DE102004038847B3

DE102004038847B3 - Einrichtung zur potenzialfreien Messung eines in einer elektrischen Leiterbahn fließenden Stromes

Info

Publication number: DE102004038847B3
Application number: DE200410038847
Authority: DE
Inventors: Oliver Dr. Dernovsek; Klaus Ludwig; Gotthard Dr. Rieger
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2024-08-11

Abstract

Die Einrichtung enthält einen Sensor (8) mit magnetfeldempfindlichen Eigenschaften zur potenzialfreien Erfassung des Magnetfeldes eines in einer elektrischen Leiterbahn (L1) fließenden Stromes. Die Strommesseinrichtung weist einen mehrlagigen Aufbau (2) in LTCC-Technologie auf, wobei der Sensor (8) in einer Ausnehmung (7) einer isolierenden Keramiklage (3) angeordnet ist, oberhalb oder unterhalb derer die Stromleiterbahn (L1) unter Einhaltung eines die geforderte Durchschlagsfestigkeit gewährleistenden, materialabhängigen Mindestabstandes (/DELTA) verläuft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur potenzialfreien Messung eines in wenigstens einer elektrischen Leiterbahn fließenden Stromes mittels mindestens einem demgegenüber elektrisch isolierten Sensor mit magnetfeldempfindlichen Eigenschaften zur Erfassung des von dem Strom erzeugten Magnetfeldes und mit Mitteln zum Abgriff und zur Weiterverarbeitung des magnetfeldabhängigen Sensorsignals. Eine entsprechende Einrichtung ist der WO 98/07165 A zu entnehmen.

Die potenzialfreie Strommessung findet Anwendung im gesamten Bereich der elektrischen Energieübertragung, des Power-Managements, der Steuerung und Automatisierungstechnik. Da es sich häufig um eine sicherheitsrelevante Funktion handelt, muss der eingesetzte potenzialfreie Stromwandler gegenüber äußeren Störeinflüssen bzw. Feldern geschützt werden.

Zu einer potenzialfreien Stromerfassung bzw. -messung existieren unterschiedliche Lösungen, wobei z.B. Messwiderstände (Shunts), kombiniert mit Optokopplern, ferner Stromwandler (Transformatoren), Hall-Elemente, Sensorsysteme unter Verwendung von magnetoresistivem Material sowie faseroptische Strommesseinrichtungen zum Einsatz kommen. Viele Stromsensoren besitzen jedoch einen begrenzten Einsatzbereich, sind z.B. auf eine Wechselstromessung begrenzt, da sie auf induktiven Prinzipien basieren, oder sind nicht integrierbar.

Aus der eingangs genannten WO-A-Schrift geht eine Strommesseinrichtung hervor, die einen Sensor in Form einer Brückenschaltung aus magnetoresistiven Sensorelementen umfasst, der das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Leiterbahn in Form einer Spule mit mehreren Windungen erfasst. Der gesamte in Dünnfilmtechnik auf einem Substrat zu erstellende Aufbau ist jedoch nur mit erheblichem Aufwand zu erstellen, wobei die gegenseitige Isolation der einzelnen Teile nur verhältnismäßig geringe Spannungsdifferenzen zulässt.

Der zu messende Strombereich liegt jedoch für eine große Zahl der Gleichstrom- als auch Wechselstromanwendungen im Bereich von wenigen Milliampere bis etwa 1000 A. Dies bedeutet, dass im Idealfall nur mit einem einzigen Sensor über mehrere Zehnerpotenzen mit einer möglichst hohen Genauigkeit gemessen werden soll. Anwendungsbeispiele für solche Einsatzbereiche liegen in der Steuerung von Leitungsschutzschaltern und -schützen oder in Automotive-Applikationen wie z.B. dem Batteriemanagement. Dort sollen z.B. sowohl Kriechströme als auch Startströme gemessen werden können. Zum Teil wird eine aufwendige Auswerteelektronik benötigt, um eine geforderte Genauigkeit zu erhalten. Außerdem erfordert vielfach eine ohmsche Erwärmung des Sensors ein entsprechendes Wärmemanagement.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, die eine Strommessung über einen großen Messbereich bei hinreichend hoher Messgenauigkeit ermöglicht, wobei die erwähnten Schwierigkeiten zumindest vermindert sind.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll die Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen einen mehrlagigen Aufbau in LTCC-Technologie aufweisen, wobei der Sensor in einer Ausnehmung einer isolierenden (LTCC-)Keramiklage angeordnet ist, oberhalb oder unterhalb derer die wenigstens eine Stromleiterbahn unter Einhaltung eines die geforderte Durchschlagsfestigkeit gewährleistenden, materialabhängigen Mindestabstandes verläuft.

