DE60027257T2 - Stromdetektor mit einer Hall-Effekt-Anordnung - Google Patents

Stromdetektor mit einer Hall-Effekt-Anordnung Download PDF

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Description

  • Hintergrund der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Stromdetektoren, insbesondere solche, die eine Halleffektvorrichtung verwenden, um eine Spannung proportional zur erfassten Stromstärke zu erhalten.
  • Der Ausdruck "Halleffektvorrichtung", der im Folgenden und in den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, bezieht sich auf den Spannungsgenerator, der auf dem bekannten Halleffekt beruht, um eine Ausgangsspannung abzugeben, die direkt proportional zum angelegten Magnetfeld ist. Die Halleffektvorrichtung, die an einer Strombahn angeordnet ist, wird einem Magnetfeld ausgesetzt, das proportional zur Stärke des Stroms, der durch diese Bahn fließt, erzeugt wird. Dementsprechend wird eine Spannung proportional zur Strömstärke erzeugt.
  • Der vorliegende Anmelder schlägt in der PCT/JP99/05408 vor, über einer Halleffektvorrichtung, die in einem Halbleitersubstrat gebildet ist, eine Isolierfolie und auf dieser Isolierfolie eine Leitungsschicht zum Führen eines zu messenden Stromes zu erzeugen. Die Strombahn befindet sich somit so nah wie möglich zur Halleffektvorrichtung, wodurch eine Verbesserung der Empfindlichkeit der Stromerfassung erreicht wird.
  • Dieser Stromdetektor nach dem Stand der Technik hat sich jedoch hinsichtlich der Stromhöhe, die von der Leitungsschicht geführt werden kann, als nicht zufrieden stellend erwiesen. Ein Strom von angenommen 100 Ampere oder mehr könnte nicht durch diesen hindurchgeleitet werden.
  • Der Anmelder hat versucht, diesen Nachteil der Vorrichtung nach dem Stand der Technik durch die Entwicklung eines Stromdetektors zu beseitigen, bei dem zwei aufgedruckte Strombahnen an einer Platine gebildet sind, von denen eine mit einer Halleffektvorrichtung elektrisch verbunden ist. Die Höhe des Stroms, der durch die andere Strombahn fließt, kann aus der Höhe des Stroms, der durch die eine Strombahn fließt, nur dann ermittelt werden, wenn die Widerstandswerte beider Strombahnen bekannt sind. Veränderungen der Stromhöhe können in ähnlicher Weise erfasst werden.
  • Diese verbesserte Vorrichtung nach dem Stand der Technik hat erwiesenermaßen ihre eigenen Schwächen: Die beiden Strombahnen sind gezwungenermaßen derart voneinander beabstandet, dass tendenziell ein ungewöhnlich hoher Temperaturunterschied zwischen diesen auftritt. Ein solcher Temperaturunterschied ist unerwünscht, da dieser zu Schwankungen des Verhältnisses führt, in welchem der Strom zwischen den beiden Bahnen aufgeteilt wird, was zu einer Verschlechterung der Strommessgenauigkeit führt.
  • Die EP 0 359 886 A1 offenbart eine Messvorrichtung für große kontinuierliche Ströme, bei der der zu messende Strom auf Strombahnen aufgeteilt wird, die unterschiedliche elektrische Widerstände haben.
  • Darüber hinaus offenbart die DE 42 21 385 A1 einen gekapselten Sensor zur Messung von Strömen, bei dem der Stromfluss auf zwei einzelne Bahnen aufgeteilt wird.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Stromdetektor desjenigen Typs zu schaffen, der eine Halleffektvorrichtung enthält und mit dem ein höherer Strom als zuvor noch genauer erfasst werden kann.
  • Der Stromdetektor gemäß der Erfindung, wie in Anspruch 1 beansprucht, umfasst eine Halleffektvorrichtung zur Erzeugung einer Spannung proportional zur magnetischen Feldstärke, einen ersten und einen zweiten Strombahnanschluss zum Fließen eines zu erfassenden oder zu messenden Stroms, und eine erste und eine zweite Leiteinrichtung, die zwischen dem ersten und dem zweiten Strombahnanschluss angeschlossen sind, um jeweils eine erste und eine zweite Strombahn dazwischen zu bilden. Die erste und die zweite Leiteinrichtung haben bezüglich einander vorbestimmte Widerstandswerte, so dass der Strom am ersten Strombahnanschluss in einem vorbestimmten Verhältnis in einen ersten Teilstrom, der durch die erste Leiteinrichtung zum zweiten Strombahnanschluss fließt, und in einen zweiten Teilstrom, der durch die zweite Leiteinrichtung zum zweiten Strombahnanschluss fließt, aufgeteilt wird. Ein Leiter, der in der zweiten Leiteinrichtung enthalten ist, ist bezüglich der Halleffektvorrichtung so angeordnet, dass diese eine Ausgangsspannung proportional zur Höhe des zweiten Teilstroms des Stromes, der durch den Leiter fließt, und folglich zur Höhe des gesamten Stroms am ersten Strombahnanschluss erzeugt. Darüber hinaus ist ein Gehäuse aus einem elektrisch isolierenden Material vorgesehen, das wenigstens die erste und die zweite Leiteinrichtung eng umgibt.
