专利名称：磁场电流传感器的制作方法
技术领域：
本发明通常涉及电流传感器，并且更具体地，涉及经由关联的磁场感测电流的相对低成本的集成电流传感器。
背景技术：
具有大磁芯的传感器模块典型地是高成本和大体积的。图1中示出了这种系统 100的示例。在图1中，初级导体102穿过切开的磁芯104，磁芯104收集导体102周围的所有通量并且将其引导到放置在芯104的空气间隙108中的霍尔传感器106上。系统100 和其他相似的系统不是差分的，这意味着这些系统通常仅在一个位置测量磁场。如果存在背景场，则其可能导致传感器输出中的误差；尽管相当大部分的背景场被磁芯屏蔽，但是背景场的抑制通常不会好于因子100。另一方面，这些系统受到由于诸如磁滞现象、饱和、大过流事件之后的失调移位(shift in offset)的芯缺陷引起的误差，以及由于芯中或者传感器的引线框中的涡电流引起的有限带宽的影响。图2中示出了另一传感器系统200，并且该传感器系统200包括传感器集成电路 (IC)202，该传感器集成电路(IC)202具有管芯206顶部上的小的磁集中器204。传感器封装208是通用类型的，尽管封装208可以被修改为使用非磁铜引线框材料。传感器IC 202 被放置在初级导体210上方或下方。系统200 —般小巧且重量轻，但是由于导体201未集成到封装208中，因此可能受到组装公差问题的影响。系统200还受到由于标准IC封装208 的引线框中的涡电流引起的有限带宽的影响。此外，尽管系统200使用差分测量原理(即， 系统200在两个不同的地点测量磁场并且使其彼此相减)，垂直于电流迹线的水平背景场的抑制受到限制。系统200还需要特定的技术工艺以制造集中器204，其自身可能产生另外的误差，诸如磁滞现象和有限的过载能力。
发明内容
在一实施例中，一种磁电流传感器包括导体和集成电路(IC)管芯，所述导体包括 第一金属片层，该第一金属片层具有第一厚度并且包括从第一金属片层的第一边缘向内延伸的至少一个凹口 ；和第二金属片层，该第二金属片层具有小于第一厚度的第二厚度并且包括至少一个凹口，第二金属片层耦合到第一金属片层，使得第一金属片层的至少一个凹口通常与第二金属片层的至少一个凹口对准，所述集成电路(IC)管芯包括至少一个磁传感器元件并且耦合到导体，使得至少一个磁传感器元件通常与第二金属片层的至少一个凹口的尖端对准。
在一实施例中，磁电流传感器包括导体和集成电路(IC)管芯，所述导体包括第一金属片层，该第一金属片层具有第一厚度并且包括至少一个孔；和第二金属片层，该第二金属片层具有小于第一厚度的第二厚度并且包括至少一个凹口，第二金属片层耦合到第一金属片层，使得第一金属片层的至少一个孔与第二金属片层的至少一个凹口至少部分地重叠，所述集成电路(IC)管芯包括至少一个磁传感器元件并且耦合到导体，使得至少一个磁传感器元件通常与第二金属片层的至少一个凹口的尖端对准。在一实施例中，集成在集成电路(IC)中的磁电流传感器的导体包括第一金属层，其具有第一厚度并且包括至少一个空洞(void);以及第二金属层，其具有小于第一厚度的第二厚度并且包括至少一个空洞，第二金属层耦合到第一金属层，使得第一金属层的至少一个空洞与第二金属层的至少一个空洞至少部分地重叠。在一实施例中，一种方法包括提供磁电流传感器，其具有相对于传感器的导体的电流集中元件安置的至少一个感测元件，导体包括第一金属层和第二金属层，第一金属层具有大于第二金属层的第二厚度的第一厚度并且包括具有带半径的尖端的凹口，第二金属层耦合到管芯并且包括具有通常为尖头的尖端的凹口 ；以及由至少一个感测元件感测接近电流集中元件的电流。在一实施例中，一种磁电流传感器导体包括两个电耦合的层，每个层包括至少一个凹口，第一层的至少一个凹口和第二层的至少一个凹口被布置为定义导体中的最小电流路径长度，其比两个电耦合层中的较厚的一个层中的电流路径长度短；电流输入接触 (contact)；以及电流输出接触。
结合附图考虑下面的本发明的各种实施例的详细描述，可以更加完整地理解本发明，其中
图1示出了常规的传感器系统。图2示出了常规的传感器系统。图3A示出了根据实施例的导体。图;3B是根据实施例的图3A的导体的另一示图。图3C是根据实施例的图3A和;3B的导体的另一示图。图3D是根据实施例的图3A-C的导体的另一示图。图3E是根据实施例的图3D中示出的尺寸的示图。图4示出了根据实施例的导体中的电流密度。图5示出了根据实施例的导体中的电流流线。图6A示出了根据实施例的导体中的温度变化。图6B示出了根据实施例的导体中的温度变化。图7A示出了根据实施例的电流传感器的顶视图。图7B示出了图7A的传感器的横截面侧视图。图7C示出了图7A和7B的传感器的另一实施例的横截面侧视图。图8示出了根据实施例的电流传感器的顶视图。图9示出了根据实施例的电流传感器的顶视图。
