DE102020108880B4

DE102020108880B4 - Sensorvorrichtungen mit Bypassstrompfad und zugehörige Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102020108880B4
Application number: DE102020108880.9A
Authority: DE
Inventors: Klaus Elian; Rainer Markus Schaller; Volker Strutz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2024-05-08
Anticipated expiration: 2040-04-01
Also published as: CN113466527B; US20210302474A1; US11561245B2; DE102020108880A1; CN113466527A

Abstract

Sensorvorrichtung, umfassend:
einen elektrisch leitfähigen Chipträger, umfassend eine Stromschiene, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss; und
einen auf dem Chipträger angeordneten differentiellen Magnetfeldsensorchip mit zwei Sensorelementen,
wobei die Form der Stromschiene so ausgebildet ist, dass ein von dem ersten Anschluss des Chipträgers zu dem zweiten Anschluss des Chipträgers durch die Stromschiene verlaufender Messstrompfad einen Hauptstrompfad und einen Bypassstrompfad umfasst, wobei der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad parallel zueinander verlaufen und ein durch den Bypassstrompfad fließender Bypassstrom kleiner ist als ein durch den Hauptstrompfad fließender Hauptstrom, und
wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein von dem Bypassstrom induziertes Magnetfeld zu erfassen.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Sensorvorrichtungen mit Bypassstrompfad und Verfahren zur Herstellung solcher Sensorvorrichtungen.
Hintergrund
In Sensorvorrichtungen können Sensorchips auf Metallträgern mit Stromschiene montiert sein. Die Sensorchips können dazu ausgelegt sein, von einem durch die Stromschiene fließenden elektrischen Strom induzierte Magnetfelder zu erfassen. Solche Sensorvorrichtungen können beispielsweise in automotiven Anwendungen oder Leistungsanwendungen eingesetzt werden. Hersteller von Sensorvorrichtungen sind ständig bestrebt, ihre Produkte und zugehörige Herstellungsverfahren zu verbessern. Insbesondere kann es wünschenswert sein, Sensorvorrichtungen bereitzustellen, die eine große Bandbreite messbarer Stromstärken abdecken.
Die Druckschrift DE 11 2012 002 932 T5 betrifft einen Stromsensor mit einer Kalibrierung für eine Stromteilerkonfiguration.
Die Druckschrift US 2005 / 0 012 496 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung elektrischer Ströme.
Die Druckschrift US 2009 / 0 021 249 A1 betrifft einen kernlosen Stromsensor.
Die Druckschrift DE 11 2018 001 815 T5 betrifft einen Magnetsensor und Stromsensor.
Kurzdarstellung
Verschiedene Aspekte betreffen eine Sensorvorrichtung. Die Sensorvorrichtung umfasst einen elektrisch leitfähigen Chipträger, umfassend eine Stromschiene, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Die Sensorvorrichtung umfasst ferner einen auf dem Chipträger angeordneten differentiellen Magnetfeldsensorchip mit zwei Sensorelementen. Die Form der Stromschiene ist so ausgebildet, dass ein von dem ersten Anschluss des Chipträgers zu dem zweiten Anschluss des Chipträgers durch die Stromschiene verlaufender Messstrompfad einen Hauptstrompfad und einen Bypassstrompfad umfasst, wobei der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad parallel zueinander verlaufen und ein durch den Bypassstrompfad fließender Bypassstrom kleiner ist als ein durch den Hauptstrompfad fließender Hauptstrom. Der Magnetfeldsensorchip ist dazu ausgelegt, ein von dem Bypassstrom induziertes Magnetfeld zu erfassen.
Verschiedene Aspekte betreffen ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung. Das Verfahren umfasst ein Ausbilden eines elektrisch leitfähigen Chipträgers, umfassend eine Stromschiene, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss. Das Verfahren umfasst ferner ein Anordnen eines differentiellen Magnetfeldsensorchips mit zwei Sensorelementen auf dem Chipträger. Die Form der Stromschiene ist so ausgebildet, dass ein von dem ersten Anschluss des Chipträgers zu dem zweiten Anschluss des Chipträgers durch die Stromschiene verlaufender Messstrompfad einen Hauptstrompfad und einen Bypassstrompfad umfasst, wobei der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad parallel zueinander verlaufen und ein durch den Bypassstrompfad fließender Bypassstrom kleiner ist als ein durch den Hauptstrompfad fließender Hauptstrom. Der Magnetfeldsensorchip ist dazu ausgelegt, ein von dem Bypassstrom induziertes Magnetfeld zu erfassen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Sensorvorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Sensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Die in den Zeichnungen gezeigten Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu relativ zueinander wiedergegeben. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen.

1 enthält die 1A und 1B, welche eine Draufsicht und eine Unteransicht einer Sensorvorrichtung 100 gemäß der Offenbarung zeigen.
2 enthält die 2A und 2B, welche eine Draufsicht und eine Unteransicht einer Sensorvorrichtung 200 gemäß der Offenbarung zeigen.