  • Der gesamte Stromdetektor ist bei einer bevorzugten Ausführungsform, die im Folgenden beschrieben wird, gekapselt, wobei nur Teile der Strombahnanschlüsse und andere erforderliche Anschlüsse freiliegen. Die Kapsel dient dazu, den Temperaturunterschied zwischen der ersten und der zweiten Leiteinrichtung auf ein Minimum zu reduzieren. Durch die Reduzierung des Temperaturunterschieds kann wiederum sichergestellt werden, dass der Strom zwangsläufig genau in dem vorbestimmten Verhältnis in die beiden Teilströme aufgeteilt wird, wobei eine solche Aufteilung für eine genaue Messung der Stromstärke unerlässlich ist.
  • Ein weiterer Vorteil der Kapselung ist die mechanische Integration der Strombahnen und der Halleffektvorrichtung. Durch die verbesserte Positionsfestigkeit dieser Bauteile können Fehler bei der Stromerfassung verringert werden. Darüber hinaus werden die Strombahnanschlüsse, die nur teilweise von der Kapsel vorstehen, an einen externen Schaltkreis angeschlossen, dessen Strom erfasst werden soll, und zwar in einer solchen Weise, dass die Genauigkeit der Stromerfassung oder Strommessung nicht beeinträchtigt wird.
  • Die Halleffektvorrichtung kann herkömmlicherweise in einem Halbleitersubstrat gebildet sein, das einen Haupt-Arbeitsbereich umfasst, in dem in Reaktion auf ein Magnetfeld infolge des Fließens des zweiten Teilstroms des Stroms durch den Leiter der zweiten Leiteinrichtung eine Spannung erzeugt wird. Vorzugsweise kann in diesem Fall der Leiter der zweiten Leiteinrichtung in Form eines im Wesentlichen ringförmigen Streifens am Halbleitersubstrat über einer Isolierschicht so gebildet sein, um von oben betrachtet den Haupt-Arbeitsbereich der Halleffektvorrichtung zu umgeben. Der Leiter kann daher so nah wie möglich und in einer solchen Weise an der Halleffektvorrichtung angeordnet werden, dass die Detektionsempfindlichkeit erhöht ist.
  • Die zuvor genannten und weiteren Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung und die Art und Weise deren Ausführung und der Erfindung selbst ergeben sich aus der folgenden Beschreibung der beigefügten Zeichnungen, in denen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Draufsicht des Stromdetektors gemäß der vorliegenden Erfindung, in der die Kapsel in durchsichtiger Darstellung gezeigt ist, um andere Bauteile zu zeigen;
  • 2 ist eine Ansicht im Schnitt des Stromdetektors entlang der Linie A-A in 1;
  • 3 ist eine Draufsicht der Halleffektvorrichtung, die in dem Stromdetektor in 1 enthalten ist;
  • 4 ist eine Draufsicht einer Isolierplatte zusammen mit einer darauf befindlichen Schutzschicht, die in dem Stromdetektor in 1 enthalten ist;
  • 5 ist eine Draufsicht, die die Grundplatte aus Blech, ein Paar Strombahnanschlüsse und weitere Anschlüsse des Stromdetektors in 1 und deren relative Positionen zeigt;
  • 6 ist eine Draufsicht eines Stanzblechs zur Verwendung bei der Herstellung der Grundplatte und der in 5 gezeigten Anschlüsse;
  • 7 ist eine Draufsicht, in der das Halbleitersubstrat des Stromdetektors in
  • 1 in einem etwas vergrößerten Maßstab gezeigt ist;
  • 8 ist eine vergrößerte, teilweise Ansicht im Schnitt der Halleffektvorrichtung des Stromdetektors in 1 entlang der Linie B-B; und
  • 9 ist eine Ansicht in etwa ähnlich der in 8, die jedoch eine alternative Ausführungsform der Erfindung zeigt.
  • Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
  • Der allgemeine Aufbau der ersten bevorzugten Ausführungsform des Stromdetektors gemäß der Erfindung wird anhand der 1 und 2 näher beschrieben. Der Stromdetektor umfasst: (a) eine Halleffektvorrichtung 1 zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, die charakteristisch für die Höhe des zu erfassenden oder zu messenden Stroms Is ist; (b) eine aus Metall bestehende Grundplatte 2; (c) zwei Strombahnanschlüsse 3 und 4 zum Führen des Stroms Is; (d) vier Leiteranschlüsse 6, 7, 8 und 9 zum Anschließen der Halleffektvorrichtung 1 an externe Geräte; (e) zwei weitere Anschlüsse 10 und 11 zum Erden der Grundplatte 2; (f) einen Leiter 12 aus Draht oder dergl., der die Strombahnanschlüsse 3 und 4 überbrückt, um dazwischen eine erste Strombahn zum Führen eines ersten Teilstroms Is1 des Stromes Is zu schalten; (g) zwei weitere Leiter 13 und 14 aus Draht oder dergl. und eine Leitungsschicht 15, die gemeinsam eine zweite Strombahn zwischen den Strombahnanschlüssen 3 und 4 zum Führen eines zweiten Teilstroms Is2 des Stromes Is bilden; (h) eine Isolierplatte 16; (i) eine Abschirmungsschicht 17; und (j) ein Kunststoffgehäuse 18, in dem der Stromdetektor eng gekapselt ist, wobei nur Teile der zuvor genannten Anschlüsse 3, 4 und 6–11 freiliegen.
