DE4410180A1

DE4410180A1 - Stromstärkemeßgerät

Info

Publication number: DE4410180A1
Application number: DE19944410180
Authority: DE
Inventors: Jochen Neumeister
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1994-03-24
Filing date: 1994-03-24
Publication date: 1995-09-28
Also published as: WO1995025959A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Stromstärkemeßgerät nach der Gattung des Hauptanspruchs. Es sind bereits integrierte Schaltungen bekannt, bei denen ein integrierter Sensor vor gesehen ist, mit dem die magnetische Feldstärke eines Magnetfeldes als Maß für die Stromstärke gemessen wird. Zur besseren Meßbarkeit ist dazu entweder die Oberfläche des Sensors freiliegend und nicht abgedeckt und somit durch Um welteinflüsse gefährdet, oder der Sensor ist in einem IC-Ge häuse angeordnet, wodurch eine Verschlechterung der Meßbe dingungen insbesondere für Magnetfelder von kleinen Strömen in Kauf genommen werden muß.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Stromstärkemeßgerät mit den kennzeich nenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß zur Messung von Magnetfeldstärken insbesondere kleiner Ströme der Strom so nahe am integrierten Sensor vor beigeführt wird, daß eine Messung mit ausreichender Genauig keit erfolgen kann, obwohl der integrierte Sensor in einem IC-Gehäuse eingegossen ist. Der integrierte Sensor ist dabei vor Umwelteinflüssen geschützt. Außerdem ist für das Strom stärkemeßgerät ein handelsübliches IC-Gehäuse verwendbar, wodurch sich der Herstellungsaufwand reduziert. Schließlich wird erreicht, daß der Leiter definiert am Sensor vorbeige führt wird, was die Genauigkeit der Messung erhöht.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Stromstärkemeßgeräts möglich.

Die Verwendung des elektrisch leitfähigen Trägerelements des integrierten Sensors zur Leitung des Meßstroms erweist sich insofern als vorteilhaft, als integrierte Schaltungen mit elektrisch leitfähigen Trägerelementen bereits im Handel er hältlich sind und so keine Modifikation eines IC-Gehäuses vorgenommen werden muß, um einen magnetfeldsensitiven inte grierten Sensor zur Strommessung einzusetzen. Außerdem wird dadurch der Strom, dessen Magnetfeld gemessen werden soll, so nahe wie möglich am integrierten Sensor vorbeigeführt. Da die Feldstärke des Magnetfeldes mit steigendem Abstand vom integrierten Sensor sinkt, wird durch den geringen Abstand eine hohe Güte des Stromstärkemeßgeräts in Form einer gerin gen Empfindlichkeit gegenüber Störgrößen erreicht. Zusätz lich können mit dieser Anordnung auch größere Ströme gemes sen werden, da das Trägerelement genügend große Abmessungen aufweist, um auch größere Ströme zu führen.

Die Anordnung einer Isolationsschicht zwischen integriertem Sensor und elektrisch leitfähigem Trägerelement dient vor teilhafterweise dazu, den zu messenden Strom räumlich auf das elektrisch leitfähige Trägerelement zu begrenzen d. h. Leckströme zum Halbleitersubstrat zu vermeiden und so ein exaktes Meßergebnis zu erhalten.

Die Anordnung der elektrisch leitenden Verbindung zusammen mit dem integrierten Sensor auf einem Halbleitersubstrat er gibt eine hohe Meßempfindlichkeit, da die Feldlinien des Magnetfeldes in einem meßtechnisch günstigen Winkel durch den integrierten Sensor dringen. Außerdem kann eine bereits auf dem Halbleitersubstrat vorhandene integrierte Metall schicht für die Leiterbahn verwendet werden, wodurch sich wiederum der Herstellungsaufwand für das Stromstärkemeßgerät verringert.

Die Stromleitung über eine getrennt vom Halbleitersubstrat innerhalb des Gehäuses verlaufende Leiterbahn ist in vor teilhafter Weise für die Messung größerer Ströme geeignet, insbesondere, wenn das IC-Gehäuse kein leitfähiges Träger element aufweist. Außerdem verbessert sich die Meßempfind lichkeit, da dann die Feldlinien insbesondere einen als in tegrierten Hall-Sensor ausgebildeten Sensor in einem meß technisch günstigen Winkel durchdringen.

Besonders vorteilhaft ist es, den integrierten Sensor als einen integrierten Hall-Sensor auszuführen, da ein Hall- Sensor mit wenig Aufwand integrierbar ist und eine qualitativ hochwertige Messung der Feldstärke erlaubt.

Auch die Ausgestaltung des integrierten Sensors in Form ei nes magnetoresistiven integrierten Sensors ist vorteilhaft, da die Empfindlichkeit dieses integrierten Sensors sehr hoch ist.

