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DE102004038847B3 - Device for floating measurement of currents in conducting track has multilayer structure with sensor in opening in insulating ceramic layer with conducting track above or below at distance ensuring required breakdown resistance - Google Patents

Device for floating measurement of currents in conducting track has multilayer structure with sensor in opening in insulating ceramic layer with conducting track above or below at distance ensuring required breakdown resistance Download PDF

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DE102004038847B3
DE102004038847B3 DE200410038847 DE102004038847A DE102004038847B3 DE 102004038847 B3 DE102004038847 B3 DE 102004038847B3 DE 200410038847 DE200410038847 DE 200410038847 DE 102004038847 A DE102004038847 A DE 102004038847A DE 102004038847 B3 DE102004038847 B3 DE 102004038847B3
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DE
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ceramic layer
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current
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DE200410038847
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German (de)
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Oliver Dr. Dernovsek
Klaus Ludwig
Gotthard Dr. Rieger
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Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
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Abstract

The device has at least one electrically isolated sensor (8) with magnetic field sensitive properties for detecting the magnetic field generated by the current and an arrangement for tapping and further processing of a magnetic field-dependent sensor signal. It has a multilayer structure (2) in LTCC technology, whereby the sensor is arranged in an opening in an insulating ceramic layer with the conducting track (L1,L2) arranged above or below at a distance guaranteeing the required breakdown resistance depending on the material.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur potenzialfreien Messung eines in wenigstens einer elektrischen Leiterbahn fließenden Stromes mittels mindestens einem demgegenüber elektrisch isolierten Sensor mit magnetfeldempfindlichen Eigenschaften zur Erfassung des von dem Strom erzeugten Magnetfeldes und mit Mitteln zum Abgriff und zur Weiterverarbeitung des magnetfeldabhängigen Sensorsignals. Eine entsprechende Einrichtung ist der WO 98/07165 A zu entnehmen.The The invention relates to a device for potential-free Measurement of a current flowing in at least one electrical trace by means of at least one electrically isolated sensor with magnetic field sensitive characteristics for the detection of the current generated magnetic field and means for tapping and for further processing of the magnetic field-dependent sensor signal. A corresponding device can be found in WO 98/07165 A.

Die potenzialfreie Strommessung findet Anwendung im gesamten Bereich der elektrischen Energieübertragung, des Power-Managements, der Steuerung und Automatisierungstechnik. Da es sich häufig um eine sicherheitsrelevante Funktion handelt, muss der eingesetzte potenzialfreie Stromwandler gegenüber äußeren Störeinflüssen bzw. Feldern geschützt werden.The Potential-free current measurement is used throughout the entire range the electrical energy transmission, of power management, control and automation technology. Since it is common is a safety-related function, the used potential-free current transformers are protected against external interference or fields.

Zu einer potenzialfreien Stromerfassung bzw. -messung existieren unterschiedliche Lösungen, wobei z.B. Messwiderstände (Shunts), kombiniert mit Optokopplern, ferner Stromwandler (Transformatoren), Hall-Elemente, Sensorsysteme unter Verwendung von magnetoresistivem Material sowie faseroptische Strommesseinrichtungen zum Einsatz kommen. Viele Stromsensoren besitzen jedoch einen begrenzten Einsatzbereich, sind z.B. auf eine Wechselstromessung begrenzt, da sie auf induktiven Prinzipien basieren, oder sind nicht integrierbar.To A potential-free current detection or measurement exist different Solutions, whereby e.g. Sense resistors (Shunts), combined with optocouplers, also current transformers (transformers), Hall elements, sensor systems using magnetoresistive Material as well as fiber optic current measuring devices are used. However, many current sensors have a limited field of application, are e.g. limited to an ac measurement, as they are inductive Principles are based, or are not integrable.

