DE102012100361A1

DE102012100361A1 - Stromdifferenzsensoren, -systeme und -verfahren

Info

Publication number: DE102012100361A1
Application number: DE102012100361A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner; Berthold Astegher
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-10-25
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: US20150177339A1; US9678172B2; CN102608384A; US20120187943A1; US8975889B2; US20170285077A1; DE102012100361B4; CN102608384B; US10488445B2

Abstract

Ausführungsformen betreffen Stromdifferenzsensoren, -systeme und -verfahren. Bei einer Ausführungsform enthält ein Stromdifferenzsensor einen ersten und zweiten Leiter, die relativ zueinander derart angeordnet sind, dass, wenn ein erster Strom durch den ersten Leiter fließt und ein zweiter Strom gleich dem ersten Strom durch den zweiten Leiter fließt, ein in dem ersten Leiter induziertes erstes Magnetfeld und ein in dem zweiten Leiter induziertes zweites Magnetfeld einander in einer ersten Position und einer zweiten Position aufheben; und ein erstes und zweites Magnetfelderfassungselement, die in der ersten bzw. zweiten Position angeordnet sind.

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die Erfindung betrifft allgemein Stromsensoren und insbesondere Stromdifferenzsensoren, die sich beispielsweise für das Erfassen von kleinen Stromdifferenzen eignen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Herkömmliche Stromdifferenzerfassungssysteme verwenden oftmals einen ringförmigen Ferrit. Zwei Drähte sind derart an den Ring gekoppelt, dass zwei Ströme in entgegengesetzten Richtungen durch den Ring fließen und sich ihre Flussbeiträge aufheben. Falls die beiden Ströme verschieden sind, wird von dem Ferrit ein Nettofluss geführt, der von einer Sekundärwicklung detektiert und elektronisch verarbeitet werden kann.
Wenngleich solche Systeme Stromdifferenzen effektiv detektieren können, liefern sie nur begrenzte Informationen. Beispielsweise können sie detektieren, ob |I1 – I2| > Schwellwert, sie liefern aber keine zuverlässigen Informationen hinsichtlich I1 + I2 oder I1 – I2.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Stromdifferenzerfassungssysteme und -verfahren anzugeben.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es werden Stromdifferenzsensoren, -systeme und -verfahren offenbart. Bei einer Ausführungsform umfasst ein Stromdifferenzsensor einen ersten und zweiten Leiter, die relativ zueinander derart angeordnet sind, dass, wenn ein erster Strom durch den ersten Leiter fließt und ein zweiter Strom gleich dem ersten Strom durch den zweiten Leiter fließt, ein von dem ersten Strom verursachtes erstes Magnetfeld und ein von dem zweiten Strom verursachtes zweites Magnetfeld einander in einer ersten Position und einer zweiten Position aufheben; und ein erstes und zweites Magnetfelderfassungselement, die ausgelegt sind zum Detektieren des ersten und zweiten Magnetfelds.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren Folgendes: Induzieren eines ersten Stroms, um in einem ersten Leiter zu fließen; Induzieren eines zweiten Stroms, um in einem zweiten Leiter zu fließen; Anordnen des ersten und zweiten Leiters derart, dass mindestens eine Komponente eines von dem ersten und zweiten Strom verursachten Gesamtmagnetfelds an mindestens zwei Orten ungefähr null beträgt, wenn der erste und zweite Strom ungefähr gleich sind; Positionieren von Magnetfeldsensoren an den mindestens zwei Orten und Bestimmen einer Differenz zwischen dem ersten und zweiten Strom auf der Basis von erfassten Magnetfeldern.
Bei einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren Folgendes: Anordnen eines ersten Leiters, der von einem zweiten Leiter beabstandet ist und im Wesentlichen parallel zu diesem verläuft; Anordnen eines Die bei dem ersten und zweiten Leiter und Anordnen einer Mehrzahl von Magnetfelderfassungselementen auf einer ersten Oberfläche des Die, um von dem ersten und zweiten Strom in dem ersten bzw. zweiten Leiter verursachte Magnetfelder zu detektieren und eine Differenz zwischen dem ersten und zweiten Strom auf der Basis der Magnetfelder zu bestimmen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Erfindung kann bei Betrachtung der folgenden ausführlichen Beschreibung von verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen eingehender verstanden werden. Es zeigen:
1 eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
2 eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
3 eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
4 eine grafische Darstellung von Magnetfeldern für verschiedene Die- und Leiteranordnungen gemäß einer Ausführungsform;
5 eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
6 eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
7 eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
8 eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
9 orthogonale Magnetfeldsensorelemente gemäß einer Ausführungsform;
10A eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
10B eine Draufsicht auf den Stromdifferenzsensor von 10A;
11 eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
12 eine seitliche Querschnittsansicht eines Stromdifferenzsensors gemäß einer Ausführungsform;
13 eine Draufsicht auf einen Stromdifferenzsensor gemäß einer Ausführungsform;
14A eine Draufsicht auf einen Stromdifferenzsensorleiter gemäß einer Ausführungsform;
14B eine Draufsicht auf einen Stromdifferenzsensorleiter gemäß einer Ausführungsform;
14C eine Draufsicht auf die Stromdifferenzsensorleiter der 14A und 14B;
14D eine seitliche Querschnittsansicht des Stromdifferenzsensors der 14A–14C.
