EP4012736B1

EP4012736B1 - Elektronikmodul

Info

Publication number: EP4012736B1
Application number: EP21152158.8A
Authority: EP
Inventors: Oliver Raab; Markus Schwarz
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-12-11
Filing date: 2021-01-18
Publication date: 2025-08-13
Anticipated expiration: 2041-01-18
Also published as: DE102020215756A1; EP4012736A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektronikmodul.
Die DE 199 27 762 A2 offenbart ein Elektronikmodul, umfassend einen an mindestens einem Substrat gebildeten MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad sowie einer Magnetfeld-Sensor-Einrichtung, bei welchem die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung zur Erfassung eines durch den Laststrompfad fließenden elektrischen Laststroms des MEMS-Schalters angeordnet ist.
Die US 5 070 317 A offenbart eine elektromagnetische Vorrichtung, umfassend ein Halbleitersubstrat mit einem oder mehreren darin integral definierten elektrischen Schaltkreisen, eine magnetische Abschirmschicht über dem Substrat, eine erste Schicht aus voneinander beabstandeten leitfähigen Streifen über der Abschirmschicht, eine magnetische Kernschicht, die auf der ersten Schicht aus leitfähigen Streifen überlagert ist und derart gemustert ist, dass sie erste und zweite querverlaufende magnetische Pfade definiert, eine zweite Schicht aus voneinander beabstandeten leitfähigen Streifen, die auf der magnetischen Kernschicht überlagert ist, wobei Abschnitte der leitfähigen Streifen der zweiten Schicht mit Abschnitten der leitfähigen Streifen der ersten Schicht verbunden sind, um erste und zweite im Wesentlichen spiralförmige elektrische Pfade zu bilden, die jeweils spiralförmig um mindestens einen Abschnitt der magnetischen Kernschicht verlaufen, um in diesem einen Abschnitt der magnetischen Kernschicht einen magnetischen Fluss zu erzeugen oder zu erkennen, wobei dieser Abschnitt der magnetischen Kernschicht mindestens einen der ersten und zweiten querverlaufenden magnetischen Pfade umfasst, und wobei die magnetische Abschirmschicht einen oder mehrere der elektrischen Schaltkreise vor dem von den ersten und zweiten spiralförmigen elektrischen Pfaden erzeugten oder erkannten Fluss abschirmt.
Es ist bekannt, Elektronikmodule mit Stromschaltern auszubilden. Stromschalter stellen regelmäßig einfache Schaltfunktionen bereit.
Es ist ferner bekannt, Elektronikmodule mit Stromschaltern in Industriesteuereinrichtungen oder Motorstartern einzusetzen.
Regelmäßig besteht jedoch das Erfordernis, einen Strom, der durch den Stromschalter fließt, überwachen zu können. Dies ist insbesondere zum Schutz des Schalters selbst notwendig. Zudem besteht das Erfordernis, eine Last vor Überstrom zu schützen oder einen Verschleiß des Stromschalters und damit einhergehende erhöhte Übergangswiderstände erkennen zu können.
Grundsätzlich können solche Funktionalitäten in Industriesteuereinrichtungen oder Motorstartern vorgesehen werden. Jedoch bedeutet dies einen erhöhten Platzbedarf, etwa für Ferrit-Ringkerne für Strommesseinrichtungen oder für Rogowski-Spulen oder Shunts. Zudem treten bei Shunt-Strommessern häufig Widerstandsverluste und parasitäre Induktivitäten auf. Ferner ist es bei der Nutzung von Shunts problematisch, dass sich Steuer- und Laststromkreis nicht einfach galvanisch trennen lassen. Zusätzlich bedingen die zusätzlichen Funktionalitäten einen vergrößerten Bauteilbedarf, der die Kosten weiterwachsen lässt.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Elektronikmodul bereitzustellen, welches vorzugsweise die vorgenannten Nachteile reduziert und überwindet. Es ist zudem Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Steuereinrichtung und einen verbesserten Motorstarter anzugeben, der gegenüber dem Stand der Technik, vorzugsweise hinsichtlich der genannten Nachteile, verbessert ist.
Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einem Elektronikmodul mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Steuereinrichtung und einem Motorstarter mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
Das erfindungsgemäße Elektronikmodul umfasst einen mittels mindestens einer Schicht mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern an mindestens einem Substrat gebildeten MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad sowie eine mittels mindestens einer Schicht mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern gebildete Magnetfeld-Sensor-Einrichtung. Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul ist die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung zur Erfassung eines durch den Laststrompfad fließenden elektrischen Stroms des MEMS-Schalters angeordnet.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Elektronikmodul mit einem Strommesser in Gestalt einer Magnetfeld-Sensor-Einrichtung direkt mittels einer Schicht mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern hergestellt werden. Insbesondere kann das Elektronikmodul mit der Magnetfeld-Sensor-Einrichtung mittels MEMS-Technologie (MEMS = "Micro-Electro-Mechanical Systems" ) hergestellt werden, sodass MEMS-Schalter und Magnetfeld-Sensor-Einrichtung integriert mittels derselben Prozesstechnologie und vorzugsweise mit zumindest zum Teil identischen Fertigungsschritten fertigbar sind. Folglich lässt sich das erfindungsgemäße Elektronikmodul mit weniger Prozessschritten fertigen, da Prozessschritte zeitgleich sowohl zur Fertigung des MEMS-Schalters als auch zur Fertigung der Magnetfeld-Sensor-Einrichtung unternommen werden können. Das erfindungsgemäße Elektronikmodul ist daher kostengünstiger und schneller herstellbar.
Mittels der Magnetfeld-Sensor-Einrichtung ist ein Magnetfeld eines durch den Laststromkreis fließenden Laststroms aufgrund einer resultierenden Lorenzkraft berührungslos messbar. Aufgrund der Lorenzkraft resultiert eine in an sich bekannter Weise messbare Spannung in Form einer Magnetfeldspannung, welche proportional zum Laststrom ist und folglich einen direkten Rückschluss auf die Größe des Laststroms erlaubt.
Zweckmäßig ist in einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls der MEMS-Schalter mit einem Biegeelement, vorzugsweise mit einem Biegebalken, ausgebildet. Gerade Biegeelemente wie Biegebalken sind vorteilhaft mittels Schichten mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer fertigbar. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist das erfindungsgemäße Elektronikmodul daher besonders einfach sowie mit einer verringerten Anzahl von Herstellungsschritten und günstig fertigbar.
Vorteilhaft kann mittels der Magnetfeld-Sensor-Einrichtung der Laststrom des MEMS-Schalters galvanisch getrennt gemessen werden. Da erfindungsgemäß die Erfassung des Laststroms mittels des durch den Laststrom bedingten Magnetfelds erfolgt, ist eine elektrisch leitende Anbindung eines Strommessers bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul entbehrlich.
Vorteilhaft kann bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul ein Verschleiß des MEMS-Schalters mittels einer Erhöhung von Widerstandsverlusten und folglich anhand einer damit einhergehenden Stromänderung erkannt werden. Somit ist bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul die Lebensdauer mittels der Magnetfeld-Sensor-Einrichtung zuverlässig abschätzbar.
Weiterhin vorteilhaft ist infolge der mittels der gemeinsamen Fertigbarkeit mittels Schichten von weniger als 100 Mikrometern Dicke, vorzugsweise in MEMS-Technologie, das Elektronikmodul räumlich kompakt und günstig herstellbar. Zusätzliche Bauteile müssen bei dem Elektronikmodul gemäß der Erfindung nicht eigens vorgesehen werden.
Vorzugsweise weisen bei dem Elektronikmodul gemäß der Erfindung die mindestens eine oder mehreren Schichten eine Dicke von weniger als 50 Mikrometer auf. Insbesondere in dieser Weiterbildung kann vorteilhaft MEMS-Technologie eingesetzt werden, insbesondere ein Abscheiden dünner Schichten mittels Sputterns oder Bedampfens oder Galvanisierens oder eine Strukturierung von Schichten mit weniger als 50 Mikrometern Dicke mittels Photolithografie.