  • Wie in einer Draufsicht in den 1 und 3 zu sehen ist, hat die Halleffektvorrichtung eine in etwa quadratische Form, wobei vier Elektroden 19, 20, 21 und 22 neben den Eckbereichen gebildet sind. Aus der Betrachtung insbesondere der beiden 1 und 7 geht hervor, dass die Elektroden 19–22 jeweils mit den vier Halbleiterbereichen 24, 25, 26 und 27 eines Halbleitersubstrats 23 elektrisch verbunden sind. Bei der Verwendung dieser Vorrichtung werden die Elektroden 19 und 20 an eine nicht gezeigte Steuerstromversorgung mit bekanntem Aufbau und die Elektroden 21 und 22 an einen ebenfalls nicht gezeigten Verstärker angeschlossen.
  • Das Halbleitersubstrat 23, das üblicherweise in Form einer rechteckförmigen Siliziumplatte vorgesehen ist, hat vier weitere Halbleiterbereiche 28, 29, 30 und 31 zusätzlich zu den zuvor genannten vier Halbleiterbereichen 24–27, wie am besten in 7 zu sehen ist. Der fünfte Halbleiterbereich 28 vom n-Leitungstyp ist, wie in einer Draufsicht in dieser Figur zu sehen, in Form einer kreuzförmigen Insel in der Mitte des achten Halbleiterbereichs 31 vom p-Typ, der den größten Teil des Halbleitersubstrats 23 einnimmt, vorgesehen.
  • Der erste und der zweite Halbleiterbereich 24 und 25 vom n+-Typ besitzen eine höhere Konzentration von Verunreinigungen als der fünfte Halbleiterbereich 28, und sind als Inseln, die voneinander entlang der y-Achse in 7 beabstandet sind, im fünften Halbleiterbereich 28 gebildet. Die erste und die zweite Elektrode 19 und 20 sind mit diesen Halbleiterbereichen 24 und 25 in ohmschen Kontakt. Wenn die nicht gezeigte Steuerstromversorgung an die Elektroden 19 und 20 angeschlossen wird, fließt der Steuerstrom Ic durch den fünften Halbleiterbereich 28 entweder vom ersten 24 zum zweiten Halbleiterbereich 25 oder umgekehrt.
  • Der dritte und der vierte Halbleiterbereich 26 und 27 vom n+-Typ, die eine höhere Konzentration von Verunreinigungen als der fünfte Halbleiterbereich 28 besitzen, sind in etwa mittig zum fünften Halbleiterbereich 28 in Richtung der y-Achse mit einem Abstand voneinander in Richtung der x-Achse angeordnet. Die Halbleiterbereiche 26 und 27 sind teilweise am fünften Halbleiterbereich 28, und teilweise am sechsten sowie siebten Halbleiterbereich 29 und 30 vom p-Typ angrenzend angeordnet und sind mit der dritten und der vierten Elektrode 21 und 22 in ohmschen Kontakt. Die Halbleiterbereiche 29 und 30 dienen zur Begrenzung der Kontaktbereiche der Halbleiterbereiche 26 und 27 mit dem Halbleiterbereich 28. Die Halbleiterbereiche 26 und 27 dienen zur Erfassung der Ausgangsspannung der Halleffektvorrichtung 1.
  • Die Hall-Spannung wird zwischen dem dritten und dem vierten Halbleiterbereich 26 und 27 erhalten, wenn der Steuerstrom Ic zwischen den Halbleiterbereichen 24 und 25 mit einem Magnetfeld senkrecht zur Richtung des Stromes fließt. Daher kann der Ausdruck "primärer Arbeitsbereich" der Halleffektvorrichtung, wie er im Folgenden und in den beigefügten Ansprüchen verwendet wird, als der Abschnitt des fünften Halbleiterbereichs 28 angesehen werden, der sich zwischen den Halbleiterbereichen 24 und 25 und zwischen den Halbleiterbereichen 26 und 27 befindet. Allgemein kann jedoch der gesamte Halbleiterbereich 28 als der primäre Arbeitsbereich der Halleffektvorrichtung angesehen werden.
  • Wie 2 zeigt, ist das Halbleitersubstrat 23 mit einer laminaren Isolierung 32 aus Silizumoxid oder dergl., die an dessen oberer Fläche gebildet ist, und mit einer Schicht 32 aus Aluminium oder einem ähnlichen Metall, die an dessen unterer Fläche gebildet ist, versehen, wenngleich das Vorsehen dieser Metallschicht nicht unbedingt erforderlich ist. Die laminare Isolierung 32 besteht bei dieser Ausführungsform der Erfindung aus zwei Schichten aus Laminae 32a und 32b.
