DE102022100926B3

DE102022100926B3 - Verwendung von piezo- und ferroelektrischen materialien für mems-stromsensoren

Info

Publication number: DE102022100926B3
Application number: DE102022100926.2A
Authority: DE
Inventors: Achim Bittner; Ulrike Salmen
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date: 2022-01-17
Filing date: 2022-01-17
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2042-01-18

Abstract

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen MEMS-Stromsensor zur Messung eines elektrischen Stroms, der durch ein elektrisches Bauelement fließt. Der MEMS-Stromsensor weist eine Magnetfelderfassungskomponente auf, die ein Material umfasst, das sowohl ein magnetisches als auch ein piezoelektrisches Verhalten beinhaltet. Durch das magnetische Verhalten des Materials erfährt die Magnetfelderfassungskomponente eine Auslenkung über das durch den elektrischen Strom induzierte Magnetfeld. Durch das piezoelektrische Verhalten des Materials bildet sich eine elektrische Spannung, durch die ein elektrisches Messsignal bereitgestellt werden kann, die einen Rückschluss auf den elektrischen Strom erlaubt.In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms mithilfe des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors sowie ein System umfassend den MEMS-Stromsensor und ein elektrisches Bauelement.

Description

In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen MEMS-Stromsensor zur Messung eines elektrischen Stroms, der durch ein elektrisches Bauelement fließt. Der MEMS-Stromsensor weist eine Magnetfelderfassungskomponente auf, die ein Material umfasst, das sowohl ein magnetisches als auch ein piezoelektrisches Verhalten beinhaltet. Durch das magnetische Verhalten des Materials erfährt die Magnetfelderfassungskomponente eine Auslenkung über das durch den elektrischen Strom induzierte Magnetfeld. Durch das piezoelektrische Verhalten des Materials bildet sich eine elektrische Spannung, durch die ein elektrisches Messsignal bereitgestellt werden kann, die einen Rückschluss auf den elektrischen Strom erlaubt.
In weiteren Aspekten betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms mithilfe des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors sowie ein System umfassend den MEMS-Stromsensor und ein elektrisches Bauelement.
Hintergrund und Stand der Technik
Die moderne Messtechnik ist bestrebt, möglichst viele physikalische Größen auf Messungen des elektrischen Stroms zurückzuführen. Tatsächlich sind Informationen über den Stromfluss in einer Vielzahl von Anwendungen relevant. Daher ist eine sichere und zuverlässige Strommessung unabdingbar für eine Betriebstauglichkeit und Überwachung einer Vielzahl von technologischen Geräten.
Typische Messgeräte zur Strommessung werden in Reihe mit dem zu messenden Bauteil geschaltet. Der Innenwiderstand des Messgeräts und das Bauteil bilden in dem Fall eine Reihenschaltung zweier Widerstände. Durch das Messgerät und das Bauteil fließt somit der gleiche Strom. Der durch die Messung entstehende Messfehler ist umso kleiner, je kleiner der Innenwiderstand des Messgerätes ist. Daher besitzen Messgeräte zur Strommessung stets einen sehr geringen elektrischen Widerstand. Strom-Messgeräte werden auch als Amperemeter bezeichnet und können je nach Bauart unterschiedliche Funktionsprinzipien aufweisen.
Ziegler et al. (2009) gibt einen Überblick über aktuelle Ansätze im Stand der Technik, um Stromstärken zu messen. Eine Vielzahl von Messprinzipien zur Strommessung sind bekannt.
Häufig können die Messprinzipien für eine Strommessung in eine sogenannte Widerstandserkennung und Magnetfelderkennung unterteilt werden.
Die Widerstandserkennung bezeichnet bevorzugt ein Messprinzip, bei der ein sogenannter Shunt, auch Shunt-Widerstand oder Strommesswiderstand genannt, eingesetzt wird. Der Shunt zeichnet sich durch einen niederohmigen Widerstand (z. B. im Milliohm-Bereich) aus. Bei der Verwendung der Widerstandserkennung sind Funktionsweisen bekannt, die den Shunt sowohl in Reihe zum elektronischen Bauteil als auch parallel zu einem Messgerät für die Strommessung schalten können.
Wird der Shunt in Reihe zum Bauteil geschaltet, wird der Spannungsabfall am Shunt erfasst und der in der elektrischen Schaltung fließende Strom nach dem Ohmschen Gesetz berechnet bzw. gemessen.
Der Shunt kann auch parallel zu einem Messgerät geschaltet werden, wenn der zu messende Strom über den Messbereich des Messgeräts hinausgeht. Damit kann in gewisser Weise der Messbereich eines Strommessgerätes erweitert werden. Der gesamte Messstrom ergibt sich als Summe der Ströme, die durch das Messgerät und den Shunt fließen.
Shunts können unterschiedliche Bauweisen haben. Beispielsweise ist eine koaxiale Geometrie des Shunts bekannt, durch die auftretende parasitäre Induktivitäten erheblich reduziert werden können. Bei koaxialen Shunts kann der der Skin-Effekt relevant hinsichtlich der Begrenzung bzw. Bestimmung der Messbrandbreite werden, insbesondere im Hinblick auf Hochleistungs-Shunts, die Wechselströme mit Größenordnungen von 100 kA messen sollen. Der Skin-Effekt beschreibt einen Stromverdrängungs-Effekt in von höherfrequenten Wechselströmen durchflossenen Leitern, durch den die Stromdichte im Inneren eines Leiters niedriger ist als in äußeren Bereichen. Für integrierte elektronische Bauteile sind koaxiale Shunts dahingehend nachteilig, dass sie sperrig und teuer sind. Weiterhin ist die Verwendung von koaxialen Shunts im Allgemeinen auf die Messung von hohen Wechselströmen beschränkt und ist damit nicht für jeden Anwendungsfall optimal einsatzfähig.
Auch sind sogenannte SMD-Shunts bekannt (engl. surface mounted device). SMD-Shunts werden bevorzugt mittels lötfähiger Anschlussflächen oder-Abschnitten direkt auf eine Leiterplatte gelötet. SMD-Shunts können Gleichströme bis zu ca. 200 A messen. Vorteilhaft sind SMD-Shunts besonders kompakt und kostengünstig zu erwerben oder bereitzustellen. Allerdings ist der Effekt der parasitären Induktivitäten bei der Strommessung ausgeprägter, was zu einer nachteiligen Messung führen kann.
Eine Magnetfelderkennung kann mithilfe von Sensoren mit oder ohne einen sogenannten Kern durchgeführt werden.
Der Kern ist in der Regel ein magnetischer Körper in Ringform, daher ist auch der Begriff Ringkern im Stand der Technik geläufig. Der Kern wird zumeist derart positioniert, dass ein Leiter, dessen Stromfluss zu messen ist, durch den Kern hindurch gelegt wird. Der Stromfluss im Leiter kann anhand der Größe des im Kern erzeugten Magnetfelds erfasst werden, sofern ein Strom durch den Leiter fließt. Zu den Vorteilen gehört neben dem berührungslosen Betrieb auch die geringe Verlustleistung. Nachteilig ist jedoch, dass der Kern eine große Montagefläche benötigt, die aufgrund der Größe des Kerns notwendigerweise gegeben sein muss.
Bei Stromsensoren ohne einen Kern kann der Strom beispielsweise vermessen werden, indem das um den Stromfluss erzeugte Magnetfeld mit Hilfe des Hall-Effekts in eine Spannung, die HallSpannung, umgewandelt wird. Da die durch den Hall-Effekt erzeugte Hallspannung jedoch klein ist, enthalten entsprechende Sensoren oftmals neben einem Hall-Element auch eine Verstärkerschaltung. Durch eine Stromaufnahme in die Verstärkerschaltung kann eine hohe Verlustleistung entstehen, die sich nachteilig auf die Effizienz der Strommessung auswirkt.
In Leland, Wright and White (2009) wird ein Stromsensor offenbart, der ebenfalls eine Messung durch die Wirkung des durch einen Strom resultierenden Magnetfeldes vornehmen kann. Dabei wird piezoelektrischer Cantilever, der aus der MEMS-Technologie bekannt ist (englisch für microelectrical mechanical system) in die Nähe eines Stromleiters gebracht, durch die ein Wechselstrom fließt. Am freien Ende des Cantilevers ist ein Mikromagnet angeordnet. Der Wechselstrom geht auch mit einem sich wechselnden Magnetfeld einher. Der ständige Wechsel des Magnetfeldes wirkt sich auf den Mikromagnet am freien Ende des Cantilevers aus, sodass der Cantilever in Schwingungen versetzt wird. Da der Cantilever piezoelektrisch ist, kann eine entsprechende Spannung ausgelesen werden. Der Mikromagnet wird über ein Druckverfahren auf das freie Ende des Cantilevers aufgetragen und durch ein Pulver umfassend Strontiumferrit bereitgestellt. Da ein Pulver eingesetzt wird, kann es vorkommen, dass ein Teil des Materials nicht effizient genutzt wird, da es nicht auf den Cantilever trifft. Weiterhin ist eine optimierte Ausgestaltung des Mikromagnets nur eingeschränkt möglich.
