DE4221385A1 - Verkapseltes Bauelement zur potentialfreien Strommessung - Google Patents

Description

Der Gegenstand der Erfindung, ein verkapseltes Bauelement, dient der potentialfreien Messung von Gleich- und Wechselströmen. Eine solche potentialfreie Messung innerhalb eines weiten Frequenzbereiches ist beispielweise in Schalt­ netzteilen und in Motorsteuerungen notwendig.

Bauelemente dieser Art sind bekannt. So wird in der OS-DE 38 28 005 ein Beispiel dafür beschrie­ ben. Bei diesem Bauelement ist einen leitfähigen Chipträger, der mit zwei Pins des Bauelementes verbunden ist, ein magnetoresistiver Sensor isoliert angeordnet. Fließt Strom durch den Chipträger wird der Magnetfeldsensor entsprechend dem zum Strom proportionalen Magnetfeld ange­ steuert und damit ist sein Ausgangssignal ein Maß für den jeweils fließenden Strom. Damit ver­ bunden ist die Tatsache, daß das auf den Sensor wirkende Magnetfeld stark von der Lage des Sensorchips gegenüber dem Stromleiter abhängig ist. Übliche Montagetoleranzen für den Abstand und die Chiplage in der Ebene über dem Chip­ träger führen so zu erheblichen Unterschieden in der Empfindlichkeit des Bauelementes. Deshalb muß jedes Bauelement speziell ausgemessen werden und erhält einen speziellen Meßfaktor. Die da­ durch nicht vorhandene Austauschbarkeit der Bauelemente ist ein wesentlicher Nachteil. Ein weiterer Nachteil des bekannten Bauelementes ergibt sich aus dem begrenzten Meßbereich der magnetoresistiven Sensoren. Da andererseits das durch den Meßstrom erzeugte Magnetfeld mög­ lichst groß gegenüber allen Störmagnetfeldern sein muß, was durch Anpassung der Breite des leitfähigen Chipträgers an den jeweils maximalen Meßstrom realisiert wird, ergibt sich, daß Strom­ sensoren für relativ eng gestaffelte Meßbereiche zur Verfügung gestellt werden müssen, die sich bezüglich ihres Chipträgers unterscheiden.

Damit ist eine kostengünstige Fertigung großer Serien nicht möglich. Ein weiterer Nachteil dieser bekannten Stromsensorbauelemente mit magnetoresis­ tiven Sensorelement ist auf den Dauermagneten zurückzuführen, der für das Sensorelement das zur Stabilisierung der Magnetisierung notwendige Magnetfeld erzeugt. Die im Einsatzfall in den Schaltungen auftretenden Kurzschlußströme, die auch durch den Chipträger fließen, rufen in dessen Nähe Magnetfelder hervor, die zur Ummag­ netisierung des Dauermagneten durchaus ausreichend sein können. Solche Ummagnetisierungen verän­ dern die Bauelementeparameter dauerhaft und machen so die Bauelemente unbrauchbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung von Bauelementen zur potentialfreien Strommessung mit einem Magnetfeldsensor auf einem leitfähigen Chipträger durch den der zu messende Strom fließt anzugeben, die reprodu­ zierbare, stabile Parameter aufweisen und die in großen Serien und damit kostengünstig her­ stellbar sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den in den Ansprüchen formulierten Merkmalen gelöst.

Der Chipträger ist hierbei in mehrere parallele Stromzweige aufgeteilt. Auf einem davon befindet sich innerhalb der Verkapselung der Magnetfeld­ sensor und ist so vor äußeren Einflüssen ge­ schützt. Die übrigen parallelen Leiterstreifen befinden sich teilweise außerhalb der Verkap­ selung. Damit können sie auch nach der Herstel­ lung des Bauelementes in ihrer Breite durch nach­ trägliche Bearbeitung verringert werden. Dabei ist unter breitenverändernder Bearbeitung aus­ drücklich auch ihre völlige Durchtrennung zu verstehen. Durch diese Breitenänderung ändert sich der Widerstand des jeweils bearbeiteten Leiterstreifens und damit ändert sich die Strom­ verteilung zwischen den parallelen Leiterstrei­ fen und so kann die Stromdichte in den Leiter­ streifen, der den Feldsensor trägt, auf den Wert gebracht werden, der für den angestrebten Meß­ faktor erforderlich ist. Bei völliger Durch­ trennung eines Leiterstreifens wird es so auch möglich einen anderen Meßbereich, das heißt einen anderen Meßfaktor einzustellen. Da für mehrere Meßbereiche immer Chipträger mit der gleichen Struktur verwendet werden können ist damit deren Herstellung in großen Stückzahlen möglich.