Bei dem Elektronikmodul gemäß der Erfindung ist die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung an demjenigen Substrat gebildet, an welchem der MEMS-Schalter gebildet ist. Bei einer gemeinsamen Anordnung an demselben Substrat sind zumindest Teile des MEMS-Schalters und Teile der Magnetfeld-Sensor-Einrichtung in ein und demselben Herstellungsschritt parallel fertigbar.
Vorzugsweise umfasst bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung mindestens ein Magnetfeld-Sensor-Element, welches oder welche schräg, vorzugsweise quer, insbesondere senkrecht, zu einem durch einen durch den Laststrompfad fließenden Strom erregten Magnetfeld angeordnet und ausgerichtet ist oder sind. In dieser Orientierung ist das Magnetfeld-Sensor-Element besonders sensitiv zur Erregung einer Magnetfeld-Spannung und somit besonders sensitiv zur Strommessung angeordnet.
In einer bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Elektronikmoduls ist das Magnetfeld-Sensor-Element ein Hall-Sensor-Element oder ein magnetoresistives Sensor-Element.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul ist oder sind das Magnetfeld-Sensor-Element und/oder der Laststrompfad mit Halbleitermaterial, insbesondere mit Silizium, und/oder mit einem elektrischen Leiter, vorzugsweise Metall, gebildet. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Elektronikmoduls gemäß der Erfindung ist der Laststrompfad um das Magnetfeld-Sensor-Element zumindest teilumfänglich herumgeführt. In dieser Weiterbildung der Erfindung lässt sich infolge der zumindest teilumfänglichen Herumführung des Laststrompfades das Magnetfeld effizient am Ort des Magnetfeld-Sensor-Elements konzentrieren, sodass in dieser Anordnung des Laststrompfades und des Magnetfeld-Sensor-Elements eine besonders genaue Strommessung möglich ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul weist die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung vorzugsweise mindestens einen magnetischen Flussdichte-Konzentrator auf, welcher die Flussdichte am Ort des Magnetfeld-Sensor-Elements konzentriert. Mittels der Konzentration am Ort des Magnetfeld-Sensor-Elements kann bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul eine besonders genaue Strommessung erfolgen.
Bevorzugt umgibt bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul der Flussdichte-Konzentrator den Laststrompfad zumindest teilweise umfänglich. In dieser Weiterbildung der Erfindung ist das Magnetfeld entlang eines Teils des Umfangs, vorzugsweise entlang eines überwiegenden Teils des Umfangs, konzentriert, sodass die Genauigkeit der Strommessung weiter erhöht ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul weist die mindestens eine Schicht in zweckmäßigen Weiterbildungen mindestens eine Sputterschicht und/oder aufgedampfte Schicht und/oder Galvanikschicht und/oder Klebeschicht und/oder Laminatschicht auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Elektronikmodul weist die Schicht vorzugsweise ein ferromagnetisches Metall, insbesondere Eisen und/oder Kobalt und/oder Nickel und/oder Legierungen eines oder mehrerer der vorgenannten Metalle, und/oder Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, und/oder Isoliermaterial, vorzugsweise Glas, auf.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist bei dem Elektronikmodul die mindestens eine Schicht mindestens eine strukturierte Schicht, vorzugsweise eines Silicon-on-Insulator-Substrats, auf. Vorteilhaft weisen Silicon-on-Insulator-Substrate bereits Siliziumschichten mit einer Dicke von weniger als 50 Mikrometern auf. In dieser Weiterbildung sind daher Schichten mittels Strukturierung, insbesondere mittels Photolithografie, des Silicon-on-Insulator-Substrats bereitstellbar, sodass das erfindungsgemäße Elektronikmodul besonders leicht, effizient und kostengünstig fertigbar ist.