In der US 2014 / 0 043 016 A1 wird ein weiterer Ansatz für eine Strommessung offenbart. Dazu wird ein System umfassend einen Power-Bus und einen kapazitiven Spannungsteiler eingesetzt. Eine magnetoelektrische Vorrichtung wird dafür eingesetzt, einen Strom im Power-Bus oder kapazitiven Spannungsteiler zu messen. Hierbei wird ausgenutzt, dass der elektrische Strom ein magnetisches Feld erzeugt, welches von der magnetoelektrischen Vorrichtung detektiert und in eine elektrische Spannung umgewandelt wird. Mit der Spannung kann eine Ladung beispielsweise zum Betrieb eines drahtlosen Netzwerkes genutzt werden. Die magnetoelektrische Vorrichtung kann als ein intrinsisches Element vorliegen, bei dem ein einzelnes Material einen magnetoelektrischen Effekt aufweist. Dafür werden Materialien wie BiFeO₃, Cr₂O₃, TbFeO₃ und Fe_xGa_2-xO₃ aufgezählt. Dabei wird ausgenutzt, dass ein Magnetfeld die magnetostriktive Komponente des magnetoelektrischen Materials anregt und eine mechanische Verformung erzeugt. Diese mechanische Verformung induziert ein elektrisches Feld in der piezoelektrischen Komponente des magnetoelektrischen Materials, welches als Spannung gemessen werden kann. Alternativ kann die magnetoelektrische Vorrichtung auch als extrinsisches Element vorliegen, bei dem Laminate für einen Sandwichaufbau verwandt werden, der ein piezoelektrisches und magnetoelektrisches Material umfasst. Als Materialien werden hierfür PZT/NiFe₂O₄, Terfenol-D/PZT, Terfenol-D/PZT/Terfenol-D trilayer, Metglas/PVDF eingesetzt. Ferner umfasst das System einen Indikator, der insbesondere als Sicherheitsanzeige der Stromzufuhr verwandt wird. Demgemäß wird zwar eine qualitative, jedoch keine quantitative Messung des Stromes ermöglicht. Im Stand der Technik sind auch weitere Ansätze bekannt, mithilfe eines Cantilevers eine Multifunktionalität in Bezug auf die Wirkung durch ein elektrisches und magnetisches Feld zu nutzen. In Prashanthi et al. (2011) wird ein Cantilever sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung, welcher ein magnetoelektrisches bzw. multiferroisches Material umfasst, beschrieben. Dazu wird als Material mit Dysprosium modifiziertes BiFeO₃ (BDFO) verwandt. Der Cantilever umfassend BDFO lässt sich sowohl durch ein elektrisches Feld als auch durch ein magnetisches Feld verbiegen. Durch die piezoelektrischen Eigenschaften von BDFO ist auch ein elektrisches Signal nach einer Verbiegung abgreifbar. Eine Verwendung des Cantilevers zur Messung eines Stroms wird nicht offenbart.
In Prashanthi et al. (2009) geht ebenfalls auf die Herstellung eines Cantilevers ein, der als Material BDFO umfasst, wobei hervorgehoben wird, dass sich BDFO im Kontext der Mikrosystemtechnik prozessieren lässt.
In DE 10 2018 110 511 B3 wird offenbart, dass es mithilfe eines an einer Grundplatte angebrachten Cantilevers möglich ist, magnetische Wechselfelder zu detektieren. Dazu weist der Cantilever eine magnetostriktive Schicht auf, die ebenfalls mit der Grundplatte verbunden ist. Der Cantilever und die Grundplatte sind zumindest teilweise elektrisch leitfähig und elektrisch miteinander verbunden. An der Grundplatte liegen eine Einkopplung und eine Auskopplung für Mikrowellen vor, sodass durch eingekoppelte Mikrowellen eine Oszillation des Cantilevers hervorgerufen wird. Eine Verwendung des Cantilevers zur Messung eines Stroms wird in DE 102018110511 B3 nicht offenbart.
Im Lichte des Standes der Technik besteht mithin ein Bedarf, verbesserte Stromsensoren bereitzustellen, welche vorzugsweise auf einfache und robuste Weise eine präzise Strommessung ermöglichen und sich zudem durch einen kompakten Aufbau und kostengünstig Herstellungsverfahren auszeichnen.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, die Nachteile der im Stand der Technik bekannten Stromsensoren zu beseitigen. Insbesondere sollte ein verbesserter Stromsensor bereitgestellt werden, welcher sich durch eine besonders zuverlässige und präzise Messung von elektrischen Strom sowie einen kompakten Aufbau auszeichnet und vorzugsweise zudem auf einfache und kostengünstige Weise herstellbar ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
In einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen MEMS-Stromsensor zur Messung eines durch ein elektrisches Bauelement fließenden elektrischen Stromes umfassend eine Magnetfelderfassungskomponente, welche dafür eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, das durch den elektrischen Strom induziert wird, wobei die Magnetfelderfassungskomponente ein Material umfasst, das sowohl ein piezoelektrisches als auch ein magnetisches Verhalten aufweist, sodass die Magnetfelderfassungskomponente infolge des magnetischen Verhaltens durch das Magnetfeld auslenkbar ist und durch eine Auslenkung aufgrund des piezoelektrischen Verhaltens ein elektrisches Messsignal messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, das die Magnetfelderfassungskomponente umfasst, ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend mit Chrom dotiertes Aluminiumnitrid Cr:AIN, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Hafniumdioxid HfO₂ und Zirkoniumdioxid ZrO₂, Nickel-lod-Boracit Ni₃B₇O₁₃I, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Di-Blei, Eisenhexaoxid und Tantalhexaoxid Pb₂(FeTa)O₆, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Cobalthexaoxid und Wolframhexaoxid (CoW)O₆, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Blei, Eisentrioxid und Wolframtrioxid und Blei, Magnesiumtrioxid und Wolframtrioxid Pb(FeW)O₃-Pb(MgW)O₃ und/oder Kaliumnickelphosphat KNiPO₄.
Vorteilhafterweise führt der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor zu einer überaus energieeffizienten Auslesung des elektrischen Messsignals ohne nennenswerten Stromverlust. Stattdessen kann ein elektrisches Messsignal erfasst werden, indem der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor bevorzugt in die Nähe eines stromdurchflossenen elektrischen Bauteils positioniert wird, sodass durch das Magnetfeld des elektrischen Stroms ein Messsignal erfasst werden kann. Insbesondere kann der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor auf zusätzliche Bauteile, wie z. B. Shunt-Widerstände, vorteilhaft verzichten. Ebenfalls ist es nicht notwendig, weitere Maßnahmen vorzunehmen, um beispielsweise einen elektrischen Strom abzuzweigen. Solche Vorkehrungen haben sich als zeit- und kostenineffizient im Stand der Technik herausgestellt. So kann mithilfe des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors berührungslos durch die Fernwirkung des Magnetfeldes ein elektrischer Stromfluss durch ein Bauteil vermessen werden.
Weiterhin zeichnet sich der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor dadurch aus, dass dieser besonders langzeitstabil ist. So resultiert beim Einsatz des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors kaum oder keine unerwünschte Wärmeentwicklung durch eine Verlustleistung. Der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor umgeht dies insbesondere durch den Einsatz des Materials, welches ein piezoelektrisches und magnetisches Verhalten aufweist. Verlustleistung entsteht z. B. bei der Übertragung elektrischer Energie über Leiterbahnen, die dann in Wärme umgesetzt wird. Der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor kann ein elektrisches Messsignal durch den unmittelbaren Effekt des Magnetfeldes eines elektrischen Stromes liefern.
Der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor eignet sich zudem vorteilhaft zur Messung verschiedener Stromarten. So kann der MEMS-Stromsensor gleichermaßen einen Gleichstrom, einen Wechselstrom und/oder einen Mischstrom erkennen und ausmessen. Beim Gleichstrom würde beispielsweise die Magnetfelderfassungskomponente eine bevorzugt im Wesentlichen konstante Auslenkung erfahren, wobei in Abhängigkeit der Auslenkung ein elektrisches Messsignal erzeugt und detektiert werden kann. Bei einem Wechselstrom würde die Magnetfelderfassungskomponente vorzugsweise durch den Wechsel der Polarität und damit des Magnetfeldes eine Schwingung um eine Mittelposition ausführen. Im Falle eines Wechselstromes kann die Magnetfelderfassungskomponente mithin eine dynamische Auslenkung erfahren, welche zu einem entsprechenden elektrischen Messsignal führt. Bei einem Mischstrom kann die Magnetfelderfassungskomponente vorzugsweise eine Überlagerung einer bevorzugt in Abhängigkeit der Gleichstromanteile im Wesentlichen konstante Auslenkung und eine Schwingung in Abhängigkeit der Wechselstromanteile ausführen. Anhand des erzeugten Messsignals können mittels des bevorzugten MEMS-Stromsensors vorzugsweise nicht nur Kenngrößen von Gleich-, Wechsel oder Mischstrom erfasst werden, sondern insbesondere auch ein zeitlicher Verlauf eines Stromflusses, sofern wünschenswert.
Der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor eignet sich vorteilhaft für eine Vielzahl von Anwendungen und ist besonders einfach bei diesen Anwendungen zu implementieren. Beispielsweise können Stromquellen, wie z. B. Batterien, auf besonders präzise und zuverlässige Weise überwacht werden. Das Anbringen und Montieren hat sich als simpel und zeitsparend erwiesen. Darüber hinaus ist vorteilhaft ein berührungsloser Betrieb möglich. Zudem ist die Montagefläche vorteilhaft niedrig, sodass eine hohe Platzersparnis erreicht wird und der MEMS-Stromsensor durch äußere Gegebenheiten des elektrischen Bauelementes nicht beeinträchtigt wird.
Darüber hinaus ist der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor prozesseffizient mit bewährten Techniken und Methoden der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik herzustellen. Im Hinblick auf die Herstellung des MEMS-Stromsensor kann durch die bevorzugte Eigenschaft des Materials, piezoelektrisch und magnetisch zu sein, in einem einzelnen Prozessschritt eine Doppelfunktion der Magnetfelderfassungskomponente bereitgestellt werden. Damit kann der MEMS-Stromsensor vorteilhaft im Rahmen einer Massenproduktion kostengünstig hergestellt werden, insbesondere durch Einsparung zusätzlicher Prozessschritte. Im Gegensatz dazu ist es beispielsweise für den Stromsensor von Leland, Wright and White (2009) notwendig, einen Mikromagneten als magnetische Komponente während eines zusätzlichen Verfahrensschritts aufzutragen, nachdem ein piezoelektrisches Material in Form eines Cantilevers bereitgestellt wurde. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass auf einen derartigen Verfahrensschritt verzichtet werden kann, indem für die Magnetfelderfassungskomponente ein Material mit einem piezoelektrischen und magnetischen Verhalten gewählt wird.
