DE202019106894U1

DE202019106894U1 - Stromsensor mit integriertem Stromleiter

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Publication number: DE202019106894U1
Application number: DE202019106894.9U
Authority: DE
Original assignee: Melexis Technologies SA
Current assignee: Melexis Technologies SA
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2019-12-11
Publication date: 2020-03-05
Anticipated expiration: 2029-12-12
Also published as: US11035887B2; FR3090120A1; US20200191835A1; EP3671228A1; CN111308153A; FR3090120B1; EP3671228B1; DE102019133922A1

Abstract

Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) zum Messen eines Stroms (I), umfassend:
- einen Leitungsrahmen, der einen ersten Abschnitt, der erste Leitungen (101, 201, 301, 401, 501; 810) umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen elektrischen Leiter zu bilden, der angepasst ist, den zu messenden Strom zu führen, und einen zweiten Abschnitt umfasst, der eine Mehrzahl von zweiten Leitungen (102, 202, 302, 402, 502; 802) umfasst;
- ein Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810), das zumindest einen ersten Magnetsensor (111, 211, 311, 411, 511; 811) umfasst oder mit diesem verbunden ist und das einen zweiten Magnetsensor (112, 212, 312, 412, 512; 812) umfasst oder mit diesem verbunden ist, wobei der erste und der zweite Magnetsensor ein erstes Magnetsensorpaar bilden;
- wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse aufweist;
- wobei sich der erste Magnetsensor an einem ersten Ort befindet und zum Bereitstellen eines ersten Wertes (v1) konfiguriert ist, der eine erste Magnetfeldkomponente (B1x, B1z) an dem ersten Ort anzeigt;
- wobei sich der zweite Magnetsensor an einem zweiten Ort befindet und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes (v2) konfiguriert ist, der eine zweite Magnetfeldkomponente (B2x, B2z) an dem zweiten Ort anzeigt;
- wobei ein Magnetfeld, das durch den zu messenden Strom (I) beim Fließen durch den elektrischen Leiter induziert wird, einen ersten Magnetfeldvektor (B1) an dem ersten Sensorort definiert und einen zweiten Magnetfeldvektor (B2) an dem zweiten Sensorort definiert, wobei der erste Magnetfeldvektor (B1) und der zweite Magnetfeldvektor (B2) sich kreuzende oder sich schneidende Linien definieren;
- eine Verarbeitungsschaltung (610; 710), die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms (1) zumindest basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2), die von dem ersten Sensorpaar erhalten werden, angepasst ist;
- und wobei der elektrische Leiter eine Mittellinie (C) aufweist und ein erster Abstand (e1) zwischen der Mittellinie (C) und dem ersten Sensorort von einem zweiten Abstand (e2) zwischen der Mittellinie (C) und dem zweiten Sensorort verschieden ist;
- und wobei der erste und der zweite Sensorort angeordnet sind, sodass eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind:
i) eine Projektion des ersten Sensorortes senkrecht zu einer Ebene (p3) parallel zu dem elektrischen Leiter (103; 203; 303; 403; 503; 803) befindet sich außerhalb des elektrischen Leiters und eine Projektion des zweiten Sensorortes senkrecht zu der Ebene (p3) befindet sich innerhalb des elektrischen Leiters (103; 203; 303; 403; 503; 803);
ii) ein Winkel (γ1), der durch den ersten Magnetfeldvektor (B1) an dem ersten Sensorort und den zweiten Magnetfeldvektor (B2) an dem zweiten Sensorort definiert ist, ist ein Winkel in dem Bereich von 70° bis 110°;
iii) ein Winkel (γ2) zwischen einer ersten virtuellen Ebene (p1), die die Mittellinie (C) und den ersten Sensorort enthält, und einer zweiten virtuellen Ebene (p2), die die Mittellinie (C) und den zweiten Sensorort enthält, ist ein Winkel in dem Bereich von 30° bis 110°.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Stromsensoren und insbesondere Stromsensoren, die in der Lage sind, einen relativ hohen Strom (z.B. zumindest 30 Ampere) zu messen.
Hintergrund der Erfindung
Es gibt Stromsensoren, die auf Magnetsensoren zum Messen relativ hoher Ströme (z.B. zumindest 25 Ampere) basieren. Sie messen typischerweise einen Strom, der in einem äußeren Leiter fließt. Ein Problem eines solchen Stromsensorsystems besteht darin, dass die Genauigkeit der Messung stark von den Montagetoleranzen der Sensorvorrichtung in Bezug auf den elektrischen Leiter abhängt. Während es möglich ist, die Genauigkeit zu erhöhen, indem ein Kalibrierungstest auf Systemebene durchgeführt wird (z.B. nachdem der Sensorchip auf einer PCB montiert wurde), ist dies sehr unbequem, unterliegt menschlichen Fehlern, ist zeitaufwendig und kostspielig.
Es gibt immer Raum für Verbesserungen oder Alternativen.
Kurzdarstellung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der in der Lage ist, einen relativ hohen Strom (z.B. einen Strom von zumindest 30 Ampere) zu messen.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, eine „integrierte Stromsensorvorrichtung“ (d.h. mit einem in die Vorrichtung eingebauten elektrischen Leiter) bereitzustellen, die in der Lage ist, einen relativ hohen Strom (z.B. einen Strom von zumindest 30 Ampere) zu messen.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen solchen Stromsensor bereitzustellen, der sehr kompakt ist.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen solchen Stromsensor bereitzustellen, der gegenüber einem äußeren Störfeld (auch als „Streufeld“ bekannt) sehr unempfindlich ist.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der sehr genau ist, ohne dass ein Kalibrierungstest auf PCB-Ebene (z.B. durch einen OEM-Kunden) erforderlich ist.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der einfach herzustellen ist.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der mit verringerten Montagetoleranzen auf einer PCB montiert werden kann, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der einen Halbleiterchip umfasst und in der Lage ist, einen relativ hohen Strom (z.B. einen Strom von zumindest 30 Ampere) zu messen, ohne die Chipgröße (erheblich) zu vergrößern und ohne die Genauigkeit (erheblich) zu verringern.
Es ist eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen Stromsensor bereitzustellen, der einen integrierten elektrischen Leiter und einen Halbleiterchip, der kleiner als 7 mm² ist, umfasst und in der Lage ist, einen Strom von zumindest 40 Ampere zu messen.
Es ist auch eine Aufgabe von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, einen solchen Stromsensor bereitzustellen, der eine längere Lebensdauer aufweist, unter anderem, weil er für Risse oder Mikrorisse weniger empfindlich ist.
Diese und andere Aufgaben werden durch eine Stromsensorvorrichtung gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gelöst.
In einem ersten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Stromsensorvorrichtung zum Messen eines Stroms bereit, umfassend: einen Leitungsrahmen, der einen ersten Abschnitt (z.B. einen Hochleistungsabschnitt), der erste Leitungen (z.B. erste Eingangsleitungen und erste Ausgangsleitungen) umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen elektrischen Leiter zu bilden, der angepasst ist, den zu messenden Strom zu führen, und einen zweiten Abschnitt (z.B. einen Niedrigleistungsabschnitt) umfasst, der eine Mehrzahl von zweiten Leitungen umfasst; ein Substrat, das zumindest einen ersten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist und das einen zweiten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist, wobei der erste und der zweite Magnetsensor ein erstes Magnetsensorpaar bilden; wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse aufweist; wobei sich der erste Magnetsensor an einem ersten Ort befindet und zum Bereitstellen eines ersten Wertes konfiguriert ist, der eine erste Magnetfeldkomponente an dem ersten Ort anzeigt; wobei sich der zweite Magnetsensor an einem zweiten Ort befindet und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes konfiguriert ist, der eine zweite Magnetfeldkomponente an dem zweiten Ort anzeigt; wobei ein Magnetfeld, das durch den zu messenden Strom beim Fließen durch den elektrischen Leiter induziert wird, einen ersten Magnetfeldvektor an dem ersten Sensorort definiert und einen zweiten Magnetfeldvektor an dem zweiten Sensorort definiert, wobei der erste Magnetfeldvektor und der zweite Magnetfeldvektor sich kreuzende oder sich schneidende Linien definieren; eine Verarbeitungsschaltung, die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms zumindest basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert, die von dem ersten Sensorpaar erhalten werden, angepasst ist; und wobei der elektrische Leiter eine Mittellinie aufweist und ein erster Abstand zwischen der Mittellinie und dem ersten Sensorort von einem zweiten Abstand zwischen der Mittellinie und dem zweiten Sensorort verschieden ist; und wobei der erste und der zweite Sensorort angeordnet sind, sodass eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind: i) eine Projektion des ersten Sensorortes senkrecht zu einer Ebene parallel zu dem elektrischen Leiter (oder auf andere Weise parallel zu einer Ebene, die den elektrischen Leiter enthält) befindet sich außerhalb des elektrischen Leiters und eine Projektion des zweiten Sensorortes senkrecht zu der Ebene befindet sich innerhalb des elektrischen Leiters; ii) ein Winkel, der durch den ersten Magnetfeldvektor an dem ersten Sensorort und den zweiten Magnetfeldvektor an dem zweiten Sensorort definiert ist, ist ein Winkel in dem Bereich von 70° bis 110°; iii) ein Winkel zwischen einer ersten virtuellen Ebene, die die Mittellinie und den ersten Sensorort enthält, und einer zweiten virtuellen Ebene, die die Mittellinie und den zweiten Sensorort enthält, ist ein Winkel in dem Bereich von 30° bis 110° oder von 40° bis 110° oder von 50° bis 110° oder von 60° bis 110° oder von 70° bis 110° oder von 80° bis 100° oder von 50° bis 88° oder von 60° bis 88° oder von 30° bis 80° oder von 30° bis 88°.
Es ist ein Vorteil, den Strom basierend auf einer Differenz zwischen zwei Sensoren, die parallele Achsen maximaler Empfindlichkeit aufweisen, zu berechnen, weil dies ermöglicht, den Strom auf eine Weise zu bestimmen, die im Wesentlichen gegen Streufelder immun ist. Es ist ein Vorteil, den Strom basierend auf einer gewichteten Differenz zu berechnen, weil dies zusätzlich ermöglicht, Empfindlichkeitsfehlanpassungen zu kompensieren.
Es ist ein großer Vorteil, den elektrischen Leiter zu integrieren, weil dies eine hochgenaue Positionierung des Substrats (und somit der Magnetsensoren) in Bezug auf den elektrischen Leiter ermöglicht, im Gegensatz zu einem System, das in der Nähe eines äußeren elektrischen Leiters montiert ist, zum Beispiel auf einer PCB (Leiterplatte). Die Positionierungstoleranzen eines integrierten Stromsensors sind typischerweise um eine Größenordnung genauer als die Positionierungstoleranzen eines Chips auf einer PCB oder auf einem elektrischen Leiter. Darüber hinaus ist der Abstand zwischen dem Sensorort und einem integrierten Stromleiter typischerweise auch zumindest um einen Faktor 2 kleiner als der Abstand zwischen dem Sensorort und einem äußeren Stromleiter, und unter Berücksichtigung dessen, dass die magnetische Feldstärke typischerweise mit 1/r abnimmt und die Größe eines Magnetfeldgradienten typischerweise mit 1/(r*r) abnimmt, ist das SNR typischerweise zumindest um einen Faktor 4 gegenüber Lösungen, die einen äußeren Stromleiter verwenden, verbessert. Sowohl die kleineren Toleranzen als auch der kleinere Abstand sorgen dafür, dass ein Stromsensor mit einem integrierten oder eingebetteten elektrischen Leiter eine viel höhere Genauigkeit aufweist als ein Stromsensor, der an einem äußeren elektrischen Leiter montiert ist.
Es ist ein großer Vorteil, den ersten und den zweiten Sensor so anzuordnen, wie es in Bezug auf ihre projizierte Position oder in Bezug auf ihre Abstände zu der Mittellinie des elektrischen Leiters beschrieben ist, was in einfachen Worten so interpretiert werden könnte: angeordnet auf gegenüberliegenden Seiten einer Leiterkante anstatt auf oder nahe der gegenüberliegenden Seiten des elektrischen Leiters, weil dies die Beziehung zwischen der Substratbreite und der Leiterbreite entkoppelt, oder mit anderen Worten, dies ermöglicht, die Substratgröße (oder die Chipgröße) kleiner zu wählen als die Leiterbreite, was bei Lösungen, bei denen sich die Sensoren in nahe gegenüberliegenden Kanten des Stromleiters befinden, nicht möglich ist. Dieser Vorteil ist nicht zu unterschätzen, da die Kosten eines (z.B. Halbleiter-) Substrats einen erheblichen Anteil an den Gesamtkosten des Stromsensors ausmachen, während (für ein gegebenes Material und eine gegebene Dicke des elektrischen Leiters und für einen gegebenen maximalen zu messenden Strom) die Breite des elektrischen Leiters den elektrischen Widerstand des Leiters bestimmt und somit die Wärmeableitung (Joule-Ableitung) und damit den maximalen Strom, der mit dem integrierten Stromsensor gemessen werden kann.
Es ist ein Vorteil dieser Stromsensorvorrichtung, dass sie in der Lage ist, den Strom basierend auf der Messung eines Magnetfeldgradienten (z.B. ΔBx/Δx) zu messen.
Es ist ein Vorteil, den (zu messenden) Strom basierend auf einer Differenz zwischen Werten zu berechnen, die von zwei Sensoren, die parallele Achsen maximaler Empfindlichkeit aufweisen, bereitgestellt werden, weil dies ermöglicht, den Strom auf eine Weise zu bestimmen, die im Wesentlichen gegen Streufelder immun ist.
Es ist ein großer Vorteil, den elektrischen Leiter zu integrieren, weil dies eine hochgenaue Positionierung des Substrats in Bezug auf den elektrischen Leiter ermöglicht, im Gegensatz zu einem System, das eine Stromsensorvorrichtung umfasst, die in der Nähe eines äußeren elektrischen Leiters montiert ist, zum Beispiel auf einer PCB (Leiterplatte). Die Positionierungstoleranzen eines integrierten Stromsensors sind typischerweise um eine Größenordnung genauer als die Positionierungstoleranzen eines Chips auf einer PCB oder auf einem elektrischen Leiter. Wenn alle anderen Aspekte gleich bleiben, bedeutet dies, dass ein Stromsensor mit einem eingebetteten elektrischen Leiter eine viel höhere Genauigkeit aufweist als ein Stromsensor, der auf einem äußeren elektrischen Leiter montiert ist, sofern keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden, wie beispielsweise ein Kalibrierungstest durch den Endkunden in der Anwendung.
Es ist ein großer Vorteil, den zweiten Sensor „oberhalb oder unterhalb“ des elektrischen Leiters anzuordnen (odergemäß: „sodass dessen Projektion in einer Richtung senkrecht zu der Leiterebene, ein Ort „auf“ dem elektrischen Leiter ist), und dass der erste Sensor sich „außerhalb“ des elektrischen Leiters befindet (sodass sich dessen senkrechte Projektion „nicht auf“ dem elektrischen Leiter befindet), weil dies die Beziehung zwischen der Substratbreite und der Leiterbreite entkoppelt oder, mit anderen Worten, ermöglicht, dass die Substratgröße (oder Chipgröße) kleiner als die Leiterbreite gewählt werden kann, was bei Lösungen, bei denen sich die Sensoren nahe gegenüberliegenden Kanten des Stromleiters befinden, nicht möglich ist. Dieser Vorteil sollte nicht unterschätzt werden, da die Kosten des Substrats einen erheblichen Teil der Gesamtkosten des Stromsensors ausmachen, während (für ein gegebenes Material und eine gegebene Dicke des elektrischen Leiters und für einen gegebenen zu messenden maximalen Strom) die Breite des elektrischen Leiters den elektrischen Widerstand des Leiters und somit die Wärmeableitung (Joule-Ableitung) bestimmt.
Die vorliegende Erfindung basiert teilweise auf der Erkenntnis, dass die Breite des elektrischen Leiters vergrößert werden kann (und somit der elektrische Widerstand verringert oder der maximal zulässige Strom erhöht werden kann), ohne die Genauigkeit der Strommessung wesentlich zu beeinträchtigen und ohne die Chipgröße und somit die Kosten wesentlich zu erhöhen.
In einer Ausführungsform basiert der zu bestimmende Strom auf einer gewichteten Differenz des ersten Wertes (v1) und des zweiten Wertes (v2), und die jeweiligen Gewichtsfaktoren (A, B) werden ausgewählt, sodass ein gleichmäßiges äußeres Magnetfeld aufgehoben wird. Die Gewichtsfaktoren können zum Beispiel während eines Kalibrierungstests bestimmt und in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden und während der tatsächlichen Verwendung aus dem nichtflüchtigen Speicher abgerufen werden.