Während die Erfindung für verschiedene Modifikationen und alternative Formen offen ist, wurden in den Zeichnungen spezifische Details davon beispielhaft gezeigt und werden ausführlich beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die Intention nicht darin besteht, die Erfindung auf die bestimmten beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Im Gegensatz besteht die Intention darin, alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die in den Gedanken und Schutzbereich der Erfindung fallen, wie durch die beigefügten Ansprüche definiert, abzudecken.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen betreffen Stromdifferenzsensoren. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann ein Stromdifferenzsensor zwei Ströme vergleichen und dazwischen eine Differenz detektieren. Bei einer Ausführungsform kann die detektierbare Differenz für Ströme in einem Bereich von null bis etwa 30 A nur etwa 10 mA betragen, doch kann dies bei anderen Ausführungsformen variieren. Außerdem können Ausführungsformen reduzierte Verzögerungszeiten wie etwa unter einer Mikrosekunde bereitstellen und Informationen hinsichtlich I1 + I2 sowie I1 – I2 liefern. Weiterhin sind Ausführungsformen von geringer Größe, robust gegenüber Störungen und preiswert.
Ausführungsformen umfassen zwei Leiter, die derart angeordnet sind, dass, wenn gleiche Ströme hindurchfließen, Magnetfeldbeiträge jedes Leiters sich an Punkten aufheben, bei denen Magnetfeldsensorelemente, die die gleichen Magnetfeldkomponenten erfassen, angeordnet sein können. Ungleiche oder Differenzströme können dann detektiert werden, wobei die Komponenten subtrahiert werden, um homogene Hintergrundfelder aufzuheben.
Unter Bezugnahme auf 1 wird eine Ausführungsform eines Stromdifferenzsensors 100 gezeigt. Der Sensor 100 umfasst zwei Leiter 102 und 104, die auf zwei verschiedenen Ebenen oder Höhen voneinander beabstandet sind. Ein Die 106 ist dazwischen auf einer dritten Ebene oder Höhe angeordnet, und zwei Feldplattenwiderstände (MR – Magnetoresistors) 108 und 110 sind auf dem Die 106 angeordnet. Die MRs 108 und 110 sind voneinander beabstandet und auf einer Ebene ungefähr in der Mitte zwischen den Leitern 102 und 104 und deshalb zwischen Strömen I1 und I2 in den Leitern 102 bzw. 104 angeordnet. Bei Ausführungsformen können die MRs 108 und 110 anisotrope MRs, Riesen-MRs oder irgendeine andere MR-Effekttechnologie umfassen.
Wegen Montagetoleranzen und anderer Faktoren ist es jedoch in der Praxis so gut wie unmöglich, die MRs 108 und 110 genau in der Mitte zwischen den Leitern 102 und 104 zu positionieren. Die resultierenden Magnetfelder Bx1 am MR 108 und Bx2 am MR 110 sind deshalb wie folgt: Bx1 = (K + dK)·I1 – (K – dK)·I2 Bx2 = (K’ + dK’)·I1 – (K’ – dK’)·I2 Bx1 – Bx2 = (K – K’)·(I1 – I2) + (dK – dK’)·(I1 + I2)
Die Differenzmessung Bx1 – Bx2 wird somit durch die Summe der Ströme I1 + I2 verfälscht. Eine Lösung für dieses Problem würde darin bestehen, mehrere MRs auf der oberen Oberfläche des Die 106 bereitzustellen und dann diejenigen MRs zu wählen, die die beste Unterdrückung von (I1 + I2) aufweisen. Da dies im Allgemeinen keine gute Lösung darstellt, besteht eine andere Lösung darin, Hall-Platten dem Sensor 100 hinzuzufügen, wobei eine erste, H1, bei dem MR 108 und eine zweite, H2, bei dem MR 110 angeordnet ist. Dann gilt: H2 – H1 = Kz·(I1 + I2)
Dies führt zu: I1 – I2 = [(Bx1 – Bx2)/(K – K’)] – [(dK – dK’)·(H2 – H1)/(Kz·(K – K’))]
Ein Vorteil dieser Konfiguration besteht darin, dass sie einen niedrigen Widerstandswert aufweist, weil die Leiter 102 und 104 bei einer Ausführungsform einfache gerade Stäbe sind. Außerdem können Informationen hinsichtlich I1 + I2 und I1 – I2 erhalten werden.
