispiele für Magnetwiderstandseffekte schließen GMR (Riesenmagnetwiderstand), CMR (kolossaler Magnetwiderstand), AMR (anisotroper Magnetwiderstand) oder TMR (Tunnelmagnetwiderstand) ein. Abhängig vom Kontext kann sich der Begriff „Magnetsensor“ auf ein einzelnes magnetempfindliches Element (z.B. ein horizontales Hall-Element oder ein vertikales Hall-Element) oder auf eine Gruppe magnetischer Elemente (die z.B. in einer Wheatstone-Brücke angeordnet sind oder auf eine Gruppe von zumindest zwei parallel geschalteten Hall-Sensorelementen) oder auf einer Teilschaltung beziehen, die weiter eines oder mehrere umfasst von: einer Vorspannungsschaltung, einer Ausleseschaltung, einem Verstärker, einem Analog-Digital-Wandler usw.
Der Ausdruck „integrierter Stromsensor“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine integrierte Schaltung (Chip oder IC), die einen elektrischen Leiter umfasst, der in der Lage ist, den gesamten zu messenden Strom zu leiten. Der elektrische Leiter ist typischerweise zumindest teilweise von einer Formmasse umgeben (z.B. auf eine Weise, bei der höchstens eine Oberfläche freiliegt). Eine solche umspritzte Vorrichtung wird hier auch als „verpackte Vorrichtung“ bezeichnet.
Wenn auf eine „gewichtete Differenz“ Bezug genommen wird, ist damit eine Differenz zwischen zwei Werten gemeint, nachdem einer oder beide Werte mit einem jeweiligen Faktor multipliziert wurden. Was im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit „gewichteter Differenz von Wert V1 und Wert V2“ gemeint ist, ist ein Wert V, der als A *V1-B*V2 berechnet wird, wobei A und B vordefinierte Konstanten sind, wobei V1 der erste Wert ist und V2 der zweite Wert ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft Stromsensoren auf der Basis von Magnetsensoren, die auch als „Magnetstromsensoren“ bezeichnet werden, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen (z.B. zum Messen eines Stroms in Elektro- oder Hybridfahrzeugen). Der Stromsensor muss in der Lage sein, Ströme von zumindest 30 Ampere Gleichstrom mit Spitzen von bis zu 100 Ampere oder bis zu 120 Ampere zu messen.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Stromsensorvorrichtung zum Messen eines Stroms vor. Die Stromsensorvorrichtung umfasst: einen Leitungsrahmen und ein Substrat und eine Verarbeitungsschaltung. Der Leitungsrahmen umfasst einen ersten Leitungsrahmenabschnitt, der einen ersten elektrischen Leiterabschnitt und einen zweiten elektrischen Leiterabschnitt umfasst, die mit ersten Leitungen verbunden oder integral gebildet sind. Der Leitungsrahmen kann weiter einen zweiten Leitungsrahmenabschnitt umfassen, der von dem ersten Leitungsrahmenabschnitt galvanisch getrennt ist. Der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt können durch einen dritten elektrischen Leiterabschnitt, der auch ein Teil des Leitungsrahmens ist, miteinander verbunden sein oder können, was die Stromsensorvorrichtung betrifft, galvanisch getrennt sein. Der zweite elektrische Leiterabschnitt ist durch einen Spalt von dem ersten elektrischen Leiterabschnitt beabstandet. Der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt sind konfiguriert (entweder intern innerhalb der Stromsensorvorrichtung oder extern auf PCB-Niveau), sodass der (gesamte) zu messende Strom durch den ersten elektrischen Leiterabschnitt und durch den zweiten elektrischen Leiterabschnitt fließt. Das Substrat umfasst oder ist mit zumindest einem ersten Magnetsensor verbunden und umfasst oder ist mit einem zweiten Magnetsensor verbunden. Der erste Magnetsensor weist eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit auf und ist zum Bereitstellen eines ersten Wertes (der eine durch die erste Magnetsensorvorrichtung gemessene Magnetfeldkomponente anzeigt) konfiguriert. Der zweite Magnetsensor weist eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse maximaler Empfindlichkeit auf und ist zum Bereitstellen eines zweiten Wertes (der eine durch die zweite Magnetsensorvorrichtung gemessene Magnetfeldkomponente anzeigt) konfiguriert. Der erste Magnetsensor befindet sich über oder unter dem ersten elektrischen Leiterabschnitt und der zweite Magnetsensor befindet sich über oder unter dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt. Der erste und der zweite Magnetsensor befinden sich auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts. Die Verarbeitungsschaltung ist mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden und ist zum Bestimmen des zu messenden Stroms zumindest basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert angepasst.
Es ist ein Vorteil, den Strom basierend auf einer Differenz zwischen zwei Sensoren, die parallele Achsen maximaler Empfindlichkeit aufweisen, zu berechnen, weil dies ermöglicht, den Strom auf eine Weise zu bestimmen, die im Wesentlichen gegen Streufelder immun Ist.
Es ist ein großer Vorteil, den ersten und den zweiten elektrischen Leiterabschnitt zu integrieren, weil dies eine hochgenaue Positionierung des Substrats (und somit der Magnetsensoren) in Bezug auf die elektrischen Leiterabschnitte ermöglicht, im Gegensatz zu einem System, das eine Stromsensorvorrichtung umfasst, die der in der Nähe eines äußeren elektrischen Leiters montiert ist, zum Beispiel auf einer PCB (Leiterplatte). Die Positionierungstoleranzen eines integrierten Stromsensors sind typischerweise um eine Größenordnung genauer als die Positionierungstoleranzen eines Chips auf einer PCB oder auf einem elektrischen Leiter. Wenn alle anderen Aspekte gleich bleiben, bedeutet dies, dass ein Stromsensor mit einem eingebetteten elektrischen Leiter eine viel höhere Genauigkeit aufweist als ein Stromsensor, der an einem äußeren elektrischen Leiter montiert ist, sofern keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden, wie beispielsweise ein Kalibrierungstest durch den Endkunden in der Anwendung.
Es ist ein großer Vorteil, den ersten und den zweiten Sensor auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts anzuordnen, anstatt auf gegenüberliegenden Seiten der elektrischen Leiterabschnitte, da dies die Beziehung zwischen der Substratbreite und der Leiterbreite entkoppelt oder, mit anderen Worten, ermöglicht, das die Substratgröße (oder Chipgröße) kleiner als die Leiterbreite gewählt werden kann, was bei Lösungen, bei denen sich die Sensoren nahe gegenüberliegender Kanten des Stromleiters befinden, nicht möglich ist. Dieser Vorteil sollte nicht unterschätzt werden, da die Kosten eines (z.B. Halbleiter-) Substrats einen erheblichen Teil der Gesamtkosten des Stromsensors ausmachen, während (für ein gegebenes Material und eine gegebene Dicke des elektrischen Leiters und für einen gegebenen zu messenden maximalen Strom) die Breite (oder durchschnittliche Breite) des elektrischen Leiters den elektrischen Widerstand des Leiters und somit die Wärmeableitung (Joule-Ableitung) und somit den maximalen Strom, der mit den integrierten Stromsensor gemessen werden kann, bestimmt.
Die vorliegende Erfindung beruht teilweise auf der Erkenntnis, dass die Breite des elektrischen Leiters durch diese spezielle Anordnung des ersten und zweiten Stromsensors erhöht werden kann (und somit der elektrische Widerstand verringert oder der maximal zulässige Strom erhöht werden kann), ohne die Genauigkeit der Strommessung wesentlich zu beeinträchtigen und ohne die Chipgröße und damit die Kosten zu erhöhen.
Die elektrischen Leiterabschnitte innerhalb der Stromsensorvorrichtung können einen elektrischen (Gesamt-) Widerstand kleiner als 0,50 mOhm oder kleiner als 0,40 mOhm oder kleiner als 0,30 mOhm oder kleiner als 0,28 mOhm oder kleiner als 0,26 mOhm oder kleiner als 0,24 mOhm oder kleiner als 0,22 mOhm oder kleiner als 0,20 mOhm aufweisen, damit der elektrische Leiter einen Strom von zumindest 30 A führen kann.