图10示出了根据实施例的电流传感器的顶视图。图11示出了根据实施例的电流传感器的顶视图。图12示出了根据实施例的电流传感器的顶视图。图13A示出了根据实施例的电流传感器的第一侧面的透视图。图13B示出了图13A的电流传感器的第二侧面的透视图。图14A示出了根据实施例的电流传感器的开放成型体。图14B示出了图14A的传感器的顶视图。图14C示出了图14A和14B的传感器的侧视图。图15示出了根据实施例的电流传感器的顶视图。尽管本发明可以被修改成各种修改和替选形式，但是在附图中借助于示例示出了其细节并且将对这些细节进行详细描述。然而，应当理解，并非旨在于使本发明限于所描述的特定实施例。相反，旨在涵盖落在由所附权利要求限定的本发明的精神和范围内的所有修改方案、等效方案和替选方案。
具体实施例方式本发明涉及一种低成本集成电流传感器。在实施例中，堆叠的金属片层形成了电流传感器导体。在一个实施例中，第一金属片层较之与其堆叠的第二金属片层是相对厚的。在一个实施例中，金属片元件耦合到传感器管芯的至少一部分顶面。金属片元件形成了用于通过传感器管芯上的磁场传感器(诸如霍尔元件)经由关联的磁场测量的电流的导体，并且在一个实施例中，不存在传感器管芯和导体之间的导电连接。在各种实施例中，有利的是，还使用金属片作为传感器管芯的引脚的引线框部分。在各种实施例中，可以经由穿过晶片的接触、普通接合回路或者管芯的倒装芯片组件来建立传感器管芯和引脚之间的电接触。在各种实施例中，可以通过在晶片的顶面或底面、隔离管芯-附连带或隔离管芯-附连粘合剂上使用隔离膜(在一个实施例中诸如是电介质)来实现电隔离。还可以通过隔离膜上面的浮动金属部分和导体到金属的焊接(诸如扩散焊接)维持导体和管芯之间的结构完整性。例如，一个实施例包括封装和集成电路，并且至少一部分半导体管芯由电隔离膜覆盖，引线框附连在该电隔离膜上面。引线框可以具有金属片配置，在一个实施例中意味着横向尺寸大约比厚度大五倍，并且引线框并不电耦合到半导体管芯的本体，提供了数千伏的隔离电压。引线框还可以包括接触，以便于穿通电流。因此，电流可以在紧邻管芯的表面平面上方(诸如在一个实施例中约20微米)流动。在一个实施例中，电流传感器包括至少一个磁感测元件。在其他实施例中，传感器包括多个磁感测元件，诸如至少三个磁感测元件。磁感测元件可以包括平面霍尔板，并且霍尔板可以对准，并且在一个实施例中，与紧邻根据如下关系处理磁感测元件的信号的电流传感器的霍尔探头线的通常全局方向平行对准
Stotal ~ Sleft + Sright ~ 2^Scenter 以便于不仅抑制同质背景场，还抑制具有线性梯度的场。导体可以被成形为使得沿最强的电流线移动，霍尔探头交替地布置在左侧和右侧。在一个实施例中，使用通常平坦的导体，电流在相对导体配置的纵向方向中流动，并且导体可以包括与全局电流方向垂直或平行形成的一个或多个槽。在一个实施例中，槽大致从导体边缘延伸到中心线。在其他实施例中，一个或多个槽可以延伸越过中心线或者不到中心线。槽的其他几何特征也可以根据实施例变化。例如，除了别的之外，槽通常可以是纵向的，具有大致V形的轮廓，和/或具有正方形或圆形末端几何形状。在一个实施例中，平面霍尔探头可以被布置在每个槽的末端的上方或下方。导体还可以延伸，使得其包括彼此隔离并且串联或并联连接的若干层。可以调整传感器系统的霍尔板的磁灵敏度以在一个实施例中至少与约百分之一匹配，或者在另一实施例中与万分之一匹配。尽管在传感器的整个寿命中存在温度和机械应力漂移，但是传感器系统的实施例能够维持这种匹配。在一实施例中，传感器系统还可以使用旋转电流技术来将整个工作温度范围中的失调减小到至少约100微特斯拉(μ Τ)。实施例涉及磁场传感器和电流传感器系统的初级导体的形状和配置，使得传感器系统具有一个或多个有利特性。在一个实施例中，磁场传感器和/或初级导体可以被设计为，使得可以在耦合到导体的半导体管芯的表面上生成大磁场梯度，该磁场梯度是线性的或者具有较高的空间导数。在一实施例中，磁场可以具有垂直于管芯表面的主要部分，使得平面霍尔传感器元件可以检测场并且导体的内阻尽可能低。而且，磁场传感器和/或初级导体可以被设计为，使得最大电流密度点和周围环境之间的热阻尽可能低，并且使导体和管芯的机械硬度最大化。