Eine weitere Ausführungsform ist in 2 dargestellt, bei der der Die 106 in einer geringfügig gekippten Orientierung bezüglich der Ebene der Leiter I1 und I2 montiert ist. Der Kippwinkel des Die 106 kann variieren, ist aber allgemein so konfiguriert, dass er größer ist als Worst-Case-Montagetoleranzen. Außerdem sind mehrere MRs 108 und 110 auf der oberen Oberfläche des Die 106 angeordnet. Während in 2 nur die MRs 108 und 110 in 2 sichtbar sind, umfasst diese Ausführungsform des Sensors 100 zusätzliche MRs, die in einem Gitter auf der oberen Oberfläche des Die 106 angeordnet sind, beispielsweise mit 25 Mikrometern entlang der x-Achse beabstandet. Der Abstand kann bei anderen Ausführungsformen variieren. Nach der Montage des Sensors 100 werden die Signale aller MRs 108 und 110 sowie des Gitters geprüft, und jene mit der niedrigsten Empfindlichkeit gegenüber I1 + I2 werden gewählt.
Eine andere Ausführungsform ist in 3 gezeigt, bei der zwischen den Leitern 102 und 104 eine kleine, allgemein willkürliche seitliche Asymmetrie eingeführt ist. Wie bei der Ausführungsform von 2 ist ein Gitter der MRs 108 und 110 und anderer, in 3 nicht sichtbarer, auf der oberen Oberfläche des Die 106 angeordnet, und jene mit der niedrigsten Empfindlichkeit gegenüber I1 + I2 sind ausgewählt. Bei einer Ausführungsform sind die Leiter 102 und 104 jeweils etwa 6 Millimeter mal etwa 1 Millimeter groß und sind bei Ausführungsformen relativ zueinander um weniger als etwa 1 mm in der x-Richtung, wie etwa um etwa 0,2 mm bei einer Ausführungsform, verschoben.
Wegen Montagetoleranzen wird zu Zwecken dieses Ausführungsbeispiels angenommen, dass der Die 106 um etwa 1,5 Grad um das Symmetriezentrum der Leiter 102 und 104 gekippt ist. Ebenfalls unter Bezugnahme auf 4 ist das Magnetfeld Bx für fünf verschiedene Szenarien dargestellt, für die alle I1 = I2 = 30 A und z = 0,5 mm. Für das Szenarium 1 ist der Die 206 um 100 µm (von der Mitte) zum Leiter 104 verschoben. Für das Szenarium 2 ist der Die 206 um 50 µm (von der Mitte) zum Leiter 104 verschoben. Für das Szenarium 3 befindet sich der Die 206 in der Mitte. Für das Szenarium 4 ist der Die 206 um 50 µm zum Leiter 102 verschoben. Für das Szenarium 5 ist der Die 206 um 100 µm zum Leiter 102 verschoben.
Beim Backend-Test kann nach dem Montieren des Die 106 zwischen den Leitern 102 und 104 die Spannungsdifferenz der MRs 108–108n und 110–110n, die in einem Gitter auf der oberen Oberfläche des Die 106 angeordnet sind, wie zuvor erwähnt, gemessen werden. Man beachte, dass sich die Gitter der MR 108–108n und MR 110–110n bei Ausführungsformen überlappen können oder nicht überlappen können. Wie in 4 gezeigt, überlappen sich die jeweiligen Gitter nicht. Die beiden MRs mit der niedrigsten Empfindlichkeit bezüglich (I1 + I2) können gewählt werden. 4 zeigt fünf Kurven 1–5 entsprechend den fünf verschiedenen Szenarien 1–5, wobei jede Kurve das Magnetfeld parallel zu der Die-Oberfläche über der x-Position darstellt. Für das Szenarium 1 zeigt 4, dass das Feld am MR 108n gleich dem Feld am MR 110n ist, so dass die Differenz null beträgt. Somit könnte der Sensor 100 beim End-of-line-Testen getrimmt werden, indem der MR 108n und der MR 110n gewählt werden. Für das Szenarium 5 in 4 ist das Feld am MR 108 das gleiche wie das am MR 110. Deshalb können diese beiden MRs während des Trimmprozesses gewählt werden. Dies ermöglicht es bei Ausführungsformen, den Sensor 100 derart zu trimmen, dass er nicht auf (I1 + I2) reagiert, sondern nur auf (I1 – I2). Eine etwaige Fehlanpassung der MRs wird durch diese Prozedur ebenfalls getrimmt.
