DE10103398A1

DE10103398A1 - Vorrichtung, Strommesser und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE10103398A1
Application number: DE2001103398
Authority: DE
Inventors: Stephan Ernst; Ning Qu
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2002-08-14
Also published as: EP1358491A2; WO2002059629A2; WO2002059629A3

Abstract

Es wird eine Vorrichtung, ein Strommesser und ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke eines stromdurchflossenen Leiters (1) dient, wobei ein Sensormittel (5) vorgesehen ist, wobei das Sensormittel (5) mechanisch biegsam vorgesehen ist und wobei das Sensormittel (5) an der Oberfläche des Leiters (1) entsprechend der Oberfläche des Leiters (1) gebogen ist.

Description

Stand der Technik

Die Messung von Strömen über Magnetfeldsensoren und Magnetfelder im Kraftfahrzeug, insbesondere in einer Umgebung, in der hohe elektromagnetische Störfelder auftreten, wie z. B. innerhalb elektrischer Antriebe, Motoren und Generatoren, stellt besondere Herausforderungen an die Anordnung von magnetischen Sensorelementen dar. Als weitere Herausforderung ist die Beherrschung der Frequenzabhängigkeit der Magnetfelder zu nennen, insbesondere der Skin-Effekt, der eine weitere konstruktive Einschränkung der Sensoranordnung bedeutet und einen bedeutenden Aufwand in Bezug auf die Positionierung der Sensorelemente erfordert.

Bisher bekannt ist hinsichtlich der Messung von Stromstärken die Benutzung von Magnetfeldkonzentratoren, z. B. Ringkernen, um den Einfluß der magnetischen Stör- bzw. Streufelder zu eliminieren. Nachteil dieser Technik ist ein erhöhter Aufwand für die Konstruktion sowie ein erhöhter Materialaufwand, was zu Platzproblemen und relativ hohen Kosten führt. Weiterhin kann eine Beschränkung des Frequenzbereichs z. B. für die Strommessung resultieren, da die magnetischen Materialien oberhalb charakteristischer Frequenzen ein Sättigungsverhalten aufweisen. Außerdem muß die Hysterese dieser Materialien in der Auswertung der Signale berücksichtigt werden, um den dadurch verursachten Fehler zu kompensieren. Dies erfordert eine umfangreichere Signalauswertung. Ein weiteres Problem ist die mechanische Halterung der Sensormittel bzw. Sensoren derart, dass der Abstand zum z. B. stromführenden Leiter möglichst exakt eingehalten wird. Dies erfordert beispielsweise Vorrichtungen zur Mikropräzisionsmontage und Ähnliches.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, der erfindungsgemäße Strommesser und das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass die Messung von Strömen über Magnetfelder bzw. die Messung von Magnetfeldern durch die Vereinfachung von Montageverfahren und unabhängig von frequenzabhängigen Effekten, wie beispielsweise dem Skin-Effekt, realsierbar ist. Weiterhin können erfindungsgemäß Montagetechniken eingesetzt werden, die eine Unabhängigkeit von magnetischen Störfeldern aus der Umgebung gewährleisten, ohne teuere zusätzliche Komponenten wie Magnetfeldkonzentratoren zu verwenden.

Weiterhin ist es von Vorteil, dass der Leiter zumindest im Bereich des Sensormittels eine zylindrische Form aufweist. Dadurch wird weiterhin die Frequenzabhängigkeit verringert, weil es nicht zur Ausbildung von frequenzabhängigen Magnetfeldern um den Leiter herum kommt.

Weiterhin ist von Vorteil, dass das Sensormittel auf ein flexibles Substrat aufgebracht ist. Dadurch ist es möglich, eine hohe Genauigkeit und Reproduzierbarkeit hinsichtlich des Abstands des Sensormittels vom stromdurchflossenen Leiter zu gewährleisten.

