DE102021114943A1

DE102021114943A1 - Sensorvorrichtungen mit Weichmagneten und zugehörige Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102021114943A1
Application number: DE102021114943.6A
Authority: DE
Inventors: Rainer Markus Schaller; Volker Strutz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2021-06-10
Filing date: 2021-06-10
Publication date: 2022-12-15
Also published as: US11726148B2; US20220397617A1

Abstract

Eine Sensorvorrichtung umfasst einen Stromleiter, welcher dazu ausgelegt ist, einen Messstrom zu führen und einen Magnetfeldsensorchip mit einem Sensorelement, wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erfassen. Die Sensorvorrichtung umfasst ferner ein Verkapselungsmaterial, wobei der Magnetfeldsensorchip durch das Verkapselungsmaterial verkapselt ist und einen an dem Verkapselungsmaterial befestigten Weichmagneten, welcher dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu konzentrieren. Der Magnetfeldsensorchip und der Weichmagnet sind durch das Verkapselungsmaterial galvanisch voneinander getrennt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Sensorvorrichtungen mit Weichmagneten und zugehörige Herstellungsverfahren.
Hintergrund
In Sensorvorrichtungen können Sensorchips dazu ausgelegt sein, die von einem durch einen Stromleiter fließenden elektrischen Strom induzierten Magnetfelder zu erfassen. In diesem Zusammenhang verwendete Messkonzepte können einen Magnetkern verwenden oder nicht. Bei kernbasierten Messkonzepten kann der Sensorchip relativ flexibel platziert werden. Allerdings können kernbasierte Lösungen auch einige Nachteile mit sich bringen, wie zum Beispiel Hysterese-Effekte oder kostenintensive Gehäuse. Hersteller von Sensorvorrichtungen sind ständig bestrebt, ihre Produkte und zugehörige Herstellungsverfahren zu verbessern. Insbesondere kann es wünschenswert sein, Sensorvorrichtungen bereitzustellen, welche genaue Messungen liefern und gleichzeitig kostengünstig zu implementieren sind.
Kurzdarstellung
Verschiedene Aspekte betreffen eine Sensorvorrichtung. Die Sensorvorrichtung umfasst einen Stromleiter, welcher dazu ausgelegt ist, einen Messstrom zu führen. Die Sensorvorrichtung umfasst ferner einen Magnetfeldsensorchip mit einem Sensorelement, wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erfassen. Die Sensorvorrichtung umfasst ferner ein Verkapselungsmaterial, wobei der Magnetfeldsensorchip durch das Verkapselungsmaterial verkapselt ist. Die Sensorvorrichtung umfasst ferner einen an dem Verkapselungsmaterial befestigten Weichmagneten, welcher dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu konzentrieren. Der Magnetfeldsensorchip und der Weichmagnet sind durch das Verkapselungsmaterial galvanisch voneinander getrennt.
Verschiedene Aspekte betreffen ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen eines Stromleiters, welcher dazu ausgelegt ist, einen Messstrom zu führen. Das Verfahren umfasst ferner ein Bereitstellen eines Magnetfeldsensorchips mit einem Sensorelement, wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erfassen. Das Verfahren umfasst ferner ein Verkapseln des Magnetfeldsensorchips durch ein Verkapselungsmaterial. Das Verfahren umfasst ferner ein Fertigen und Befestigen eines Weichmagneten an dem Verkapselungsmaterial, wobei der Weichmagnet dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu konzentrieren. Der Magnetfeldsensorchip und der Weichmagnet sind durch das Verkapselungsmaterial galvanisch voneinander getrennt.
Figurenliste
Sensorvorrichtungen und Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß der Offenbarung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Identische Bezugszeichen können identische Komponenten bezeichnen.

1A zeigt eine Sensorvorrichtung 100A, welche auf einem kernbasierten Open-Loop-Messkonzept basiert.
1B zeigt eine Sensorvorrichtung 100B, welche auf einem kernbasierten Closed-Loop-Messkonzept basiert.
2 enthält die 2A und 2B, welche eine Querschnittseitenansicht und eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 200 gemäß der Offenbarung zeigen.
3 zeigt eine Querschnittseitenansicht einer Sensorvorrichtung 300 gemäß der Offenbarung.
4 zeigt eine Querschnittseitenansicht einer Sensorvorrichtung 400 gemäß der Offenbarung.
5 zeigt eine Querschnittseitenansicht einer Sensorvorrichtung 500 gemäß der Offenbarung.
6 zeigt eine Querschnittseitenansicht einer Sensorvorrichtung 600 gemäß der Offenbarung.
7 zeigt eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 700 gemäß der Offenbarung.
8 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung einer Sensorvorrichtung gemäß der Offenbarung.