Es wird nun auf die Figuren Bezug genommen.
1(a) und 1(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht.
1 zeigt eine Stromsensorvorrichtung 100 zum Messen eines Stroms I, der an die Eingangsleitungen 101a angelegt wird. Der Strom verlässt die Vorrichtung über die Ausgangsleitungen 101b. Die Eingangsleitungen 101a und die Ausgangsleitungen 101b befinden sich auf derselben Seite der Verpackung (am unteren Rand von 1).
Der Stromsensor 100 umfasst einen Leitungsrahmen, der einen ersten Leitungsrahmenabschnitt umfasst, der erste Leitungen 101a, 101b umfasst, die mit einem ersten, einem zweiten und einem dritten elektrischen Leiterabschnitt 103a, 103b, 103c verbunden sind, die zusammen einen inneren elektrischen Leiter bilden. Wie zu sehen ist, sind der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt durch den dritten elektrischen Leiterabschnitt 103c miteinander verbunden, sodass ein durch den ersten elektrischen Leiterabschnitt 103a fließender Strom auch durch den zweiten elektrischen Leiterabschnitt 103b fließt. Der erste elektrische Leiterabschnitt 103a und der zweite elektrische Leiterabschnitt 103b sind durch einen Spalt, z.B. einen längliche Spalt, beabstandet. In der Nähe des ersten und des zweiten Magnetsensors weist der Spalt einen Abstand oder eine Breite Wg auf.
Die Stromsensorvorrichtung 100 umfasst weiter ein Substrat 110, das einen ersten Magnetsensor 111 und einen zweiten Magnetsensor 112 umfasst. 1 enthält tatsächlich zwei Paare von Sensoren, wobei jedes Paar einen ersten Magnetsensor und einen zweiten Magnetsensor umfasst, wie nachstehend erläutert wird (1b). In dem Beispiel von FIG. In 1 basieren die Magnetsensoren auf horizontalen Hall-Elementen mit integrierten Magnetkonzentratoren (IMC) oben drauf, die vorliegende Erfindung funktioniert jedoch auch mit anderen Arten von Magnetsensorelementen, wie zum Beispiel vertikalen Hall-Elementen oder Magnetwiderstandselementen.
Ein erster Magnetsensor wird durch das Hall-Element 131a (siehe 1b) und die beiden IMC-Konzentratoren 121 gebildet. Ein zweiter Magnetsensor wird durch das Hall-Element 131c und die beiden IMC-Konzentratoren 122 gebildet. Die Hall-Elemente 131a und 131c wirken als ein Paar und die Hall-Elemente 131b und 131d können weggelassen werden. Das Sensorelement 131a misst ein Signal s1, das -Bext-K1.I+Bz anzeigt. Das Sensorelement 131c misst ein Signal s3, das - Bext+K1.I+Bz anzeigt, wobei Bext ein äußeres Störfeld ist (falls vorhanden). Der Strom I, der durch die elektrischen Leiterabschnitte fließt, kann basierend auf s3-s1 berechnet werden, zum Beispiel unter Verwendung der Formel: I=K.(s3-s1), wobei K eine vordefinierte Konstante ist, die während des Entwurfs oder während eines Entwurfs oder während einer Bewertung bestimmt werden kann. Durch die Verwendung einer Differenzmessung wird das Störfeld aufgehoben. Der Wert von K kann fest codiert sein oder in einen nichtflüchtigen Speicher geschrieben sein (siehe 6 und 7).
Alternativ oder zusätzlich kann der Strom auch aus Werten berechnet werden, die von den Sensorelementen 131b und 131d (falls vorhanden) erhalten werden. Das Sensorelement 131b misst ein Signal s2, das +Bext+K1.I+Bz anzeigt, und das Sensorelement 131d misst ein Signal s4, das +Bext-K1.I+Bz anzeigt.
Somit kann, wenn alle vier Hall-Elemente 131a bis 131d vorhanden sind, ein erster Stromwert I1 basierend auf den Werten s1, s3 berechnet werden, die von dem ersten Sensorpaar (131a, 131c) erhalten werden, und ein zweiter Stromwert I2 kann basierend auf den Werten s2, s4 berechnet werden, die von dem zweiten Sensorpaar (131b, 131d) erhalten werden. Die beiden Stromwerte I1 und I2 können in bekannter Weise zu Redundanzzwecken und/oder zu Zwecken der funktionalen Sicherheit verglichen werden. Wenn der erste und der zweite Stromwert I1 und I2 im Wesentlichen gleich sind (gemäß einem absoluten oder einem relativen Kriterium), kann ein Mittelwert von I1 und I2 als ein zu messender Strom bereitgestellt werden. Auf diese Weise kann das SNR verbessert werden.
Wie in 1 gezeigt, befindet sich der erste Stromsensor 112 über oder unter dem ersten elektrischen Leiterabschnitt 103a, und der zweite Magnetsensor 112 befindet sich über oder unter dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt 103b. Somit befinden sich der erste und der zweite Magnetsensor auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts. Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiter eine in 1 nicht gezeigte Verarbeitungsschaltung, aber siehe z.B. in 6 und 7. Die Verarbeitungsschaltung kann in dasselbe Substrat 110 eingebettet sein oder kann auf einem separaten Substrat implementiert sein, wenn gewünscht. Das Substrat kann weiter Verbindungspads 104 umfassen, die über Verbindungsdrähte 105 mit zweiten Leitungen 102 (auch als Niederspannungszuleitungen bezeichnet) verbunden sind.
Es ist ersichtlich, dass dank der Anordnung der Magnetsensoren in Bezug auf den ersten und den zweiten elektrischen Leiter und den Spalt dazwischen die Größe des Substrats, das die Magnetsensoren enthält, kleiner sein kann als die Breite Wc des ersten und des zweiten elektrischen Leiterabschnitts. In dieser Hinsicht ist zu beachten, dass 1 zur Veranschaulichung nicht maßstabsgerecht gezeichnet ist.
Es wird nun auf 1c Bezug genommen. Wenn ein zu messender Strom durch den ersten und den zweiten elektrischen Leiterabschnitt 103a, 103b fließt, wird an dem ersten und an dem zweiten Sensorort ein Magnetfeld erzeugt. Eine oder mehrere Komponenten des Magnetfelds B1 an dem ersten Sensorort werden von dem ersten Magnetsensor 111 gemessen. Ebenso werden eine oder mehrere Komponenten des Magnetfelds B2 an dem zweiten Sensorort von dem zweiten Magnetsensor 112 gemessen. Wie in dem Beispiel zu sehen ist, zeigt der erste Magnetfeldvektor (verursacht durch den Strom, der durch den ersten elektrischen Leiterabschnitt fließt) zu der rechten Seite von 1c und der zweite Magnetfeldvektor (verursacht durch den Strom, der durch den zweiten elektrischen Leiterabschnitt fließt) zeigt zu der rechten Seite von 1c. Wenn ein erster Abstand d1 zwischen einer Symmetrieebene SP auf halbem Weg zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiter und dem ersten Sensorort gleich einem zweiten Abstand d2 zwischen der Symmetrieebene SP und dem zweiten Sensorort ist, dann ist ein Winkel α1, der zwischen der Achse der maximalen Empfindlichkeit des ersten Sensorelements und dem ersten Magnetfeldvektor B1 gebildet wird, im Wesentlichen gleich einem Winkel α2, der zwischen der Achse der maximalen Empfindlichkeit des zweiten Sensorelements und dem zweiten Magnetfeldvektor B2 gebildet wird, aber dies ist nicht erforderlich, damit die Erfindung funktioniert. Typischerweise weisen das erste Signal v1, das von dem ersten Sensorelement bereitgestellt wird, und das zweite Signal v2, das von dem zweiten Sensorelement bereitgestellt wird, mehr oder weniger die gleiche Größe, aber ein unterschiedliches Vorzeichen auf, sodass durch Subtrahieren ihrer Werte die Amplitude im Wesentlichen verdoppelt wird. (Wie durch die beispielhaften Simulationen von 9 veranschaulicht).