Wieder unter Bezugnahme auf 3 kann das Konzept verallgemeinert werden. Die Leiter 102 und 104 sind von ähnlicher Gestalt und führen den gleichen Strom, so dass sich in der Mitte zwischen den beiden die jeweiligen Magnetfelder der Leiter 102 und 104 zu einem großen Ausmaß in dem Sinne aufheben, dass die Größe des Gesamtfeldes zum Beispiel um einen Faktor von 100 oder 1000 viel geringer ist als die Größe der durch einen einzelnen Leiter verursachten Felder. Die Leiter 102 und 104 sind derart ausgebildet, dass sie eine kleine Asymmetrie derart aufweisen, dass das durch identische Ströme in beiden Leitern 102 und 104 verursachte seitliche Magnetfeld an einer bestimmten Position x für alle Montagetoleranzen zwischen den Leitern 102 und 104 und dem Die 106 ein kleine Spitze aufweist. Bei allen Toleranzen liegt mindestens ein MR (108 oder 110) links von der Spitze und ein MR (110 oder 108) rechts von der Spitze, wobei das seitliche Magnetfeld an beiden MRs 108 und 110 identisch ist.
Die in 3 gezeigte Asymmetrie wird erhalten, indem der Leiter 104 bezüglich des Leiters 102 seitlich geringfügig verschoben wird. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Leiter 104 geringfügig breiter als der Leiter 102 ausgebildet werden, so dass die rechten Kanten von jedem wie in 4 bündig mit den linken Kanten positioniert sind. Bei noch einer weiteren Ausführungsform kann die Querschnittsfläche eines der Leiter 102 oder 104 derart verjüngt sein, dass sie auf der linken Seite (in der vertikalen Richtung bezüglich der Orientierung der Zeichnung auf der Seite) dicker ist als auf der rechten oder umgekehrt. Es können auch beide Leiter 102 und 104 verjüngt sein, und dennoch so positioniert sein, dass das dickere Ende von einem mit dem dünneren Ende des anderen bündig ist.
Auch andere Ausführungsformen sind möglich. Bei der Ausführungsform von 5 umfasst der Sensor 100 einen ersten und zweiten Leiter 102 und 104, die an einer Bodenseite einer gedruckten Leiterplatte (PCB – Printed Circuit Board) 114 montiert sind, um die Leiter 102 und 104 gegenüber dem Die 106 zu isolieren, der auf einer Oberseite der PCB 114 montiert ist. Bei Ausführungsformen kann die PCB 114 durch eine gewisse andere nichtleitende Struktur ersetzt werden, die beispielsweise Glas, Porzellan oder ein gewisses anderes geeignetes Material umfasst. Drei MRs 108, 110 und 112 sind an einer Oberseite des Die 106 montiert. Bei einer Ausführungsform sind die MRs 108 und 110 um 1,25 mm und die MRs 110 und 112 um 1,25 mm getrennt, so dass die MRs 108 und 112 um 2,5 mm getrennt sind, wenngleich diese Abmessungen bei Ausführungsformen variieren können. Wenn Ströme in den Leitern 102 und 104 in der Zeichenebene fließen, wie in 5 gezeigt, detektiert der MR 108 ein starkes Feld von dem Strom durch den Leiter 102 und ein schwaches Feld von dem Strom durch den Leiter 104, während der MR 112 stärker auf einen Strom durch den Leiter 104 reagiert als durch den Leiter 102. Der MR 110 reagiert gleichermaßen auf die Ströme in den Leitern 102 und 104, so dass das Feld am MR 110 proportional zu der Summe der Ströme in den Leitern 102 und 104 ist, wohingegen die Felder an den anderen MRs 108 und 112 weder proportional noch reine Summen noch reine Differenzen der Ströme sind, sondern vielmehr eine Kombination aus beiden.
Eine Herausforderung bei der Ausführungsform von 5 ist das Abwägen der Empfindlichkeit und Sättigung. Eine hohe Empfindlichkeit ist erwünscht, um kleine Magnetfelder zu messen, doch können Bemühungen zum Erhöhen der Empfindlichkeit, wie etwa das Reduzieren der vertikalen Distanz zwischen den Leitern 102 und 104 und den MRs 108, 110 und 112 und/oder der Querschnittsabmessungen der Leiter 102 und 104, die MRs derart in eine Sättigung schicken, dass größere Stromdifferenzen nicht länger detektiert werden können. Eine derartige Ausführungsform kann sich jedoch für verschiedene gewünschte Anwendungen eignen.
