TWI436068B - 被動式交流電流感測器 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種電流感測器，特別關於一種被動式交流電流感測器。
在工業設計上，常應用電流的檢測於系統過流保護及電流控制，例如電能衰減檢測、馬達超載檢測保護、電源的電流模式控制以及控制系統診斷等等。
習知的電流感測器的感測方式可分為接觸式及非接觸式兩種。接觸式的感測方式係利用一感測電路的電路設計，量測感測電路中電阻、電感、電容或電晶體兩端的電壓以計算出感測電流。非接觸式的感測方式係感測載流導體周圍產生之磁場，例如電流互感（current transformer）法、霍爾元件（Hall element）法、磁致電阻法等，或是透過磁能轉換成力學能的方式，轉而量測物質力學上的變化以獲得感測電流。上述接觸式及非接觸式的感測方式各有其優缺點及適合應用之場合。
其中，如圖1所示，習知利用磁能轉換成力學能的方式的電流感測器1包括一載流的線圈11、一壓阻性元件12以及一微機電系統（Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS）結構層13，線圈11及壓阻性元件12皆設置於微機電系統結構層13上，載流的線圈11放置於載流導體CC產生之磁場中，會受到勞倫茲力FL 的作用而施力於微機電系統結構層13，再透過微機電系統結構層13間接施力於壓阻性元件12，俾使壓阻性元件12的阻抗降低而產生電壓降，藉以感知載流導體CC的電流大小。習知之電流感測器1因其為非接觸式的電流感測器，故能夠避免影響被感測的載流導體CC，同時在大電流、大功率的系統中測試時也不會產生大量功耗。
然而，由上段敘述可知，習知之電流感測器1為主動式的電流感測器，必需供電才能使用，並且，在感測過程中，只要載流導體CC有電流通過，電流感測器1就會持續不停地運作，因此，微機電系統結構層13須承受大部分的往復應力，容易有疲勞或老化的問題。此外，為了增加電流感測器1的靈敏度，微機電系統結構層13上會設置多圈的線圈11，但由於通電時線圈11的功率消耗，微機電系統結構層13會發熱導致溫度上升及熱應力作用，而對電流感測器1的作動造成影響。
因此，如何提供一種不需供電即能進行感測的被動式交流電流感測器，其結構層能夠抵抗疲勞或老化問題的發生，並且可避免因設置多圈的線圈產生的結構層發熱現象對感測造成影響，已成為重要課題之一。
有鑑於上述課題，本發明之目的為提供一種不需供電即能進行感測的被動式交流電流感測器，其結構層能夠抵抗疲勞或老化問題的發生，並且可避免因設置多圈的線圈產生的結構層發熱現象對感測造成影響。
為達上述目的，依據本發明之一種被動式交流電流感測器，感測一載流導體的電流。被動式交流電流感測器包括一基板、一磁性體、至少一線圈以及一第一量測電路。基板具有一彈性結構層；磁性體對應載流導體設置於基板的一側，線圈設置於基板，且對應環繞磁性體。第一量測電路與線圈連結。其中，當磁性體受到載流導體磁場的作用而與線圈相對運動時，線圈產生一感應電動勢，第一量測電路量測感應電動勢，並據以輸出一第一感測訊號。
在一實施例中，基板可為單晶矽基板。
在一實施例中，彈性結構層可為懸浮結構層。
在一實施例中，線圈係可由金屬薄膜構成。
在一實施例中，被動式交流電流感測器更可包括一絕緣層，設置於基板與線圈之間。
在一實施例中，被動式交流電流感測器更可包括一訊號傳送單元，其與第一量測電路連結。較佳地，被動式交流電流感測器更可包括一壓電元件，設置於基板。其中，壓電元件、磁性體及彈性結構層構成一壓電式能量擷取器，當磁性體受到載流導體磁場的作用而產生靜磁力施力於彈性結構層，彈性結構層產生的應力作用使壓電元件兩端產生電位差，以提供能量予訊號傳送單元。
在一實施例中，被動式交流電流感測器更可包括一壓電元件及一第二量測電路。壓電元件設置於基板。第二量測電路連結壓電元件，當磁性體受到載流導體磁場的作用而產生靜磁力施力於彈性結構層，彈性結構層產生的應力作用使壓電元件兩端產生電位差，第二量測電路量測壓電元件兩端的電位差，並依據壓電元件的電位差輸出一第二感測訊號。
在一實施例中，壓電元件係可由壓電薄膜構成。