Aus der eingangs genannten WO-A-Schrift geht eine Strommesseinrichtung hervor, die einen Sensor in Form einer Brückenschaltung aus magnetoresistiven Sensorelementen umfasst, der das Magnetfeld einer stromdurchflossenen Leiterbahn in Form einer Spule mit mehreren Windungen erfasst. Der gesamte in Dünnfilmtechnik auf einem Substrat zu erstellende Aufbau ist jedoch nur mit erheblichem Aufwand zu erstellen, wobei die gegenseitige Isolation der einzelnen Teile nur verhältnismäßig geringe Spannungsdifferenzen zulässt.Out The aforementioned WO-A-font is a current measuring device showing a sensor in the form of a bridge circuit of magnetoresistive Sensor elements comprising the magnetic field of a current flowing through Track in the form of a coil with several turns detected. Of the entire in thin film technology However, construction on a substrate is only possible with considerable effort to create, with the mutual isolation of each part only relatively small voltage differences allows.

Der zu messende Strombereich liegt jedoch für eine große Zahl der Gleichstrom- als auch Wechselstromanwendungen im Bereich von wenigen Milliampere bis etwa 1000 A. Dies bedeutet, dass im Idealfall nur mit einem einzigen Sensor über mehrere Zehnerpotenzen mit einer möglichst hohen Genauigkeit gemessen werden soll. Anwendungsbeispiele für solche Einsatzbereiche liegen in der Steuerung von Leitungsschutzschaltern und -schützen oder in Automotive-Applikationen wie z.B. dem Batteriemanagement. Dort sollen z.B. sowohl Kriechströme als auch Startströme gemessen werden können. Zum Teil wird eine aufwendige Auswerteelektronik benötigt, um eine geforderte Genauigkeit zu erhalten. Außerdem erfordert vielfach eine ohmsche Erwärmung des Sensors ein entsprechendes Wärmemanagement.Of the However, current range to be measured is for a large number of DC as also AC applications in the range of a few milliamperes to about 1000 A. This means that ideally only with one single sensor over several powers of ten measured with the highest possible accuracy shall be. Application examples for such applications are in the control of circuit breakers and contactors or in automotive applications such as the battery management. There should e.g. both leakage currents as well as starting currents can be measured. In part, a complex evaluation is needed to a to obtain required accuracy. In addition, many times requires one ohmic heating the sensor a corresponding thermal management.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen anzugeben, die eine Strommessung über einen großen Messbereich bei hinreichend hoher Messgenauigkeit ermöglicht, wobei die erwähnten Schwierigkeiten zumindest vermindert sind.task The present invention is a device with the above specifying a current measurement over a huge Measuring range with sufficiently high measuring accuracy, the mentioned difficulties at least diminished.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll die Einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen einen mehrlagigen Aufbau in LTCC-Technologie aufweisen, wobei der Sensor in einer Ausnehmung einer isolierenden (LTCC-)Keramiklage angeordnet ist, oberhalb oder unterhalb derer die wenigstens eine Stromleiterbahn unter Einhaltung eines die geforderte Durchschlagsfestigkeit gewährleistenden, materialabhängigen Mindestabstandes verläuft.These The object is achieved by the measures specified in claim 1 solved. Accordingly, the device with the aforementioned Characteristics have a multilayer structure in LTCC technology, wherein the sensor arranged in a recess of an insulating (LTCC) ceramic layer is, above or below which the at least one Stromleiterbahn while maintaining the required dielectric strength, material-dependent Minimum distance runs.

