专利名称：无源式交流电流感测器的制作方法
技术领域：
本发明关于ー种电流感测器，且特别关于ー种无源式交流电流感测器。
背景技术：
在エ业设计上，常应用电流的检测于系统过流保护及电流控制，例如电能衰减检测、马达超载检测保护、电源的电流模式控制以及控制系统诊断等等。现有的电流感测器的感测方式可分为接触式及非接触式两种。接触式的感测方式利用一感测电路的电路设计，测量感测电路中电阻、电感、电容或晶体管两端的电压以计算出感测电流。非接触式的感测方式感测载流导体周围产生的磁场,例如电流互感(currenttransformer)法、霍尔元件(Hall element)法、磁致电阻法等,或是通过磁能转换成力学能的方式，转而测量物质力学上的变化以获得感测电流。上述接触式及非接触式的感测方 式各有其优缺点及适合应用的场合。其中，如图I所示，现有利用磁能转换成力学能的方式的电流感测器I包括ー载流的线圈11、一压阻性元件12以及一微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)结构层13，线圈11及压阻性元件12皆设置于微机电系统结构层13上，载流的线圈11放置于载流导体CC产生的磁场中，会受到劳伦兹カFL的作用而施カ于微机电系统结构层13，再通过微机电系统结构层13间接施力于压阻性元件12，以使压阻性元件12的阻抗降低而产生电压降，以感知载流导体CC的电流大小。现有的电流感测器I因其为非接触式的电流感测器，故能够避免影响被感测的载流导体CC，同时在大电流、大功率的系统中测试时也不会产生大量功耗。然而，由上段叙述可知，现有的电流感测器I为主动式的电流感测器，必需供电才能使用，并且，在感测过程中，只要载流导体CC有电流通过，电流感测器I就会持续不停地运作，因此，微机电系统结构层13须承受大部分的往复应力，容易有疲劳或老化的问题。此夕卜，为了增加电流感测器I的灵敏度，微机电系统结构层13上会设置多圈的线圈11，但由于通电时线圈11的功率消耗，微机电系统结构层13会发热导致温度上升及热应力作用，而对电流感测器I的作动造成影响。因此，如何提供一种不需供电即能进行感测的无源式交流电流感测器，其结构层能够抵抗疲劳或老化问题的发生，并且可避免因设置多圈的线圈产生的结构层发热现象对感测造成影响，已成为重要课题之一。
发明内容
有鉴于上述课题，本发明的目的为提供一种不需供电即能进行感测的无源式交流电流感测器，其结构层能够抵抗疲劳或老化问题的发生，并且可避免因设置多圈的线圈产生的结构层发热现象对感测造成影响。为达上述目的，依据本发明的一种无源式交流电流感测器，感测ー载流导体的电流。无源式交流电流感测器包括一基板、一磁性体、至少ー线圈以及一第一測量电路。基板具有一弾性结构层；磁性体对应载流导体设置于基板的ー侧，线圈设置于基板，且对应环绕磁性体。第一測量电路与线圈连接。其中，当磁性体受到载流导体磁场的作用而与线圈相对运动吋，线圈产生ー感应电动势，第一測量电路测量感应电动势，并据以输出一第一感测信号。在一实施例中，基板可为单晶硅基板。在一实施例中，弹性结构层可为悬浮结构层。在一实施例中，线圈可由金属薄膜构成。
在一实施例中，无源式交流电流感测器还可包括一绝缘层，设置于基板与线圈之间。在一实施例中，无源式交流电流感测器还可包括一信号传送单元，其与第一測量电路连接。较佳地，无源式交流电流感测器还可包括一压电元件，设置于基板。其中，压电元件、磁性体及弹性结构层构成一压电式能量获取器，当磁性体受到载流导体磁场的作用而产生静磁力施力于弹性结构层，弾性结构层产生的应力作用使压电元件两端产生电位差，以提供能量予信号传送单元。在一实施例中，无源式交流电流感测器还可包括一压电元件及一第二測量电路，设置于基板。第二測量电路连接压电元件，当磁性体受到载流导体磁场的作用而产生静磁力施力于弹性结构层，弾性结构层产生的应力作用使压电元件两端产生电位差，第二測量电路测量压电元件两端的电位差，并依据压电元件的电位差输出ー第二感测信号。