Vorzugsweise weist der U-förmige elektrische Leiter, der von dem ersten, dem zweiten und dem dritten elektrischen Leiterabschnitt gebildet wird, einen elektrischen Widerstand kleiner als 0,80 mOhm oder kleiner als 0,50 mOhm oder kleiner als 0,40 mOhm oder kleiner als 0,30 mOhm oder kleiner als 0,28 mOhm oder kleiner als 0,26 mOhm auf, einschließlich des elektrischen Widerstands der ersten Eingangsleitungen 101a und der ersten Ausgangsleitungen 101b. Dies kann erhalten werden, indem ein geeignetes Leitungsrahmenmaterial (z.B. Kupfer) und eine geeignete Länge Lc und Breite Wc und Leitungsrahmendicke gewählt werden. Dank dieses niedrigen Widerstandswerts kann die Verlustleistung, die durch einen durch den elektrischen Leiter fließenden Strom verursacht wird, begrenzt werden, somit kann der Temperaturanstieg begrenzt werden.
Eine der Erkenntnisse der vorliegenden Erfindung ist, dass die Breite des Substrats Ws nicht vollständig von der Breite Wc des Leiters abhängt, sondern eine geringere Breite verwendet werden kann. Dies wirkt sich direkt auf den Preis des Chips aus, was in einem hart umkämpften Markt, wie beispielsweise integrierte Stromsensoren für die Automobil- und Industriebranche von großer Bedeutung ist.
In bestimmten Ausführungsformen können die elektrischen Leiterabschnitte eine Breite Wc in dem Bereich von 1,0 bis 8,0 mm oder in dem Bereich von 2,0 bis 6,0 mm, zum Beispiel gleich etwa 4 mm aufweisen, und das Substrat kann eine Größe von 1 bis 7 mm², zum Beispiel von etwa gleich 2 ± 0,5 mm mal 3 ± 0,5 mm, aufweisen.
Der Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hat, wird verstehen, dass die Substratgröße umso kleiner sein kann, je kleiner die Breite des Spalts Wg und Je näher der erste und der zweite Sensorort an dem Spalt sind. Es ist jedoch nicht ohne Weiteres möglich, die optimale Position in Bezug auf das größte Signal zu bestimmen, aber der Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hat, kann Simulationen durchführen, zum Beispiel unter Verwendung von Finite-Elemente-Simulationen, um solche Positionen zu bestimmen, wie in 9 und 10 dargestellt ist.
Ein anderer Aspekt, der berücksichtigt werden kann, ist der elektrische Widerstand. Für eine gegebene Leitungsrahmendicke kann der elektrische Widerstand verringert werden, indem die Breite Wc verbreitert wird. Je kleiner der elektrische Widerstand ist, desto geringer ist die Verlustleistung und desto größer kann der zu messende Strom sein. Es ist vorgesehen, Ströme in der Größenordnung von 30 bis 75 Ampere mit Spitzenwerten von bis zu 100 oder sogar 120 Ampere zu messen.
Der Leitungsrahmen kann ein Kupfer-Leitungsrahmen (z.B. gefertigt aus Kupfer C151) sein und/oder eine Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron oder von 200 bis 500 Mikron aufweisen, z.B. im Wesentlichen gleich 200 Mikron oder im Wesentlichen gleich 250 Mikron sein. Es ist nicht einfach, eine Stromsensorvorrichtung zu bauen, die in der Lage ist, einen Strom von zumindest 30 Ampere oder zumindest 40 Ampere oder zumindest 50 Ampere unter Verwendung eines Leitungsrahmens mit einer Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron oder gleich etwa 200 oder etwa 250 Mikron zu messen, unter anderem, weil die klassische Art und Weise, die elektrische Leitfähigkeit eines integrierten Leiters in Stromsensorvorrichtungen zu verringern, darin besteht, die Dicke des Leiters zu erhöhen, während die Breite des Leiters unverändert bleibt.
In dem Beispiel von 1 sind die elektrischen Leiterabschnitte 101a und 101b mit zwei Eingangsleitungen 101a und zwei Ausgangsleitungen 101b verbunden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt und die Anzahl der ersten Eingangsleitungen und der ersten Ausgangsleitungen kann mehr als zwei oder weniger als zwei betragen.
In dem Beispiel von 1 haben die ersten Leitungen 101a, 101b die gleiche Form und Größe wie die zweiten Leitungen 102, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und die zwei ersten Leitungen 101a können durch einen einzelnen, relativ breiten Eingangsstreifen (nicht gezeigt) ersetzt werden und die zwei ersten Ausgangsleitungen 101b können durch einen einzelnen, relativ breiten Ausgangsstreifen (nicht gezeigt) ersetzt werden. Auf diese Weise kann der elektrische Widerstand weiter verkleinert werden und die Wärmeleitfähigkeit (z.B. gegenüber einer PCB) kann verbessert werden.
Die Stromsensorvorrichtung 100 von 1 enthält vier horizontale Hall-Elemente und vier achteckige integrierte Magnetkonzentratoren, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und es können auch andere Magnetsensoren verwendet werden.
Zum Beispiel basieren in 2(a) und 2(b) der erste und der zweite Magnetsensor auch auf horizontalen Hall-Elementen mit IMC, aber die Form der beiden äußeren Magnetkonzentratoren 221, 222 ist geändert, und die beiden inneren Magnetkonzentratoren werden kombiniert, um einen gemeinsamen Magnetkonzentrator 223 zu bilden.
Es ist ein Vorteil, horizontale Hall-Elemente mit IMC zu verwenden, weil IMC eine passive Signalverstärkung bereitstellt (in der Regel um einen Faktor von etwa 5 oder 6). Die IMC-Dicke liegt typischerweise in dem Bereich von etwa 20 bis 25 Mikron, ist z.B. gleich etwa 23 Mikron.
Obwohl nicht explizit gezeigt, können auch andere magnetische Erfassungselemente verwendet werden, wie zum Beispiel Magnetwiderstandselemente, z.B. GMR-Elemente, die in einer Wheatstone-Brücke angeordnet sind. Andere Arten von Magnetwiderstandssensoren können ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel umfassend zumindest eines von Indiumantimonid (InSb), ein Riesenmagnetwiderstandselement (GMR), ein anisotropes Magnetwiderstandselement (AMR), ein Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR) oder ein magnetisches Tunnelverbindungselement (MTJ).
Obwohl nicht explizit gezeigt, können die Sensoren weiter geeignete Vorspannungs- oder Erregungsschaltungen und Ausleseschaltungen aufweisen. Zum Beispiel kann in dem Fall von Hall-Elementen ein Drehstrom verwendet werden, um Versatzfehler zu reduzieren. Zum Beispiel kann in dem Fall von Magnetwiderstandselementen eine geschlossener Regelkreis verwendet werden, um Nichtlinearitäten durch Erzeugen eines lokalen Magnetfeldes am Sensorort usw. zu verringern. Magnetsensoren und geeignete Vorspannungs- oder Anregungsschaltungen und geeignete Ausleseschaltungen sind im Stand der Technik bekannt und brauchen daher hier nicht näher erläutert zu werden.
Obwohl nicht explizit in 1 gezeigt, kann das Substrat weiter eine elektrische Verarbeitungsschaltung umfassen. Beispiele für Verarbeitungsschaltungen werden in 6 und 7 gezeigt, die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt und andere Verarbeitungsschaltungen können auch verwendet werden.
Das Substrat 110 weist eine erste Oberfläche, die auch als aktive Oberfläche bezeichnet wird, die die Sensorelemente und die Verarbeitungsschaltung enthält, und eine zweite Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, auf.