Unter LTCC (Low Temperatur Co-fired Ceramic) ist dabei ein Keramiksubstrat- oder Schichtsystem zu verstehen, das in der Elektrotechnik als preiswerte Substrat- bzw. Schichttechnologie eingesetzt wird (vgl, z.B. „Proc. of the 1997 1-th. Ann. Intern. Systems Packaging Symp.", USA 1997, Seiten 135 bis 140). Hierbei können nahezu beliebig viele Schichten oder Lagen übereinander gestapelt werden. Auf den einzelnen Keramiklagen lassen sich sehr dünne Leiterbahnen, die vielfach aus Gold oder Silber oder aus Platin- und Palladium-Legierungen bestehen, erstellen. Auch Kupferleiterbahnen sind bekannt. Die entsprechenden Metallisierungen werden im Allgemeinen in einem Siebdruckverfahren Lage für Lage auf die noch ungebrannte, so genannte „grüne" Keramik gedruckt und nach einem Stapeln und einem Pressen des vielschichtigen Aufbaus gemeinsam in einem Prozessofen gebrannt. Die Keramik im ungebrannten Zustand wird dabei häufig aus einem Gemisch aus Glas, Keramik und organischem Lösungsmittel gebildet. Die Sintertemperatur einer entsprechenden LTCC-Glaskeramik kann unter 900°C liegen. Diese relativ niedrige Temperatur ermöglicht erst den Einsatz von Materialien für die Leiterbahnen wie Gold und Silber, die Schmelzpunkte zwischen 960°C und 1100°C aufweisen (vgl. z.B. „PLUS 12", 2001, Leuze Verlag, Bad Saulgau [DE], Seiten 2131 bis 2136).Under LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) is a ceramic substrate or layer system that is considered inexpensive in electrical engineering Substrate technology (cf., e.g., Proc. of the 1997 1-th. Ann. Intern. Systems Packaging Symp. ", USA 1997, p 135 to 140). Here you can almost any number of layers or layers are stacked on top of each other. On the individual ceramic layers can be very thin traces, which often consist of gold or silver or of platinum and palladium alloys, create. Copper conductor tracks are also known. The corresponding Metallizations are generally in a screen-printing situation for location printed on the still unfired, so-called "green" ceramic and after a stacking and a pressing of the complex structure together in a process furnace burned. The ceramic in the unfired state is often made of a Mixture of glass, ceramic and organic solvent formed. The sintering temperature a corresponding LTCC glass ceramic may be below 900 ° C. This relatively low temperature only allows the use of Materials for the tracks like gold and silver, the melting points between 960 ° C and 1100 ° C have (See, e.g., "PLUS 12 ", 2001, Leuze Verlag, Bad Saulgau [DE], pages 2131 to 2136).