Die Stromsensorvorrichtung kann zum Beispiel hergestellt werden durch: a) Bereitstellen des Leitungsrahmens, der den elektrischen Leiter umfasst; b) gegebenenfalls Bereitstellen eines isolierenden Materials auf dem elektrischen Leiter; c) Montieren eines Substrats auf dem elektrischen Leiter oder auf dem isolierenden Material; d) elektrisches Verbinden der zweiten Leitungen mit dem Substrat (z.B. durch Anwenden von Verbindungsdrähten); e) Umspritzen des Leitungsrahmens und des Substrats.
Die ersten Leitungen können eine oder mehrere erste Eingangsleitungen (Primärstrom) und eine oder mehrere erste Ausgangsleitungen (Primärstrom) umfassen. Die Mehrzahl von zweiten Leitungen können auch als „Niederspannungsleitungen“ oder „Signalleitungen“ bezeichnet werden.
Damit, dass „der erste und der zweite Vektor die sich kreuzende oder sich schneidende Linien definieren“ ist gemeint, dass sich der erste Vektor auf einer ersten virtuellen Linie befindet und der zweite Vektor sich auf einer zweiten virtuellen Linie befindet und die erste Linie und die zweite Linie nicht parallel sind. Vorzugsweise definieren der erste und der zweite Vektor einen Winkel in dem Bereich von 5° bis 175° oder in dem Bereich von 185° bis 355° oder in dem Bereich von 70° bis 110°.
Der erste Sensor und der zweite Sensor können in das Substrat eingebettet sein oder können an oder auf dem Substrat montiert oder darauf abgeschieden sein. Alternativ ist nur der erste Sensor in das Substrat eingebettet, und der zweite Sensor ist in ein zweites Substrat eingebettet, das zum Beispiel mittels Verbindungsdrähten mit dem ersten Substrat verbunden ist.
Der „elektrische Leiter“ ist der Teil des Leitungsrahmens, der galvanisch mit den ersten Leitungen einschließlich der ersten Leitungen verbunden ist, und der elektrische Widerstand des elektrischen Leiters ist als der elektrische Widerstand definiert, der zwischen den ersten Eingangsleitungen und den ersten Ausgangsleitungen gemessen werden würde.
Die ersten Eingangsleitungen und die ersten Ausgangsleitungen können sich auf gegenüberliegenden Seiten der Vorrichtungsverpackung oder auf benachbarten Seiten der Vorrichtungsverpackung befinden (zum Beispiel eine L-Form bilden).
Eine solche Stromsensorvorrichtung kann hergestellt werden, durch: a) Bereitstellen des Leitungsrahmens, der den elektrischen Leiter umfasst; b) gegebenenfalls Bereitstellen eines isolierenden Materials auf dem elektrischen Leiter; c) Montieren eines Substrats auf dem elektrischen Leiter oder auf dem isolierenden Material; d) elektrisches Verbinden der zweiten Leitungen mit dem Substrat; e) Umspritzen des Leitungsrahmens und des Substrats.
Der elektrische Leiter kann einen balkenförmigen Abschnitt aufweisen, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist.
Ausführungsformen, bei denen der Leiter im Wesentlichen eben ist (z.B. balkenförmig) und bei denen der erste und der zweite Sensor zum Messen einer Magnetfeldkomponente im Wesentlichen parallel zu der durch den Leiter definierten Ebene (z.B. Bx-Feld) anstelle der Feldkomponente im Wesentlichen senkrecht zu dem im Wesentlichen ebenen Feld, angepasst sind, sind vorteilhaft, weil die Größe der Bx-Komponente im Wesentlichen unabhängig von der Leiterbreite ist, im Gegensatz zu Bz, die stark von der Leiterbreite abhängt. (mit Bz ist die Feldkomponente gemeint, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene ist).
Der erste und der zweite Magnetsensor sind in Bezug auf die Mittellinie asymmetrisch angeordnet.
Vorzugsweise weist der elektrische Leiter einen elektrischen Widerstand kleiner als 0,80 mOhm oder kleiner als 0,60 mOhm oder kleiner als 0,50 mOhm oder kleiner als 0,40 mOhm oder kleiner als 0,30 mOhm oder kleiner als 0,28 mOhm oder kleiner als 0,26 mOhm auf.
Es ist ein Vorteil, dass der elektrische Widerstand kleiner als zum Beispiel 0,30 mOhm ist, weil dies ermöglicht, dass die Stromsensorvorrichtung einen Strom von zumindest 30 Ampere durch den (integrierten) elektrischen Leiter leiten kann (mit Spitzenströmen bis zu 100 Ampere oder sogar 120 Ampere).
In einer Ausführungsform umfasst jeder von dem ersten und dem zweiten Magnetsensor höchstens ein oder zumindest ein oder zumindest zwei horizontale Hall-Elemente und zumindest einen oder zwei integrierte Magnetkonzentratoren (IMC).
Es ist ein Vorteil, IMC zu verwenden, weil dies Magnetfeldkomponenten in der Ebene (oft mit Bx oder By bezeichnet) in eine Magnetfeldkomponente außerhalb der Ebene (oft mit Bz bezeichnet) umwandelt, weil das letztere durch ein horizontales Hall-Element gemessen werden kann. Es ist ein weiterer Vorteil, IMC zu verwenden, weil dies eine passive Signalverstärkung (typischerweise um einen Faktor 5 oder 6) bereitstellt. Die IMC-Dicke liegt typischerweise in dem Bereich von etwa 20 bis 25 Mikron, ist z.B. gleich etwa 23 Mikron.
In einer Ausführungsform umfassen der erste und der zweite Magnetsensor jeweils zumindest ein vertikales Hall-Element. Die vertikalen Hall-Elemente können angeordnet sein, um eine Magnetfeldkomponente (Bx) zu messen, wobei die Feldkomponente Bx im Wesentlichen parallel zu der Ebene des elektrischen Leiters (wenn der elektrische Leiter im Wesentlichen eben ist) und in einer Richtung senkrecht zu der Mittellinie ausgerichtet ist.
In einer Ausführungsform umfassen der erste und der zweite Magnetsensor jeweils zumindest ein Magnetwiderstandselement. Das Magnetwiderstandselement kann zumindest eines von Indiumantimonid (InSb), ein Riesenmagnetwiderstandselement (GMR), ein anisotropes Magnetwiderstandselement (AMR), ein Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR) oder ein magnetisches Tunnelübergangselement (MTJ) umfassen.
Das zumindest eine Magnetwiderstandselement kann in einer Brückenschaltung angeordnet sein. Der Magnetsensor kann weiter eine Kompensationsspule und ein Stromerfassungssystem mit geschlossenem Regelkreis umfassen. Es ist ein Vorteil eines solchen Stromerfassungssystems mit geschlossenem Regelkreis, dass es Nichtlinearitäten verringern oder im Wesentlichen entfernen kann.
In einer Ausführungsform ist der Leitungsrahmen ein Kupfer-Leitungsrahmen, der eine Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron oder von 200 bis 500 Mikron aufweist, die z.B. im Wesentlichen gleich 200 Mikron oder im Wesentlichen gleich 250 Mikron ist.
Es ist nicht einfach, eine Stromsensorvorrichtung zu bauen, die in der Lage ist, einen Strom von zumindest 30 Ampere oder zumindest 40 Ampere oder zumindest 50 Ampere unter Verwendung eines internen Leiters zu messen, der als Teil des Leitungsrahmens mit einer Dicke in dem Bereich von 100 bis 400 Mikron oder gleich etwa 200 oder etwa 250 Mikron gebildet ist, unter anderem, weil die klassische Art und Weise, die elektrische Leitfähigkeit eines integrierten Leiters in Stromsensorvorrichtungen zu verringern, darin besteht, die Dicke des Leiters zu erhöhen (z.B. auf einen Wert über 1 mm) während die Breite des Leiters unverändert bleibt, weil ansonsten), wenn die Breite zunimmt und die Dicke gleich bleibt, die Größe des Substrats (und somit auch die Kosten) zunehmen muss.
In einer Ausführungsform ist ein erster Abstand zwischen einer Kante des elektrischen Leiters und der Projektion des ersten Sensorortes größer als 10% einer Breite des elektrischen Leiters; und/oder wobei ein zweiter Abstand zwischen der Mittellinie des elektrischen Leiters und der Projektion des zweiten Sensorortes kleiner als 10% einer Breite des elektrischen Leiters ist.
Es ist ein Vorteil, den ersten Sensor relativ weit entfernt von der Kante des elektrischen Leiters anzuordnen, weil dies einen relativ kleinen ersten Wert der Magnetfeldkomponente und somit eine relativ große Differenz (oder einen Gradienten) zwischen dem ersten und dem zweiten Wert bereitstellt.
Es ist ein Vorteil, den zweiten Sensor relativ nahe an der Mittellinie anzuordnen, z.B. im Wesentlichen in der Mitte des Leiters, z.B. von 40% bis 60% in einer Querrichtung des elektrischen Leiters, weil dies einen relativ großen zweiten Wert der Magnetfeldkomponente und somit eine relativ große Differenz (oder einen Gradienten) zwischen dem ersten und dem zweiten Wert bereitstellt.
Wenn der elektrische Leiter balkenförmig ist, ist die Länge im Wesentlichen parallel zu der Richtung des Stromflusses oder, mit anderen Worten, der Richtung von den ersten Eingangsleitungen zu den ersten Ausgangsleitungen (oder umgekehrt). Die Breite eines balkenförmigen Leiters ist senkrecht dazu. Und die Höhe des balkenförmigen Leiters ist kleiner als die Länge und kleiner als die Breite.
Wenn der elektrische Leiter nicht balkenförmig ist, ist „die Leiterbreite“ als das größte eines ersten Liniensegments, gemessen auf einer virtuellen Linie durch die erste Sensorposition und senkrecht zu der Mittellinie, und eines zweiten Liniensegments, gemessen auf einer virtuellen Linie durch die zweite Sensorposition und senkrecht zu der Mittellinie, definiert.
In einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen dem ersten Sensorort und dem zweiten Sensorort kleiner als eine Breite des elektrischen Leiters.
In einer Ausführungsform ist eine Breite Ws des Substrats kleiner als eine Breite Wc des elektrischen Leiters.
In einer Ausführungsform ist ein Abstand zwischen dem ersten Sensorort und dem zweiten Sensorort kleiner als 80% einer Breite Wc des elektrischen Leiters oder kleiner als 60% von Wc.
In einer Ausführungsform ist ein Abstand Δx zwischen dem ersten Sensorort und dem zweiten Sensorort ein Wert in dem Bereich von 1,0 mm bis 3,0 mm oder in dem Bereich von 1,0 mm bis 2,5 mm.
In einer Ausführungsform weist der elektrische Leiter eine Breite Wc in dem Bereich von 1,0 mm bis 7,0 mm auf; und/oder das Substrat weist eine Fläche in dem Bereich von 1 bis 5 mm² auf.
In einer Ausführungsform weist der elektrische Leiter eine Breite von etwa 4,0 ± 0,5 mm auf und das Substrat weist eine Größe von 2 ± 0,5 mm mal 3 ± 0,5 mm auf.
Vorzugsweise weist der elektrische Leiter einen Leiterabschnitt mit einem konstanten Querschnitt (in einer Ebene senkrecht zu der Mittellinie) in unmittelbarer Nähe des ersten und zweiten Magnetsensors auf.
In einer Ausführungsform weist das Substrat eine erste Oberfläche auf, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und die erste Oberfläche ist dem elektrischen Leiter zugewandt; und die Stromsensorvorrichtung umfasst weiter ein elektrisch isolierendes Material, das sich zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter befindet. Das elektrisch isolierende Material kann eine Polyamidschicht als Teil des Halbleiterchips (z.B. CMOS-Bauelement) sein oder kann ein elektrisch isolierendes Band sein, das zwischen dem Leitungsrahmen und dem Halbleiterchip aufgebracht ist.
Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass der Abstand zwischen den Magnetsensoren und dem elektrischen Leiter relativ klein ist und dass das von zumindest einem oder nur von einem der Sensoren gemessene Signal relativ groß ist (z.B. größer als in dem Fall, in dem die zweite Oberfläche dem elektrischen Leiter zugewandt ist). Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis.
In dieser Ausführungsform wird das Substrat vorzugsweise an einem ersten Bereich oder einem ersten Ende durch den elektrischen Leiter und das isolierende Material mechanisch gestützt. Das Substrat kann zusätzlich an einem gegenüberliegenden Bereich oder gegenüberliegenden Ende mechanisch gestützt werden oder kann an dem anderen Ende mit einem Spalt dazwischen schwebend belassen sein, wobei der Spalt mit Luft oder mit einer Formmasse oder mit einem isolierenden Band oder einem anderen elektrisch isolierenden Material (z.B. einem geeigneten Polymer) gefüllt sein kann.
In einer Ausführungsform weist das Substrat eine erste Oberfläche auf, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und die erste Oberfläche ist dem elektrischen Leiter zugewandt. Der Abstand zwischen der ersten Oberfläche und dem elektrischen Leiter kann ein Wert in dem Bereich von 150 bis 250 µm oder in dem Bereich von 170 bis 210 µm sein, zum Beispiel gleich etwa 190 Mikron.
In einer Ausführungsform ist das elektrisch isolierende Material angepasst, einer Spannung von zumindest 1000 Volt standzuhalten.
In einer Ausführungsform weist das Substrat eine erste Oberfläche auf, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und die erste Oberfläche ist vom elektrischen Leiter abgewandt. In dieser Ausführungsform ist ein elektrisch isolierendes Material zwischen dem elektrischen Leiter und dem Substrat nicht unbedingt erforderlich, aber ein elektrisch isolierendes Material kann gegebenenfalls vorhanden sein. In Ausführungsformen ohne elektrisch isolierendem Material kann das Substrat ohne zusätzliches isolierendes Material dazwischen direkt oben auf dem elektrischen Leiter positioniert werden. Dies ist einfacher herzustellen (erfordert weniger Material und weniger Handhabung) und ist somit schneller und billiger herzustellen. Der Abstand zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter kann ein Wert in dem Bereich von 300 bis 400 µm oder in dem Bereich von 320 bis 380 µm sein, zum Beispiel gleich etwa 350 Mikron.
In Ausführungsformen, in denen das Substrat mittels eines elektrisch isolierenden Bandes von dem elektrischen Leiter getrennt ist, kann der Abstand zwischen dem Substrat und dem elektrischen Leiter ein Wert in dem Bereich von etwa 10 bis 100 µm oder von 15 bis 100 µm oder von 20 bis 100 µm oder von 30 bis 100 µm oder von 30 bis 80 µm oder von 30 bis 50 µm sein, zum Beispiel gleich etwa 40 µm.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter eine Mehrzahl von Verbindungspads, die sich auf einem Abschnitt des Substrats befinden, der den elektrischen Leiter überlappt; und die Stromsensorvorrichtung umfasst weiter eine Mehrzahl von Verbindungsdrähten, die eine oder mehrere der Mehrzahl von zweiten Leitungen und einen oder mehrere der Mehrzahl von Verbindungspads miteinander verbinden.
In einer Ausführungsform befinden sich die Verbindungspads nur in einem Bereich des Substrats, der einem Abschnitt des Substrats entspricht, der mechanisch darunter gestützt wird (d.h. nicht schwebend gelassen ist).
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter eine Mehrzahl von Lötperlen, die mit zumindest einigen der zweiten Leitungen verbunden sind, jedoch galvanisch von dem elektrischen Leiter und von den ersten Leitungen getrennt sind.
Die galvanische Trennung kann durch einen mit Luft gefüllten Spalt oder einen mit Formmasse gefüllten Spalt oder einen mit einem isolierenden Material, z.B. einem isolierenden Band oder dergleichen, gefüllten Spalt implementiert sein.
In einer Ausführungsform umfasst die elektrische Schaltung einen Differenzverstärker, der zum Bestimmen und Verstärken der Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert konfiguriert ist.
In einer Ausführungsform umfasst die elektrische Schaltung einen Verstärker, der zum selektiven Verstärken des ersten Wertes und des zweiten Wertes konfiguriert ist, zum Beispiel mittels eines Schalters vor dem Verstärker, und die zwei verstärkten Signale können vorübergehend gespeichert werden (z.B. auf einem oder mehreren Abtast- und Halteschaltungen) und dann subtrahiert werden.
