專利名稱：磁場傳感器以及其電流傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于測量磁感應(yīng)(磁通量密度)的磁場傳感器。本發(fā)明還涉及一種用于通過感測由導(dǎo)體生成的磁場來測量導(dǎo)體中流動(dòng)的電流的電流傳感器。
背景技術(shù)：
許多常規(guī)電流傳感器具有磁路，該磁路包括磁性材料芯，該磁芯被提供了空氣隙，在該空氣隙中放置了磁場傳感器，例如霍耳效應(yīng)傳感器。待測電流在其中流動(dòng)的導(dǎo)體，通常稱為“初級導(dǎo)體”，經(jīng)過磁路一次或幾次。通常在測量相對大的電流的應(yīng)用中，或者由于諸如需要電流隔離或待測電流中存在DC分量這樣的原因而無法使用諸如電流旁路或變壓器這樣的簡單設(shè)備的應(yīng)用中，可找到這種傳感器。
上述類型的電流傳感器通?？杀环诸惓扇M閉環(huán)傳感器、開環(huán)傳感器以及將變壓器效應(yīng)用于高頻的修改后的開環(huán)傳感器群組。
閉環(huán)傳感器依賴于由初級導(dǎo)體所生成的電流交鏈的補(bǔ)償原理，通過次級線圈待測電流流經(jīng)該初級導(dǎo)體，該次級線圈是由放置在磁路空氣隙中的磁場傳感器所控制的電路驅(qū)動(dòng)的。因此，磁路的空氣隙中的磁感應(yīng)被調(diào)整成盡可能小，以便獲得可忽略的測量誤差。
開環(huán)傳感器依賴于圍繞初級導(dǎo)體的磁路的空氣隙中的磁感應(yīng)的測量。只要磁路的導(dǎo)磁率遠(yuǎn)高于空氣或填充在空氣隙中的具有與空氣接近的導(dǎo)磁率(約等于1)的其他材料的導(dǎo)磁率，空氣隙中的磁感應(yīng)就正比于待測電流。在具有變壓器效應(yīng)的修改后的開環(huán)傳感器中，低頻電流是以與上述開環(huán)傳感器相同的方式來測量的，而高頻電流是通過連接到電流測量旁路的次級繞組來測量的。初級電流的高頻分量通過變壓器效應(yīng)被傳送到次級繞組，從而旁路的信號(hào)被電添加到測量感應(yīng)空氣隙的設(shè)備的信號(hào)。這使得開環(huán)傳感器的有用頻率范圍能夠被擴(kuò)展，這是因?yàn)橛捎诖判局械臏u流效應(yīng)和普通磁場傳感器的有限帶寬，未修改的開環(huán)傳感器通常無法跟隨急劇上升的高頻電流。
與閉環(huán)傳感器相比，開環(huán)電流傳感器一般不那么復(fù)雜，并且成本不那么高，但是它們有不那么線性和穩(wěn)定的缺點(diǎn)，從而具有更高的測量誤差。
磁場傳感器，例如霍耳效應(yīng)傳感器，顯現(xiàn)了相對于溫度的高偏置量和增益漂移，具有對機(jī)械應(yīng)力敏感的另外缺點(diǎn)。
例如，由于傳感器安放于其上的元件的相對熱膨脹，這種問題限制了霍耳效應(yīng)在具有相對較高的溫度或遭受機(jī)械應(yīng)力的應(yīng)用中使用。例如，這種問題發(fā)生在集成功率模塊(IPM，Integrated Power Module)中，這種集成功率模塊具有安放在陶瓷襯底上的半導(dǎo)體功率芯片，通常稱為“DCB”(Direct Copper Bonding，直接銅粘合)技術(shù)。在IPM操作時(shí)，120℃范圍中的溫度是常見的，這種溫度對于沒有偏置漂移的霍耳單元的穩(wěn)定和線性操作是有問題的。
其他已知的磁場傳感器，例如磁通閘門傳感器(fluxgate sensor)或磁致阻抗傳感器，與霍爾傳感器相比更加穩(wěn)定，并且具有較低的偏置和增量漂移。但是它們受其磁感應(yīng)測量范圍所限，此范圍在幾毫特斯拉(mT)量級，而在開環(huán)傳感器的空氣隙中，大于100mT的感應(yīng)級別是常見的。
除了與電流測量相關(guān)的應(yīng)用以外，還有許多需要在不利溫度和/或機(jī)械應(yīng)力情況中測量磁感應(yīng)的應(yīng)用。