Detaillierte Beschreibung
Die Sensorvorrichtung 100A der 1A kann auf einem kernbasierten Open-Loop-Messkonzept basieren. Die Sensorvorrichtung 100A kann einen Stromleiter bzw. eine Stromschiene 2, einen Magnetflusskonzentrator bzw. einen Magnetkern 4 und einen Magnetfeldsensorchip 6 aufweisen. Der Stromleiter 2 kann dazu ausgelegt sein, einen Messstrom I_mess zu führen, dessen Stärke durch die Sensorvorrichtung 100A bestimmt werden soll. Im Beispiel der 1A kann der Magnetflusskonzentrator 4 ringförmig ausgebildet sein, und der Stromleiter 2 kann sich durch die Öffnung des Ringkerns erstrecken. Der ringförmige Verlauf des Magnetflusskonzentrators 4 kann an einer Stelle unterbrochen sein und einen Spalt ausbilden. In diesem Spalt kann der Magnetfeldsensorchip 6 angeordnet sein.
Durch den Messstrom I_mess kann ein Magnetfeld um den Stromleiter 2 erzeugt werden. Die Feldlinien des in dem Magnetflusskonzentrator 4 erzeugten Magnetfelds sind in der 1A durch kreisförmige gestrichelte Pfeile angedeutet. Der Magnetfeldsensorchip 6 kann mindestens ein Sensorelement (nicht gezeigt) aufweisen und dazu ausgelegt sein, das Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erfassen. Der Magnetflusskonzentrator 4 kann dazu ausgelegt sein, das von dem Stromleiter 2 erzeugte Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu konzentrieren. Das erfasste Magnetfeld kann von dem Magnetfeldsensorchip 6 in ein Messsignal bzw. eine Messspannung umgesetzt werden. Das Messsignal kann proportional zum Messstrom I_mess sein. Aus der Stärke des Messsignals kann auf die Stärke des Messstroms I_mess geschlossen werden.
Die Sensorvorrichtung 100B der 1B kann auf einem kernbasierten Closed-Loop-Messkonzept basieren. Die Sensorvorrichtung 100B kann der Sensorvorrichtung 100A der 1A teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten aufweisen. Im Gegensatz zur 1A kann die Sensorvorrichtung 100B eine insbesondere mehrfach um den Magnetflusskonzentrator 4 gewickelte Kompensationsspule 8 aufweisen. Die Kompensationsspule 8 kann dazu ausgelegt sein, einen Kompensationsstrom I_komp zu führen. Die Stärke des Kompensationsstroms I_komp kann aktiv gesteuert werden, um ein Magnetfeld zu erzeugen, welches dem vom Messstrom I_mess erzeugten Magnetfeld entgegengesetzt ist. Die Stärke des Kompensationsstroms I_komp kann proportional zur Stärke des Messstroms I_mess sein, so dass aus der Stärke des Kompensationsstroms I_komp auf die Stärke des Messstroms I_mess geschlossen werden kann.
Die 2A und 2B zeigen eine Querschnittseitenansicht bzw. eine Draufsicht einer Sensorvorrichtung 200 gemäß der Offenbarung. Die Sensorvorrichtung 200 kann den zuvor beschriebenen Sensorvorrichtungen ähnlich sein und ähnliche Komponenten und Eigenschaften aufweisen. Die Sensorvorrichtung 200 kann einen elektrisch leitfähigen Chipträger 10 mit einem Stromleiter 2 in Form einer Stromschiene und mehreren Anschlussleitern 12 aufweisen. Der Stromleiter 2 kann einen oder mehrere erste Anschlüsse 14 sowie einen oder mehrere zweite Anschlüsse 16 aufweisen, bei denen ein elektrischer Messstrom in den Stromleiter 2 eingespeist und ausgegeben werden kann. Auf dem Chipträger 10 kann ein Magnetfeldsensorchip 6 mit zumindest einem Sensorelement 18 angeordnet sein. Der Magnetfeldsensorchip 6 bzw. sein Sensorelement 18 können dazu ausgelegt sein, Magnetfelder zu erfassen. Die Komponenten der Sensorvorrichtung 200 können zumindest teilweise von einem Verkapselungsmaterial 20 verkapselt sein. An dem Verkapselungsmaterial 20 kann ein Weichmagnet 22 befestigt sein.
Bei dem Magnetfeldsensorchip 6 kann es sich um einen integrierten Schaltkreis handeln, so dass auch von einem Magnetfeldsensor-IC die Rede sein kann. Im Beispiel der 2 kann der Magnetfeldsensorchip 6 insbesondere ein Hall-Sensor bzw. ein Hall-IC sein. In weiteren Beispielen kann der Magnetfeldsensorchip 6 ein xMR-Sensor sein, insbesondere ein AMR-Sensor, ein GMR-Sensor oder ein TMR-Sensor. Im Falle eines Hall-Sensors kann es sich bei dem Sensorelement 18 um ein Hall-Element bzw. ein Hall-Sensorelement handeln, welches in den Schaltkreis integriert sein kann. In dem Hall-IC kann ferner eine Signalverstärkung, eine Analog-Digital-Umsetzung, eine digitale Signalverarbeitung und/oder eine Offset- und Temperaturkompensation erfolgen. Neben den Hall-Platten können die Komponenten für die Signalverstärkung und/oder die Analog-Digital-Umsetzung als Teil des Sensorelements 18 betrachtet werden oder nicht.
