TW201215898A - MEMS-based current sensing apparatus - Google Patents
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Description
201215898 六、發明說明: 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種電流感測技術,特別是指一種以法 ' 拉第感應定律來實現的微機電系統電流感測裝置。 【先前技術】 能源的消耗一般以能量(焦爾)或功率(瓦特)的形式來 表示,但各種量測裝置或方法大多以電塵或電流為偵測的 籲 物理量;若能將此能源資訊結合通訊技術,而更有效的提 供能源使用者這些相關資訊,則將有助於能源使用者自主 性節約能源的功效。 然而,現有提供能源量測常用的電流感測器’常有體 積大、需要外接電源、無法直接應用於多心電線等缺點’ 因而應用性受到限制。另外,亦有習知技術提出以倫茲力 (Lorentz force)定律為基礎之微機電系統 .,.(Micro-Electro-Mechanical System, MEMS)製程的電流感測 · ·〜器,藉由機械形變量的量測來判讀待測的電流,以改善上 - 述的缺點’但仍無法完全滿足未來的性能要求。若能設計 出一微型、非接觸式、被動式、及易安裝的電流感測器’ 將可以更全面的採集用電資訊,達到自主性節能的目的。 【發明内容】 有鑑於此,本發明之—目的是採祕配法拉第感應定 “達缝動式電流感測裝 置的輕薄性。 201215898 、本發明之另—目的是採用触基板,錢成非接觸式 電流感測裝置的便利性,且易於安裝及使用。 為達成上述之目的,在本發明的—方面,—實施例提 供一種微機電系統的電流感測裝置,包含:—軟性基板, 其背面可附著於-電線或其保護層上;—感測單元,其係 以微機電系統製成,錢置於職性基板上,用以感測該 電線㈣電流流過而產生的電磁場;及—讀取電路,設置 =該軟性基板上’並電性連接至該感測單元以讀取該電磁 場的反應輸出,及計算該電線内的電流值;其中該感測單 兀係由内含導磁㈣的金屬_成,且其在與該電線 水平方向之線寬可大於其與該電線垂直方向之線寬。 【實施方式】 、為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有更 進一步的認知與瞭解,茲配合圖式詳細說明如後: 根據安培定律,流經長直導線的電流在其鄰近空間會 產生環形磁場,此環形磁場正比於該導線上電流大小: β - "〇/ r 2狀,/、中μ〇為導磁率,1為該導線上電流,Br為該導 線外推半徑為r上的磁通密度。料料線鄰近空間的-導電線圈,可根據法拉第感應定律(Faraday's law of induction) 得知该線圈二端的電動勢或輸出電壓EMF(v)為 EMF(v) = - (4Br9^) dt ·* dt , 、令0為磁通置,j為δ亥導電線圈的面向量。由上式可推得 201215898 導電線圈的端電壓具瓦·的特性,而可藉 以設計電流感測器。 a 參照圖1及2 ’為根據本翻實關之微機電系統 的電流感測裝置的結構圖,其中圖j為其立體示意圖、圖 2為其橫向剖面示意圖。如圖所示,本實施例包含:一軟 性基板12、一感測單元14、一放大器15、及一讀取電路 16,各個構件的結合可以透過微機電系統的設計及製造而 達成,加以軟性基板12帶來的機動性和便利性,可達成微 • 型、非接觸、及被動式的電流感測功能。 該軟性基板12的背面可直接貼附於一待測電流的電 線18之上,或貼附於電線的保護層19上;該軟性基板12 的正面則用以設置或製作感測單元及其相關電路。該軟性 基板12係由可捲曲或伸展的材料製成,並能與該電線或其 保護層緊密接合。