DE4221385C2 - Bauelement zur potentialfreien Strommessung - Google Patents

Bauelement zur potentialfreien Strommessung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Bauelement zur potentialfreien Strommessung mit einem leitfähigen, stromdurchflossenen Chipträger, mit einem auf dem Chipträger isoliert ange­ brachten Magnetfeldsensor und einem Dauermagneten, wobei der Chipträger mindestens einen Stromeingangs- und Strom­ ausgangspin und der Magnetfeldsensor magnetfeldabhängige Widerstände aufweist und das Bauelement gekapselt ist.
Der Gegenstand der Erfindung, ein verkapseltes Bauelement, dient der potentialfreien Messung von Gleich- und Wechsel­ strömen. Eine solche potentialfreie Messung innerhalb eines weiten Frequenzbereiches ist beispielsweise in Schaltnetz­ teilen und in Motorsteuerungen notwendig. Bauelemente die­ ser Art sind bekannt. So wird in der DE 38 28 005 A1 ein Beispiel dafür beschrieben. Bei diesem Bauelement ist auf einem leitfähigen Chipträger, der mit zwei Pins des Bauele­ mentes verbunden ist, ein magnetoresistiver Sensor isoliert angeordnet. Fließt Strom durch den Chipträger wird der Ma­ gnetfeldsensor entsprechend dem zum Strom proportionalen Magnetfeld angesteuert und damit ist sein Ausgangssignal ein Maß für den jeweils fließenden Strom.
Damit verbunden ist die Tatsache, daß das auf den Sensor wirkende Magnetfeld stark von der Lage des Sensorchips ge­ genüber dem Stromleiter abhängig ist. Übliche Montagetole­ ranzen für den Abstand und die Chiplage in der Ebene über dem Chipträger führen so zu erheblichen Unterschieden in der Empfindlichkeit des Bauelementes. Deshalb muß jedes Bauelement speziell ausgemessen werden und erhält einen speziellen Meßfaktor. Die dadurch nicht vorhandene Aus­ tauschbarkeit der Bauelemente ist ein wesentlicher Nach­ teil.
Ein weiterer Nachteil des bekannten Bauelementes ergibt sich aus dem begrenzten Meßbereich der magnetoresistiven Sensoren. Da andererseits das durch den Meßstrom erzeugte Magnetfeld möglichst groß gegenüber allen Störmagnetfeldern sein muß, was durch Anpassung der Breite des leitfähigen Chipträgers an den jeweils maximalen Fließstrom realisiert wird, ergibt sich, daß Stromsensoren für relativ eng ge­ staffelte Meßbereiche zur Verfügung gestellt werden müssen, die sich bezüglich ihres Chipträgers unterscheiden. Damit ist eine kostengünstige Fertigung großer Serien nicht mög­ lich. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Stromsensor­ bauele-mente mit magnetoresistiven Sensorelementen ist auf den Dauermagneten zurückzuführen, der für das Sensorelement das zur Stabilisierung der Magnetisierung notwendige Ma­ gnetfeld erzeugt. Die im Einsatzfall in den Schaltungen auftretenden Kurzschlußströme, die auch durch den Chipträ­ ger fließen, rufen in dessen Nähe Magnetfelder hervor, die zur Ummagnetisierung des Dauermagneten durchaus ausreichend sein können. Solche Ummagnetisierungen verändern die Bau­ elementeparameter dauerhaft und machen so die Bauelemente unbrauchbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von Bauelementen zur potentialfreien Strommessung mit einem Magnetfeldsensor auf einem leitfähigen Chipträger durch den der zu messende Strom fließt anzugeben, die reproduzierba­ re, stabile Parameter aufweisen und die in großen Serien und damit kostengünstig herstellbar sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Der Chipträger ist hierbei in mehrere parallele Stromzweige aufgeteilt. Auf einem davon befindet sich innerhalb der Verkapselung der Magnetfeldsen­ sor und ist so vor äußeren Einflüssen geschützt. Die übri­ gen parallelen Leiterstreifen befinden sich teilweise au­ ßerhalb der Verkapselung. Damit können sie auch nach der Herstellung des Bauelementes in ihrer Breite durch nach­ trägliche Bearbeitung verringert werden. Dabei ist unter breitenverändernder Bearbeitung ausdrücklich auch ihre völ­ lige Durchtrennung zu verstehen. Durch diese Breitenände­ rung ändert sich der Widerstand des jeweils bearbeiteten Leiterstreifens und damit ändert sich die Stromverteilung zwischen den parallelen Leiterstreifen und so kann die Stromdichte in den Leiterstreifen, der den Feldsensor trägt, auf den Wert gebracht werden, der für den angestreb­ ten Meßfaktor erforderlich ist. Bei völliger Durchtrennung eines Leiterstreifens wird es so auch möglich, einen ande­ ren Meßbereich, das heißt einen anderen Meßfaktor einzu­ stellen. Da für mehrere Meßbereiche immer Chipträger mit der gleichen Struktur verwendet werden können, ist damit deren Herstellung in großen Stückzahlen möglich. Da zur stabilen Festlegung der Magnetisierungsrichtung des magne­ toresistiven Sensors ein Dauermagnet notwendig ist, wird dieser vorteilhafterweise zwischen den Leiterstreifen ange­ ordnet. Die günstigste Position ist bei symmetrischer Lei­ terstreifenanordnung in der Mitte. Zwischen den Leiter­ streifen gibt es nur vernachlässigbare Feldkomponenten in der Leiterstreifenebene. Die dazu senkrechte Komponente hebt sich bei symmetrischer Anordnung vollständig und bei unsymmetrischer Anordnung teilweise auf. Damit wird verhin­ dert, daß beim Sensorbetrieb kurzzeitig auftretende Kurz­ schlußströme, welche die Meßbereichsgrenze um ein Vielfa­ ches übersteigen, den Dauermagneten ummagnetisieren.