Das Sensorelement 18 kann insbesondere dazu ausgelegt sein, eine absolute Magnetfeldstärke eines Magnetfelds am Ort des Sensorelements 18 zu erfassen. Dabei kann das Sensorelement 18 sowohl den Betrag des erfassten Magnetfelds als auch das Vorzeichen, d.h. die Richtung, des Magnetfelds erfassen. Das Erfassen der absoluten Magnetfeldstärke kann in zumindest einer Sensitivitätsrichtung oder in einer Sensitivitätsebene des Sensorelements 18 erfolgen. Beispielsweise kann das Sensorelement 18 in der 2A in einer senkrechten Richtung bzw. in einer Richtung senkrecht zur Oberseite des Magnetfeldsensorchips 6 sensitiv sein.
Bei dem Chipträger 10 kann es sich beispielsweise um einen Leiterrahmen (Leadframe) handeln, welcher die Stromschiene 2 und die Anschlussleiter 12 ausbildet. Der Leiterrahmen kann zum Beispiel aus Kupfer, Nickel, Aluminium oder Edelstahl gefertigt sein. Der Magnetfeldsensorchip 6 kann über ein oder mehrere elektrische Verbindungselemente 24 mit den Anschlussleitern 12 elektrisch verbunden sein. Die Anschlussleiter 12 können somit auch als Sensoranschlüsse oder Sensorpins bezeichnet werden. In der 2B sind beispielhaft vier elektrische Verbindungselemente 24 in Form von Bonddrähten gezeigt. In weiteren Beispielen können die elektrischen Verbindungselemente 24 anders ausgeführt sein, zum Beispiel als Clips oder Bänder, und ihre Anzahl kann vom Beispiel der 2B abweichen.
Eine oder mehrere der Vorrichtungskomponenten können in das Verkapselungsmaterial 20 eingebettet und dadurch vor äußeren Einflüssen, wie Schmutz oder Feuchtigkeit, geschützt sein. Mit anderen Worten kann das Verkapselungsmaterial 20 ein Gehäuse für die Komponenten der Sensorvorrichtung 200 ausbilden, so dass die Sensorvorrichtung 200 auch als Sensorpackage bezeichnet werden kann. Im Beispiel der 2 können insbesondere der Stromleiter 2 und der Magnetfeldsensorchip 6 durch das Verkapselungsmaterial 20 verkapselt sein. Der Magnetfeldsensorchip 6 und das Sensorelement 18 können durch das Verkapselungsmaterial 20 von dem Stromleiter 2 und dem Weichmagnet 22 galvanisch getrennt sein.
Das Verkapselungsmaterial 20 kann beispielsweise aus einem Laminat, einem Epoxidharz, einem Thermoplast, einem wärmehärtenden Polymer, usw. gefertigt sein. Im Beispiel der 2 kann das Verkapselungsmaterial 20 insbesondere durch einen Molding-Prozess gefertigt sein. Die Anschlussleiter 12 und die Anschlüsse 14, 16 können von dem Verkapselungsmaterial 20 zumindest teilweise unbedeckt sein. Somit können der Stromleiter 2 und der Magnetfeldsensorchip 6 von außerhalb des Verkapselungsmaterials 20 elektrisch kontaktiert werden. Die Sensorvorrichtung 200 kann mit den Anschlussleitern 12 und den Anschlüsse 14, 16 beispielsweise auf einer Platine (nicht gezeigt) montiert und mit dieser elektrisch verbunden werden.
Der Weichmagnet 22 kann ein polymerbasiertes Material und darin eingebettete weichmagnetische Füllstoffteilchen aufweisen. Das polymerbasierte Material kann elektrisch isolierend sein. Bei dem polymerbasierten Material kann es sich beispielsweise um eines oder mehreres von einem Polymerharz, einem Epoxid, einem duroplastischen Material, einem thermoplastischen Material, usw. handeln. Bei den weichmagnetischen Füllstoffteilchen kann es sich um eines oder mehreres von Nickel(Ni)-Teilchen, Eisen(Fe)-Teilchen, Eisen-Nickel(FeNi)-Teilchen, Eisen-Silizium(FeSi)-Teilchen, Eisen-Silizium-Bor(FeSiB)-Teilchen, Eisen-Kobalt(FeCo)-Teilchen, Mu-MetallTeilchen, usw. handeln. Die weichmagnetischen Füllstoffteilchen können dazu ausgelegt sein, in einem Magnetfeld magnetisiert zu werden, müssen aber nicht notwendigerweise magnetisiert bleiben, wenn das Magnetfeld entfernt wird.
Der Weichmagnet 22 kann auf unterschiedliche Weisen gefertigt und an dem Verkapselungsmaterial 20 befestigt werden. In einem Beispiel kann der Weichmagnet 22 durch ein adhäsives Material, wie zum Beispiel einen Kleber, an dem Verkapselungsmaterial 20 befestigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Weichmagnet 22 in einem weiteren Beispiel durch einen Molding-Prozess gefertigt werden. Der Molding-Prozess kann hierbei eines oder mehreres von Folgendem aufweisen: Spritzgießen (Injection Molding) eines thermoplastischen Materials, Formpressen (Compression Molding) eines thermoplastischen Materials, Spritzpressen (Transfer Molding) eines duroplastischen Materials, usw. In einem Beispiel kann zunächst das Verkapselungsmaterial 20 durch einen ersten Molding-Prozess gefertigt und danach der Weichmagnet 22 durch einen zweiten Molding-Prozess über dem Verkapselungsmaterial 20 ausgebildet werden.