还期望感测到的电流不受附近的电流或串扰的影响，并且导体不会在诸如附近的其他电流传感器的其他部件上生成明显的场。另外，导体的形状可以相对简单并且能够与封装、组装和半导体工业中通常使用的其他工艺组合。系统可以包括配置成提供输出信号的传感器集成电路(IC)，该输出信号包括关于流过初级导体的电流的信息。在一个实施例中，不存在初级导体和传感器IC之间的流电连接。为此，传感器IC包括配置成响应源自通过初级导体的电流的磁场的至少一个磁场传感器。传感器IC相对于导体磁场固定在明确的位置。在一个实施例中，导体磁场未被进一步放大或由诸如软磁材料的磁性磁导电路收集，因为这可能增加成本和重量并且降低精度。 然而，在其他实施例中，将一个或多个小磁性磁导集成到传感器封装中(诸如溅射到管芯上面)可能是有利的。在各种实施例中，传感器信号有利地仅具有小附加误差或偏移。在一个实施例中， 传感器信号在零安培时是零，具有尽可能小的误差。传感器信号还有利地仅具有小增益误差。例如，在满刻度电流下，输出应相对温度和寿命保持恒定。传感器信号还具有范围从 DC到约100千赫(kHz)或更高的带宽以及小的反应时间，在一个实施例中诸如约为1微秒 (μ S)。在实施例中，额定电流范围约为1安培(A)到约1千安培(kA)，在一个实施例中诸如约为lkA。在各种实施例中，电流传感器具有相对于体积和覆盖区的小尺寸并且也是轻重量的，但是针对外部磁场、温度、湿气、通过初级导体的过载电流以及初级导体和传感器 IC的地之间的电压摆动保持鲁棒性。在一个实施例中，电流传感器可以承受约为额定电流十倍或更大的电流。在各种实施例中，初级导体和传感器IC之间的电压隔离具有千伏数量级。电流传感器还具有低功耗，在一个实施例中诸如小于约50毫瓦(mW)，并且具有初级导体中的低功率消耗。在实施例中由于传感器的自加热引起的过热也很低。传感器IC的输出信号可以包括模拟电压或电流、频率、脉冲编码调制或脉冲宽度调制波、数字码或者一些其他信号形式。如上文提到的，传感器输出信号可以传达关于电流的信息，诸如电流幅度、流向、相位、频率、谐波含量和频谱、其时间积分或时间导数以及其他信息。在一个实施例中可以根据与先进封装技术组合的标准CMOS工艺制造传感器系统。该组合能够针对范围广泛的电流传感器使用单个类型的硅管芯，并且因此使用单个版图。在一个实施例中，引线框可以省略，这避免了感生涡电流和带宽限制。由于待测量电流需要初级导体，因此在一个实施例中初级导体可以用作管芯所附连的管芯座或者安装板。注意，在初级导体中感生的涡电流不会扰乱磁场传感器但是会增加由强发生器驱动的初级导体的阻抗。借助于有限元仿真，可以证实，附连到具有约0. 2毫米(mm)厚度的普通铜引线框并且放置在导体附近的传感器管芯由于引线框中的导体的场所感生的涡电流而具有15 kHz的-3 dB带宽。如果电流通过引线框自身并且不存在接近磁场元件的其他良好导体，则带宽增加至远高于100 kHz。在常规的引线框中，管芯座和地引脚是由金属片冲制的一个单个部件。这提供了良好的结构稳定性并且可以易于制造。其还经由低阻抗将管芯连结到地电位。在电流传感器的一个实施例中，初级导体用作管芯座，然而其与管芯流电隔离。因此，同所有其他引脚一样，地电位诸如经由细接合线连接到管芯。这提供了另外的优点，即传感器电路的所有引脚经由细接合线连接。因此，如果在初级导体和传感器电路的任何引脚之间偶然发生短路， 则由于细接合线用作被快速烧断的熔丝，该短路不能传输大量的功率。参照图3、特别是图3A的视图，示出了电流传感器的导体300。在一实施例中，导体300包括堆叠的金属片层，诸如引线框302和功率金属(power metal)部分304。仅示出了导体300的右半部分，导体300的yz平面是对称平面。通过使图中的导体300的镜像通常向右延伸，可以获得整个导体300，使得导体300将因而包括三个槽306 如图3中示出的第一槽306a、图;3B中示出了其一半的第二槽306b以及导体300的右侧上作为槽306a 的镜像的第三槽。槽306通常与引线框302中形成的凹口 308对准。在一实施例中，引线框302和功率金属部分304包括铜。引线框302相对比功率金属部分304厚。例如，在一个实施例中，引线框302约为1.2 mm厚而功率金属部分304 约为20 μπι。由于功率金属部分304可以在半导体厂中制造，因此部分304可以被精确地构图，诸如在实施例中在约0.5 ym的精度内。在实施例中引线框302随后可以在封装工艺期间被焊接到功率金属部分304。