Eine weitere Ausführungsform ist in 6 gezeigt, bei der der Sensor 100 drei Leiter 102, 103 und 104 umfasst. Der mittlere Leiter 103 kann zum „Abstimmen“ des Sensors 100 verwendet werden, so dass Positionen ohne ein Magnetfeld erhalten werden, und die MRs 108 und 110 können dann derart angeordnet werden, dass sie kein Nettofeld sehen. Bei einer Ausführungsform sind die Leiter 102 und 104 jeweils etwa 1,2 mm mal etwa 1,2 mm groß und der Leiter 103 ist etwa 1,7 mm mal etwa 1,7 mm groß. Der Die 106 ist an einen Wafer 116 gekoppelt, der etwa 200 µm dick ist und Glas oder Porzellan oder ein gewisses anderes geeignetes Material bei Ausführungsformen umfasst und Durchvias 120 umfasst. Die Vias 120 sind bei Ausführungsformen mit einem Leiter wie etwa einer Nanopaste gefüllt. Bei einer Ausführungsform wird das Silizium des Die 106 auf etwa 30 µm herunter abgeschliffen und adhäsiv an seiner Oberseite an den Wafer 116 gebondet. Der oder die Dies 106 können dann geschnitten oder anderweitig zu Rechtecken ausgebildet werden, und die Unterseite(n) und Seitenwände mit einem Niedertemperaturdioxid oder Siliziumoxid (SiOx) beschichtet werden. Bei einer Ausführungsform ist das Dioxid etwa 15 µm dick. Die MRs 108 und 110 sind mit etwa x = 2 mm beabstandet und sind bei einer Ausführungsform um etwa z = 50 µm von der Oberseite der Leiter 102–104 getrennt. Die Leiter 102–104, der Die 106 und der Wafer 116 sind von einer Formmasse 118 bedeckt.
Bei einer Ausführungsform fließt Strom durch den mittleren Leiter 103 in die Zeichenebene (wie in 6 gezeigt) und durch die äußeren Leiter 102 und 104, von denen jeder etwa die Hälfte des Stroms führt, aus der Zeichenebene heraus (wieder wie in 6 gezeigt). Die MR-Sensoren 108 und 110 bilden eine Brücke und sind an Orten angeordnet, wo sich die Magnetfelder des Leiters 103 und eines der Leiter 102 und 104 bei gleichen Strömen aufheben.
Eine weitere Anpassung des Sensors 100 von 6 ist in 7 gezeigt, in der der Sensor 100 ein Dual-Die-Package umfasst. Ein MR 108 ist an einen oberen Die 106a gekoppelt, und ein anderer MR 110 ist an einen unteren Die 106b gekoppelt, wobei sich die MRs 108 und 110 bei einer Ausführungsform auf einer gemeinsamen Achse befinden. Die Leiter 102 und 104 sind bei einer Ausführungsform ähnlich dem Leiter 103 und sind etwa 1,7 mm mal etwa 1,7 mm groß. Eine derartige Ausführungsform kann Vorteile bezüglich des Erhaltens von Informationen über (I1 + I2) bereitstellen und die Aufhebung des Hintergrunds von Feldern verbessern. Bei einer Ausführungsform des Sensors 100 von 7 können die Wafer 116 entfallen.
Wegen Montagetoleranzen und anderer Faktoren kann es schwierig sein, die MRs 108 und 110 auf der in 7 durch eine gestrichelte vertikale Linie dargestellten gemeinsamen Achse anzuordnen. Deshalb kann eine andere, potentiell robustere Ausführungsform des Sensors 100, die in 8 gezeigt ist, diese Herausforderung angehen, indem zusätzliche MRs 109 und 111 aufgenommen werden. Bei einer Ausführungsform sind die Leiter 102 und 104 jeweils etwa 0,9 mm mal etwa 1,7 mm groß, und der Leiter 103 ist etwa 1,7 mm mal etwa 1,7 mm groß. Die Leiter 102–104 werden bei einer Ausführungsform in Glas 122 gegossen und Kontakte 124 koppeln die PCBs 114a und 114b. Die MRs 108–111 sind um z = etwa 250 µm bei Ausführungsformen von den Leitern 102–104 getrennt.
Im Betrieb fließt Strom I1 durch den Leiter 103, während der Strom I2 in zwei Hälften aufgeteilt wird, die jeweils in der entgegengesetzten Richtung von Strom I1 durch einen der Leiter 102 und 104 fließen. Die Signale der MRs 108 und 109 werden addiert wie jene der MRs 110 und 111, wobei letztere dann von den ersteren subtrahiert werden. Weil die MRs 108 und 110 starke I1-Felder erfahren, während die MRs 109 und 111 starke I2-Felder der entgegengesetzten Polarität von I1 erfahren, werden seitliche Positionierungsverschiebungen der MRs 108–111 kompensiert. Das Gießen von Leitern 102–104 in Glas hilft Abmessungsänderungen über ihre Lebensdauer aufgrund von Feuchtigkeit und anderen Faktoren zu vermeiden.