Bevorzugt weist das Elektronikmodul gemäß der Erfindung eine Auswerteinrichtung zur Auswertung einer Magnetfeld-Spannung des Hall-Sensor-Elements, vorzugsweise zur Bestimmung eines Laststromwertes des Laststroms, auf. Auf diese Weise kann das Elektronikmodul die Strommessung des Laststroms ohne das Erfordernis weiterer Bauteile bereitstellen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: ein erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element schematisch in einer Draufsicht,
Fig. 2: das erfindungsgemäße Elektronikmodul gemäß Fig. 1 schematisch im Querschnitt,
Fig. 3: ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element, bei welchem der Laststrompfad teilumfänglich um das Hall-Sensor-Element herumgeführt ist, schematisch in einer Draufsicht,
Fig. 4: ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator schematisch im Querschnitt,
Fig. 5: ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher etwa viertelumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt,
Fig. 6: ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit einem Hall-Sensor-Element und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher etwa halbumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt,
Fig. 7: ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit zwei Hall-Sensor-Elementen und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher etwa halbumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt,
Fig. 8: ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit zwei Hall-Sensor-Elementen und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher nahezu vollumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt,
Fig. 9: ein weiteres erfindungsgemäßes Elektronikmodul mit zwei Substraten mit einem MEMS-Schalter mit einem Laststrompfad und einer Hall-Sensor-Einrichtung mit zwei Hall-Sensor-Elementen und einem magnetischen Flussdichtekonzentrator, welcher nahezu vollumfänglich um dem Laststrompfad herumgeführt ist, schematisch im Querschnitt.

Das in Fig. 1 dargestellte Elektronikmodul 10 weist zwei Substrate 20, 30 auf (in den Figuren 1 bis 3 nicht explizit gezeigt), welche flächig aneinander angebunden sind und welche voneinander beabstandete und einander zugewandte und zueinander parallel verlaufende plane Oberflächen aufweisen, an welchen die nachfolgend beschriebenen Elemente angeordnet sind, soweit nicht ausdrücklich anders beschrieben. Das erste Substrat 20 weist eine plane Siliziumoberfläche 40 auf, während das zweite Substrat 30 aus Glas gebildet ist und eine zur parallele und plane und um weniger als 100 Mikrometer, im dargestellten Ausführungsbeispiel um 50 Mikrometer, beabstandete Glasoberfläche 50 aufweist. Die Glasoberfläche 50 ist dabei derart gebildet und beabstandet, dass das zweite Substrat 30 vollständig aus Glas gebildet ist und eine Ausnehmung in Gestalt eines Grabens mit rechteckigem Profil aufweist, dessen Boden die Glasoberfläche 50 bildet. Grundsätzlich muss das Profil des Grabens nicht reckeckig sein, sondern kann auch abgerundete Ecken aufweisen. Das zweite Substrat 30 kann in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen auch aus anderen Materialien, beispielsweise aus Silizium, bestehen und anstelle einer Glasoberfläche 50 eine andere Oberfläche, etwa eine zweite Siliziumoberfläche 50, aufweisen.
Das Elektronikmodul 10 weist einen MEMS-Schalter 15 auf, welcher ein Biegeelement in Form eines Biegebalkens 60 aufweist. Der Biegebalken 60 ist an der Siliziumoberfläche 40 des ersten Substrats 20 angelenkt und weist ein freies Ende auf, das mit einer elektrisch leitfähigen Metallisierung 70 versehen ist und mit dieser Metallisierung 70 in einer Auslenkstellung zwei voneinander beabstandete Schaltkontakte 80, 90 eines Laststrompfades 100 überbrücken kann. Der Biegebalken 60 liegt in seiner Auslenkstellung an den beiden Schaltkontakten 80, 90 mit seiner Metallisierung 70 an, sodass der Biegebalken 60 einen elektrischen Strom schalten kann. Der Biegebalken 10 ist mit einer elektrischen Steuerspannung steuerbar, die den Biegebalken 10 elektrostatisch zur Auslenkung in die Auslenkstellung kraftbeaufschlagt. Die Steuerspannung wird mittels zweier Elektroden G+ , G- angelegt, wobei eine Elektrode G+ mit dem Biegebalken 60 und eine Elektrode G- mit demjenigen Substrat, an welchem der Biegebalken 10 angelenkt ist, kontaktiert ist. Auf diese Weise ist mittels Beaufschlagung der Elektroden G+ , G- der Biegebalken 60 in seine Auslenkstellung bewegbar. Der MEMS-Schalter 15 umfasst folglich den Biegebalken 60 mit der Metallisierung 70, die Schaltkontakte 80, 90 sowie die Elektroden G+ , G-.