在一实施例中，压电元件可由压电薄膜构成。承上所述，本发明的无源式交流电流感测器系通过欲测量的载流导体对磁性体产生的静磁力以及悬浮结构的弾性，使磁性体相对于线圈作振荡运动，再測量线圈上产生的感应电流，其非接触式的电流感测方式，可避免影响欲感测的系统。再者，与现有相较，本发明的无源式交流电流感测器不需外部供电而可在电カ的供应上自给自足，也不须设置多圈线圈来増加灵敏度，因而可防止载流线圈的功率消耗造成弾性结构层的发热现象，影响感测时的作动。并且，通过单晶硅材料的弾性结构层，能够抵抗长久运作下疲劳或老化问题的发生。此外，本发明还可利用压电元件与磁性体及弾性结构层的结合，构成压电式能量获取器以产生能量并自行供电至信号传送单元，以使整体无源式交流电流感测器不需外部供电即可独立感测电流并传送感测結果，进而提升无源式交流电流感测器安装上的便利性。抑或是，通过压电元件与磁性体及弾性结构层应用于第二測量电路，使无源式交流电流感测器同时具有电磁式及压电式的电流感测机制，因此可达到提高无源式交流电流感测器灵敏度并扩大其应用范围的功效。
图I为一种现有的电流感测器的不意图；图2A为本发明第一较佳实施例的一种无源式交流电流感测器的俯视部份示意图；图2B为沿图2A无源式交流电流感测器的剖面线A-A的剖面示意图3A为本发明第二较佳实施例的无源式交流电流感测器的俯视示意图；图3B为沿图3A无源式交流电流感测器的剖面线B-B的剖面示意图；图4A为本发明第三较佳实施例的无源式交流电流感测器的俯视示意图；以及图4B为沿图4A无源式交流电流感测器的剖面线C-C的剖面示意图。其中，附图标记说明如下I:电流感测器11、23、33、43 :线圈12 :压阻性元件
13 :微机电系统结构层2、3、4 :无源式交流电流感测器21、31、41 :基板211、311、411 :弹性结构层22、32、42 :磁性体24、34、44 :第一测量电路25 :绝缘层36 :信号传送单元37、47:压电元件48 :第二测量电路A-A、B-B、C-C :剂面线CC:载流导体FL:劳伦兹力SI、SIl :第一感测信号SI2 :第二感测信号
具体实施例方式以下将參照相关图式，说明依本发明较佳实施例的一种无源式交流电流感测器，其中相同的元件将以相同的參照符号加以说明。图2A为本发明第一较佳实施例的一种无源式交流电流感测器2的俯视部份示意图，图2B为沿图2A无源式交流电流感测器2的剖面线A-A的剖面示意图。如图2A及图2B所示，无源式交流电流感测器2用以感测一载流导体CC的交流电流，无源式交流电流感测器2包括一基板21、一磁性体22、至少一线圈23以及一第一测量电路24。基板21具有ー弹性结构层211。其中，基板21可为单晶硅基板，弹性结构层211可为悬浮结构层，具有微悬浮结构。通过微机电制程对单晶硅基板进行体型加工(bulkmicromachining),可制作出具有微悬浮结构的单晶娃弹性结构层211,悬浮结构为悬浮可摆动(例如上下方向)的弾性结构，可例如但不限于包括悬臂梁(cantilever)、横梁(beam)、薄板(membrane)、微流道(channel)、孔穴(cavity)、微接头(joint or hinge)、连杆(link)、曲柄(crank)、齿轮(gear)、齿条(rack)、弹簧(spring)等元件,这些微悬浮结构的元件尺寸皆可小至微米。值得ー提的是，相较于一般多晶硅或非晶硅的结构层常具有缺陷，容易因应力作用产生裂缝，弾性结构层211由于采用单晶硅材料，单晶硅材料具有良好的机械性质且无内部缺陷，因此更能抵抗长时间的应力作用所造成的疲劳或老化问题。磁性体22对应载流导体CC设置于基板21的ー侧。磁性体22为可以产生磁场的物体，例如为永久磁铁。值得特别说明的是，虽图式中未有绘示，磁性体22摆放的位置或高度可依需求而调整，例如也可置于基板21远离载流导体CC的另ー侧，或者全部或部分嵌入基板21中，此应为发明领域具有通常知识者能轻易思及的变化，仍应在本发明揭露的概念中。至少ー线圈23设置于基板21，线圈23于基板21对应环绕磁性体22。