Unter LTCC (Low Temperatur Co-fired Ceramic) ist dabei ein Keramiksubstrat- oder Schichtsystem zu verstehen, das in der Elektrotechnik als preiswerte Substrat- bzw. Schichttechnologie eingesetzt wird (vgl, z.B. „Proc. of the 1997 1-th. Ann. Intern. Systems Packaging Symp.", USA 1997, Seiten 135 bis 140). Hierbei können nahezu beliebig viele Schichten oder Lagen übereinander gestapelt werden. Auf den einzelnen Keramiklagen lassen sich sehr dünne Leiterbahnen, die vielfach aus Gold oder Silber oder aus Platin- und Palladium-Legierungen bestehen, erstellen. Auch Kupferleiterbahnen sind bekannt. Die entsprechenden Metallisierungen werden im Allgemeinen in einem Siebdruckverfahren Lage für Lage auf die noch ungebrannte, so genannte „grüne" Keramik gedruckt und nach einem Stapeln und einem Pressen des vielschichtigen Aufbaus gemeinsam in einem Prozessofen gebrannt. Die Keramik im ungebrannten Zustand wird dabei häufig aus einem Gemisch aus Glas, Keramik und organischem Lösungsmittel gebildet. Die Sintertemperatur einer entsprechenden LTCC-Glaskeramik kann unter 900°C liegen. Diese relativ niedrige Temperatur ermöglicht erst den Einsatz von Materialien für die Leiterbahnen wie Gold und Silber, die Schmelzpunkte zwischen 960°C und 1100°C aufweisen (vgl. z.B. „PLUS 12", 2001, Leuze Verlag, Bad Saulgau [DE], Seiten 2131 bis 2136).

Der für die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung vorgesehene Sensor zur Messung des Magnetfeldes ist vorteilhaft in eine entsprechende Keramik-Ausnehmung nachträglich integriert und befindet sich damit in einem definierten Abstand über einer an der Unterseite der Keramiklage verlaufenden Stromleiterbahn. D.h., die galvanische Isolation zwischen der Leiterbahn und dem Sensor wird durch eine isolierende Schicht des Sensors selbst und/oder durch die Keramiklage gebildet. Mit einer Durchschlagsfestigkeit von typischerweise 40 V/μm und einem elektrischen Widerstand von 10^–12 Ω/cm lassen sich dabei vorteilhaft hohe Isolationsfestigkeiten bei geringen Schichtdicken erzielen. Der Aufbau der Leiterbahnen in LTCC-Keramik erfolgt in Lagentechnik, so dass sich vorteilhaft mehrere Strompfade in unterschiedlichen Abständen zum Sensor anordnen lassen. Die einzelnen Leiterbahnen können dabei in einfacher Weise durch bekannte Strukturierungstechniken erstellt werden. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Strombereiche unter Berücksichtigung des Abstandsgesetzes des Magnetfeldes um einen stromdurchflossenen Leiter sehr einfach umsetzen. Die vergleichsweise geringen Toleranzen in LTCC-Technik für die laterale Position der einzelnen Stromleiterbahnen und die Abstände ermöglichen eine einfache Auswerteelektronik. Außerdem erfolgt die Entwärmung des Sensors zumindest weitgehend über die Keramik. Gegebenenfalls können hierzu noch elektrisch funktionslose oder redundante Durchkontaktierungen aus metallischem Material, so genannte thermische „Vias" zu einer vertikalen Wärmeableitung vorgesehen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Strommesseinrichtung folgende Merkmale vorgesehen werden:

– So kann der Mindestabstand bezüglich einer unterhalb der Keramiklage verlaufenden Stromleiterbahn durch die Restdicke der Keramiklage im Bereich der Ausnehmung zumindest zum Teil oder allein bestimmt sein. Gegebenenfalls trägt zur Durchschlagsfestigkeit zusätzlich noch eine untere Isolationsschicht des Sensors bei. Der Mindestabstand kann vorteilhaft sehr klein gehalten werden.
– Ferner können zumindest im Bereich der Ausnehmung mehrere Stromleiterbahnen in mehreren, durch wenigstens eine Keramiklage gegenseitig isolierte Ebenen vorgesehen sein. So können mit einem einzigen Sensor das Magnetfeld mehrere Stromleiterbahnen gleichzeitig oder nacheinander detektiert werden.
– Bevorzugt weist die mindestens eine Stromleiterbahn eine Dicke von unter 200 μm auf. Sie besteht vorteilhaft aus einem Au oder Ag zumindest enthaltenden Material wie z.B. aus dem elementaren Metall oder einer Legierung des jeweiligen Metalls.
– Die mindestens eine Keramiklage hat im Allgemeinen eine Dicke von unter 1000 μm, insbesondere 500 μm. Die genannten Dicken gewährleisten bei hinreichender Durchschlagsfestigkeit einen sehr dünnen Gesamtaufbau der Strommesseinrichtung.
– Vorteilhaft sind an den Sensor in der Ausnehmung der Keramiklage heranführende Anschlussleitungen auf der Oberseite dieser Keramiklage vorhanden. In einfacher Weise kann so der vorfertigbare Sensor in die Ausnehmung eingepasst und über eine Bondung mit den ausgebildeten Anschlussleitungen kontaktiert werden.
– Bevorzugt ist das Sensorelement ein magnetoresistives Element vom so genannten XMR-Typ. Ein solches Element zeigt insbesondere den so genannten Collossal-Magneto-Resistance(CMR)- oder Giant-Magneto-Resistance(GMR)- oder Tunneling-Magneto-Resistance(TMR)- Effekt mit einem in üblicher Weise definierten Wert von mindestens 3% bei Raumtemperatur (vgl. z.B. die Broschüre „XMR-Technologien [Technologieanalyse – Magnetismus; Band 2]" des VDI-Technologiezentrums „Physikalische Technologien", Düsseldorf [DE], 1997, Seiten 11 bis 26 und 35 bis 48).
– Aus Gründen einer guten Entwärmung des Sensors können vorteilhaft vertikale, thermisch leitende Durchkontaktierungen durch die Keramiklage vorgesehen sein.
– Insbesondere zu einer magnetischen Abschirmung oder Feldverstärkung kann in den Aufbau mindestens eine weitere Schicht aus einem anderen Material, vorzugsweise einem weichmagnetischen Material, integriert sein.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen und der Zeichnung hervor.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles einer Strommesseinrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Von deren Figuren zeigen in zum Teil schematisierter Darstellung
deren 1 und 2 den Aufbau einer solchen Einrichtung mit einem Sensor im Querschnitt bzw. in Aufsicht,
deren 3 einzelne integrierte Leiterbahnen der Einrichtung mit Durchkontaktierung in dreidimensionaler Darstellung sowie
deren 4 eine Aufsicht auf eine konkret ausgeführte Ausführungsform der Einrichtung.
Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Der in 1 angedeutete, allgemein mit 2 bezeichnete Aufbau ist in an sich bekannter LTCC-Technologie erstellt. Er weist einen Stapel von z.B. drei Keramiklagen 3, 4 und 5 auf, wobei zwischen der untersten Keramiklage 5 und ihrer dazu benachbarten, mittleren Keramiklage 4 eine Stromleiterbahn L3 und zwischen der mittleren Keramiklage 4 und der oberen Keramiklage 3 eine Stromleiterbahn L2 verlaufen. In die obere Keramiklage 3 ist eine Ausnehmung 7 eingearbeitet, in der sich ein Sensor 8 befindet. Über den Sensor verläuft eine weitere Leiterbahn L1, von der in der Figur nur die auf der obersten Keramiklage 3 befindlichen Bahnteile sowie Bonddrähte 9i ersichtlich sind, die die elektrische Verbindung des unmittelbar über dem Sensor 8 verlaufenden Teils der Stromleiterbahn L1 mit den auf der Keramiklage 3 verlaufenden Teilen dieser Bahn herstellen.
Bei dem Sensor 8 handelt es sich beispielsweise um einen Stromsensor mit mehreren, z.B. zu einer Brücke verschalteten XMR-Sensorelementen zur Detektion der in den Leiterbahnen L1 bis L3 fließenden Gleich- oder Wechselströme. Die Leiterbahnen sind dabei so verlaufend ausgebildet, dass ihre stromver ursachten Magnetfelder den XMR-Stromsensor 8 in der Ausnehmung 7 erfassen.
Die Dicken D_i (mit i = 3 oder 4 oder 5) der einzelnen Keramiklagen 3 bis 5 liegen bevorzugt unter 1000 μm, vorzugsweise unter 500 μm. Beispielsweise betragen die Dicken D₄ und D₅ der Keramiklagen 4 und 5 jeweils etwa 500 μm, während die obere Keramiklage 3 eine etwas geringere Dicke D₃ von beispielsweise 300 μm aufweist. Die verbleibende Mindestdicke (Δ) der oberen Keramiklage 3 im Bereich der Ausnehmung 7 ist dabei so gewählt, dass die geforderte Durchschlagsfestigkeit zwischen dem Stromsensor 8 und der darunter liegenden Leiterbahn L2 gewährleistet ist. Sie sollte so gering wie möglich gewählt werden und liegt beispielsweise bei 50 μm. Die Dicke d2 der unmittelbar unter dem Sensor 8 verlaufenden Leiterbahn L2 beträgt beispielsweise 50 μm, während für die Dicke d3 der von dem Sensor 8 weiter entfernt liegenden Leiterbahn L3 größer gewählt wird und beispielsweise bei 80 μm liegt.