Die Integration des integrierten Sensors gemeinsam mit einem Meßverstärker und einem A/D-Wandler in einer integrierten Schaltung bringt den Vorteil mit sich, daß eine komplette Meßvorrichtung in einer integrierten Schaltung zusammenge faßt ist, wodurch keine zusätzliche Schaltung zur Meßwert verstärkung und -wandlung notwendig ist.

Weiter gereicht es zum Vorteil, daß mehr als ein integrier ter Sensor im IC-Gehäuse integriert ist, da sich zum einen eine höhere Meßverstärkung bzw. ein höheres Signal/Rausch- Verhältnis erreichen läßt und zum anderen durch Verrechnung der Ausgangssignale der integrierten Sensoren eine Elimina tion von Störfeldstärken möglich ist.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Stromstärkemeßgerät in einer ersten Ausfüh rungsform,

Fig. 2 ein Stromstärkemeßgerät in einer zweiten Ausfüh rungsform,

Fig. 3 ein Stromstärkemeßgerät in einer dritten Ausfüh rungsform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein beschaltetes Stromstärkemeßgerät in einer ersten Ausführungsform dargestellt. Ein IC-Gehäuse 1 weist an seiner Außenseite mehrere Anschlüsse 2 auf. Die Anschlüs se 2 sind mit Kontaktflächen 3 verbunden, die im Inneren des IC-Gehäuses 1 am Rand verteilt angeordnet sind. Von den Kon taktflächen 3 gehen Drähte 4 aus, die mit Anschlußflächen 5 auf einem Halbleitersubstrat 6 verbunden sind. Die Anschluß flächen 5 sind ebenfalls am Rand des Halbleitersubstrats 6 verteilt. Auf dem Halbleitersubstrat 6 befindet sich außer dem eine integrierte Schaltung 14 mit einem integrierten Sensor 10, der als magnetoresistiver Sensor in einer Wheatstone-Brückenschaltung ausgebildet ist. Die integrierte Schaltung 14 umfaßt weiter einen Meßverstärker 8 der der Wheatstone-Brückenschaltung nachgeschaltet ist und dessen Ausgang am Eingang eines A/D-Wandlers 9 liegt.

Zwei Anschlüsse der Wheatstone-Brückenschaltung sind über Leiterbahnen mit Anschlußflächen 5 verbunden, die als Span nungsversorgungsanschlüsse an eine Betriebsspannung (V_ss, V_dd) angeschlossen sind, während die beiden weiteren An schlüsse der Wheatstone-Brückenschaltung mit dem Meßverstär ker B verbunden sind. Die Ausgänge der integrierten Schal tung 14 sind ebenso wie deren Eingänge mit den weiteren An schlußflächen 5 über Leiterbahnen verbunden. Das Halbleiter substrat 6 ist auf einer Isolationsschicht 15 aufgebracht, die ihrerseits wiederum auf einem elektrisch leitfähigen Trägerelement 11 befestigt ist. Das elektrisch leitfähige Trägerelement 11 weist Flächenanteile auf, die an zwei Sei ten aus dem IC-Gehäuse 1 ragen und in Kontakte 12, 13 mün den. An den Kontakten 12, 13 ist über einen Widerstand R1 eine Spannungsquelle U1 angeschlossen, wodurch ein Strom I1 durch das elektrisch leitfähige Trägerelement 11 fließt.

Der Strom I1, welcher durch das elektrisch leitfähige Trä gerelement 11 unter dem Halbleitersubstrat 6 fließt, erzeugt ein Magnetfeld. Die Feldstärke des Magnetfeldes wird dabei vom in der integrierten Schaltung 14 liegenden integrierten Sensor 10 in eine elektrische Spannung, die von der Feldstärke des magnetischen Feldes abhängig ist, abgebildet. Üblicherweise ist die Abhängigkeit in Form einer Proportionalität vorhanden. Die elektrische Spannung wird im nachfolgenden Meßverstärker 8 verstärkt und vom A/D-Wandler 9 digitalisiert, wodurch an einzelnen Anschlußflecken 5 ein der gemessenen Feldstärke des Magnetfeldes des Stroms I1 entsprechendes digitales Signal anliegt, das über die Drähte 4 an die Kontaktflächen 3 und von dort an die Anschlüsse 2 gelangt, wo es für eine Anzeige oder Weiterverarbeitung bereitsteht. Die Isolationsschicht 15 isoliert das Halbleitersubstrat 6 elektrisch vom elektrisch leitfähigen Trägerelement 11. Dadurch wird eine Fehlfunktion des Stromstärkemeßgeräts aufgrund vom elektrisch leitfähigen Trägerelement 11 zum Halbleitersubstrat 6 fließender Ströme verhindert. Das IC-Gehäuse 1 besteht aus einem Kunststoff oder einer Keramik und umschließt die integrierte Schaltung 14 auf dem Halbleitersubstrat 6 sowie die Kontaktflächen 3 mit den Drähten 4. Zur Inbetriebnahme der integrierten Schaltung 14 ist an die Spannungsversorgungsanschlüsse der Anschlüsse 2 ein entsprechendes Betriebspotential V_ss, V_dd anzulegen.

