集成在PCB中的尼尔效应隔离式DC/AC电流传感器的制作方法
本发明涉及用于一种测量磁场的装置，尤其涉及一种用于测量初级导体的直流和/或交流电流的装置。本发明的领域是磁场的测量(磁力计)或经由其磁场的电流的测量(非接触式电流变换器)。
在dc电流传感器领域，众所周知，“分流器”对干扰电流具有很强的抗扰度，并且可以精确地测量电流，但他们不是自然隔离的。分流器的使用需要隔离电子器件，该电子设备通常昂贵且笨重，并且在恶劣环境中(特别是在高温)不是非常坚固的。对于高压应用(>50v)，存在一些具有光学隔离的解决方案。通常，用于测量的材料是一种电阻率具有近似零的恒定热漂移的材料(例如康铜)。有时直接使用铜，因此有必要提供热漂移补偿，这使得测量更复杂并且通常使其更不准确。在分流器的缺陷中，应注意由焦耳效应引起的电压降和功率耗散。对于1000a的传感器，通常存在10μω的电阻并且因此存在10w的热耗散。结果之一是由于分流器的自发热，很难在紧凑型系统中使用分流器。
通常，分流器也相当大以允许适当的散热而不超过其最高温度。
最后，分流器由于自感效应而具有非常有限的带宽，除了非感应分流器外，除一些非常罕见的计量应用之外非感应分流器的体积、重量和成本是非常高昂的。
开环霍尔效应传感器精度低并且对干扰电流非常敏感。为了提高其抗扰度，经常使用磁屏蔽，这引入了额外的缺陷：它具有很强的剩磁性能，并且会随时间和温度而变化。
零磁通霍尔效应传感器是精确的并且基于用作磁屏蔽和场准直器的磁芯的使用。然而，它们随时间和温度也受剩磁漂移的影响。由于存在导磁通量以及屏蔽所需的磁性材料芯，因此它们又大又笨重。铁磁芯通常会限制高温下的运行极限。
磁通门技术非常灵敏和准确，但由于其磁性材料的高磁导率而对串扰和扰动环境极其敏感。然后，该技术需要沉重且体积大的屏蔽解决方案以防止变换器芯在磁场的影响下局部饱和。
gmr(巨磁阻)和/或amr(各向异性磁阻)、或者甚至tmr(隧道磁阻)技术在利用零通量原理时是相对敏感和准确的。除了补偿线圈之外，它们能够容易地集成在集成电路中，这会给强磁场造成问题并且因此限制了电流的适用范围。因此，它们对串扰现象相对敏感，并且由于变换器的铁磁性质它们还显示出其磁偏移的漂移。
光纤电流传感器(focs)基于法拉第效应。它们在测量非常高的电流(高达600ka)方面提供了非常好的性能。当在零通量下运行时，它们对串扰具有出色的抗干扰性以及优异的性能。零通量导致高电流的高功耗。然而，由于它们体积较大并且需要围绕初级导体，focs不能满足集成要求的先验条件。
变压器类型的电流传感器(具有空气芯的“罗柯夫斯基”型或具有磁芯的ct)对于串扰具有相对低的灵敏度，但它们不允许测量dc分量。
此外，对于所使用的大多数技术，初级电压的突然变化(dv/dt)导致寄生电流的注入，这在传感器的电子器件水平上可能是禁止的(在测量级处于最佳饱和状态、在破坏最严重的情况下)。在分流器的情况下特别敏感。因为在初级导体外部的环面中进行磁场测量，某些技术(例如变压器(ct、罗柯夫斯基或霍尔或磁通门))允许使用静电屏蔽。
尼尔效应是非常准确的。尼尔效应(neel
基于直接在母线上或甚至在母线内的测量结果，描述了尼尔效应传感器的紧凑的拓扑结构，以允许即使在零通量下运行也可以显著降低功耗(法国专利申请no.1158584和no.1162100)。然而，利用这些拓扑，除了增加静电屏蔽并且具有高的抗串扰性之外，难以确保在电压下的良好耐受强度。
法国专利申请no.1552694也是已知的，其基于使用iphp转换组件以及由两个反向平行安装的差分对组成的场变换器描述了尼尔效应传感器的紧凑的拓扑结构。
本发明的目的是通过使现有的尼尔效应传感器更紧凑并用于宽的带宽来改进现有的尼尔效应传感器。
本发明的另一目的是提供了允许线性测量并在宽频率范围内具有低的热漂移的电流传感器。