这意味着引线框302通常将并不与传感器的传感器元件(诸如霍尔探头)良好对准，诸如在约50 ym的精度内。然而，由于电流试图寻找通过导体300的最短路径，因此在功率金属部分304中，特别是在槽306的末端的区域310中找到了最高电流密度，所以这不是显著不利的。由于电流寻求该最短路径，因此具有槽306的功率金属部分304的几何结构将电流集中在区域310中。功率金属部分304可以更精确地相对于管芯对准，同时其也可以比引线框302更精确地制造，这是因为较之厚金属，在薄金属中制造槽和孔通常更加容易。如果槽的宽度小于金属片厚度，则通常不可能使用冲孔工艺来制造槽。如果通过刻蚀形成槽和孔，则它们的侧壁可能不直，而是圆锥形的，它们在刻蚀开始的表面处可能较窄。因此，如果总导体厚度例如是1 mm，则为了对于200 A的电流具有足够小的内阻，槽将约为1 mm宽。对于约0. 3mm的宽度，可以将0.3 mm厚的金属片与0.7 mm厚的金属片堆叠并且在薄金属片中制造 0.3 mm宽的槽并且在厚金属片中制造0.7 mm宽的槽。如果厚和薄金属片的对准公差优于约(0.7-0.3)/2 = +/-0.2 mm，则细槽周围的电流路径将不会因厚金属片而短路。导体300中的大部分电流流过引线框302。然而，由于凹口 308相对于槽306的不同形状和布置，较之在引线框302的凹口 308周围流动的电流，流过功率金属部分304的电流在每个槽306周围获得更剧烈的角偏差或弯曲。该布置导致了区域310中较之引线框 302的其他区域和功率金属部分304的电流密度的更高水平的电流密度。因此，尽管较之引线框302自身具有与槽306相似的导致较小内阻的槽的情况，大部分电流流过具有更小内阻的引线框302，但是小部分电流在槽306周围以更曲折的路径流过功率金属部分304。因此，由于区域310中的增加的电流密度，紧邻功率金属部分304且更具体地紧邻槽306安置的传感器元件可以更精确地感测电流。在实施例中槽306和凹口 308的各种配置是可能的。可以基于制造的容易度来选择一些特征和尺寸。例如，制造公差可能指示引线框302中的凹口 308通常是较长和较宽的。另外，比引线框302的宽度(其中通常垂直于导体300中的电流测量该宽度)的一半更长的凹口 308可能不必要地增加内阻。图3D示出了导体300的各种尺寸，这里给出的尺寸仅是一个实施例的示例性尺寸。如本领域的技术人员所认识，在其他实施例中可以使用各种其他尺寸、配置及其组合。Tl表示引线框302的厚度。在实施例中，诸如在电流范围是从约20 A到约200 A 的实施例中，Tl的范围可以是从约0.2 mm到约2.0 mm。在一个实施例中，诸如对于约75 A的电流，Tl约为0. 5 mm。T2表示功率金属部分304的厚度。在实施例中，T2的范围可以是从约5 μ m到约 100 μ m，诸如约为20 μ m0Cl表示引线框302中的凹口 308的尖端中的密切圆。在实施例中，Cl具有直径 D1，其在下文中被更详细地描述。C2表示功率金属部分304中的槽306的尖端的密切圆。在实施例中，C2具有直径 D2。尽管槽306的宽度在图3D中示为与D2相同，但是在实施例中该宽度可以接近α以便于为下面布置的接合焊盘让路。DX表示χ方向上的C2的中心与引线框302的边缘之间的距离。如图3D所示，相对于纸张上的取向，χ方向通常左-右延伸，而y方向通常上-下延伸。DY表示Cl和C2的中心之间的距离。DY在下文中被更详细地讨论。Wl表示引线框302的宽度。在实施例中，Wl的范围可以是从约2 mm到约20 mm, 在实施例中诸如约为4 mm。W2表示功率金属部分304的宽度。在实施例中，W2可以小于Wl但是大于2*DY。Ll表示导体300的长度的一半。如上文参照相似的视图提到的，图3D中仅示出了导体300的一半。在实施例中，Ll大于DH (下文讨论)。L2表示功率金属部分304的长度的一半。在实施例中，L2大于2*DX并且小于Ll。DH+DX表示引线框302的中心线和凹口 308的中心线之间的距离，或者两个相邻的磁场传感器元件之间的距离。DH在下文中被更详细地讨论。角度α表示凹口 308的孔径角。在一实施例中，α约为60度。