Die Schaltkontakte 80, 90 sind in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Biegebalkens 60 und parallel zur Siliziumoberfläche 40 beabstandet. Der Laststrompfad 100 ist mit elektrisch leitenden Metallbahnen S, D gebildet, welche mit den Schaltkontakten 80, 90 elektrisch leitend verbunden sind und welche sich in Richtung senkrecht zur Längserstreckung des Biegebalkens 60 und parallel zur Siliziumoberfläche 40 fort erstrecken. Zudem umfasst der Laststrompfad 100 die Schaltkontakte selbst sowie die Metallisierung 70 des freien Endes des Biegebalkens 60. Ein Laststrom IA fließt nun von einer Metallbahn D der Metallbahnen S, D über die Schaltkontakte 80, 90 und die Metallisierung 70 des freien Endes des Biegebalkens 60 zur anderen Metallbahn S der Metallbahnen S, D.
Wenn der Laststrom IA von einer D der Metallbahnen S, D zur weiteren S der Metallbahnen S, D fließt, so bildet sich um die Metallbahnen S, D, in Fig. 1 exemplarisch anhand der Metallbahn D gezeigt, ein Magnetfeld, dessen Magnetfeldlinien 110 die Verlaufsrichtung der Metallbahn D umfänglich und ringförmig umgeben. Die Magnetfeldlinien 110 sind an Orten der Oberfläche des ersten Substrats 20, an welchem der Biegebalken 60 angelenkt ist, im Wesentlichen entlang einer Ebene senkrecht zur Siliziumoberfläche 40 sowie parallel zur Längserstreckung des Biegebalkens 60 orientiert.
Das Elektronikmodul 10 umfasst auf einer zur Siliziumoberfläche 40 parallelen Oberfläche des ersten Substrats 20 zudem ein Magnetfeld-Sensor-Element in Gestalt eines Hall-Sensor-Elements, welches als, beispielsweise quadratische, Siliziumsensorschicht 120 auf dem ersten Substrat 20 realisiert ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Siliziumsensorschicht 120 mittels Freistellens einer Siliziumdeckschicht 130 des ersten Substrats 20 realisiert, welches ein Silicon-on-Insulator-Substrat 135 bildet. Das Silicon-on-Insulator-Substrat 135 besteht aus einem Siliziumsubstrat 140 mit einer Dicke von mehreren 100 Mikrometern sowie einer darauf flächig aufgetragenen Siliziumdioxidschicht 150 mit einer Dicke von weniger als 20 Mikrometern, im dargestellten Ausführungsbeispiel von etwa 2 Mikrometern, und der darauf abgeschiedenen Siliziumdeckschicht 130 mit einer Dicke von weniger als 50 Mikrometern, im dargestellten Ausführungsbeispiel von 20 Mikrometern.
Aus der Siliziumdeckschicht 130 ist die quadratische Siliziumsensorschicht 120 mittels Photolithografie derart freigestellt, dass ein quadratischer Rahmen um die quadratische Siliziumsensorschicht 120 von der Oberfläche der Siliziumdeckschicht 130 bis hin zur Siliziumdioxidschicht 150 des Silicon-on-Insulator-Substrats entfernt ist. D. h. die quadratische Siliziumsensorschicht 120 ist mittels eines diese umgebenden, hier quadratischen, Grabens 175 von der übrigen Siliziumdeckschicht 130 getrennt. Die quadratische Siliziumsensorschicht 120 ist nun mittels angeschichteter Leiterbahnen 180 elektrisch kontaktiert, wobei die Leiterbahnen 180 an der Oberfläche der Siliziumdeckschicht 130 und an den Oberflächen des Grabens 170 entlang senkrecht zum Verlauf des Grabens 170 auf die Siliziumsensorschicht 120 zu führen und an oder auf der Siliziumsensorschicht 120 enden.