Das grundlegende Prinzip des vorliegenden MEMS-Stromsensor basiert bevorzugt auf der Magnetfelderfassungskomponente. Insbesondere ist für das Funktionsprinzip das Material, welches die Magnetfelderfassungskomponente bevorzugt umfasst, relevant. Vorzugsweise weist das Material zeitgleich ein piezoelektrisches und magnetisches Verhalten auf. Es ist nach dem Biot-Savart- und dem Ampereschen Gesetz bekannt, dass ein elektrischer Strom ein Magnetfeld erzeugt, das proportional zur Stromstärke ist und dessen Richtung im Falle eines länglichen elektrischen Leiters durch eine Schraubenform um den stromdurchflossenen Leiter herum gebildet wird. Dem durchschnittlichen Fachmann ist bekannt, dass der im erfindungsgemäßen Kontext verwendete Begriff „Magnetfeld“ eine magnetische Flussdichte bezeichnet und die grundlegenden physikalischen Prinzipien sowohl für die magnetische Flussdichte als auch für die magnetische Feldstärke gelten. Das Magnetfeld, welches durch den elektrischen Strom induziert wird, regt Material der Magnetfelderfassungskomponente durch das magnetische Verhalten an. Hierbei kann im erfindungsgemäßen Kontext auch von einer magnetischen Anregung gesprochen werden. Durch die magnetische Anregung kommt es zu einer Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente. Durch die Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente bildet sich eine elektrische Spannung, da das Material der Magnetfelderfassungskomponente neben dem magnetischen Verhalten auch ein piezoelektrisches Verhalten aufweist. Das piezoelektrische Verhalten zeichnet sich vorzugsweise durch den piezoelektrischen Effekt aus, indem durch eine Verformung und/oder Auslenkung des Materials eine elektrische Spannung verursacht wird. Durch die resultierende elektrische Spannung kann ein Messsignal erfasst werden, wodurch es ermöglicht wird, den elektrischen Strom zu bestimmen.
Durch Bereitstellung einer Magnetfelderfassungskomponente umfassend ein Material mit einem magnetischen und piezoelektrischen Verhalten ist die Detektion zudem besonders zuverlässig. Störeffekte, welche durch eine notwendige Kopplung separater Komponenten mit magnetischen und piezoelektrischen Verhalten auftreten, werden vorteilhaft vermieden. Beispielsweise kann mit der Magnetfelderfassungskomponente gewährleistet werden, dass die Bestandteile des Sensors, welche sensitiv auf das Magnetfeld zur Ausbildung einer Auslenkung reagieren, sich in identische Umgebungsbedingungen (Druck, Temperatur etc.) befinden, wie Bestandteile des Sensors, welche aus der erzeugten Auslenkung ein messbares Signal (elektrisches Messsignal) generieren. In Vorzugsformen handelt es sich um eine Schicht aus einem Material mit magnetischem und piezoelektrischen Verhalten.
Ein MEMS-Stromsensor bezeichnet vorzugsweise im erfindungsgemäßen Kontext einen Stromsensor, der auf MEMS-Technologie basiert. Ein Stromsensor ermöglicht es, einen elektrischen Strom zu messen. MEMS steht für den englischen Ausdruck microelectrical mechanical system, also ein mikro-elektro-mechanisches System. Vorzugsweise weist der Stromsensor, insbesondere die Magnetfelderfassungskomponente Ausmaße im Mikrometerbereich (µm) auf, bevorzugt in einem Bereich von ca. 1 µm bis ca. 1 000 µm. Durch den erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensor wird es ermöglicht, einen elektrischen Strom zu messen, der durch ein elektrisches Bauelement fließt. Vorteilhafterweise wird ein besonders kompakter MEMS-Stromsensor bereitgestellt, der beispielsweise gesamtheitliche Ausmaße von bevorzugt unter 10 mm, besonders bevorzugt unter 5 mm, ganz besonders bevorzugt unter 1 mm aufweist.
Ein elektrisches Bauelement bezeichnet bevorzugt eine Komponente einer elektrischen Schaltung. Vorzugsweise ist das elektrische Bauelement ein als Einheit betrachteter Bestandteil einer elektrischen Schaltung oder eine Baugruppe. Beispielsweise kann das elektrische Bauelement ausgewählt sein aus einer Gruppe umfassend eine Spannungsquelle, eine Stromquelle, einen Widerstand, einen Kondensator, einen elektrischer Leiter, insbesondere eine Leiterbahn, eine Spule, einen elektrischen Verbraucher wie eine Glühbirne, eine LED, etc.
Bevorzugt ist die Magnetfelderfassungskomponente eine Komponente des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors, mit der es ermöglicht wird, das von dem elektrischen Strom induzierte Magnetfeld zu erfassen. Insbesondere reagiert die Magnetfelderfassungskomponente auf das Magnetfeld des Stroms. Letztere Reaktion erfolgt bevorzugt durch das Material, das die Magnetfelderfassungskomponente umfasst. Dabei ist es bevorzugt, dass das Material sowohl piezoelektrisch als auch magnetisch ist. Hierdurch wird die Magnetfelderfassungskomponente magnetisch angeregt infolge des vom elektrischen Strom induzierten Magnetfeldes, sodass die Magnetfelderfassungskomponente eine Auslenkung erfährt. Aufgrund des piezoelektrischen Verhaltens des Materials resultiert durch die Auslenkung wiederrum eine elektrische Spannung, als elektrisches Messsignal erzeugt wird. Das erzeugte Messsignal kann mithin bevorzugt einen Rückschluss auf den elektrischen Strom liefern, welcher durch das Bauteil fließt.
Eine Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente meint bevorzugt eine Bewegung oder Verformung der Magnetfelderfassungskomponente oder eines Teilabschnittes der Magnetfelderfassungskomponente in Bezug auf eine Ausgangsposition. Vorzugsweise erfolgt eine Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente durch das induzierte Magnetfeld eines elektrischen Stromes aufgrund des magnetischen Verhaltens des Materials, wodurch eine Spannung durch das piezoelektrische Verhalten detektierbar wird. Dabei kann die Auslenkung statisch erfolgen, d. h. bevorzugt, dass eine Auslenkung für einen Zeitraum im Wesentlichen konstant bleibt. Eine statische Auslenkung kann beispielsweise bei der Messung eines Gleichstroms erfolgen. Ebenso kann es bevorzugt sein, dass die Magnetfelderfassungskomponente eine dynamische Auslenkung erfährt. Bevorzugt bezeichnet eine dynamische Auslenkung eine sich verändernde Auslenkung. Bevorzugt kann im Falle einer dynamischen Auslenkung die Magnetfelderfassungskomponente eine Schwingung durchführen. Eine dynamische Auslenkung kann beispielsweise bei der Messung eines Wechselstroms resultieren.
Das Material, das die Magnetfelderfassungskomponente umfasst, ist ausgewählt aus einer Gruppe umfassend mit
Chrom dotiertes Aluminiumnitrid Cr:AIN, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Hafniumdioxid HfO₂ und Zirkoniumdioxid ZrO₂, Nickel-lod-Boracit Ni₃B₇O₁₃I, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Di-Blei, Eisenhexaoxid und Tantalhexaoxid Pb₂(FeTa)O₆, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Cobalthexaoxid und Wolframhexaoxid (CoW)O₆, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Blei, Eisentrioxid und Wolframtrioxid und Blei, Magnesiumtrioxid und Wolframtrioxid Pb(FeW)O₃-Pb(MgW)O₃ und/oder Kaliumnickelphosphat KNiPO₄.
Die vorgenannten Materialien zeichnen sich vorteilhaft durch sowohl ein magnetisches als auch ein piezoelektrisches Verhalten aus.
Beispielsweise wird in Wistrela et al. (2017) offenbart, dass mit Chrom dotiertes Aluminiumnitrid Cr_xAl_1-xN (mit 0 ≤ x ≤ 1) ein magnetisches Verhalten aufweist. Aluminiumnitrid als solches ist als piezoelektrisches Material im Stand der Technik hinlänglich bekannt. In Wistrela et al. (2017) wird das magnetische Verhalten als paramagnetisch charakterisiert und mithilfe eines SQUID-Magnetometers (engl. superconducting quantum interference device) quantifiziert. Insbesondere wurden Magnetisierungskurven für Dünnschichtvolumen von Aluminiumnitrid bei einer Temperatur von 10 K für Proben mit zunehmendem Cr-Gehalt aufgenommen, welche eine ansteigende Magnetisierung zeigen und somit auf eine erhöhte Werte der Permeabilitätszahl µ_r hinweisen.
Gemäß Wistrela et al. (2017) ist eine Erklärung des magnetischen Verhaltens durch die Dotierung von Chrom noch Gegenstand aktueller Forschung ist, deren Auftreten kann jedoch bereits vorteilhaft im erfindungsgemäßen Kontext genutzt werden.
Müller et al. (2012) offenbart ein magnetisches und ein piezoelektrisches Verhalten für eine Verbindung umfassend Hafniumdioxid HfO₂ und Zirkoniumdioxid ZrO₂. Dazu werden in 1 (B) Ergebnisse von Hysterese-Messungen an dünnen ZrO₂-Filmen bei 80 K gezeigt, die ein charakteristisches Unterschleifenverhalten bei niedrigen Feldern und eine gesättigte Hysterese bei hohen Feldern aufzeigen.
In Schmid (1994) werden Boracite, insbesondere Nickel-lod-Boracit Ni₃B₇O₁₃I als ferroelektrisch und ferromagnetisch beschrieben (siehe 1. Introduction, S. 1412) und KNiPO₄ als ferroelektrisch und ferromagnetisch beschrieben (siehe 3. Examples of ferromagnetic and antiferromagnetic ferroelectrics).