Ein potentieller Mangel der Ausführungsform von 8 sind jedoch die Kosten einer Dual-Die-Lösung. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann auch die Temperatur ein Problem sein. Um eine Temperaturkompensation bereitzustellen, können orthogonale MRs hinzugefügt werden, wovon eine Ausführungsform in 9 gezeigt ist. 9 zeigt zwei MRs 108 und 110, jeweils mit einem orthogonalen MR 108’ und 110’, die Halbbrücken bilden. Ausführungsformen, die zusätzliche MRs umfassen, sowie Gitter aus MRs wie hierin erörtert, können analog zusätzliche orthogonale MRs umfassen. Im Betrieb und mit den wie in 9 gezeigten Barberpolen sind die MRs 108 und 110 gegenüber schwachen Feldern in der x-Richtung empfindlich, während die MRs 108’ und 110’ gegenüber schwachen Feldern in der -x-Richtung empfindlich sind. Die engen Anordnungen der MRs 108 und 108’ und 110 und 110’ stellen sicher, dass jede das gleiche Magnetfeld und die gleiche Temperatur sieht. Die Signale jeder Halbbrücke U1 und U2 sind deshalb temperaturkompensiert.
Eine weitere Ausführungsform eines Sensors 100 ist in 10 gezeigt. Bei dieser Ausführungsform umfasst der Sensor 100 einen einzelnen Die 106, wobei drei MRs 108, 109 und 100 auf einer oberen Oberfläche davon montiert sind. Wenngleich die Abmessungen bei Ausführungsformen variieren können, kann der Die 106 bei einer Ausführungsform etwa 4 mm mal etwa 1,75 mm groß sein mit einer Dicke von etwa 200 µm, und die MRs 108 und 110 sind um x = etwa 4 mm beabstandet. Vier Leiter 102, 103, 104 und 105 sind in Glas 122 gegossen, ähnlich der Ausführungsform von 8, wobei eine obere Oberfläche der Leiter 102–105 bei einer Ausführungsform um z = etwa 250 µm von den MRs 108–110 beabstandet ist. Wie in 10B gezeigt, umfassen die Leiter 102–105 Leiterabschnitte, wobei Leiter 102 und 105 zusammen mit einem Verbindungsabschnitt 101 ein erstes, allgemein U-förmiges Leiterelement bilden und die Leiter 103 und 104 zusammen mit einem Verbindungsabschnitt 107 ein zweites, allgemein U-förmiges Leiterelement bilden. Ein Querschnitt jedes der Leiter 102–105, wie in 10A gezeigt, ist bei einer Ausführungsform etwa 1,7 mm mal etwa 1,7 mm groß. In 10B beträgt die Länge der Leiter 102 und 105 y = etwa 10 mm bei einer Breite von x = etwa 8,3 mm des Verbindungsabschnitts 101. Eine Trenndistanz zwischen benachbarten einzelnen der Leiter 102–15 beträgt in der dargestellten Ausführungsform etwa 0,5 mm.
Zu Vorteilen der Ausführungsform von 10 zählen ein einzelner Die, der preiswerter ist und eine leichtere Montage mit sich bringt, weil er keine Pins zur Kommunikation mit einem zweiten Die erfordert. Ein einzelner Die liefert auch weniger Möglichkeiten für eine Fehlanpassung der MR-Sensorelemente sowie verbesserte Temperaturhomogenität. Die MRs von 10 können bei Ausführungsformen orthogonale MRs, wie in 9 und oben erörtert, umfassen.
Das in 11 gezeigte Sensorsystem 100 ist ähnlich dem von 10, umfasst aber zum Messen der Summe der Ströme I1 + I2 zusätzlich zu den MRs ein System mit drei Hall-Elementen 128, 129 und 130. Zu Vorteilen der Ausführungsform von 11 zählen größere Robustheit gegenüber Störungen und eine verbesserte Manipulationssicherheit.
Andererseits sollten die Hall-Elemente 128–130 näher an den Leitern 102–105 positioniert sein. Deshalb umfasst eine nicht gezeigte andere Ausführungsform die Hall-Elemente 128–130 an einer Bodenseite des Die 106 und MRs auf einer Oberseite des Die 106. Der Die 106 kann bei einer derartigen Ausführungsform etwa 200 µm dick sein.
Alternativ können AMRs 108 und 110 so implementiert werden, dass sie I1 + x·I2 (x << 1) messen, wie in der Ausführungsform von 12 gezeigt. Die AMRs 108 und 100 können auf einer oberen Oberfläche des Die 106 positioniert werden, der bei einer Ausführungsform etwa 200 µm dick sein kann, so dass eine Trennungsdistanz zwischen den AMRs 108 und 110 und den oberen Oberflächen der Leiter 102–15 z = etwa 250 µm beträgt. Ein derartiges System ist allgemein robust gegenüber Hintergrundfeldern, wenngleich nicht so robust wie etwa die Dreifach-Hall-Ausführungsform von 11. Der kleine Dämpfungseffekt x ist auf die Distanz zwischen den Leitern 102 und 105, durch die der Strom I2 fließt, und den AMRs 108 und 110 zurückzuführen.