In der 1 wurden aus Gründen einer besseren Erkennbarkeit die einzelnen Keramiklagen 3 bis 5 so dargestellt, dass sie durch die zwischen ihnen liegenden Leiterbahnen L2 und L3 beabstandet sind und sich außerhalb der Bereiche dieser Bahnen nicht berühren. Selbstverständlich liegen diese Lagen mit ihren geringen Dicken D_i außerhalb dieser Bahnbereiche entweder unmittelbar aneinander wie im Fall eines Siebdruckes der Leiter. Oder es sind zwischen ihnen noch besondere Abstandsschichten vorgesehen; d.h., es werden in der Keramik Stanzungen oder sonstige Ausnehmungen vorgenommen, die dann mit dem Leitermaterial z.B. in Form von Leitpasten gefüllt werden.
2 zeigt eine Aufsicht auf den Aufbau 2 nach 1 mit einer Fläche x·y von 15 mm·10 mm. In der gewählten Darstellung ist die oberste Keramiklage 3 weggelassen, um so den Blick auf die darunter liegende Stromleiterbahn L2 freizugeben. In der Figur sind ferner Anschlussflächen 12a und 12b (so genannte „Pads") für die Leiterbahn L2 sowie entsprechen de Anschlussflächen 13a und 13b für die Leiterbahn L3. gezeigt. Außerdem ist in der Figur die erste Leiterbahn L1 ersichtlich, die über den Sensor 8, der beispielsweise vier XMR-Einzelsensoren in Brückenschaltung umfasst, hinweggeführt ist. Dabei ist die Leiterbahn gegenüber dem Sensor isoliert, wofür beispielsweise ein Polymer-Material wie das so genannten BCB oder anorganisches Material wie insbesondere SiO₂ vorgesehen wird. Wie auch der Figur zu entnehmen ist, kann insbesondere für diese Leiterbahn ohne zusätzlichen Aufwand ein an sich bekanntes, so genanntes Gradienten-Design zur Detektion von magnetischen Gradientenfeldern oder ein HF-taugliches Design, z.B. eine U-Form mit Löchern, in bekannter Strukturierungstechnik erstellt werden. In der Figur sind ferner Zuführungsleitungen 15a und 15b zur Spannungsversorgung des Sensors 8 sowie Signalleitungen 16a und 16b zur Abnahme dessen Sensorsignals und zur Zuleitung an eine nachgeordnete Auswerteelektronik angedeutet.
3 zeigt in schematischer, dreidimensionaler Schrägansicht die integrierten U-förmigen Leiterbahnen L2 und L3 mit ihren Durchkontaktierungen in die Oberfläche der in der Figur nicht dargestellten obersten Keramiklage 3. Die dort vorhandenen Kontaktflächen der Leiterbahnen L2 und L3 sind mit 12a, 12b bzw. 13a, 13b bezeichnet. Der besseren Übersicht wegen ist die Keramiklage 4 unterhalb der zweiten Leiterbahn L2 seitlich versetzt dargestellt.
4 zeigt eine konkrete Ausführungsform einer Stromeinrichtung 20 nach der Erfindung unter Zugrundelegung eines an Hand der stark schematisierenden 1 bis 3 erläuterten Aufbaus 2. Dabei ist die Ansicht auf die obere Flachseite der oberen, ersten Keramiklage 3 dargestellt. An den dort befindlichen Kontaktflächen erfolgt der Anschluss der einzelnen Teile der Einrichtung. Aus Symmetriegründen sind zum Anschluss des GMR-Sensors 8 sechs Kontaktflächen ausgebildet, von denen nur vier benötigt werden, und zwar an Kontaktflächen 17a und 17b für die Spannungsversorgung (über die An schlussleitung 15a bzw. 15b) und an Kontaktflächen 18a und 18b für die Signalabnahme (über die Signalleitung 16a bzw. 16b). An den Kontaktflächen 11a und 11b erfolgt der Anschluss der ersten, unmittelbar über den Sensor 8 führenden Stromleiterbahn L1. In der Figur sind ferner die verhältnismäßig großflächig ausgebildeten Kontaktflächen 12a und 12b für die mittlere, zweite Stromleiterbahn L2 sowie die verhältnismäßig großflächig ausgebildeten Kontaktflächen 13a und 13b für die unterste, dritte Stromleiterbahn L3 ersichtlich. Die von der gezeigten Strommesseinrichtung eingenommene Fläche hatte dabei eine Größe x·y von 15 mm·15 mm.
Bei der gezeigten Ausführungsform fungieren die die Kontaktflächen 12a, 12b und 13a, 13b bildenden, sich vertikal erstreckenden Durchkontaktierungen zugleich als Wärmeübertragungselemente, um damit auch die unteren Keramiklagen 4 und 5 für die Entwärmung des Aufbaus und insbesondere des Sensors bzw. seiner Sensorelemente heranzuziehen. Sollten derartige Durchkontaktierungen (auch als „Vias" bezeichnet) nicht ausreichen, so können darüber hinaus weitere solcher vertikalen Durchkontaktierungen mit allein thermischer Funktion vorgesehen werden (vgl. z.B. Proceedings „The 8th Intersociety Conf. on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems / ITherm 2002", May 30 – June 1, 2002, USA, Seiten 179 bis 185) .
Abweichend von dem vorstehend erläuterten Aufbau 2 in LTCC-Technologie können in diesen selbstverständlich noch weitere Schichten oder Lagen aus anderen Materialien aus anderen Materialien integriert sein. Unter einem anderen Material wird dabei ein Material verstanden, dass nicht von vornherein im Rahmen der zur Anwendung kommenden LTCC-Technologie erforderlich ist. So kann man z.B. eine zusätzliche Schicht aus einem weichmagnetischen Material vorsehen, beispielsweise unterhalb der in 1 gezeigten Keramiklage 4, um damit in an sich bekannter Weise externe, störende Magnetfelder abzuschirmen oder magnetische Nutzfelder zu verstärken. Dabei kann gegebe nenfalls die Integration einer derartigen magnetisch aktiven Schicht auch so ausgeführt sein, dass sich diese zusätzliche Schicht oberhalb oder unterhalb des gezeigten Aufbaus befindet.