3 enthält die 3A und 3B, welche eine Draufsicht und eine Unteransicht einer Sensorvorrichtung 300 gemäß der Offenbarung zeigen.
4 enthält die 4A und 4B, welche eine Draufsicht und eine Unteransicht einer Sensorvorrichtung 400 gemäß der Offenbarung zeigen.
5 enthält die 5A und 5B, welche eine Draufsicht und eine Unteransicht einer Sensorvorrichtung 500 gemäß der Offenbarung zeigen.
6 zeigt eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 600 gemäß der Offenbarung.
7 zeigt ein Schaltbild von in einer Stromschiene gemäß der Offenbarung auftretenden elektrischen Widerständen.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Sensorvorrichtung gemäß der Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
Die 1A bzw. 1B zeigen eine Draufsicht bzw. eine Unteransicht einer Sensorvorrichtung 100 gemäß der Offenbarung. In der Draufsicht der 1A ist ein innerer Aufbau der Sensorvorrichtung 100 dargestellt. Die Sensorvorrichtung 100 der 1 kann einen elektrisch leitfähigen Chipträger 2 mit einer Stromschiene 4 und mehreren Anschlussleitern 6 aufweisen. Die Stromschiene 2 kann einen ersten Anschluss 8 und einen zweiten Anschluss 10 aufweisen, bei denen ein elektrischer Strom in die Stromschiene 4 eingespeist und ausgegeben werden kann. Auf dem Chipträger 2 kann ein differentieller Magnetfeldsensorchip 12 mit zwei Sensorelementen 14 angeordnet sein. Der Magnetfeldsensorchip 12 bzw. seine Sensorelemente 14 können dazu ausgelegt sein, Magnetfelder zu erfassen. Die Komponenten der Sensorvorrichtung 100 können zumindest teilweise von einem Verkapselungsmaterial 16 verkapselt sein.
Im Beispiel der 1 kann es sich bei dem Chipträger 2 um einen Leiterrahmen (Leadframe) handeln, welcher die Stromschiene 4 und die Anschlussleiter 6 ausbildet. Der Leiterrahmen kann zum Beispiel aus Kupfer, Nickel, Aluminium oder Edelstahl gefertigt sein. Der Chipträger 2 kann in der z-Richtung unterschiedliche Dicken aufweisen. In diesem Zusammenhang kann es sich bei dem Chipträger 2 um einen halbgeätzten Leiterrahmen („half-etched leadframe“) handeln. In der 1 sind Bereiche des Chipträgers 2 mit einer größeren Dicke schraffiert und Bereiche mit einer kleineren Dicke nicht-schraffiert dargestellt. Die dünneren Bereiche des Chipträgers 2 sind in der Unteransicht der 1B nicht sichtbar.
Bei dem Magnetfeldsensorchip 12 kann es sich um einen integrierten Schaltkreis handeln, so dass auch von einem Magnetfeldsensor-IC die Rede sein kann. Im Beispiel der 1 kann der Magnetfeldsensorchip 12 ein Hall-Sensor bzw. ein Hall-IC sein. In weiteren Beispielen (vgl. 3) kann der Magnetfeldsensorchip 12 ein xMR-Sensor sein, insbesondere ein AMR-Sensor, ein GMR-Sensor oder ein TMR-Sensor. Im Falle eines Hall-Sensors kann es sich bei den Sensorelementen 14 um Hall-Elemente bzw. Hall-Sensorelemente handeln, die in den Schaltkreis integriert sein können. In dem Hall-IC kann ferner eine Signalverstärkung, eine Analog-Digital-Umsetzung, eine digitale Signalverarbeitung sowie eine Offset- und Temperaturkompensation erfolgen. Neben den Hall-Platten können die Komponenten für die Signalverstärkung und/oder der Analog-Digital-Umsetzung als Teil der Sensorelemente 14 betrachtet werden oder nicht. Bei dem Magnetfeldsensorchip 12 kann es sich insbesondere um einen differentiellen Magnetfeldsensorchip handeln, welcher eine Differenz der jeweils bei den Sensorelementen 14 erfassten Magnetfeldstärken bereitstellen kann.
Der Magnetfeldsensorchip 12 kann über ein oder mehrere elektrische Verbindungselemente 18 mit den Anschlussleitern 6 elektrisch verbunden sein. Die Anschlussleiter 6 können somit auch als Sensoranschlüsse oder Sensorpins bezeichnet werden. In der 1 sind beispielhaft vier elektrische Verbindungselemente 18 in Form von Bonddrähten gezeigt. In weiteren Beispielen können die elektrischen Verbindungselemente 18 anders ausgeführt sein, zum Beispiel als Clips oder Bänder, und ihre Anzahl kann vom Beispiel der 1 abweichen.