Mit dem Stromstärkemeßgerät ist über das durch den Strom I1 erzeugte Magnetfeld die Stromstärke des Stroms I1, der an den Kontakten 12 und 13 durch das IC-Gehäuse 1 geführt wird, meßbar, wobei das elektrisch leitfähige Trägerelement 11 zu sätzlich zu seiner Kühlfunktion die Funktion des Leiters für den Strom I1 ausübt.

Fig. 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel für ein Strom stärkemeßgerät unter Beibehaltung der Numerierung von Fig. 1. Im IC-Gehäuse 1 befindet sich die auf dem Halbleiter substrat 6 aufgebrachte integrierte Schaltung 14. Diese um faßt zwei integrierte Hall-Sensoren 10, von deren je vier Elektroden je zwei gegenüberliegende Elektroden an Anschluß flecken 5 angeschlossen sind, an denen die Betriebsspannung V_ss, V_dd anliegt. Die verbleibenden Elektroden sind an Ein gänge eines analogen Addiermittels 7 angeschlossen, dessen Ausgang über den Meßverstärker 8 mit dem A/D-Wandler 9 ver bunden ist. Die Ausgänge des A/D-Wandlers 9 führen zu den weiteren Anschußflecken 5. Die Anschlußflecken 5 sind über die Drähte 4 an den Kontaktflächen 3 befestigt, welche durch das IC-Gehäuse 1 hindurch in die aus dem IC-Gehäuse 1 ragen den Anschlüsse 2 übergehen. Die elektrische Verbindung der beiden Kontakte 12, 13 ist in Form einer Leiterbahn 16, die über weitere Anschlußflecken 25, weitere Drähte 24 und die Anschlüsse 3 die beiden Kontakte 12, 13 verbindet, ausgebil det, wobei die Leiterbahn 16 nahe an den integrierten Hall- Sensoren 10 vorbei führt und auf dem Halbleitersubstrat 6 in tegriert ist. Durch die Leiterbahn 16 fließt der zu messende Strom I1.

Der durch die Leiterbahn 16 fließende Strom I1 erzeugt auch hier ein Magnetfeld, dessen Feldlinien die integrierten Hall-Sensoren 10 durchdringen. Die durch das Magnetfeld er zeugten, zu dessen Feldstärke proportionalen Spannungen der integrierten Hall-Sensoren 10 werden im Addiermittel 7 addiert und im nachfolgenden Meßverstärker 8 verstärkt. Im nachgeschalteten A/D-Wandler 9 erfolgt eine Umwandlung des analogen Spannungssignals am Ausgang des Meßverstärkers 8 in digitale Signale, die über die Anschlußflecken 5, Drähte 4 und Kontaktflächen 3 an die zugehörigen Anschlüsse 2 gelan gen. Durch die Anordnung der Leiterbahn 16 seitlich zu den integrierten Hall-Sensoren 10 im Gegensatz zur Anordnung des elektrisch leitfähigen Trägerelements 11 unter den inte grierten Hall-Sensoren 10 durchdringen die magnetischen Feldlinien die Oberflächen der integrierten Hall-Sensoren 10 nahezu senkrecht, wodurch eine größere Empfindlichkeit des Stromstärkemeßgeräts mit den integrierten Hall-Sensoren 10 erreicht wird.

Durch die räumliche Anordnung der integrierten Hall-Sensoren 10 auf dem Halbleitersubstrat 6 ist es möglich, eine Elimi nierung von magnetischen Störfeldern zu erreichen. So können die beiden integrierten Hall-Sensoren 10 je links und rechts in gleichem Abstand von der Leiterbahn 16 angeordnet sein, und damit ein Einfluß homogener Magnetfelder durch eine Addition der Ausgangsspannungen der beiden integrierten Hall-Sensoren 10 mit verschiedenen Vorzeichen minimiert wer den. Ebenso ist es möglich, die beiden integrierten Hall- Sensoren 10 in unterschiedlichem Abstand von der Leiterbahn 16 anzuordnen und eine hinter den integrierten Hall-Sensoren 10 angeordnete Rechenschaltung vorzusehen, mittels derer die Ausgangssignale der beiden integrierten Hall-Sensoren 10 auf Übereinstimmung mit der durch die Abhängigkeit der Magnet feldstärke vom seitlichen Abstand von der Leiterbahn 16 ge gebenen Gesetzmäßigkeit geprüft werden und die nicht korrekten Anteile des Ausgangssignals eliminiert werden. Da zu ist auch eine Anordnung beliebig vieler weiterer inte grierter Hall-Sensoren 10 möglich.