Aus den verschiedenen Ansichten der 2 ist ersichtlich, dass der Weichmagnet 22 im gezeigten Beispiel u-förmig über drei Seiten des Verkapselungsmaterials 20 ausgebildet sein kann. Hierbei kann der Weichmagnet 22 die Form eines um das Verkapselungsmaterial 20 angeordneten Clips aufweisen. In weiteren Beispielen kann der Weichmagnet 22 auch über mehr als drei Seiten des Verkapselungsmaterials 20 ausgebildet sein.
Ein Betrieb der Sensorvorrichtung 200 kann auf einem kernbasierten Open-Loop-Messkonzept basieren, wie es im Zusammenhang mit der 1A beschrieben ist. Der Weichmagnet 22 kann dabei die Funktion des Magnetflusskonzentrators 4 in der 1A aufweisen. Im Betrieb der Sensorvorrichtung 200 kann ein Messstrom bei dem ersten Anschluss 14 in die Stromschiene 2 eingespeist werden. Der Messstrom kann durch die Stromschiene 2 fließen und bei dem zweiten Anschluss 16 die Stromschiene 2 verlassen. Durch den Messstrom kann ein Magnetfeld erzeugt werden, welches durch den Magnetfeldsensorchip 6 am Ort des Sensorelements 18 erfasst werden kann. Aus der Stärke des von dem Magnetfeldsensorchip 6 ausgegebenen Messsignals kann auf die Stärke des Messstroms geschlossen werden. Der Weichmagnet 22 kann dazu ausgelegt sein, dass von dem Messstrom erzeugte Magnetfeld zu homogenisieren und am Ort des Sensorelements 18 zu konzentrieren.
Durch die Sensorvorrichtung 200 können unter anderem die folgenden technischen Effekte bereitgestellt werden. Gleiches kann auch für alle weiteren hierin beschriebenen Sensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung gelten.
Der Weichmagnet 22 kann in der Sensorvorrichtung 200 als Magnetflusskonzentrator wirken. Eine Wirkung des Weichmagneten 22 auf das von dem Messstrom erzeugte Magnetfeld ist in der 2A durch verformte gestrichelte Magnetfeldlinien angedeutet. Durch den Weichmagneten 22 kann das von dem Messstrom erzeugte Magnetfeld am Ort des Sensorelements 18 und seiner näheren Umgebung homogenisiert werden. Ferner können durch den Weichmagneten 22 unerwünschte magnetische Streufelder am Ort des Sensorelements 18 und seiner näheren Umgebung unterdrückt werden. Durch die beschriebenen Wirkungsweisen des Weichmagneten 22 kann eine höhere Messgenauigkeit der Sensorvorrichtung 200 bereitgestellt werden.
Differentielle Magnetfeldmessungen können dazu verwendet werden, um unerwünschte Einflüsse magnetischer Streufelder auf die Messung zu vermeiden. Bei einer differentiellen Magnetfeldmessung können entgegengesetzt orientierte Magnetfelder an den Orten der Sensorelemente eines verwendeten differentiellen Magnetfeldsensorchips vorausgesetzt werden. Hierdurch können sich geometrische Einschränkungen unter anderem bei der relativen Anordnung des Magnetfeldsensorchips und Stromleiters ergeben. Da durch den Weichmagneten 22 ein Einfluss unerwünschter magnetischer Streufelder bereits wirksam unterdrückt werden kann, kann in der Sensorvorrichtung 200 auf eine differentielle Magnetfeldmessung verzichtet werden. Stattdessen kann das Sensorelement 18 des Magnetfeldsensorchips 6 dazu ausgelegt sein, eine absolute Magnetfeldstärke zu erfassen. Das Design der Sensorvorrichtung 200 muss also nicht notwendigerweise durch die geometrischen Bedingungen einer differentiellen Magnetfeldmessung eingeschränkt sein.
In der Sensorvorrichtung 200 können der Stromleiter 2 und der Magnetfeldsensorchip 6 mit dem Sensorelement 18 durch das zwischen ihnen angeordnete Verkapselungsmaterial 20 galvanisch voneinander getrennt sein. Durch das Verkapselungsmaterial 20 kann somit eine DTI (Distance Through Insulation) erhöht werden. Durch die bereitgestellte galvanische Trennung kann ein Abstand zwischen dem Sensorelement 18 und dem Stromleiter 2 verringert und das magnetische Signal am Ort des Sensorelements 18 optimiert werden. Hierdurch kann eine höhere Messgenauigkeit der Sensorvorrichtung 200 bereitgestellt werden.
In der Sensorvorrichtung 200 kann der Stromleiter 2 im Wesentlichen geradlinig mit einem niedrigen ohmschen Widerstand ausgebildet sein. Hierdurch kann eine hohe Stromtragfähigkeit des Stromleiters 2 bereitgestellt werden.
