DE4221385A1 - Verkapseltes Bauelement zur potentialfreien Strommessung - Google Patents
Verkapseltes Bauelement zur potentialfreien StrommessungInfo
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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.
Priority Applications (1)
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DE4221385C2 DE4221385C2 (de) | 2000-05-11 |
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ID=6462116
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