  • Wie den beiden 1 und 2 zu entnehmen ist, sind Abschnitte der vier Elektroden 19 bis 22, typischerweise aus Aluminium, zwischen den Isolierschichten 32a und 32b angeordnet. Die Enden dieser Abschnitte kontaktieren die Halbleiterbereiche 24–27 durch Fenster in der Isolierschicht 32a. Die anderen Enden der Elektroden 19–22 sind durch Fenster in der anderen Isolierschicht 32b freigelegt. Die zuvor angegebene Leitungsschicht 15, die einen Teil der zweiten Strombahn bildet, liegt über der Isolierschicht 32b.
  • Wie am besten in 5 zu sehen ist, hat die aus Metall bestehende Grundplatte 2 eine annähernd quadratische Form und ist, wie in 2 klar zu sehen ist, etwas größer als die Halleffektvorrichtung 1. Die Grundplatte 2 ist so ausgelegt, um nicht nur als eine mechanische Halterung für die Halleffektvorrichtung 1, sondern auch als Hitzeradiator sowie als elektrostatische Abschirmung zu fungieren. Um all diese beabsichtigten Funktionen erfolgreich zu erfüllen, kann die Grundplatte 2 aus einem Kupferblech mit einer Dicke von 0,5 bis 1,0 mm mit einer Nickelplattierung hergestellt sein.
  • Die beiden Anschlüsse 10 und 11 erstrecken sich von den beiden gegenüberliegenden Kanten der Grundplatte 2 zum Zwecke der Erdung. Die Strombahnanschlüsse 3 und 4 erstrecken sich entlang einer der beiden anderen gegenüberliegenden Kanten der Grundplatte 2 im Abstand davon und in einem Abstand zueinander. Die Anschlüsse 6–9 zum Anschließen der Halleffektvorrichtung an externe Geräte sind ebenfalls von der Grundplatte 2 beabstandet. Mechanisch sind jedoch die Halleffektvorrichtung 1 und die Anschlüsse 3, 4, 6–11 durch die Kunststoffkapsel 18, welche diese eng umgibt, fest miteinander verbunden, wie durch die gestrichelten Linien in 5 angegeben.
  • Die Grundplatte 2 sowie die Anschlüsse 3, 4 und 6–11 können alle aus einem Stanzblech hergestellt sein, das in 6 gezeigt und allgemein mit dem Bezugszeichen 40 angegeben ist. Das Stanzblech 40 hat einen Rahmenabschnitt 41, der die Anschlüsse 3, 6, 8 und 10 in deren vorbestimmten relativen Positionen hält, einen weiteren Rahmenabschnitt 42, der in ähnlicher Weise die Anschlüsse 4, 7, 9 und 11 hält, und noch einen weiteren Brückenabschnitt 43, der die zuvor genannten beiden Brückenabschnitte 41 und 42 miteinander verbindet. Alle Anschlüsse 3, 4 und 6–11 werden von den Rahmenabschnitten 41 und 42 entlang der strichpunktierten Linien abgetrennt, nachdem die komplette Vorrichtung gekapselt wurde. Obwohl 6 einen Stanzblechabschnitt für den Satz Anschlüsse einer Halleffektvorrichtung zeigt, kann selbstverständlich in der Praxis ein Stanzblech für die Anschlüsse einer Vielzahl solcher Vorrichtungen hergestellt werden.
  • Die Isolierplatte 16, 1, 2 und 4, ist ein in etwa quadratisches Teil aus Keramikblech, eines unter anderen Isoliermaterialien, das etwas größer als die Halleffektvorrichtung 1 ist. Die Isolierplatte 16, die, wie in 2 zu sehen, über der Grundplatte 2 liegt, dient zur Isolierung der Halleffektvorrichtung 1 von der Grundplatte und zur mechanischen Stabilisierung der Vorrichtung.
  • Die Abschirmungsschicht 17, die direkt über der Isolierplatte 16 liegt, besteht aus einem Blech aus einem magnetischen Material, die in etwa dieselbe Form und Größe hat. Bevorzugte magnetische Materialien sind Eisen, Nickel, Kobalt und ähnliche Leitermaterialien, die in der Lage sind, die Halleffektvorrichtung von den Einflüssen äußerer elektrischer und magnetischer Felder abzuschirmen. Alternativ kann die Abschirmungsschicht 17 ein Laminat aus einer leitenden und einer magnetischen Schicht sein oder sie kann aus einem nicht magnetischen Leitermaterial wie etwa Kupfer oder aus einem magnetischen Isolator wie etwa Ferrit bestehen. Die Abschirmungsschicht 17 ist elektrisch mit dem Leiteranschluss 10 über einen Draht 17a verbunden, wie in 1 gezeigt. Zusätzlich zur magnetischen Abschirmung der Halleffektvorrichtung 1 dient diese Schicht zur Verringerung des magnetischen Widerstands der Bahn des magnetischen Flusses, der von dem Strom durch die Leitungsschicht 15, die einen Großteil der zweiten Strombahn bildet, erzeugt wird.