Eine oder mehrere der Vorrichtungskomponenten können von dem Verkapselungsmaterial 16 verkapselt und dadurch vor äußeren Einflüssen, wie Schmutz oder Feuchtigkeit, geschützt sein. Mit anderen Worten kann das Verkapselungsmaterial 16 ein Gehäuse für insbesondere den Magnetfeldsensorchip 12 ausbilden, so dass die Sensorvorrichtung 100 auch als Sensorpackage bezeichnet werden kann. Das Verkapselungsmaterial 16 kann zum Beispiel aus einem Laminat, einem Epoxidharz, einem Thermoplast oder einem wärmehärtenden Polymer gefertigt sein. Aus der Unteransicht der 1B ist ersichtlich, dass die Anschlüsse 8 und 10 sowie die Anschlussleiter 6 von dem Verkapselungsmaterial 16 zumindest teilweise unbedeckt sein können. Somit können die Stromschiene 4 und der Magnetfeldsensorchip 12 von außerhalb des Verkapselungsmaterials 16 elektrisch kontaktiert werden. Bei der Sensorvorrichtung 100 kann es sich um ein „Leadless“-Package handeln. Die Sensorvorrichtung 100 kann über die auf der Unterseite freiliegenden Anschlüsse mit einer Platine (nicht gezeigt) elektrisch verbunden werden.
Während eines Betriebs der Sensorvorrichtung 100 kann bei dem ersten Anschluss 8 ein Messstrom in die Stromschiene 4 eingespeist werden. Der Messstrom kann von dem ersten Anschluss 8 entlang eines Messstrompfads 20 durch die Stromschiene 4 zu dem zweiten Anschluss 10 fließen und bei diesem ausgegeben werden. In der 1 ist der Messstrompfad 20 bzw. der zugehörige Messstrom durch einen dicken Pfeil links angedeutet, welcher die vektorielle elektrische Stromdichte / darstellen soll. Die Stromschiene 4 kann so ausgebildet sein, dass der von dem ersten Anschluss 8 zu dem zweiten Anschluss 10 durch die Stromschiene 4 verlaufende Messstrompfad 20 einen Hauptstrompfad 22 und einen Bypassstrompfad 24 umfasst. Der Hauptstrompfad 22 und der Bypassstrompfad 24 können im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen.
Im Beispiel der 1 kann eine Aufteilung des Messstrompfads 20 in den Hauptstrompfad 22 und den Bypassstrompfad 24 durch eine in der Stromschiene 4 ausgebildete Öffnung (oder ein Loch) 26 bereitgestellt werden. Der Hauptstrompfad 22 und der Bypassstrompfad 24 können durch die Öffnung 26 voneinander getrennt sein. Dabei kann sich die Öffnung 26 in der z-Richtung vollständig durch die Stromschiene 4 erstrecken. Die Öffnung 26 kann näher an der unteren Kante der Stromschiene 4 angeordnet sein, d.h. bezüglich der y-Richtung nach unten versetzt sein. Dadurch kann der den Bypassstrompfad 24 ausbildende Abschnitt der Stromschiene 4 dünner sein als der den Hauptstrompfad 22 ausbildende Abschnitt der Stromschiene 4. Im Beispiel der 1 kann die Öffnung 26 eine runde oder ovale Form aufweisen. In weiteren Beispielen kann die Form der Öffnung 26 beliebig anders gewählt werden, zum Beispiel rechteckig oder quadratisch.
Die Stromschiene 4 kann entlang dem Bypassstrompfad 24 auf dem Chipträger 2 keinen Übergangswiderstand aufweisen. Ein Übergangswiderstand kann als elektrischer Widerstand definiert oder spezifiziert werden, der bei einer Verbindung von Komponenten oder Materialien an der Kontaktstelle zwischen diesen Komponenten entsteht. Ein Übergangswiderstand kann durch jede Art von Verbindung entstehen, mit welcher verschiedene Materialien miteinander verbunden werden, beispielsweise Lötverbindungen, Steckverbindungen, Schaltverbindungen, Leitungsverbindungen, usw. Übergangswiderstände können von den verwendeten Materialien und von der Qualität und Art der entstehenden Kontaktstellen abhängen. Jeder Übergangswiderstand kann in einem Verlust von Energie resultieren. Darüber hinaus können die verwendeten Materialien durch die Kontaktstellen in Mitleidenschaft gezogen werden und dadurch schneller ermüden. Aufgrund fehlender Übergangswiderstände entlang dem Bypassstrompfad 24 können die genannten Mängel somit bei Sensorvorrichtungen bzw. Stromschienen gemäß der Offenbarung zumindest teilweise vermieden werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Sensorvorrichtungen können insbesondere entsprechende Alterungsprozesse vermieden oder zumindest verzögert werden. Insbesondere kann eine Kalibrierung der Sensorvorrichtung 100 über ihre Lebenszeit im Wesentlichen konstant bleiben.