Es ist vorteilhaft, als Magnetfeldsensoren mag­ netoresistive Sensoren zu verwenden, bei denen auf dem Chip eine Dünnschichtkompensationslei­ tung integriert ist. Ein Strom durch diese Leitung hebt beim Meßvorgang am Ort des Sensors das Magnetfeld des Meßstromes auf. Durch diese Maß­ nahme wird der Linearitätsbereich des magneto­ resistiven Sensors erheblich vergrößert und damit vergrößert sich auch der Umfang des je­ weiligen Meßbereiches des Bauelementes. Weitere Vorteile werden dadurch erreicht, daß auf der dem Sensor abgewandten Seite des Leiterstrei­ fens, der den Sensor trägt, eine Weichmagnetische Schicht angeordnet ist. Dadurch fällt auf dieser Seite keine magnetische Spannung ab und das auf den Sensor wirkende Feld pro Stromeinheit wird etwa auf das Doppelte erhöht. So gelingt es schon bei geringerem Strom, den Pegel des Stör­ magnetfeldes zu übersteigen. Da zur stabilen Festlegung der Magnetisierungsrichtung des mag­ netoresistiven Sensors ein Dauermagnet notwen­ dig ist, wird dieser vorteilhafterweise zwischen den Leiterstreifen angeordnet. Die günstigste Position ist bei symmetrischer Leiterstreifen­ anordnung in der Mitte. Zwischen den Leiterstrei­ fen gibt es nur vernachlässigbare Feldkompo­ nenten in der Leiterstreifenebene. Die dazu senkrechte Komponente hebt sich bei symmetri­ scher Anordnung vollständig und bei unsymmetri­ scher Anordnung teilweise auf. Damit wird ver­ hindert, daß beim Sensorbetrieb kurzzeitig auf­ tretende Kurzschlußströme, die die Meßbereichs grenze um ein Vielfaches übersteigen, den Dauer­ magneten ummagnetisieren.

Die Erfindung wird nachstehen an einem Aus­ führungsbeispiel näher erläutert. Die dazu ge­ hörende Zeichnung zeigt in Fig. : 1 die Draufsicht auf ein unverkapseltes Bauelement. Die Umrisse der späteren Verkapselung 5 sind gestrichelt an­ gedeutet. Ein leitfähiger Chipträger 3 besitzt zwei Stromeingangspins 1 und zwei Stromausgangs­ pins 2. Im mittleren Teil ist der Chipträger 3 so strukturiert, daß ein erster Leiterstreifen 8, der den Magnetfeldsensor 4 trägt und sich inner­ halb der späteren Verkapselung 5 befindet, ein zweiter Leiterstreifen 9, der sich teilweise außerhalb der Verkapselung 5 befindet, sowie ein dritter Leiterstreifen 11, der völlig außer­ halb der Verkapselung 5 angeordnet ist, vorhan­ den sind. Für den Anschluß der Sensorbrücke und des Kompensationsleiters sind sechs Anschluß­ pins 12 vorgesehen. Der Magnetfeldsensor 4 detektiert das Magnetfeld des Stromes, der durch den ersten Leiterstreifen 8 des leitfähigen Chipträgers 3 fließt. Die Messung erfolgt so, daß das durch den Strom des Leiterstreifens 8 erzeugte Magnetfeld durch einen Strom in der Kompensationsleitung des Sensorchips 4 gerade aufgehoben wird. Die Sensorbrücke dient dabei als Nullindikator. Das Ausgangssignal ist der Kompensationsstrom, der dem zu messenden Strom proportional ist. Der im Chipträger 3 fließende Strom teilt sich auf die drei parallelen Leiter­ streifen 8; 9 und 11 auf. Ist die Steilheit des Bauelementes, das heißt der pro Meßstrom­ einheit auftretende Kompensationsstrom zunächst zu gering, kann der Strom im ersten Leiterstrei­ fen 8 dadurch erhöht werden, daß im Bereich zur breitenverändernden Bearbeitung 6 des dritten Leiterstreifens 11 die Breite durch mechanische oder Laserbearbeitung verringert wird. Beim Bearbeitungsvorgang wird die Steilheit gemessen.

So sind alle Bauelemente mit geringen Toleranzen auf den gleichen Wert der Steilheit einstellbar. Soll der Stromsensor eine genau um den Faktor zwei höhere Steilheit aufweisen, so wird nach der Fertigstellung des Bauelementes zunächst der zweite Leiterstreifen 9 im, zur Durchtren­ nung vorgesehenen Bereich 10 durchtrennt.