Es ist vorteilhaft, als Magnetfeldsensoren magnetoreistiven Sensoren zu verwenden, bei denen auf dem Chip eine Dünn­ schichtkompensationsleitung integriert ist. Ein Strom durch diese Leitung hebt beim Meßvorgang am Ort des Sensors das Magnetfeld des Meßstromes auf. Durch diese Maßnahme wird der Linearitätsbereich des magnetoresistiven Sensors erheb­ lich vergrößert und damit vergrößert sich auch der Umfang des jeweiligen Meßbereiches des Bauelementes.
Weitere Vorteile werden dadurch erreicht, daß auf der dem Sensor abgewandten Seite des Leiterstreifens, der den Sen­ sor trägt, eine weichmagnetische Schicht angeordnet ist. Dadurch fällt auf dieser Seite keine magnetische Spannung ab und das auf den Sensors wirkende Feld pro Stromeinheit wird etwa auf das Doppelte erhöht. So gelingt es schon bei geringerem Strom, den Pegel des Störmagnetfeldes zu über­ steigen.
Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Die dazu gehörende Zeichnung zeigt in der
Figur die Draufsicht auf ein unverkapseltes Bauelement.
Die Umrisse der späteren Verkapselung 5 sind gestrichelt angedeutet. Ein leitfähiger Chipträger 3 besitzt zwei Stro­ meingangs- 1 und zwei Stromausgangspins 2. Im mittleren Teil ist der Chipträger 3 so strukturiert, daß ein erster Leiterstreifen 8, der den Magnetfeldsensor 4 trägt und sich innerhalb der späteren Verkapselung 5 befindet, ein zweiter Leiterstreifen 9, der sich teilweise außerhalb der Verkap­ selung 5 befindet, sowie ein dritter Leiterstreifen 11, der völlig außerhalb der Verkapselung 5 angeordnet ist, vorhan­ den sind. Für den Anschluß der Sensorbrücke und des Kompen­ sationsleiters sind sechs Anschlußpins 12 vorgesehen. Der Magnetfeldsensor 4 detektiert das Magnetfeld des Stromes, der durch den ersten Leiterstreifen 8 des leitfähigen Chip­ trägers 3 fließt. Die Messung erfolgt so, daß das durch den Strom des Leiterstreifens 8 erzeugte Magnetfeld durch einen Strom in der Kompensationsleitung des Sensorchips 4 gerade aufgehoben wird. Die Sensorbrücke dient dabei als Nullindi­ kator. Das Ausgangssignal ist der Kompensationsstrom, der dem zumessenden Strom proportional ist. Der im Chipträger 3 fließende Strom teilt sich auf die drei parallelen Leiter­ streifen 8, 9 und 11 auf. Ist die Steilheit des Bauelemen­ tes - das heißt der pro Meßstromeinheit auftretende Kompen­ sationsstrom - zunächst zu gering, kann der Strom im ersten Leiterstreifen 8 dadurch erhöht werden, daß im Bereich zur breitenverändernden Bearbeitung 6 des dritten Leiterstrei­ fens 11 die Breite durch mechanische oder Laserbearbeitung verringert wird. Beim Bearbeitungsvorgang wird die Steil­ heit gemessen. So sind alle Bauelemente mit geringen Tole­ ranzen auf den gleichen Wert der Steilheit einstellbar. Soll der Stromsensor eine genau um den Faktor zwei höhere Steilheit aufweisen, so wird nach der Fertigstellung des Bauelementes zunächst der zweite Leiterstreifen 9 im zur Durchtrennung vorgesehenen Bereich 10 durchtrennt. Danach erfolgt der Feinabgleich der Steilheit wie oben beschrie­ ben. Zwischen dem ersten Leiterstreifen 8 und dem zweiten Leiterstreifen 9 ist ein Dauermagnet 7 so angeordnet, daß das von ihm erzeugte Magnetfeld am Ort des magnetoresisti­ ven Sensors eine Stärke von 3 kA/m hat. Der Dauermagnet 7 zeigt dabei mit seiner Richtung in Längsrichtung der Wider­ standsstreifen des Sensors 4. Das am Ort des Dauermagneten 77 durch den zu messenden Strom verursachte Magnetfeld hat nur einen geringen Wert. Da der Dauermagnet 7 sich in einer Ebene mit dem leitfähigen Chipträger 3 befindet, können Feldkomponenten in dieser Ebene nur vernachlässigbar klein sein. Die Feldkomponenten senkrecht zu dieser Ebene, die von den Strömen in den parallelen Leiterstreifen 8, 9 und 11 herrühren, können bei hohem Strom, wie er beispielsweise bei Kurzschlüssen auftreten kann, im Einzelnen sehr hohe Werte erreichen. Da jedoch die Richtungen der senkrechten Feldkomponenten, die vom Leiterstreifen 8 erzeugt wird und die von den Leiterstreifen 9 und 11 erzeugt werden, entge­ genstehen, heben sie sich im wesentlichen auf. Eine Umma­ gnetisierung des Dauermagneten 7 ist somit auch im Kurz­ schlußfall ausgeschlossen.