Nach dem oben Gesagten kann die Stromschiene 4 entlang dem Bypassstrompfad 24 auf dem Chipträger 2 somit frei von Kontaktstellen oder Verbindungsstellen sein. Die Aufteilung des Messstrompfads 20 in den Hauptstrompfad 22 und den Bypassstrompfad 24 kann alleine durch die Form der Stromschiene 4 bereitgestellt werden. Es werden keine zusätzlichen Komponenten benötigt, deren Ausbildung zu Übergangswiderständen führen kann. Der Bypassstrompfad 24 kann insbesondere innerhalb des Verkapselungsmaterials 16 verlaufen. Somit können insbesondere innerhalb des Verkapselungsmaterials 16 keine Übergangswiderstände entlang des Bypassstrompfads 24 vorliegen. Beispielsweise können in Sensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung entlang dem Bypassstrompfad 24 keine Shunt-Widerstände verwendet werden, deren Kontaktstellen zur Stromschiene 4 zu Übergangswiderständen führen würden. Übergangswiderstände können gemäß der Offenbarung zum Beispiel vermieden werden, indem die Stromschiene 4 als integrales einstückiges Bauteil gefertigt ist. Insbesondere kann der Chipträger 2 vollständig aus einem homogenen Metall und/oder einer homogenen Metalllegierung gefertigt sein. Der Hauptstrompfad 22 und der Bypassstrompfad 24 können somit entlang eines ähnlichen oder identischen Materials verlaufen.
Ein bei dem ersten Anschluss 8 in die Stromschiene 4 eingespeister Messstrom kann sich aufgrund der Form der Stromschiene 4 in einen Hauptstrom und einen Bypassstrom aufteilen. Der Messstrom kann dabei größer sein als etwa 15A, genauer größer als etwa 20A, und noch genauer größer als etwa 25A. Der Bypassstrom kann kleiner sein als der Hauptstrom. Eine Stärke des Bypassstroms kann beispielsweise mindestens etwa 10-mal kleiner, genauer mindestens etwa 15-mal kleiner, und noch genauer mindestens etwa 20-mal kleiner sein als eine Stärke des Hauptstroms. Ein elektrischer Widerstand der Stromschiene 4 entlang des Bypassstrompfads 24 kann größer sein als ein elektrischer Widerstand der Stromschiene 4 entlang des Hauptstrompfads 22. Ein Schaltbild einer Stromschiene gemäß der Offenbarung mit darin auftretenden elektrischen Widerständen ist in der 7 gezeigt und beschrieben.
Der Magnetfeldsensorchip 12 kann über dem Bypassstrompfad 24 angeordnet und somit dazu ausgelegt sein, ein von dem Bypassstrom induziertes Magnetfeld zu erfassen, insbesondere die zugehörige Magnetfeldstärke zu messen. Im Idealfall kann eine solche Messung unabhängig von einem durch den Hauptstrom induzierten Magnetfeld sein. Aus der Stärke des erfassten Magnetfelds kann auf die Stärke des Bypassstroms geschlossen werden. Da die Stärke des Bypassstroms und die Stärke des Messstroms in einer, insbesondere konstanten, Abhängigkeit zueinander stehen können, kann zudem auf die Stärke des Messstroms geschlossen werden. Die Stärken des Bypassstroms und des Messstroms können insbesondere linear voneinander abhängen. Da die Stärke des Bypassstroms deutlich kleiner sein kann als die Stärke des Messstroms, kann durch die Sensorvorrichtung 100 ein breiter Bereich von Messstromstärken gemessen werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Sensorvorrichtungen können insbesondere höhere Messströme gemessen werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein breiter Messbereich durch Anordnen eines zweiten Magnetfeldsensorchips (nicht gezeigt) über dem Hauptstrompfad 22 bereitgestellt werden.
Im Beispiel der 1 können die zwei Sensorelemente 14 zwei Hall-Sensorelemente umfassen oder solchen entsprechen. Der Bypassstrompfad 24 kann zwischen diesen zwei Hall-Sensorelementen verlaufen. In der Draufsicht der 1A können der Bypassstrompfad 24 und die Sensorelemente 14 jeweils (zumindest teilweise) überlappungsfrei sein. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass das durch den Bypassstrom induzierte Magnetfeld am Ort der Sensorelemente 14 eine zum jeweiligen Hall-Sensorelement senkrechte Komponente aufweist. An der Position des oberen bzw. unteren Sensorelements 14 kann durch den Bypassstrom ein aus der x-y-Ebene herauszeigendes bzw. in die x-y-Ebene hineinzeigendes Magnetfeld induziert werden. Die Richtungen der bei den Sensorelementen 14 induzierten Magnetfelder können somit entgegengesetzt sein. In einem Beispiel können der Bypassstrompfad 24 und die Sensorelemente 14 jeweils vollständig überlappungsfrei sein. In einem weiteren Beispiel können der Bypassstrompfad 24 und die Sensorelemente 14 jeweils zu einem kleinen Teil überlappen. Dabei können der Bypassstrompfad 24 und die Sensorelemente 14 mindestens etwa 80%, genauer mindestens etwa 85%, genauer mindestens etwa 90%, noch genauer mindestens etwa 95% überlappungsfrei sein.
Im Beispiel der 1 kann das obere Sensorelement 14 bei einer Kante der Öffnung 26 und das untere Sensorelement 14 bei einer Kante der Stromschiene 4 angeordnet sein. Eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen 14 kann im Wesentlichen senkrecht zu dem Bypassstrompfad 24 verlaufen und diesen schneiden. Auf ähnliche Weise kann eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen 14 im Wesentlichen senkrecht zu dem Hauptstrompfad 22 verlaufen. Ein Abstand der Sensorelemente 14 in der y-Richtung kann kleiner sein als etwa 5mm, genauer kleiner als etwa 4mm, noch genauer kleiner als etwa 3mm. Eine Abmessung des den Bypassstrompfad 24 ausbildenden Abschnitts der Stromschiene 4 in der y-Richtung kann gleiche oder ähnliche Werte aufweisen. Im Vergleich zu Sensorelementen herkömmlicher Magnetfeldsensorchips kann der Abstand der Sensorelemente 14 verringert sein. Hierdurch können in Sensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung kleine Magnetfeldsensorchips verwendet werden. Ferner können aufgrund des kleinen Abstands der Sensorelemente 14 durch Streufelder verursachte Messwertverfälschungen verhindert oder zumindest verringert werden, welche bei differentiellen Magnetfeldsensorchips auftreten können.
Die Sensorvorrichtung 100 kann optional einen Schalter (nicht gezeigt) aufweisen, der dazu ausgelegt ist, zwischen einem differentiellen Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips 12 und einem nicht-differentiellen Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips 12 zu schalten. Der Messbetrieb kann umgeschaltet werden, falls die erfasste Stärke des von dem Bypassstrom induzierten Magnetfelds einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet. Insbesondere kann bei kleinen Magnetfeldstärken in den nicht-differentiellen Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips 12 geschaltet werden, d.h. falls die Stärke des erfassten Magnetfelds kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert. Eine solche Messbereichsumschaltung kann beispielsweise durch einen Hall-Schalter bereitgestellt werden. Ein Hall-Schalter kann dazu ausgelegt sein, die magnetische Feldstärke zu messen und sie mit einem vorgegebenen oder programmierbaren festen Schwellwert zu vergleichen. Sobald der Schwellenwert überschritten wird, ist der Schaltpunkt erreicht und es kann zwischen den Messbetrieben geschaltet werden. In einem Beispiel kann der nicht-differentielle Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips 12 durch eines der zwei Sensorelemente 14 bereitgestellt wird. In einem weiteren Beispiel kann die Sensorvorrichtung 100 ein zusätzliches Mono-Hall-Sensorelement (nicht gezeigt) für den nicht-differentiellen Messbetrieb aufweisen.
Die Sensorvorrichtung 200 der 2 kann der Sensorvorrichtung 100 der 1 zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten aufweisen. Insbesondere kann es sich bei den zwei Sensorelementen 14 der 2 um Hall-Sensorelemente handeln. Analog zur 1 kann eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen 14 im Wesentlichen senkrecht zu dem Bypassstrompfad 24 verlaufen und diesen schneiden. Im Gegensatz zur 1 kann eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen 14 im Wesentlichen parallel zu dem Hauptstrompfad 22 verlaufen. Eine solche Anordnung der Sensorelemente 14 kann im Beispiel der 2 durch einen hervorstehenden Abschnitt 28 der Stromschiene 4 bereitgestellt werden. Die Öffnung 26 der Stromschiene 4 kann zumindest teilweise in dem hervorstehenden Schienenabschnitt 28 angeordnet sein. Das linke Sensorelement 14 kann bei einer Kante des hervorstehenden Schienenabschnitts 28 und das rechte Sensorelement 14 bei einer Kante der Öffnung 26 angeordnet sein. Aufgrund einer Anordnung der Sensorelemente 14 relativ zu dem Hauptstrompfad 22 wie in der 2 gezeigt kann im Vergleich zur 1 eine Störung des durch den Bypassstrom induzierten Magnetfelds durch den Hauptstrom verringert sein.
Die Sensorvorrichtung 300 der 3 kann den Sensorvorrichtungen 100 und 200 der 1 und 2 zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten aufweisen. In den vorhergehenden Beispielen der 1 und 2 konnte jedes der Sensorelemente 14 einem Hall-Sensorelement entsprechen. Im Gegensatz hierzu können die Sensorelemente 14 der Sensorvorrichtung 300 jeweils einem magnetoresistiven Sensorelement oder einem Vertikal-Hall-Sensorelement oder einem Fluxgate-Sensorelement entsprechen. Bei den Sensorelementen 14 kann es sich zum Beispiel um magnetoresistive xMR-Sensorelemente handeln, insbesondere um AMR-Sensorelemente, GMR-Sensorelemente oder TMR-Sensorelemente. Da die genannten Sensorelemente insbesondere bezüglich einer „In-Plane“-Magnetfeldkomponente sensitiv sein können, können die Sensorelemente 14 mit dem Verlauf des Bypassstrompfads 24 ausgerichtet sein. Mit anderen Worten können die Sensorelemente 14 direkt über dem Bypassstrompfad 24 angeordnet sein. Das heißt, in der Draufsicht der 3A können sich der Bypassstrompfad 24 und die Sensorelemente 14 jeweils, insbesondere vollständig, überlappen. Ferner können die Sensorelemente 14 versetzt zum Hauptstrompfad 22 angeordnet sein. Dadurch kann eine Störung der Messung des von dem Bypassstrom induzierten Magnetfelds durch den Hauptstrom vermieden oder zumindest verringert sein. Analog zur 2 kann eine Verbindungslinie zwischen den Sensorelementen 14 im Wesentlichen parallel zu dem Hauptstrompfad 22 verlaufen.
Die Sensorvorrichtung 400 der 4 kann der Sensorvorrichtung 100 der 1 zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten aufweisen. Bei dem Chipträger kann es sich zum Beispiel um einen Leiterrahmen handeln, der in der z-Richtung eine im Wesentlichen einheitliche Dicke aufweisen kann. Im Gegensatz zur 1 können die Anschlussleiter 6 und die Anschlüsse 8, 10 im Beispiel der 4 durch Beinchen oder Pins ausgeführt sein, die aus dem Verkapselungsmaterial 16 herausstehen. Dabei können die Pins insbesondere aus Seitenflächen des Sensorgehäuses herausstehen. Bei der Sensorvorrichtung 400 kann es sich um ein „Leaded“-Package handeln, beispielsweise um ein „Gullwing“-Package. Die Sensorvorrichtung 400 kann über die Anschlussleiter 6 und die Anschlüsse 8, 10 mit einer Platine (nicht gezeigt) elektrisch und mechanisch verbunden werden. In der Unteransicht der 4B können die Anschlussleiter 6 und die Anschlüsse 8, 10 von dem Verkapselungsmaterial 16 bedeckt sein.
Die Sensorvorrichtung 500 der 5 kann der Sensorvorrichtung 400 der 4 zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten aufweisen. Im Beispiel der 4 kann zumindest einer der Anschlüsse 8, 10 des Chipträgers einen Anschlussleiter aufweisen, der in Form eines Beinchens oder Pins ausgeführt sein kann. Die Anschlüsse 8, 10 bzw. die zugehörigen Anschlussleiter können eine oder mehrere Verjüngungen 30 aufweisen. Im Beispiel der 5 können die Verjüngungen 30 eine rechteckige Form aufweisen. In weiteren Beispielen können die Verjüngungen 30 eine andere Gestalt aufweisen, zum Beispiel eine abgerundete Form oder eine Wellenform. Durch die Verjüngungen 30 kann eine Harmonisierung der elektrischen Stromdichte $\vec{J}$
des durch die Stromschiene 4 fließenden Stroms bereitgestellt werden. Mit anderen Worten kann eine gleichmäßigere Verteilung des elektrischen Stroms in der Stromschiene 4 erreicht werden.
Die Sensorvorrichtung 600 der 6 kann der Sensorvorrichtung 400 der 4 zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten aufweisen. Im Vergleich zur 4 können die Stromschiene 4 und die Anschlussleiter 6 eine andere geometrische Form aufweisen. In der 6 kann die Stromschiene 4 eine U-förmige Gestalt aufweisen. Die Anschlussleiter 6 können jeweils einen unteren Abschnitt und einen oberen Abschnitt aufweisen. Der untere Abschnitt kann geradlinig in der y-Richtung verlaufen, während der obere Abschnitt auf den Magnetfeldsensorchip weisen kann.
7 zeigt ein Schaltbild von in einer Stromschiene gemäß der Offenbarung auftretenden elektrischen Widerständen. Bei einem ersten Anschluss 8 wird ein elektrischer Strom I in die Stromschiene eingespeist, welcher sich in einen Hauptstrompfad 22 und einen Bypassstrompfad 24 aufspaltet und an einem zweiten Anschluss 10 ausgegeben wird. Durch einen über dem Bypassstrompfad 24 angeordneten Magnetfeldsensorchip wird ein durch den Bypassstrom induziertes Magnetfeld B erfasst. Der Bypassstrompfad 24 bzw. Hauptstrompfad 22 kann einen ersten elektrischen Widerstand R1 bzw. einen zweiten elektrischen Widerstand R2 aufweisen. Die elektrischen Widerstände R1, R2 können parallel geschaltet sein, wobei gelten kann: R1 >> R2. Stromschienen gemäß der Offenbarung mit dem dargestellten parallelen Widerstandsschema können im Vergleich zu herkömmlichen Stromschienen, bei denen der gesamte elektrische Strom entlang nur einem Strompfad fließt, gemäß dem Ohm'schen Gesetz einen verkleinerten Gesamtwiderstand aufweisen.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Sensorvorrichtung gemäß der Offenbarung. Das Verfahren kann beispielsweise dazu verwendet werden jede der hierin beschriebenen Sensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung zu fertigen. Das Verfahren kann somit in Verbindung mit jeder der 1 bis 6 gelesen werden.
Bei 32 kann ein elektrisch leitfähiger Chipträger, umfassend eine Stromschiene, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, ausgebildet werden. Bei 34 kann ein differentieller Magnetfeldsensorchip mit zwei Sensorelementen auf dem Chipträger angeordnet werden. Die Form der Stromschiene kann so ausgebildet sein, dass ein von dem ersten Anschluss zu dem zweiten Anschluss durch die Stromschiene verlaufender Messstrompfad einen Hauptstrompfad und einen Bypassstrompfad umfasst. Der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad können parallel zueinander verlaufen und ein durch den Bypassstrompfad fließender Bypassstrom kleiner sein als ein durch den Hauptstrompfad fließender Hauptstrom. Der Magnetfeldsensorchip kann dazu ausgelegt sein, ein von dem Bypassstrom induziertes Magnetfeld zu erfassen. In einem Beispiel kann die Stromschiene entlang dem Bypassstrompfad auf dem Chipträger keinen Übergangswiderstand aufweisen.
Das Verfahren kann weitere Schritte aufweisen, die der Einfachheit halber nicht detailliert beschrieben sind. Beispielsweise können im Rahmen solcher Schritte ein oder mehrere der zuvor beschriebenen Komponenten von Sensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung bereitgestellt werden. In einem Beispiel können der Messstrompfad und der Bypassstrompfad durch Erzeugen einer Öffnung in der Stromschiene ausgebildet werden. In einem weiteren Beispiel können der Messstrompfad und der Bypassstrompfad durch einen Leiterrahmen-Herstellungsprozess ausgebildet werden.
Beispiele
Im Folgenden werden Sensorvorrichtungen und Verfahren zur Herstellung von Sensorvorrichtungen anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1 ist eine Sensorvorrichtung, umfassend: einen elektrisch leitfähigen Chipträger, umfassend eine Stromschiene, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss; und einen auf dem Chipträger angeordneten differentiellen Magnetfeldsensorchip mit zwei Sensorelementen, wobei die Form der Stromschiene so ausgebildet ist, dass ein von dem ersten Anschluss zu dem zweiten Anschluss durch die Stromschiene verlaufender Messstrompfad einen Hauptstrompfad und einen Bypassstrompfad umfasst, wobei der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad parallel zueinander verlaufen und ein durch den Bypassstrompfad fließender Bypassstrom kleiner ist als ein durch den Hauptstrompfad fließender Hauptstrom, und wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein von dem Bypassstrom induziertes Magnetfeld zu erfassen.
Beispiel 2 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 1, wobei die Stromschiene entlang dem Bypassstrompfad auf dem Chipträger keinen Übergangswiderstand aufweist.
Beispiel 3 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 1 oder 2, wobei die Stromschiene als integrales einstückiges Bauteil gefertigt ist.
Beispiel 4 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad durch eine in der Stromschiene ausgebildete Öffnung voneinander getrennt sind.
Beispiel 5 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend: ein Verkapselungsmaterial, welches den Magnetfeldsensorchip und die Stromschiene zumindest teilweise verkapselt, wobei der Bypassstrompfad innerhalb des Verkapselungsmaterials verläuft.
Beispiel 6 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Magnetfeldsensorchip über dem Bypassstrompfad angeordnet ist.
Beispiel 7 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen im Wesentlichen senkrecht zu dem Bypassstrompfad verläuft und diesen schneidet.
Beispiel 8 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen im Wesentlichen parallel zu dem Hauptstrompfad verläuft.
Beispiel 9 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 7, wobei eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen im Wesentlichen senkrecht zu dem Hauptstrompfad verläuft.
Beispiel 10 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei die zwei Sensorelemente zwei Hall-Sensorelemente umfassen, wobei der Bypassstrompfad zwischen den zwei Hall-Sensorelementen verläuft.
Beispiel 11 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 9, wobei die zwei Sensorelemente zwei xMR-Sensorelemente umfassen, welche über dem Bypassstrompfad angeordnet sind.
Beispiel 12 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend: einen Schalter, der dazu ausgelegt ist, zwischen einem differentiellen Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips und einem nicht-differentiellen Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips zu schalten, falls die Stärke des von dem Bypassstrom induzierten Magnetfelds einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Beispiel 13 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 12, wobei der nicht-differentielle Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips durch eines der zwei Sensorelemente bereitgestellt wird.
Beispiel 14 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei zumindest einer von dem ersten und dem zweiten Anschluss des Chipträgers einen Anschlussleiter umfasst, wobei der Anschlussleiter eine Verjüngung aufweist.
Beispiel 15 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden eines elektrisch leitfähigen Chipträgers, umfassend eine Stromschiene, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss; und Anordnen eines differentiellen Magnetfeldsensorchips mit zwei Sensorelementen auf dem Chipträger, wobei die Form der Stromschiene so ausgebildet ist, dass ein von dem ersten Anschluss zu dem zweiten Anschluss durch die Stromschiene verlaufender Messstrompfad einen Hauptstrompfad und einen Bypassstrompfad umfasst, wobei der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad parallel zueinander verlaufen und ein durch den Bypassstrompfad fließender Bypassstrom kleiner ist als ein durch den Hauptstrompfad fließender Hauptstrom, und wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein von dem Bypassstrom induziertes Magnetfeld zu erfassen.
Beispiel 16 ist ein Verfahren nach Beispiel 15, wobei die Stromschiene entlang dem Bypassstrompfad auf dem Chipträger keinen Übergangswiderstand aufweist.
Beispiel 17 ist ein Verfahren nach Beispiel 15 oder 16, ferner umfassend: Ausbilden des Messstrompfads und des Bypassstrompfads durch Erzeugen einer Öffnung in der Stromschiene.
Beispiel 18 ist ein Verfahren nach einem der Beispiele 15 bis 17, ferner umfassend: Ausbilden des Messstrompfads und des Bypassstrompfads durch einen Leiterrahmen-Herstellungsprozess.
Obwohl hierin spezifische Ausführungsformen dargestellt und beschrieben sind, ist es für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass eine Vielzahl alternativer und/oder äquivalenter Umsetzungen die gezeigten und beschriebenen spezifischen Ausführungsformen ersetzen kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Diese Anmeldung soll alle Anpassungen oder Variationen der hierin diskutierten spezifischen Ausführungsformen abdecken. Daher ist beabsichtigt, dass diese Offenbarung nur durch die Ansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.

Claims

Sensorvorrichtung, umfassend: einen elektrisch leitfähigen Chipträger, umfassend eine Stromschiene, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss; und einen auf dem Chipträger angeordneten differentiellen Magnetfeldsensorchip mit zwei Sensorelementen, wobei die Form der Stromschiene so ausgebildet ist, dass ein von dem ersten Anschluss des Chipträgers zu dem zweiten Anschluss des Chipträgers durch die Stromschiene verlaufender Messstrompfad einen Hauptstrompfad und einen Bypassstrompfad umfasst, wobei der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad parallel zueinander verlaufen und ein durch den Bypassstrompfad fließender Bypassstrom kleiner ist als ein durch den Hauptstrompfad fließender Hauptstrom, und wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein von dem Bypassstrom induziertes Magnetfeld zu erfassen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Stromschiene entlang dem Bypassstrompfad auf dem Chipträger keinen Übergangswiderstand aufweist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Stromschiene als integrales einstückiges Bauteil gefertigt ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad durch eine in der Stromschiene ausgebildete Öffnung voneinander getrennt sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: ein Verkapselungsmaterial, welches den Magnetfeldsensorchip und die Stromschiene zumindest teilweise verkapselt, wobei der Bypassstrompfad innerhalb des Verkapselungsmaterials verläuft.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Magnetfeldsensorchip über dem Bypassstrompfad angeordnet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen im Wesentlichen senkrecht zu dem Bypassstrompfad verläuft und diesen schneidet.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen im Wesentlichen parallel zu dem Hauptstrompfad verläuft.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Verbindungslinie zwischen den zwei Sensorelementen im Wesentlichen senkrecht zu dem Hauptstrompfad verläuft.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zwei Sensorelemente zwei Hall-Sensorelemente umfassen, wobei der Bypassstrompfad zwischen den zwei Hall-Sensorelementen verläuft.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die zwei Sensorelemente zwei xMR-Sensorelemente umfassen, welche über dem Bypassstrompfad angeordnet sind.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen Schalter, der dazu ausgelegt ist, zwischen einem differentiellen Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips und einem nicht-differentiellen Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips zu schalten, falls die Stärke des von dem Bypassstrom induzierten Magnetfelds einen vorgegebenen Schwellenwert überschreitet.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 12, wobei der nicht-differentielle Messbetrieb des Magnetfeldsensorchips durch eines der zwei Sensorelemente bereitgestellt wird.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest einer von dem ersten und dem zweiten Anschluss des Chipträgers einen Anschlussleiter umfasst, wobei der Anschlussleiter eine Verjüngung aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Sensorvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Ausbilden eines elektrisch leitfähigen Chipträgers, umfassend eine Stromschiene, einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss; und Anordnen eines differentiellen Magnetfeldsensorchips mit zwei Sensorelementen auf dem Chipträger, wobei die Form der Stromschiene so ausgebildet ist, dass ein von dem ersten Anschluss des Chipträgers zu dem zweiten Anschluss des Chipträgers durch die Stromschiene verlaufender Messstrompfad einen Hauptstrompfad und einen Bypassstrompfad umfasst, wobei der Hauptstrompfad und der Bypassstrompfad parallel zueinander verlaufen und ein durch den Bypassstrompfad fließender Bypassstrom kleiner ist als ein durch den Hauptstrompfad fließender Hauptstrom, und wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein von dem Bypassstrom induziertes Magnetfeld zu erfassen.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Stromschiene entlang dem Bypassstrompfad auf dem Chipträger keinen Übergangswiderstand aufweist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, ferner umfassend: Ausbilden des Messstrompfads und des Bypassstrompfads durch Erzeugen einer Öffnung in der Stromschiene.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ferner umfassend: Ausbilden des Messstrompfads und des Bypassstrompfads durch einen Leiterrahmen-Herstellungsprozess.