In dem Beispiel von 1 befindet sich das Substrat 110 über oder oben auf den elektrischen Leiterabschnitten, und die aktive Oberfläche des Substrats ist von den elektrischen Leiterabschnitten 103 abgewandt. Ein typischer Abstand zwischen der aktiven Oberfläche des Substrats und den elektrischen Leiterabschnitten kann ein Wert in dem Bereich von etwa 300 bis etwa 400 Mikron, z.B. etwa 350 Mikron, sein.
Das Substrat 110 kann direkt oben auf dem elektrischen Leiter ohne ein zusätzliches isolierendes Material dazwischen platziert sein.
In anderen Ausführungsformen kann das Substrat 110 eine isolierende Schicht umfassen, z.B. eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht an der zweiten Oberfläche, die den elektrischen Leiter 103 berühren kann.
In noch anderen Ausführungsformen kann eine isolierende Schicht, z.B. ein isolierendes Polymer oder ein isolierendes Band, zwischen dem Substrat 110 und dem elektrischen Leiter 103 aufgebracht sein.
In anderen Ausführungsformen (bekannt als „Flip-Chip“-Anordnung) weist das Substrat 110 eine erste Oberfläche auf, die das erste und das zweite Sensorelement enthält, und die erste Oberfläche ist dem elektrischen Leiter zugewandt. In diesem Fall ist das Substrat von dem elektrischen Leiter beabstandet und der Chip umfasst vorzugsweise weiter ein elektrisch isolierendes Material, das sich zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter befindet.
Der Abstand zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter kann ein Wert in dem Bereich von 150 bis 250 µm oder in dem Bereich von 170 bis 210 µm sein, zum Beispiel gleich etwa 190 µm. Das elektrisch isolierende Material kann angepasst sein, einer Spannung von zumindest 1000 Volt standzuhalten.
Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass der Abstand zwischen den Sensoren und dem elektrischen Leiter 103 relativ klein ist und dass das von den Sensoren gemessene Signal relativ groß ist (größer als in dem Fall, in die zweite Oberfläche dem elektrischen Leiter zugewandt ist). Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und somit die Genauigkeit der Messung.
In dieser Ausführungsform wird das Substrat an einem ersten Bereich oder einem ersten Ende durch den elektrischen Leiter und das isolierende Material mechanisch gestützt.
Das Substrat wird durch die elektrischen Leiterabschnitte mechanisch gestützt, Verbindungsdrähte 105 können einfach mit den Verbindungspads 104 des Substrats verbunden werden. Natürlich können andere Verbindungstechniken auch verwendet werden.
Obwohl einige Aspekte der vorliegenden Erfindung in Bezug auf eine Symmetrieebene SP erläutert werden, ist anzumerken, dass nicht der gesamte Leitungsrahmen symmetrisch sein muss, sondern nur der erste und zweite elektrische Leiterabschnitt in der Nähe des ersten und des zweiten Magnetsensors.
Obwohl das Wort „Spalt“ verwendet wird, um die physische Trennung des ersten und des zweiten elektrischen Leiterabschnitts zu beschreiben, ist der Spalt typischerweise mit einer Formmasse gefüllt.
Wie bereits vorstehend beschrieben, in einer ersten Variante umfasst der erste Magnetsensor nur ein einzelnes horizontales Hall-Element 131a mit zwei IMC-Strukturen 121 oben drauf und der zweite Magnetsensor umfasst ein einzelnes horizontales Hall-Element 131c mit zwei IMC-Strukturen oben drauf. Somit sind in dieser Ausführungsform die horizontalen Hall-Elemente 131b und 131d weggelassen. Die Elemente 131a und 131c bilden ein erstes Sensorpaar.
Alternativ können nur die Sensorelemente 131b und 131d verwendet werden und die Sensorelemente 131a und 131c können weggelassen werden.
In einer anderen Variante sind vier horizontale Hall-Elemente 131a bis 131d vorhanden, wobei die Elemente 131a und 131c ein erstes Sensorpaar und die Elemente 131b und 131d ein zweites Sensorpaar bilden. In dieser Ausführungsform kann ein erster Wert des Stroms basierend auf den Werten berechnet werden, die von dem ersten asymmetrischen Paar 131a, 131c erhalten werden, und ein zweiter Wert des Stroms kann basierend auf den Werten berechnet werden, die von dem zweiten asymmetrischen Paar 131b, 131d erhalten werden. Wenn der erste Stromwert und der zweite Stromwert ein vordefiniertes Kriterium erfüllen, z.B. eine Differenz aufweisen, die kleiner als ein vordefinierter Wert ist, oder ein Verhältnis innerhalb eines vordefinierten Bereiches (z.B. von 95% bis 105%) aufweisen, kann die Schaltung einen Mittelwert der zwei Stromwerte als „den“ Stromwert bereitstellen. Diese Ausführungsform bietet Redundanz, die zu Zwecken der funktionalen Sicherheit verwendet werden kann. Insbesondere kann sich ein drittes vertikales Hall-Element nahe, z.B. benachbart zu, dem ersten Hall-Element 431 befinden, und ein viertes vertikales Hall-Element kann sich nahe z.B. benachbart zu, dem zweiten Hall-Element 432 befinden. Das dritte und das vierte vertikale Hall-Element würden ein zweites asymmetrisches Paar bilden. Ein erster Wert (11) des zu messenden Stroms kann basierend auf den Signalen von dem ersten asymmetrischen Paar berechnet werden, und ein zweiter Wert (12) des zu messenden Stroms kann basierend auf den Signalen von dem zweiten asymmetrischen Paar berechnet werden. Der erste Strom (I1) kann basierend auf einer Differenz des ersten und des zweiten Signals berechnet werden, zum Beispiel gemäß der Formel: K*(v1-v2), wobei K eine vordefinierte Konstante ist und v1, v2 die durch den ersten bzw. den zweiten Sensor bereitgestellten Signale sind, oder basierend auf einem gewichteten Mittelwert dieser Signale, zum Beispiel gemäß der Formel: K*(A.v1-B.v2), wobei A und B vordefinierte Konstanten sind, die während eines Kalibrierungstests bestimmt werden können. Ebenso kann ein zweiter Wert (12) für den zu messenden Strom berechnet werden. Wenn der erste Stromwert (l1) und der zweite Stromwert (l2) gemäß einem vordefinierten Kriterium mehr oder weniger gleich sind, kann ein Mittelwert des ersten Stromwertes und des zweiten Stromwertes als „der“ Stromwert bereitgestellt werden, andernfalls kann ein Fehlersignal bereitgestellt werden. Durch die Subtraktion wird der Einfluss eines äußeren Störfeldes (falls vorhanden) verringert oder eliminiert.
2(a) zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 200 In Draufsicht. Die Stromsensorvorrichtung 200 ist eine Variante des Stromsensors 100 von 1. Der Hauptunterschied zwischen dem Stromsensor 200 von 2 und der Stromsensor 100 von 1 ist, dass die integrierten Magnetkonzentratoren (IMC) verschieden sind. Insbesondere zeigt 2 einen Stromsensor 200, der vier horizontale Hall-Elemente und drei IMC-Elemente, nämlich zwei trapezförmige äußere IMC 221, 222 und einen gestreckten achteckigen Zwischen-IMC 223, der beiden Sensoren gemeinsam ist, aufweist. Alles andere, was vorstehend für den Stromsensor 100 von 1 beschrieben wurde, und Varianten davon, Ist hier auch anwendbar, zum Beispiel, wie vorstehend erwähnt, nur zwei der horizontalen Hallelemente werden benötigt, die anderen beiden können zu der Redundanz oder für eine verbesserte Genauigkeit oder eine erhöhte Empfindlichkeit oder für beides verwendet werden.