Die Sensorvorrichtung 300 der 3 kann der Sensorvorrichtung 200 der 2 zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten und Eigenschaften aufweisen. Im Gegensatz zur 2 kann der Weichmagnet 22 der Sensorvorrichtung 300 über einer einzelnen Seite des Verkapselungsmaterials 20 ausgebildet sein. In der 3 ist der Weichmagnet 22 beispielhaft über der Oberseite des Verkapselungsmaterials 20 angeordnet. In weiteren Beispielen kann der Weichmagnet 22 über einer anderen Seite des Verkapselungsmaterials 20 angeordnet sein, zum Beispiel über der Unterseite des Verkapselungsmaterials 20. Aus dem ähnlichen Verlauf der gestrichelten Magnetfeldlinien in den 2A und 3 geht hervor, dass der Weichmagnet 22 in beiden Beispielen eine ähnliche Wirkung auf das Magnetfeld haben kann.
Die Sensorvorrichtung 400 der 4 kann den Sensorvorrichtungen vorhergehender Figuren zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten und Eigenschaften aufweisen. In der 4 kann der Stromleiter 2 durch den Weichmagneten 22 verkapselt sein. Im Vergleich zur 2 kann der Weichmagnet 22 in der 4 größere Abmessungen und das Verkapselungsmaterial 20 kleinere Abmessungen aufweisen. Analog zur 2 kann der Weichmagnet 22 in der 4 u-förmig über drei Seiten des Verkapselungsmaterials 20 ausgebildet sein.
Die Sensorvorrichtung 500 der 5 kann den Sensorvorrichtungen vorhergehender Figuren zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten und Eigenschaften aufweisen. Im Beispiel der 5 kann die Funktion des Verkapselungsmaterials 20 vorhergehender Figuren durch eine auf dem Magnetfeldsensorchip 6 ausgebildete konforme polymerbasierte Beschichtung 26 bereitgestellt werden. Die Beschichtung 26 kann zudem über dem Stromleiter 2, den elektrischen Verbindungselementen 24 und/oder den Anschlussleitern 12 angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Beschichtung 26 Komponenten der Sensorvorrichtung 500 zumindest teilweise verkapseln. Die Beschichtung 26 kann insbesondere eine im Zusammenhang mit den vorhergehenden Figuren beschriebene elektrische Isolierung bereitstellen. In einem Beispiel kann die konforme polymerbasierte Beschichtung 26 Parylen umfassen. Eine Dicke der Beschichtung 26 kann an allen Stellen im Wesentlichen gleich sein. Die Dicke der Beschichtung 26 kann in einem Bereich von etwa 10 Nanometer bis etwa 500 Mikrometer, oder von etwa 100 Nanometer bis etwa 100 Mikrometer, oder von etwa 1 Mikrometer bis etwa 30 Mikrometer liegen.
Die konforme polymerbasierte Beschichtung 26 kann auf jede geeignete Weise gefertigt werden. In einem Beispiel kann das polymerbasierte Material der Beschichtung 26 aus der Gasphase abgeschieden werden. Bei der Herstellung der Sensorvorrichtung 500 können vor dem Fertigen des Weichmagneten 22 zunächst alle Komponenten mit dem polymerbasierten Material beschichtet werden. Danach kann der Weichmagnet 22 beispielsweise durch einen Molding-Prozess ausgebildet werden. Nach dem Molding-Prozess kann die Beschichtung 26 von den aus dem Weichmagneten 22 herausstehenden Anschlussleitern 12 und Anschlüssen 14, 16 entfernt werden.
Die Sensorvorrichtung 600 der 6 kann der Sensorvorrichtung 200 der 2 zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten und Eigenschaften aufweisen. Ein Betrieb der Sensorvorrichtung 600 kann auf einem kernbasierten Closed-Loop-Messkonzept basieren, wie es in der 1B beschrieben ist. In diesem Zusammenhang kann die Sensorvorrichtung 600 im Vergleich zur 2 zusätzlich eine um das Sensorelement 18 ausgebildete Spule bzw. Kompensationsspule 8 aufweisen. Die Spule 8 der 6 kann die Funktion der Kompensationsspule 8 der 1B aufweisen und dazu ausgelegt sein, einen Kompensationsstrom zu führen. Das durch den Kompensationsstrom induzierte Magnetfeld kann das durch den Messstrom induzierte Magnetfeld am Ort des Sensorelements 18 kompensieren. Um dies zu erreichen, kann der Kompensationsstrom durch die Sensorvorrichtung 600 auf geeignete Weise gesteuert bzw. nachgeregelt werden. Die Steuerung des Kompensationsstroms kann beispielsweise durch eine ASIC-Schaltung durchgeführt werden, welche in den Magnetfeldsensorchip 6 integriert oder in einem separaten Chip (nicht gezeigt) ausgeführt sein kann. Der Kompensationsstrom kann proportional zu dem Messstrom sein und die Sensorvorrichtung 600 kann dazu ausgelegt sein, den Messstrom basierend auf dem Kompensationsstrom zu bestimmen.
