磁场电流传感器、传感器系统和方法_2

文档序号:9303685阅读:来源:国知局
所必要的。在图1-3的实施例中,支撑结构110通常 是方形或矩形,并且其尺寸可以是大约(约)20毫米(mm)X(约)20mmX(约)1.5mm,但这 仅是一个示例,并且支撑结构110可以在其它实施例中更窄、更宽、更长、更短、更厚、更薄、 或被不同成形,如可以是小孔150。在实施例中,小孔150可以被定大小以容纳导体140,使 得小孔150的直径被定大小(例如,约13mm)通常大于导体140的直径(例如,约10_)。例 如,在实施例中,可以有利的是,在小孔150内在中心布置导体140,由此诸如非导电和非磁 套管(未描绘)的置于中心的器件可以用于形成在导体140周围的隔离屏障,以保护导体的 中心放置。
[0038]在传感器系统100中,支撑结构110的大平面(即在图2的取向中面向上的xy平 面表面)相对于导体140的长度垂直布置(例如,垂直于导体140中的主要电流流动方向,或 平行于导体140的直径横截面)。传感器120在实施例中被布置在表面112上,并且每一个 传感器120自身可以包括管芯和至少两个磁场传感器元件,其耦合到管芯(在图1-3中不可 见)或被布置在管芯上。尽管在本文中通常被称为管芯,但术语"管芯"相对于所有实施例 和/或权利要求的范围不是限制性的。在各种实施例中,管芯可以包括衬底、管芯、组件板、 电路板、其组合或能够建立和/或维持磁传感器元件相对于彼此和/或至少一个其它组件 的相对放置的一些其它支撑结构。例如,在其它实施例中,传感器120也可以包括传感器封 装或特定于应用或系统要求的其他配置。在实施例中,支撑结构110可以还包括以下电路, 诸如:专用集成电路(ASIC)、微处理器、和/或用来接收和处理与传感器120相关联的输出 信号的其它电路。在其它实施例中,该电路可以以其它方式耦合到系统100或位于除了支 撑结构110以外的组件之中或之上。
[0039] 在实施例中,每一个传感器120包括至少两个传感器元件,其可以包括配置/和/ 或布置为检测由导体140中的电流流动感应的磁场的至少一个磁场分量的霍尔效应传感 器元件(例如,普通霍尔平板或垂直霍尔效应传感器元件)或者MR传感器元件(例如,TMR、GMR、CMR、AMR等等)和/或一个或多个其它类型的磁场传感器元件或其组合。在实施例中, 传感器120的传感器元件对平行于支撑结构110的xy平面表面112的磁场分量敏感,尽管 这在其它实施例中可以变化。包括MR传感器元件的传感器120均可被配置有平行于彼此 的敏感性平面。此外,可以有利的是,也配置传感器120,使得敏感性平面平行于支撑结构 110的表面112 (S卩,在其上或其中定位传感器120的平面)。
[0040] 如在图1-3中描绘的系统100包括布置在支撑结构110上的三个传感器120,但 在其它实施例中,系统100可以包括更多或更少的传感器120。例如,系统100在其它实施 例中可以包括少至两个的传感器或多至六个或更多的传感器,其中的一些将在本文中更详 细讨论。在系统100中,每一个传感器120可以沿着与导体140的纵向轴同中心的曲线以 360° /N的方位角间距(例如,如在图1-3中对于N=3的0度、120度和240度)在角度上等 距离地分隔开,其中N是表示布置在支撑结构110上的传感器的总数目。例如,如果N=4, 则传感器120可以被布置在0度、90度、180度和270度。仍在其它实施例中,在一些其它 合适的配置中,传感器120不在角度上等距离地分隔开,和/或不沿着与导体140的纵向轴 同中心的曲线布置,尽管一些其它布置与其他布置相比即使在提供在一些实施例或应用中 的特定优点的情况下也可能是较不有利的。一般地,传感器120可以被定大小为大约(约) ImmX(约)lmmX(约)0.2mm,但这仅是一个示例,并且本领域技术人员将认识到传感器120 的大小和配置和/或任何相关的封装或其它组件在不变更本文中讨论的基础感测原理的 情况下一般可以变化,除非另有具体说明。附加地,且如前面提到的,传感器120可以是强 场或弱场磁传感器。
[0041] 在实施例中,磁元件130包括诸如永磁体的磁体,尽管在其它实施例中,磁元件 130可以包括例如磁膏或任何其它合适的磁组件或器件。尽管其材料可以变化,但在一个实 施例中磁元件130可以包括具有约220mT的剩磁的硬铁氧体。磁元件130在实施例中一般 是圆形或环形形状的,并且在一个示例实施例中可以具有约14_的内直径、约18_的外直 径和约2. 5mm的厚度或深度,但关于或在具有系统100的其它组件的情况下,在其它实施例 中这些尺寸可以变化。磁元件130通常具有在约0. 9和约2之间的相对磁导率,这意味着 它不显著改变流过导体的电流的场,但仅在传感器元件120上添加附加的偏置场。特别地, 磁元件130不作为磁通量引导结构或作为磁通量集中器工作。