發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述缺點(diǎn)，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種電流傳感器，其在大操作范圍上具有高度線性和穩(wěn)定性，并且遭受低偏置和增益漂移。另外還有利的是，這種傳感器成本效率較高，并且緊湊。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種磁場傳感器，其具有低偏置和增益漂移，并且能夠測量大磁感應(yīng)級別。另外還有利的是，提供一種魯棒的并且能夠在大溫度范圍上精確操作的磁場傳感器。
通過提供根據(jù)權(quán)利要求1的一種磁場傳感器和根據(jù)權(quán)利要求8的一種電流傳感器，實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。
本發(fā)明的目的和有利特征將從以下說明、權(quán)利要求和附圖中顯現(xiàn)出來，附圖中圖1是透視根據(jù)本發(fā)明的磁場傳感器的第一實(shí)施例的分解圖；圖2a是透視根據(jù)本發(fā)明的磁場傳感器的傳感單元的部分截面圖；圖2b是透視圖2a所示的傳感單元的下側(cè)的視圖；圖3a、3b和3c是透視根據(jù)本發(fā)明的傳感單元的軟磁芯的變體的視圖；圖4是透視根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的實(shí)施例的視圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的電流傳感器的磁路的實(shí)施例的平面圖，其中磁場屏蔽被放置在磁路的空氣隙中，并且顯示了磁能量線B；圖6是圖5的實(shí)施例的磁場屏蔽的詳細(xì)截面圖；圖7是透視根據(jù)本發(fā)明的封裝的電流傳感器的實(shí)施例的視圖；圖8是透視根據(jù)本發(fā)明的磁場傳感器的第二實(shí)施例的分解圖；圖9是透視根據(jù)本發(fā)明的磁場傳感器的第三實(shí)施例的分解圖；圖10是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的磁場傳感器的部分截面圖；圖11是圖10的磁場傳感器的箭頭X方向上的視圖，其中磁場屏蔽的上半部被去除；以及圖12是透視根據(jù)本發(fā)明的封裝的電流傳感器的分解圖。
具體實(shí)施例方式
參見附圖，用于測量初級導(dǎo)體1中的初級電流Ip的電流傳感器2，包括一個(gè)磁路3和一個(gè)磁場傳感器4、104、204、304、404。磁路3包括一個(gè)導(dǎo)磁材料的磁芯5，并且在端面27a、27b之間被提供了一個(gè)空氣隙6，其中放置了磁場傳感器。磁芯5一般被示為環(huán)形部件，其帶有一個(gè)中央開口7，初級導(dǎo)體1經(jīng)過該開口延伸。但是，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，也可提供其他磁路形狀，例如矩形、多邊形、螺旋管形或者其他形狀。此外，初級導(dǎo)體1被示為延伸經(jīng)過磁路，但是，初級磁體也可被提供多個(gè)繞組或?qū)w部分，這些繞組和導(dǎo)體部分纏繞在磁路芯5周圍并且延伸穿過開口7。磁芯5的磁材料可被提供已知的這種一般類型的電流傳感器中所找到的屬性，并且具有分層狀構(gòu)造，以降低渦流。
正如圖4或5中最佳看出的，有利地，磁芯5的端面27a、27b各自在磁芯的外圍處具有一個(gè)延伸部分28a、28b，其減小空氣隙的寬度。通過沿磁芯的外圍傳導(dǎo)外部磁通量，這些外部延伸部分有利地降電流傳感器外生成的磁場的干擾作用，從而避免了磁場傳感器4、104、204、304、404。由于對稱原因，也可沿著磁芯5的內(nèi)圍提供延伸部分29a、29b。
電流傳感器可具有開環(huán)電流傳感器的一般特性，即沒有(閉環(huán)傳感器中所找到的)用于補(bǔ)償由初級導(dǎo)體生成的安培匝數(shù)的次級線圈或?qū)w。但是，如圖4所示，所述傳感器可在磁芯5周圍被提供一個(gè)次級繞組8，用于檢測變壓器效應(yīng)產(chǎn)生的高頻電流。