Claims (6)

1. Bauelement zur potentialfreien Strommessung mit einem leitfähigen, stromdurchflossenen Chipträger, mit einem auf dem Chipträger isoliert angebrachten Magnetfeldsensor und einem Dauermagneten, wobei der Chipträger mindestens einen Stromeingangs- und Stromausgangspin und der Magnetfeldsen­ sor magnetfeldabhängige Widerstände aufweist und das Bau­ element gekapselt ist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Chipträger (3) zwischen dem Stromeingangs- und Strom­ ausgangspin (1, 2) in einen ersten (8) und mindestens einen weiteren Leiterstreifen (9, 11) verzweigt ist, dass der Ma­ gnetfeldsensor (4) auf dem ersten Leiterstreifen (8) ange­ bracht ist, dass der Dauermagnet zwischen zwei Leiterstrei­ fen so angebracht ist, dass die Summe der Anteile des zu messenden Stromes in den Leiterstreifen (8, 9, 11) auf der einen Seite des Dauermagneten etwa genauso groß ist, wie die Summe der Anteile auf der gegenüberliegenden Seite,
dass das Magnetfeld des Dauermagneten gerichtet auf den Ma­ gnetfeldsensor einwirkt, dass sich mindestens einer der weiteren Leiterstreifen (9, 11) zumindest teilweise außer­ halb der Verkapselung (5) befindet, und dass an diesem Lei­ terstreifen (9, 11) ein Bereich (6) zur breitenverändernden Bearbeitung vorgesehen ist.
2. Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach An­ spruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Magnetfeldsensor (4) ein Sensor nach dem Prinzip des anisotropen magnetorei­ stiven Effektes ist.
3. Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach An­ spruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Sensor (4) auf der Chipfläche integriert eine Dünnschichtkompensationslei­ tung enthält, die beim Meßvorgang von einem Strom durch­ flossen wird, dessen Magnetfeld das des zu messenden Stro­ mes am Ort des Sensors (4) aufhebt.
4. Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach An­ spruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der leitfähige Chip­ träger (3) aus gleichmäßig dickem, ebenen, gut leitfähigem Material besteht und drei parallele Leiterstreifen auf­ weist, der zweite Leiterstreifen (9) mit einer Breite, die etwa gleich der des ersten Leiterstreifens (8) ist, sich mindestens teilweise außerhalb der Verkapselung (5) befin­ det und hier einen Bereich (10)enthält, in dem seine Durch­ trennung vorgesehen ist, und der dritte Leiterstreifen (11) mit einer Breite, die wesentlich geringer ist als die des ersteh Leiterstreifens (8), sich außerhalb der Verkapselung (5) befindet und an ihm ein Bereich (6) zur breitenverän­ dernden Bearbeitung vorgesehen ist.
5. Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach An­ spruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß auf der dem Sensor (4) abgewandten Seite des leitfähigen Chipträgers (3) min­ destens im Bereich des Leiterstreifens (8), der den Sensor (4) trägt, eine weichmagnetische Schicht vorhanden ist.
6. Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach An­ spruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Dauermagnet (7) sich im Bereich zwischen dem ersten Leiterstreifen (8) und dem zweiten Leiterstreifen (9) befindet.
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