In einer Ausführungsform kann das erste Sensorsignal durch einen ersten Verstärker verstärkt werden, und der zweite Sensorsensor kann durch einen zweiten Verstärker verstärkt werden, und die zwei verstärkten Werte können voneinander subtrahiert werden.
Die Sensorvorrichtung kann weiter einen Analog-Digital-Wandler ADC umfassen, der zum Digitalisieren des verstärkten Differenzsignals (v1-v2) oder zum selektiven Digitalisieren des ersten verstärkten Signals und des zweiten verstärkten Signals konfiguriert ist. Der ADC kann Teil eines digitalen Prozessors sein, zum Beispiel eines programmierbaren Mikrocontrollers.
Der zu messende Strom kann als ein zu dem Strom proportionales analoges Ausgangssignal oder als ein digitales Signal bereitgestellt werden, das zum Beispiel über einen seriellen Bitstrom ausgegeben werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst die Stromsensorvorrichtung weiter einen digitalen Prozessor, der einen nichtflüchtigen Speicher, der zumindest einen konstanten Wert (z.B. einen Umrechnungsfaktor) speichert, oder ist mit diesem verbunden und der digitale Prozessor ist zum Bestimmen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert und basierend auf dem konstanten Wert angepasst.
Der digitale Prozessor kann einen Eingang aufweisen, der mit einem Ausgang des Differenzverstärkers verbunden ist, in welchem Fall der digitale Prozessor zum Digitalisieren des Differenzsignals und zum Multiplizieren des digitalisierten Wertes mit dem konstanten Wert K angepasst sein kann, zum Beispiel gemäß der Formel: I=K.(Δ,V), wobei ΔV das digitalisierte Differenzsignal ist.
Alternativ kann die Subtraktion in der digitalen Domäne durchgeführt werden. Der digitale Prozessor kann einen Eingang aufweisen, der mit einem Ausgang des Verstärkers verbunden ist, und der digitale Prozessor kann zum selektiven Digitalisieren jedes von dem ersten verstärkten Signal und dem zweiten verstärkten Signal angepasst sein, um die Subtraktion in der digitalen Domäne durchzuführen und um das Ergebnis mit dem konstanten Wert K zu multiplizieren, um ein Ergebnis zu erhalten, das den zu messenden Strom anzeigt, zum Beispiel gemäß der Formel: I=K.(V1-V2), wobei V1 ein digitalisierter Wert des (gegebenenfalls verstärkten) ersten Signals ist, und V2 ein digitalisierter Wert des (gegebenenfalls verstärkten) zweiten Signals ist.
In einer Variante kann der digitale Prozessor angepasst sein, um den Strom unter Verwendung der Formel zu berechnen: I=(A.V1) - (B.V2), wobei „A“ ein erster Verstärkungsfaktor (analog oder digital) ist und „B“ ein zweiter Verstärkungsfaktor (analog oder digital) ist. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass sie eine Empfindlichkeitsfehlanpassung korrigieren kann. Der Wert von A und von B kann in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden und während der Kalibrierung oder auf eine beliebige andere geeignete Weise bestimmt werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter zumindest einen Temperatursensor, der zum Messen von zumindest einer Temperatur, die sich auf eine Temperatur des ersten Magnetsensors und/oder des zweiten Magnetsensors bezieht, konfiguriert ist, wobei der zumindest eine Temperatursensor mit dem digitalen Prozessor verbunden ist; und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert und unter Berücksichtigung der zumindest einen gemessenen Temperatur angepasst ist.
Es ist ein Vorteil dieses Stromsensors, dass er einen Temperaturkompensationsmechanismus aufweist. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter einen ersten Temperatursensor und einen zweiten Temperatursensor, wobei der erste Temperatursensor zum Messen einer ersten Temperatur T1 des ersten Magnetsensors konfiguriert ist und der zweite Temperatursensor zum Messen einer zweiten Temperatur T2 des zweiten Magnetsensors konfiguriert ist, wobei der erste Temperatursensor und der zweite Temperatursensor mit dem digitalen Prozessor verbunden sind; und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert v1 und dem zweiten Wert v2 und unter Berücksichtigung der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur.
Es ist ein großer Vorteil dieser Ausführungsform, dass die Temperatur jedes Magnetsensors separat gemessen wird, weil die Temperatur des ersten und des zweiten Magnetsensors wesentlich verschieden sein kann, insbesondere wenn ein relativ hoher Strom (z.B. größer als 30 Ampere) gemessen wird, weil ein derart hoher Strom typischerweise bewirkt, dass sich der elektrische Leiter erheblich erwärmt und ein relativ großer Temperaturgradient über dem Substrat entsteht. Durch Messen und Berücksichtigen beider Temperaturen kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden. Darüber hinaus kann der Temperatursensor oder die Temperatursensoren auch verwendet werden, um zu erfassen, ob die Vorrichtung in ihrem spezifizierten Betriebsbereich arbeitet. Wenn nicht, dann kann die Sensorvorrichtung einen Fehler melden, der zu Sicherheitszwecken verwendet werden kann.
In einer Ausführungsform umfasst der erste Magnetsensor zumindest ein erstes horizontales Hall-Element und der erste Temperatursensor umgibt im Wesentlichen das erste horizontale Hall-Element und der zweite Magnetsensor umfasst zumindest ein zweites horizontales Hall-Element und der zweite Temperatursensor umgibt im Wesentlichen das zweite horizontale Hallelement.
Der Temperatursensor kann auf ähnliche Weise, wie in dem Patentdokument EP3109658A1 beschrieben, mit oder ohne Belastungssensor um die horizontalen Hall-Elemente herum angeordnet sein.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter zumindest einen Belastungssensor, der zum Messen von zumindest einem Belastungswert in Bezug auf eine mechanische Belastung, die vom ersten Magnetsensor erfahren wird, konfiguriert ist, wobei der zumindest eine Belastungssensor (z.B. kommunikativ) mit dem digitalen Prozessor verbunden ist; und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert und unter Berücksichtigung des zumindest einen gemessenen Belastungswertes angepasst ist.
Der Belastungssensor kann auf ähnliche Weise, wie in dem Patentdokument EP3109658A1 beschrieben, um das horizontale Hall-Element herum angeordnet sein, jedoch ohne einen Temperatursensor.
Es ist ein Vorteil dieses Stromsensors, dass er einen Belastungskompensationsmechanismus aufweist. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter einen ersten Belastungssensor und einen zweiten Belastungssensor, wobei der erste Belastungssensor zum Messen einer ersten Belastung an dem ersten Sensorort konfiguriert ist und der zweite Belastungssensor zum Messen einer zweiten Belastung an dem zweiten Sensorort konfiguriert ist, wobei der erste Belastungssensor und der zweite Belastungssensor mit dem digitalen Prozessor verbunden sind und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert v1 und dem zweiten Wert v2 und unter Berücksichtigung der ersten Belastung und der zweiten Belastung angepasst ist.
Es ist ein großer Vorteil dieser Ausführungsform, dass die (mechanische) Belastung jedes Magnetsensors separat gemessen wird, weil die auf den ersten und den zweiten Magnetsensor ausgeübte Belastung wesentlich verschieden sein kann, insbesondere wenn ein relativ hoher Strom (z.B. größer als 30 Ampere) wird gemessen, weil ein derart hoher Strom typischerweise bewirkt, dass sich der elektrische Leiter erheblich erwärmt und ein relativ großer Temperaturgradient über dem Substrat entsteht, der mechanische Belastung (in Bezug auf verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Materialien) bewirkt. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform umfasst das Substrat weiter einen ersten Temperatursensor und einen ersten Belastungssensor, die den ersten Magnetsensor umgeben, und einen zweiten Temperatursensor und einen zweiten Belastungssensor, die den zweiten Magnetsensor, den ersten Temperatursensor und den ersten Belastungssensor umgeben, wobei der zweite Temperatursensor und der zweite Belastungssensor (z.B. kommunikativ) mit dem digitalen Prozessor verbunden sind; und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stromes basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Wert (gegebenenfalls verstärkt mit oder multipliziert mit einem ersten Faktor A) und dem zweiten Wert (gegebenenfalls verstärkt mit oder multipliziert mit einem zweiten Faktor B) und unter Berücksichtigung der ersten und der zweiten Temperatur und der ersten und der zweiten Belastung angepasst ist, wobei die Faktoren A und B gewählt werden können, um eine Empfindlichkeitsfehlanpassung zu kompensieren.
Der Temperatursensor und der Belastungssensor können auf ähnliche Weise, wie in dem Patentdokument EP3109658A1 beschrieben, um den ersten und um den zweiten Magnetsensor herum angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Ausführungsform wird der Stromwert, der von der Verarbeitungsschaltung basierend auf dem ersten und dem zweiten Magnetsensor bestimmt wird, als ein erster Stromwert betrachtet; und das Substrat umfasst weiter einen dritten Magnetsensor, der auf ähnliche Weise wie der erste Magnetsensor angeordnet ist und zum Messen eines dritten Wertes konfiguriert ist, und umfasst weiter einen vierten Magnetsensor, der auf ähnliche Weise wie der zweite Magnetsensor angeordnet ist und zum Messen eines vierten Wertes konfiguriert ist; und wobei die Verarbeitungsschaltung weiter mit dem dritten Magnetsensor verbunden ist, um den dritten Wert zu erhalten, und mit dem vierten Magnetsensor, um den vierten Wert zu erhalten, und weiter zum Bestimmen eines zweiten Stromwertes basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem dritten Wert und dem vierten Wert angepasst ist; und weiter zum Vergleichen des zweiten Stromwertes und des ersten Stromwertes und, wenn eine Differenz oder ein Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Stromwert eine vorbestimmte Bedingung (z.B. innerhalb oder außerhalb eines vordefinierten Bereichs liegt) erfüllt, zum Bereitstellen eines Mittelwertes des ersten Stromwertes und des zweiten Stromwertes als den zu messenden Stromwert angepasst ist. Alternativ kann entweder der erste Stromwert oder der zweite Stromwert als „der“ Stromwert bereitgestellt werden.
Der dritte und vierte Magnetsensor können ein drittes und ein viertes horizontales Hall-Element umfassen und ein zweites Paar von Magnetsensoren bilden. Die Sensorelemente des zweiten Paares können sich im Wesentlichen in demselben Abstand von der Mittellinie befinden, wie die Sensorelemente des ersten Paares, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich.
Diese Ausführungsform kann vier Magnetsensoren zu Redundanzzwecken und/oder zu Zwecken der „funktionalen Sicherheit“ verwenden. In dem Fall, in dem der erste und der zweite Stromwert im Wesentlichen gleich sind, wird der Mittelwert dieser Ströme bereitgestellt, was die Genauigkeit weiter verbessert.
In dem Fall, in dem der erste und der zweite Wert zu stark abweichen (mehr als ein vordefinierter Wert oder mehr als ein vordefinierter Prozentsatz), kann die Stromsensorvorrichtung ein Fehlersignal, zum Beispiel ein analoges Fehlersignal, über eine derzweiten Leitungen oder einen digitalen Fehlerwert in einem seriellen Datenstrom über eine der zweiten Leitungen bereitstellen.
In einer besonderen Ausführungsform ist der Leitungsrahmen ein Kupfer-Leitungsrahmen., der eine Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron aufweist; und die ersten Leitungen umfassen erste Eingangsleitungen, die sich auf einer Seite der Vorrichtung befinden, und erste Ausgangsleitungen, die sich auf einer anderen Seite der Vorrichtung gegenüber der ersten Seite befinden; wobei der elektrische Leiter einen im Wesentlichen ebenen und im Wesentlichen balkenförmigen Verbindungsabschnitt umfasst, der eine Länge aufweist, die im Wesentlichen den gesamten Abstand zwischen den ersten Eingangsleitungen und den ersten Ausgangsleitungen überspannt; und wobei der elektrische Leiter einen elektrischen Widerstand von kleiner als 0,80 mOhm aufweist; und wobei der balkenförmige Verbindungsabschnitt eine Breite in dem Bereich von 1,0 mm bis 7,0 mm aufweist; und wobei das Halbleitersubstrat den ersten Magnetsensor und den zweiten Magnetsensor und die in das Substrat integrierte oder eingebettete Verarbeitungsschaltung umfasst; und wobei die Breite (Ws) des Substrats kleiner als die Breite (Wc) des balkenförmigen Verbindungsabschnitts ist; und wobei sich die Projektion des ersten Sensorortes senkrecht zu der Ebene (XY), die durch die Längen- und die Breitenrichtung des balkenförmigen Verbindungsabschnitts definiert ist, außerhalb des balkenförmigen Verbindungsabschnitts befindet, und wobei sich die Projektion des zweiten Sensorortes senkrecht zu dieser Ebene auf dem balkenförmigen Verbindungsabschnitt befindet; und wobei die Stromsensorvorrichtung umspritzt ist, um eine verpackte Stromsensorvorrichtung zu bilden.
In dieser Ausführungsform bildet der balkenförmige Verbindungsabschnitt einen großen Teil des elektrischen Leiters. Diese Ausführungsform weist die Kombination der vorstehend erwähnten Vorteile auf (z.B. hohe Genauigkeit, Unempfindlichkeit gegenüber einem äußeren Streufeld, gutes SNR, Fähigkeit zum Messen hoher Ströme, geringer elektrischer Widerstand, geringe Wärmeerzeugung usw.). Darüber hinaus ist diese Stromvorrichtung sehr kompakt, weist eine hohe mechanische Robustheit oder Steifheit auf und weist relativ geringe Materialkosten auf (unter anderem dank der geringen Größe des Halbleitersubstrats).
Es ist ein großer Vorteil dieser Vorrichtung, dass sie aufgrund einer verringerten Neigung zu Rissen oder Mikrorissen, die durch Temperaturschwankungen aufgrund von Joule-Erwärmung verursacht werden, eine längere Lebensdauer aufweist, im Gegensatz zu Vorrichtungen nach dem Stand der Technik mit einem gekrümmten Leiterabschnitt.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung auch ein Verfahren zum Herstellen einer Stromsensorvorrichtung zum Messen eines Stroms bereit, wobei das Verfahren die Schritte umfasst von: a) Bereitstellen eines Leitungsrahmens, umfassend einen ersten Abschnitt (z.B. einen Hochleistungsabschnitt), der erste Leitungen (z.B. erste Eingangsleitungen und erste Ausgangsleitungen) umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen elektrischen Leiter zu bilden, der angepasst ist, den zu messenden Strom zu führen, und einen zweiten Abschnitt (z.B. einen Niedrigleistungsabschnitt), der eine Mehrzahl von zweiten Leitungen umfasst; b) Bereitstellen eines Substrats, das zumindest einen ersten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist und einen zweiten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist, wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse aufweist; wobei sich der erste Magnetsensor an einem ersten Ort befindet und zum Bereitstellen eines ersten Wertes konfiguriert ist, der eine erste Magnetfeldkomponente an dem ersten Ort anzeigt; wobei sich der zweite Magnetsensor an einem zweiten Ort befindet und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes konfiguriert ist, der eine zweite Magnetfeldkomponente an dem zweiten Ort anzeigt; wobei ein Magnetfeld, das durch den zu messenden Strom beim Fließen durch den elektrischen Leiter induziert wird, einen ersten Magnetfeldvektor an dem ersten Sensorort definiert und einen zweiten Magnetfeldvektor an dem zweiten Sensorort definiert, wobei der erste Magnetfeldvektor und der zweite Magnetfeldvektor sich kreuzende oder sich schneidende Linien definieren; c) Montieren des Substrats in Bezug auf den Leitungsrahmen, sodass ein erster Abstand zwischen der Mittellinie und dem ersten Sensorort von einem zweiten Abstand zwischen der Mittellinie und dem zweiten Sensorort verschieden ist; und sodass der erste und der zweite Sensorort angeordnet sind, sodass eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt wird: i) eine Projektion des ersten Sensorortes senkrecht zu einer Ebene parallel zu dem elektrischen Leiter (oder auf andere Weise parallel zu einer Ebene, die den elektrischen Leiter enthält) befindet sich außerhalb des elektrischen Leiters und eine Projektion des zweiten Sensorortes senkrecht zu der Ebene befindet sich innerhalb des elektrischen Leiters; ii) ein Winkel, der durch den ersten Magnetfeldvektor an dem ersten Sensorort und den zweiten Magnetfeldvektor an dem zweiten Sensorort definiert ist, ist ein Winkel in dem Bereich von 70° bis 110°; iii) ein Winkel zwischen einer ersten virtuellen Ebene, die die Mittellinie und den ersten Sensorort enthält, und einer zweiten virtuellen Ebene, die die Mittellinie und den zweiten Sensorort enthält, ist ein Winkel in dem Bereich von 70° bis 110° oder von 80° bis 100° oder von 50° bis 88° oder von 60° bis 88°; d) Bereitstellen einer Verarbeitungsschaltung, die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms zumindest basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert, die von dem ersten Sensorpaar erhalten werden, angepasst ist; wobei der elektrische Leiter eine Mittellinie aufweist.