磁場傳感器4、104、204、304、404包括由軟磁性材料制成的磁場屏蔽9、109、209、409，以及放置在磁場屏蔽的空腔11中的傳感單元10、310。磁場屏蔽包括至少兩個(gè)外殼部分12、112、212，其間由一個(gè)小空氣隙20隔開。在圖1所示的實(shí)施例中，磁場屏蔽9一般具有軸對稱或圓柱形狀，并且被安排成圓柱的中軸與在電流傳感器空氣隙6上延伸的磁通線成一直線。但是，磁場屏蔽也可被提供非軸對稱形狀，例如具有矩形(參見圖8、9、和12)、多邊形或橢圓截面。還可以提供具有非棱柱形狀的磁場屏蔽，例如像在圖6中所示的磁場屏蔽9的實(shí)施例的縱向截面中所看到的那樣。
在圖8和9的實(shí)施例中，磁場屏蔽109、209是全部或部分由金屬片壓印并形成，其在形成后可被退火，以確保均勻和最佳的磁屬性，比如高導(dǎo)磁率和低矯磁力。與用機(jī)器造的屏蔽相比，大量的磁場屏蔽的壓印和形成的成本效率尤其高。
磁場屏蔽的外殼部分412也可從導(dǎo)磁材料以機(jī)器制成，如圖12所示。
空氣隙20可用具有低導(dǎo)磁率的材料(換句話說即非磁性材料)來填充?？諝庀蹲詈冒ㄒ环N材料，例如焊料或粘合劑，用于將外殼部分對12、112、212、412粘合在一起。一個(gè)與磁場傳感器的軸基本平行地延伸的縱向槽13、113、213、413被提供在磁場屏蔽9、109、209、309、409中，并且?guī)椭档蛙洿判云帘沃械臏u流。該槽還可充當(dāng)用于連接到傳感單元10、310的導(dǎo)電構(gòu)件14、214、414進(jìn)入磁場屏蔽中的通路。在圖8的實(shí)施例中，槽213是通過將磁場屏蔽外殼部件分離成第一和第二部分212a和212b來形成的，這兩個(gè)部分被裝配在導(dǎo)電構(gòu)件214的襯底的相對側(cè)上。從而襯底的厚度定義了縱向槽213的寬度。
在圖12的實(shí)施例中，在裝配時(shí)，縱向槽413被用機(jī)器制造在外殼部件412中，并且襯底414被插進(jìn)槽中。
導(dǎo)電構(gòu)件14、414可采取柔性印刷電路的形式，其具有導(dǎo)電軌道15，用于將一個(gè)用于處理傳感器信號(hào)的電子電路22(參見圖7和12)連接到磁場傳感單元10、310。如圖9所示，印刷電路也可被提供金屬化部分15a，用于將磁場屏蔽部件的部分212a和212b焊接到其上。但是，磁場屏蔽部件的部分也可用粘合劑來粘合到導(dǎo)電構(gòu)件，或者通過機(jī)械裝置固定。
磁場傳感單元10、310包括一個(gè)線圈16和一個(gè)可飽和軟磁芯17、317。線圈16被安放在一個(gè)線軸18上，該線軸被提供了一個(gè)凹槽19或空腔319，軟磁芯17、317被安放在其中。在所示的實(shí)施例中，線圈16是由一根絕緣電線制成的，該絕緣電線經(jīng)由其粘合到連接墊16c的末端16a、16b，連接到導(dǎo)電構(gòu)件14、214的各導(dǎo)電軌道15。線圈和線軸可被一個(gè)外殼30部分覆蓋，這不僅幫助保護(hù)線圈，也幫助將傳感單元放置在磁場屏蔽的空腔內(nèi)。
有利地，軟磁芯17、117、217是由一根軟磁性材料的細(xì)帶制成的，其厚度最好小于0.1mm。細(xì)帶17、117、217的截面可隨其長度變化，如圖3a到3c的不同變體所示，以便實(shí)現(xiàn)在其整個(gè)體積上基本恒定的磁感應(yīng)值，這幫助了以一種非常陡峭的方式飽和所述細(xì)帶，并且導(dǎo)致易由相關(guān)電子電路檢測到的磁通閘門的飽和電流閾值。
如圖10和11的實(shí)施例所示的軟磁芯317，也可由多根由軟磁性材料制成的非常細(xì)的金屬絲制成，這些金屬絲被捆扎或粘合在一起以形成一般為圓柱形的形狀，并且被放置在線軸318的一個(gè)空腔319中。金屬絲最好非常細(xì)，例如直徑在10到50微米范圍中，例如30微米，并且用一種介電材料粘合到一起，以最小化渦流。這使得傳感單元310能夠在非常高的頻率下操作，而不損失線性。