Weiterhin ist von Vorteil, dass das Sensormittel den Leiter entlang eines Umfangs entschließt. Dadurch ist es möglich, dass der Sensor einen geschlossenen magnetischen Kreis darstellt. Hierdurch haben Störfelder keinen wesentlichen Einfluß mehr auf das Meßergebnis. Es können damit aufwendigere Maßnahmen wie beispielsweise Magnetfeldkonzentratoren oder Abschirmmaßnahmen entfallen, was Kostenvorteile und Platzvorteile bzw. Größenvorteile mit sich bringt.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein erfindungsgemäßer Leiter mit einem Sensormittel in einer ersten Ausführungsform und

Fig. 2 ein erfindungsgemäßer Leiter mit einem Sensormittel in einer zweiten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Leiter 1 mit einem Sensormittel 5 dargestellt. Der Leiter 1 hat zumindest im Bereich des Sensormittels 5 eine zylindrische Form. Das Sensormittel 5 ist als Strom- bzw. Magnetfeldsensor-Chip vorgesehen. Das Sensormittel 5 ist als flexibler Sensorchip, wie beispielsweise ein Hall-Plättchen, ein lateraler Magnetotransistor ausgeführt als ein sehr dünn geschliffener Wafer bzw. Chip, oder Ähnliches. Das Sensormittel 5 ist auf den zylindrischen Leiter 1 aufgebracht. Die Montage kann beispielsweise durch Kleben oder Löten oder ähnliches erfolgen. Die Lotdicke bzw. die Klebstoffdicke fungiert dabei insbesondere als Abstandshalter des Sensormittels 5 von dem Leiter 1.

In Fig. 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Leiters 1 und des Sensormittels 5 dargestellt. Der Leiter 1 hat wiederum zylindrische Gestalt. Auf die Leiteroberfläche ist ein flexibles Substrat 10 aufgebracht. Auf das flexible Substrat 10 ist weiterhin eine magnetoresistive Schicht als Sensormittel 5 aufgebracht. Hierbei kommen als magnetoresistive Schichten 5 bzw. als Sensormittel 5 insbesondere AMR- oder GMR-Schichten (die eine "Anisotropic magneto resistance" bzw. eine "Giant magnetic resistance" aufweisen) oder ähnliche Schichten in Frage. Bei der Verwendung solcher magnetoresistiver Schichten, die auf ein flexibles Substrat 10 aufgebracht werden, kann bei entsprechender Auslegung des Substrats 10 zugleich ein Sensor 5 bzw. Sensormittel 5 realisiert werden, der bzw. die den gesamten Leiter 1 umschließt. Damit stellt das Sensormittel 5 einen geschlossenen magnetischen Kreis dar. Dadurch können Störfelder keinen wesentlichen Einfluß mehr auf das Meßergebnis des Sensormittels 5 haben.

Ein weiterer Lösungsansatz ist das direkte Aufbringen des Sensormittels 5 auf den stromführenden Leiter 1 bzw. auf die den Leiter 1 umgebende Isolation, die in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist.

Durch die Wahl von geeigneten Leitergeometrien, wie z. B. eine zylindrische Leitergeometrie, ist eine Unabhängigkeit von frequenzabhängigen Effekten, wie beispielsweise dem Skin-Effekt gegeben, ohne dass dazu eine anspruchsvolle Montage der Sensormittel benötigt würde. Dadurch wird eine Frequenzunabhängigkeit des Meßverfahrens mit einfachen Mitteln erreicht.

Durch den geringen Platzbedarf einer solchermaßen vorgesehenen Vorrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke ist weiterhin eine leichte und einfache Anpassung des Sensors bzw. der Sensormittel an vorgegebene Geometrien möglich. Hierdurch ist ein minimaler Bauraum des Sensormittels möglich.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, auf dem flexiblen Substrat 10 eine Auswerteschaltung 6 vorzusehen. Die Auswerteschaltung 6 ist auch nach der Ausführungsform gemäß der Fig. 1 vorgesehen, dort jedoch der Einfachheit halber nicht dargestellt. Es ist insbesondere erfindungsgemäß vorgesehen, eine solche Auswerteschaltung 6 bzw. einen solchen ASIC auf dem flexiblen Chip, der auch die Sensormittel 5 umfasst, vorzusehen.