至少一个目的是利用电流传感器实现的，所述电流传感器包括至少一个用于传导待测电流的初级电路，以及包括至少四个尼尔效应变换器的次级电路，每个尼尔效应变换器由线圈和超顺磁芯构成。根据本发明，电流传感器的设计基于印制电路，初级电路包括由同一金属构成的至少两个不同的金属轨道，至少两个不同的金属轨道通过由与金属轨道相同的金属所构成的至少两个通孔连接在一起。
“通孔”(或“垂直互连通路”)意指两层印制电路之间的电连接。
特别地，根据本发明的两个通孔分别构成两个通孔之间的均匀的电流分布区域的输入和输出。
根据本发明的电流传感器使得可以在整个频率范围内线性地并且以低的热漂移来进行测量。
本发明可以通过可选地引入电流分流效应来实现将待测电流转换为磁场。为此可以使用：
-产生与线圈的轴线基本正交的磁场的金属轨道或导电板，这将因此不会有助于测量，以及
-产生与线圈的轴线基本共线的磁场的金属轨道或导电板，这将因此有助于测量。
因此，变换器实现了电流传感器的设计能力，允许在零通量下运行，包括在非常高的电流水平下(>10a、高达100a、或甚至1000a、或甚至10ka及以上)。
使用印制电路板制造工艺来制造初级导体是有益的，既可以在pcb中使用铜条和插入件，也可以在pcb中直接使用铜条和插入件，或者将二者结合使用。
根据本发明，包括在各种主条之间使用无焊(特别是镀铜)金属结合的所述制造的益处在于消除了引入随时间(老化)或温度变化而变化的寄生现象的接触电阻的概念。有利地，该金属结合剂无需钎焊即可产生，例如，电化学产生结合剂。
事实上，当使用分流器(例如根据本发明的两个金属轨道)以产生待测磁场时，分流比必须与温度以及电流水平无关。当分流比取决于温度时，引入了温度增益漂移。当分流比取决于电流水平时，引入了非线性。
根据本发明的电流传感器使得可以测量dc和/或ac电流。优选地，尼尔效应变换器都基本相同。金属轨道也基本相同。
实际上并且有利地，根据本发明的电流传感器可以用作连接到处理单元并由处理单元控制的变换器。可以设想各种类型的连接和各种类型的测量模式。
根据本发明的有利特征，初级电路为印制电路的多层导体。
本发明提高了电流传感器的集成能力以降低空间需求，并且直接在印制电路中进行测量。
根据本发明的另一有利特征，尼尔效应线圈是围绕细长芯缠绕的螺线管，整体作为组件嵌入印制电路中。
为了进一步改善集成，设想了与印制电路技术完全兼容的电流传感器设计。为此目的，可以设想每个尼尔效应换能器是在印制电路中制造的扁平线圈。该组件布置在同一个印制电路中。
芯是由分散在橡胶或刚性热塑性基质中的金属氧化物的纳米颗粒所构成的复合材料，因此所述芯的行为在使用温度下是超顺磁性的。
选择基质以不干扰纳米颗粒的磁性性质。例如，仅基质材料本身即为抗磁性的。优选地，基质是热固性材料(例如酚醛塑料、氨基塑料、环氧树脂、饱和或不饱和聚酯、线性或交联聚氨酯、醇酸树脂)、弹性体材料(例如聚硅氧烷或合成橡胶)或热塑性材料(例如聚乙烯材料、聚氯乙烯、聚乙酸乙烯酯、聚乙烯醇、聚苯乙烯和共聚物、丙烯酸聚合物、聚烯烃、纤维素衍生物、聚酰胺、氟化聚合物、聚碳酸酯、聚缩醛、聚亚苯基氧化物、聚砜、聚醚砜、亚苯基多硫化物、聚酰亚胺)。对于在非常高的温度下的应用，基质也可以由陶瓷材料制成。根据作用在芯上的机械应力和热应力，可以使用例如用玻璃纤维来加固基质。金属纳米颗粒可以使用表面活性剂(例如羧基脂肪酸，如油酸或烷基双膦酸盐)在其近端螯合来稳定。
在第一实施例中，将芯预制成与pcb的厚度一致的壳体的尺寸。例如，通过模制、或通过pcb的穿孔或机械加工来制造壳体。基质随后可以由上面所列出的所有材料构成，并且可以通过本领域技术人员公知的方法预制复合材料。
在第二实施例中，使用称为“树脂填充”工艺的方法和设备，在pcb中制造的壳体中原位制造芯。从上面给出的用于基质的所有材料的列表中，本领域技术人员将随后选择与“树脂填充”方法兼容的材料，例如双组分树脂或更普遍的那些在紫外线下或加热时交联的材料。
优选地，每个超顺磁芯由环氧树脂制造的基质组成。