上述磁場傳感單元10、310以與已知的磁通閘門傳感器類似的方式操作。存在不同的已知技術(shù)，通過這些技術(shù)磁通閘門傳感器可被電子電路所控制，以確定待測感應(yīng)值，這種技術(shù)也可應(yīng)用于根據(jù)本發(fā)明的磁場傳感單元的控制。
磁通閘門傳感器是非常穩(wěn)定和精確的，并且具有低偏置漂移和增益。但是，磁通閘門傳感器的主要缺點(diǎn)是它具有較低的磁感應(yīng)操作范圍，通常只有幾毫特絲拉量級，因此在具有大磁場的電流傳感器中難以找到。
在本發(fā)明中，通過將磁場傳感單元10、310放置在帶有空氣隙20的磁場屏蔽9、109、209中，克服了此問題，所述空氣隙20充當(dāng)了感應(yīng)劃分器。磁場屏蔽9、109、209傳導(dǎo)大部分磁能量，其比例取決于外殼部件12、112、212、412之間的空氣隙20的寬度。屏蔽內(nèi)的磁感應(yīng)直接正比于屏蔽的軟磁性材料中出現(xiàn)的磁感應(yīng)，但是其值低得多。
例如，如果磁場屏蔽具有μr＝105的導(dǎo)磁率，并且外殼部件12、112、212、412之間的空氣隙寬10微米，則電流傳感器的空氣隙6中的磁感應(yīng)是60mT，傳感單元10、310的磁芯17、317內(nèi)的磁感應(yīng)小于2mT。
因此，有利地，磁場傳感器4、104、204、304被用于測量100至200mT那么大的磁感應(yīng)，同時(shí)受益于磁通閘門傳感單元的精確性和穩(wěn)定度以及無偏置和增益漂移。
取代磁通閘門傳感器，可以采用其他類型的靈敏磁場傳感單元，這些單元也顯現(xiàn)了較低的溫度偏置和增益漂移。可用于本發(fā)明中的其他這種磁場傳感單元的示例是任何種類的所謂的巨磁致阻抗傳感器或磁致電阻傳感器。
要注意到，根據(jù)本發(fā)明的磁場傳感器不僅可用于測量電流傳感器的空氣隙中的磁感應(yīng)，還可用于在其他應(yīng)用中測量磁感應(yīng)，例如換能器中生成的磁感應(yīng)，例如位置傳感器、接近開關(guān)或編碼器以及其他磁場系統(tǒng)。
參見圖7，用于集成功率模塊(IPM)中的根據(jù)本發(fā)明的一種電流傳感器的示例被示出。該電流傳感器被示為安放在一個(gè)電路板22的襯底上，其可以是陶瓷材料的并且其上帶導(dǎo)電軌道。磁路3被直接固定到電路板22上，并且圍繞一個(gè)穿過其延伸的初級導(dǎo)電棒1。具有任何上述實(shí)施例的構(gòu)造的磁場傳感器，也可被直接粘合到印刷電路板，從而其柔性電路14導(dǎo)電地連接到導(dǎo)電軌線，這些導(dǎo)電軌線將磁場傳感器連接到一個(gè)用于處理傳感器輸入和輸出信號(hào)的ASIC 23。到電路板的外部連接可經(jīng)由一個(gè)連接器24來提供，該連接器安放在電路板上并且可插到一個(gè)互補(bǔ)電纜連接器25中。
在此實(shí)施例中，次級繞組8的導(dǎo)體采取U形金屬絲的形式，這些金屬絲被放置在磁芯5的部分上，并且被粘合到電路板22的電路軌線上。次級線圈電路軌線在磁芯5之下穿過，以便與U形金屬絲一起基本上形成圍繞磁芯的線圈。
尤其對于高操作溫度，有利地提供了一種尤其緊湊和有抵抗力的電流傳感器。
權(quán)利要求
1.一種磁場傳感器，包括一個(gè)磁場傳感單元(10、310)和一個(gè)磁場屏蔽(9、109、209、409)，所述磁場屏蔽(9、109、209、409)包括至少兩個(gè)由一個(gè)空氣隙(20)隔開的、并且包圍有放置在所述磁場屏蔽的一個(gè)空腔(11)中的所述磁場傳感單元的部件(12、112、212、412)。
2.如權(quán)利要求1所述的磁場傳感器，其中所述磁場傳感單元包括一個(gè)軟磁芯(17、317)，所述軟磁芯由連接到一個(gè)電路的一個(gè)線圈(16)所包圍，所述電路用于生成和處理所述磁場傳感單元的電信號(hào)，以便提供一個(gè)輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)是待測磁信號(hào)的函數(shù)。