Der für die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung vorgesehene Sensor zur Messung des Magnetfeldes ist vorteilhaft in eine entsprechende Keramik-Ausnehmung nachträglich integriert und befindet sich damit in einem definierten Abstand über einer an der Unterseite der Keramiklage verlaufenden Stromleiterbahn. D.h., die galvanische Isolation zwischen der Leiterbahn und dem Sensor wird durch eine isolierende Schicht des Sensors selbst und/oder durch die Keramiklage gebildet. Mit einer Durchschlagsfestigkeit von typischerweise 40 V/μm und einem elektrischen Widerstand von 10–12 Ω/cm lassen sich dabei vorteilhaft hohe Isolationsfestigkeiten bei geringen Schichtdicken erzielen. Der Aufbau der Leiterbahnen in LTCC-Keramik erfolgt in Lagentechnik, so dass sich vorteilhaft mehrere Strompfade in unterschiedlichen Abständen zum Sensor anordnen lassen. Die einzelnen Leiterbahnen können dabei in einfacher Weise durch bekannte Strukturierungstechniken erstellt werden. Auf diese Weise lassen sich unterschiedliche Strombereiche unter Berücksichtigung des Abstandsgesetzes des Magnetfeldes um einen stromdurchflossenen Leiter sehr einfach umsetzen. Die vergleichsweise geringen Toleranzen in LTCC-Technik für die laterale Position der einzelnen Stromleiterbahnen und die Abstände ermöglichen eine einfache Auswerteelektronik. Außerdem erfolgt die Entwärmung des Sensors zumindest weitgehend über die Keramik. Gegebenenfalls können hierzu noch elektrisch funktionslose oder redundante Durchkontaktierungen aus metallischem Material, so genannte thermische „Vias" zu einer vertikalen Wärmeableitung vorgesehen werden.The provided for the current measuring device according to the invention sensor for measuring the magnetic field is advantageously integrated into a corresponding ceramic recess subsequently and is thus over at a defined distance a running on the underside of the ceramic layer conductor track. That is, the galvanic isolation between the conductor track and the sensor is formed by an insulating layer of the sensor itself and / or by the ceramic layer. With a dielectric strength of typically 40 V / μm and an electrical resistance of 10 -12 Ω / cm, it is advantageously possible to achieve high insulation strengths at low layer thicknesses. The construction of the interconnects in LTCC ceramics takes place in layer technology, so that advantageously several current paths can be arranged at different distances to the sensor. The individual interconnects can be created in a simple manner by known structuring techniques. In this way, different current ranges, taking into account the law of distance of the magnetic field around a current-carrying conductor can be implemented very easily. The comparatively small tolerances in LTCC technology for the lateral position of the individual conductor tracks and the distances enable simple evaluation electronics. In addition, the cooling of the sensor is at least largely on the ceramic. Optionally, electrically functionless or redundant plated-through holes made of metallic material, so-called thermal "vias", can also be provided for vertical heat dissipation.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch mit denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß können für die Strommesseinrichtung folgende Merkmale vorgesehen werden:

  • – So kann der Mindestabstand bezüglich einer unterhalb der Keramiklage verlaufenden Stromleiterbahn durch die Restdicke der Keramiklage im Bereich der Ausnehmung zumindest zum Teil oder allein bestimmt sein. Gegebenenfalls trägt zur Durchschlagsfestigkeit zusätzlich noch eine untere Isolationsschicht des Sensors bei. Der Mindestabstand kann vorteilhaft sehr klein gehalten werden.
  • – Ferner können zumindest im Bereich der Ausnehmung mehrere Stromleiterbahnen in mehreren, durch wenigstens eine Keramiklage gegenseitig isolierte Ebenen vorgesehen sein. So können mit einem einzigen Sensor das Magnetfeld mehrere Stromleiterbahnen gleichzeitig oder nacheinander detektiert werden.
  • – Bevorzugt weist die mindestens eine Stromleiterbahn eine Dicke von unter 200 μm auf. Sie besteht vorteilhaft aus einem Au oder Ag zumindest enthaltenden Material wie z.B. aus dem elementaren Metall oder einer Legierung des jeweiligen Metalls.
  • – Die mindestens eine Keramiklage hat im Allgemeinen eine Dicke von unter 1000 μm, insbesondere 500 μm. Die genannten Dicken gewährleisten bei hinreichender Durchschlagsfestigkeit einen sehr dünnen Gesamtaufbau der Strommesseinrichtung.
  • – Vorteilhaft sind an den Sensor in der Ausnehmung der Keramiklage heranführende Anschlussleitungen auf der Oberseite dieser Keramiklage vorhanden. In einfacher Weise kann so der vorfertigbare Sensor in die Ausnehmung eingepasst und über eine Bondung mit den ausgebildeten Anschlussleitungen kontaktiert werden.
  • – Bevorzugt ist das Sensorelement ein magnetoresistives Element vom so genannten XMR-Typ. Ein solches Element zeigt insbesondere den so genannten Collossal-Magneto-Resistance(CMR)- oder Giant-Magneto-Resistance(GMR)- oder Tunneling-Magneto-Resistance(TMR)- Effekt mit einem in üblicher Weise definierten Wert von mindestens 3% bei Raumtemperatur (vgl. z.B. die Broschüre „XMR-Technologien [Technologieanalyse – Magnetismus; Band 2]" des VDI-Technologiezentrums „Physikalische Technologien", Düsseldorf [DE], 1997, Seiten 11 bis 26 und 35 bis 48).
  • – Aus Gründen einer guten Entwärmung des Sensors können vorteilhaft vertikale, thermisch leitende Durchkontaktierungen durch die Keramiklage vorgesehen sein.
  • – Insbesondere zu einer magnetischen Abschirmung oder Feldverstärkung kann in den Aufbau mindestens eine weitere Schicht aus einem anderen Material, vorzugsweise einem weichmagnetischen Material, integriert sein.
Advantageous embodiments of the current measuring device according to the invention will become apparent from the dependent claims. In this case, the embodiment can be combined according to claim 1 with the features of one of the subclaims or preferably also with those of several subclaims. Accordingly, the following features can be provided for the current measuring device:
  • Thus, the minimum distance with respect to a current conductor track running below the ceramic layer can be determined at least in part or alone by the remaining thickness of the ceramic layer in the region of the recess. Optionally, a lower insulation layer of the sensor additionally contributes to the dielectric strength. The minimum distance can advantageously be kept very small.
  • Furthermore, at least in the region of the recess, a plurality of current conductor tracks may be provided in a plurality of planes mutually insulated by at least one ceramic layer. Thus, with a single sensor, the magnetic field can be detected several Stromleiterbahnen simultaneously or sequentially.
  • - Preferably, the at least one power conductor track has a thickness of less than 200 microns. It advantageously consists of a material containing at least Au or Ag, for example from the elemental metal or an alloy of the respective metal.
  • The at least one ceramic layer generally has a thickness of less than 1000 μm, in particular 500 μm. The thicknesses specified ensure a very thin overall structure of the current measuring device with sufficient dielectric strength.
  • Advantageously, connection leads leading to the sensor in the recess of the ceramic layer are present on the upper side of this ceramic layer. In a simple way, the prefabricatable sensor can thus be fitted into the recess and contacted via a bond with the formed connection lines.
  • - Preferably, the sensor element is a magnetoresistive element of the so-called XMR type. In particular, such an element exhibits the so-called Collossal Magneto Resistance (CMR) or Giant Magneto Resistance (GMR) or Tunneling Magneto Resistance (TMR) effect with a value of at least 3% defined in the usual way Room temperature (see, for example, the brochure "XMR Technologies [Technology Analysis - Magnetism; Volume 2]" of the VDI Technology Center "Physical Technologies", Dusseldorf [DE], 1997, pages 11 to 26 and 35 to 48).
  • - For reasons of good heat dissipation of the sensor can be advantageously provided by the ceramic layer, vertical, thermally conductive vias.
  • In particular, for a magnetic shielding or field enhancement, at least one further layer of another material, preferably a soft magnetic material, may be integrated into the structure.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen und der Zeichnung hervor.Further advantageous embodiments of the current measuring device according to the invention go from the above-mentioned subclaims and the drawing out.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles einer Strommesseinrichtung unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Von deren Figuren zeigen in zum Teil schematisierter DarstellungThe Invention will be described below with reference to a preferred embodiment a current measuring device with reference to the drawings still further explained. From the figures show in part schematized representation

deren 1 und 2 den Aufbau einer solchen Einrichtung mit einem Sensor im Querschnitt bzw. in Aufsicht,their 1 and 2 the construction of such a device with a sensor in cross-section or in supervision,

deren 3 einzelne integrierte Leiterbahnen der Einrichtung mit Durchkontaktierung in dreidimensionaler Darstellung sowietheir 3 single integrated tracks of the device with through-hole in three-dimensional representation as well

deren 4 eine Aufsicht auf eine konkret ausgeführte Ausführungsform der Einrichtung.their 4 a plan view of a specific embodiment of the device.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.Here are in the figures correspond de parts each provided with the same reference numerals.

Der in 1 angedeutete, allgemein mit 2 bezeichnete Aufbau ist in an sich bekannter LTCC-Technologie erstellt. Er weist einen Stapel von z.B. drei Keramiklagen 3, 4 und 5 auf, wobei zwischen der untersten Keramiklage 5 und ihrer dazu benachbarten, mittleren Keramiklage 4 eine Stromleiterbahn L3 und zwischen der mittleren Keramiklage 4 und der oberen Keramiklage 3 eine Stromleiterbahn L2 verlaufen. In die obere Keramiklage 3 ist eine Ausnehmung 7 eingearbeitet, in der sich ein Sensor 8 befindet. Über den Sensor verläuft eine weitere Leiterbahn L1, von der in der Figur nur die auf der obersten Keramiklage 3 befindlichen Bahnteile sowie Bonddrähte 9i ersichtlich sind, die die elektrische Verbindung des unmittelbar über dem Sensor 8 verlaufenden Teils der Stromleiterbahn L1 mit den auf der Keramiklage 3 verlaufenden Teilen dieser Bahn herstellen.The in 1 indicated, generally designated 2 structure is created in known LTCC technology. He has a stack of eg three ceramic layers 3 . 4 and 5 on, being between the lowest ceramic layer 5 and her adjacent, middle ceramic layer 4 a current conductor L3 and between the middle ceramic layer 4 and the upper ceramic layer 3 a current conductor L2 extend. In the upper ceramic layer 3 is a recess 7 incorporated, in which a sensor 8th located. About the sensor runs another conductor L1, of which in the figure only on the uppermost ceramic layer 3 located track parts and bonding wires 9i It can be seen that the electrical connection of the immediately above the sensor 8th extending portion of the conductor track L1 with the on the ceramic layer 3 running parts of this train produce.

Bei dem Sensor 8 handelt es sich beispielsweise um einen Stromsensor mit mehreren, z.B. zu einer Brücke verschalteten XMR-Sensorelementen zur Detektion der in den Leiterbahnen L1 bis L3 fließenden Gleich- oder Wechselströme. Die Leiterbahnen sind dabei so verlaufend ausgebildet, dass ihre stromver ursachten Magnetfelder den XMR-Stromsensor 8 in der Ausnehmung 7 erfassen.At the sensor 8th For example, it is a current sensor with a plurality of XMR sensor elements connected to a bridge, for example, for detecting the DC or AC currents flowing in the interconnects L1 to L3. The conductor tracks are designed to run so that their current-induced magnetic fields the XMR current sensor 8th in the recess 7 to capture.

Die Dicken Di (mit i = 3 oder 4 oder 5) der einzelnen Keramiklagen 3 bis 5 liegen bevorzugt unter 1000 μm, vorzugsweise unter 500 μm. Beispielsweise betragen die Dicken D4 und D5 der Keramiklagen 4 und 5 jeweils etwa 500 μm, während die obere Keramiklage 3 eine etwas geringere Dicke D3 von beispielsweise 300 μm aufweist. Die verbleibende Mindestdicke (Δ) der oberen Keramiklage 3 im Bereich der Ausnehmung 7 ist dabei so gewählt, dass die geforderte Durchschlagsfestigkeit zwischen dem Stromsensor 8 und der darunter liegenden Leiterbahn L2 gewährleistet ist. Sie sollte so gering wie möglich gewählt werden und liegt beispielsweise bei 50 μm. Die Dicke d2 der unmittelbar unter dem Sensor 8 verlaufenden Leiterbahn L2 beträgt beispielsweise 50 μm, während für die Dicke d3 der von dem Sensor 8 weiter entfernt liegenden Leiterbahn L3 größer gewählt wird und beispielsweise bei 80 μm liegt.The thicknesses D i (with i = 3 or 4 or 5) of the individual ceramic layers 3 to 5 are preferably less than 1000 microns, preferably less than 500 microns. For example, the thicknesses D 4 and D 5 of the ceramic layers 4 and 5 each about 500 microns, while the upper ceramic layer 3 has a slightly smaller thickness D 3 of, for example, 300 microns. The remaining minimum thickness (Δ) of the upper ceramic layer 3 in the region of the recess 7 is chosen so that the required dielectric strength between the current sensor 8th and the underlying conductor L2 is ensured. It should be chosen as low as possible and is for example 50 microns. The thickness d2 of the immediately under the sensor 8th running conductor L2 is for example 50 microns, while for the thickness d3 of the sensor 8th further away conductor L3 is chosen to be larger and, for example, is 80 microns.

In der 1 wurden aus Gründen einer besseren Erkennbarkeit die einzelnen Keramiklagen 3 bis 5 so dargestellt, dass sie durch die zwischen ihnen liegenden Leiterbahnen L2 und L3 beabstandet sind und sich außerhalb der Bereiche dieser Bahnen nicht berühren. Selbstverständlich liegen diese Lagen mit ihren geringen Dicken Di außerhalb dieser Bahnbereiche entweder unmittelbar aneinander wie im Fall eines Siebdruckes der Leiter. Oder es sind zwischen ihnen noch besondere Abstandsschichten vorgesehen; d.h., es werden in der Keramik Stanzungen oder sonstige Ausnehmungen vorgenommen, die dann mit dem Leitermaterial z.B. in Form von Leitpasten gefüllt werden.In the 1 For reasons of better recognition, the individual ceramic layers were used 3 to 5 shown as being spaced by the interconnects L2 and L3 between them and not touching outside of the areas of these traces. Of course, these layers are located with their small thicknesses D i outside of these areas either directly to each other as in the case of a screen printing of the ladder. Or there are still special spacing layers between them; ie, in the ceramic punched or other recesses are made, which are then filled with the conductor material, for example in the form of conductive pastes.

2 zeigt eine Aufsicht auf den Aufbau 2 nach 1 mit einer Fläche x·y von 15 mm·10 mm. In der gewählten Darstellung ist die oberste Keramiklage 3 weggelassen, um so den Blick auf die darunter liegende Stromleiterbahn L2 freizugeben. In der Figur sind ferner Anschlussflächen 12a und 12b (so genannte „Pads") für die Leiterbahn L2 sowie entsprechen de Anschlussflächen 13a und 13b für die Leiterbahn L3. gezeigt. Außerdem ist in der Figur die erste Leiterbahn L1 ersichtlich, die über den Sensor 8, der beispielsweise vier XMR-Einzelsensoren in Brückenschaltung umfasst, hinweggeführt ist. Dabei ist die Leiterbahn gegenüber dem Sensor isoliert, wofür beispielsweise ein Polymer-Material wie das so genannten BCB oder anorganisches Material wie insbesondere SiO2 vorgesehen wird. Wie auch der Figur zu entnehmen ist, kann insbesondere für diese Leiterbahn ohne zusätzlichen Aufwand ein an sich bekanntes, so genanntes Gradienten-Design zur Detektion von magnetischen Gradientenfeldern oder ein HF-taugliches Design, z.B. eine U-Form mit Löchern, in bekannter Strukturierungstechnik erstellt werden. In der Figur sind ferner Zuführungsleitungen 15a und 15b zur Spannungsversorgung des Sensors 8 sowie Signalleitungen 16a und 16b zur Abnahme dessen Sensorsignals und zur Zuleitung an eine nachgeordnete Auswerteelektronik angedeutet. 2 shows a view of the structure 2 to 1 with an area x x y of 15 mm x 10 mm. In the selected representation is the topmost ceramic layer 3 omitted, so as to release the view of the underlying current conductor L2. In the figure are also pads 12a and 12b (so-called "pads") for the conductor L2 and correspond de connecting surfaces 13a and 13b for the track L3. shown. In addition, in the figure, the first conductor L1 can be seen, via the sensor 8th which, for example, comprises four bridge-connected XMR individual sensors. In this case, the conductor track is isolated from the sensor, for which purpose, for example, a polymer material such as the so-called BCB or inorganic material such as, in particular, SiO 2 is provided. As can also be seen from the figure, a per se known, so-called gradient design for the detection of magnetic gradient fields or an HF-suitable design, for example a U-shape with holes, can be produced in known structuring technology, in particular for this conductor become. In the figure are also supply lines 15a and 15b to power the sensor 8th as well as signal lines 16a and 16b indicated for the decrease of the sensor signal and the supply to a downstream evaluation.