In Hill (2000) wird Pb₂(FeTa)O₃ als ferroelektrisch und antiferromagnetisch (siehe Punkt 4.1.2, siehe Mixed Perovskites, S. 6698), (CoW)O₆ als ferroelektrisch und ferromagnetisch (siehe Punkt 4.1.2, Mixed Perovskites, S. 6698), Pb(FeW)O₃-Pb(MgW)O₃ als ferroelektrisch und ferromagnetisch beschrieben (siehe Punkt 4.1.2, siehe Mixed Perovskites, S. 6698).
Da einige der Materialien als ferroelektrisch beschrieben werden, sei der Vollständigkeit halber erwähnt, dass der durchschnittliche Fachmann weiß, dass ferroelektrische Material auch piezoelektrisch sind, jedoch die umgekehrte Implikation nicht unbedingt gelten muss.
Während im Stand der Technik für die o.g. Materialien zwar ein piezoelektrisches und magnetisches Verhalten nachgewiesen wurde, wird keine Verwendung der Materialien für eine Strommessung offenbart. Im erfindungsgemäßen Kontext wird gerade diese Eigenschaft jedoch dafür ausgenutzt, um eine Magnetfelderfassungskomponente für einen MEMS-Sensor bereitzustellen, welche auf besonders einfach, zuverlässig und berührungslos eine Detektion eines Stromflusses durch ein Bauteil erlaubt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Stromsensor dadurch gekennzeichnet, dass das Material, das die Magnetfelderfassungskomponente umfasst, eine relative Permittivität ε_r von mindestens 10 und/oder eine Permeabilitätszahl µ_r von größer 1 aufweist.
Die relative Permittivität ε_r des Materials bezeichnet (Bezeichnung nach Norm DKE-IEV 121-12-13) bevorzugt das dimensionslose Verhältnis seiner Permittivität zur Permittivität des Vakuums. Sie ist insbesondere ein Maß für die feldschwächenden Effekte der dielektrischen Polarisation des Materials.
Analog bildet sich die Permeabilitätszahl µ_r, auch relative Permeabilität genannt, durch das Verhältnis aus Permeabilität und der magnetischen Feldkonstante. Insbesondere ist es mithilfe der Permeabilitätszahl möglich, das magnetische Verhalten zu klassifizieren.
Das magnetische Verhalten des Materials, das die Magnetfelderfassungskomponente umfasst, meint bevorzugt, dass das induzierte magnetische Feld des elektrischen Stroms durch seine Fernwirkung einen magnetischen Einfluss auf das Material ausübt, sodass vorzugsweise die Magnetfelderfassungskomponente eine Auslenkung erfährt.
In bevorzugten Ausführungsformen ist das magnetische Verhalten ein paramagnetisches Verhalten (µ_r > 1). Damit kann bevorzugt die Permeabilität größer als 1 sein.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann das magnetische Verhalten ferromagnetisch (µ_r>>1) sein. Darüber hinaus kann es bevorzugt sein, dass das magnetische Verhalten in Form von ferrimagnetischem, antiferrimagnetischem oder antiferromagnetischem Verhaltes vorliegt.
Ebenfalls ist es bevorzugt, dass das magnetische Verhalten durch ein diamagnetisches Verhalten (0 ≤ µ_r < 1) festgelegt ist.
Vorzugsweise ist die Permeabiltitätszahl µ_r größer als 1. Eine Permeabilitätszahl von größer 1 umfasst Werte für die Permeabilitätszahl, die etwas größer als 1 sind und um ein Vielfaches größer als 1. Insbesondere kann die Permeabilitätszahl in bevorzugten Ausführungsformen größer als 2, 3, 4, 5, 10, 15, 20, 30, 50, 100, 1 000, 10 000, 100 000 oder mehr sein.
Begriffe wie im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. beschreiben bevorzugt einen Toleranzbereich von weniger als ± 20%, bevorzugt weniger als ± 10 %, noch stärker bevorzugt weniger als ± 5% und insbesondere weniger als ± 1 %. Angaben von im Wesentlichen, ungefähr, etwa, ca. etc. offenbaren und umfassen stets auch den exakten genannten Wert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Stromsensor dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderfassungskomponente als eine elastisch auslenkbare Komponente, bevorzugt als ein Cantilever, ausgebildet ist.
Als bevorzugt elastische Komponente kann die Magnetfelderfassungskomponente mit vorteilhafter Sensitivität auf das vom elektrischen Strom induzierte Magnetfeld reagieren. Somit kann vorteilhafterweise eine Änderung des Stromes und damit des Magnetfeldes besonders schnell über eine Veränderung der Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente erfasst werden. Dabei bezeichnet die bevorzugte Elastizität der Magnetfelderfassungskomponente die Eigenschaft, nach einer Auslenkung zurück in eine Ausgangsposition zu gelangen. Insbesondere resultiert durch die bevorzugte Elastizität der Magnetfelderfassungskomponente, dass sie nicht in einer Position verharrt, insbesondere nicht nach einer Auslenkung. Die Elastizität kann durch eine Feder bzw. eine Federkonstante modelliert werden. Bevorzugt ist die Ausgangsposition der Magnetfelderfassungskomponente diejenige Position, die vorliegt, wenn kein Strom fließt und dadurch kein Magnetfeld durch den Strom gebildet wird. Insbesondere sind vorteilhaft auch Wechselströme und damit auch alternierende Magnetfelder durch die Magnetfelderfassungskomponente besonders gut zu erkennen, was sich durch eine Schwingung der Magnetfelderfassungskomponente um die Magnetfelderfassungskomponente bemerkbar machen würde.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Magnetfelderfassungskomponente als Cantilever ausgebildet. Ein Cantilever, oder synonym, Biegebalken ist vorzugsweise ein räumlich ausgedehntes, insbesondere längliches Element, welches entlang mindestens einer Seite schwingfähig gelagert und ansonsten vorzugsweise freistehend ist. Ein Cantilever kann z. B. die Form eines flächigen, länglichen Quaders aufweisen, dessen Dicke deutlich kleiner im Vergleich zur Quer- und Längsausdehnung ist, wobei bevorzugt die Querausdehnung kleiner ist als die Längsausdehnung. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann jedoch auch ein beidseitig bzw. mehrseitig schwingbar gelagerter Biegebalken bevorzugt sein.
Die Ausgestaltung der Magnetfelderfassungskomponente als Cantilever hat sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, dass der Cantilever besonders einfach eine Veränderung bzw. eine Auslenkung mit einem besonders geringen mechanischem Widerstand erfahren kann. Vorteilhaft wird durch den Einsatz eines Cantilevers die Sensitivität des MEMS-Stromsensors besonders erhöht. Insbesondere kann ein Cantilever vorteilhafterweise bereits geringste Schwankungen eines elektrischen Stromes und damit kleinste Veränderungen des Magnetfeldes präzise erkennen. Die Auslenkbarbarkeit des Cantilevers geht vorzugsweise mit der Wahl der Ausmaße umfassend Länge, Dicke und/oder Breite einher. Beispielsweise erfährt ein Cantilever mit einer Länge von ca. 1 000 µm und einer Dicke von ca. 20 µm eine größere Auslenkung als ein Cantilever mit gleicher Länge und einer Dicke von ca. 50 µm. Die Wahl der Ausmaße des Cantilevers liegt im Kenntnisbereich des durchschnittlichen Fachmanns.
Insbesondere im Hinblick auf eine Veränderung von Gleichströmen eignet sich ein Cantilever als Ausgestaltung der Magnetfelderfassungskomponente besonders gut, beispielsweise im Kontext von Überwachungen von elektrischen Bauteilen, wie z. B. einer Batterie. Vorteilhaft werden geringste Veränderungen von Strömen und damit den daraus resultierenden Magnetfeldern besonders zuverlässig durch eine Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente erkennbar. Auch bei Wechselströmen weist die Ausgestaltung Vorteile auf, da ein Cantilever - in Abhängigkeit der geometrischen Ausgestaltung - sich durch selbst durch kleinste externe Anregung (des induzierten Magnetfeldes) zu Schwingungen anregen lässt und somit eine präzise Detektion ermöglicht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Stromsensor dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderfassungskomponente eine Länge von bis zu ca.1 000 µm, eine Breite von bis zu ca. 250 µm und eine Dicke von bis zu ca. 50 µm aufweist.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Magnetfelderfassungskomponente eine Länge im Bereich von 100 µm bis 1 000 µm, vorzugsweise von 50 µm bis 500 µm auf. Bevorzugte Längen liegen in dem vorgenannten Bereich, wobei auch Zwischenbereiche bevorzugt sein können, wie beispielsweise 100 µm - 200 µm, 200 µm - 300 µm, 300 µm - 400 µm, 400 µm - 500 µm, 600 µm - 700 µm, 700 µm - 800 µm, 800 µm - 900 µm, 900 µm - 1 000 µm, 1 000 - 1 100 µm, 1 100 µm - 1 200 µm, 1 300 µm -1 400 µm oder auch 1 400 µm - 1 500 µm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereiche zu erhalten, wie beispielsweise 200 µm bis 600 µm, 300 µm - 1 000 µm oder auch 700 µm - 1500 µm.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Magnetfelderfassungskomponente eine Breite im Bereich von eine Breite von 2 µm bis 250 µm, vorzugweise von 5 µm bis 100 µm auf. Bevorzugte Breiten liegen in dem vorgenannten Bereich, wobei auch Zwischenbereiche bevorzugt sein können, wie beispielsweise 2 µm - 5 µm, 5 µm - 10 µm, 10 µm - 20 µm, 20 µm - 30 µm, 30 µm - 40 µm, 40 µm - 50 µm, 50 µm - 100 µm, 100 µm - 150 µm, 150 µm - 200 µm oder auch 200 µm - 250 µm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereiche zu erhalten, wie beispielsweise 5 µm - 50 µm, 10 - 30 µm oder 2 µm - 100 µm.