Auch der Biegebalken 60 ist mittels Freistellens eines Teils der Siliziumdeckschicht 130 gebildet. Dabei wird ein Teil der Siliziumdeckschicht 130 freigestellt, indem ein daran angrenzender Teil der Siliziumdeckschicht 130 sowie ein Teil der Siliziumdioxidschicht 150 entfernt wird, sodass der freigestellte Teil der Siliziumdeckschicht 130 ein freies Ende bildet. Alternativ können in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen die Siliziumsensorschicht 120 und der Biegebalken 60 als Sputterschicht oder als Aufdampfschicht oder als Klebeschicht oder als Laminatschicht aufgebracht sein.
Die Leiterbahnen 180 und die Metallbahnen S, D sind jeweils als aufgedampfte Schicht aufgebracht. In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen können die Leiterbahnen 180 und die Metallbahnen S, D auch als Galvanikschicht und/oder Klebeschicht und/oder Laminatschicht aufgebracht sein. Die Leiterbahnen 180 und die Metallbahnen S, D und der Biegebalken 60 sowie die Siliziumsensorschicht 120 weisen jeweils in Richtung senkrecht zur Glasoberfläche 50 oder zur Siliziumoberfläche 40 eine Dicke von weniger als 50 Mikrometern, im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils eine Dicke von höchstens 20 Mikrometern, auf. Die Leiterbahnen 180 weisen eine Dicke von 5 Mikrometern, der Laststrompfad und die Siliziumsensorschicht 120 sowie der Biegebalken 60 weisen jeweils eine Dicke von 20 Mikrometern auf. Die Leiterbahnen 180 können in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen auch andere Dicken aufweisen.
Zwei der Leiterbahnen 180 führen jeweils in Richtung einer von zwei zueinander parallelen Seiten der quadratischen Siliziumsensorschicht 120 auf dieses zu und dienen zur Beaufschlagung mit Versorgungsspannungen UB+, UB-. Zwei weitere der Leiterbahnen 180 führen jeweils in Richtung einer der übrigen Seiten der quadratischen Siliziumsensorschicht 120 auf diese zu und fungieren als Signalspannungskontakte zur Erfassung der Hallspannungen UH+, UH-.
Die Magnetfeldlinien 110 infolge des Laststroms IA durch den Laststrompfad 100 durchsetzen wie in Fig. 2 dargestellt die Oberfläche der Siliziumsensorschicht 120 nahezu senkrecht, sodass die Siliziumsensorschicht 120 auf den Laststrom IA durch den Laststrompfad 100 nahezu maximal sensitiv ist. Im in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel führt der Laststrompfad 100 entlang einer Geraden G an der Siliziumsensorschicht 120 vorbei. In einem weiteren, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel knickt der Laststrompfad 100 jedoch von der Geraden ab G und folgt einem U-förmigen Verlauf U um die Siliziumsensorschicht 120 herum, bevor der Laststrompfad 100 wieder auf die Gerade G führt.
Das in Fig. 4 dargestellte weitere Ausführungsbeispiel entspricht im Wesentlichen dem zuvor dargestellten Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich von diesem jedoch darin, dass zusätzlich zur Siliziumsensorschicht 120 ein Feldlinienkonzentrator in Gestalt eines Eisenjochs 190 vorhanden ist. Im in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Eisenjoch 190 als Eisenquader ausgebildet, welcher in der Ebene parallel zur Siliziumoberfläche 40, an welcher die Siliziumsensorschicht 120 angeordnet ist, einen quadratischen Querschnitt aufweist, welcher beispielsweise eine um etwa 5 Prozent größere Kantenlänge aufweist als der quadratische Querschnitt der Siliziumsensorschicht 120. Das Eisenjoch 190 ist dabei an dem zweiten Substrat 30 an der Glasoberfläche 50 derart angeordnet, dass das Eisenjoch 190 und die Siliziumsensorschicht 120 in Richtung senkrecht zur Glasoberfläche 50 und somit auch zur Siliziumoberfläche 40 betrachtet beispielsweise so überdecken, dass jeweils der Schnittpunkt der Diagonalen der quadratischen Querschnitte von Eisenjoch 190 und Siliziumsensorschicht 120 übereinstimmen. In dieser Weiterbildung werden folglich die Magnetfeldlinien 110 am Ort der Siliziumsensorschicht 120 konzentriert.