线圈23可由可导电的金属薄膜构成，以缩小整体无源式交流电流感测器2的体积。于此，以具有ニ圈线圈23为例，然而本发明并不限制线圈23的设置数量，可依无源式交流电流感测器2的灵敏度需求增减线圈23数量，也可仅设置単一个线圈33 (如图3A及图3B所示)。另外，本实施例中的无源式交流电流感测器2还可包括一绝缘层25，设置于基板21与线圈23之间，其用意在于将基板21与线圈23电性隔离，绝缘层25的材料可例如为橡胶类高分子、塑料或陶瓷绝缘体等。 第一測量电路24与线圈23连接，当磁性体22受到载流导体CC通电时周围磁场的作用，而与线圈23相对运动时，线圈23会因此产生ー感应电动势，驱使线圈23内的电子移动产生感应电流。第一測量电路24可通过测量线圈23得到的感应电动势、或感应电流加以运算，输出一第一感测信号(Induction Signal) SI0详而言之,通过载流导体CC的交流电流具有ー时变的电场，其周围会产生ー时变的磁场，无源式交流电流感测器2的磁性体22因上述时变的磁场的作用而受到一往复的静磁力，磁性体22的受カ进而带动弹性结构层211与线圈23的相对运动,使磁性体22相对于线圈23来回振荡(oscillating),根据电磁感应定律,线圈23内部会生成电动势驱使感应电流流动，第一测量电路24即可依据测量到的感应电动势或感应电流，输出第一感测信号SI。请參考图3A及图3B所示，其中图3A为本发明第二较佳实施例的无源式交流电流感测器3的俯视示意图，图3B为沿图3A无源式交流电流感测器3的剖面线B-B的剖面示意图，在本实施例中，无源式交流电流感测器3除了具有与上述第一较佳实施例的无源式交流电流感测器2相似的结构外，还可包括一信号传送单元36，其与一第一測量电路34连接。第一測量电路34输出的第一感测信号SI可通过信号传送单元36以有线或无线信号的形式传送至控制电脑或感测装置，以增加感测电流时的便利性。另外，为了使信号传送单元36具有足够的电能发送无线信号，无源式交流电流感测器3还可包括一压电元件37，设置于基板31的另ー侧(与线圈33同侧)。压电元件37可由一层压电薄膜构成，其压电材料可例如但不限于为锆钛酸铅(PZT)、聚氟こ烯(PVDF)、氧化锋(ZnO)或罗德盐(Rochelle salt, potassium sodium tartrate)等。受到机械应力作用时，压电元件37会发生形变，且其两端会伴随产生与应カ大小成比例的电荷。于此，压电元件37、磁性体32及弾性结构层311共同构成ー压电式能量获取器，其获取振动能量并转换成电能，以供应信号传送单元36电量以发送信号。具体而言，磁性体32受到载流导体CC磁场的作用而产生静磁力施力于弹性结构层311，弹性结构层311产生的应力作用于压电元件37，将使得压电元件37两端产生电位差，即可提供能量予信号传送单元36，达成可自我供电的功效。值得特别说明的是，本实施例图式中绘示磁性体32嵌入基板31中，惟磁性体32摆放的位置或高度可依需求而调整，例如也可置于基板31靠近载流导体CC的一侦牝或者可置于基板31远离载流导体CC的另ー侧，此应为发明领域具有通常知识者能轻易思及的变化，仍应在本发明揭露的概念中。值得特别说明的是，压电元件37、磁性体32及弾性结构层311除了可共同构成ー压电式能量获取器之外，还可应用于ー第二測量电路，用以提高无源式交流电流感测器3的灵敏度。如图4A及图4B所示，其中图4A为本发明第三较佳实施例的无源式交流电流感测器4的俯视示意图，图4B为沿图4A无源式交流电流感测器4的剖面线C-C的剖面示意图，本实施例中，无源式交流电流感测器4包括磁性体42及弾性结构层411，且第二测量电路48系连接至压电元件47，其详细作动如下。当磁性体42受到载流导体CC磁场的作用而产生静磁力施力于弹性结构层411，弹性结构层411产生的应力作用使压电元件47两端产生电位差，第一測量电路44线圈43的感应电动势，据以输出第一感测信号SIl ;第二測量电路48则测量压电元件47两端的电位差，并据以输出第二感测信号SI2，故第二測量电路48的设计可让无源式交流电流感测器4的感测灵敏度获得提升。