Die Spule 8 kann aus einem nicht-magnetischem oder nur schwach magnetischen Material gefertigt sein. Beispielsweise kann die Spule aus Kupfer und/oder Aluminium hergestellt sein. Im Beispiel der 6 kann das Sensorelement 18 auf einer dem Chipträger 10 abgewandten Oberfläche des Magnetfeldsensorchips 6 angeordnet sein. Dementsprechend kann auch die Spule 8 bei der Oberseite des Magnetfeldsensorchips 6 ausgebildet sein. Die Spule 8 kann zum Beispiel in einer bei einer Oberfläche des Magnetfeldsensorchips 6 angeordneten Metallisierungsschicht ausgebildet sein. Bei der Metallisierungsschicht kann es sich beispielsweise um eine Umverdrahtungsschicht des Magnetfeldsensorchips 6 handeln.
In einem weiteren Beispiel können das Sensorelement 18 und die Spule 8 bei der dem elektrisch leitfähigen Chipträger 10 zugewandten Unterseite des Magnetfeldsensorchips 6 angeordnet sein. Auch in diesem Fall kann die Spule 8 beispielsweise in einer Metallisierungsschicht des Magnetfeldsensorchips 6 ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Spule 8 in dem elektrisch leitfähigen Chipträger 10 ausgebildet sein, beispielsweise mittels einem oder mehreren von: mechanisches Sägen, Anwenden eines Laserstrahls, Schneiden, Stanzen, Fräsen, Ätzen, usw. Der Chipträger 10 kann dabei aus einem nicht-magnetischen oder nur schwach magnetischen Material gefertigt sein und zum Beispiel einem Leiterrahmen entsprechen.
Die Sensorvorrichtung 700 der 7 kann der Sensorvorrichtung 600 der 6 zumindest teilweise ähnlich sein und ähnliche Komponenten und Eigenschaften aufweisen. Die 7 kann insbesondere einem Ausschnitt einer Draufsicht der Sensorvorrichtung 600 der 6 entsprechen. Die 7 zeigt eine um ein Sensorelement 18 ausgebildete Spule 8, an die eine Kompensationsspannung V_komp angelegt werden kann und die dazu ausgelegt sein kann, einen Kompensationsstrom I_komp zu führen. Durch den Kompensationsstrom I_komp kann ein Kompensationsmagnetfeld B_komp erzeugt werden.
Die Summe aus dem Kompensationsmagnetfeld B_komp und dem durch den Messstrom I_mess erzeugten Magnetfeld B_mess ergibt ein resultierendes Magnetfeld B_res. Die an die Spule 8 angelegte Spannung V_komp kann so eingestellt werden, dass das resultierende Magnetfeld B_res Null wird, d.h. die Gleichung $B_{res} = B_{komp} + B_{mess} = 0$
erfüllt ist. Aus der Gleichung (1) ergibt sich die Bedingung $B_{komp} = - B_{mess} .$

Da B_komp ~ I_komp gelten kann, ergibt sich folgende Relation, aus der auf den Messstrom geschlossen werden kann: $I_{komp} \sim - B_{mess} \sim I_{mess} .$
Im Beispiel der 7 kann die Spule 8 im Wesentlichen rechteckig ausgebildet sein. In weiteren Beispielen kann die Spule 8 eine andere um das Sensorelement 18 verlaufende Form aufweisen und beispielsweise kreisförmig oder ellipsenförmig ausgebildet sein. Im Beispiel der 7 kann die Spule 8 eine einzelne Windung aufweisen. In weiteren Beispielen kann die Spule 8 eine Vielzahl von Windungen aufweisen. Die Anzahl der Windungen der Spule 8 kann zum Beispiel einen beliebigen Wert von 1 bis 10 annehmen. Auch eine halbzahlige Anzahl von Windungen ist möglich.
Die in den Sensorvorrichtungen 600 und 700 der 6 und 7 verwendete Spule 8 kann optional auch in allen anderen der zuvor beschriebenen Sensorvorrichtungen gemäß der Offenbarung verwendet werden. Durch eine Verwendung der Spule 8 können Hysterese-Effekte verhindert werden und eine höhere Messgenauigkeit der jeweiligen Sensorvorrichtung gemäß der Offenbarung bereitgestellt werden.
Die in den vorhergehenden Beispielen beschriebenen Sensorvorrichtungen können weitere technische Merkmale aufweisen. In einem Beispiel kann der Chipträger 10 wirbelstromunterdrückende Strukturen aufweisen, wodurch eine Rauschminderung bereitgestellt werden kann. Insbesondere bei Wechselströmen mit höheren Frequenzen können Wirbelströme in dem Chipträger 10 erzeugt werden, welche häufig auch als Eddy-Currents bezeichnet werden. Durch die erzeugten Wirbelströme kann die Intensität der durch das Sensorelement 18 erfassten Magnetfeldstärken verändert, insbesondere verringert, werden. Mit anderen Worten kann das Sensorelement 18 aufgrund der erzeugten Wirbelströme die Stärke des Magnetfelds nicht genau erfassen. Durch wirbelstromunterdrückende Strukturen des Chipträgers 10 können Wirbelströme verhindert oder zumindest verringert werden. Beispielsweise kann der Chipträger 10 eine oder mehrere Kerben oder Einschnitte aufweisen, durch welche ein typischer Verlauf der Wirbelströme unterbrochen werden kann.