承上所述，本發明之被動式交流電流感測器係透過欲量測之載流導體對磁性體產生的靜磁力以及懸浮結構之彈性，使磁性體相對於線圈作振盪運動，再量測線圈上產生的感應電流，其非接觸式的電流感測方式，可避免影響欲感測之系統。再者，與習知相較，本發明之被動式交流電流感測器不需外部供電而可在電力之供應上自給自足，亦不須設置多圈線圈來增加靈敏度，因而可防止載流線圈的功率消耗造成彈性結構層的發熱現象，影響感測時的作動。並且，藉由單晶矽材料的彈性結構層，能夠抵抗長久運作下疲勞或老化問題的發生。
此外，本發明還可利用壓電元件與磁性體及彈性結構層的結合，構成壓電式能量擷取器以產生能量並自行供電至訊號傳送單元，俾使整體被動式交流電流感測器不需外部供電即可獨立感測電流並傳送感測結果，進而提升被動式交流電流感測器安裝上的便利性。
亦或是，藉由壓電元件與磁性體及彈性結構層應用於第二量測電路，使被動式交流電流感測器同時具有電磁式及壓電式的電流感測機制，因此可達到提高被動式交流電流感測器靈敏度並擴大其應用範圍的功效。
以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例之一種被動式交流電流感測器，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。
圖2A為本發明第一較佳實施例之一種被動式交流電流感測器2的俯視部份示意圖，圖2B為沿圖2A被動式交流電流感測器2之剖面線A-A的剖面示意圖。如圖2A及圖2B所示，被動式交流電流感測器2係用以感測一載流導體CC的交流電流，被動式交流電流感測器2包括一基板21、一磁性體22、至少一線圈23以及一第一量測電路24。
基板21具有一彈性結構層211。其中，基板21可為單晶矽基板，彈性結構層211可為懸浮結構層，具有微懸浮結構。藉由微機電製程對單晶矽基板進行體型加工（bulk micromachining），可製作出具有微懸浮結構之單晶矽彈性結構層211，懸浮結構為懸浮可擺動（例如上下方向）的彈性結構，可例如但不限於包括懸臂樑（cantilever）、橫樑（beam）、薄板（membrane）、微流道（channel）、孔穴（cavity）、微接頭（joint or hinge）、連桿（link）、曲柄（crank）、齒輪（gear）、齒條（rack）、彈簧（spring）等元件，這些微懸浮結構的元件尺寸皆可小至微米。值得一提的是，相較於一般多晶矽或非晶矽的結構層常具有缺陷，容易因應力作用產生裂縫，彈性結構層211由於採用單晶矽材料，單晶矽材料具有良好的機械性質且無內部缺陷，因此更能抵抗長時間的應力作用所造成的疲勞或老化問題。
磁性體22對應載流導體CC設置於基板21的一側。磁性體22為可以產生磁場的物體，例如為永久磁鐵。值得特別說明的是，雖圖式中未有繪示，磁性體22擺放的位置或高度可依需求而調整，例如亦可置於基板21遠離載流導體CC之另一側，或者全部或部分嵌入基板21中，此應為發明領域具有通常知識者能輕易思及之變化，仍應在本發明揭露之概念中。
至少一線圈23設置於基板21，線圈23於基板21對應環繞磁性體22。線圈23可由可導電的金屬薄膜構成，藉以縮小整體被動式交流電流感測器2的體積。於此，係以具有二圈線圈23為例，然而本發明並不限制線圈23的設置數量，可依被動式交流電流感測器2的靈敏度需求增減線圈23數量，亦可僅設置單一個線圈33（如圖3A及圖3B所示）。另外，本實施例中之被動式交流電流感測器2更可包括一絕緣層25，設置於基板21與線圈23之間，其用意在於將基板21與線圈23電性隔離，絕緣層25的材料可例如為橡膠類高分子、塑料或陶瓷絕緣體等。
第一量測電路24與線圈23連結，當磁性體22受到載流導體CC通電時周圍磁場的作用，而與線圈23相對運動時，線圈23會因此產生一感應電動勢，驅使線圈23內的電子移動產生感應電流。第一量測電路24可藉由量測線圈23得到之感應電動勢、或感應電流加以運算，輸出一第一感測訊號（Induction Signal）SI 。詳而言之，通過載流導體CC的交流電流具有一時變的電場，其周圍會產生一時變的磁場，被動式交流電流感測器2之磁性體22因上述時變的磁場的作用而受到一往復的靜磁力，磁性體22的受力進而帶動彈性結構層211與線圈23的相對運動，使磁性體22相對於線圈23來回振盪（oscillating），根據電磁感應定律，線圈23內部會生成電動勢驅使感應電流流動，第一量測電路24即可依據量測到之感應電動勢或感應電流，輸出第一感測訊號SI 。