Das in Fig. 5 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich jedoch in der Ausbildung des Eisenjochs 190: Dieses ist nicht lediglich als Eisenquader ausgebildet, sondern umfasst zudem einen Eisensteg 200, welcher sich vom Eisenquader, in Richtung senkrecht zur Glasoberfläche 50 und zur Siliziumoberfläche 40 betrachtet, bis hin zum Laststrompfad 100 fortstreckt. Dazu streckt sich der Eisensteg 200 an der Glasoberfläche 50 entlang. In dieser Weiterbildung ist ein noch größerer Teil der Magnetfeldlinien 110 am Ort der Siliziumsensorschicht 120 konzentriert.
Das in Fig. 6 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich jedoch wieder in der Ausbildung des Eisenjochs 190: Dieses ist in Fig. 6 mit einem noch längeren Eisensteg 200 ausgebildet, welcher sich spiegelsymmetrisch fortsetzt bei Spiegelung an einer Ebene, die sich senkrecht zur Längserstreckung des Biegebalkens 60 und senkrecht zur Glasoberfläche 50 und somit auch senkrecht zur Siliziumoberfläche 40 erstreckt und welche sich mittig durch den Laststrompfad 100 hindurch erstreckt. Zudem ist im in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel auch der Eisenquader des Jochs 190 spiegelsymmetrisch doppelt vorhanden. In dieser Weiterbildung ist der Teil der Magnetfeldlinien 110, der am Ort der Siliziumsensorschicht 120 konzentriert ist, weiter erhöht.
Das in Fig. 7 dargestellte Ausführungsbeispiel entspricht dem in Fig. 6 abgebildeten Ausführungsbeispiel. Abweichend vom Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 ist allerdings zusätzlich spiegelbildlich, d. h. gespiegelt an einer Ebene, die sich senkrecht zur Längserstreckung des Biegebalkens 60 und senkrecht zur Glasoberfläche 50 und somit auch senkrecht zur Siliziumoberfläche 40 erstreckt und welche sich mittig durch den Laststrompfad 100 hindurch erstreckt, eine weitere Siliziumsensorschicht 120 vorhanden. In diesem Ausführungsbeispiel ist folglich die Messgenauigkeit des Laststroms IA weiter erhöht.
Im in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein zweiter Eisensteg 210 angeordnet, welcher an einer von der Siliziumoberfläche 40 abgewandten Seite des ersten Substrats angeordnet ist und welcher sich mit seiner Längserstreckung, d. h. mit seiner längsten Erstreckung, parallel zum Eisensteg 200 erstreckt. In diesem Ausführungsbeispiel werden folglich die Magnetfeldlinien nahezu vollumfänglich um den Laststrompfad 100 herum konzentriert.
In dem in Fig. 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Steg 200 nicht an der Glasoberfläche 50, sondern an einer der Glasoberfläche 50 abgewandten Seite des zweiten Substrats 30 angeordnet. Grundsätzlich lassen sich die Feldlinienkonzentratoren 190, 200, 210 flexibel zur Konzentration der Magnetfeldlinien 110 anordnen.
Ein nicht eigens in der Zeichnung dargestelltes erfindungsgemäßes Steuergerät weist ein oder mehrere erfindungsgemäße Elektronikmodule 10 wie vorhergehend beschrieben auf. Ein nicht eigens dargestellter erfindungsgemäßer Motorstarter weist ein oder mehrere erfindungsgemäße Elektronikmodule 10 wie vorhergehend beschrieben auf.
In weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen kann anstelle eines Hall-Sensor-Elements in Form einer Siliziumsensorschicht 120 auch ein anderes Magnetfeld-Sensor-Element, etwa ein magnetoresistiver Sensor, vorhanden sein.

Claims

Elektronikmodul (10), umfassend einen mittels Schichten mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometer an mindestens einem Substrat (20) gebildeten MEMS-Schalter (15) mit einem Laststrompfad (100) sowie einer mittels Schichten mit einer Dicke von weniger als 100 Mikrometern gebildeten Magnetfeld-Sensor-Einrichtung (120, 180), bei welchem die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung (120, 180) zur Erfassung eines durch den Laststrompfad (100) fließenden elektrischen Laststroms (IA ) des MEMS-Schalters (15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung (120, 180) an einer Oberseite des Substrats (20) gebildet ist, an welchem der MEMS-Schalter (15) gebildet ist, bei welchem das Elektronikmodul (10) ein Zusatzsubstrat (30) aufweist und der Laststrompfad (100) an einer Oberseite des Zusatzsubstrats (30) gebildet ist,

wobei das Substrat (20) und das Zusatzsubstrat (30) mit ihren Oberseiten flächig aneinander angebunden sind,

wobei das Zusatzsubstrat (30) an seiner Oberseite eine Ausnehmung aufweist, und

wobei die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung (120, 180) unterhalb der Ausnehmung und der Laststrompfad (100) am Boden der Ausnehmung angeordnet ist.
Elektronikmodul (10) nach dem vorhergehendem Anspruch, bei welchem die Schichten eine Dicke von weniger als 50 Mikrometer aufweisen.
Elektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung (120, 180) mindestens ein Magnetfeld-Sensor-Element (120) umfasst, welches oder welche schräg, vorzugsweise quer, insbesondere senkrecht, zu einem durch einen durch den Laststrompfad (100) fließenden Laststrom erregten Magnetfeld (110) angeordnet und ausgerichtet ist oder sind.
Elektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Magnetfeld-Sensor-Element (120) ein Hall-Sensor-Element oder ein magnetoresistives Sensor-Element ist.
Elektronikmodul (10) nach Anspruch 4, bei welchem das Magnetfeld-Sensor-Element (120) und/oder der Laststrompfad (100) mit Halbleitermaterial, insbesondere mit Silizium, und/oder mit einem elektrischen Leiter, vorzugsweise einem Metall, gebildet ist.
Elektronikmodul (10) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Laststrompfad (100) um das Magnetfeld-Sensor-Element (120) zumindest teilumfänglich herumgeführt ist.
Elektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Magnetfeld-Sensor-Einrichtung (120, 180) mindestens einen magnetischen Flussdichte-Konzentrator (190) innerhalb der Ausnehmung aufweist, welcher die Flussdichte am Ort des Magnetfeld-Sensor-Elements (120) konzentriert.
Elektronikmodul (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, bei welchem der Flussdichte-Konzentrator (190) den Laststrompfad (100) zumindest teilweise umfänglich umgibt.
Elektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die mindestens eine Schicht mindestens eine Sputterschicht und/oder aufgedampfte Schicht und/oder Galvanikschicht und/oder Klebeschicht und/oder Laminatschicht aufweist.
Elektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Schicht ferromagnetisches Metall, insbesondere Eisen und/oder Nickel und/oder Kobalt und/oder Legierungen eines oder mehrerer der vorgenannten Metalle und/oder Eisenlegierungen und/oder Eisennickellegierungen, und/oder Halbleitermaterial, vorzugsweise Silizium, und/oder mit Isoliermaterial, vorzugsweise Glas, aufweist.
Elektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die mindestens eine Schicht mindestens eine strukturierte Schicht (130), vorzugsweise eines Silicon-on-Insulator-Substrats (135), aufweist.
Elektronikmodul (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend eine Auswerteinrichtung zur Auswertung einer Magnetfeld-Spannung (UH+ , UH- ) des Magnetfeld-Sensor-Elements.
Steuereinrichtung und/oder Motorstarter, aufweisend ein oder mehrere Elektronikmodule (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.