3(a) und 3(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 300 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Seitenansicht bzw. Draufsicht. Die Stromsensorvorrichtung 300 ist eine Variante der Stromsensorvorrichtung 100 von 1. Der Hauptunterschied zwischen der Stromsensorvorrichtung 300 von 3 und der Stromsensorvorrichtung 100 von 1 ist, dass der erste elektrische Leiterabschnitt 303a und der zweite elektrische Leiterabschnitt 303b nicht innerhalb der Stromsensorvorrichtung miteinander verbunden sind, sondern stattdessen außerhalb miteinander verbunden sind, zum Beispiel mittels Kupferspuren 350c auf einer Leiterplatte, aber andere Verbindungen können auch verwendet werden. Tatsächlich kann das Platzieren des Brückenabschnitts 350c außerhalb der Stromsensorvorrichtung aus thermischer Sicht vorteilhaft sein. Alles andere, was vorstehend für die Stromsensorvorrichtung 100 von 1 beschrieben wurde, und Variationen davon, ist hier auch sinngemäß anwendbar. Die PCB und die Stromsensorvorrichtung 300 bilden zusammen eine Stromsensoranordnung 360 oder eine Stromsensorbaugruppe.
4 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 400 gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht. Diese Ausführungsform kann als eine Variante von 3 angesehen werden, wobei die IMC-Struktur eine ähnliche Form wie in der Ausführungsform von 2 aufweist. Die PCB und die Stromsensorvorrichtung 400 bilden zusammen eine Stromsensoranordnung 460 oder eine Stromsensorbaugruppe.
5 ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 500 mit einigen beispielhaften Abmessungen. In diesem Beispiel kann der Leitungsrahmen eine Dicke von 250 Mikrometer aufweisen.
6 zeigt ein elektrisches Blockdiagramm einer Schaltung 610, die in einer Stromsensorvorrichtung verwendet werden kann, z.B. wie in 1 bis 5 gezeigt, bei Abwesenheit von einem oder mehreren Temperatursensoren und einem oder mehreren Belastungssensoren oder zumindest ohne Berücksichtigung der Werte, die von ihnen bereitgestellt werden. Es wird angemerkt, dass der Stromleiter in dieser Zeichnung weggelassen ist, weil er von diesem Stromkreis galvanisch getrennt ist, obwohl sich der elektrische Leiter physisch in der Nähe des ersten und des zweiten Magnetsensors 611, 621 befindet.
Die Verarbeitungseinheit 630 ist zum Bestimmen des zu messenden Stroms auf eine bekannte Weise angepasst, zum Beispiel durch Berechnen des Stroms gemäß der Formel: I=K.(v1-v2), wobei K eine vordefinierte Konstante ist (die z.B. während des Entwurfs oder während einer Bewertungsphase bestimmt wurde), v1 ist der Wert, der von dem ersten Magnetsensor 611 bereitgestellt wird, und v2 ist der Wert, der von dem zweiten Magnetsensor 621 bereitgestellt wird. Die Verarbeitungseinheit 630 kann einen digitalen Prozessor umfassen, der einen nichtflüchtigen Speicher 631, der zumindest einen konstanten Wert K speichert, umfasst oder mit diesem verbunden ist.
Obwohl nicht explizit gezeigt, kann die Verarbeitungsschaltung 610 einen Differenzverstärker umfassen, der zum Bestimmen und Verstärken einer Differenz zwischen dem ersten Wert v1 und dem zweiten Wert v2 und zum Verstärken dieser Differenz konfiguriert ist. Alternativ kann die Verarbeitungsschaltung 610 einen Verstärker umfassen, der zum selektiven Verstärken des ersten Wertes v1 und des zweiten Wertes v2 konfiguriert ist. Die Sensorvorrichtung kann weiter einen Analog-Digital-Wandler ADC umfassen, der zum Digitalisieren dieses verstärkten Differenzsignals konfiguriert ist. Der ADC kann Teil einer digitalen Prozessorschaltung sein. Der zu messende Strom kann als ein analoges Ausgangssignal proportional zum Strom bereitgestellt werden, oder kann als ein digitales Signal bereitgestellt werden, das den zu messenden Strom anzeigt. Die zweiten Leitungen (die in 1 bis 5 gezeigt sind) können verwendet werden, um der Verarbeitungsschaltung 610 eine Versorgungsspannung und ein Massesignal bereitzustellen und/oder um eine Datenschnittstelle, zum Beispiel einen seriellen Daten Bus (z.B. unter Verwendung des I2C-Protokolls oder unter Verwendung des RS232-Protokolls oder eines anderen geeigneten Protokolls) bereitzustellen und/oder andere Eingangssignale oder Ausgangssignale, je nach Bedarf.
7 zeigt ein elektrisches Blockdiagramm einer Verarbeitungsschaltung 710, die als Variante der Verarbeitungsschaltung 610 von 6 angesehen werden kann, die weiter einen ersten und einen zweiten Temperatursensor 712, 722 umfasst, die kommunikativ mit der Verarbeitungseinheit 730 verbunden sind. Die Verarbeitungseinheit 730 ist zum Bestimmen des zu messenden Stroms basierend auf den Werten v1 und v2 angepasst, jedoch unter Berücksichtigung von einem oder beiden Temperatursignalen t1, t2. Die gemessene(n) Temperatur(en) kann (können) berücksichtigt werden, um die Messwerte v1, v2 für Temperaturschwankungen zu kompensieren, z.B. um Empfindlichkeitsschwankungen der Sensorelemente zu kompensieren. Solche Kompensationstechniken sind an sich auf dem Fachgebiet bekannt und brauchen daher hier nicht näher erläutert zu werden. In einer besonderen Ausführungsform wird eine Temperaturkompensation in ähnlicher Weise durchgeführt, wie dies in der EP3109658A1 beschrieben ist, die hier in vollem Umfang aufgenommen wird.
Es ist ein Vorteil dieses Stromsensors, dass er einen Temperaturkompensationsmechanismus aufweist. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
Die Verarbeitungseinheiten 630 von 6 und 730 von 7 können einen digitalen Prozessor enthalten, zum Beispiel einen programmierbaren Mikrocontroller. Obwohl nicht explizit gezeigt, können die Schaltungen 610 und 710 auch zumindest einen Analog-Digital-Wandler enthalten, der ein Teil der Magnetsensoren oder ein Teil der Verarbeitungseinheit sein kann oder als separate Schaltung implementiert sein kann (z.B. zwischen einem Ausgang der Sensorschaltung und einem Eingang der Verarbeitungseinheit). Das Blockdiagramm von 6 und 7 zeigt diesen Detaillierungsgrad aus den gleichen Gründen nicht, wie es keine Vorspannungsschaltung, keine Ausleseschaltung, keinen optionalen Verstärker, keine Stromversorgung usw. zeigt, die alle auf dem Fachgebiet bekannt sind und daher hier nicht im Detail beschrieben werden müssen.
In dieser Hinsicht wird angemerkt, dass, wenn die Signale v1, v2, t1 und t2 analoge Signale sind, die Verarbeitungseinheit 730 zumindest einen ADC enthalten kann, um diese analogen Signale in digitale Signale umzuwandeln, wohingegen in dem Fall, dass die Signale v1, v2, t1 und t2 digitale Signale sind, die Verarbeitungseinheit 730 keinen ADC aufweisen muss.
Ausführungsformen, die zwei Temperatursensoren, einen für jeden Magnetsensor, aufweisen, sind vorteilhaft, weil die Temperatur des ersten und des zweiten Magnetsensors wesentlich verschieden sein kann, insbesondere wenn ein relativ hoher Strom (z.B. größer als 30 Ampere) gemessen wird, weil ein derart hoher Strom typischerweise dazu führt, dass sich der elektrische Leiter erheblich erwärmt, was zu einem relativ großen Temperaturgradienten über dem Substrat führt. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Variante (nicht gezeigt) von 7 umfasst die Schaltung nur einen Temperatursensor, der zum Messen der Temperatur des ersten Magnetsensors oder zum Messen der Temperatur des zweiten Magnetsensors angepasst sein kann. Die Temperatur des anderen Magnetsensors kann dann basierend auf der geschätzten Verlustleistung (wiederum basierend auf v1 und v2) und basierend auf einer vordefinierten Annahme der Umgebungstemperatur geschätzt werden, anstatt die andere Temperatur tatsächlich zu messen. Natürlich ist eine Ausführungsform mit zwei Temperatursensoren genauer.