Die Verarbeitungsschaltung kann auf demselben Substrat wie der erste Magnetsensor und/oder der zweite Magnetsensor eingebettet sein, in welchem Fall Schritt d) in Schritt b) enthalten sein kann.
Gemäß einem dritten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung auch eine Stromsensorvorrichtung zum Messen eines Stroms bereit, umfassend: einen Leitungsrahmen, der einen ersten Abschnitt (z.B. einen Hochleistungsabschnitt) umfasst, der erste Leitungen (z.B. erste Eingangsleitungen und erste Ausgangsleitungen) umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen elektrischen Leiter zu bilden, der angepasst ist, den zu messenden Strom zu führen; ein Substrat, das zumindest einen ersten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist und einen zweiten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist; wobei der erste und der zweite Magnetsensor ein erstes Magnetsensorpaar bilden; wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse aufweist; wobei sich der erste Magnetsensor an einem ersten Ort befindet und zum Bereitstellen eines ersten Wertes konfiguriert ist, der eine erste Magnetfeldkomponente eines magnetischen Feldes, das von dem Strom an dem ersten Ort induziert wird, anzeigt; wobei sich der zweite Magnetsensor an einem zweiten Ort befindet und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes konfiguriert ist, der eine zweite Magnetfeldkomponente des magnetischen Feldes an dem zweiten Ort anzeigt, eine Verarbeitungsschaltung, die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen eines Magnetfeldgradienten des Magnetfeldes zumindest basierend auf einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert angepasst ist, wobei die jeweiligen Gewichtsfaktoren so gewählt sind, dass ein gleichmäßiges äußeres Magnetfeld aufgehoben wird.
Besondere und bevorzugte Aspekte der Erfindung sind in den beigefügten unabhängigen und abhängigen Ansprüchen dargelegt. Merkmale aus den abhängigen Ansprüchen können gegebenenfalls mit Merkmalen der unabhängigen Ansprüche und mit Merkmalen anderer abhängiger Ansprüche kombiniert werden und nicht nur so, wie dies in den Ansprüchen ausdrücklich dargelegt ist.
Diese und andere Aspekte der Erfindung werden aus der/den nachstehend beschriebenen Ausführungsform/Ausführungsformen ersichtlich und unter Bezugnahme auf diese erläutert.
Figurenliste

1(a) und 1(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht.
1(c) zeigt eine vergrößerte Ansicht von 1(b).
2(a) und 2(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht.
3(a) und 3(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht.
4(a) und 4(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht.
5(a) und 5(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht.
6 zeigt ein elektrisches Blockdiagramm einer elektrischen Schaltung, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
7 zeigt ein elektrisches Blockdiagramm einer elektrischen Schaltung, die in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
8(a) und 8(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Herstellen eines Stromsensors gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.

Die Zeichnungen sind nur schematisch und nicht einschränkend. in den Zeichnungen ist die Größe einiger Elemente möglicherweise übertrieben und zur Veranschaulichung nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Alle Bezugszeichen in den Ansprüchen sollen nicht als den Umfang einschränkend ausgelegt werden. In den verschiedenen Zeichnungen beziehen sich die gleichen Bezugszeichen auf die gleichen oder analoge Elemente.
Detaillierte Beschreibung veranschaulichender Ausführungsformen
Die vorliegende Erfindung wird mit Bezug auf besondere Ausführungsformen und mit Bezug auf bestimmte Zeichnungen beschrieben, aber die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, sondern nur durch die Ansprüche. Die beschriebenen Zeichnungen sind nur schematisch und nicht einschränkend. In den Zeichnungen ist die Größe einiger Elemente möglicherweise übertrieben und zur Veranschaulichung nicht maßstabsgetreu gezeichnet. Die Abmessungen und die relativen Abmessungen entsprechen nicht den tatsächlichen Reduzierungen bei der Ausführung der Erfindung.
Des Weiteren werden die Begriffe erstens, zweitens und dergleichen in der Beschreibung und in den Ansprüchen zur Unterscheidung zwischen ähnlichen Elementen und nicht notwendigerweise zur zeitlichen, räumlichen, rangmäßigen oder sonstigen Beschreibung einer Sequenz verwendet. Es versteht sich, dass die so verwendeten Ausdrücke unter geeigneten Umständen austauschbar sind und dass die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in anderen Sequenzen als hier beschrieben oder dargestellt betrieben werden können.
Darüber hinaus werden die Begriffe oben, unten und dergleichen in der Beschreibung und den Ansprüchen zu beschreibenden Zwecken und nicht notwendigerweise zur Beschreibung relativer Positionen verwendet. Es versteht sich, dass die so verwendeten Begriffe unter geeigneten Umständen austauschbar sind und dass die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung in anderen Ausrichtungen als hier beschrieben oder dargestellt betrieben werden können.
Es ist anzumerken, dass der in den Ansprüchen verwendete Begriff „umfassend“ nicht als auf die nachfolgend aufgeführten Mittel beschränkt zu interpretieren ist; er schließt andere Elemente oder Schritte nicht aus. Er ist somit so auszulegen, dass er das Vorhandensein der genannten Merkmale, ganzen Zahlen, Schritte oder Komponenten angibt, schließt jedoch das Vorhandensein oder Hinzufügen von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten oder Komponenten oder Gruppen davon nicht aus. Somit sollte der Umfang des Ausdrucks „eine Vorrichtung, die Mittel A und B umfasst“ nicht auf Vorrichtungen beschränkt sein, die nur aus den Komponenten A und B bestehen. Es bedeutet, dass in Bezug auf die vorliegende Erfindung die einzelnen relevanten Komponenten der Vorrichtung A und B sind.
Eine Bezugnahme in dieser Beschreibung auf „eine Ausführungsform“ bedeutet, dass ein besonderes Merkmal, eine besondere Struktur oder eine besondere Eigenschaft, die in Verbindung mit der Ausführungsform beschrieben wurden, in zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten ist. Somit bezieht sich der Ausdruck „in einer Ausführungsform“ an verschiedenen Stellen in dieser Beschreibung nicht notwendigerweise auf dieselbe Ausführungsform, kann es jedoch. Des Weiteren können die besonderen Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften in einer oder mehreren Ausführungsformen auf jede geeignete Weise kombiniert werden, wie es einem Fachmann aus dieser Offenbarung ersichtlich ist.
In ähnlicher Weise versteht es sich, dass in der Beschreibung beispielhafter Ausführungsformen der Erfindung verschiedene Merkmale der Erfindung manchmal in einer einzelnen Ausführungsform, Figur oder Beschreibung derselben zusammengefasst sind, um die Offenbarung zu straffen und das Verständnis eines oder mehrerer der verschiedenen erfinderischen Aspekte zu unterstützen. Dieses Offenbarungsverfahren ist jedoch nicht so auszulegen, dass es die Absicht widerspiegelt, dass die beanspruchte Erfindung mehr Merkmale erfordert, als in jedem Anspruch ausdrücklich angegeben sind. Vielmehr liegen, wie die folgenden Ansprüche widerspiegeln, erfinderische Aspekte in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen vorangehenden offenbarten Ausführungsform. Somit werden die Ansprüche, die auf die detaillierte Beschreibung folgen, hiermit ausdrücklich in diese detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch für sich als separate Ausführungsform dieser Erfindung steht.
Während einige hierin beschriebene Ausführungsformen einige, aber nicht andere Merkmale, die in anderen Ausführungsformen enthalten sind, enthalten, sollen des Weiteren Kombinationen von Merkmalen verschiedener Ausführungsformen im Umfang der Erfindung liegen und verschiedene Ausführungsformen bilden, wie es für Fachleute auf diesem Gebiet verständlich ist. Zum Beispiel kann in den folgenden Ansprüchen jede der beanspruchten Ausführungsformen in einer beliebigen Kombination verwendet werden.
In der hier bereitgestellten Beschreibung werden zahlreiche spezifische Details dargelegt. Es versteht sich jedoch, dass Ausführungsformen der Erfindung ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden können. In anderen Fällen wurden bekannte Verfahren, Strukturen und Techniken nicht im Detail gezeigt, um das Verständnis dieser Beschreibung nicht zu beeinträchtigen.
In diesem Dokument werden die Begriffe „Mittellinie“ und „Herzlinie“ synonym verwendet.
Der Begriff „Magnetsensor“, wie er hier verwendet wird, kann sich auf ein oder mehrere Sensorelemente beziehen, die in der Lage sind, einen oder mehrere magnetische Effekte, wie den Hall-Effekt, oder Magnetwiderstandseffekte (MR-Effekte) messen können. Nicht einschränkende Beispiele für Magnetwiderstandseffekte schließen GMR (Riesenmagnetwiderstand), CMR (kolossaler Magnetwiderstand), AMR (anisotroper Magnetwiderstand) oder TMR (Tunnelmagnetwiderstand) ein. Abhängig vom Kontext kann sich der Begriff „Magnetsensor“ auf ein einzelnes magnetempfindliches Element (z.B. ein horizontales Hall-Element oder ein vertikales Hall-Element) oder auf eine Gruppe magnetischer Elemente (die z.B. in einer Wheatstone-Brücke angeordnet sind oder auf eine Gruppe von zumindest zwei parallel geschalteten Hall-Sensorelementen) oder auf einer Teilschaltung beziehen, die weiter eines oder mehrere umfasst von: einer Vorspannungsschaltung, einer Ausleseschaltung, einem Verstärker, einem Analog-Digital-Wandler usw.
Der Ausdruck „integrierter Stromsensor“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine integrierte Schaltung (Chip oder IC), die einen elektrischen Leiter umfasst, der in der Lage ist, den gesamten zu messenden Strom zu leiten. Der elektrische Leiter ist typischerweise zumindest teilweise von einer Formmasse umgeben (z.B. auf eine Weise, bei der höchstens eine Oberfläche freiliegt). Eine solche umspritzte Vorrichtung wird hier auch als „verpackte Vorrichtung“ bezeichnet.
Wenn auf die „Breite des elektrischen Leiters“ Bezug genommen wird, ist (allgemein) die „lokale Querabmessung des elektrischen Leiters an jedem Punkt der Mittellinie in einer Ebene senkrecht zu der Mittellinie und parallel zu der durch den Leitungsrahmen definierten Ebene“ gemeint, es sei denn, es geht aus dem Zusammenhang klar hervor, dass etwas anderes gemeint ist. Für den speziellen Fall eines balkenförmigen elektrischen Leiters bedeutet die Länge einfach die Abmessung zwischen der ersten und der zweiten Leitung (in denen der Strom während des normalen Gebrauchs fließt), und die Breite bedeutet einfach die Abmessung des Leiters quer zu dieser Richtung.
Wenn auf eine „gewichtete Differenz“ Bezug genommen wird, ist damit eine Differenz zwischen zwei Werten gemeint, nachdem einer oder beide Werte mit einem jeweiligen Faktor multipliziert wurden. Was im Rahmen der vorliegenden Erfindung mit „gewichteter Differenz von Wert V1 und Wert V2“ gemeint ist, ist ein Wert V, der als A *V1-B*V2 berechnet wird, wobei A und B vordefinierte Konstanten sind, wobei V1 der erste Wert ist und V2 der zweite Wert ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft Stromsensoren auf der Basis von Magnetsensoren, die auch als „Magnetstromsensoren“ bezeichnet werden, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeuganwendungen (z.B. zum Messen eines Stroms in Elektro- oder Hybridfahrzeugen). Der Stromsensor muss in der Lage sein, Ströme von zumindest 30 Ampere Gleichstrom mit Spitzen von bis zu 100 Ampere oder bis zu 120 Ampere zu messen.
Die vorliegende Erfindung schlägt eine Stromsensorvorrichtung zum Messen eines Stroms vor. Die Vorrichtung umfasst einen Leitungsrahmen. Der Leitungsrahmen umfasst einen ersten Abschnitt (z.B. einen Hochleistungsabschnitt), der erste Leitungen (z.B. erste Eingangsleitungen und erste Ausgangsleitungen) umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen elektrischen Leiter zu bilden, der angepasst ist, den zu messenden Strom zu führen, und einen zweiten Abschnitt (z.B. einen Niedrigleistungsabschnitt), der eine Mehrzahl von zweiten Leitungen umfasst. Die Vorrichtung umfasst weiter zumindest ein Substrat (z.B. einen einzelnen Halbleiterchip oder zwei Halbleiterchips oder einen Mehrfachchip). Das Substrat kann in Bezug auf den elektrischen Leiter an einer vordefinierten Position montiert sein. Das Substrat umfasst oder ist mit zumindest einem ersten Magnetsensor verbunden und umfasst oder ist mit einem zweiten Magnetsensor verbunden. Jeder Magnetsensor kann ein oder mehrere Erfassungselemente und/oder eine Erregerschaltung und/oder eine Ausleseschaltung umfassen. Der erste Magnetsensor weist eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit auf und der zweite Magnetsensor weist eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit auf. Der erste und der zweite Magnetsensor sind so angeordnet, dass die erste Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der zweiten Achse maximaler Empfindlichkeit ist. Der erste Magnetsensor befindet sich an einem ersten Ort und ist zum Bereitstellen eines ersten Wertes konfiguriert, der eine erste Magnetfeldkomponente (z.B. eine Feldkomponente in der Ebene des Substrats oder in einer orthogonalen Richtung zu der Substratoberfläche) an dem ersten Ort anzeigt. Der zweite Magnetsensor befindet sich an einem zweiten Ort. Der zweite Ort kann von dem ersten Ort beabstandet sein. Der zweite Magnetsensor ist zum Bereitstellen eines zweiten Wertes konfiguriert, der eine zweite Magnetfeldkomponente (z.B. eine Feldkomponente in der Ebene des Substrats oder in einer virtuellen Ebene orthogonal zu der Ebene des Substrats) an dem zweiten Ort anzeigt. Das Magnetfeld, das durch den zu messenden Strom beim Fließen durch den elektrischen Leiter induziert wird, definiert einen ersten Magnetfeldvektor an dem ersten Sensorort und einen zweiten Magnetfeldvektor an dem zweiten Sensorort. Der erste Magnetfeldvektor und der zweite Magnetfeldvektor sind nicht parallel, d.h. sie definieren sich kreuzende oder sich schneidende Linien. Die Stromsensorvorrichtung umfasst weiter eine Verarbeitungsschaltung. Die Verarbeitungsschaltung kann auf dem Substrat, das den ersten Magnetsensor und/oder den zweiten Magnetsensor umfasst, oder auf einem anderen Substrat integriert sein. Die Verarbeitungsschaltung ist mit dem ersten Magnetsensor verbunden, um den ersten Wert zu erhalten, und ist mit dem zweiten Magnetsensor verbunden, um den zweiten Wert zu erhalten, und ist angepasst oder konfiguriert, um den zu messenden Strom basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert und dem zweiten Wert zu bestimmen. Der elektrische Leiter weist eine Mittellinie auf. Der elektrische Leiter kann einen relativ kurzen oder einen relativ langen balkenförmigen Abschnitt oder sogar einen infinitesimalen kleinen balkenförmigen Leiterabschnitt aufweisen. In solchen Ausführungsformen fließt der zu messende Strom in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der Mittellinie und deutlich senkrecht zu einem Querschnitt des Leitungsrahmens ist, oder anders gesagt, parallel zu einer Ebene, die den elektrischen Leiter enthält. Der zu messende Strom fließt beim Fließen in dem elektrischen Leiter in einer Richtung im Wesentlichen parallel zu der Mittellinie. Der erste und der zweite Sensorort sind in Bezug auf die Mittellinie asymmetrisch angeordnet. Insbesondere können der erste und der zweite Sensorort angeordnet sein, sodass eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind: i) eine Projektion des ersten Sensorortes senkrecht zu einer Ebene parallel zu dem elektrischen Leiter befindet sich außerhalb des elektrischen Leiters und eine Projektion des zweiten Sensorortes senkrecht zu der Ebene befindet sich innerhalb des elektrischen Leiters; ii) ein Winkel γ1, der durch den ersten Magnetfeldvektor B1 an dem ersten Sensorort und den zweiten Magnetfeldvektor B2 an dem zweiten Sensorort definiert ist, ist ein Winkel in dem Bereich von 70° bis 110°; iii) ein Winkel γ2 zwischen einer ersten virtuellen Ebene, die die Mittellinie und den ersten Sensorort enthält, und einer zweiten virtuellen Ebene, die die Mittellinie und den zweiten Sensorort enthält, ist ein Winkel in dem Bereich von 70° bis 110°.