Danach erfolgt der Feinabgleich der Steilheit wie oben beschrieben. Zwischen dem ersten Leiter­ streifen 8 und dem zweiten Leiterstreifen 9 ist ein Dauermagnet 7 so angeordnet, daß das von ihm erzeugte Magnetfeld am Ort des magnetore­ sistiven Sensors eine Stärke von 3 KA/m hat.

Der Dauermagnet 7 zeigt dabei mit seiner Rich­ tung in Längsrichtung der Widerstandsstreifen des Sensors 4. Das am Ort des Dauermagneten 7 durch den zu messenden Strom verursachte Mag­ netfeld hat nur einen geringen Wert. Da der Dauermagnet 7 sich in einer Ebene mit dem leit­ fähigen Chipträger 3 befindet, können Feldkom­ ponenten in dieser Ebene nur vernachlässigbar klein sein. Die Feldkomponenten senkrecht zu dieser Ebene, die von den Strömen in den paral­ lelen Leiterstreifen 8; 9 und 11 herrühren, können bei hohem Strom, wie er beispielsweise bei Kurzschlüssen auftreten kann, im Einzelnen sehr hohe Werte erreichen. Da jedoch die Rich­ tungen der senkrechten Feldkomponenten, die vom Leiterstreifen 8 erzeugt wird und die von den Leiterstreifen 9 und 11 erzeugt werden, entgegen­ stehen, heben sie sich im wesentlichen auf.

Eine Ummagnetisierung des Dauermagneten 7 ist somit auch im Kurzschlußfall ausgeschlossen.

Claims (6)

1. Verkapseltes Bauelement zur potentialfreien Strommessung mit einem leitfähigen stromdurch­ flossenen Chipträger und einem darüber befind­ lichen Magnetfeldsensor, gekennzeichnet dadurch, daß der Stromweg zwischen mindestens einem Strom­ eingangspin (1) und mindestens einem Stromaus­ gangspin (2) in mindestens zwei Leiterstreifen verzweigt ist, wobei sich nur auf einem Leiter­ streifen (8) isoliert ein Magnetfeldsensor (4) befindet und daß sich mindestens einer der übri­ gen Leiterstreifen (9; 11) mindestens teilweise außerhalb der Verkapselung (5) befindet und an ihm ein Bereich (6) zur breitenverändernden Bearbeitung vorgesehen ist, und daß vorzugsweise das Bauelement in seiner Verkapselung einen Dauer­ magneten (7) enthält, der zwischen den Leiter­ streifen (8; 9; 11) so angeordnet ist, daß links und rechts von ihm etwa der gleiche Anteil des zu messenden Stromes fließt und dessen Mag­ netfeld gerichtet auf den Magnetfeldsensor ein­ wirkt.

2. Verkapseltes Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Magnetfeldsensor (4) ein Sensor nach dem Prinzip des anisotropen magnetoreistiven Effektes ist.

3. Verkapseltes Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach Anspruch 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Sensor (4) auf der Chipfläche integriert eine Dünnschichtkompensationsleitung enthält, die beim Meßvorgang von einem Strom durchflossen wird, dessen Magnetfeld das des zu messenden Stromes am Ort des Sensors (4) aufhebt.

4. Verkapseltes Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der leitfähige Chipträger (3) aus gleichmäßig dickem, ebenen, gut leitfähigem Material besteht und drei parallele Leiterstrei­ fen aufweist, der erste Leiterstreifen (8) sich in der Verkapselung (5) befindet und auf ihm der Magnetfeldsensor (4) angeordnet ist, der zweite Leiterstreifen (9) mit einer Breite, die etwa gleich der des ersten Leiterstreifens (8) ist, sich mindestens teilweise außerhalb der Verkap­ selung (5) befindet und hier einen Bereich (10) enthält, in dem seine Durchtrennung vorgesehen ist, und der dritte Leiterstreifen (11) mit einer Breite, die wesentlich geringer ist als die des ersten Leiterstreifens (8), sich außerhalb der Verkapselung (5) befindet und an ihm ein Bereich (6) zur breitenverändernden Bearbeitung vorge­ sehen ist.

5. Verkapseltes Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß auf der dem Sensor (4) abgewandten Seite des leitfähigen Chipträgers (3) mindestens im Bereich des Leiterstreifens (8), der den Sensor (4) trägt, eine weichmagnetische Schicht vorhanden ist.

6. Verkapseltes Bauelement zur potentialfreien Strommessung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Dauermagnet (7) sich im Bereich zwischen dem ersten Leiterstreifen (8) und dem zweiten Leiterstreifen (9) befindet.