In einer Variante (nicht gezeigt) von 7 umfasst die Schaltung einen oder zwei Belastungssensoren anstelle von einem oder zwei Temperatursensoren, und die Verarbeitungseinheit 730 ist zum Bestimmen des Stroms basierend auf den Werten, die von den Magnetsensoren erhalten werden, und unter Berücksichtigung des Belastungswertes oder der Belastungswerte, die die von einem oder beiden Belastungssensoren erhalten werden, angepasst.
In einer anderen Variante (nicht gezeigt) von 7 umfasst die Schaltung zusätzlich zu einem oder zwei Temperatursensoren einen oder zwei Belastungssensoren, und die Verarbeitungseinheit 730 ist zum Bestimmen des Stroms basierend auf den Werten, die von den Magnetsensoren und dem einen oder den mehreren Temperatursensoren und dem einen oder den mehreren Belastungssensoren erhalten werden.
Der Prozessor kann weiter zum Berechnen eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms angepasst sein, wie vorstehend zum Beispiel in Bezug auf 1(c) beschrieben, wobei das dritte Magnetelement 131c als Backup für das erste Magnetelement 131a angeordnet sein kann, und das vierte Magnetelement 131d als Backup für das zweite Magnetelement 131b angeordnet sein kann. Das dritte und das vierte Element 131c und 131d können in einem ähnlichen Abstand angeordnet sein wie das erste bzw. das zweite Element 131a, 131b, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. In der Tat kann es sogar wünschenswert sein, andere Differenzen, beispielsweise wie Abstände oder Sensortypen, zu verwenden, um eine sogenannte „nicht heterogene Redundanz“ bereitzustellen. Die Verarbeitungsschaltung kann zum Berechnen eines ersten Stromwerts I1 basierend auf dem ersten und dem zweiten Wert v1, v2 angepasst sein, und kann weiter zum Berechnen eines zweiten Stromwerts I2 basierend auf dem dritten und dem vierten Wert v3, v4 angepasst sein. Beide Messungen sind gegen Streufelder immun. Der erste Strom I1 und der zweite Strom I2 sollten idealerweise gleich sein, es sei denn, der Stromsensor funktioniert nicht richtig.
Während des Gebrauchs kann die Schaltung den ersten und zweiten Strom berechnen und eine Differenz I1-I2 oder ein Verhältnis I1/I2 berechnen, und wenn die Differenz kleiner als ein vordefinierter Schwellenwert ist oder wenn das Verhältnis innerhalb vordefinierter Grenzen liegt, kann die Schaltung folgern, dass die Messungen korrekt sind, und wenn die berechnete Differenz oder das berechnete Verhältnis außerhalb dieser Grenzen liegt, kann die Schaltung folgern, dass die Messungen falsch sind. Wenn die Schaltung so ausgelegt ist, dass der vordefinierte Wert von R etwa gleich 1 ist, kann die Schaltung den Mittelwert von I1 und I2 bereitstellen, in dem Fall, dass die Messung korrekt ist. Auf diese Weise kann das SNR weiter verbessert werden. Ausführungsformen mit drei oder vier Magnetsensoren können zu Zwecken der Redundanz und/oder funktionalen Sicherheit verwendet werden.
8 zeigt ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht.
Die Vorrichtung 800 kann als eine Variante der Vorrichtung 200 von 2 angesehen werden, mit dem Hauptunterschied, dass die Ecken des Brückenabschnitts abgeschnitten sind und dass vier erste Leitungen mit dem ersten elektrischen Leiterabschnitt verbunden sind und vier Leitungen mit dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt verbunden sind. Alles andere, was vorstehend beschrieben wurde, ist hier auch sinngemäß anwendbar.
9 zeigt Simulationsergebnisse für die Stromsensorvorrichtung von 8, wenn der erste und der zweite Sensor in einem Abstand von 190 Mikron von dem Leitungsrahmen angeordnet sind (z.B., wenn die aktive Oberfläche des Substrats den elektrischen Leiterabschnitten zugewandt ist).
10 zeigt Simulationsergebnisse für die Stromsensorvorrichtung von 8, wenn der erste und der zweite Sensor in einem Abstand von 350 Mikron von dem Leitungsrahmen angeordnet sind (z.B., wenn die aktive Oberfläche des Substrats von den elektrischen Leiterabschnitten abgewandt ist).
Beide Diagramme zeigen eine Simulation der Magnetfeldkomponente Bx in der Ebene und des Gradienten dBx/dx. Wie aus dem Vergleich der graphischen Darstellungen von 9 und 10 ersichtlich ist, stellt ein Anordnen der aktiven Ebene des Substrats näher an den elektrischen Leiterabschnitten ein etwas höheres Signal bereit, die Spitzen sind jedoch steiler, was bedeutet, dass es etwas weniger Spielraum für Positionierungsfehler gibt.
11 bis 14 zeigen beispielhafte Leitungsrahmen, wie sie in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden können. 11 bis 14 sind maßstabsgerecht gezeichnet. Der Hauptzweck dieser Zeichnungen besteht darin, einige relevante Parameter zu veranschaulichen.
Der beispielhafte Leitungsrahmen, der in 11 veranschaulicht ist, weist eine Breite von etwa 9 mm und eine Höhe von etwa 4 mm auf. Der Leitungsrahmen weist einen U-förmigen elektrischen Leiter auf, der einen zentralen Spalt und einen ersten elektrischen Leiterabschnitt, der sich auf der linken Seite des Spalts befindet, und einen zweiten elektrischen Leiterabschnitt, der sich auf der rechten Seite des Spalts befindet, und den dritten elektrischen Leiterabschnitt (auch als Brückenabschnitt oder Zwischenverbindungsabschnitt bezeichnet), der eine im Wesentlichen trapezförmige Form aufweist, umfasst. Der Leitungsrahmen weist mehrere Durchgangslöcher oder Öffnungen für mechanische Zwecke auf. Die folgenden Parameter werden betrachtet:

i) die „Breite“ Wb der Brücke (die sich über dem Spalt in 11 befindet und in einer lateralen Richtung in Bezug auf eine Mittellinie des Brückenabschnitts gemessen wird) ist unter anderem für den elektrischen Widerstand (und somit die Verlustleistung) und die maximale Nennstromstärke der Vorrichtung) wichtig;
ii) die Breite des Spalts Wg ist in dem Beispiel gleich etwa 0,4 mm;
iii) der Abstand ds zwischen der ersten und der zweiten Sensorposition ist in dem Beispiel gleich etwa 0,6 mm;
iv) der Leitungsrahmen ist aus C151-Kupfer gefertigt und weist eine Dicke von 250 Mikron auf.

Die Simulationen zeigen, dass für diese bestimmte Form und diese Abmessungen und dieses Material elektrische Widerstände in der Größenordnung von etwa 0,20 bis etwa 0,30 mOhm erhalten werden können und das Signal von etwa +-16,5 mT (Spitze-zu-Spitze) kann für einen Strom von etwa 50 Ampere Effektivwert (RMS), für ds=0,6 mm erhalten werden.
12 zeigt einen Leitungsrahmen ähnlich dem von 11, der Abstand ds zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorort ist jedoch ds=1,4 mm. Gemäß den Simulationen kann ein Signal von etwa +-29 mT (Spitze-zu-Spitze) für einen Strom von etwa 50 Ampere Effektivwert erhalten werden.