[0042] 磁元件130可以相对于支撑结构110和传感器120布置,诸如上面如图1-3中描 绘的两者,尽管在其它实施例中系统100的元件的相对布置可以变化,其中传感器120和/ 或磁元件130被布置在支撑结构下方或在一些其他配置中。在实施例中一些调适或修改可 以是必要的,诸如在磁元件130和支撑结构110之间的对接或耦合布置被增加以在以下的 实施例中提供磁元件130到支撑结构110的更牢固附着,在所述实施例中,磁元件130在支 撑结构下方并因此由于重力或其它力的影响而导致更易受分离影响。在其中传感器120保 留在表面112上而磁元件130被布置在支撑结构110下方的配置中,然而,在磁元件130中 感应的涡电流由于在传感器120和磁体132之间的增加的距离而可以具有对传感器120的 输出信号的降低的影响。在实施例中磁元件130的相对位置和放置可以变化,同样地传感 器120的相对布置和取向可以变化。例如,在其它实施例中,磁元件130可以在几何形状上 变化,可以被个别地耦合到每一个传感器120 (下面更详细讨论的实施例)或者可以被布置 在支撑结构110的上方或下方。而且,图1-3中(且此处一般在其他图中)的系统100可以 将不按比例缩放且是简化的概念描绘以图示传感器系统100的实施例的基本组件和特征。
[0043] 磁元件130可以在朝向或远离支撑结构110的中心的方向上放射状地磁化,并且 可以沿着与导体140同中心(例如,一般围绕导体140定中心)的曲线布置。在其它实施例 中,磁元件130可以被部分磁化(S卩,不在其整个体积中磁化)或包括一些其它类型的磁体。 在任何情况下,磁元件130可以被配置为在垂直于由导体140中的电流的流动感应的磁场 的方向的方向上感应偏置磁场,但在如本文中讨论的实施例中可以变化。
[0044] 如描绘的,导体140包括具有一般圆形横截面的电缆、导线和杆,尽管本领域技术 人员将认识到可以期望且可能的是,检测在多种不同类型的导体中的磁场,所述多种不同 类型的导体也可以适合于与系统100的实施例一起使用。例如,导体140可以包括汇流条、 螺纹螺钉、专用螺栓、空心圆柱或在其它实施例中的一些其它器件或结构。如果导体140 包括一般圆形横截面,则它可以是有利的,因为在这样的配置中,电流感应的磁场独立于频 率。例如,在其中导体140的横截面不包括一般圆形结构(例如,指的是图11A-B)或如果使 用多个导体140的实施例中,涡电流可能导致在高频下的传感器120的输出读数中的误差。 一般地,且如前面提到的,导体140自身一般不包括系统100的部分,且预想的是,系统100 可以被配置用于与实质上任何导体配置、放置和应用一起使用。本文中给出的示例仅是可 以是普通的且用于便于说明系统100的基本特征、组件和操作的那些示例。
[0045] 在图3中,在横截面侧视图中示出了磁体132、传感器120和支撑结构110的相对 布置。在实施例中,传感器120到支撑结构110的耦合可以利用各种组装技术来执行,所述 组装技术诸如是如图3中描绘的倒装芯片或其它合适的组装技术。在倒装芯片配置中,在 传感器120和支撑结构110之间经由每一个传感器120的焊料或其它凸起焊盘、球或底层 填料和在支撑结构110的表面112或114之中或之上形成的导电层(例如,导电迹线)来建 立电连接,传感器120被安装在所述支撑结构110的表面112或114上。在其它实施例中, 所描绘的各种组件(例如,传感器120和磁元件130)以及系统100的或系统100中的其它 组件可以被按照惯例安装到支撑结构110 (即,其中它们的后侧或背侧耦合到支撑结构110 的表面或元件),并且可以通过线接合(诸如钉接合或楔形接合(例如,指的是图7))在传感 器120和支撑结构110上的迹线之间进行电连接。与用来安装或耦合传感器120、磁元件 130或其它组件到支撑结构110或与支撑结构110的特别的配置或技术无关,各种组件可还 包括覆盖物,诸如保护性模塑料(未描绘)或用来保护免受环境和/或其它伤害的其它材料 或结构。因此,图3中的传感器元件120也可以是包括传感器元件的表面安装器件(SMD), 无引线(即,经由在封装本体的底部上的焊盘或连接盘进行接触)或具有鸥形翼或引线,在 封装的两个相对边缘上或在围绕封装的周长的全部四个边缘上,或在封装的整个底部表面 上,或者在一些其它合适的配置中。
[0046]在其它实施例中,支撑结构110可还包括凹槽或安装台,使得传感器120可被安装 在凹槽内或在安装台上。然后磁元件130可直接耦合到传感器120上方的支撑结构110,或 親合到安装台以避免磁元件130到传感器120的附着。
[0047]在图4中描绘了传感器系统200的另一个实施例。类似于传感器系统100,传感器 系统200可以包括:支撑结构210,耦合到支撑结构210的至少两个传感器(在图4中不可 见,但类似于传感器120的布置和组成,除非另有说明),耦合到传感器或布置在传感器上方 的磁元件230。遍及本文中,类似的附图标记将用来指代类似的元件或特征(例如,支撑结构 110和支撑结构210),尽管在类似的元件之间的区别仍可以存在,如描绘和讨论的。相似的 系统100、系统200最接近导体140布置。支撑结构210包括至少一个小孔250,其在图4 中从支撑结构210的边缘以一般钥匙孔配置在内部延伸。类似地,磁元件130可以包括开 环配置(例如,C形
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