In bevorzugten Ausführungsformen weist die Magnetfelderfassungskomponente eine Dicke von 0,5 µm bis 50 µm, vorzugweise von 1 µm bis 10 µm, auf. Bevorzugte Breiten liegen in dem vorgenannten Bereich, wobei auch Zwischenbereiche bevorzugt sein können, wie beispielsweise 0,5 µm - 1 µm, 1 µm - 2 µm, 2 µm - 5 µm, 5 µm - 10 µm, 10 µm - 20 µm, 20 µm - 30 µm, 30 µm - 40 µm oder 40 µm - 50 µm. Ein Fachmann erkennt, dass die vorgenannten Bereichsgrenzen auch kombiniert werden können, um weitere bevorzugte Bereiche zu erhalten, wie beispielsweise 1 µm - 5 µm, 2- 20 µm oder 5 µm - 30 µm.
Die genannten Ausmaße haben sich besonders im Hinblick auf die bevorzugte Ausgestaltung der Magnetfelderfassungskomponente als Cantilever als vorteilhaft erwiesen, da dieser bei den genannten Ausmaßen eine besonders gute Auslenkbarkeit und/oder Schwingfähigkeit aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Stromsensor dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderfassungskomponente als eine elastisch auslenkbare Komponente, vorzugsweise ein Cantilever, ausgebildet ist, wobei die Magnetfelderfassungskomponente eine Schicht eines Material umfasst, das sowohl ein piezoelektrisches als auch ein magnetisches Verhalten aufweist sowie optional eine weitere Stützschicht, welche ein mechanisches Stützmaterial umfasst.
Durch die Wirkung des Magnetfeldes, welches durch einen elektrischen Strom resultiert, erfährt die Magnetfelderfassungskomponente, bevorzugt der Cantilever, eine Auslenkung durch das magnetische Verhalten des Materials, das die Magnetfelderfassungskomponente umfasst. Infolge der Auslenkung ergibt sich durch das zeitgleich piezoelektrische Verhalten des Materials eine elektrische Spannung. Durch den bevorzugten Einsatz einer Stützschicht wird bevorzugt eine passive Schicht bereitgestellt, welche eine Cantilever zusätzliche mechanische Stabilität verleiht und einer Verformung des Materials mit magnetischem und piezoelektrischem Verhalten zumindest teilweise widerstehen kann. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass durch die Stützschicht die Auslenkbarkeit des Materials auf kontrollierte Weise eingestellt wird. Bevorzugt beeinflusst das durch den elektrischen Strom induzierte Magnetfeld nicht die Stützschicht. Stattdessen ist es bevorzugt, dass die Stützschicht durch die Auslenkung des Materials mit magnetischem und piezoelektrischem Verhalten eine Auslenkung erfährt, jedoch die Auslenkung des Materials mit magnetischem und piezoelektrischen Verhalten durch die Stützschicht mechanisch kontrolliert wird.
Damit erfüllt die Stützschicht eine Stützfunktion des Materials mit piezoelektrischem und magnetischem Verhalten. Vorteilhafterweise kann durch eine Stützschicht der Grad der Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente in Abhängigkeit eines durch den fließenden Strom erzeugten Magnetfeldes angepasst und/oder reguliert werden. Insbesondere erlaubt die mechanische Stützschicht mithin neben einer Erhöhung der mechanischen Stabilität eine Einstellung der Sensitivität der Magnetfelderfassungskomponente in Abhängigkeit der zu erwartenden Magnetfeldgrößen.
In bevorzugten Ausführungsformen ist die Stützschicht elektrisch leitend, sodass vorzugweise eine Ableitung des elektrischen Messsignals durch eine Schicht des Stützmaterial möglich ist. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Stützschicht elektrisch nicht-leitend sein. Das von der bevorzugten Stützschicht vorzugsweise umfasste Material kann im erfindungsgemäßen Kontext auch als Stützmaterial oder als mechanisches Stützmaterial bezeichnet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Stromsensor dadurch gekennzeichnet, dass das mechanische Stützmaterial ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend monokristallines Silizium, ein Polysilizium und/oder ein dotiertes Polysilizium. Die genannten Materialien haben sich vorteilhaft als zuverlässige Stützmaterialien erwiesen und sind darüber hinaus einfach mit bekannten Verfahren der Halbleiter- und Mikrosystemtechnik zur Stützschicht zu prozessieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Stromsensor dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Messsignal ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend eine elektrische Spannung, ein elektrischer Messstrom und/oder eine Impedanz.
Die genannten Größen als elektrisches Messsignal resultieren aus dem piezoelektrischen Verhaltens des Materials der Magnetfelderfassungskomponente und erlauben auf einfache und zuverlässige Weise die Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente zu erfassen.
Die elektrische Spannung als elektrisches Messsignal bezeichnet bevorzugt diejenige elektrische Spannung, die sich durch die Auslenkung an der Magnetfelderfassungskomponente selbst ergibt. Da die Magnetfelderfassungskomponente vorzugsweise ein Material umfasst, dass zugleich magnetisch und piezoelektrisch ist, erfolgt die Auslenkung durch das magnetische Verhalten und die elektrische Spannung durch das piezoelektrische Verhalten. Hierbei gilt vorzugsweise, je höher der elektrische Strom und damit das induzierte Magnetfeld ist, desto stärker ist auch die Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente. Je stärker die Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente ist, umso größer ist die elektrische Spannung, die messbar ist. Insbesondere ist die elektrische Spannung direkt an der Magnetfelderfassungskomponente feststellbar, ohne einen weiteren Messschritt vornehmen zu müssen.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, einen elektrischen Messstrom als Messsignal aufzunehmen. Der elektrische Messstrom bezeichnet bevorzugt den elektrischen Strom, der aus der elektrischen Spannung durch das piezoelektrische Verhalten des Materials der Magnetfelderfassungskomponente erzeugbar ist. Da eine elektrische Spannung einer Potentialdifferenz zwischen zwei Punkten entspricht, kann durch die Spannung ein elektrischer Strom abgegriffen werden. Dazu ist es bevorzugt, einen elektrischen Leiter umfassend elektrisch leitfähiges Material mit der Magnetfelderfassungskomponente zu kontaktieren, sodass, bedingt durch die Spannung, der elektrische Messstrom fließen kann Der erzeugte Messstrom korreliert mithin vorteilhaft mit der Auslenkung der Magneterfassungskomponente und kann somit gleichermaßen zur Messung eines Stromes durch das elektrische Bauteil verwandt werden.
Ebenfalls kann es bevorzugt sein, als elektrisches Messsignal eine Impedanz zu messen. Eine Impedanz beschreibt insbesondere das Verhältnis von einer elektrischen Spannung zu einem elektrischen Strom, wobei insbesondere sinusförmige Spannungen und Ströme zugrunde gelegt werden und die Impedanz bevorzugt sowohl Informationen über das Verhältnis der Amplituden der Spannungen und Ströme sowie über deren Phasenverhältnis zueinander umfasst. Die Impedanz piezoelektrische Materialien kann von deren Verformung abhängen, sodass die Impedanz ebenfalls als Messsignal zur Charakterisierung einer Auslenkung der Magneterfassungskomponente genutzt werden kann. Vorzugsweise wird die Impedanz gemessen, falls der zu messende elektrische Strom ein Wechselstrom ist. Insbesondere kann an der Magnetfelderfassungskomponente, die mindestens ein piezoelektrisches Verhalten aufweist, die Impedanz vermessen werden, welche aufgrund der Verformung der Magnetfelderfassungskomponente durch das vom elektrischen Strom induzierte Magnetfeld und deren piezoelektrische Eigenschaften eine Abhängigkeit von dem Schwingungsverhalten aufweist. Dabei kann diese Impedanz vorzugweise auch mittels einer oder mehrere Elektrode vermessen werden, die vorzugsweise auf der Magnetfelderfassungskomponente angebracht vorliegt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Stromsensor dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderfassungskomponente zur Erfassung des elektrischen Messsignales mit einer elektrischen Messeinheit, bevorzugt einer Elektrode, verbunden ist.
Bevorzugt erfolgt mit der elektrischen Messeinheit die Aufnahme des elektrisches Messsignales. Dabei bezeichnet vorzugsweise die elektrische Messeinheit eine Einrichtung und/oder eine Komponente, mit der das Messsignal erfasst werden kann. Mithilfe der elektrischen Messeinheit kann bevorzugt die elektrische Spannung, der elektrische Messstrom und/oder die Impedanz gemessen werden.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass eine Elektrode mit der Magnetfelderfassungskomponente verbunden ist, um das elektrische Messsignal zu erfassen. Insbesondere ist es bevorzugt, die Elektrode auf einer Oberfläche des Materials mit piezoelektrischem und magnetischem Verhalten aufzubringen, sodass die durch die Auslenkung resultierende elektrische Spannung direkt ausgelesen werden kann. In weiteren bevorzugten Ausführungsformen können auch mehrere Elektroden angebracht werden, um einen elektrischer Messstrom, eine elektrische Messspannung oder eine Impedanz zu vermessen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Stromsensor dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Stromsensor eine Recheneinheit umfasst, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, auf Basis des elektrischen Messsignals, welches eine Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente reflektiert, einen Stromfluss und/oder eine Veränderung eines Stromflusses durch das elektrisches Bauelement zu berechnen.
Vorteilhaft kann somit ein kompakter MEMS-Stromsensor bereitgestellt werden, der vorteilhaft eine dauerhafte Messung und Überwachung des Stroms ermöglicht. Insbesondere können Zustände des Stroms erkannt werden, wenn keine oder bereits geringste Abweichungen vorliegen. Weiterhin kann die Messung des Stroms vorteilhaft besonders schnell und damit mit höchster Effizienz erfolgen.