請參考圖3A及圖3B所示，其中圖3A為本發明第二較佳實施例之被動式交流電流感測器3的俯視示意圖，圖3B為沿圖3A被動式交流電流感測器3之剖面線B-B的剖面示意圖，在本實施例中，被動式交流電流感測器3除了具有與上述第一較佳實施例之被動式交流電流感測器2相似之結構外，還可包括一訊號傳送單元36，其與一第一量測電路34連結。第一量測電路34輸出之第一感測訊號SI 可藉由訊號傳送單元36以有線或無線訊號的形式傳送至控制電腦或感測裝置，以增加感測電流時的便利性。
另外，為了使訊號傳送單元36具有足夠的電能發送無線訊號，被動式交流電流感測器3還可包括一壓電元件37，設置於基板31的另一側（與線圈33同側）。壓電元件37可由一層壓電薄膜構成，其壓電材料可例如但不限於為鋯鈦酸鉛（PZT）、聚氟乙烯（PVDF）、氧化鋅（ZnO）或羅德鹽（Rochelle salt, potassium sodium tartrate）等。受到機械應力作用時，壓電元件37會發生形變，且其兩端會伴隨產生與應力大小成比例的電荷。於此，壓電元件37、磁性體32及彈性結構層311共同構成一壓電式能量擷取器，其擷取振動能量並轉換成電能，以供應訊號傳送單元36電量以發送訊號。具體而言，磁性體32受到載流導體CC磁場的作用而產生靜磁力施力於彈性結構層311，彈性結構層311產生的應力作用於壓電元件37，將使得壓電元件37兩端產生電位差，即可提供能量予訊號傳送單元36，達成可自我供電之功效。值得特別說明的是，本實施例圖式中繪示磁性體32嵌入基板31中，惟磁性體32擺放的位置或高度可依需求而調整，例如亦可置於基板31靠近載流導體CC之一側，或者可置於基板31遠離載流導體CC之另一側，此應為發明領域具有通常知識者能輕易思及之變化，仍應在本發明揭露之概念中。
值得特別說明的是，壓電元件37、磁性體32及彈性結構層311除了可共同構成一壓電式能量擷取器之外，還可應用於一第二量測電路，用以提高被動式交流電流感測器3之靈敏度。如圖4A及圖4B所示，其中圖4A為本發明第三較佳實施例之被動式交流電流感測器4的俯視示意圖，圖4B為沿圖4A被動式交流電流感測器4之剖面線C-C的剖面示意圖，本實施例中，被動式交流電流感測器4包括磁性體42及彈性結構層411，且第二量測電路48係連結至壓電元件47，其詳細作動如下。當磁性體42受到載流導體CC磁場的作用而產生靜磁力施力於彈性結構層411，彈性結構層411產生的應力作用使壓電元件47兩端產生電位差，第一量測電路44量測線圈43之感應電動勢，據以輸出第一感測訊號SI1 ；第二量測電路48則量測壓電元件47兩端的電位差，並據以輸出第二感測訊號SI2 ，故第二量測電路48的設計可讓被動式交流電流感測器4的感測靈敏度獲得提升。
綜上所述，本發明之被動式交流電流感測器係透過欲量測之載流導體對磁性體產生的靜磁力以及懸浮結構之彈性，使磁性體相對於線圈作振盪運動，再量測線圈上產生的感應電流，其非接觸式的電流感測方式，可避免影響欲感測之系統。再者，與習知相較，本發明之被動式交流電流感測器不需外部供電而可在電力之供應上自給自足，亦不須設置多圈線圈來增加靈敏度，因而可防止載流線圈的功率消耗造成彈性結構層的發熱現象，影響感測時的作動。並且，藉由單晶矽材料的彈性結構層，能夠抵抗長久運作下疲勞或老化問題的發生。
此外，本發明還可利用壓電元件與磁性體及彈性結構層的結合，構成壓電式能量擷取器以產生能量並自行供電至訊號傳送單元，俾使整體被動式交流電流感測器不需外部供電即可獨立感測電流並傳送感測結果，進而提升被動式交流電流感測器安裝上的便利性。
亦或是，藉由壓電元件與磁性體及彈性結構層應用於第二量測電路，使被動式交流電流感測器同時具有電磁式及壓電式的電流感測機制，因此可達到提高被動式交流電流感測器靈敏度並擴大其應用範圍的功效。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明之精神與範疇，而對其進行之等效修改或變更，均應包含於後附之申請專利範圍中。