有利地，四个尼尔效应变换器可以构成两个反向平行安装的差分对。
根据本发明的有利实施例，电流传感器还包括至少一对变换器，其在没有磁芯的情况下缠绕，并相对于两个金属轨道中的单个呈差分布置。
这样的配置使在可以在非常宽的频带中执行组合的dc和ac测量。为了实现高频组合测量，可以重复使用具有超顺磁芯的其他线圈。然而，为了在精度方面改善性能，可以有利地使用至少两个基本相同且具有差分安装的附加线圈。这些线圈不包括超顺磁芯并且位于不经历分流效应的导体附近。
根据本发明，所述金属轨道可以是在印制电路的同一层上制造的具有基本相同的宽度的轨道。此外，所述金属轨道可以是在印制电路的几层上制造的具有基本相同的厚度的轨道。
导体受到高频集肤效应影响，这使得电流线变形并且除非使用常规的电流变压器，否则难以测量交流电(ac)。通过考虑根据本发明的金属轨道的宽度和厚度，可以在大的电流变化di/dt时进行测量。
根据本发明的有利实施例，金属轨道是印制电路产生以产生双差分场分布的轨道。
特别地，初级电路能够由在一层或更多层上产生的两个金属电路构成，第二电路的形状通过相对于第一电路的轴对称操作而获得。
根据本发明的实施例，电流传感器可以包括彼此相对的至少两个初级电路，每个初级电路在印制电路的不同层上产生并由几个金属轨道构成，尼尔效应变换器是布置在两个初级电路之间具有超顺磁芯的扁平线圈。它还可以包括分别布置在尼尔效应变换器和初级电路之间的层上的两个静电屏蔽件。
电流传感器可以包括分别在初级导体和测量线圈之间插入导电电路层。
根据本发明的实施例，所述至少两个初级电路通过在至多一端处连接在一起而被两个不同的电流穿过。这使得可以进行差分测量。
根据本发明的实施例，初级电路的金属轨道可以设计为串联布置的匝的形式。然后可以测量10a、或1a、或0.1a、或10ma、或甚至1ma或更小的初级电流。
根据本发明，每个通孔可以由铆钉、管或电解沉积物组成。
根据本发明的另一方面，提出了用于在印制电路中制造尼尔效应变换器的方法，所述方法包括以下步骤：
-在印制电路中制造壳体，
-在壳体中插入以所述壳体的尺寸预制的芯，
-围绕芯制造线圈。
还可以提供用于在印制电路中制造尼尔效应变换器的方法，所述方法包括以下步骤：
-使用称为“树脂填充”的技术在印制电路中制造壳体，
-将原位制造的芯插入壳体，
-围绕芯制造线圈。
通过对绝非限制性的实施例的详细描述并从附图中可知，本发明的其他优点和特征将变得显而易见，其中：
-图1是根据本发明的连接到导体并与处理单元相连的电流传感器的示意图，
-图1bis是根据本发明的传感器的示意图，该传感器在例如78的功率逆变器的馈线7、8上制造，并整体集成在印制电路中，
-图2是根据本发明的电流传感器在差分测量配置中的俯视图，其中初级电流在初级导体中循环，
-图3示出了宽带配置的示例，所述宽带配置具有用于ac测量的四个带有超顺磁芯的线圈和两个无芯线圈，
-图4示出了完整层的示例，其中导体由印制电路的轨道组成，该完整层被开槽以提高根据本发明的电流传感器的带宽，
-图5a和5b示出了单层双差分结构的示例，图5a示出了初级导体并且图5b示出了测量线圈，
-图6a、6b和6c示出了dc和ac宽带结构的示例；图6a示出了在扁平线圈的轴线处产生了双差分场分布的第一初级层；图6b示出了对奈尔(neel)测量具有分流效应的第二初级层，其在奈尔线圈(neelcoils)的轴线处不创建场，因此对罗柯夫斯基线圈(rogowskicoils)没有分流效应；图6c示出了底部的四个奈尔线圈和顶部的四个空气线圈，
-图7是根据本发明的包括静电屏蔽件的四极传感器的侧视图，
-图8是图7中的传感器与金属电路在一端连接以形成三极传感器的视图，并且
-图9是在两个不同层上串联连接的两个扁平线圈的示意性表示。