Es ist ein Vorteil dieser Stromsensorvorrichtung, dass sie in der Lage ist, den Strom basierend auf der Messung eines Magnetfeldgradienten (z.B. ΔBx/Δx) zu messen.
Es ist ein Vorteil, den Strom auf diese Weise zu berechnen, weil dies ermöglicht, den Strom auf eine Weise zu bestimmen, die im Wesentlichen gegen Streufelder immun ist.
Es ist ein großer Vorteil, den elektrischen Leiter zu integrieren, weil dies eine hochgenaue Positionierung des Substrats in Bezug auf den elektrischen Leiter ermöglicht, im Gegensatz zu einem System mit einem Stromleiter, der in der Nähe eines äußeren elektrischen Leiters montiert ist, zum Beispiel auf einer PCB (Leiterplatte). Die Positionierungstoleranzen eines integrierten Stromsensors sind typischerweise um eine Größenordnung genauer als die Positionierungstoleranzen eines Chips auf einer PCB oder auf einem elektrischen Leiter. Wenn alle anderen Aspekte gleich bleiben, bedeutet dies, dass ein Stromsensor mit einem eingebetteten elektrischen Leiter eine viel höhere Genauigkeit aufweist als ein Stromsensor, der an einem äußeren elektrischen Leiter montiert ist, sofern keine zusätzlichen Maßnahmen ergriffen werden, wie beispielsweise ein Kalibrierungstest durch den Endkunden in der Anwendung.
Es ist ein großer Vorteil, den ersten Sensor oberhalb oder unterhalb des elektrischen Leiters und den zweiten Sensor außerhalb des elektrischen Leiters anzuordnen, da dies die Beziehung zwischen der Substratbreite und der Leiterbreite entkoppelt oder, mit anderen Worten, ermöglicht, das die Substratgröße (oder Chipgröße) kleiner als die Leiterbreite W gewählt werden kann, was bei Lösungen, bei denen sich die Sensoren nahe gegenüberliegender Kanten des Stromleiters befinden, nicht möglich ist. Dieser Vorteil sollte nicht unterschätzt werden, da die Kosten des Substrats einen erheblichen Teil der Gesamtkosten des Stromsensors ausmachen, während (für ein gegebenes Material und eine gegebene Dicke des elektrischen Leiters und für einen gegebenen zu messenden maximalen Strom) die Breite des elektrischen Leiters den elektrischen Widerstand des Leiters und damit die Wärmeableitung (Joule-Ableitung) bestimmt.
Der elektrische Leiter kann einen elektrischen Widerstand kleiner als 0,50 mOhm oder kleiner als 0,40 mOhm oder kleiner als 0,30 mOhm oder kleiner als 0,28 mOhm oder kleiner als 0,26 mOhm oder kleiner als 0,24 mOhm oder kleiner als 0,22 mOhm oder kleiner als 0,20 mOhm aufweisen, damit der elektrische Leiter einen Strom von zumindest 30 A führen kann.
Die vorliegende Erfindung beruht teilweise auf der Erkenntnis, dass die Breite des elektrischen Leiters durch diese spezielle Anordnung des ersten und zweiten Stromsensors erhöht werden kann (und somit der elektrische Widerstand verringert oder der maximal zulässige Strom erhöht werden kann), ohne die Genauigkeit der Strommessung zu beeinträchtigen und ohne die Chipgröße und damit die Kosten zu erhöhen. Weitere optionale Verbesserungen werden nachstehend erläutert.
Es wird nun auf die Figuren Bezug genommen.
1(a) und 1(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht.
Die Stromsensorvorrichtung 100 umfasst einen Leitungsrahmen 103, der einen ersten Abschnitt (z.B. einen Hochleistungsabschnitt) umfasst, der erste Leitungen 101 umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen elektrischen Leiter zu bilden, der angepasst ist, den zu messenden Strom zu führen. In dem gezeigten Beispiel ist eine Mehrzahl von ersten Eingangsleitungen 101a mit einer Mehrzahl von Ausgangsleitungen 101b durch einen elektrischen Leiter 103 verbunden, der eine Breite Wc aufweist, die in einer lokalen Querrichtung in Bezug auf eine Mittellinie des elektrischen Leiters gemessen wird. Der elektrische Leiter kann einen balkenförmigen Abschnitt aufweisen, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist. Der balkenförmige Abschnitt kann sich über den gesamten Abstand zwischen den ersten Eingangsleitungen 101a und den ersten Ausgangsleitungen 101b erstrecken. Der Leitungsrahmen umfasst weiter einen zweiten Abschnitt (z.B. einen Niedrigleistungsabschnitt), der eine Mehrzahl von zweiten Leitungen 102 umfasst.
Die Stromsensorvorrichtung 100 umfasst weiter ein Substrat 110 (z.B. ein Halbleitersubstrat), das an einer vordefinierten Position in Bezug auf den elektrischen Leiter, insbesondere auf den elektrischen Leiter 103, montiert ist. Das Substrat 110 umfasst zumindest einen ersten Magnetsensor 111 und einen zweiten Magnetsensor 112. In dem Beispiel von 1 umfasst jeder Sensor zwei horizontale Hall-Elemente und zwei integrierte Magnetkonzentrator-Strukturen (IMC). In dem Beispiel von 1 weisen die IMC-Strukturen eine achteckige Form auf, aber dies ist nicht unbedingt erforderlich, damit die Erfindung funktioniert. Diese Anordnung ermöglicht das Messen einer Magnetfeldkomponente (bezeichnet als Bx) parallel zu der Substratebene unter Verwendung horizontaler Hall-Elemente. Andere Ausführungsformen können andere Sensortechnologien in der Ebene, wie beispielsweise XMR oder vertikale Hall-Platten, verwenden. In anderen Ausführungsformen können horizontale Hallplatten auch verwendet werden, um Magnetfelder außerhalb der Ebene zu erfassen (oft als Bz-Feld bezeichnet).
Der erste Magnetsensor 111 weist eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit auf und der zweite Magnetsensor 112 weist eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse auf. Dies ermöglicht, dass die Signale auf eine Weise kombiniert (z.B. subtrahiert) werden, die im Wesentlichen gegen Streufelder immun ist.
Der erste Magnetsensor 111 befindet sich an einem ersten Ort und ist zum Bereitstellen eines ersten Wertes v1 konfiguriert, der eine erste Magnetfeldkomponente (z.B. B1x, die eine Projektion des Magnetfeldvektors B1 auf die X-Achse ist) an dem ersten Ort anzeigt.
Der zweite Magnetsensor 112 befindet sich an einem zweiten Ort, der von dem ersten Ort Δx beabstandet ist, und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes v2 konfiguriert ist, der eine zweite Magnetfeldkomponente (z.B. B2x, die eine Projektion des Magnetfeldvektors B2 auf die X-Achse ist) an dem zweiten Ort anzeigt.
Wenn ein zu messender Strom durch den elektrischen Leiter, insbesondere durch den elektrischen Leiter 103 fließt, wird ein Magnetfeld erzeugt, das von dem ersten und dem zweiten Magnetsensor 111, 112 gemessen wird. Dieses Magnetfeld definiert einen ersten Magnetfeldvektor B1 an dem ersten Sensorort und definiert einen zweiten Magnetfeldvektor B2 an dem zweiten Sensorort. Der erste Magnetfeldvektor B1 und der zweite Magnetfeldvektor B2 sind nicht parallel, sondern definieren sich kreuzende oder sich schneidende Linien in einer Draufsicht senkrecht zu der Mittellinie. Die sich schneidende Linien in einer Draufsicht senkrecht zu der Mittellinie definieren einen Schnittwinkel, der in dem Bereich von 50° bis 110° oder von 75° bis 105° liegt.
Die Sensorschaltung 100 umfasst weiter eine Schaltung, z.B. eine elektrische Verarbeitungsschaltung (siehe z.B. 6 oder 7), die auf dem Substrat integriert und mit dem ersten Magnetsensor zum Erhalten des ersten Wertes v1 verbunden ist und mit dem zweiten Magnetsensor zum Erhalten des zweiten Wertes v2 verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert v1 und dem zweiten Wert v2 angepasst ist.
Gemäß einem wichtigen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der elektrische Leiter einen elektrischen Widerstand kleiner als 0,80 mOhm oder kleiner als 0,50 mOhm oder kleiner als 0,40 mOhm oder kleiner als 0,30 mOhm oder kleiner als 0,28 mOhm oder kleiner als 0,26 mOhm auf, einschließlich des elektrischen Widerstands der ersten Eingangsleitungen 101a und der ersten Ausgangsleitungen 101b. Dies kann erhalten werden, indem ein geeignetes Leitungsrahmenmaterial (z.B. Kupfer) und eine geeignete Länge Lc und Breite Wc und Leitungsrahmendicke gewählt werden. Dank dieses niedrigen Widerstandswertes kann die Verlustleistung, die durch einen durch den elektrischen Leiter fließenden Strom verursacht wird, begrenzt werden, wodurch der Temperaturanstieg begrenzt werden kann.
Der elektrische Leiter weist eine Mittellinie C auf. Der erste und der zweite Sensorort sind angeordnet, sodass eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind: i) eine Projektion des ersten Sensorortes senkrecht zu einer Ebene p3 parallel zu dem elektrischen Leiter 103 befindet sich außerhalb des elektrischen Leiters und eine Projektion des zweiten Sensorortes senkrecht zu der Ebene p3 befindet sich innerhalb des elektrischen Leiters 103; ii) ein Winkel y1, der durch den ersten Magnetfeldvektor B1 an dem ersten Sensorort und den zweiten Magnetfeldvektor B2 an dem zweiten Sensorort definiert ist, ist ein Winkel in dem Bereich von 70° bis 110°; iii) ein Winkel γ2 zwischen einer ersten virtuellen Ebene p1, die die Mittellinie C und den ersten Sensorort enthält, und einer zweiten virtuellen Ebene p2, die die Mittellinie C und den zweiten Sensorort enthält, ist ein Winkel in dem Bereich von 70° bis 110°.
Das Platzieren der Sensoren an diesen spezifischen Orten ermöglicht die Verwendung eines relativ kleinen Substrats, z.B. ein Substrat, das eine Breite Ws aufweist, die kleiner als die Breite Wc des elektrischen Leiters ist, oder sodass ein Verhältnis der Substratbreite Ws und der Breite Wc des elektrischen Leiters Ws/Wc ein Wert ist, der kleiner als 90% oder sogar kleiner als 80% oder kleiner als 70% oder kleiner als 60% oder kleiner als 40% ist.
Eines der Erkenntnisse der vorliegenden Erfindung ist, dass die Breite des Substrats nicht vollständig von der Breite des Leiters abhängt, sondern eine geringere Breite verwendet werden kann. Dies wirkt sich direkt auf den Preis des Chips aus, was in einem hart umkämpften Markt, wie beispielsweise integrierte Stromsensoren für die Automobil- und Industriebranche von großer Bedeutung ist.
In bestimmten Ausführungsformen kann der elektrische Leiter eine Breite Wc in dem Bereich von 1,0 bis 8,0 mm oder in dem Bereich von 2,0 bis 6,0 mm aufweisen, und das Substrat kann eine Größe von etwa 2 ± 0,5 mm mal 3 ± 0,5 mm aufweisen.
Der Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hat, wird verstehen, dass, zumindest in einigen Ausführungsformen, je näher der zweite Sensor 112 an der Mittellinie ist (je kleiner der Versatz d2 ist), desto höher das zweite Signal v2 ist, und desto weiter der erste Sensor 111 von der Kante des elektrischen Leiters entfernt ist (je größer der Versatz d1 ist), desto kleiner das erste Signal v1 ist, oder umgekehrt, und damit desto größer das Differenzsignal v1-v2 ist. Dies bedeutet, dass ein Fachmann, der den Vorteil der vorliegenden Offenbarung hat, einen Kompromiss zwischen Genauigkeit und Kosten (bezogen auf die Größe des Substrats) eingehen kann.
In einigen Ausführungsformen können, um einen solchen Kompromiss zu überwinden, der erste und/oder der zweite Sensor sich auf getrennten Substraten befinden, um den Abstand zwischen den Sensoren zu vergrößern, während das gesamte Siliziumbudget aufrechterhalten wird. In solchen Ausführungsformen können der erste und/oder der zweite Sensor über Drahtverbindungen mit der Verarbeitungseinheit verbunden sein.
In bestimmten Ausführungsformen ist ein Abstand zwischen der Mittellinie C des elektrischen Leiters 103 und der Projektion des zweiten Sensorortes kleiner als 10% oder 20% einer Breite Wc des elektrischen Leiters 103 und ein Abstand d1 zwischen einer Kante des elektrischen Leiters 103 und der Projektion des ersten Sensorortes ist größer als 10% oder 20% der Breite Wc des elektrischen Leiters. Es ist ein Vorteil, den zweiten Sensor 112 nahe der Mitte (z.B. von 40% bis 60%) in der Querrichtung X des elektrischen Leiters 103 anzuordnen, weil dies einen relativ großen zweiten Wert v2 der Magnetfeldkomponente Bx2 bereitstellt. Es ist ein Vorteil, den ersten Sensor 111 relativ weit von dem elektrischen Leiter 103 entfernt anzuordnen, da dies einen relativ kleinen ersten Wert v1 der Magnetfeldkomponente Bx1 und somit eine relativ große Differenz (oder einen relativ großen Gradienten) zwischen dem ersten und dem zweiten Wert v1, v2 bereitstellt.
Der Leitungsrahmen kann ein Kupfer-Leitungsrahmen (z.B. gefertigt aus Kupfer C151) sein und/oder eine Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron oder von 200 bis 500 Mikron aufweisen, z.B. im Wesentlichen gleich 200 Mikron oder im Wesentlichen gleich 250 Mikron sein. Es ist nicht einfach, eine Stromsensorvorrichtung zu bauen, die in der Lage ist, einen Strom von zumindest 30 Ampere oder zumindest 40 Ampere oder zumindest 50 Ampere unter Verwendung eines Leitungsrahmens mit einer Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron oder gleich etwa 200 oder etwa 250 Mikron zu messen, unter anderem, weil die klassische Art und Weise, die elektrische Leitfähigkeit eines integrierten Leiters in Stromsensorvorrichtungen zu verringern, darin besteht, die Dicke des Leiters zu erhöhen, während die Breite des Leiters unverändert bleibt, weil andernfalls, wenn die Breite erhöht wird und die Dicke gleich bleibt, die Größe des Substrats erhöht werden muss (und damit auch die Kosten des Substrats).
In dem Beispiel von 1 ist der elektrische Leiter mit drei Eingangsleitungen 101a und drei Ausgangsleitungen 101b verbunden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und die Anzahl der ersten Eingangsleitungen 101a und der ersten Ausgangsleitungen 101b kann mehr als drei oder weniger als drei betragen.
In dem Beispiel von 1 haben die ersten Leitungen 101a, 101b die gleiche Form und Größe wie die zweiten Leitungen 102, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und die drei ersten Leitungen 101a können durch einen einzelnen, relativ breiten Eingangsstreifen (nicht gezeigt) ersetzt werden und die drei ersten Ausgangsleitungen 101b können durch einen einzelnen, relativ breiten Ausgangsstreifen (nicht gezeigt) ersetzt werden. Auf diese Weise kann der elektrische Widerstand weiter verkleinert werden und die Wärmeleitfähigkeit (z.B. gegenüber einer PCB) kann verbessert werden.
Die Stromsensorvorrichtung 100 von 1 enthält vier horizontale Hall-Elemente und vier achteckige integrierte Magnetkonzentratoren, aber die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, und es können auch andere Magnetsensoren verwendet werden.
Zum Beispiel basieren in 2(a) und 2(b) der erste und der zweite Magnetsensor auch auf horizontalen Hall-Elementen mit IMC, aber die Form der beiden äußeren Magnetkonzentratoren 221, 222 ist geändert, und die beiden inneren Magnetkonzentratoren werden kombiniert, um einen gemeinsamen Magnetkonzentrator 223 zu bilden.