Bei der Ausführungsform von 13 ist ein Rückpfad für I2 entfallen, so dass nur drei Leiter 102–104 implementiert sind. Die Leiter 102–104 können jedoch breiter ausgeführt werden, wie etwa x = etwa 3,5 mm für jeden der Leiter 103 und 104 und x = etwa 6 mm für den Leiter 102 und eine um 50% reduzierte Ableitung. Eine Trenndistanz zwischen den Leitern 103 und 104 beträgt bei einer Ausführungsform immer noch x = etwa 0,5 mm und eine Länge des Leiters 102 beträgt bei einer Ausführungsform y = etwa 10 mm.
Noch eine weitere Ausführungsform ist in 14 gezeigt, bei der das Sensorsystem 100 einen Mehrhöhenleiter 132 umfasst, der den oben unter Bezugnahme auf 1–4 erörterten Ausführungsformen zumindest etwas ähnlich ist. Der Leiter 132 (14C) umfasst bei einer Ausführungsform eine erste Schicht 134 (14A) und eine zweite Schicht 136 (14B). Bei einer Ausführungsform sind Isolationsschichten 138 zwischen dem Die 106 und der Leiterhöhe 136 und zwischen der Leiterhöhe 136 und der Leiterhöhe 134 positioniert.
Verschiedene Ausführungsformen von Strom- und Stromdifferenz-Erfassungs- und -Bestimmungssystemen sind offenbart. Ausführungsformen können vorteilhaft sein, indem sie Einzelsensorsysteme bereitstellen, die einen Stromfluss (I1 + I2) und Leckströme (I1 – I2) messen können und dabei auch von geringer Größe, robust gegenüber Störungen und preiswert sind im Vergleich zu herkömmlichen Differenzstromsensorsystemen. Ausführungsformen können auch mit einem isolierten Spannungssensor kombiniert werden, um eine Messung bei voller Leistung zu erhalten.
Verschiedene Ausführungsformen von Systemen, Einrichtungen und Verfahren wurden hierin beschrieben. Diese Ausführungsformen sind nur beispielhaft angegeben und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht beschränken. Es versteht sich zudem, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsformen, die beschrieben worden sind, auf unterschiedliche Weisen kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsformen herzustellen. Wenngleich verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Konfigurationen und Orte usw. zur Verwendung mit offenbarten Ausführungsformen beschrieben worden sind, können darüber hinaus andere neben jenen offenbarten genutzt werden, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu übersteigen.
Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass die Erfindung weniger Merkmale umfassen kann, als in einer beliebigen, oben beschriebenen individuellen Ausführungsform dargestellt. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen sollen keine erschöpfende Darstellung der Wege sein, wie die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsformen nicht einander ausschließende Kombinationen von Merkmalen; vielmehr kann die Erfindung eine Kombination aus verschiedenen individuellen Merkmalen umfassen, die unter verschiedenen individuellen Ausführungsformen gewählt sind, wie der Durchschnittsfachmann versteht.
Eine etwaige Aufnahme durch Bezugnahme auf Dokumente oben ist derart begrenzt, dass kein Gegenstand aufgenommen ist, der der expliziten Offenbarung hierin zuwider läuft. Eine etwaige Aufnahme durch Bezugnahme auf Dokumente oben ist weiter derart begrenzt, dass hierin keine in den Dokumenten enthaltenen Ansprüche durch Bezugnahme aufgenommen sind. Eine etwaige Aufnahme durch Bezugnahme auf Dokumente oben ist noch weiter derart begrenzt, dass etwaige, in den Dokumenten gelieferte Definitionen durch Bezugnahme hierin nicht aufgenommen sind, solange sie hierin nicht ausdrücklich enthalten sind.

Claims

Stromdifferenzsensor, der Folgendes umfasst: einen ersten und zweiten Leiter, die relativ zueinander derart angeordnet sind, dass, wenn ein erster Strom durch den ersten Leiter fließt und ein zweiter Strom gleich dem ersten Strom durch den zweiten Leiter fließt, ein von dem ersten Strom verursachtes erstes Magnetfeld und ein von dem zweiten Strom verursachtes zweites Magnetfeld einander in einer ersten Position und einer zweiten Position aufheben; und ein erstes und zweites Magnetfelderfassungselement, die ausgelegt sind zum Detektieren des ersten und zweiten Magnetfeldes.
Sensor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend eine Schaltungsanordnung, die an das erste und zweite Magnetfelderfassungselement gekoppelt ist, um eine Differenz zwischen dem ersten und zweiten Magnetfeld zu bestimmen.
Sensor nach Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend einen Die, wobei das erste und zweite Magnetfelderfassungselement auf einer ersten Oberfläche des Die angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 3, wobei der Die zwischen dem ersten und zweiten Leiter angeordnet ist.