综上所述，本发明的无源式交流电流感测器系通过欲测量的载流导体对磁性体产生的静磁力以及悬浮结构的弾性，使磁性体相对于线圈作振荡运动，再測量线圈上产生的 感应电流，其非接触式的电流感测方式，可避免影响欲感测的系统。再者，与现有相较，本发明的无源式交流电流感测器不需外部供电而可在电カ的供应上自给自足，也不须设置多圈线圈来増加灵敏度，因而可防止载流线圈的功率消耗造成弾性结构层的发热现象，影响感测时的作动。并且，通过单晶硅材料的弾性结构层，能够抵抗长久运作下疲劳或老化问题的发生。此外，本发明还可利用压电元件与磁性体及弾性结构层的结合，构成压电式能量获取器以产生能量并自行供电至信号传送单元，以使整体无源式交流电流感测器不需外部供电即可独立感测电流并传送感测結果，进而提升无源式交流电流感测器安装上的便利性。抑或是，通过压电元件与磁性体及弾性结构层应用于第二測量电路，使无源式交流电流感测器同时具有电磁式及压电式的电流感测机制，因此可达到提高无源式交流电流感测器灵敏度并扩大其应用范围的功效。以上所述仅为举例性，而非为限制性者。任何未脱离本发明的精神与范畴，而对其进行的等效修改或变更，均应包含于后附的申请专利范围中。
权利要求
1.一种无源式交流电流感测器，用于感测一载流导体的电流，该无源式交流电流感测器包括 一基板，具有一弹性结构层； 一磁性体，对应该载流导体设置于该基板的一侧； 至少一线圈，设置于该基板，该线圈对应环绕该磁性体；以及 一第一测量电路，与该线圈连接； 其中，当该磁性体受到该载流导体磁场的作用而与该线圈相对运动时，该线圈产生一感应电动势，该第一测量电路测量该感应电动势，并据以输出一第一感测信号。
2.如权利要求I所述的无源式交流电流感测器，其中该基板为单晶硅基板。
3.如权利要求I所述的无源式交流电流感测器，其中该弹性结构层为悬浮结构层。
4.如权利要求I所述的无源式交流电流感测器，其中该线圈由金属薄膜构成。
5.如权利要求I所述的无源式交流电流感测器，还包括 一绝缘层，设置于该基板与该线圈之间。
6.如权利要求I所述的无源式交流电流感测器，还包括 一信号传送单元，与该第一测量电路连接。
7.如权利要求6所述的无源式交流电流感测器，还包括 一压电兀件，设置于该基板； 其中，该压电元件、该磁性体及该弹性结构层构成一压电式能量获取器，当该磁性体受到该载流导体磁场的作用而产生静磁力施力于该弹性结构层，该弹性结构层产生的应力作用使该压电元件两端产生电位差，以提供能量予该信号传送单元。
8.如权利要求I所述的无源式交流电流感测器，还包括 一压电元件，设置于该基板；以及 一第二测量电路，连接该压电元件，当该磁性体受到该载流导体磁场的作用而产生静磁力施力于该弹性结构层，该弹性结构层产生的应力作用使该压电元件两端产生电位差，该第二测量电路测量该压电元件两端的电位差，并依据该压电元件的电位差输出一第二感测信号。
9.如权利要求7述的无源式交流电流感测器，其中该压电元件由压电薄膜构成。
10.如权利要求8所述的无源式交流电流感测器，其中该压电元件由压电薄膜构成。
全文摘要
本发明公开了一种无源式交流电流感测器，用于感测一载流导体的电流，无源式交流电流感测器包括一基板、一磁性体、至少一线圈以及一第一测量电路。基板具有一弹性结构层；磁性体对应载流导体设置于基板的一侧，线圈设置于基板，且对应环绕磁性体。第一测量电路与线圈连接。其中，当磁性体受到载流导体磁场的作用而与线圈相对运动时，线圈产生一感应电动势，第一测量电路测量感应电动势，并据以输出一第一感测信号。
文档编号G01R19/00GK102735900SQ201210090978
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月30日 优先权日2011年4月1日
发明者张恒中, 谢协伸, 锺廷翊 申请人:台达电子工业股份有限公司