在一实施例中，在薄导体层和管芯之间形成电隔离层。隔离层可以包括若干层，例如隔离体-导体-隔离体的堆叠，其中内部导体可以用作静电屏蔽。为此提供至少一个接触，其可以连结到稳定电位，诸如地。在一实施例中，C2覆盖紧邻布置的磁场传感器元件的有源区的至少25%。例如，在一实施例中，硅霍尔板为约50 μπιΧ约50 μ m，并且为了失调补偿，两个(如两重)或者四个(如四重)这样的板典型地被封装在一起。因此，在一实施例中，霍尔板的有源区为约100 μ Χ约100 μ 。也可以使用较小的霍尔板，诸如约20 μ Χ约20 μπ 的霍尔板。在实施例中，如果使用功率金属，则由于D2的较小的直径可以使电流密度增加超过电迁移限制，因此对于大于约50 A的电流和小于约100 μ m的T2，D2大于约10 μ m。因此，在实施例中，D2处于约10 μπι到约100 μ m的范围内。注意，如果使用纳米胶替代功率金属，则电流密度可能进一步减少约2倍到约10倍。在实施例中，DX、DY和Dl取决于各种公差，包括引线框302中的凹口 308的轮廓的精度和管芯-附连公差。在一实施例中，管芯以约+/- 100 μ m的公差安装在引线框302 上。尽管高达数微米的更精确的管芯-附连是可能的，但是这降低了产量并且需要非标准的组装线。引线框302中的凹口 308的精度还可能取决于引线框302的厚度Tl以及形成凹口的冲模的工具寿命。如果使用诸如刻蚀、电火花腐蚀等其他技术制造引线框302，则这些技术可能更精确但是很可能也更昂贵。管理成本，即相对于管芯放置引线框302的边缘的精度可以是约+/- 200 μπι。其遵循DY应大于约200 μπι，即(D1-D2)以便于确保即使y方向上的错位处于其最大值时，引线框302不会与功率金属部分304中的槽306的尖端重叠。类似地，在χ方向上，对于较小Dl，DX应大于约200 μ m，即D2A。如果Dl较大， 则C2大致在Cl的中心，并且DX丧失其意义。参照图3E，在实施例中，Cl的直径将大于约 400 ym，使得引线框302的边缘和功率金属部分304的边缘之间的距离是(Dl_D2)/2，其应大于约200 μ m以便于避免引线框302相对于槽306的覆盖。图4是示出导体300的不同区域处的电流密度的曲线图。图线320示出了功率金属部分304中X=O处的电流密度，图线322示出了引线框302中x=0处的电流密度，图线 324示出了功率金属部分304中X=l. 9 mm处的电流密度，而图线3 示出了引线框302中 X=L 9 mm处的电流密度。通常，可以看出，引线框302的中间平面中的电流密度远低于功率金属部分304的相似区域中的电流密度。如先前提到的，对于布置为比引线框302更接近传感器元件的功率金属部分304，当传感器元件被安置为紧邻槽306的末端时，其有利地暴露于最高通量密度。在一实施例中，对于约IOA的总电流，同时导体300具有约92 μ Ω 的总内阻，功率金属部分304中的电流密度的峰值约为65 A/mm2。因此，在一实施例中，在约100 A处，消耗仅约为0.92 W并且峰值电流密度约为650 A/mm2，这足够低，足以避免铜中的电迁移破坏。图5中可以看到槽306的区域中的增加的电流密度，其示出了通过导体300的电流流线330。高亮的区域310示出了当电流在槽306的末端附近和周围流动时在这些末端附近的功率金属部分304中的增加的电流密度。图6A和6B示出了根据一个实施例的导体300的热表示。叠置在导体300上的箭头从导体300左边缘处的最高温度区域沿右侧流到最低温度区域。如果引线框302的端面保持在固定温度，则沿功率金属部分304的表面的过热相对低在约100 A的总电流处，具有约0.92 W的消耗，并且在其他表面被热绝缘的假设下，峰值过热仅约为1.5摄氏度。因此，导体300可以承受消耗比测量范围的满刻度电流时明显更多能量的过流事件。图7中示出了另一实施例，图7A中示出了顶视图并且图7B中示出了横截面视图。 较之其中强调精确对准的重要性的其他实施例，图7的实施例以及其他实施例包括更关注于导体层的精确构图。对准原则上可以通过更昂贵的生产和制造机器来改进并且可以在尾行校准期间进行考虑。然而，精确的构图也是相关的。例如，如果对于500 A的传感器，导体约为2 mm厚，并且给定其中槽的宽度通常不窄于金属片的厚度的常规的冲孔技术，则槽不窄于约2 mm，如果管芯尺寸仅为约3 mmX约2 mm，则在管芯下面容纳不止一个槽是有挑战性的。因此，在实施例中，至少两个金属片层被堆叠以形成导体。图7中示出了这种配置，其示出了传感器元件700。传感器元件700包括与半导体管芯706堆叠配置的第一金属片层702和第二金属片层704。第一层702包括空洞或凹口 708，而第二层704也包括凹口 710。第一层702还包括用于初级电流的接触部分712。