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 vorhergehenden Figuren gelesen werden.
Bei 28 kann ein Stromleiter bereitgestellt werden, welcher dazu ausgelegt ist, einen Messstrom zu führen. Bei 30 kann ein Magnetfeldsensorchip mit einem Sensorelement bereitgestellt werden, wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erfassen. Bei 32 kann der Magnetfeldsensorchip durch ein Verkapselungsmaterial verkapselt werden. Bei 34 kann ein Weichmagnet gefertigt und an dem Verkapselungsmaterial befestigt werden, wobei der Weichmagnet dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu konzentrieren. Der Magnetfeldsensorchip und der Weichmagnet können durch das Verkapselungsmaterial galvanisch voneinander getrennt sein.
Das Verfahren der 8 kann weitere optionale Schritte aufweisen, die der Einfachheit halber nicht detailliert beschrieben sind. Beispielsweise kann das Fertigen des Weichmagneten zumindest eine der folgenden Handlungen aufweisen: Spritzgießen eines thermoplastischen Materials, Formpressen eines thermoplastischen Materials, oder Spritzpressen eines duroplastischen Materials. Ferner kann das Befestigen des Weichmagneten an dem Verkapselungsmaterial ein Kleben des Weichmagneten an das Verkapselungsmaterial beinhalten.
Beispiele
Im Folgenden werden Sensorvorrichtungen und Verfahren zu ihrer Herstellung gemäß der Offenbarung anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1 ist eine Sensorvorrichtung, umfassend: einen Stromleiter, welcher dazu ausgelegt ist, einen Messstrom zu führen; einen Magnetfeldsensorchip mit einem Sensorelement, wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erfassen; ein Verkapselungsmaterial, wobei der Magnetfeldsensorchip durch das Verkapselungsmaterial verkapselt ist; und einen an dem Verkapselungsmaterial befestigten Weichmagneten, welcher dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu konzentrieren, wobei der Magnetfeldsensorchip und der Weichmagnet durch das Verkapselungsmaterial galvanisch voneinander getrennt sind.
Beispiel 2 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 1, ferner umfassend: eine um das Sensorelement ausgebildete Spule, welche dazu ausgelegt ist, einen Kompensationsstrom zu führen, wobei ein durch den Kompensationsstrom induziertes Magnetfeld ein durch den Messstrom induziertes Magnetfeld am Ort des Sensorelements kompensiert.
Beispiel 3 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 2, wobei der Kompensationsstrom proportional zu dem Messstrom ist und die Sensorvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Messstrom basierend auf dem Kompensationsstrom zu bestimmen.
Beispiel 4 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 2 oder 3, wobei die Spule in einer bei einer Oberfläche des Magnetfeldsensorchips ausgebildeten Metallisierungsschicht ausgebildet ist.
Beispiel 5 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, ferner umfassend: einen elektrisch leitfähigen Chipträger, welcher mindestens einen Anschlussleiter und den Stromleiter in Form einer Stromschiene umfasst, wobei der Magnetfeldsensorchip auf dem Chipträger angeordnet ist und mit dem mindestens einen Anschlussleiter elektrisch gekoppelt ist.
Beispiel 6 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 5 und einem der Beispiele 2 bis 4, wobei das Sensorelement bei einer dem elektrisch leitfähigen Chipträger zugewandten Oberfläche des Magnetfeldsensorchips angeordnet ist und die Spule in dem elektrisch leitfähigen Chipträger ausgebildet ist.
Beispiel 7 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Weichmagnet ein polymerbasiertes Material und darin eingebettete weichmagnetische Füllstoffteilchen umfasst.
Beispiel 8 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Weichmagnet durch einen Molding-Prozess gefertigt ist.
Beispiel 9 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Weichmagnet durch ein adhäsives Material an dem Verkapselungsmaterial befestigt ist.
Beispiel 10 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Weichmagnet u-förmig über drei Seiten des Verkapselungsmaterials ausgebildet ist.
Beispiel 11 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der Beispiele 1 bis 9, wobei der Weichmagnet über einer einzelnen Seite des Verkapselungsmaterials ausgebildet ist.
Beispiel 12 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Stromleiter durch den Weichmagneten verkapselt ist.
Beispiel 13 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei der Stromleiter durch das Verkapselungsmaterial verkapselt ist.
Beispiel 14 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das Verkapselungsmaterial durch einen Molding-Prozess gefertigt ist.
Beispiel 15 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das Verkapselungsmaterial eine auf dem Magnetfeldsensorchip ausgebildete konforme polymerbasierte Beschichtung umfasst.
Beispiel 16 ist eine Sensorvorrichtung nach Beispiel 15, wobei die konforme polymerbasierte Beschichtung Parylen umfasst.