  • Wie in 2 und 8 zu sehen, ist die Isolierplatte 16 mit der daran angeordneten Abschirmungsschicht 17 mit der Grundplatte 2 durch eine Klebstoffschicht 34 verbunden. Die zuvor angegebene Metallschicht 33, die den Boden der Halleffektvorrichtung 1 abgrenzt, ist an der Abschirmungsschicht 17 durch eine Schicht 35 aus Lötmetall oder ähnlichem leitenden Verbindungsmittel befestigt.
  • Bezugnehmend wieder auf 1 sind, wie zuvor beschrieben, die Elektroden 19–22 der Halleffektvorrichtung 1 einerseits jeweils mit den vier Halbleiterbereichen 24–27 des Halbleitersubstrats 23 und andererseits jeweils mit den Leiteranschlüssen 6–9 durch Drähte 36 bis 39 elektrisch verbunden. Der Draht 12, der typischerweise aus Aluminium besteht und die Strombahnanschlüsse 3 und 4 miteinander verbindet, dient zur Bildung der ersten, direkten Strombahn vom Anschluss 3 zum Anschluss 4. Diese erste Strombahn dient zum Führen des ersten Teilstroms Is1 des zu erfassenden oder zu messenden Stroms Is, wenn dieser Strom am Ende des Anschlusses 3 in Is1 und Is2 aufgeteilt wird. Im Folgenden wird die zweite, indirekte Strombahn vom Anschluss 3 zum Anschluss 4 zum Führen des zweiten Teilstroms Is2 beschrieben.
  • Wie in den 1, 3, 7 und 8 zu sehen, ist die Leitungsschicht 15 aus Aluminium oder dergl. an den Isolierschichten 32 derart gebildet, dass sie, wie in einer Draufsicht zu sehen ist, den Halbleiterbereich 28, d.h. den weitergefassten Haupt-Arbeitsbereich der Halleffektvorrichtung 1 umgibt. Die Leitungsschicht 15 umgibt bei dieser speziellen Ausführungsform somit in etwa 95% des Umfangs des Halbleiterbereichs 28. Im Allgemeinen sollte jedoch die Leitungsschicht 15 nicht weniger als in etwa Dreiviertel der Halleffektvorrichtung 1 umgeben, um diese Vorrichtung mit einer ausreichenden Empfindlichkeit gegenüber dem Magnetfeld auszustatten, das durch den zweiten Teilstrom Is2 durch die Leitungsschicht 15 erzeugt wird, wie im Folgenden genauer beschrieben wird.
  • Die Leitungsschicht 15 ist mit einem äußersten Ende mit dem ersten Strombahnanschluss 3 durch den Aluminiumdraht 13 verbunden und mit dem anderen äußersten Ende mit dem zweiten Strombahnanschluss 4 durch den Aluminiumdraht 14 verbunden, so dass die zweite Strombahn parallel zur ersten Strombahn geschlossen wird, um den zweiten Teilstrom Is2 von dem Anschluss 3 über die Halleffektvorrichtung 1 zum Anschluss 4 zu führen. Die in der Weise angeordnete und elektrisch mit den Strombahnanschlüssen 3 und 4 verbundene Leitungsschicht 15 dient zur Beaufschlagung der Halleffektvorrichtung 1 mit dem magnetischen Fluss infolge des zweiten Teilstromes Is2, der durch diese hindurchfließt.
  • Es wird angenommen, dass die ohmschen Widerstände der beiden Strombahnanschlüsse 3 und 4 vernachlässigbar klein sind. Die Ströme Is1 und Is2, die sich auf die beiden Strombahnen verteilen, sind definiert als: Is1 = Is[R2/(R1 + R2)] Is2 = Is[R1/(R1 + R2)], wobei
    • R1
    = der ohmsche Widerstand des Drahtes 12 entlang seiner Gesamtlänge,
    R2
    = der ohmsche Widerstand der Gesamtlänge des Drahtes 13, der Leitungsschicht 15 und des Drahtes 14.
  • Zur Erfassung oder Messung des Stromes Is, der durch irgendeine zu messende elektrische Schaltung fließt, mittels dem Stromdetektor mit dem zuvor beschriebenen Aufbau können die Strombahnanschlüsse 3 und 4 mit der betreffenden elektrischen Schaltung in Reihe geschaltet werden. Darüber hinaus können die Leiteranschlüsse 6 und 7 an die nicht gezeigte Steuerstromversorgung angeschlossen werden, um zu veranlassen, dass der Steuerstrom Ic, 7, zwischen den Halbleiterbereichen 24 und 25 und den Leiteranschlüssen 8 und 9 zu dem nicht gezeigten Verstärker fließt.