Claims

Einrichtung zur potenzialfreien Messung eines in wenigstens einer elektrischen Leiterbahn (L1, L2, L3) fließenden Stromes mittels mindestens einem demgegenüber elektrisch isolierten Sensor (8) mit magnetfeldempfindlichen Eigenschaften zur Erfassung des von dem Strom erzeugten Magnetfeldes und mit Mitteln zum Abgriff und zur Weiterverarbeitung eines magnetfeldabhängigen Sensorsignals, gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau (2) in LTCC-Technologie, wobei der Sensor (8) in einer Ausnehmung (7) einer isolierenden Keramiklage (3) angeordnet ist, oberhalb oder unterhalb derer die wenigstens eine Stromleiterbahn (L1) unter Einhaltung eines die geforderte Durchschlagsfestigkeit gewährleistenden, materialabhängigen Mindestabstandes (Δ) verläuft.
Strommesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand (Δ) bezüglich einer unterhalb der Keramiklage (3) verlaufenden Stromleiterbahn (L2) durch die Restdicke der Keramiklage (3) im Bereich der Ausnehmung (7) zumindest zum Teil bestimmt ist.
Strommesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Ausnehmung (7) mehrere Stromleiterbahnen (L1 bis L3) in mehreren, durch wenigstens eine Keramiklage (4, 5) gegenseitig isolierten Ebenen vorgesehen sind.
Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromleiterbahn (L1, L2, L3) eine Dicke (d) von unter 200 μm aufweist.
Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromleiterbahn (L1, L2, L3) aus einem Au oder Ag zumindest enthaltenden Material besteht.
Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Keramiklage (3, 4, 5) eine Dicke (D_i) von unter 1000 μm, vorzugsweise unter 500 μm aufweist.
Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) mindestens ein Sensorelement vom XMR-Typ aufweist.
Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anschlussleitungen (15a, 15b, 16a, 16b) des Sensors (8) auf der Oberseite der Keramiklage (3).
Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vertikale, thermisch leitende Durchkontaktierungen durch die mindestens eine Keramiklage (3, 4, 5) vorgesehen sind.
Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Aufbau (2) mindestens eine weitere Schicht aus einem anderen Material, vorzugsweise einem weichmagnetischen Material, integriert ist.