Vorzugsweise ist die Recheneinheit dazu konfiguriert, Rechenschritte vorzunehmen, die aus dem elektrischen Messsignal auf Werte für den zu messenden elektrischen Strom, insbesondere dessen Stromstärke, schließen lassen. Bevorzugt ist zur Durchführung dieser Schritte eine Software und/oder ein Algorithmus auf der Recheneinheit installiert. Dabei ist es bevorzugt, dass die physikalischen Gesetzmäßigkeiten, insbesondere entsprechende proportionale Zusammenhänge, berücksichtigt werden. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Abstand zwischen der Magnetfelderfassungskomponente und dem zu messenden Strom bekannt ist, da berücksichtigt werden soll, dass typischerweise das induzierte Magnetfeld mit zunehmendem Abstand schwächer wird. Jedoch ist das induzierte Magnetfeld proportional zum Strom, welcher durch ein elektrisches Bauelement fließt und kann durch das Biot-Savart- und/oder Amperesche Gesetz berechnet werden.
Weiterhin werden bevorzugt die Ausmaße, insbesondere die Elastizität, der Magnetfelderfassungskomponente sowie die genau Auswahl und/oder Zusammensetzung des Material in Betracht gezogen, da dies Parameter sind, die auf die Auslenkung Einfluss ausüben können. Eine höhere Elastizität geht mit einer entsprechend höheren Auslenkung bei einem induzierten Magnetfeld einher und umgekehrt. Daher kann es bevorzugt sein, dass in Anbetracht all dieser Faktoren, Werte hinterlegt sind, die eine Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente einem Magnetfeld bevorzugt unmittelbar zuordnen können.
Je nach Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente bildet sich eine elektrische Spannung durch das piezoelektrische Verhalten des Materials. Die elektrische Spannung ist vorzugsweise umso größer, je stärker die Auslenkung ist. Vorzugsweise können die genannten Berechnungsschritte durch eine entsprechende Konfiguration der Recheneinheit vorgenommen werden.
In bevorzugten Ausführungsformen kann auch eine Kalibration durchgeführt werden, wobei durch Aufnahme eines elektrischen Messignales des MEMS-Stromsensors im Falle eines bekannten Stromflusses entsprechende Referenzwerte oder Faktoren zur Umrechnung des elektrischen Messsignales in einen Stromfluss durch das Bauteil bestimmt werden können. Vorzugsweise können Referenzwerte oder Umrechnungsfaktoren, welche durch eine entsprechende Kalibrierung bereitgestellt werden auf der Recheneinheit oder einer damit verbundenen Speichereinheit hinterlegt werden.
Eine Recheneinheit bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Datenverarbeitungseinheit, welches vorzugsweise eine integrierte Schaltung (IC), eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare logische Schaltung (PLD), ein Field Programmable Gate Array (FPGA), einen Mikroprozessor, einen Mikrocomputer, eine speicherprogrammierbare Steuerung und/oder eine sonstige elektronische, bevorzugt programmierbare, Schaltungen umfasst.
Die Recheneinheit kann insbesondere selbst ein Prozessor, eine Prozessoreinheit sein oder von mehreren Prozessoren gebildet werden. Die Recheneinheit ist bevorzugt dazu bestimmt, durch eine Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente den Stromfluss und/oder eine Veränderung des Stromfluss zu berechnen.
Die Recheneinheit kann bevorzugt zudem eine Speichereinheit umfassen. Eine Speichereinheit erlaubt die Sicherung und/oder Zwischenspeicherung von Daten. Nicht beschränkende Beispiele von Speichern, vorzugsweise Halbleiterspeicher, sind flüchtige Speicher, (RAM)-Speicher oder nicht-flüchtige Speicher, wie ROM-Speicher, EPROM-Speicher, EEPROM-Speicher oder Flash-Speicher und/oder andere Speichertechnologien. Vorzugsweise können auf einer Speichereinheit entsprechende Werte vorgegeben sein, wie z. B. Magnetfeld- Werte oder-Bereiche in Bezug auf erfahrbare Auslenkungen der Magnetfelderfassungskomponente, um Rechenschritte zu beschleunigen. Die Hinterlegung von Werten kann auch vorteilhaft für eine Überwachung eines elektrischen Bauelements sein. So kann beispielsweise bei einer Stromquelle ein bestimmtes Messsignal ein Hinweis für eine Betriebsuntauglichkeit und/oder einen notwendigen Wechsel sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der MEMS-Stromsensor dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Stromsensor eine Kommunikationseinheit umfasst, wobei die Kommunikationseinheit dazu konfiguriert ist, das elektrische Messsignal an eine externe Datenverarbeitungsvorrichtung zu übertragen.
Vorteilhaft kann durch die Kommunikationseinheit das elektrische Messsignal an eine externe Datenverarbeitungsvorrichtung übermittelt werden. Somit ist vorteilhaft auch eine Überwachung und/oder Strommessung extern vom Ort der Strommessung möglich. Ebenfalls kann es bevorzugt sein, Größen für die Messung des elektrischen Stroms, wie beispielsweise die Auslenkung, die elektrische Spannung an der Magnetfelderfassungskomponente, der elektrische Messstrom und/oder die Impedanz, an die externe Datenverarbeitungsvorrichtung zu versenden. Vorteilhaft wird damit ermöglicht, rechenintensive Schritte von einer externen Datenverarbeitungsvorrichtung durchführen zu lassen.
Eine Kommunikationseinheit bezeichnet im Sinne der Erfindung bevorzugt eine Einrichtung zum Übertragen, insbesondere zum Senden und/oder Empfangen, von Daten. Die Übertragung erfolgt bevorzugt durch gerichtete oder ungerichtete elektromagnetische Wellen, wobei der Bereich des genutzten Frequenzbands je nach Anwendung und verwendeter Technik von wenigen Hertz (Niederfrequenz) bis hin zu mehreren hundert Terahertz variieren kann, wobei beispielsweise folgende Datenübertragungsverfahren genutzt werden können: Bluetooth, WLAN, ZigBee, NFC, Wibree, WiMAX und/oder zelluläre Mobilfunknetze wie GSM und UMTS im Radiofrequenzbereich sowie IrDA und optischer Richtfunk (FSO) im infraroten bzw. optischen Frequenzbereich.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Messung eines elektrischen Stromes umfassend die Schritte

a. Bereitstellung eines elektrischen Bauelementes sowie eines erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors
b. Messung eines durch das elektrisches Bauelement fließenden elektrischen Stromes mit Hilfe der Magnetfelderfassungskomponente des MEMS-Stromsensors umfassend ein Material, das sowohl ein piezoelektrisches als auch ein magnetisches Verhalten aufweist, wobei die Magnetfelderfassungskomponente dafür eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, das durch den elektrischen Strom induziert wird, indem durch das magnetischen Verhaltens des Materials die Magnetfelderfassungskomponente ausgelenkt wird und durch das piezoelektrische Verhaltens des Materials infolge der Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente ein elektrisches Messsignal gemessen wird.

Vorteilhafterweise kann besonders effektiv und mit höchster Präzision durch das Verfahren unter Einsatz des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors der elektrische Strom gemessen werden. Besonders vorteilhaft wird es ermöglicht, energieeffizient ein elektrisches Messsignal zu messen, welches Rückschlüsse für den elektrischen Strom liefert. Insbesondere werden keine zusätzlichen Stromquellen benötigt, die keine Voraussetzung für den Betrieb des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors sind. Vorteilhaft wird durch die Wirkung des Magnetfeldes des resultierenden Stromes eine Messung des elektrischen Stroms vorgenommen. Insbesondere muss kein Strom vom zu messenden Stromkreis abgezweigt werden, was sich ebenfalls vorteilhaft auf die Effizienz auswirkt.
Vorteilhaft kann der MEMS-Stromsensor durch die prozesseffiziente Herstellbarkeit besonders einfach bereitgestellt werden. Die Prozesseffizienz begründet sich insbesondere damit, dass die Magnetfelderfassungskomponente ein Material einsetzt, das piezoelektrisch und magnetisch ist. Somit wird während der Herstellung darauf verzichtet, zuerst eine elektrische und daraufhin eine magnetische Komponente anzubringen. Stattdessen kann das elektrische und magnetische Verhalten des Materials für die Magnetfelderfassungsmaterial in einem Prozessschritt bereitgestellt werden, da ein Material mit der entsprechenden Doppelfunktion bevorzugt ist.
Besonders relevant ist für die erfindungsgemäße Idee, dass die Magnetfelderfassungskomponente ein Material umfasst, dass gleichzeitig sowohl ein magnetisches als auch ein piezoelektrisches Verhalten aufweist. Der elektrische Strom induziert um den stromdurchflossenen Leiter ein Magnetfeld, welches wiederrum das Material der Magnetfelderfassungskomponente magnetisch anregt. Über die magnetische Anregung durch das magnetische Verhalten wird die Magnetfelderfassungskomponente ausgelenkt. Als Folge der Auslenkung, bedingt durch die Piezoelektrizität, bildet sich am Material eine elektrische Spannung, welches zur Erzeugung eines elektrischen Messsignals genutzt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Messung eines Gleichstroms verwendet wird und die Magnetfelderfassungskomponente durch den Gleichstrom statisch ausgelenkt wird, wobei eine Änderung des Gleichstroms zu einer Änderung des Magnetfelds führt, sodass die Änderung des Gleichstroms durch eine Änderung einer Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente gemessen wird.
Vorteilhaft kann mit dem Verfahren ein Gleichstrom besonders präzise gemessen werden, insbesondere können bereits kleinste Veränderungen des Gleichstroms erkannt werden. Die besonders präzise Messung begründet sich damit, dass bereits jede Veränderung des zu messenden Stroms zeitgleich mit einer Veränderung des vom Strom induzierten Magnetfeldes einhergeht. Gleichstrom bezeichnet bevorzugt einen elektrischen Strom, der immer in der gleichen Richtung fließt - anders als Wechselstrom. Entsprechend ist Gleichspannung eine elektrische Spannung mit konstanter Richtung. Gleichstrom lässt sich beispielsweise bereitstellen mit Batterien, Akkumulatoren, Brennstoffzellen, Photovoltaikmodulen und/oder Gleichstromgeneratoren. Gleichstrom wird für eine Vielzahl von Anwendungen benötigt, wie z. B. zum Betrieb elektronischer Geräte, von Gleichstrommotoren und/oder zur Elektrolyse. Vorteilhafterweise erlaubt das Verfahren mit hoher Zuverlässigkeit einen Gleichstrom gemessen und/oder eine Veränderung des Gleichstroms zu erkennen.