Zum Beispiel basieren in 3(a) und 3(b) der erste und der zweite Magnetsensor ebenfalls auf horizontalen Hall-Elementen mit IMC, aber die Form der vier Magnetkonzentratoren 321, 322 ist verschieden von der von 1. Aus diesen Beispielen wird deutlich, dass auch horizontale Hall-Elemente mit IMC mit anderen Formen verwendet werden können.
Es ist ein Vorteil, horizontale Hall-Elemente mit IMC zu verwenden, weil IMC eine passive Signalverstärkung bereitstellt (in der Regel um einen Faktor von etwa 5 oder 6). Die IMC-Dicke liegt typischerweise in dem Bereich von etwa 20 bis 25 Mikron, ist z.B. gleich etwa 23 Mikron.
Zum Beispiel umfasst in 4(a) und 4(b) der erste Magnetsensor ein vertikales Hall-Element 431 und der zweite Magnetsensor umfasst ein vertikales Hall-Element 432.
Obwohl nicht explizit gezeigt, können auch andere magnetische Erfassungselemente verwendet werden, wie zum Beispiel Magnetwiderstandselemente, z.B. GMR-Elemente, die in einer Wheatstone-Brücke angeordnet sind. Andere Arten von Magnetwiderstandssensoren können ebenfalls verwendet werden, zum Beispiel umfassend zumindest eines von Indiumantimonid (InSb), ein Riesenmagnetwiderstandselement (GMR), ein anisotropes Magnetwiderstandselement (AMR), ein Tunnelmagnetwiderstandselement (TMR) oder ein magnetisches Tunnelverbindungselement (MTJ).
Obwohl nicht explizit gezeigt, können die Sensoren weiter geeignete Vorspannungs- oder Erregungsschaltungen und Ausleseschaltungen aufweisen. Zum Beispiel kann in dem Fall von Hall-Elementen ein Drehstrom verwendet werden, um Versatzfehler zu reduzieren. Zum Beispiel kann in dem Fall von Magnetwiderstandselementen eine geschlossener Regelkreis verwendet werden, um Nichtlinearitäten durch Erzeugen eines lokalen Magnetfeldes am Sensorort usw. zu verringern. Magnetsensoren und geeignete Vorspannungs- oder Anregungsschaltungen und geeignete Ausleseschaltungen sind im Stand der Technik bekannt und brauchen daher hier nicht näher erläutert zu werden.
Obwohl nicht explizit in 1 gezeigt, kann das Substrat weiter eine elektrische Verarbeitungsschaltung umfassen. Beispiele für Verarbeitungsschaltungen werden in 6 und 7 gezeigt, die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt und andere Verarbeitungsschaltungen können auch verwendet werden.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1, das Substrat 110 weist eine erste Oberfläche, auch als aktive Oberfläche bezeichnet, die die Sensorelemente und die Verarbeitungsschaltung enthält, und eine zweite Oberfläche auf.
In dem Beispiel von 1 befindet sich das Substrat 110 über oder oben auf dem elektrischen Leiter, und die aktive Oberfläche des Substrats ist von dem elektrischen Leiter 103 abgewandt.
Das Substrat 110 kann direkt oben auf dem elektrischen Leiter ohne ein zusätzliches isolierendes Material dazwischen platziert sein.
In anderen Ausführungsformen kann das Substrat 110 eine isolierende Schicht umfassen, z.B. eine Oxidschicht oder eine Nitridschicht an der zweiten Oberfläche, die den elektrischen Leiter 103 berühren kann.
In noch anderen Ausführungsformen kann eine isolierende Schicht, z.B. ein isolierendes Polymer oder ein isolierendes Band, zwischen dem Substrat 110 und dem elektrischen Leiter 103 aufgebracht sein.
In anderen Ausführungsformen (bekannt als „Flip-Chip“-Anordnung) weist das Substrat 110 eine erste Oberfläche auf, die das erste und das zweite Sensorelement enthält, und die erste Oberfläche ist dem elektrischen Leiter zugewandt. In diesem Fall ist das Substrat von dem elektrischen Leiter beabstandet und der Chip umfasst vorzugsweise weiter ein elektrisch isolierendes Material, das sich zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter befindet.
Der Abstand zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter kann ein Wert in dem Bereich von 150 bis 250 µm oder in dem Bereich von 170 bis 210 µm sein, zum Beispiel gleich etwa 190 µm. Das elektrisch isolierende Material kann angepasst sein, einer Spannung von zumindest 1000 Volt standzuhalten.
In Ausführungsformen, in denen das Substrat durch ein elektrisch isolierendes Band von dem elektrischen Leiter getrennt ist, kann der Abstand zwischen dem Substrat und dem elektrischen Leiter ein Wert in dem Bereich von etwa 10 bis 100 µm oder von etwa 30 bis 100 µm oder von 30 bis 80 µm oder von 30 bis 50 µm sein, zum Beispiel gleich etwa 40 µm.
Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass der Abstand zwischen den Sensoren und dem elektrischen Leiter 103 relativ klein ist und dass das von den Sensoren gemessene Signal relativ groß ist (größer als in dem Fall, in die zweite Oberfläche dem elektrischen Leiter zugewandt ist). Dies verbessert das Signal-Rausch-Verhältnis und somit die Genauigkeit der Messung.
In dieser Ausführungsform wird das Substrat an einem ersten Bereich oder einem ersten Ende durch den elektrischen Leiter und das isolierende Material mechanisch gestützt.
Das Substrat kann an einem Ende mechanisch gestützt sein und an dem anderen Ende mit einem Spalt darunter und mit einem Spalt zwischen dem Substrat und den ersten Leitungen schwebend belassen werden, wie dies zum Beispiel in 1 bis 4. gezeigt ist. Der Spalt kann vollständig oder teilweise mit Luft oder mit einer Formmasse oder mit einem isolierenden Band oder einem anderen elektrisch isolierenden Material (z.B. einem geeigneten Polymer) gefüllt sein. Das Substrat 110 kann mit einer oder mehreren zweiten Leitungen 102 mittels Drahtverbindungen 105 elektrisch verbunden sein, die Verbindungspads 104 auf dem Substrat 110 mit zweiten Leitungen 102 verbinden. Die Verbindungspads befinden sich in einem Bereich des Substrats (die rechte Hälfte des Substrats 110 ist in 1 gezeigt), der mechanisch durch den elektrischen Leiter 103 und/oder durch die Leitung (die Leitungen) des Leitungsrahmens gestützt wird. Es werden keine Verbindungsdrähte auf den schwebenden Bereich (linke Hälfte des in 1 gezeigten Substrats) aufgebracht.
Alternativ kann das Substrat 110 an gegenüberliegenden Enden gestützt sein, zum Beispiel wie in 5 dargestellt, wo einige der zweiten Leitungen 502s verbunden oder geformt, um eine mechanische Stütze zu bilden. In dem Beispiel von 5 sind zwei gegenüberliegende Leitungen 502s miteinander verbunden, um eine Aufhängung zu bilden, auf der das Substrat 510 ruhen kann. In diesem Fall können Verbindungspads 504, die über Verbindungsdrähte 505 mit den zweiten Leitungen 502 verbunden sind, irgendwo auf dem Substrat bereitgestellt sein, nicht nur in einem „Bereich, der auf dem elektrischen Leiter aufliegt“ (rechter Teil in 5), sondern auch in einem „Bereich, der sich außerhalb des elektrischen Leiters befindet“, aber z.B. durch zweite Leitungen 502s (linker Teil in 5) gestützt wird. In dem Beispiel von 5 sind zwei gegenüberliegende Leitungen 502s miteinander verbunden, was jedoch nicht unbedingt erforderlich ist, und es kann auch möglich sein, zwei separate Stützen vorzusehen (z.B. eine erste Stütze in der oberen linken Ecke von 5, die mit der einen oder den mehreren oberen Leitungen 502s verbunden ist, und eine zweite Stütze in der unteren linken Ecke von 5, die mit der einen oder den mehreren unteren Leitungen 502s verbunden ist).
In einigen Ausführungsformen wird das Substrat 110 von einem Teil des Leitungsrahmens getragen, der mit Masse verbunden ist, was hier auch als „Masseebene“ bezeichnet wird.
Das Substrat 110 kann auch eine Mehrzahl von Lötperlen (nicht gezeigt) umfassen, die sich z.B. auf der zweiten Oberfläche befindet. Die Lötperlen können mittels „Durchkontaktierungen“ elektrisch mit Elementen oder Bahnen oder Komponenten auf der ersten Oberfläche verbunden sein. Die Lötperlen können auf den zweiten Leitungen 102 aufliegen und mit diesen verbunden sein, aber die Lötperlen sind galvanisch von dem elektrischen Leiter 103 und von den ersten Leitungen 101a, 101b getrennt. Die galvanische Trennung kann durch einen mit Luft gefüllten Spalt oder einen mit Formmasse gefüllten Spalt oder einen mit einem isolierenden Material, z.B. einem isolierenden Band, oder einen auf eine beliebige geeignete Weise gefüllten Spalt implementiert sein.
1(c) zeigt eine vergrößerte Ansicht von 1(b).
In einer ersten Variante umfasst der erste Magnetsensor 111 nur ein einzelnes horizontales Hall-Element 131a mit zwei IMC 121a, 121b oben drauf und der zweite Magnetsensor 112 umfasst ein einzelnes horizontales Hall-Element 131c mit zwei IMC 122a, 122b oben drauf. Somit sind in dieser Ausführungsform die horizontalen Hall-Elemente 131b und 131d weggelassen. Die Elemente 131a und 131c bilden ein asymmetrisches Sensorpaar. Das Element 131a kann einen v1~ -Bx+Bz-K1.Strom messen (wobei ~ „proportional zu“ bedeutet), und das Element 131c kann einen v2~ -Bx+Bz-K2.Strom messen. Der Strom I kann dann basierend auf einer Differenz dieser Signale berechnet werden, z.B. als v1-v2 oder als gewichtete Differenz dieser Signale, z.B. als A.v1-B.v2, wobei A und B Konstanten sind, die während einer Kalibrierung bestimmt werden können. Zumindest eine dieser Konstanten kann von 1,00 verschieden sein. Dies kann verwendet werden, um Empfindlichkeitsfehlanpassungen auszugleichen.
Alternativ können nur die Sensorelemente 131b und 131d verwendet werden und die Sensorelemente 131a und 131c können weggelassen werden.
In einer anderen Variante sind vier horizontale Hall-Elemente 131a bis 131d vorhanden, wobei die Elemente 131a und 131c ein erstes asymmetrisches Paar bilden und die Elemente 131b und 131d ein zweites asymmetrisches Paar bilden. Das Element 131b kann einen v1b~ +Bx+Bz+K1.Strom messen, und das Element 131d kann einen v2b~ +Bx+Bz+K2.Strom messen. In dieser Ausführungsform kann ein erster Wert des Stroms (I1) basierend auf den Werten berechnet werden, die von dem ersten asymmetrischen Paar 131a, 131c erhalten werden, und ein zweiter Wert des Stroms (12) kann basierend auf den Werten berechnet werden, die von dem zweiten asymmetrischen Paar 131b, 131d erhalten werden. Wenn der erste Stromwert (I1) und der zweite Stromwert (I2) ein vordefiniertes Kriterium erfüllen, z.B. eine Differenz aufweisen, die kleiner als ein vordefinierter Wert ist, oder ein Verhältnis innerhalb eines vordefinierten Bereiches (z.B. von 95% bis 105%) aufweisen, kann die Schaltung einen Mittelwert der zwei Stromwerte als „den“ Stromwert bereitstellen. Wenn der Wert des ersten Stroms (I1) und der Wert des zweiten Stroms (12) wesentlich verschieden sind, z.B. eine Differenz aufweisen, die größer als der vordefinierte Wert ist, oder ein Verhältnis außerhalb des vordefinierten Bereichs aufweisen, kann ein Warn- oder Fehlersignal bereitgestellt werden. Diese Ausführungsform bietet Redundanz, die zu Zwecken der funktionalen Sicherheit verwendet werden kann.
2(a) und 2(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 200 in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht. Die Stromsensorvorrichtung 200 ist eine Variante des Stromsensors 100 von 1. Der Hauptunterschied zwischen dem Stromsensor 200 von 2 und der Stromsensor 100 von 1 ist, dass die integrierten Magnetkonzentratoren (IMC) verschieden sind. Insbesondere zeigt 2 einen Stromsensor 200, der vier horizontale Hall-Elemente und drei IMC-Elemente, nämlich zwei trapezförmige äußere IMC 221, 222 und einen gestreckten achteckigen Zwischen-IMC, der beiden Sensoren gemeinsam ist, aufweist. Alles andere, was vorstehend für den Stromsensor 100 von 1 beschrieben wurde, und Varianten davon, ist hier auch anwendbar, zum Beispiel, wie vorstehend erwähnt, nur zwei der horizontalen Hallelemente werden benötigt, die anderen beiden können zu der Redundanz oder für eine verbesserte Genauigkeit oder eine erhöhte Empfindlichkeit oder für beides verwendet werden.
3(a) und 3(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 300 in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht. Die Stromsensorvorrichtung 300 ist eine Variante der Stromsensorvorrichtung 100 von 1. Der Hauptunterschied zwischen der Stromsensorvorrichtung 300 von 3 und der Stromsensorvorrichtung 100 von 1 ist, dass die integrierten Magnetkonzentratoren (IMC) verschieden sind. Insbesondere zeigt 3 zeigt einen Stromsensor, der vier horizontale Hallelemente und vier trapezförmige IMC-Komponenten, nämlich zwei IMC-Komponenten 321 für den ersten Magnetsensor 311 und zwei IMC-Komponenten 322 für den zweiten Magnetsensor 312, aufweist. Alles andere, was vorstehend für die Stromsensorvorrichtung 100 von 1 beschrieben wurde, und Variationen davon, ist auch hier anwendbar.
4(a) und 4(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 400 in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht. Die Stromsensorvorrichtung 400 ist eine Variante der Stromsensorvorrichtung 100 von 1. Der Hauptunterschied zwischen der Stromsensorvorrichtung 400 von 4 und der Stromsensorvorrichtung 100 von 1 ist, dass der erste Magnetsensor ein erstes vertikales Hall-Element 431 umfasst und der zweite Magnetsensor ein zweites vertikales Hall-Element 432 umfasst, die beide zum Messen einer Magnetfeldkomponente Bx konfiguriert sind, die in einer Richtung parallel zu der durch die Länge und die Breite des Stromleiters 403 in der Querrichtung X definierten Ebene XY ausgerichtet ist. Es ist kein IMC vorhanden. Die vertikalen Hall-Elemente weisen in X-Richtung eine Achse maximaler Empfindlichkeit auf, oder anders gesagt, der erste Magnetsensor ist zur Messung einer ersten Magnetfeldkomponente B1x angepasst und der zweite Magnetsensor zur Messung einer zweiten Magnetfeldkomponente B2x angepasst.
Alles andere, was vorstehend für die Stromsensorvorrichtung 100 von 1 beschrieben wurde, und Variationen davon, ist auch hier anwendbar. Insbesondere befindet sich der erste Sensor vorzugsweise relativ weit entfernt von dem elektrischen Leiter 403, sodass Bx1 relativ klein ist, während sich der zweite Sensor vorzugsweise relativ nahe an der Mitte des elektrischen Leiters befindet, sodass Bx2 relativ groß ist.
Die beiden vertikalen Hallelemente 431, 432, die in 4 gezeigt sind, bilden ein erstes asymmetrisches Paar. Es ist möglich, zwei weitere vertikale Hall-Elemente für Redundanz- oder Funktionssicherheitszwecke auf ähnliche Weise, wie in 1 beschrieben, hinzuzufügen. 1(c), aber ohne IMC. Insbesondere kann sich ein drittes vertikales Hall-Element nahe, z.B. benachbart zu, dem ersten Hall-Element 431 befinden, und ein viertes vertikales Hall-Element kann sich nahe z.B. benachbart zu, dem zweiten Hall-Element 432 befinden. Das dritte und das vierte vertikale Hall-Element würden ein zweites asymmetrisches Paar bilden. Ein erster Wert (I1) des zu messenden Stroms kann basierend auf den Signalen von dem ersten asymmetrischen Paar berechnet werden, und ein zweiter Wert (12) des zu messenden Stroms kann basierend auf den Signalen von dem zweiten asymmetrischen Paar berechnet werden. Der erste Strom (I1) kann basierend auf einer Differenz des ersten und des zweiten Signals berechnet werden, zum Beispiel gemäß der Formel: K*(v1-v2), wobei K eine vordefinierte Konstante ist und v1, v2 die durch den ersten bzw. den zweiten Sensor bereitgestellten Signale sind, oder basierend auf einem gewichteten Mittelwert dieser Signale, zum Beispiel gemäß der Formel: K*(A.v1-B.v2), wobei A und B vordefinierte Konstanten sind, die während eines Kalibrierungstests bestimmt werden können. Ebenso kann ein zweiter Wert (12) für den zu messenden Strom berechnet werden. Wenn der erste Stromwert (I1) und der zweite Stromwert (12) gemäß einem vordefinierten Kriterium mehr oder weniger gleich sind, kann ein Mittelwert des ersten Stromwertes und des zweiten Stromwertes als „der“ Stromwert bereitgestellt werden, andernfalls kann ein Fehlersignal bereitgestellt werden. Durch die Subtraktion wird der Einfluss eines äußeren Störfeldes (falls vorhanden) verringert oder eliminiert.