诸如平面霍尔板的传感器元件7Ha、714b和7Hc被安置在导体周围，其中传感器元件714b通常沿对称线布置并且被布置在凹口 710的内部末端711附近，相对于凹口 708 的内部末端709移位。尽管示出了三个传感器元件7Ha-c，但是在其他实施例中可以使用更多或更少的传感器元件，这里通篇的情况通常是这样。在一实施例中，传感器元件714b 被安置为距离凹口 708的内部末端约50 μπι。接合线716将导体耦合到管芯706的低电压引脚718。诸如通过如实施例图7C中示出的引脚718的向下弯曲和/或层702的电流轨， 在一实施例中，引脚718可以包括与层704相同的层的一部分并且可以被配置用于通孔设备。还示出了传感器封装720，其在一个实施例中是成型体。第一金属片层702较之第二金属片层704相对厚。例如，在实施例中，第一金属片层702可以为约0.3 mm到约3 mm厚，而第二金属片层704可以为约0. 1 mm到约0. 4 mm厚。第二层704可以在前端半导体制造过程期间生产，尽管对于层702和704之一或两者，也可能由引线框制造商生产。在实施例中，第二金属片层704可以通过刻蚀工艺制造，而第一层702可以通过冲孔和压制来获得。第一金属片层702甚至可以不具有金属片的形状，而是在一实施例中包括大块的夹状物；然而，其厚度通常小于两个横向尺寸，其中横向平行于管芯706的主表面。由于在实施例中第二金属层704未链接到半导体制造工艺， 因此层704可以与管芯706的边缘重叠。将考虑的另一方面是导体的层702和704的附连。在一个实施例中，层702和704 沿整个接触表面与电导体附连，该电导体也是足够刚性的，以在传感器寿命期间或者在传感器被焊接或栓锁到导体时不会改变层702和704的位置。在一实施例中，附连借助于扩散焊接。在另一实施例中，附连借助于超声熔接，由于熔接节点较之焊接节点不太易于受到来自电迁移和热循环的应力的影响，因此其是有利的。还可以包括管芯706和导体之间的可选的电隔离层，尽管在图7中没有示出。通常，层704的凹口 710比层702的凹口 708更精细，诸如更窄且更浅。如图7B 中所示，层704还被安置为比层702更接近传感器元件714。
在另一实施例中，并且参照图8，薄金属层704可以在一个或两个横向尺寸上小于管芯706。通常，层704使层702的凹口 708周围的电流短路，在71 和712b之间其通路上为电流提供了低欧姆路径。尽管层704比层702薄，如果该路径在凹口 708周围较短，则层704提供更低的欧姆路径。换言之，层704必须通过提供有吸引力的横向捷径来弥补其厚度的不足。层704还应具有与层702的足够接触面积，或者电流不能从层702流到层704 并且回到凹口 708的区域中。参照图9，层702还可以包括两个部分，即712c和712d。如图10中所示，全局电流路径不需要是U形的。在一实施例中，电流路径是I形的，因为引脚718和层702的电流轨之间的较小的爬电距离(在i/处示出)，其可以提供较低的电阻。凹口 708和/或凹口 710的数目和配置也可以变化。例如，图11中示出的实施例包括三个凹口 708和710，不过其他实施例包括更多或更少的凹口。在图12中，除了层702 中的凹口 708之外，层702包括两个孔709。如果层702中的第二电流路径B相当长，从而仅有可忽略的电流部分流过层702 (较之第一电流路径A)，则这种配置可能是适当的。这种配置的优点是层702的增加的硬度。出于制造的观点，孔709可以被冲制或钻孔。图13中示出了另一实施例。图13A从第一侧面示出了厚层702和薄层704的堆叠。层704具有较多的尖头凹口 710并且还充当低电压引脚718。图1 从另一侧面示出了层702和704。图13B中的设备701进一步包括隔离板722和管芯724。管芯7 可以经由接合线与低电压引脚(未示出)接触。将薄导体堆叠到较厚的层或夹状物上实现了流电隔离的新方式。薄导体可以用作管芯置于其上的底座。如果管芯比薄导体大，则不存在跨越锯开边缘的导体的交叉。因此， 如果底座的厚度足以提供管芯的锯开边缘和厚夹状物之间的足够大的爬电距离，则在一实施例中可以通过介电层实现电压隔离，该介电层在前端半导体制造工艺期间在管芯的顶或底面上生产。这种配置是低成本的并且提供高质量的介电层，这些介电层以较低的厚度实现了较高的隔离电压，这再次增加了传感器的电流灵敏度。在图14A中，成型体是开放的， 以便于示出管芯706和底座726。图14B和14C中示出了另外的视图。在又一实施例中，单个厚金属片按获得相似结构的方式进行加工，其中薄部分提供凹口周围的电流的“捷径”并且因此增加与凹口末端相邻的电流密度。