13 zeigt einen anderen Leitungsrahmen, der einen elektrischen Widerstand von etwa 0,22 mOhm aufweist, wenn ein aus C151 Kupfer gefertigter Leitungsrahmen mit einer Dicke von 250 µm verwendet wird. Diese Zeichnung wird auch verwendet, um die Position der Symmetrieebene SP zu veranschaulichen und zeigt, was mit „Mittellinie“ des elektrischen Leiters gemeint ist. Der Vektor J1 repräsentiert eine Hauptrichtung des Stromflusses in dem ersten elektrischen Leiterabschnitt (der sich auf der linken Seite des Spalts von 13 befindet) und der Vektor J2 repräsentiert eine Hauptrichtung des Stromflusses in dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt (der sich auf der rechten Seite von 13 befindet). Wie zu sehen ist, definiert der Vektor J1 einen Winkel α in Bezug auf die gepunktete Linie und der Vektor J2 definiert einen Winkel β in Bezug auf die gepunktete Linie, der im Wesentlichen gleich -α ist. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird davon ausgegangen, dass der Strom J1 in eine entgegengesetzte Richtung wie der Strom J2 fließt, weil die Projektion der Vektoren J1 und J2 auf die Symmetrieebene SP in entgegengesetzten Richtungen gerichtet ist.
14 zeigt einen anderen Leitungsrahmen, der einen elektrischen Widerstand von etwa 0,25 mOhm aufweist, wenn ein aus C151 Kupfer gefertigter Leitungsrahmen mit einer Dicke von 250 µm verwendet wird.
15 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 1500 zum Herstellen eines Stromsensors, wie vorstehend beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen 1501 eines Leitungsrahmens, der einen ersten Leitungsrahmenabschnitt umfasst, der erste Leitungen 101, 201, 301, 401, 501 umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen ersten elektrischen Leiterabschnitt 103a und einen zweiten elektrischen Leiterabschnitt 103b zu bilden, wobei der zweite elektrische Leiterabschnitt 103b durch einen Spalt von dem ersten elektrischen Leiterabschnitt 103a beabstandet ist, und wobei der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt 103a, 103b konfiguriert sind, sodass der zu messende Strom durch den ersten elektrischen Leiterabschnitt 103a und durch den zweiten elektrischen Leiterabschnitt 103b fließt;
b) Bereitstellen 1502 eines Substrats 110; 210; 310; 410; 510, das zumindest einen ersten Magnetsensor 111, 211, 311, 411, 511 umfasst oder mit diesem verbunden ist und einen zweiten Magnetsensor 112, 212, 312, 412, 512 umfasst oder mit diesem verbunden ist, wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines ersten Wertes v1 konfiguriert ist, und wobei der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit im Wesentlichen parallel zu der ersten Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes v2 konfiguriert ist;
c) Montieren 1503 des Substrats in Bezug auf den Leitungsrahmen, sodass sich der erste Magnetsensor über oder unter dem ersten elektrischen Leiterabschnitt befindet und der zweite Magnetsensor sich über oder unter dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt befindet und der erste und der zweite Magnetsensor sich auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts befinden;
d) Bereitstellen 1504 einer Verarbeitungsschaltung 610; 710, die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms I zumindest basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Wert v1 und dem zweiten Wert v2 angepasst ist.

In einer Ausführungsform umfasst das Substrat den ersten Magnetsensor und den zweiten Magnetsensor und die Verarbeitungsschaltung, und Schritt d) ist in Schritt b) enthalten.
In einer Ausführungsform umfasst Schritt b) ein Bereitstellen eines Substrats, das weiter eine isolierende Schicht umfasst; und Schritt c) umfasst ein Montieren des Substrats direkt oben auf dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt.
In einer Ausführungsform umfasst Schritt c) ein Bereitstellen eines isolierenden Bandes oben auf dem ersten und dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt und ein Montieren des Substrats oben auf dem isolierenden Band.
In einer Ausführungsform umfasst Schritt b) ein Bereitstellen des Substrats, das weiter einen inneren Brückenabschnitt umfasst, der den ersten und den zweiten elektrischen Leiterabschnitt auf dem Substrat miteinander verbindet.
In einer Ausführungsform umfasst Schritt b) weiter ein Bereitstellen eines Brückenabschnitts, der den ersten und den zweiten elektrischen Leiterabschnitt außerhalb des Substrats miteinander verbindet.
Während einzelne Merkmale in verschiedenen Zeichnungen und verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erläutert sind, wird in Betracht gezogen, dass Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden können, wie es für den Fachmann beim Lesen dieses Dokuments offensichtlich wäre.
Bezugszeichenliste

100, 200, 300, 400, 500: Stromsensorvorrichtung
101, 201, 501: erste Leitungen
102, 202, 502: zweite Leitungen
103, 203, 303, 403, 503: elektrischer Leiter
104,504: Verbindungspads
105,505: Drahtverbindungen
110, 210, 310, 410, 510: Substrat
111, 211, 311: erster Magnetsensor
112,212,312: zweiter Magnetsensor
121, 221, 321: integrierte(r) Magnetkonzentrator(en) des ersten Magnetsensors
122, 222, 322: integrierte(r) Magnetkonzentrator(en) des zweiten Magnetsensors
131: horizontales Hall-Element
140: Formmasse
223: gemeinsamer integrierter Magnetkonzentrator des ersten und des zweiten Magnetsensors
360, 460: Stromsensoranordnung oder Stromsensorbaugruppe
431, 432: erstes/zweites vertikales Hall-Element
Δx: Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorort
B1, B2: erster/zweiter Magnetfeldvektor
Lc, Wc: Länge/Breite des elektrischen Leiters
Ls, Ws: Länge/Breite des (Halbleiter-) Substrats
CL: Mittellinie der elektrischen Leiterabschnitte und des Brückenabschnitts
SP: Symmetrieebene

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 3109658 A1 [0082, 0084, 0089, 0164]

Claims

Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) zum Messen eines Stroms (I), umfassend: - einen Leitungsrahmen, der einen ersten Leitungsrahmenabschnitt umfasst, der erste Leitungen (101, 201, 301, 401, 501) umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen ersten elektrischen Leiterabschnitt (103a) und einen zweiten elektrischen Leiterabschnitt (103b) zu bilden, wobei der zweite elektrische Leiterabschnitt (103b) durch einen Spalt von dem ersten elektrischen Leiterabschnitt (103a) beabstandet ist; wobei der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt (103a, 103b) konfiguriert sind, sodass der zu messende Strom durch den ersten elektrischen Leiterabschnitt (103a) und durch den zweiten elektrischen Leiterabschnitt (103b) fließt; - ein Substrat (110; 210; 310; 410; 510), das zumindest einen ersten Magnetsensor (111, 211, 311, 411, 511) umfasst oder mit diesem verbunden ist und das einen zweiten Magnetsensor (112, 212, 312, 412, 512) umfasst oder mit diesem verbunden ist; - wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines ersten Wertes (v1) konfiguriert ist, - und wobei der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes (v2) konfiguriert ist; - wobei sich der erste Magnetsensor über oder unter dem ersten elektrischen Leiterabschnitt befindet und wobei sich der zweite Magnetsensor über oder unter dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt befindet und wobei sich der erste und der zweite Magnetsensor auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts befinden; - eine Verarbeitungsschaltung (610; 710), die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms (I) zumindest basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2) angepasst ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach Anspruch 1, wobei der Strom in dem ersten elektrischen Leiterabschnitt hauptsächlich in einer ersten Richtung fließt und in dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt hauptsächlich in einer zweiten Richtung fließt, wobei die erste und die zweite Richtung im Wesentlichen entgegengesetzt sind.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste elektrische Leiterabschnitt weiter einen dritten elektrischen Leiterabschnitt (103c) umfasst, der den ersten elektrischen Leiterabschnitt (103a) und den zweiten elektrischen Leiter miteinander verbindet, um einen integrierten elektrischen Leiter (103) zu bilden; oder wobei die Ausgangsleitungen des ersten elektrischen Leiterabschnitts und die Eingangsleitungen des zweiten elektrischen Leiterabschnitts außerhalb der Stromsensorvorrichtung miteinander verbunden sind.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach Anspruch 3, wobei der elektrische Leiter (103) eine allgemeine U-Form oder eine allgemeine Omega-Form aufweist, und wobei der erste elektrische Leiterabschnitt (103a) einen ersten Schenkel der U-Form oder der Omega-Form bildet und der zweite elektrische Leiterabschnitt (103b) einen zweiten Schenkel der U-Form oder der Omega-Form bildet.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei jeder von dem ersten und dem zweiten Magnetsensor höchstens ein oder zumindest ein oder zumindest zwei horizontale Hall-Elemente (131) und zumindest einen oder zwei integrierte Magnetkonzentratoren (121, 122; 221, 222, 223) umfasst.
Stromsensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leitungsrahmen ein Kupfer-Leitungsrahmen ist, der eine Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron aufweist.
Stromsensorvorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (Δx) zwischen dem ersten Sensorort und dem zweiten Sensorort kleiner als eine kleinste Breite (Wc) des ersten oder des zweiten elektrischen Leiterabschnitts ist oder kleiner als 90% der Breite oder kleiner als 80% der Breite oder kleiner als 70% der Breite oder kleiner als 60% der Breite oder kleiner als 50% der Breite oder kleiner als 40% der Breite ist; oder wobei eine Breite (Ws) des Substrats (110; 210; 310; 410; 510) kleiner als die kleinste Breite (Wc) der elektrischen Leiterabschnitte ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510) eine erste Oberfläche aufweist, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und wobei die erste Oberfläche dem elektrischen Leiter (103; 203; 303; 403; 503) zugewandt ist, und wobei die Stromsensorvorrichtung weiter ein elektrisch isolierendes Material umfasst, das sich zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter (103; 203; 303; 403; 503) befindet; oder wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510) eine erste Oberfläche aufweist, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und wobei die erste Oberfläche von dem elektrischen Leiter (103; 203; 303; 403; 503) abgewandt ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810) weiter eine Mehrzahl von Verbindungspads (104; 204; 304; 404; 504) umfasst, die sich auf einem Abschnitt des Substrats befinden, der den elektrischen Leiter überlappt; und wobei die Stromsensorvorrichtung weiter eine Mehrzahl von Verbindungsdrähten (105) umfasst, die eine oder mehrere der Mehrzahl von zweiten Leitungen (102; 202; 302; 402; 502) und ein oder mehrere der Mehrzahl von Verbindungspads (104; 204; 304; 404; 504) miteinander verbinden.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510) weiter eine Mehrzahl von Lötperlen umfasst, die mit zumindest einigen der zweiten Leitungen (102; 202; 302; 402; 502) verbunden sind, jedoch galvanisch von dem elektrischen Leiter und von den ersten Leitungen (101) getrennt sind.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Schaltung (610; 710) einen Differenzverstärker umfasst, der zum Bestimmen und Verstärken der Differenz und der gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2) konfiguriert ist; oder wobei die elektrische Schaltung (610; 710) einen Verstärker umfasst, der zum selektiven Verstärken des ersten Wertes (v1) und des zweiten Wertes (v2) konfiguriert ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend einen digitalen Prozessor (630; 730), der einen nichtflüchtigen Speicher (631; 731), der zumindest einen konstanten Wert (K) speichert, umfasst oder mit diesem verbunden ist, und wobei der digitale Prozessor zum Bestimmen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2) und basierend auf dem zumindest einen konstanten Wert (K) angepasst ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500) nach Anspruch 12, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510) weiter zumindest einen Temperatursensor (712, 722) umfasst, der zum Messen von zumindest einer Temperatur (t1), die sich auf eine Temperatur des ersten Magnetsensors (711) bezieht, und/oder einer Temperatur (t2) des zweiten Magnetsensors (721) konfiguriert ist, wobei der zumindest eine Temperatursensor (712, 722) mit dem digitalen Prozessor (730) verbunden ist, und wobei der digitale Prozessor (730) zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2) und unter Berücksichtigung der zumindest einen gemessenen Temperatur (t1, t2) angepasst ist; und/oder wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510) weiter zumindest einen Belastungssensor umfasst, der zum Messen von zumindest einem Belastungswert in Bezug auf eine mechanische Belastung, die vom ersten Magnetsensor erfahren wird, konfiguriert ist, wobei der zumindest eine Belastungssensor mit dem digitalen Prozessor (730) verbunden ist, und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Magnetwert (v1) und dem zweiten Magnetwert (v2) und unter Berücksichtigung des zumindest einen gemessenen Belastungswertes angepasst ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stromwert, der von der Verarbeitungsschaltung basierend auf dem ersten und dem zweiten Magnetsensor bestimmt wird, als ein erster Stromwert (l1) betrachtet wird; - und wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510) weiter einen dritten Magnetsensor umfasst, der auf ähnliche Weise wie der erste Magnetsensor angeordnet ist und zum Messen eines dritten Wertes (v3) konfiguriert ist, und weiter einen vierten Magnetsensor umfasst, der auf ähnliche Weise wie der zweite Magnetsensor angeordnet ist und zum Messen eines vierten Wertes (v4) konfiguriert ist; - und wobei die Verarbeitungsschaltung (630; 730) weiter zum Erhalten des dritten Wertes (v3) mit dem dritten Magnetsensor und zum Erhalten des vierten Wertes (v4) mit dem vierten Magnetsensor verbunden ist, und weiter zum Bestimmen eines zweiten Stromwertes (12) basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem dritten Wert (v3) und dem vierten Wert (v4) angepasst ist; und weiter zum Vergleichen des zweiten Stromwertes und des ersten Stromwertes und, wenn eine Differenz oder ein Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Stromwert eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, zum Bereitstellen eines Mittelwertes des ersten Stromwertes und des zweiten Stromwertes als den Stromwert angepasst ist.
Verfahren (1500) zum Herstellen einer Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) zum Messen eines Stroms (I), umfassend die Schritte von: a) Bereitstellen (1501) eines Leitungsrahmens, der einen ersten Leitungsrahmenabschnitt umfasst, der erste Leitungen (101, 201, 301, 401, 501) umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen ersten elektrischen Leiterabschnitt (103a) und einen zweiten elektrischen Leiterabschnitt (103b) zu bilden, wobei der zweite elektrische Leiterabschnitt (103b) durch einen Spalt von dem ersten elektrischen Leiterabschnitt (103a) beabstandet ist, wobei der erste und der zweite elektrische Leiterabschnitt (103a, 103b) konfiguriert sind, sodass der zu messende Strom durch den ersten elektrischen Leiterabschnitt (103a) und durch den zweiten elektrischen Leiterabschnitt (103b) fließt; b) Bereitstellen (1502) eines Substrats (110; 210; 310; 410; 510), das zumindest einen ersten Magnetsensor (111, 211, 311, 411, 511) umfasst oder mit diesem verbunden ist und einen zweiten Magnetsensor (112, 212, 312, 412, 512) umfasst oder mit diesem verbunden ist, wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines ersten Wertes (v1) konfiguriert ist, und wobei der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes (v2) konfiguriert ist; c) Montieren (1503) des Substrats in Bezug auf den Leitungsrahmen, sodass sich der erste Magnetsensor über oder unter dem ersten elektrischen Leiterabschnitt befindet und der zweite Magnetsensor sich über oder unter dem zweiten elektrischen Leiterabschnitt befindet und der erste und der zweite Magnetsensor sich auf gegenüberliegenden Seiten des Spalts befinden; d) Bereitstellen (1504) einer Verarbeitungsschaltung (610; 710), die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms (I) zumindest basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2) angepasst ist.
Verfahren nach Anspruch 15, weiter umfassend einen Schritt e) von: zumindest teileweisem Umspritzen des Leitungsrahmens und des Substrats, um eine verpackte Stromsensorvorrichtung zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei der Schritt a) umfasst: Bereitstellen des Leitungsrahmens als einen Kupfer-Leitungsrahmen, der eine Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Schritt b) und der Schritt d) umfassen: Bereitstellen des Halbleitersubstrats mit dem ersten Magnetsensor und dem zweiten Magnetsensor und der in das Substrat integrierten oder eingebetteten Verarbeitungsschaltung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der Schritt c) weiter umfasst: Bereitstellen eines isolierenden Bandes oben auf dem elektrischen Leiter und Montieren des Substrats oben auf dem isolierenden Band.