藉此,感測單元14可儘可能的貼近該電 線18,達到較佳的電磁感應效果;且因軟性基板的特性., 使得本實施例之電流感測裝置具有隨貼即用的便利性,且 _ 對於待測電線的表面形狀及平坦性具有較大的彈性。另 外,該軟性基板12亦可製成c:型的鉗狀,而直接夾貼於電 線的保護層19上,如圖3所示。 該感測單元14,其係以微機電系統的製程技術製作, 並設置於該軟性基板12上,用以感測該電線18内因電流 流過而產生的電磁場。該感測單元14係由一鋼線圈所組 成’包括一匝以上的線圈匝數,但並不以此為限,亦可以 是金屬或其他材質的導電線圈,並可增加線圈匝數以提高 感測單元14的電磁感應能力。此外,為了進一步加強其導 201215898 磁耦合效率,該金屬線圈内更可添加導磁材料,並且在一 較佳實施例中,該金屬線圈的線寬設計為:其在與該待測 電線水平方向之線寬大於其與該待測電線垂直方向之線 寬。 該讀取電路16,設置於該軟性基板12上,並電性連 接至該感測單元14以讀取該電磁場的反應輸出,及計算該 電線18内的電流值。該讀取電路16係為以互補式金氧半 導體(CMOS)製程的積體電路。該感測單元14的反應輸出 信號可能會過於微弱,故較佳的,該讀取電路16可將具有 轉換或放大功能之放大電路整合為單一的積體電路晶片, 以轉換或放大該感測單元14的反應輸出;但並不以此為 限,該放大器15亦可以是外加的晶片,而電性連接於該感 測單元14與該讀取電路16之間。在本實施例中,該放大 器具有電流至電壓的轉換功能或電壓至電壓的放大功能。 唯以上所述者,僅為本發明之較佳實施例,當不能以 之限制本發明的範圍。即大凡依本發明申請專利範圍所做 之均等變化及修飾,仍將不失本發明之要義所在,亦不脫 離本發明之精神和範圍,故都應視為本發明的進一步實施 狀況。 201215898 【圖式簡單說明】 圖1根據本發明實施例之微機電系統電流感測裝置的立體 結構不意圖。 圖2根據本發明實施例之微機電系統電流感測裝置的結構 剖面示意圖。 圖3 C型鉗狀的軟性基板夾貼於電線保護層的實施例之示 意圖。 • 【主要元件符號說明】 12軟性基板 14感測單元 15放大器 16讀取電路 18待測電線 19電線保護層
Claims (1)
- 201215898 七、申請專利範圍: 1. 一種微機電系統的電流感測裝置’其包括: 一軟性基板,其背面可附著於一電線或其保護層上; 一感測單元,其係以微機電系統製成,並設置於該軟性 基板上,用以感測該電線内因電流流過而產生的電磁 場;及 一讀取電路’設置於該軟性基板上,並電性連接至該感 測單元以讀取該電磁場的反應輸出,及計算該電線内 的電流值。 2. 如請求項丨之電流感測裝置,更包括: 一放大益,電性連接於該感測單元與該讀取電路之 間,以轉換或放大該感測單元的反應輸出。 3·如請求項2之電流感測裝置,其中該放大器具有電流至 電壓的轉換功能或電壓至電壓的放大功能。 (如請求項丨之電流感測裝置,其中該軟性基板係由可捲 曲或伸展的材料製成’並能與該電線或其保護層緊密接 合。 5.2請求項1之電《财置,其巾域測單元 — 屬線圈所組成。 a US:之電流感測裝置’其中該金屬線圈内更包< 有導磁材料,以加強其導賴合效率。 以I::::流感測裝置’其中該金屬線圈包括 8.如凊求項5之電流感測裝 線水平方向之線寬大於其與該= 201215898 9. 如請求項1之電流感測裝置,其中該讀取電路更包括: 一放大器,具有電流至電壓的轉換功能或電壓至電壓的 放大功能。 10. 如請求項1或9之電流感測裝置,其中該讀取電路係為 互補式金氧半導體(CMOS)製程的積體電路。
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