1．．．電流感測器
11、23、33、43．．．線圈
12．．．壓阻性元件
13．．．微機電系統結構層
2、3、4．．．被動式交流電流感測器
21、31、41．．．基板
211、311、411．．．彈性結構層
22、32、42．．．磁性體
24、34、44．．．第一量測電路
25．．．絕緣層
36．．．訊號傳送單元
37、47．．．壓電元件
48．．．第二量測電路
A-A、B-B、C-C．．．剖面線
CC．．．載流導體
FL
．．．勞倫茲力
SI
、SI1
．．．第一感測訊號
SI2
．．．第二感測訊號
圖1為一種習知之電流感測器的示意圖；
圖2A為本發明第一較佳實施例之一種被動式交流電流感測器的俯視部份示意圖；
圖2B為沿圖2A被動式交流電流感測器之剖面線A-A的剖面示意圖；
圖3A為本發明第二較佳實施例之被動式交流電流感測器的俯視示意圖；
圖3B為沿圖3A被動式交流電流感測器之剖面線B-B的剖面示意圖；
圖4A為本發明第三較佳實施例之被動式交流電流感測器的俯視示意圖；以及
圖4B為沿圖4A被動式交流電流感測器之剖面線C-C的剖面示意圖。
圖2A為本發明第一較佳實施例之一種被動式交流電流感測器的俯視部份示意圖；
圖2B為沿圖2A被動式交流電流感測器之剖面線A-A的剖面示意圖；
圖3A為本發明第二較佳實施例之被動式交流電流感測器的俯視示意圖；
圖3B為沿圖3A被動式交流電流感測器之剖面線B-B的剖面示意圖；
圖4A為本發明第三較佳實施例之被動式交流電流感測器的俯視示意圖；以及
圖4B為沿圖4A被動式交流電流感測器之剖面線C-C的剖面示意圖。
2．．．被動式交流電流感測器
21．．．基板
211．．．彈性結構層
22．．．磁性體
23．．．線圈
24．．．第一量測電路
25．．．絕緣層
CC．．．載流導體
SI
．．．第一感測訊號
Claims (10)
- 一種被動式交流電流感測器，感測一載流導體的電流，該被動式交流電流感測器包括：
一基板，具有一彈性結構層；
一磁性體，對應該載流導體設置於該基板的一側；
至少一線圈，設置於該基板，該線圈對應環繞該磁性體；以及
一第一量測電路，與該線圈連結，
其中，當該磁性體受到該載流導體磁場的作用而與該線圈相對運動時，該線圈產生一感應電動勢，該第一量測電路量測該感應電動勢，並據以輸出一第一感測訊號。
- 如申請專利範圍第1項所述之被動式交流電流感測器，其中該基板為單晶矽基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之被動式交流電流感測器，其中該彈性結構層為懸浮結構層。
- 如申請專利範圍第1項所述之被動式交流電流感測器，其中該線圈係由金屬薄膜構成。
- 如申請專利範圍第1項所述之被動式交流電流感測器，更包括：
一絕緣層，設置於該基板與該線圈之間。
- 如申請專利範圍第1項所述之被動式交流電流感測器，更包括：
一訊號傳送單元，與該第一量測電路連結。
- 如申請專利範圍第6項所述之被動式交流電流感測器，更包括：
一壓電元件，設置於該基板；
其中，該壓電元件、該磁性體及該彈性結構層構成一壓電式能量擷取器，當該磁性體受到該載流導體磁場的作用而產生靜磁力施力於該彈性結構層，該彈性結構層產生的應力作用使該壓電元件兩端產生電位差，以提供能量予該訊號傳送單元。
- 如申請專利範圍第1項所述之被動式交流電流感測器，更包括：
一壓電元件，設置於該基板；以及
一第二量測電路，連結該壓電元件，當該磁性體受到該載流導體磁場的作用而產生靜磁力施力於該彈性結構層，該彈性結構層產生的應力作用使該壓電元件兩端產生電位差，該第二量測電路量測該壓電元件兩端的電位差，並依據該壓電元件的電位差輸出一第二感測訊號。
- 如申請專利範圍第7項所述之被動式交流電流感測器，其中該壓電元件係由壓電薄膜構成。
- 如申請專利範圍第8項所述之被動式交流電流感測器，其中該壓電元件係由壓電薄膜構成。
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