In einer anderen Variante (nicht gezeigt) sind drei vertikale Hall-Elemente auf dem Substrat bereitgestellt (zum Beispiel wird ein drittes vertikales Hall-Element hinzugefügt, das sich im Wesentlichen in der Mitte der in 4 gezeigten Hall-Elemente befindet und ein drittes Signal v3 bereitstellen würde. Es ist dann möglich, unter Verwendung des linken und des mittleren Hall-Elements einen ersten Stromwert (I1) zu berechnen, zum Beispiel unter Verwendung der Formel I1=K1.(v1-v3) oder unter Verwendung der Formel I1=K1.(A.v1-B.v3) und unter Verwendung des rechten und des mittleren Hall-Elements einen zweiten Stromwert (12) zu berechnen, zum Beispiel unter Verwendung der Formel I2=K2.(v2-v3) oder unter Verwendung der Formel I2=K2.(C.v2-B.v3), wobei A, B und C Konstanten sind, die zum Korrigieren der Empfindlichkeitsfehlanpassung der verschiedenen Sensorelemente verwendet werden können. Wie vorstehend ist sowohl der erste als auch der zweite Stromwert im Wesentlichen unempfindlich gegenüber einem äußeren Störfeld. Es ist ein Vorteil dieser Ausführungsform, dass diese nur drei vertikale Hall-Elemente anstelle von vier benötigt.
In einer anderen Variante von 4 (nicht gezeigt) sind die vertikalen Hall-Elemente 431, 432 durch horizontale Hall-Elemente ersetzt, es ist jedoch kein IMC vorhanden. Die horizontalen Hallelemente weisen in Z-Richtung eine Achse maximaler Empfindlichkeit auf, anders gesagt, der erste Magnetsensor ist zum Messen einer ersten Magnetfeldkomponente B1z angepasst und der zweite Magnetsensor ist zum Messen einer zweiten Magnetfeldkomponente B2z angepasst. Alles andere, was vorstehend für die Stromsensorvorrichtung 100 von 1 beschrieben wurde, und Variationen davon, ist auch hier anwendbar.
In einem bestimmten Beispiel befindet sich der erste Magnetsensor 431 vorzugsweise in einem Abstand kleiner als 30% der Leiterbreite Wc von der Kante des elektrischen Leiters 403, sodass Bx1 relativ groß ist, während sich der zweite Sensor 432 vorzugsweise relativ nahe zu der Mitte des elektrischen Leiters befindet, zum Beispiel in einem Abstand, der kleiner als 10% der Breite Wc des Leiters 403 ist, sodass Bx2 relativ klein ist.
In einem bestimmten Beispiel befindet sich eine Projektion des zweiten Sensors 432 im Wesentlichen in der Mitte des elektrischen Leiters, im Wesentlichen oberhalb oder unterhalb der Mittellinie C. In dieser Ausführungsform ist der durch den Strom induzierte Wert von B2z im Wesentlichen gleich Null, daher würde der zweite Sensor 432 nur eine Streufeldkomponente messen. Diese Ausführungsform ermöglicht es, die Streufeldkomponente direkt zu messen, ohne einen Satz von Gleichungen zu lösen. Der Wert des Streufelds kann verstärkt und als analoges Signal ausgegeben werden und/oder er kann digitalisiert und als digitaler Ausgabewert bereitgestellt werden. Soweit den Erfindern bekannt ist, gibt es keine Stromsensoren, die eines der Sensorelemente gezielt an diesem Ort positionieren, an dem kein Signal von dem Stromleiter 403 gemessen werden kann. Auf diese Weise können jedoch die Abmessungen des Substrats um einen Faktor von etwa zwei verringert werden, während gleichzeitig der Einfluss eines äußeren Störfeldes verringert werden kann. Diese Erkenntnis ist im Stand der Technik nicht bekannt. Stattdessen befinden sich bei Stromsensoren nach dem Stand der Technik die Sensorelemente typischerweise in einem gleichen Abstand von der Mittellinie, möglicherweise weil fälschlicherweise angenommen wird, dass die Sensorelemente nicht oberhalb oder unterhalb des elektrischen Leiters angeordnet sein dürfen, um das Störfeld zu messen.
5(a) und 5(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 500 in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht. Die Stromsensorvorrichtung 500 ist eine Variante der Stromsensorvorrichtung 100 von 1. Der Hauptunterschied zwischen der Stromsensorvorrichtung 500 von 5 und der Stromsensorvorrichtung 100 von 1 ist, dass das Substrat 510 nicht nur an einem Ende (rechte Seite von 5), z.B. durch einen elektrischen Leiter 503 (direkt oder indirekt über ein isolierendes Material) gestützt wird, sondern auch an einer gegenüberliegenden Seite oder Kante des Substrats (linke Seite von 5) durch eine oder mehrere zweite Leitungen 502s und/oder eine Verlängerung davon und/oder eine Verbindung davon gestützt wird. Das Substrat 510 kann Verbindungspads 504 umfassen, die sich irgendwo auf dem Substrat 510 befinden, nicht nur auf dem Substratabschnitt, der von dem elektrischen Leiter 503 gestützt wird. Diese Verbindungspads 504 können über Verbindungsdrähte 505 mit zweiten Leitungen 502 verbunden werden. Dies ermöglicht eine effizientere Nutzung der Substratfläche. Alles andere, was vorstehend für die Stromsensorvorrichtung 100 von 1 beschrieben wurde, und Variationen davon, ist hier auch sinngemäß anwendbar.
Es ist klar, dass das Merkmal „Stützen des Substrats an zwei Enden davon“ auch für andere Magnetsensoren funktioniert, oder mit anderen Worten, dieses Merkmal kann auch zu den Stromsensoren von 2 bis 4 hinzugefügt werden. Der Fachmann kann eine neue Verpackung mit einer ausreichenden Anzahl von Stiften finden oder entwerfen.
6 zeigt ein elektrisches Blockdiagramm einer Schaltung 610, die in einer Stromsensorvorrichtung verwendet werden kann, z.B. wie in 1 bis 5 gezeigt, bei Abwesenheit von einem oder mehreren Temperatursensoren und einem oder mehreren Belastungssensoren oder zumindest ohne Berücksichtigung der Werte, die von ihnen bereitgestellt werden. Es wird angemerkt, dass der Stromleiter in dieser Zeichnung weggelassen ist, weil er von diesem Stromkreis galvanisch getrennt ist, obwohl sich der elektrische Leiter physisch in der Nähe des ersten und des zweiten Magnetsensors 611, 621 befindet.
Die Verarbeitungseinheit 630 ist zum Bestimmen des zu messenden Stroms auf eine bekannte Weise angepasst, zum Beispiel durch Berechnen des Stroms gemäß der Formel: I=K.(v1-v2), wobei K eine vordefinierte Konstante ist (die z.B. während des Entwurfs oder während einer Bewertungsphase bestimmt wurde), v1 ist der Wert, der von dem ersten Magnetsensor 611 bereitgestellt wird, und v2 ist der Wert, der von dem zweiten Magnetsensor 621 bereitgestellt wird. Die Verarbeitungseinheit 630 kann einen digitalen Prozessor umfassen, der einen nichtflüchtigen Speicher 631, der zumindest einen konstanten Wert K speichert, umfasst oder mit diesem verbunden ist.
Obwohl nicht explizit gezeigt, kann die Verarbeitungsschaltung 610 einen Differenzverstärker umfassen, der zum Bestimmen und Verstärken einer Differenz zwischen dem ersten Wert v1 und dem zweiten Wert v2 und zum Verstärken dieser Differenz konfiguriert ist. Alternativ kann die Verarbeitungsschaltung 610 einen Verstärker umfassen, der zum selektiven Verstärken des ersten Wertes v1 und des zweiten Wertes v2 konfiguriert ist. Die Sensorvorrichtung kann weiter einen Analog-Digital-Wandler ADC umfassen, der zum Digitalisieren dieses verstärkten Differenzsignals konfiguriert ist. Der ADC kann Teil einer digitalen Prozessorschaltung sein. Der zu messende Strom kann als ein analoges Ausgangssignal proportional zum Strom bereitgestellt werden, oder kann als ein digitales Signal bereitgestellt werden, das den zu messenden Strom anzeigt. Die zweiten Leitungen (die in 1 bis 5 und 8 gezeigt sind) können verwendet werden, um der Verarbeitungsschaltung 610 eine Versorgungsspannung und ein Massesignal bereitzustellen und/oder um eine Datenschnittstelle, zum Beispiel einen seriellen Daten Bus (z.B. unter Verwendung des I2C-Protokolls oder unter Verwendung des RS232-Protokolls oder eines anderen geeigneten Protokolls) bereitzustellen und/oder andere Eingangssignale oder Ausgangssignale, je nach Bedarf.
7 zeigt ein elektrisches Blockdiagramm einer Verarbeitungsschaltung 710, die als Variante der Verarbeitungsschaltung 610 von 6 angesehen werden kann, die weiter einen ersten und einen zweiten Temperatursensor 712, 722 umfasst, die kommunikativ mit der Verarbeitungseinheit 730 verbunden sind. Die Verarbeitungseinheit 730 ist zum Bestimmen des zu messenden Stroms basierend auf den Werten v1 und v2 angepasst, jedoch unter Berücksichtigung von einem oder beiden Temperatursignalen t1, t2. Die gemessene(n) Temperatur(en) kann (können) berücksichtigt werden, um die Messwerte v1, v2 für Temperaturschwankungen zu kompensieren, z.B. um Empfindlichkeitsschwankungen der Sensorelemente zu kompensieren. Solche Kompensationstechniken sind an sich auf dem Fachgebiet bekannt und brauchen daher hier nicht näher erläutert zu werden. In einer besonderen Ausführungsform wird eine Temperaturkompensation in ähnlicher Weise durchgeführt, wie dies in der EP3109658A1 beschrieben ist, die hier in vollem Umfang aufgenommen wird.
Es ist ein Vorteil dieses Stromsensors, dass er einen Temperaturkompensationsmechanismus aufweist. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
Die Verarbeitungseinheiten 630 von 6 und 730 von 7 können einen digitalen Prozessor enthalten, zum Beispiel einen programmierbaren Mikrocontroller. Obwohl nicht explizit gezeigt, können die Schaltungen 610 und 710 auch zumindest einen Analog-Digital-Wandler enthalten, der ein Teil der Magnetsensoren oder ein Teil der Verarbeitungseinheit sein kann oder als separate Schaltung implementiert sein kann (z.B. zwischen einem Ausgang der Sensorschaltung und einem Eingang der Verarbeitungseinheit). Das Blockdiagramm von 6 und 7 zeigt diesen Detaillierungsgrad aus den gleichen Gründen nicht, wie es keine Vorspannungsschaltung, keine Ausleseschaltung, keinen optionalen Verstärker, keine Stromversorgung usw. zeigt, die alle auf dem Fachgebiet bekannt sind und daher hier nicht im Detail beschrieben werden müssen.
In dieser Hinsicht wird angemerkt, dass, wenn die Signale v1, v2, t1 und t2 analoge Signale sind, die Verarbeitungseinheit 730 zumindest einen ADC enthalten kann, um diese analogen Signale in digitale Signale umzuwandeln, wohingegen in dem Fall, dass die Signale v1, v2, t1 und t2 digitale Signale sind, die Verarbeitungseinheit 730 keinen ADC aufweisen muss.
Ausführungsformen, die zwei Temperatursensoren, einen für jeden Magnetsensor, aufweisen, sind vorteilhaft, weil die Temperatur des ersten und des zweiten Magnetsensors wesentlich verschieden sein kann, insbesondere wenn ein relativ hoher Strom (z.B. größer als 30 Ampere) gemessen wird, weil ein derart hoher Strom typischerweise dazu führt, dass sich der elektrische Leiter erheblich erwärmt, was zu einem relativ großen Temperaturgradienten über dem Substrat führt. Auf diese Weise kann die Genauigkeit der Strommessung weiter verbessert werden.
In einer Variante (nicht gezeigt) von 7 umfasst die Schaltung nur einen Temperatursensor, der zum Messen der Temperatur des ersten Magnetsensors oder zum Messen der Temperatur des zweiten Magnetsensors angepasst sein kann. Die Temperatur des anderen Magnetsensors kann dann basierend auf der geschätzten Verlustleistung (wiederum basierend auf v1 und v2) und basierend auf einer vordefinierten Annahme der Umgebungstemperatur geschätzt werden, anstatt die andere Temperatur tatsächlich zu messen. Natürlich ist eine Ausführungsform mit zwei Temperatursensoren genauer.
In einer Variante (nicht gezeigt) von 7 umfasst die Schaltung einen oder zwei Belastungssensoren anstelle von einem oder zwei Temperatursensoren, und die Verarbeitungseinheit 730 ist zum Bestimmen des Stroms basierend auf den Werten, die von den Magnetsensoren erhalten werden, und unter Berücksichtigung des Belastungswertes oder der Belastungswerte, die die von einem oder beiden Belastungssensoren erhalten werden, angepasst.
In einer anderen Variante (nicht gezeigt) von 7 umfasst die Schaltung zusätzlich zu einem oder zwei Temperatursensoren einen oder zwei Belastungssensoren, und die Verarbeitungseinheit 730 ist zum Bestimmen des Stroms basierend auf den Werten, die von den Magnetsensoren und dem einen oder den mehreren Temperatursensoren und dem einen oder den mehreren Belastungssensoren erhalten werden.
Der Prozessor kann weiter zum Berechnen eines ersten Stroms und eines zweiten Stroms angepasst sein, wie vorstehend zum Beispiel in Bezug auf 1(c) beschrieben, wobei das dritte Magnetelement 131c als Backup für das erste Magnetelement 131a angeordnet sein kann, und das vierte Magnetelement 131d als Backup für das zweite Magnetelement 131b angeordnet sein kann. Das dritte und das vierte Element 131c und 131d können in einem ähnlichen Abstand angeordnet sein wie das erste bzw. das zweite Element 131a, 131b, dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. In der Tat kann es sogar wünschenswert sein, andere Differenzen, beispielsweise wie Abstände oder Sensortypen, zu verwenden, um eine sogenannte „nicht heterogene Redundanz“ bereitzustellen. Die Verarbeitungsschaltung kann zum Berechnen eines ersten Stromwerts I1 basierend auf dem ersten und dem zweiten Wert v1, v2 angepasst sein, und kann weiter zum Berechnen eines zweiten Stromwerts I2 basierend auf dem dritten und dem vierten Wert v3, v4 angepasst sein. Beide Messungen sind gegen Streufelder immun. Der erste Strom I1 und der zweite Strom I2 sollten idealerweise gleich sein, es sei denn, der Stromsensor funktioniert nicht richtig.
Während des Gebrauchs kann die Schaltung den ersten und zweiten Strom berechnen und eine Differenz I1-I2 oder ein Verhältnis I1/I2 berechnen, und wenn die Differenz kleiner als ein vordefinierter Schwellenwert ist oder wenn das Verhältnis innerhalb vordefinierter Grenzen liegt, kann die Schaltung folgern, dass die Messungen korrekt sind, und wenn die berechnete Differenz oder das berechnete Verhältnis außerhalb dieser Grenzen liegt, kann die Schaltung folgern, dass die Messungen falsch sind. Wenn die Schaltung so ausgelegt ist, dass der vordefinierte Wert von R etwa gleich 1 ist, kann die Schaltung den Mittelwert von I1 und I2 bereitstellen, in dem Fall, dass die Messung korrekt ist. Auf diese Weise kann das SNR weiter verbessert werden. Ausführungsformen mit drei oder vier Magnetsensoren können zu Zwecken der Redundanz und/oder funktionalen Sicherheit verwendet werden.