Sensor nach Anspruch 4, wobei der erste Leiter in einer ersten Ebene angeordnet ist, der zweite Leiter in einer zweiten Ebene angeordnet ist und der Die in einer dritten Ebene angeordnet ist, wobei die erste und zweite Ebene im Wesentlichen parallel verlaufen.
Sensor nach Anspruch 5, wobei die dritte Ebene im Wesentlichen parallel zu der ersten und zweiten Ebene verläuft.
Sensor nach Anspruch 6, wobei die erste Oberfläche des Die zwischen dem ersten und zweiten Leiter im Wesentlichen äquidistant beabstandet ist.
Sensor nach Anspruch 7, wobei der erste und zweite Leiter zueinander seitlich asymmetrisch angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 8, wobei der erste und zweite Leiter um weniger als etwa 1 Millimeter seitlich asymmetrisch angeordnet sind.
Sensor nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine seitliche Abmessung jedes Leiters um weniger als 1 Millimeter differiert.
Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 10, weiterhin umfassend mindestens ein zusätzliches, auf der ersten Oberfläche des Die angeordnetes Magnetfelderfassungselement.
Sensor nach Anspruch 11, weiterhin umfassend eine Mehrzahl von Magnetfelderfassungselementen, wobei das erste und zweite Magnetfelderfassungselement zwei der Mehrzahl sind.
Sensor nach Anspruch 12, wobei das erste und zweite Magnetfelderfassungselement ausgewählt sind aus der Mehrzahl von Magnetfelderfassungselementen, um eine niedrige Empfindlichkeit gegenüber einer Summe aus dem ersten Strom und dem zweiten Strom und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber einer Differenz zwischen dem ersten Strom und dem zweiten Strom zu haben.
Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, weiterhin umfassend eine Schaltungsanordnung, die an das erste und zweite Magnetfelderfassungselement gekoppelt und konfiguriert ist zum Berechnen einer Summe und einer Differenz aus dem ersten und zweiten Strom auf der Basis von erfassten Informationen von den Magnetfelderfassungselementen.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Induzieren eines ersten Stroms, um in einem ersten Leiter zu fließen; Induzieren eines zweiten Stroms, um in einem zweiten Leiter zu fließen; Anordnen des ersten und zweiten Leiters derart, dass mindestens eine Komponente eines von dem ersten und zweiten Strom verursachten Gesamtmagnetfelds an mindestens zwei Orten ungefähr null beträgt, wenn der erste und zweite Strom ungefähr gleich sind; Positionieren von Magnetfeldsensoren an den mindestens zwei Orten; und Bestimmen einer Differenz zwischen dem ersten und zweiten Strom auf der Basis von erfassten Magnetfeldern.
Verfahren nach Anspruch 15, weiterhin umfassend das Bestimmen einer Summe aus dem ersten und zweiten Strom.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, weiterhin umfassend das Anordnen des ersten Leiters in einer ersten Ebene und des zweiten Leiters in einer im Wesentlichen parallel zu der ersten Ebene verlaufenden zweiten Ebene.
Verfahren nach Anspruch 17, weiterhin umfassend das Anordnen eines Silizium-Dies zwischen dem ersten und zweiten Leiter.
Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin umfassend das Anordnen einer Mehrzahl von Magnetfeldsensoren auf einer oberen Oberfläche des Silizium-Dies, wobei die obere Oberfläche im Wesentlichen in der Mitte zwischen dem ersten und zweiten Leiter positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei das Anordnen weiterhin das seitlich asymmetrische Anordnen des ersten Leiters relativ zu dem zweiten Leiter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 20, weiterhin umfassend das Trimmen durch Auswählen, aus der Mehrzahl, des ersten und zweiten Magnetfeldsensors mit der kleinsten Empfindlichkeit gegenüber einer Summe des ersten Stroms und des zweiten Stroms.
Verfahren, das Folgendes umfasst: Anordnen eines ersten Leiters, der von einem zweiten Leiter beabstandet ist und im Wesentlichen parallel zu diesem verläuft; Anordnen eines Die bei dem ersten und zweiten Leiter; und Anordnen einer Mehrzahl von Magnetfelderfassungselementen auf einer ersten Oberfläche des Die, um von dem ersten und zweiten Strom in dem ersten bzw. zweiten Leiter verursachte Magnetfelder zu detektieren und eine Differenz zwischen dem ersten und zweiten Strom auf der Basis der Magnetfelder zu bestimmen.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei das Anordnen des ersten Leiters weiterhin das seitlich asymmetrische Positionieren des ersten Leiters bezüglich des zweiten Leiters umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, wobei das Anordnen eines Die weiterhin das Anordnen des Die im Wesentlichen parallel zu dem ersten und zweiten Leiter umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, weiterhin umfassend das Induzieren eines Stroms, um in mindestens einem des ersten und zweiten Leiters zu fließen.