  • Der zu messende Strom Is, der vom Strombahnanschluss 3 in den Stromdetektor fließt, wird in Is1 und Is2 aufgeteilt. Der erste Teilstrom Is1 fließt von dem Anschluss 3 über den Draht 12, d.h. der ersten Strombahn, zu dem Anschluss 4. Der zweite Teilstrom Is2 fließt vom Anschluss 3 über die zweite Bahn bestehend aus dem Draht 13, der Leitungsschicht 15 und dem Draht 14 zum Anschluss 4. Da der zweite Teilstrom Is2 durch die Leitungsschicht 15 um den Haupt-Arbeitsbereich der Halleffektvorrichtung 1 fließt, wird die magnetische Feldstärke H erzeugt, die gemäß der Ampereregel in der durch die gestrichelten Pfeile in 8 angegeben Richtung ausgerichtet ist. Die Richtung des Magnetfelds ist senkrecht zur Richtung des Steuerstroms Ic im Halbleiterbereich 28, so dass die Hall-Spannung zwischen den Halbleiterbereichen 26 und 27 und folglich zwischen den Elektroden 21 und 22 und folglich zwischen den Leiteranschlüssen 8 und 9 gebildet wird. Die Hall-Spannung ist proportional zur Stärke des Magnetfelds H, das wiederum proportional zur Höhe des Stromes Is ist, so dass dieser Strom aus der Hall-Spannung ermittelt werden kann.
  • Die Vorteile, die durch die zuvor beschriebene Ausführungsform der Erfindung erreicht werden, können wie folgt zusammengefasst werden:
    • 1. Der Strom Is wird nicht direkt sondern hinsichtlich seines Teilstroms Is2, der durch die Leitungsschicht 15 am Halbleitersubstrat 23 fließt, erfasst. Folglich kann, wenn das Verhältnis von R1 zu R2 beispielsweise auf eins zu neun festgelegt ist, der Strom Is2, der tatsächlich durch die Leitungsschicht 15 fließt, 10 Ampere klein sein, wenn der zu erfassende Strom Is 100 Ampere beträgt.
    • 2. Der Draht 12, der die erste Strombahn bildet, und die Drähte 13 und 14 sowie die Leitungsschicht 15, die die zweite Strombahn bilden, sind in ein und derselben Kunststoffhülle 18 eingeschlossen. Die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Strombahnen sowie Veränderungen der jeweiligen Werte der Ströme Is1 und Is2 infolge der Temperaturdifferenz werden somit auf ein Minimum reduziert.
    • 3. Die drei Drähte 12, 13 und 14, die zur Bildung der beiden Strombahnen verwendet werden, bestehen aus demselben Material und besitzen daher dieselbe Änderungsrate des Widerstands aufgrund der Umgebungstemperatur. Folglich kann der Strom Is in einem unveränderlichen Verhältnis geteilt werden, so dass eine sehr präzise Stromerfassung möglich ist.
    • 4. Die Leitungsschicht 15 zum Führen des Teilstroms Is2, die direkt über den Isolierschichten 32 an der Oberfläche des Halbleitersubstrats 23 liegt, befindet sich so nah wie möglich an der im Substrat gebildeten Halleffektvorrichtung 1, wodurch deren Messempfindlichkeit verbessert ist.
    • 5. Da die Leitungsschicht 15 in etwa 95% des Umfangs der Halleffektvorrichtung 1 bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform umgibt, wirken die magnetischen Kraftlinien auf den Halbleiterbereich 28 von allen der vier Seiten her, wodurch die Empfindlichkeit verbessert wird.
    • 6. Außer Abschnitte der Anschlüsse 3, 4 und 6–11 sind sämtliche Teile des Stromdetektors gekapselt, so dass eine höhere bauliche Stabilität und Arbeitszuverlässigkeit erreicht werden kann.
    • 7. Die Halleffektvorrichtung 1 ist von der Grundplatte 2 durch die Isolierplatte 16 ausreichend isoliert.
    • 8. Ein Rauschen infolge von externen magnetischen oder elektrischen Feldern wird durch die Abschirmungsschicht 13 unterdrückt.
    • 9. Die Grundplatte 2 und die Anschlüsse 3, 4 und 6–11 werden kostengünstig aus gemeinsamen Stanzblechen hergestellt.
  • 9 zeigt in einer ähnlichen Ansicht wie zuvor in 8 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Stromdetektors gemäß der Erfindung. Wie sich aus einem Vergleich der 8 und 9 ergibt, unterscheidet sich diese zweite Ausführungsform von der ersten in den folgenden Punkten, wobei die übrigen Konstruktionsdetails bei beiden Ausführungsformen gleich sind:
    • 1. Die Isolierplatte 16, die Abschirmungsschicht 17, die Metallschicht 33, die isolierende Klebstoffschicht 34 und die leitenden Verbindungsschichten 35 des ersten Stromdetektors fehlen bei dem zweiten.
    • 2. Die Grundplatte 2 ist direkt an der Unterseite des Halbleitersubstrats 23, da sie aus Galliumarsenid besteht, durch eine Schicht 35a aus einem leitenden Haftmittel wie beispielsweise Silber befestigt.
    • 3. Eine Abschirmungsschicht 50, ein magnetischer Kollektor 51 und zwei zusätzliche Isolierschichten 32c und 32d sind auf dem Halbleitersubstrat 23 gebildet.
  • Die Abschirmungsschicht 50, die aus Molybdän oder einem ähnlichen leitenden Material bis zu einer Dicke von 0,1 Mikrometer z.B. durch Aufdampfung, Kathodenzerstäubung oder Plattierung gebildet ist, liegt über der zweiten Isolierschicht 32b, um, wie von oben in 9 zu sehen ist, den Halbleiterbereich 28 zu überdecken, und ist zum Zwecke der Erdung elektrisch mit der Elektrode 22 verbunden.