由于刻蚀工艺可以导致圆锥形的孔/槽，因此该结构可以通过刻蚀获得。在图15中，金属片702与磁场传感器元件714接近的侧面上的槽708的宽度是W1，其小于金属片702的相反侧面上的槽708的宽度(W2)。再者，金属片702与磁场传感器元件714接近的第一侧面上的槽708的末端的曲率半径是R1，其小于相反侧面上的槽708的末端的曲率半径(R2)。因此，通常，一实施例包括U形导体，该U形导体在不改变外部边缘的情况下具有沿内部边缘的减小的厚度。在一实施例中，这具有增加接近磁场传感器元件714的电流密度的效果。然而，在其他实施例中其他配置是可能的。在一实施例中，图15中示出的金属层可以被单独制造并且随后结合在一起。这些层可以通过接触层结合，诸如在一实施例中通过焊接结合，或者在其他实施例中通过超声熔接区或者某些其他手段结合。在焊接结合实施例中，传感器700通常可以被设计为，最大允许电流处的电流密度小于约20 A/mm2以防止电迁移引起焊接界面在高电流的作用下碎裂。在一实施例中，这可以按以下方式实现制造大的薄层，使得该层从极端电流密度的区域自始至终延伸到较低电流密度的区域(例如，导体的接触区域)。这里描述了系统、设备和方法的各种实施例。这些实施例仅以示例的方式给出，并非旨在限制本发明的范围。而且，应认识到，已描述的实施例的各种特征可以按各种方式组合以产生许多另外的实施例。而且，尽管描述了与所公开的实施例一起使用的各种材料、尺寸、形状、注入位置等，在不超出本发明的范围的情况下可以利用除了这些公开特征之外的其他特征。相关领域的普通技术人员将认识到，本发明可以包括比上文描述的任何单独的实施例中说明的特征更少的特征。这里描述的实施例并非意味着可以组合本发明的各种特征的方式的无遗漏的表述。因此，实施例不是特征的互斥组合；相反，如本领域的普通技术人员所理解的，本发明可以包括选自不同的单独实施例的不同的单独特征的组合。上文通过引用将任何文献并入此处是受限制的，使得与这里明确的公开内容相反的主题内容不会被并入。上文通过引用将任何文献并入此处受到进一步限制，使得这些文献中包括的权利要求不会通过引用并入此处。上文通过引用将任何文献并入此处受到更进一步限制，使得这些文献中提供的任何限定不会通过引用并入此处，除非这里另外明确包括。出于解释本发明的权利要求的目的，明确的是，除非在权利要求中记载了“用于……的装置”或者“用于……的步骤”的特定术语，否则不援引35 U. S. C.的第六段 Section 112 的规定。
权利要求
1.一种磁电流传感器，包括导体，其包括第一金属片层，其具有第一厚度并且包括从所述第一金属片层的第一边缘向内延伸的至少一个凹口，以及第二金属片层，其具有小于所述第一厚度的第二厚度并且包括至少一个凹口， 所述第二金属片层耦合到所述第一金属片层，使得所述第一金属片层的所述至少一个凹口通常与所述第二金属片层的所述至少一个凹口对准；以及集成电路(IC)管芯，其包括至少一个磁传感器元件并且耦合到所述导体，使得所述至少一个磁传感器元件通常与所述第二金属片层的所述至少一个凹口的尖端对准。
2.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中所述管芯被布置为与所述第二金属片层相邻。
3.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中所述至少一个磁传感器元件包括霍尔效应传感器元件。
4.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中所述第一金属片层的凹口和所述第二金属片层的凹口其中至少之一的尖端具有半径。
5.根据权利要求4所述的磁电流传感器，其中所述第一金属层的凹口的尖端具有半径，并且所述第二金属层的凹口的尖端通常是尖头的。
6.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中所述第二金属层的至少一个凹口的周长通常包含在所述第一金属层的至少一个凹口的周长中。
7.根据权利要求6所述的磁电流传感器，其中所述第二金属层的至少一个凹口的周长通常包含在所述第一金属层的至少一个凹口的周长中，使得这些周长在所述凹口的尖端区域中不交叉。
8.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中所述第一厚度为约0.3毫米(mm)到约3 mm,并且其中所述第二厚度为约0. 1 mm到约0. 4 mm。