Anstelle eines integrierten Hall-Sensors 10 ist ebenso ein anderer magnetosensitiver Sensor, wie z. B. eine die Verstim mung eines Resonanzkreises aufgrund des Magnetfeldes anzei gende Schaltung vorgesehen. Durch die Tatsache, daß der Sen sor 10 integriert ist, ist die Weiterverarbeitung des Meß werts mit dem integrierten Sensor 10 im gleichen IC-Gehäuse 1 integrierten Schaltungsnetzwerk in analoger wie in digita ler Form möglich. Eine automatische Steuerung des Meßvor gangs, die Meßwertspeicherung, Verarbeitung und Auswertung und eine eventuelle Rückkopplung auf den Strom I1 ist eben falls vorgesehen.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel für ein Strom stärkemeßgerät unter Beibehaltung der Numerierung von Fig. 2. Es besteht dabei der Unterschied, daß die Leiterbahn 16 nicht zusammen mit der integrierten Schaltung 14 auf demsel ben Halbleitersubstrat 6 integriert und über die Anschlüsse 23, die Anschlußflecken 25 und die Drähte 24 mit den Kontak ten 12, 13 verbunden ist, sondern vom Halbleitersubstrat 6 elektrisch isoliert im IC-Gehäuse 1 angeordnet und direkt mit den Kontakten 12, 13 verbunden ist.

Der elektrische Strom 11, der durch die Leiterbahn 16 fließt, bildet nun einerseits ein Magnetfeld aus, welches meßtechnisch günstig die integrierten Hall-Sensoren 10 durchdringt und ist andererseits elektrisch vom Halbleiter substrat 6 und den integrierten Hall-Sensoren 10 isoliert, wodurch keine elektrische Beeinflussung und Verfälschung des Meßsignals durch den Strom I1 entstehen kann. Außerdem ist für diese Ausgestaltung ein dickerer Leiterquerschnitt für die Leiterbahn 16 wählbar, als in Fig. 2, wodurch auch diese Anordnung für größere Ströme I1 geeignet ist.

Claims

1. Stromstärkemeßgerät mit einem in einem IC-Gehäuse, auf einem Halbleitersubstrat angeordneten, integrierten Sensor, der ein von der magnetischen Feldstärke des von einem elektrischen Strom erzeugten magnetischen Feldes abhängiges Ausgangssignal abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei elektrisch leitende Kontakte (12, 13) vorgesehen sind, die aus dem IC-Gehäuse (1) ragen und die innerhalb des IC-Gehäuses (1) miteinander über eine elektrisch leitende Verbindung verbunden sind, durch die der zu messende elektrische Strom (I1) fließt und daß die elektrisch leitende Verbindung im Bereich des integrierten Sensors (10) geführt ist.

2. Stromstärkemeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die elektrisch leitende Verbindung ein elektrisch leitfähiges Trägerelement (11) umfaßt, auf dem der inte grierte Sensor (10) befestigt ist.

3. Stromstärkemeßgerät nach Anspruch 2 dadurch gekennzeich net, daß zwischen dem integrierten Sensor (10) und dem elek trisch leitfähigen Trägerelement (11) eine Isolationsschicht (15) angeordnet ist.

4. Stromstärkemeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die elektrisch leitende Verbindung eine auf dem Halbleitersubstrat (6) integrierte Leiterbahn (16) umfaßt.

5. Stromstärkemeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die elektrisch leitende Verbindung eine getrennt vom Halbleitersubstrat (6) im IC-Gehäuse (1) angeordnete Leiterbahn (16) umfaßt.

6. Stromstärkemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der integrierte Sensor (10) ein integrierter Hall-Sensor ist.

7. Stromstärkemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß der integrierte Sensor (10) ein integrierter magnetoresistiver Sensor ist.

8. Stromstärkemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, daß der integrierte Sensor (10) ge meinsam mit einem dem integrierten Sensor (10) nachgeschalteten Meßverstärker (8) und einem diesem folgenden A/D-Wandler (9) in einer integrierten Schaltung (14) integriert ist.

9. Stromstärkemeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß im IC-Gehäuse (1) wenigstens ein weiterer integrierter Sensor (10) vorgesehen ist, der gleichfalls ein von der magnetischen Feldstärke des vom zu messenden elektrischen Strom erzeugten magnetischen Feldes abhängiges Ausgangssignal abgibt und daß die Ausgangssignale der integrierten Sensoren (10) mittels eines Addiermittels (7) addiert oder subtrahiert werden.