  • Von den beiden zusätzlichen Isolierschichten 32c und 32d, die bei dieser zweiten Ausführungsform neu hinzugekommen sind, ist die Isolierschicht 32c durch Aufdampfung oder Zerstäubung über der zweiten Isolierschicht 32b gebildet, um die Abschirmungsschicht 50, die vorher darauf gebildet wurde, vollständig zu überdecken.
  • Die Leitungsschicht 15 zum Führen des zweiten Teilstroms Is2 wird, wie anhand der 1 beschrieben, bei dieser zweiten Ausführungsform an der dritten Isolierschicht 32c gebildet, anstatt an der zweiten Isolierschicht 32b, wie in 8, und ist folglich von der Abschirmungsschicht 50 elektrisch getrennt. Vorzugsweise wird die Leitungsschicht 15 aus Gold durch Plattierung, Aufdampfung oder Zerstäubung bis zu einer Dicke von in etwa 5 bis 13 Mikrometer gebildet. Die vierte Isolierschicht 32d wird an der dritten Isolierschicht 21c gebildet, an der wiederum die Leitungsschicht 15 gebildet wird.
  • Über der vierten Isolierschicht 32 liegt der magnetische Kollektor 51, der aus einem blechförmigen, magnetischen Material besteht, wie z.B. Ferrit, Eisen, Nickel, das eine höhere magnetische Permeabilität als Luft besitzt. Der magnetische Kollektor 51 ist an der vierten Isolierschicht 32d befestigt, die aus einem synthetischen Klebstoff besteht, um, bei Betrachtung von oben in 9, wenigstens den gesamten Halbleiterbereich 28 zu überdecken. Alternativ kann jedoch der magnetische Kollektor eine Folie aus einem magnetischen Material sein, die an der Isolierschicht 32d mittels Aufdampfung oder Beschichtung gebildet ist.
  • Dieser zweite Stromdetektor besitzt, mit Ausnahme des siebten und des achten Vorteils, alle der neun, zuvor im Zusammenhang mit der ersten offenbarten Vorrichtung beschriebenen Vorteile. Zusätzliche Vorteile, die nur auf diese zweite Ausführungsform zutreffen, sind:
    • 1. Durch das Überdecken der Haupt-Arbeitsbereiche der Halleffektvorrichtung einschließlich des Halbleiterbereichs 28 begrenzt die Abschirmungsschicht 50 unerwünschte Spannungsschwankungen zwischen den Elektroden 21 und 22 aufgrund von Spannungsveränderungen der Leitungsschicht 15 sowie andere Störsignale aufgrund von externen elektrischen und magnetischen Feldern.
    • 2. Die Grundplatte 2 und die leitende Klebstoffschicht 35a wirken zusammen, um die Unterseite der Halleffektvorrichtung gegen ein Induktionsrauschen abzuschirmen. Durch das Anordnen zwischen diesen Schichten und der Abschirmungsschicht 15 ist die Vorrichtung zu einem größtmöglichen Grad abgeschirmt.
    • 3. Die Abschirmungsschicht 50, die zwischen dem Halbleitersubstrat 23 und dem Leiter 15 angeordnet ist, ist ihrerseits zwischen den Isolierfolien 32b und 32c auf dem Halbleitersubstrat 23 angeordnet, so dass die Vorrichtung ohne eine wesentliche Größenzunahme wirksam abgeschirmt wird.
    • 4. Der magnetische Kollektor 51, der über dem Leiter 15 gebildet ist, ermöglicht es, den magnetischen Fluss, der durch den Strom durch die Leitungsschicht 15 erzeugt wird, in vorteilhafter Weise in Richtung auf den Halbleiterbereich 28 zu lenken, so dass eine höhere Empfindlichkeit bei der Stromerfassung durch die Halleffektvorrichtung erreicht wird.
  • Trotz der vorhergehenden genauen Beschreibung wird die vorliegende Erfindung nicht durch die genauen Darstellungen der Zeichnungen oder durch deren Beschreibung eingeschränkt. Es folgt eine kurze Auflistung der möglichen Modifizierungen, Veränderungen und Anpassungen der dargestellten Ausführungsformen, die in den Schutzbereich der Erfindung fallen:
    • 1. Das Halbleitersubstrat 23 kann aus Halbleitern wie etwa 3–5 Gruppenverbindungen anders als Silizium oder Galliumarsenid hergestellt sein. Obwohl das resultierende Substrat anfälliger auf externe magnetische Felder oder Induktionsrauschen ist, wird dieser Nachteil durch die Abschirmungsschichten 17 und 51 mehr als ausgeglichen.
    • 2. Die Isolierplatte 16 und die Abschirmungsschicht 17 können bei der ersten Ausführungsform weggelassen werden, wobei die Halleffektvorrichtung 1 direkt an der Grundplatte 2 gebildet ist.
    • 3. Ein Hall-Spannungsverstärker kann in dem Halbleitersubstrat 23 gebildet sein.