Eine Veränderung des Gleichstroms kann beispielsweise eine Abnahme der Stromstärke des Gleichstroms betreffen. Durch den proportionalen Zusammenhang zum durch den Strom induzierten Magnetfeld verringert sich auch der Betrag des Magnetfeldes. Entsprechend verringert sich Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente durch das magnetische Verhalten des Materials und mithin auch die elektrische Spannung an der Magnetfelderfassungskomponente (resultierend aus dem piezoelektrische Verhalten des Materials). Insbesondere kann sich somit das elektrische Messsignal verringern. Auch der umgekehrte Fall, d. h. eine Erhöhung des Gleichstroms, kann analog besonders gut und einfach festgestellt werden. Neben der vorteilhaften Messung von Gleichstrom ist es ebenfalls möglich, Wechselstrom zu messen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Messung eines Wechselstroms verwendet wird und die Magnetfelderfassungskomponente durch den Wechselstrom dynamisch ausgelenkt wird, wobei das durch den Wechselstrom induzierte Magnetfeld vorzugsweise alternierend ist, sodass die Magnetfelderfassungskomponente in Schwingungen versetzt wird und eine Änderung des Wechselstroms durch eine Änderung der Schwingungen der Magnetfelderfassungskomponente gemessen wird.
Vorteilhafterweise können Größen, die einen Wechselstrom beschreiben, ebenfalls gut erkannt werden. Während bei einer Gleichspannung immer die gleiche Polarität und damit bei einem Gleichstrom die gleiche Flussrichtung vorliegt, wird bei einer Wechselspannung die Polarität periodisch verändert. Entsprechend ändert sich die Flussrichtung des Wechselstromes periodisch.
Bei einer Messung eines Wechselstroms ist es bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungskomponente Schwingungen ausführt. Durch den ständigen Wechsel der Stromflussrichtung ändert sich entsprechend auch die Polung des vom Wechselstrom induzierten Magnetfeldes. Daher wird durch das magnetische Verhalten des von der Magnetfelderfassungskomponente umfassten Materials diese nach jedem Wechsel der Polarität in entgegengesetzte Richtungen ausgelenkt. Insbesondere führt dann die Magnetfelderfassungskomponente eine Schwingung durch, sodass die Auslenkungen periodisch erfolgen. Somit kann insbesondere das elektrische Messsignal ebenfalls periodisch sein.
Vorteilhaft können beispielsweise die Effektivwerte der Wechselspannung bzw. des Wechselstroms erkannt werden, bevorzugt durch eine Amplitude der Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente. Ebenfalls können Mittel- und/oder Maximalwerte der Wechselspannung und/oder des Wechselstroms gemessen werden. Vorteilhafterweise spiegeln sich auch Werte hinsichtlich der Periodendauer in dem Schwingungsverhalten der Magnetfelderfassungskomponente wieder, sodass auch diese bestimmt werden können. Insgesamt lässt sich vorteilhaft eine besonders genaue Messung des Wechselstroms vornehmen, was für den Einsatz vieler Anwendungen von Nutzen ist.
Das Schwingungsverhalten umfasst insbesondere Parameter, die eine Schwingung beschreiben, wie beispielsweise eine Amplitude, eine Periodendauer und/oder eine Frequenz. Eine Schwingung der Magnetfelderfassungskomponente meint bevorzugt eine wiederkehrende, d. h. sich wiederholende Auslenkung um eine Mittelposition. Die Amplitude meint bevorzugt den Abstand zwischen einer maximalen Auslenkung und einer Mittelposition der Magnetfelderfassungskomponente.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein System umfassend einen erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensor und ein elektrisches Bauelement, wobei die Magnetfelderfassungskomponente mit dem elektrischen Bauelement wirkverbunden vorliegt.
Vorzugsweise kann aus der Magnetfelderfassungskomponente ein elektrisches Messsignal aufgenommen werden, das auf den zu messenden Strom schließen lässt, insbesondere durch den vom Strom induzierten Magnetfeld. Dazu ist bevorzugt, dass die Magnetfelderfassungskomponente mit dem elektrischen Bauelement wirkverbunden ist, durch den der zu messende Strom fließt oder bereitgestellt wird.
Im erfindungsgemäßen Kontext ist mit der Wirkverbindung zwischen der Magnetfelderfassungskomponente und dem elektrischen Bauelement bevorzugt gemeint, dass die Magnetfelderfassungskomponente hinreichend nahe zum Bauelement positioniert wird, sodass das vom elektrischen Strom induzierte Magnetfeld, bevorzugt auch eine Änderung des induzierten Magnetfeldes, erfasst wird. Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Abstand zwischen der Magnetfelderfassungskomponente und dem elektrischen Bauelement bekannt ist, da die Stärke des induzierten Magnetfeldes mit dem Abstand abnimmt. Insbesondere ist es bevorzugt, dass der Abstand des MEMS-Stromsensors fixiert vorliegt. So kann es bevorzugt sein, dass der MEMS-Stromsensor in einem Abstand von höchstens 100 mm, bevorzugt höchstens 50 mm, 20 mm, 10 mm, 5 mm, 1 mm oder weniger angebracht ist. In bevorzugten Ausführungsformen kann der Abstand von in einem Bereich von 0, 1 mm - 100 mm, bevorzugt zwischen ca. 1 mm - 20 mm, Der Abstand hängt auch von dem erwartbaren Bereich des zu messenden Stroms ab. Der durchschnittliche Fachmann ist im Lichte der vorliegenden Lehre in der Lage, einen geeigneten Abstand zu wählen.
Je weiter weg die Magnetfelderfassungskomponente vom zu messenden Strom ist, desto geringer ist eine Auslenkung durch die magnetische Anregung. Unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen der Magnetfelderfassungskomponente können die entsprechenden Umrechnungen vorgenommen werden, beispielsweise durch die dazu konfigurierte Recheneinheit, da die Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente mit dem Magnetfeld (abhängig vom Abstand) korrespondiert, das wiederrum proportional zum Strom ist und die Auslenkung zur elektrischen Spannung, infolgedessen ein elektrisches Messsignal gemessen werden kann. Vorteilhaft kann der Stromfluss damit besonders genau bei einer Vielzahl von möglichen elektrischen Bauelementen erfasst werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das elektrische Bauelement ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend eine Stromquelle und/oder ein elektrischer Leiter.
Ein elektrischer Leiter bezeichnet bevorzugt einen Körper, der eine hinreichend hohe Dichte frei beweglicher Ladungsträger aufweist und daher eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie einen möglichst geringen elektrischen Widerstand besitzt, wodurch dieses zum Transport geladener Teilchen geeignet ist. Der Transport der elektrisch geladenen Teilchen ist bevorzugt der elektrische Strom. Der elektrische Leiter kann beispielsweise in Form von Leiterbahnen gegeben sein, die beispielsweise auf einer Leiterplatte angeordnet sein können. So kann beispielsweise der MEMS-Stromsensor hinreichend nah zur Leiterbahn auf der Leiterplatte besonders einfach montiert werden.
Eine Stromquelle bezeichnet bevorzugt eine Vorrichtung, die den elektrischen Strom antreibt und damit Voraussetzung für das Fließen eines elektrischen Stromes in einem Stromkreis ist. Beispielsweise kann die Stromquelle eine Batterie sein.
In einem zusätzlichen Aspekt betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors für eine Überwachung einer aufladbaren Stromquelle, bevorzugt eines Akkus.
Vorteilhaft kann mithilfe des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors besonders effizient die aufladbare Stromquelle, insbesondere ein Akku, überwacht werden, da kleinste Änderungen des Stroms präzise erkannt werden können. Insbesondere verzichtet der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor darauf, einen Teil des zu messenden Stroms abzugreifen. Stattdessen gelingt die Messung, insbesondere die Überwachung, durch die Fernwirkung des induzierten Magnetfeldes. Insbesondere im Hinblick auf aufladbare Stromquellen herrscht Bedarf an einer zuverlässigen Überwachung, da diese oftmals mit einem hohen Verschleiß, einer geringen Ladekapazität und einer niedrigen Lebenszeit einhergehen, wie z. B. aufladbaren Stromquellen von mobilen Endgeräten. Ähnliche Schwierigkeiten liegen vor bei Stromquellen wie Batterien von Automobilen. Vorteilhafterweise kann unter Anwendung des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors eine sichere und zuverlässige Überwachung der Stromquelle ermöglicht werden.
Beispielsweise erlaubt die Erfassung des fließenden Stromes während eines Auflade- oder Entladevorganges Rückschlüsse auf die Funktionalität und Ladekapazität aufladbarer Akkus. Durch die Bereitstellung eines äußerst kompakten und kostengünstigen MEMS-Sensors zur Messung des Stromflusses kann vorteilhaft eine wirtschaftliche Überwachung des Zustandes wiederaufladbarer Akkus in verschiedensten, auch durchaus sehr kleinen Geräten, wie Smartphones, Smartwatches etc. ermöglicht werden.
Der durchschnittliche Fachmann erkennt, dass technische Merkmale, Definitionen und Vorteile bevorzugter Ausführungsformen, welche für den erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensor gelten, gleichermaßen für das Verfahren zur Messung eines elektrischen Stroms, für das System umfassend den MEMS-Stromsensor sowie für die Verwendung des MEMS-Stromsensors gelten, und umgekehrt.
Der erfindungsgemäße MEMS-Stromsensor soll im Folgenden anhand von Beispielen näher erläutert werden, ohne auf diese Beispiele beschränkt zu sein.