将在下文中描述的实施例决不是限制性的；本发明的变型仅包括对于下文所描述的特征的选择，与所描述的其他特征分离，如果这种特征选择足以赋予技术优势或者将本发明与现有技术区分开，则所述变型能够实现。这种选择包括至少一个特征、优选地为功能性的特征，没有结构细节或仅具有结构细节的一部分，如果仅这部分就足以赋予技术优势或者将本发明与现有技术区分开。
特别地，如果从技术观点来看不反对这种组合，可以将所描述的所有变型和所有实施例组合在一起。
图1示出了连接到两个导体2和3的电流传感器1的横截面图。这些导体形成电路的一部分，待测电流通过该电路。根据本发明的电流传感器在没有任何连接器的情况下在pcb中使用，其包括了其他电子功能(例如逆变器)，或者通过两个可拆卸的金属紧固件4和5(例如螺钉)电连接到导体2和3。因此，电流传感器构成允许电流从一个导体流到另一个导体的桥。
电流传感器1由印制电路6构成，在该印制电路中制造两个金属轨道7和8，构成待测电流通过的初级电路。这是在印制电路中产生的两个铜轨道。它们是相同的，布置在两个不同的层上并通过印制电路通孔9和9bis连接在一起。这些通孔9和9bis可以为由与两个轨道相同的金属的电解沉积物、铆钉和管，无需焊接即可将两个轨道电连接在一起。
金属轨道的尺寸取决于电流水平。电流越高，金属轨道的尺寸越大。但是，设想使用大约5a/mm2到10a/mm2而不超过20a/mm2的电流密度。宽度还取决于层数和可用的铜厚度。对于大电流(>100a)，可以利用称为“powerpcb”的新设计工艺，其轨道厚度达到200μm、或甚至400μm、或甚至1mm及更厚。
示出了尼尔效应(neeleffect)变换器10和11，即具有超顺磁芯的线圈。
处理单元14远程地设置，并通过测量电缆15连接到电流传感器，用于控制尼尔效应变换器并确定电流的值。
图1bis示出了根据本发明设置在功率逆变器78的馈线7、8上的电流传感器7、8、9、9bis、10、11，其整体集成在印制电路中。在该示例中，集成逆变器的馈线有利地用于产生第二轨道和通孔。变换器10和11使得可以检测磁场，以从中推导出电流。
仅示出了两个线圈10和11，但是另外两个线圈12和13在深度上位于印制电路的同一层上。四个线圈是扁平线圈，在图2中的俯视图可见。示意性地示出了在四个线圈10、11、12和13上方并且带有测量电流ip的金属轨道7。
四个线圈基本上全部相同以便允许更好地抑制干扰。能够设想如图2中所示的纯差分配置以便允许在常规的铜条上进行测量。在该配置中，在两个右手侧线圈10和11中，磁场是相同的，而在两个左手侧线圈12和13中，磁场是相反的。金属轨道不覆盖线圈的芯，因此布置在两侧。
超顺磁性材料设置在扁平线圈内的空腔中。
关于材料，可以考虑两个设计选项：
-基于“pcb嵌入式”组件的原理将芯插入印制电路中，在这种情况下，芯的基质可以是环氧树脂、陶瓷或其他类型的复合材料，
-通过“树脂填充”类型的方法将芯添加到印制电路中，包括在常规印制电路的设计过程中直接包括材料。在这种情况下，芯的基质可以是环氧树脂或其他树脂。
可以重复使用上述四个线圈以进行高频组合测量。然而，为了在精度方面改善性能，可以有利地使用基本相同且具有差分安装的至少两个附加线圈17和18。这些线圈不包括超顺磁芯并且位于不受分流效应影响的导体19附近。在图3中示出了非限制性解决方案的示例。
这示出了与图2中相同配置的具有超顺磁芯10到13的四个线圈，其具有含有两个轨道的初级电路，仅示出了其中的轨道7。连接装置20和21对应于通孔9和9bis以确保各层之间电流的良好分布。
单个导体19完成传导待测电流的初级电路。该导体19连接至两个轨道7和8的组件。特别地，这可能是两个轨道之一的连续性的问题。因此，导体2和3将一方面连接到导体19、另一方面连接到两个轨道7和8。
在解决方案的有利配置中，尤其是为减少集肤效应现象(可能减小传感器的带宽)，初级电路或导体由具有相同宽度和相同厚度的几个印制电路轨道组成。这些轨道随后可以如图4中所示彼此平行设置在同一层印制电路上，或者叠加在几层上，或者两者都有；对于每个轨道必须设置第二轨道，通过至少两个通孔连接到所述第二轨道。