    • 4. Zwei oder mehrere Halleffektvorrichtungen können in ein und demselben Halbleitersubstrat 23 gebildet sein, so dass sie gemeinsam den Strom mit einer höheren Empfindlichkeit erfassen.

Claims (12)

  1. Stromdetektor zur Erfassung oder Messung eines elektrischen Stroms, aufweisend – eine Halleffektvorrichtung (1) zur Erzeugung einer Spannung proportional zur magnetischen Feldstärke, – einen ersten und einen zweiten Strombahnanschluss (3, 4), um das Fließen eines Stromes (Is) zu erfassen oder zu messen, – eine erste Leiteinrichtung (12), die zwischen dem ersten und dem zweiten Strombahnanschluss angeschlossen ist, um eine erste Strombahn dazwischen zu bilden, wobei die erste Leiteinrichtung einen ersten Widerstand (R1) hat, – eine zweite Leiteinrichtung (13, 14, 15), die zwischen dem ersten und dem zweiten Strombahnanschluss angeschlossen ist, um eine zweite Strombahn dazwischen zu bilden, wobei die zweite Leiteinrichtung einen zweiten Widerstand (R2) hat, so dass der Strom an dem ersten Strombahnanschluss in einem vorbestimmten Verhältnis in einen ersten Teilstrom (Is1), der durch die erste Leiteinrichtung zum zweiten Strombahnanschluss fließt, und in einen zweiten Teilstrom (Is2), der durch die zweite Leiteinrichtung zum zweiten Strombahnanschluss fließt, aufgeteilt wird, – einen Leiter (15), der in der zweiten Leiteinrichtung enthalten ist und relativ zur Halleffektvorrichtung so angeordnet ist, dass diese eine Ausgangsspannung proportional zur Höhe des zweiten Teilstroms des Stromes, der durch den Leiter (15) fließt, und folglich zur Höhe des Stroms (Is) am ersten Strombahnanschluss erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gehäuse (18) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht und wenigstens die erste und die zweite Leiteinrichtung (12–15) umgibt, um eine Temperaturdifferenz dazwischen zu reduzieren, so dass der Strom (Is) in den ersten und in den zweiten Teilstrom (Is1, Is2) in einem vorbestimmten Verhältnis aufgeteilt werden kann.
  2. Stromdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) weiterhin die Halleffektvorrichtung (1) umgibt, um diese in einer vorbestimmten Position relativ zur ersten und zweiten Leiteinrichtung (12–15) zu halten.
  3. Stromdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) weiterhin Teile des ersten und des zweiten Strombahnanschlusses (3, 4) eng umgibt, um diese in einer vorbestimmten Position relativ zur ersten und zweiten Leiteinrichtung (12–15) zu halten.
  4. Stromdetektor nach Anspruch 1, wobei die Halleffektvorrichtung (1) in einem Halbleitersubstrat (23) mit einem Haupt-Arbeitsbereich (28), in dem eine Spannung in Reaktion auf ein Magnetfeld infolge des Fließens des zweiten Teilstroms (Is2) des Stroms (Is) durch den Leiter (15) der zweiten Leiteinrichtung erzeugt wird, gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (15) der zweiten Leiteinrichtung auf dem Halbleitersubstrat (23) über einer Isolierschicht (32) so gebildet ist, dass er sich um den Haupt-Arbeitsbereich (28) der Halleffektvorrichtung (1) erstreckt.
  5. Stromdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (15) der zweiten Leiteinrichtung wenigstens Dreiviertel des Umfangs des Haupt-Arbeitsbereichs (28) der Halleffektvorrichtung (1) umgibt.
  6. Stromdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Leiteinrichtung weiterhin einen zweiten Leiter (13), der den ersten Strombahnanschluss (3) mit dem Leiter (15) der zweiten Leiteinrichtung verbindet, und einen dritten Leiter (14), der den Leiter (15) mit dem zweiten Strombahnanschluss (4) verbindet, aufweist, wobei der zweite und der dritte Leiter (13, 14) aus dem selben Material wie die erste Leiteinrichtung (12) bestehen.
  7. Stromdetektor nach Anspruch 1, weiterhin aufweisend eine aus Metall hergestellte Grundplatte (2), welche die Halleffektvorrichtung (1) trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (2) aus demselben Stanzblech (18) geschnitten ist wie der erste und der zweite Strombahnanschluss (3, 4) sowie die an der Halleffektvorrichtung angeschlossenen Anschlüsse (6–9).
  8. Stromdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolierschicht (16) zwischen der Halleffektvorrichtung (1) und der Grundplatte (2) gebildet ist.
  9. Stromdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschirmungsschicht (17) zwischen der Halleffektvorrichtung (1) und der Isolierschicht (16) gebildet ist.
  10. Stromdetektor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundplatte (2) einstückig mit Erdungsanschlüssen (10, 11) gebildet ist.
  11. Stromdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abschirmungsschicht (50) zwischen dem Halbleitersubstrat (23) und dem Leiter (15) der zweiten Leiteinrichtung angeordnet ist.
  12. Stromdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetischer Kollektor (51) über dem Leiter (15) der zweiten Leiteinrichtung gebildet ist.
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