In der ersten Ausführungsform gemäß der Fig. 1 ist erfindungsgemäß das Sensormittel 5 als Chip auf dem zylindrischen Leiter 1 vorgesehen. Der Chip 5 bzw. die Sensormittel 5 ist erfindungsgemäß auf einen gedünnten Wafer gesägt, dessen Dicke so niedrig ist, dass der Chip gebogen werden kann, beispielsweise deutlich kleiner als 150 µm, abhängig von der Chipgröße. Auf dem zylindrischen Leiter 1 bzw. auf der Rückseite des Sensormittels 5 wird entweder Lot oder Klebstoff aufgetragen und der Chip 5 wird im Anschluß daran auf den Leiter 1 aufgebracht. Um eine Dejustage des Chips 5 zu vermeiden, wird auf den Leiter 1 vor dem Fügevorgang eine Justagehilfe, z. B. in Form einer Prägung, mit Hilfe einer mechanischen Maske oder der Aufbringung von Lötstoplack aufgebracht. Der Leiter wird zusammen mit dem gefügten Chip und dem Lot bzw. dem Klebstoff z. B. thermisch ausgeheizt, um die Verbindung zu festigen. Es können erfindungsgemäß insbesondere auch mehrere Sensorchips montiert werden. Erfindungsgemäß ist insbesondere eine symmetrische Anordnung mehrerer solcher Sensorchips 5 vorgesehen.

Bei der zweiten Ausführungsform gemäß der Fig. 2 ist eine magnetoresistive Sensorschicht als Sensormittel 5 vorgesehen. Die magnetoresistive Sensorschicht 5 ist auf ein flexibles Substrat 10 aufgebracht und umschließt den gesamten zylindrischen Leiter, so dass ein geschlossener Magnetkreis vorliegt. Das flexible Substrat 10 kann vor der Endmontage in die entsprechende Form gebracht werden, worauf dann die magnetoresistive Schicht 5 beispielsweise durch Sputtern, aufgebracht wird. Ebenso kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, die magnetoresistive Schicht auf dem flexiblen Substrat 10 aufzubringen, wobei das Substrat 10 zunächst noch planar vorgesehen ist und im Anschluß daran das Substrat 10 mitsamt der magnetoresistiven Schicht 5 in die gewünschte Form zu bringen. In diesem Fall muß die Verbindung der beiden Endstücke in geeigneter Form erfolgen, so dass ein geschlossener Magnetkreis entsteht.

Die Ausführung der magnetoresistiven Schicht 5 kann in der geometrischen Form jede beliebige geeignete Gestalt annehmen. Das flexible Substrat 10 wird auf den Leiter 1 beispielsweise geschoben und darauf fixiert, beispielsweise durch Kleben oder durch andere Art auf dem Leiter 1 positioniert.

Ebenso kann die magnetfeldempfindliche Schicht 5 direkt auf den Leiter aufgebracht werden bzw. gegebenenfalls auf dessen Isolation.

Die Auswertung des Meßsignals erfolgt erfindungsgemäß in beiden Ausführungsformen beispielsweise durch einen zweiten flexiblen ASIC bzw. eine flexible Auswerteschaltung, die entweder direkt auf den Leiter oder auf das flexible Substrat 10 bzw. die Isolation des Leiters montiert wird. Ebenso ist es denkbar, dass der ASIC bzw. die Auswerteschaltung in Stapeltechnik z. B. auf den Sensorchip 5 aufgebracht wird oder umgekehrt.

Die Messung von Strömen über deren Magnetfeldeffekt ist insbesondere im Automobilbereich notwendig und kritisch, weil hier mit besonders starken Störfeldern zu rechnen ist. Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. einem erfindungsgemäßen Stromsensor, hat daher die Vorteile der geringeren Einbaugröße eines Stromsensors bzw. einer Vorrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke eines stromdurchflossenen Leiters (1) mit einem Sensormittel (5), wobei das Sensormittel (5) mechanisch biegsam vorgesehen ist, wobei das Sensormittel an der Oberfläche des Leiters (1), entsprechend der Oberfläche des Leiters (1) gebogen, befestigt ist.

2. Vorrichtung zur Messung der elektrischen Stromstärke eines stromdurchflossenen Leiters (1) mit einem Sensormittel (5), wobei das Sensormittel (5) als Schicht an einem Teilbereich der Oberfläche des Leiters (1) angebracht ist.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (1) zumindest im Bereich des Sensormittels eine zylindrische Form aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (5) auf ein flexibles Substrat aufgebracht ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (5) als magnetoresistive Schicht vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensormittel (5) den Leiter (1) entlang eines Umfangs umschließt.

7. Strommesser mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

8. Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung oder einem Strommesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche.