DE102020215756A1 - electronics module - Google Patents
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Abstract
Das Elektronikmodul umfasst einen mittels mindestens einer oder mehreren Schichten mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer an mindestens einem Substrat gebildeten MEMS-Schalter (60, 70, 80, 90) mit einem Laststrompfad (100) sowie eine mittels mindestens einer oder mehreren Schichten mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern gebildete Hall-Sensor-Einrichtung (120, 180). Bei dem Elektronikmodul ist die Hall-Sensor-Einrichtung (120, 180) zur Erfassung eines durch den Laststrompfad (100) fließenden elektrischen Laststroms (IA) des MEMS-Schalters angeordnet.The electronic module comprises a MEMS switch (60, 70, 80, 90) with a load current path (100) formed by means of at least one or more layers with a thickness of less than 100 micrometers on at least one substrate, and a by means of at least one or more layers with a Hall sensor device (120, 180) formed with a thickness of less than 100 micrometers. The Hall sensor device (120, 180) for detecting an electrical load current (IA) of the MEMS switch flowing through the load current path (100) is arranged in the electronic module.
Description
Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul.The invention relates to an electronic module.
Es ist bekannt, Elektronikmodule mit Stromschaltern auszubilden. Stromschalter stellen regelmäßig einfache Schaltfunktionen bereit.It is known to form electronic modules with power switches. Power switches regularly provide simple switching functions.
Es ist ferner bekannt, Elektronikmodule mit Stromschaltern in Industriesteuereinrichtungen oder Motorstartern einzusetzen.It is also known to use electronic modules with current switches in industrial control devices or motor starters.
Regelmäßig besteht jedoch das Erfordernis, einen Strom, der durch den Stromschalter fließt, überwachen zu können. Dies ist insbesondere zum Schutz des Schalters selbst notwendig. Zudem besteht das Erfordernis, eine Last vor Überstrom zu schützen oder einen Verschleiß des Stromschalters und damit einhergehende erhöhte Übergangswiderstände erkennen zu können.However, there is a regular need to be able to monitor a current flowing through the current switch. This is necessary in particular to protect the switch itself. In addition, there is a need to protect a load from overcurrent or to be able to detect wear on the power switch and the associated increased contact resistance.
Grundsätzlich können solche Funktionalitäten in Industriesteuereinrichtungen oder Motorstartern vorgesehen werden.In principle, such functionalities can be provided in industrial control devices or motor starters.
Jedoch bedeutet dies einen erhöhten Platzbedarf, etwa für Ferrit-Ringkerne für Strommesseinrichtungen oder für Rogowski-Spulen oder Shunts. Zudem treten bei Shunt-Strommessern häufig Widerstandsverluste und parasitäre Induktivitäten auf. Ferner ist es problematisch, dass sich Steuer- und Laststromkreis nicht einfach galvanisch trennen lassen. Zusätzlich bedingen die zusätzlichen Funktionalitäten einen vergrößerten Bauteilbedarf, der die Kosten weiter wachsen lässt.However, this means more space is required, for example for ferrite toroidal cores for current measuring devices or for Rogowski coils or shunts. In addition, resistance losses and parasitic inductances often occur with shunt current meters. Another problem is that the control circuit and the load circuit cannot simply be electrically isolated. In addition, the additional functionalities require an increased component requirement, which causes the costs to continue to rise.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Elektronikmodul bereitzustellen, welches vorzugsweise die vorgenannten Nachteile reduziert und überwindet. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Steuereinrichtung und einen verbesserten Motorstarter anzugeben, der gegenüber dem Stand der Technik, vorzugsweise hinsichtlich der genannten Nachteile, verbessert ist.It is therefore an object of the invention to provide an improved electronics module which preferably reduces and overcomes the aforementioned disadvantages. It is also the object of the invention to specify an improved control device and an improved motor starter which is improved over the prior art, preferably with regard to the disadvantages mentioned.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Elektronikmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Steuereinrichtung und einem Motorstarter mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.This object of the invention is achieved with an electronics module having the features specified in claim 1 and with a control device and a motor starter having the features specified in claim 13 . Preferred developments of the invention are specified in the associated dependent claims, the following description and the drawing.
Das erfindungsgemäße Elektronikmodul umfasst einen mittels mindestens einer Schicht mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern an mindestens einem Substrat gebildeten MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad sowie eine mittels mindestens einer Schicht mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern gebildete Hall-Sensor-Einrichtung. Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul ist die Hall-Sensor-Einrichtung zur Erfassung eines durch den Laststrompfad fließenden elektrischen Stroms des MEMS-Schalters angeordnet.The electronic module according to the invention comprises a MEMS switch with a load current path formed by means of at least one layer with a thickness of less than 100 micrometers on at least one substrate, and a Hall sensor device formed by means of at least one layer with a thickness of less than 100 micrometers. In the electronic module according to the invention, the Hall sensor device is arranged for detecting an electric current of the MEMS switch flowing through the load current path.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Elektronikmodul mit einem Strommesser in Gestalt einer Hall-Sensor-Einrichtung direkt mittels einer Schicht mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern hergestellt werden. Insbesondere kann das Elektronikmodul mit der Hall-Sensor-Einrichtung mittels MEMS-Technologie (MEMS = „Micro-Electro-Mechanical Systems“) hergestellt werden, sodass MEMS-Schalter und Hall-Sensor-Einrichtung integriert mittels derselben Prozesstechnologie und vorzugsweise mit zumindest zum Teil identischen Fertigungsschritten fertigbar sind. Folglich lässt sich das erfindungsgemäße Elektronikmodul mit weniger Prozessschritten fertigen, da Prozessschritte zeitgleich sowohl zur Fertigung des MEMS-Schalters als auch zur Fertigung der Hall-Sensor-Einrichtung unternommen werden können. Das erfindungsgemäße Elektronikmodul ist daher kostengünstiger und schneller herstellbar. Advantageously, the electronic module according to the invention with an ammeter in the form of a Hall sensor device can be produced directly using a layer with a thickness of less than 100 micrometers. In particular, the electronic module with the Hall sensor device using MEMS technology (MEMS = "Micro-Electro-Mechanical Systems") can be manufactured, so that MEMS switch and Hall sensor device are integrated using the same process technology and preferably with at least part identical manufacturing steps are manufacturable. Consequently, the electronic module according to the invention can be manufactured with fewer process steps, since process steps can be undertaken at the same time both for manufacturing the MEMS switch and for manufacturing the Hall sensor device. The electronic module according to the invention can therefore be produced more cost-effectively and quickly.
Mittels der Hall-Sensor-Einrichtung ist ein Magnetfeld eines durch den Laststromkreis fließenden Laststroms aufgrund einer resultierenden Lorenzkraft berührungslos messbar. Aufgrund der Lorenzkraft resultiert eine in an sich bekannter Weise messbare Spannung in Form einer Hallspannung, welche proportional zum Laststrom ist und folglich einen direkten Rückschluss auf die Größe des Laststroms erlaubt.Using the Hall sensor device, a magnetic field of a load current flowing through the load circuit can be measured in a contactless manner on the basis of a resulting Lorenz force. Due to the Lorenz force, a voltage that can be measured in a manner known per se results in the form of a Hall voltage, which is proportional to the load current and consequently allows a direct conclusion to be drawn about the magnitude of the load current.
Zweckmäßig ist in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls der MEMS-Schalter mit einem Biegeelement, vorzugsweise mit einem Biegebalken, ausgebildet. Gerade Biegeelemente wie Biegebalken sind vorteilhaft mittels Schichten mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer fertigbar. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Elektronikmodul daher besonders einfach sowie mit einer verringerten Anzahl von Herstellungsschritten und günstig fertigbar.In a further development of the electronic module according to the invention, the MEMS switch is expediently designed with a flexible element, preferably with a flexible beam. Straight bending elements such as bending beams can advantageously be manufactured using layers with a thickness of less than 100 micrometers. In this development of the invention, the electronic module according to the invention can therefore be manufactured particularly easily and with a reduced number of manufacturing steps and in a cost-effective manner.
Vorteilhaft kann mittels der Hall-Sensor-Einrichtung der Laststrom des MEMS-Schalters galvanisch getrennt gemessen werden. Da erfindungsgemäß die Erfassung des Laststroms mittels des durch den Laststrom bedingten Magnetfelds erfolgt, ist eine elektrisch leitende Anbindung eines Strommessers bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul entbehrlich.The load current of the MEMS switch can advantageously be measured in a galvanically isolated manner by means of the Hall sensor device. Since, according to the invention, the load current is detected by means of the magnetic field caused by the load current, there is no need for an electrically conductive connection of an ammeter in the electronics module according to the invention.
Vorteilhaft kann bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul ein Verschleiß des MEMS-Schalters mittels einer Erhöhung von Widerstandsverlusten und folglich anhand einer damit einhergehenden Stromänderung erkannt werden. Somit ist bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul die Lebensdauer mittels der Hall-Sensor-Einrichtung zuverlässig abschätzbar.In the case of the electronic module according to the invention, wear and tear on the MEMS switch can be advantageous due to an increase in resistance losses and consequently can be recognized on the basis of an associated change in current. Thus, in the case of the electronic module according to the invention, the service life can be reliably estimated by means of the Hall sensor device.
Weiterhin vorteilhaft ist infolge der mittels der gemeinsamen Fertigbarkeit mittels Schichten von weniger als 100 Mikrometern Dicke, vorzugsweise in MEMS-Technologie, das Elektronikmodul räumlich kompakt und günstig herstellbar. Zusätzliche Bauteile müssen bei dem Elektronikmodul gemäß der Erfindung nicht eigens vorgesehen werden.Furthermore, as a result of the joint manufacturability using layers less than 100 micrometers thick, preferably in MEMS technology, the electronic module can advantageously be produced in a spatially compact and economical manner. Additional components do not have to be specifically provided in the electronic module according to the invention.
Vorzugsweise weisen bei dem Elektronikmodul gemäß der Erfindung die mindestens eine oder mehreren Schichten eine Dicke von weniger als 50 Mikrometer auf. Insbesondere in dieser Weiterbildung kann vorteilhaft MEMS-Technologie eingesetzt werden, insbesondere ein Abscheiden dünner Schichten mittels Sputterns oder Bedampfens oder Galvanisierens oder eine Strukturierung von Schichten mit weniger als 50 Mikrometern Dicke mittels Photolithografie.In the electronics module according to the invention, the at least one or more layers preferably have a thickness of less than 50 micrometers. MEMS technology can advantageously be used in particular in this development, in particular a deposition of thin layers by means of sputtering or vapor deposition or electroplating or a structuring of layers with a thickness of less than 50 micrometers by means of photolithography.
Bei dem Elektronikmodul gemäß der Erfindung ist in zweckmäßigen Weiterbildungen die Hall-Sensor-Einrichtung an demjenigen Substrat gebildet, an welchem der MEMS-Schalter gebildet ist, oder das Elektronikmodul weist ein Zusatzsubstrat auf und die Hall-Sensor-Einrichtung ist an dem Zusatzsubstrat gebildet und Hall-Sensor-Einrichtung und MEMS-Schalter sind an einander zugewandten Seiten des Substrats und des Zusatzsubstrats angeordnet. Bei einer gemeinsamen Anordnung an demselben Substrat sind zumindest Teile des MEMS-Schalters und Teile der Hall-Sensor-Einrichtung in ein und demselben Herstellungsschritt parallel fertigbar. Bei einer Anordnung an einander zugewandten Seiten des Substrats und des Zusatzsubstrats hingegen können sich sonst kreuzende Leitungen leicht aneinander vorbei geführt werden. In dieser Weiterbildung sind Leitungskreuzungen folglich leicht vermeidbar.In the electronic module according to the invention, in expedient developments, the Hall sensor device is formed on the substrate on which the MEMS switch is formed, or the electronic module has an additional substrate and the Hall sensor device is formed on the additional substrate and Hall sensor device and MEMS switch are arranged on mutually facing sides of the substrate and the additional substrate. With a common arrangement on the same substrate, at least parts of the MEMS switch and parts of the Hall sensor device can be manufactured in parallel in one and the same manufacturing step. In an arrangement on mutually facing sides of the substrate and the additional substrate, on the other hand, lines that would otherwise cross can easily be routed past one another. In this development line crossings are consequently easily avoidable.
Vorzugsweise umfasst bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul die Hall-Sensor-Einrichtung mindestens ein Hall-Sensor-Element, welches oder welche schräg, vorzugsweise quer, insbesondere senkrecht, zu einem durch einen durch den Laststrompfad fließenden Strom erregten Magnetfeld angeordnet und ausgerichtet ist oder sind. In dieser Orientierung ist das Hall-Sensor-Element besonders sensitiv zur Erregung einer Hall-Spannung und somit besonders sensitiv zur Strommessung angeordnet.In the electronics module according to the invention, the Hall sensor device preferably comprises at least one Hall sensor element, which is or are arranged and aligned obliquely, preferably transversely, in particular perpendicularly, to a magnetic field excited by a current flowing through the load current path. In this orientation, the Hall sensor element is particularly sensitive to the excitation of a Hall voltage and is therefore particularly sensitive to the current measurement.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul ist oder sind das Hall-Sensor-Element und/oder der Laststrompfad mit Halbleitermaterial, insbesondere mit Silizium, und/oder mit einem elektrischen Leiter, vorzugsweise Metall, gebildet.In the electronic module according to the invention, the Hall sensor element and/or the load current path is/are formed with semiconductor material, in particular with silicon, and/or with an electrical conductor, preferably metal.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Elektronikmoduls gemäß der Erfindung ist der Laststrompfad um das Hall-Sensor-Element zumindest teilumfänglich herumgeführt. In dieser Weiterbildung der Erfindung lässt sich infolge der zumindest teilumfänglichen Herumführung des Laststrompfades das Magnetfeld effizient am Ort des Hall-Sensor-Elements konzentrieren, sodass in dieser Anordnung des Laststrompfades und des Hall-Sensor-Elements eine besonders genaue Strommessung möglich ist.In an advantageous development of the electronic module according to the invention, the load current path is routed around the Hall sensor element at least partially. In this development of the invention, the magnetic field can be efficiently concentrated at the location of the Hall sensor element as a result of the at least partial circumferential routing of the load current path, so that a particularly precise current measurement is possible in this arrangement of the load current path and the Hall sensor element.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul weist die Hall-Sensor-Einrichtung vorzugsweise mindestens einen magnetischen Flussdichte-Konzentrator auf, welcher die Flussdichte am Ort des Hall-Sensor-Elements konzentriert. Mittels der Konzentration am Ort des Hall-Sensor-Elements kann bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul eine besonders genaue Strommessung erfolgen.In the electronic module according to the invention, the Hall sensor device preferably has at least one magnetic flux density concentrator, which concentrates the flux density at the location of the Hall sensor element. With the electronic module according to the invention, a particularly precise current measurement can be carried out by means of the concentration at the location of the Hall sensor element.
Bevorzugt umgibt bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul der Flussdichte-Konzentrator den Laststrompfad zumindest teilweise umfänglich. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist das Magnetfeld entlang eines Teils des Umfangs, vorzugsweise entlang eines überwiegenden Teils des Umfangs, konzentriert, sodass die Genauigkeit der Strommessung weiter erhöht ist.In the electronic module according to the invention, the flux density concentrator preferably surrounds the load current path at least partially. In this development of the invention, the magnetic field is concentrated along part of the circumference, preferably along a predominant part of the circumference, so that the accuracy of the current measurement is further increased.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul weist die mindestens eine Schicht in zweckmäßigen Weiterbildungen mindestens eine Sputterschicht und/oder aufgedampfte Schicht und/oder Galvanikschicht und/oder Klebeschicht und/oder Laminatschicht auf.In the case of the electronics module according to the invention, the at least one layer has at least one sputtered layer and/or vapor-deposited layer and/or electroplated layer and/or adhesive layer and/or laminate layer in expedient developments.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul weist die Schicht vorzugsweise Metall, insbesondere Eisen, und/oder Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, und/oder Isoliermaterial, vorzugsweise Glas, auf.In the case of the electronic module according to the invention, the layer preferably has metal, in particular iron, and/or semiconductor material, preferably silicon, and/or insulating material, preferably glass.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist bei dem Elektronikmodul die mindestens eine Schicht mindestens eine strukturierte Schicht, vorzugsweise eines Silicon-on-Insulator-Substrats, auf. Vorteilhaft weisen Silicon-on-Insulator-Substrate bereits Siliziumschichten mit einer Dicke von weniger als 50 Mikrometern auf. In dieser Weiterbildung sind daher Schichten mittels Strukturierung, insbesondere mittels Photolithografie, des Silicon-on-Insulator-Substrats bereitstellbar, sodass das erfindungsgemäße Elektronikmodul besonders leicht, effizient und kostengünstig fertigbar ist.In a preferred development of the invention, the at least one layer in the electronics module has at least one structured layer, preferably a silicon-on-insulator substrate. Advantageously, silicon-on-insulator substrates already have silicon layers with a thickness of less than 50 micrometers. In this development, layers can therefore be provided by means of structuring, in particular by means of photolithography, of the silicon-on-insulator substrate, so that the electronic module according to the invention can be manufactured particularly easily, efficiently and inexpensively.
Bevorzugt weist das Elektronikmodul gemäß der Erfindung eine Auswerteinrichtung zur Auswertung einer Hall-Spannung des Hall-Sensor-Elements, vorzugsweise zur Bestimmung eines Laststromwertes des Laststroms, auf. Auf diese Weise kann das Elektronikmodul die Strommessung des Laststroms ohne das Erfordernis weiterer Bauteile bereitstellen.According to the invention, the electronic module preferably has an evaluation device for evaluating Direction of a Hall voltage of the Hall sensor element, preferably for determining a load current value of the load current. In this way, the electronics module can provide the current measurement of the load current without the need for additional components.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element schematisch in einer Draufsicht, -
3 das erfindungsgemäße Elektronikmodul gemäß1 schematisch im Querschnitt, -
2 ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element, bei welchem der Laststrompfad teilumfänglich um das Hall-Sensor-Element herumgeführt ist, schematisch in einer Draufsicht, -
4 ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator schematisch im Querschnitt, -
5 ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher etwa viertelumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt, -
6 ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher etwa halbumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt, -
7 ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit zwei Hall-Sensor-Elementen und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher etwa halbumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt, -
8 ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit zwei Hall-Sensor-Elementen und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher nahezu vollumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt, -
9 ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit zwei Hall-Sensor-Elementen und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher nahezu vollumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt.
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1 an electronic module according to the invention with a MEMS switch with a load current path and a Hall sensor device with a Hall sensor element schematically in a top view, -
3 the electronic module according to the invention1 schematic in cross section, -
2 a further electronic module according to the invention with a MEMS switch with a load current path and a Hall sensor device with a Hall sensor element, in which the load current path is partially routed around the circumference of the Hall sensor element, schematically in a top view, -
4 another electronic module according to the invention with two substrates with a MEMS switch with a load current path and a Hall sensor device with a Hall sensor element and a magnetic flux density concentrator, schematically in cross section, -
5 a further electronic module according to the invention with two substrates with a MEMS switch with a load current path and a Hall sensor device with a Hall sensor element and a magnetic flux density concentrator, which is routed approximately a quarter of the way around the load current path, schematically in cross section, -
6 a further electronic module according to the invention with two substrates with a MEMS switch with a load current path and a Hall sensor device with a Hall sensor element and a magnetic flux density concentrator, which is routed around half the circumference of the load current path, schematically in cross section, -
7 another electronic module according to the invention with two substrates with a MEMS switch with a load current path and a Hall sensor device with two Hall sensor elements and a magnetic flux density concentrator, which is routed around half the circumference of the load current path, schematically in cross section, -
8th another electronic module according to the invention with two substrates with a MEMS switch with a load current path and a Hall sensor device with two Hall sensor elements and a magnetic flux density concentrator, which is routed almost completely around the load current path, schematically in cross section, -
9 Another electronic module according to the invention with two substrates with a MEMS switch with a load current path and a Hall sensor device with two Hall sensor elements and a magnetic flux density concentrator, which is guided almost completely around the load current path, schematically in cross section.
Das in
Das Elektronikmodul 10 weist einen MEMS-Schalter 15 auf, welcher ein Biegeelement in Form eines Biegebalkens 60 aufweist. Der Biegebalken 60 ist an der Siliziumoberfläche 40 des ersten Substrats 20 angelenkt und weist ein freies Ende auf, das mit einer elektrisch leitfähigen Metallisierung 70 versehen ist und mit dieser Metallisierung 70 in einer Auslenkstellung zwei voneinander beabstandete Schaltkontakte 80, 90 eines Laststrompfades 100 überbrücken kann. Der Biegebalken 60 liegt in seiner Auslenkstellung an den beiden Schaltkontakten 80, 90 mit seiner Metallisierung 70 an, sodass der Biegebalken 60 einen elektrischen Strom schalten kann. Der Biegebalken 10 ist mit einer elektrischen Steuerspannung steuerbar, die den Biegebalken 10 elektrostatisch zur Auslenkung in die Auslenkstellung kraftbeaufschlagt. Die Steuerspannung wird mittels zweier Elektroden G+, G- angelegt, wobei eine Elektrode G+ mit dem Biegebalken 60 und eine Elektrode G- mit demjenigen Substrat, an welchem der Biegebalken 10 angelenkt ist, kontaktiert ist. Auf diese Weise ist mittels Beaufschlagung der Elektroden G+, G- der Biegebalken 60 in seine Auslenkstellung bewegbar. Der MEMS-Schalter 15 umfasst folglich den Biegebalken 60 mit der Metallisierung 70, die Schaltkontakte 80, 90 sowie die Elektroden G+, G-.The
Die Schaltkontakte 80, 90 sind in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Biegebalkens 60 und parallel zur Siliziumoberfläche 40 beabstandet. Der Laststrompfad 100 ist mit elektrisch leitenden Metallbahnen S, D gebildet, welche mit den Schaltkontakten 80, 90 elektrisch leitend verbunden sind und welche sich in Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Biegebalkens 60 und parallel zur Siliziumoberfläche 40 fort erstrecken. Zudem umfasst der Laststrompfad 100 die Schaltkontakte selbst sowie die Metallisierung 70 des freien Endes des Biegebalkens 60. Ein Laststrom IA fließt nun von einer D der Metallbahnen S, D über die Schaltkontakte 80, 90 und die Metallisierung 70 des freien Endes des Biegebalkens 60 zur anderen S der Metallbahnen S, D.The switching contacts 80, 90 are spaced apart in a direction perpendicular to the longitudinal extension of the
Wenn der Laststrom IA von einer D der Metallbahnen S, D zur weiteren S der Metallbahnen S, D fließt, so bildet sich um die Metallbahnen S, D, in
Das Elektronikmodul 10 umfasst auf einer zur Siliziumoberfläche 40 parallelen Oberfläche des ersten Substrats 20 zudem ein Hall-Sensor-Element, welches als quadratische Siliziumsensorschicht 110 auf dem ersten Substrat 20 realisiert ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Siliziumsensorschicht 120 mittels Freistellens einer Siliziumdeckschicht 130 des ersten Substrats 20 realisiert, welches ein Silicon-on-Insulator-Substrat 135 bildet. Das Silicon-on-Insulator-Substrat 135 besteht aus einem Siliziumsubstrat 140 mit einer Dicke von mehreren 100 Mikrometern sowie einer darauf flächig aufgetragenen Glasschicht 150 mit einer Dicke von weniger als 20 Mikrometern, im dargestellten Ausführungsbeispiel von etwa 10 Mikrometern, und der darauf abgeschiedenen Siliziumdeckschicht 130 mit einer Dicke von weniger als 50 Mikrometern, im dargestellten Ausführungsbeispiel von 20 Mikrometern.The
Aus der Siliziumdeckschicht 130 ist die quadratische Siliziumsensorschicht 120 mittels Photolithografie derart freigestellt, dass ein quadratischer Rahmen um die quadratische Siliziumsensorschicht 120 von der Oberfläche der Siliziumdeckschicht 130 bis hin zur Glasschicht 150 des Silicon-on-Insulator-Substrats entfernt ist. D. h. die quadratische Siliziumsensorschicht 120 ist mittels eines diese umgebenden quadratischen Grabens 170 von der übrigen Siliziumdeckschicht getrennt. Die quadratische Siliziumsensorschicht 120 ist nun mittels angeschichteter Leiterbahnen 180 elektrisch kontaktiert, wobei die Leiterbahnen 180 an der Oberfläche der Siliziumdeckschicht 130 und an den Oberflächen des Grabens 170 entlang senkrecht zum Verlauf des Grabens 170 auf die Siliziumsensorschicht 120 zu führen und auf der Oberfläche der Siliziumsensorschicht 120 enden.The square
Auch der Biegebalken 60 ist mittels Freistellens eines Teils der Siliziumdeckschicht 130 gebildet. Dabei wird ein Teil der Siliziumdeckschicht 130 freigestellt, indem ein daran angrenzender Teil der Siliziumdeckschicht 130 sowie ein Teil der Glasschicht 150 entfernt wird, sodass der freigestellte Teil der Siliziumdeckschicht 130 ein freies Ende bildet. Alternativ können in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen die Siliziumsensorschicht 120 und der Biegebalken 60 als Sputterschicht oder als Aufdampfschicht oder als Klebeschicht oder als Laminatschicht aufgebracht sein.The
Die Leiterbahnen 180 und die Metallbahnen S, D sind jeweils als aufgedampfte Schicht aufgebracht. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen können die Leiterbahnen 180 und die Metallbahnen S, D auch als Galvanikschicht und/oder Klebeschicht und/oder Laminatschicht aufgebracht sein. Die Leiterbahnen 180 und die Metallbahnen S, D und der Biegebalken 60 sowie die Siliziumsensorschicht 120 weisen jeweils in Richtung senkrecht zur Glasoberfläche 50 oder zur Siliziumoberfläche 40 eine Dicke von weniger als 50 Mikrometern, im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine Dicke von höchstens 20 Mikrometern, auf. Die Leiterbahnen 180 weisen eine Dicke von 5 Mikrometern, der Laststrompfad und die Siliziumsensorschicht 120 sowie der Biegebalken 60 weisen jeweils eine Dicke von 20 Mikrometern auf.The conductor tracks 180 and the metal tracks S, D are each applied as a vapor-deposited layer. In further exemplary embodiments that are not specifically illustrated, the conductor tracks 180 and the metal tracks S, D can also be applied as an electroplated layer and/or adhesive layer and/or laminate layer. The conductor tracks 180 and the metal tracks S, D and the
Zwei der Leiterbahnen 180 führen jeweils in Richtung einer von zwei zueinander parallelen Seiten der quadratischen Siliziumsensorschicht 120 auf dieses zu und dienen zur Beaufschlagung mit Versorgungsspannungen UB+, UB-. Zwei weitere der Leiterbahnen 180 führen jeweils in Richtung einer der übrigen Seiten der quadratischen Siliziumsensorschicht 120 auf diese zu und fungieren als Signalspannungskontakte zur Erfassung der Hallspannungen UH+, UH-.Two of the conductor tracks 180 each lead towards one of two mutually parallel sides of the square
Die Magnetfeldlinien 110 infolge des Laststroms IA durch den Laststrompfad 100 durchsetzen wie in
Im in
Das in
Das in
Das in
Das in
Im in
In dem in
Ein nicht eigens in der Zeichnung dargestelltes erfindungsgemäßes Steuergerät weist ein oder mehrere erfindungsgemäße Elektronikmodule 10 wie vorhergehend beschrieben auf. Ein nicht eigens dargestellter erfindungsgemäßer Motorstarter weist ein oder mehrere erfindungsgemäße Elektronikmodule 10 wie vorhergehend beschrieben auf.A control unit according to the invention, not specifically shown in the drawing, has one or more
Claims (13)
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