FIGUREN
Figurenliste

1 Schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen MEMS-Stromsensors

Detaillierte Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines bevorzugten MEMS-Stromsensors 1. Bevorzugt umfasst der MEMS-Stromsensor 1 eine Magnetfelderfassungskomponente 3. Die Magnetfelderfassungskomponente 3 umfasst ein Material 2, welches sowohl ein piezoelektrisches als auch ein magnetisches Verhalten aufweist. Das Material 2 ist hierbei auf eine Stützschicht 5 aufgetragen. Auf dem Material 2 ist eine Schicht als Elektrode 7 aufgebracht. Dabei ist die Magnetfelderfassungskomponente 3 als Cantilever ausgestaltet.
Mithilfe des MEMS-Stromsensors 1 ist es möglich, effizient und einfach Ströme zu erfassen. Durch den von dem zu messenden elektrischen Strom wird stets ein Magnetfeld erzeugt, sodass das Magnetfeld die Magnetfelderfassungskomponente 3, insbesondere das Material 2, magnetisch anregt. Dadurch erfährt die Magnetfelderfassungskomponente 3 eine Auslenkung. Die Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente 3 entspricht einer elastischen Verformung, sodass durch das piezoelektrische Verhalten des Materials 2 eine elektrische Spannung vorliegt. Aus der elektrischen Spannung kann ein Messsignal erfasst werden, beispielsweise die elektrische Spannung selbst, ein elektrischer Messstrom und/oder eine Impedanz, die in den gemessenen Strom umgerechnet werden kann. Beispielsweise kann das elektrische Messsignal an der Elektrode 7 abgegriffen werden, beispielsweise durch das Verbinden eines elektrischen Leiters und/oder einer Messvorrichtung. Je größer der zu messende Strom ist, umso größer ist auch das davon induzierte Magnetfeld, sodass die Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente 3 entsprechend höher ist und somit auch die elektrische Spannung, durch die das Messsignal bereitgestellt werden kann.
Somit erlaubt der MEMS-Stromsensor 1 eine energieeffiziente und langzeitstabile Auslesung des Stroms. Durch die Erkennbarkeit des Stroms durch das daraus resultierende Magnetfeld ist es vorteilhaft nicht notwendig, einen Teil des Stroms abzuzweigen oder zusätzliche Komponenten, wie beispielsweise Stromquellen, einzusetzen, um den Betrieb zu ermöglichen. Der MEMS-Stromsensor 1 verzichtet vorteilhaft auf solche Maßnahmen und ist darüber hinaus einfach zu montieren. Weiterhin ist der MEMS-Stromsensor 1 prozesseffizient herzustellen, da das für die Messung entscheidende Material 2 als einzelne Schicht eine Doppelfunktion erfüllt, nämlich die Erkennung von Magnetfeldern und die Möglichkeit, durch die elektrische Spannung durch das piezoelektrische Verhalten, ein elektrisches Messsignal bereitzustellen. Somit kann vorteilhaft eine Doppelfunktion in einem einzelnen Prozessschritt durch die Auftragung und/oder Beschichtung des Materials 2 erfolgen.
Die Ausgestaltung der Magnetfelderfassungskomponente 3 als Cantilever hat sich dahingehend als vorteilhaft erwiesen, dass dieser auf robuste und kontrollierbare Weise sowohl resultierend aus dem magnetischen Verhalten des Materials zu einer Auslenkung anregen lässt, als auch gleichzeitig resultierend aus dem piezoelektrischen Verhaltens des Materials eine zuverlässige Erzeugung eines elektrischen Messignals in Abhängigkeit der Auslenkung gewährleistet. Die Bereitstellung einer Magnetfelderfassungskomponente 3 in Form eines Cantilevers führt zu einem MEMS-Stromsensors 1 mit hoher Sensitivität, sodass besonders präzise und zuverlässig eine Messung vorgenommen werden kann.
Die Stützschicht 5 umfasst ein mechanisches Stützmaterial, das als passive Lage dient und der Auslenkung der Materials 2 entgegenwirkt. Zwar erfährt die Stützschicht auch eine Auslenkung, jedoch durch die Auslenkung des Materials 2 selbst und nicht durch ein äußeres Magnetfeld bedingt durch den zu messenden elektrischen Strom. Stattdessen kann die Stützschicht 5 die Auslenkung regulieren und erlaubt mithin neben einer Erhöhung der mechanischen Stabilität auch eine Einstellung der Sensitivität der Magnetfelderfassungskomponente in Abhängigkeit der zu erwartenden Magnetfeldgrößen.
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Bezugszeichenliste

1: MEMS-Stromsensor
2: Material mit piezoelektrischem und magnetisches Verhalten
3: Magnetfelderfassungskomponente
5: Stützschicht
7: Elektrode

Claims

MEMS-Stromsensor (1) zur Messung eines durch ein elektrisches Bauelement fließenden elektrischen Stromes umfassend eine Magnetfelderfassungskomponente (3), welche dafür eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, das durch den elektrischen Strom induziert wird, wobei die Magnetfelderfassungskomponente (3) ein Material (2) umfasst, das sowohl ein piezoelektrisches als auch ein magnetisches Verhalten aufweist, sodass die Magnetfelderfassungskomponente infolge des magnetischen Verhaltens durch das Magnetfeld auslenkbar ist und durch eine Auslenkung aufgrund des piezoelektrischen Verhaltens ein elektrisches Messsignal messbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2), das die Magnetfelderfassungskomponente (3) umfasst, ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend mit Chrom dotiertes Aluminiumnitrid Cr:AIN, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Hafniumdioxid HfO₂ und Zirkoniumdioxid ZrO₂, Nickel-lod-Boracit Ni₃B₇O₁₃I, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Di-Blei, Eisenhexaoxid und Tantalhexaoxid Pb₂(FeTa)O₆, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Cobalthexaoxid und Wolframhexaoxid (CoW)O₆, eine Verbindung und/oder Legierung umfassend Blei, Eisentrioxid und Wolframtrioxid und Blei, Magnesiumtrioxid und Wolframtrioxid Pb(FeW)O₃-Pb(MgW)O₃ und/oder Kaliumnickelphosphat KNiPO₄.
MEMS-Stromsensor (1) nach dem vorherigen Anspruch dadurch gekennzeichnet, dass das Material (2), das die Magnetfelderfassungskomponente (3) umfasst, eine relative Permittivität ε_r von mindestens 10 und/oder eine Permeabilitätszahl µ_r von größer 1 aufweist.
MEMS-Stromsensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderfassungskomponente (3) als eine elastisch auslenkbare Komponente, bevorzugt als ein Cantilever, ausgebildet ist.
MEMS-Stromsensor (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderfassungskomponente (3) als eine elastisch auslenkbare Komponente, vorzugsweise ein Cantilever ausgebildet ist, wobei die Magnetfelderfassungskomponente (3) eine Schicht eines Material (2) umfasst, das sowohl ein piezoelektrisches als auch ein magnetisches Verhalten aufweist sowie optional eine weitere Stützschicht (5), welche ein mechanisches Stützmaterial umfasst.
MEMS-Stromsensor (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Messsignal ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend eine elektrische Spannung, ein elektrischer Messstrom und/oder eine Impedanz.
MEMS-Stromsensor (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfelderfassungskomponente (3) zur Erfassung des elektrischen Messsignales mit einer elektrischen Messeinheit, bevorzugt einer Elektrode (7), verbunden ist.
MEMS-Stromsensor (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Stromsensor (1) eine Recheneinheit umfasst, wobei die Recheneinheit dazu konfiguriert ist, auf Basis des elektrischen Messsignal, welches eine Auslenkung der Magneterfassungskomponente (3) reflektiert ein Stromfluss und/oder eine Veränderung eines Stromflusses durch das elektrisches Bauelement zu berechnen.
MEMS-Stromsensor (1) nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der MEMS-Stromsensor (1) eine Kommunikationseinheit umfasst, wobei die Kommunikationseinheit dazu konfiguriert ist, das elektrische Messsignal an eine externe Datenverarbeitungsorrichtung zu übertragen.
Verfahren zur Messung eines elektrischen Stromes umfassend die Schritte a. Bereitstellung eines elektrischen Bauelementes sowie eines MEMS-Stromsensors (1) gemäß einem der vorherigen Ansprüche b. Messung eines durch das elektrisches Bauelement fließenden elektrischen Stromes mit Hilfe der Magnetfelderfassungskomponente (3) des MEMS-Stromsensors (1) umfassend ein Material (2), das sowohl ein piezoelektrisches als auch ein magnetisches Verhalten aufweist, wobei die Magnetfelderfassungskomponente (3) dafür eingerichtet ist, ein Magnetfeld zu erfassen, das durch den elektrischen Strom induziert wird, indem durch das magnetischen Verhaltens des Materials die Magnetfelderfassungskomponente (3) ausgelenkt wird und durch das piezoelektrische Verhaltens des Materials (2) infolge der Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente (3) ein elektrisches Messsignal gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Messung eines Gleichstroms verwendet wird und die Magnetfelderfassungskomponente (3) durch den Gleichstrom statisch ausgelenkt wird, wobei eine Änderung des Gleichstroms zu einer Änderung des Magnetfelds führt, sodass die Änderung des Gleichstroms durch eine Änderung einer Auslenkung der Magnetfelderfassungskomponente (3) gemessen wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 und/oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Messung eines Wechselstroms verwendet wird und die Magnetfelderfassungskomponente (3) durch den Wechselstrom dynamisch ausgelenkt wird, wobei das durch den Wechselstrom induzierte Magnetfeld alternierend ist, sodass die Magnetfelderfassungskomponente (3) in Schwingungen versetzt wird und eine Änderung des Wechselstroms durch eine Änderung der Schwingungen der Magnetfelderfassungskomponente (3) gemessen wird.
System umfassend ein MEMS-Stromsensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-8 und ein elektrisches Bauelement, wobei die Magnetfelderfassungskomponente (3) mit dem elektrischen Bauelement wirkverbunden vorliegt.
System gemäß des vorherigen Anspruches dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Bauelement ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend eine Stromquelle und/oder ein elektrischer Leiter.
Verwendung eines MEMS-Stromsensor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1-8 für eine Überwachung einer aufladbaren Stromquelle, bevorzugt eines Akkus.