8(a) und 8(b) zeigen ein beispielhaftes Blockdiagramm einer Stromsensorvorrichtung 800 in Draufsicht bzw. in Querschnittsansicht. Die Stromsensorvorrichtung 800 ist eine Variante der Stromsensorvorrichtung 100 von 1. Der Hauptunterschied zwischen der Stromsensorvorrichtung 800 von 8 und die Stromsensorvorrichtung 100 von 1 ist, dass der elektrische Leiter 803 nicht gerade, sondern U-förmig ist. In der Nähe des ersten und des zweiten Magnetsensors 811, 812 weist der elektrische Leiter 803 einen infinitesimalen kleinen balkenförmigen Leiterabschnitt oder einen balkenförmigen Leiterabschnitt mit einer infinitesimalen kleinen Länge auf. Die Mittellinie oder Herzlinie C ist gestrichelt dargestellt und weist auch eine gekrümmte Form auf, z.B. eine U-Form oder eine V-Form oder eine C-Form. In dieser Ausführungsform fließt der zu messende Strom (lokal) in einer Richtung, die im Wesentlichen parallel zu der Mittellinie C und im Wesentlichen senkrecht zu einem Querschnitt des Leitungsrahmens ist, oder anders ausgedrückt, parallel zu einer Ebene, die den elektrischen Leiter 803 enthält. Alles andere, was vorstehend für die Stromsensorvorrichtung 100 von 1 beschrieben wurde, und Variationen davon, ist auch hier sinngemäß anwendbar.
9 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 900 zum Herstellen eines Stromsensors wie vorstehend beschrieben. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

a) Bereitstellen 901 eines Leitungsrahmens, der einen elektrischen Leiter 103 umfasst;
b) Bereitstellen 902 eines Substrats, das zumindest einen ersten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist und einen zweiten Magnetsensor umfasst oder mit diesem verbunden ist, wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und zum Bereitstellen eines ersten Wertes v1 konfiguriert ist, und wobei der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit im Wesentlichen parallel, z.B. parallel zu der ersten Achse maximaler Empfindlichkeit, aufweist und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes v2 konfiguriert ist;
c) Montieren 903 des Substrats in Bezug auf den Leitungsrahmen, sodass die eine oder die mehreren vordefinierten Bedingungen, die sich auf Abstände zwischen den Sensoren und einer Mittellinie des elektrischen Leiters oder Winkel zwischen den Sensoren und der Mittellinie oder Winkel, die durch die Magnetfeldvektoren an den Sensororten gebildet werden, beziehen, erfüllt werden;
d) Bereitstellen 904 einer Verarbeitungsschaltung, die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms I zumindest basierend auf dem ersten Wert v1 und dem zweiten Wert v2 angepasst ist.

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

100, 200, 300,400, 500, 800: Stromsensorvorrichtung
101, 201, 501, 801: erste Leitungen (z.B. erste Eingangsleitungen und erste Ausgangsleitungen)
102, 202, 502, 802: zweite Leitungen
103, 203, 303, 403, 503, 803: elektrischer Leiter
104, 504, 804: Verbindungspads
105, 505, 805: Drahtverbindungen
110, 210, 310, 410, 510, 810: Substrat
111, 211, 311, 511, 811: erster Magnetsensor
112, 212, 312, 512, 812: zweiter Magnetsensor
121, 221, 321: integrierte(r) Magnetkonzentrator(en) des ersten Magnetsensors
122, 222, 322: integrierte(r) Magnetkonzentrator(en) des zweiten Magnetsensors
131: horizontales Hall-Element
140: Formmasse
223: gemeinsamer integrierter Magnetkonzentrator des ersten und des zweiten Magnetsensors
431, 432: erstes/zweites vertikales Hall-Element
850: balkenförmiger Abschnitt des elektrischen Leiters
p1, p2: Ebene durch die Mittellinie des elektrischen Leiters und den ersten, zweiten Sensorort
p3: Ebene parallel zu dem elektrischen Leiter (zu der oberen oder unteren Oberfläche des elektrischen Leiters) durch die Mittellinie
d1: erster Versatz (Abstand zwischen dem ersten Sensorort und der Kante des elektrischen Leiters)
d2: zweiter Versatz (Abstand zwischen dem zweiten Sensorort und der Mittellinie)
Δx: Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Sensorort
B1, B2: erster/zweiter Magnetfeldvektor
Lc, Wc: Länge/Breite des elektrischen Leiters
Ls, Ws: Länge/Breite des (Halbleiter-) Substrats
C: Mittellinie oder Herzlinie des elektrischen Leiters

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

EP 3109658 A1 [0081, 0083, 0088, 0183]

Claims

Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) zum Messen eines Stroms (I), umfassend: - einen Leitungsrahmen, der einen ersten Abschnitt, der erste Leitungen (101, 201, 301, 401, 501; 810) umfasst, die verbunden oder geformt sind, um einen elektrischen Leiter zu bilden, der angepasst ist, den zu messenden Strom zu führen, und einen zweiten Abschnitt umfasst, der eine Mehrzahl von zweiten Leitungen (102, 202, 302, 402, 502; 802) umfasst; - ein Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810), das zumindest einen ersten Magnetsensor (111, 211, 311, 411, 511; 811) umfasst oder mit diesem verbunden ist und das einen zweiten Magnetsensor (112, 212, 312, 412, 512; 812) umfasst oder mit diesem verbunden ist, wobei der erste und der zweite Magnetsensor ein erstes Magnetsensorpaar bilden; - wobei der erste Magnetsensor eine erste Achse maximaler Empfindlichkeit aufweist und der zweite Magnetsensor eine zweite Achse maximaler Empfindlichkeit parallel zu der ersten Achse aufweist; - wobei sich der erste Magnetsensor an einem ersten Ort befindet und zum Bereitstellen eines ersten Wertes (v1) konfiguriert ist, der eine erste Magnetfeldkomponente (B1x, B1z) an dem ersten Ort anzeigt; - wobei sich der zweite Magnetsensor an einem zweiten Ort befindet und zum Bereitstellen eines zweiten Wertes (v2) konfiguriert ist, der eine zweite Magnetfeldkomponente (B2x, B2z) an dem zweiten Ort anzeigt; - wobei ein Magnetfeld, das durch den zu messenden Strom (I) beim Fließen durch den elektrischen Leiter induziert wird, einen ersten Magnetfeldvektor (B1) an dem ersten Sensorort definiert und einen zweiten Magnetfeldvektor (B2) an dem zweiten Sensorort definiert, wobei der erste Magnetfeldvektor (B1) und der zweite Magnetfeldvektor (B2) sich kreuzende oder sich schneidende Linien definieren; - eine Verarbeitungsschaltung (610; 710), die mit dem ersten und dem zweiten Magnetsensor verbunden ist und zum Bestimmen des zu messenden Stroms (1) zumindest basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2), die von dem ersten Sensorpaar erhalten werden, angepasst ist; - und wobei der elektrische Leiter eine Mittellinie (C) aufweist und ein erster Abstand (e1) zwischen der Mittellinie (C) und dem ersten Sensorort von einem zweiten Abstand (e2) zwischen der Mittellinie (C) und dem zweiten Sensorort verschieden ist; - und wobei der erste und der zweite Sensorort angeordnet sind, sodass eine oder mehrere der folgenden Bedingungen erfüllt sind: i) eine Projektion des ersten Sensorortes senkrecht zu einer Ebene (p3) parallel zu dem elektrischen Leiter (103; 203; 303; 403; 503; 803) befindet sich außerhalb des elektrischen Leiters und eine Projektion des zweiten Sensorortes senkrecht zu der Ebene (p3) befindet sich innerhalb des elektrischen Leiters (103; 203; 303; 403; 503; 803); ii) ein Winkel (γ1), der durch den ersten Magnetfeldvektor (B1) an dem ersten Sensorort und den zweiten Magnetfeldvektor (B2) an dem zweiten Sensorort definiert ist, ist ein Winkel in dem Bereich von 70° bis 110°; iii) ein Winkel (γ2) zwischen einer ersten virtuellen Ebene (p1), die die Mittellinie (C) und den ersten Sensorort enthält, und einer zweiten virtuellen Ebene (p2), die die Mittellinie (C) und den zweiten Sensorort enthält, ist ein Winkel in dem Bereich von 30° bis 110°.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach Anspruch 1, wobei jeder von dem ersten und dem zweiten Magnetsensor höchstens ein oder zumindest ein oder zumindest zwei horizontale Hall-Elemente (131) und zumindest einen oder zwei integrierte Magnetkonzentratoren (121, 122; 221, 222, 223; 321, 322) umfasst.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leitungsrahmen ein Kupfer-Leitungsrahmen ist, der eine Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron aufweist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein erster Abstand (d1) zwischen einer Kante des elektrischen Leiters (103; 203; 303; 403; 503; 803) und der Projektion des ersten Sensorortes größer als 10% einer Breite (Wc) des elektrischen Leiters ist; und/oder wobei ein zweiter Abstand (d2) zwischen der Mittellinie (C) des elektrischen Leiters (103; 203; 303; 403; 503; 803) und der Projektion des zweiten Sensorortes kleiner als 10% einer Breite (Wc) des elektrischen Leiters ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Abstand (Δx) zwischen dem ersten Sensorort und dem zweiten Sensorort kleiner als eine Breite (Wc) des elektrischen Leiters (103; 203; 303; 403; 503; 803) ist; oder wobei eine Breite (Ws) des Substrats (110; 210; 310; 410; 510; 810) kleiner als eine Breite (Wc) des elektrischen Leiters (103; 203; 303; 403; 503; 803) ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der elektrische Leiter (103; 203; 303; 403; 503; 803) eine Breite (Wc) in dem Bereich von 1,0 mm bis 7,0 mm aufweist; und/oder wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810) eine Fläche in dem Bereich von 1 bis 5 mm² aufweist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810) eine erste Oberfläche aufweist, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und wobei die erste Oberfläche dem elektrischen Leiter (103; 203; 303; 403; 503; 803) zugewandt ist; und wobei die Stromsensorvorrichtung weiter ein elektrisch isolierendes Material umfasst, das sich zwischen der ersten Oberfläche des Substrats und dem elektrischen Leiter (103; 203; 303; 403; 503; 803) befindet.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810) eine erste Oberfläche aufweist, die den ersten und den zweiten Magnetsensor enthält, und wobei die erste Oberfläche von dem elektrischen Leiter (103; 203; 303; 403; 503; 803) abgewandt ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810) weiter eine Mehrzahl von Verbindungspads (104; 204; 304; 404; 504; 804) umfasst, die sich auf einem Abschnitt des Substrats befinden, der den elektrischen Leiter überlappt; und wobei die Stromsensorvorrichtung weiter eine Mehrzahl von Verbindungsdrähten (105; 205; 305; 405; 505; 805) umfasst, die eine oder mehrere der Mehrzahl von zweiten Leitungen (102; 202; 302; 402; 502) und ein oder mehrere der Mehrzahl von Verbindungspads (104; 204; 304; 404; 504; 804) miteinander verbinden.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810) weiter eine Mehrzahl von Lötperlen umfasst, die mit zumindest einigen der zweiten Leitungen (102; 202; 302; 402; 502; 802) verbunden sind, jedoch galvanisch von dem elektrischen Leiter und von den ersten Leitungen (101; 201; 301; 401; 501; 801) getrennt sind.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die elektrische Schaltung (610; 710) einen Differenzverstärker umfasst, der zum Bestimmen und Verstärken der Differenz und der gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2) konfiguriert ist; oder wobei die elektrische Schaltung (610; 710) einen Verstärker umfasst, der zum selektiven Verstärken des ersten Wertes (v1) und des zweiten Wertes (v2) konfiguriert ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, weiter umfassend einen digitalen Prozessor (630; 730), der einen nichtflüchtigen Speicher (631; 731), der zumindest einen konstanten Wert (K, A, B) speichert, umfasst oder mit diesem verbunden ist, und wobei der digitale Prozessor zum Bestimmen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2) und basierend auf dem konstanten Wert (K, A, B) angepasst ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach Anspruch 12, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810) weiter zumindest einen Temperatursensor (712, 722) umfasst, der zum Messen von zumindest einer Temperatur, die sich auf eine Temperatur des ersten Magnetsensors (711) und/oder des zweiten Magnetsensors (721) bezieht, konfiguriert ist, wobei der zumindest eine Temperatursensor (712, 722) mit dem digitalen Prozessor (730) verbunden ist; und wobei der digitale Prozessor (730) zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Wert (v1) und dem zweiten Wert (v2) und unter Berücksichtigung der zumindest einen gemessenen Temperatur (t1, t2) angepasst ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810) weiter zumindest einen Belastungssensor umfasst, der zum Messen von zumindest einem Belastungswert in Bezug auf eine mechanische Belastung, die vom ersten Magnetsensor erfahren wird, konfiguriert ist, wobei der zumindest eine Belastungssensor mit dem digitalen Prozessor (730) verbunden ist; und wobei der digitale Prozessor zum Berechnen des zu messenden Stroms basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem ersten Magnetwert (v1) und dem zweiten Magnetwert (v2) und unter Berücksichtigung des zumindest einen gemessenen Belastungswertes angepasst ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500; 800) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Stromwert, der von der Verarbeitungsschaltung basierend auf dem ersten und dem zweiten Magnetsensor bestimmt wird, als ein erster Stromwert (I1) betrachtet wird; - und wobei das Substrat (110; 210; 310; 410; 510; 810) weiter einen dritten Magnetsensor umfasst, der auf ähnliche Weise wie der erste Magnetsensor angeordnet ist und zum Messen eines dritten Wertes (v3) konfiguriert ist, und weiter einen vierten Magnetsensor umfasst, der auf ähnliche Weise wie der zweite Magnetsensor angeordnet ist und zum Messen eines vierten Wertes (v4) konfiguriert ist; - und wobei die Verarbeitungsschaltung (630; 730) weiter zum Erhalten des dritten Wertes (v3) mit dem dritten Magnetsensor und zum Erhalten des vierten Wertes (v4) mit dem vierten Magnetsensor verbunden ist, und weiter zum Bestimmen eines zweiten Stromwertes (12) basierend auf einer Differenz oder einer gewichteten Differenz zwischen dem dritten Wert (v3) und dem vierten Wert (v4) angepasst ist; und weiter zum Vergleichen des zweiten Stromwertes und des ersten Stromwertes und, wenn eine Differenz oder ein Verhältnis zwischen dem ersten und dem zweiten Stromwert eine vorbestimmte Bedingung erfüllt, zum Bereitstellen eines Mittelwertes des ersten Stromwertes und des zweiten Stromwertes als den Stromwert angepasst ist.
Stromsensorvorrichtung (100; 200; 300; 400; 500) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Leitungsrahmen ein Kupfer-Leitungsrahmen ist, der eine Dicke in dem Bereich von 100 bis 600 Mikron aufweist; und wobei die ersten Leitungen erste Eingangsleitungen, die sich auf einer Seite der Vorrichtung befinden, und erste Ausgangsleitungen, die sich auf einer anderen Seite der Vorrichtung gegenüber der ersten Seite befinden, umfasst; und wobei der elektrische Leiter einen im Wesentlichen ebenen und im Wesentlichen balkenförmigen Verbindungsabschnitt umfasst, der eine Länge aufweist, die im Wesentlichen den gesamten Abstand zwischen den ersten Eingangsleitungen und den ersten Ausgangsleitungen überspannt; und wobei der elektrische Leiter einen elektrischen Widerstand kleiner als 0,80 mOhm aufweist; und wobei der balkenförmige Verbindungsabschnitt eine Breite in dem Bereich von 1,0 mm bis 7,0 mm aufweist; und wobei das Halbleitersubstrat den ersten Magnetsensor und den zweiten Magnetsensor und die in das Substrat integrierte oder eingebettete Verarbeitungsschaltung umfasst; und wobei die Breite (Ws) des Substrats kleiner als die Breite (Wc) des balkenförmigen Verbindungsabschnitts ist; und wobei sich die Projektion des ersten Sensorortes senkrecht zu der Ebene (XY), die durch die Längen- und die Breitenrichtung des balkenförmigen Verbindungsabschnitts definiert ist, außerhalb des balkenförmigen Verbindungsabschnitts befindet, und wobei sich die Projektion des zweiten Sensorortes senkrecht zu der Ebene auf dem balkenförmigen Verbindungsabschnitt befindet; und wobei die Stromsensorvorrichtung umspritzt ist, um eine verpackte Stromsensorvorrichtung zu bilden.