3.如前述權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的磁場傳感器，還包括一個(gè)柔性電路(14、214)，其穿過一個(gè)槽(13、113、213)延伸到所述磁場屏蔽中，并且連接到所述傳感單元的一個(gè)線圈(16)。
4.如權(quán)利要求2或3所述的磁場傳感器，其中所述磁場傳感單元的軟磁芯包括一個(gè)或多個(gè)由一種軟磁性材料制成的帶子。
5.如權(quán)利要求2或3所述的磁場傳感器，其中所述磁場傳感單元的軟磁芯包括捆扎在一起的、由一種軟磁性材料制成的細(xì)金屬絲。
6.如前述權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的磁場傳感器，其中所述磁場屏蔽具有圍繞一個(gè)中軸基本上軸對稱的形狀，并且被安放在一個(gè)待測磁場中，以使得所述中軸與所述磁場的磁通線基本平行。
7.如前述權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的磁場傳感器，其中所述磁場屏蔽的空氣隙基本上是平面的，并且與所述磁通線垂直。
8.如前述權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的磁場傳感器，其中所述磁場屏蔽被提供一個(gè)縱向槽(13、113、213、413)，以降低所述磁場屏蔽中的渦流。
9.如前述權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的磁場傳感器，其中所述磁場屏蔽至少部分是由金屬片壓印并形成的。
10.用于測量一個(gè)初級導(dǎo)體(1)中流動(dòng)的電流Ip的電流傳感器，包括一個(gè)具有一個(gè)空氣隙(6)的磁路(3)以及放置在所述空氣隙中的、根據(jù)前述權(quán)利要求中的任何一個(gè)的磁場傳感器。
11.如前一權(quán)利要求所述的電流傳感器，其中所述磁路包括包圍所述初級導(dǎo)體的一個(gè)軟磁性材料芯(5)，所述芯的端面(27a、27b)具有延伸部分(28a、28b)，其減小所述空氣隙沿所述磁芯的外圍的寬度。
12.如前述兩個(gè)權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的電流傳感器，還包括一個(gè)次級導(dǎo)體(8)，其纏繞在所述磁芯周圍，用于通過變壓器效應(yīng)測量高頻電流。
13.如前述三個(gè)權(quán)利要求中的任何一個(gè)所述的電流傳感器，還包括一個(gè)電路板(22)，其由一種陶瓷或其他材料制成，其上具有導(dǎo)電軌道。
14.如前一材料要求所述的電流傳感器，其中所述磁路(3)被直接固定到所述電路板上。
15.如前一權(quán)利要求所述的電流傳感器，其中所述磁場傳感器(4、104、204、304、404)被直接固定在所述電路板上。
16.如前一權(quán)利要求所述的電流傳感器，其中所述磁場傳感器的柔性電路(14、214、414)導(dǎo)電地連接到所述電路板上的導(dǎo)電軌線上，所述導(dǎo)電軌線將所述磁場傳感器連接到安放在所述電路板上的、用于處理所述傳感器輸入和輸出信號(hào)的一個(gè)ASIC(23)。
17.如前一權(quán)利要求所述的電流傳感器，其中所述次級繞組(8)的導(dǎo)體采取U形金屬絲(26)的形式，被放置在所述磁芯(5)的部分之上，并且被粘合到所述電路板(22)的電路軌線上。
全文摘要
一種磁場傳感器包括一個(gè)磁場傳感單元(10)和一個(gè)磁場屏蔽(9)，該磁場屏蔽包括由一個(gè)空氣隙(20)隔開的至少兩個(gè)部件(12a、12b)，并且圍繞放置在該磁場屏蔽的一個(gè)空腔(11)中的磁場傳感單元。
文檔編號(hào)G01R15/20GK1751247SQ200480004700
公開日2006年3月22日 申請日期2004年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月21日
發(fā)明者沃爾夫蘭姆·特潘 申請人:機(jī)電聯(lián)合股份有限公司