9.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中所述导体通常是U形的。
10.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中所述导体包括两个部分，每个部分包括第一金属片层和第二金属片层。
11.根据权利要求1所述的磁电流传感器，进一步包括通过接合线耦合到所述管芯的多个引脚。
12.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中所述第一金属片层包括至少三个凹口并且所述第二金属片层包括至少三个凹口。
13.根据权利要求1所述的磁电流传感器，进一步包括布置在所述第二金属层和所述管芯之间的隔离板。
14.根据权利要求1所述的磁电流传感器，其中所述至少一个磁传感器元件包括三个传感器元件。
15.根据权利要求14所述的磁电流传感器元件，其中所述三个传感器元件成直线布置并且隔开，并且其中中心传感器元件通常与所述第二金属片层的所述至少一个凹口的尖端对准。
16.一种磁电流传感器，包括导体，其包括第一金属片层，其具有第一厚度并且包括至少一个孔，以及第二金属片层，其具有小于所述第一厚度的第二厚度并且包括至少一个凹口， 所述第二金属片层耦合到所述第一金属片层，使得所述第一金属片层的所述至少一个孔与所述第二金属片层的所述至少一个凹口至少部分地重叠；以及集成电路(IC)管芯，其包括至少一个磁传感器元件并且耦合到所述导体，使得所述至少一个磁传感器元件通常与所述第二金属片层的所述至少一个凹口的尖端对准。
17.根据权利要求16所述的磁电流传感器，其中所述至少一个孔通过冲制形成。
18.一种集成在集成电路(IC)中的磁电流传感器的导体，包括第一金属层，其具有第一厚度并且包括至少一个空洞；以及第二金属层，其具有小于所述第一厚度的第二厚度并且包括至少一个空洞，所述第二金属层耦合到所述第一金属层，使得所述第一金属层的所述至少一个空洞与所述第二金属层的所述至少一个空洞至少部分地重叠。
19.根据权利要求18所述的导体，其中所述第一和第二金属层其中至少之一包括金属片。
20.根据权利要求18所述的导体，其中所述第一厚度为约0.3毫米(mm)到约3mm，并且其中所述第二厚度为约0. 1 mm到约0. 4 mm。
21.根据权利要求18所述的导体，其中所述第一空洞选自包括凹口、孔和槽的组。
22.—种方法，包括提供磁电流传感器，其具有相对于所述传感器的导体的电流集中元件安置的至少一个感测元件，所述导体包括第一金属层和第二金属层，所述第一金属层具有大于所述第二金属层的第二厚度的第一厚度并且包括具有带半径的尖端的凹口，所述第二金属层耦合到管芯并且包括具有通常为尖头的尖端的凹口 ；以及通过所述至少一个感测元件感测接近所述电流集中元件的电流。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述电流集中元件包括第一凹口，该第一凹口在所述第一金属层中形成并且通常与在所述第二金属层中形成的第二凹口的至少一部分对准。
24.一种磁电流传感器导体，包括两个电耦合的层，每个层包括至少一个凹口，第一层的至少一个凹口和第二层的至少一个凹口被布置为定义所述导体中的最小电流路径长度，其比两个电耦合的层中的较厚的一个层中的电流路径长度短；电流输入接触；以及电流输出接触。
25.根据权利要求M所述的磁电流传感器导体，进一步包括集成电路(IC)管芯，其包括至少一个磁传感器元件并且耦合到所述导体，所述至少一个磁传感器元件通常相对于所述两个电耦合层的所述至少一个凹口中的一个或多个凹口的尖端安置。
全文摘要
本发明涉及磁场电流传感器。公开了电流传感器、导体和方法。一种磁电流传感器包括导体和集成电路(IC)管芯，所述导体包括第一金属片层，其具有第一厚度并且包括从第一金属片层的第一边缘向内延伸的至少一个凹口；和第二金属片层，其具有小于第一厚度的第二厚度并且包括至少一个凹口，第二金属片层耦合到第一金属片层，使得第一金属片层的至少一个凹口通常与第二金属片层的至少一个凹口对准，所述集成电路(IC)管芯包括至少一个磁传感器元件并且耦合到导体，使得至少一个磁传感器元件通常与第二金属片层的至少一个凹口的尖端对准。
文档编号G01R15/20GK102236042SQ20111008785
公开日2011年11月9日 申请日期2011年4月8日 优先权日2010年4月8日
发明者奥泽勒赫纳 U. 申请人:英飞凌科技股份有限公司