Beispiel 17 ist eine Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Beispiele, wobei das Sensorelement dazu ausgelegt ist, eine absolute Magnetfeldstärke des Magnetfelds zu erfassen.
Beispiel 18 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Stromleiters, welcher dazu ausgelegt ist, einen Messstrom zu führen; Bereitstellen eines Magnetfeldsensorchips mit einem Sensorelement, wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erfassen; Verkapseln des Magnetfeldsensorchips durch ein Verkapselungsmaterial; und Fertigen und Befestigen eines Weichmagneten an dem Verkapselungsmaterial, wobei der Weichmagnet dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu konzentrieren, wobei der Magnetfeldsensorchip und der Weichmagnet durch das Verkapselungsmaterial galvanisch voneinander getrennt sind.
Beispiel 19 ist ein Verfahren nach Beispiel 18, wobei das Fertigen des Weichmagneten zumindest eines von Folgendem umfasst: Spritzgießen eines thermoplastischen Materials, Formpressen eines thermoplastischen Materials, oder Spritzpressen eines duroplastischen Materials.
Beispiel 20 ist ein Verfahren nach Beispiel 18 oder 19, wobei das Befestigen des Weichmagneten an dem Verkapselungsmaterial umfasst: Kleben des Weichmagneten an das Verkapselungsmaterial.
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 Stromleiter, welcher dazu ausgelegt ist, einen Messstrom zu führen; einen Magnetfeldsensorchip mit einem Sensorelement, wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erfassen; ein Verkapselungsmaterial, wobei der Magnetfeldsensorchip durch das Verkapselungsmaterial verkapselt ist; und einen an dem Verkapselungsmaterial befestigten Weichmagneten, welcher dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu konzentrieren, wobei der Magnetfeldsensorchip und der Weichmagnet durch das Verkapselungsmaterial galvanisch voneinander getrennt sind.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine um das Sensorelement ausgebildete Spule, welche dazu ausgelegt ist, einen Kompensationsstrom zu führen, wobei ein durch den Kompensationsstrom induziertes Magnetfeld ein durch den Messstrom induziertes Magnetfeld am Ort des Sensorelements kompensiert.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Kompensationsstrom proportional zu dem Messstrom ist und die Sensorvorrichtung dazu ausgelegt ist, den Messstrom basierend auf dem Kompensationsstrom zu bestimmen.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Spule in einer bei einer Oberfläche des Magnetfeldsensorchips ausgebildeten Metallisierungsschicht ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: einen elektrisch leitfähigen Chipträger, welcher mindestens einen Anschlussleiter und den Stromleiter in Form einer Stromschiene umfasst, wobei der Magnetfeldsensorchip auf dem Chipträger angeordnet ist und mit dem mindestens einen Anschlussleiter elektrisch gekoppelt ist.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 5 und einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Sensorelement bei einer dem elektrisch leitfähigen Chipträger zugewandten Oberfläche des Magnetfeldsensorchips angeordnet ist und die Spule in dem elektrisch leitfähigen Chipträger ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Weichmagnet ein polymerbasiertes Material und darin eingebettete weichmagnetische Füllstoffteilchen umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Weichmagnet durch einen Molding-Prozess gefertigt ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Weichmagnet durch ein adhäsives Material an dem Verkapselungsmaterial befestigt ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Weichmagnet u-förmig über drei Seiten des Verkapselungsmaterials ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Weichmagnet über einer einzelnen Seite des Verkapselungsmaterials ausgebildet ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromleiter durch den Weichmagneten verkapselt ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Stromleiter durch das Verkapselungsmaterial verkapselt ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verkapselungsmaterial durch einen Molding-Prozess gefertigt ist.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verkapselungsmaterial eine auf dem Magnetfeldsensorchip ausgebildete konforme polymerbasierte Beschichtung umfasst.
Sensorvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die konforme polymerbasierte Beschichtung Parylen umfasst.
Sensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sensorelement dazu ausgelegt ist, eine absolute Magnetfeldstärke des Magnetfelds zu erfassen.
Verfahren zum Herstellen einer Sensorvorrichtung, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen eines Stromleiters, welcher dazu ausgelegt ist, einen Messstrom zu führen; Bereitstellen eines Magnetfeldsensorchips mit einem Sensorelement, wobei der Magnetfeldsensorchip dazu ausgelegt ist, ein Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu erfassen; Verkapseln des Magnetfeldsensorchips durch ein Verkapselungsmaterial; und Fertigen und Befestigen eines Weichmagneten an dem Verkapselungsmaterial, wobei der Weichmagnet dazu ausgelegt ist, das Magnetfeld am Ort des Sensorelements zu konzentrieren, wobei der Magnetfeldsensorchip und der Weichmagnet durch das Verkapselungsmaterial galvanisch voneinander getrennt sind.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Fertigen des Weichmagneten zumindest eines von Folgendem umfasst: Spritzgießen eines thermoplastischen Materials, Formpressen eines thermoplastischen Materials, oder Spritzpressen eines duroplastischen Materials.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Befestigen des Weichmagneten an dem Verkapselungsmaterial umfasst: Kleben des Weichmagneten an das Verkapselungsmaterial.