为了提供对外场的有效抑制，可以有利地使用双差分结构以便改善对外场的抑制。在这种情况下，调整初级导体的形状以适于产生与双差分结构兼容的场分布，例如扁平形状的测量线圈。在图5a和5b中示出了实施例示例。在图5a中，初级电路由在同一层上制造的两个金属电路22和23构成，第二电路23的形状通过相对于第一电路22的轴对称操作获得。作为示例，图4中的电路可以有利地用作通过通孔(两图中的圆圈)连接到图5a中的电路的第二轨道。
在本例中，第一金属电路22总体上呈线圈状或“s”形状，并且第一金属电路22和第二金属电路23的组合显示了在印制电路中未被覆盖的区域。这些区域用“+”和“-”符号表示，表示由布置在印制电路的另一层上具有超顺磁芯的线圈所创建的磁场的轴线的方向和定位。这些线圈在图5b中示出并且构成两个反向平行安装的差分对。
这种拓扑结构可以有利地用于尼尔效应和罗柯夫斯基测量，使用八个扁平线圈，其中四个装载有超顺磁芯、四个装载有空气(没有超顺磁芯)。
优选地，在空气线圈的水平上不使用分流效应，以提高带宽和灵敏度。在图6a、6b和6c中示出了非常宽的带dc和ac的实施例示例。图6a示出了在扁平线圈的轴线处创建双差分场分布的第一初级层24。该第一层由四个成对对称的金属电路构成。
图6b示出了对尼尔测量具有分流效应的第二初级层25，其在具有超顺磁芯的线圈的轴线处不会产生磁场而对罗柯夫斯基(空气)线圈没有分流效应。该第二层由四个成对对称的金属电路构成。
在图6a和6b中，允许在两个层之间分配电流的通孔是分布在两个层上的小圆圈。
在图6c中，具有超顺磁芯的四个线圈位于底部，四个空气线圈位于顶部。
根据本发明，初级导体可以有利地由若干极构成以便产生更线性或更差分的传感器。例如在图7中，第一正极26位于测量线圈28的平面上方的平面中，并且第二负极27位于测量线圈的平面下方的平面中。设置在初级极26、27和测量线圈28之间的绝缘材料的厚度可以根据所需的绝缘电压的变化进行调节。该厚度可以有利地由介电层构成，以便提高电压下的耐受强度。导电层29、30也可以有利地引入到初级磁极26、27和线圈28之间，以便提供法拉第笼型的静电屏蔽件。因此，图7示出了具有两个电流ip1、ip2以及两个静电屏蔽件29和30的四极配置。传感器可以以这样的方式设计使得由电流ip1和ip2在测量线圈的水平处所产生的磁场是相长的或相消的。因此可以做出制造共模或差模电流传感器的决定。在有利的组合中，可以使用相长组合以改善传感器的线性度。实际上，在测量线圈中磁场的均匀性得到了改善，并且这使得传感器的线性度得以改善。在该组合中，随后使用其他通孔来连接磁极26和27的导体。在另一有利的组合中，可以在以共模或差模连接的空气线圈的端子处同时测量emf，以便构成测量共模和差模初级电流的交流分量的“二合一”传感器。
在图8中，电路26和27的两端通过通孔31连接在一起，以构成至少三个极26、27和32(金属轨道)并且允许差分和/或共模测量。
上述原理可适用于测量孤立的电位差。为此，使用包括通过具有高电阻的电阻器和通过根据本发明的电流传感器来转换小电流的原理。然后有利的是，使用初级电路来构成大量串联而非并联布置的匝，以便放大(增强)线圈中的待测磁场。串联的匝的配置如图9中所示。线圈中心的场与电流乘以匝数/层数并乘以层数成比例。
当然，本发明不限于刚刚描述的示例，并且可以在不超出本发明的范围的情况下对这些示例进行许多调整。根据本发明的电流传感器可以完全集成在印制电路中，并且可以用于测量同样在印制电路中制作的电子装置的电流。例如，电子装置可以是在印制电路上制造的逆变器，根据本发明的电流传感器基于来自逆变器的一个相的输出的两个轨道而设计。根据本发明的电流传感器可以基于印制电路的任何供电电路的两个金属轨道而设计。
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