3 zeigt in schematischer, dreidimensionaler Schrägansicht die integrierten U-förmigen Leiterbahnen L2 und L3 mit ihren Durchkontaktierungen in die Oberfläche der in der Figur nicht dargestellten obersten Keramiklage 3. Die dort vorhandenen Kontaktflächen der Leiterbahnen L2 und L3 sind mit 12a, 12b bzw. 13a, 13b bezeichnet. Der besseren Übersicht wegen ist die Keramiklage 4 unterhalb der zweiten Leiterbahn L2 seitlich versetzt dargestellt. 3 shows in a schematic, three-dimensional oblique view, the integrated U-shaped conductor tracks L2 and L3 with their plated-through holes in the surface of the topmost ceramic layer, not shown in the figure 3 , The existing contact surfaces of the tracks L2 and L3 are with 12a . 12b respectively. 13a . 13b designated. For a better overview because of the ceramic layer 4 shown laterally offset below the second conductor L2.

4 zeigt eine konkrete Ausführungsform einer Stromeinrichtung 20 nach der Erfindung unter Zugrundelegung eines an Hand der stark schematisierenden 1 bis 3 erläuterten Aufbaus 2. Dabei ist die Ansicht auf die obere Flachseite der oberen, ersten Keramiklage 3 dargestellt. An den dort befindlichen Kontaktflächen erfolgt der Anschluss der einzelnen Teile der Einrichtung. Aus Symmetriegründen sind zum Anschluss des GMR-Sensors 8 sechs Kontaktflächen ausgebildet, von denen nur vier benötigt werden, und zwar an Kontaktflächen 17a und 17b für die Spannungsversorgung (über die An schlussleitung 15a bzw. 15b) und an Kontaktflächen 18a und 18b für die Signalabnahme (über die Signalleitung 16a bzw. 16b). An den Kontaktflächen 11a und 11b erfolgt der Anschluss der ersten, unmittelbar über den Sensor 8 führenden Stromleiterbahn L1. In der Figur sind ferner die verhältnismäßig großflächig ausgebildeten Kontaktflächen 12a und 12b für die mittlere, zweite Stromleiterbahn L2 sowie die verhältnismäßig großflächig ausgebildeten Kontaktflächen 13a und 13b für die unterste, dritte Stromleiterbahn L3 ersichtlich. Die von der gezeigten Strommesseinrichtung eingenommene Fläche hatte dabei eine Größe x·y von 15 mm·15 mm. 4 shows a concrete embodiment of a power device 20 according to the invention on the basis of a highly schematisierenden on hand 1 to 3 explained construction 2 , The view is on the upper flat side of the upper, first ceramic layer 3 shown. At the contact surfaces located there is the connection of the individual parts of the device. For reasons of symmetry are to connect the GMR sensor 8th six contact surfaces formed, of which only four are needed, at contact surfaces 17a and 17b for the power supply (via the connection cable 15a respectively. 15b ) and on contact surfaces 18a and 18b for the signal acceptance (via the signal line 16a respectively. 16b ). At the contact surfaces 11a and 11b the connection of the first takes place directly over the sensor 8th leading conductor L1. In the figure are also the relatively large area formed contact surfaces 12a and 12b for the middle, second current conductor L2 and the relatively large contact areas formed 13a and 13b for the lowest third conductor L3. The area occupied by the current measuring device shown here had a size x · y of 15 mm × 15 mm.

Bei der gezeigten Ausführungsform fungieren die die Kontaktflächen 12a, 12b und 13a, 13b bildenden, sich vertikal erstreckenden Durchkontaktierungen zugleich als Wärmeübertragungselemente, um damit auch die unteren Keramiklagen 4 und 5 für die Entwärmung des Aufbaus und insbesondere des Sensors bzw. seiner Sensorelemente heranzuziehen. Sollten derartige Durchkontaktierungen (auch als „Vias" bezeichnet) nicht ausreichen, so können darüber hinaus weitere solcher vertikalen Durchkontaktierungen mit allein thermischer Funktion vorgesehen werden (vgl. z.B. Proceedings „The 8th Intersociety Conf. on Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems / ITherm 2002", May 30 – June 1, 2002, USA, Seiten 179 bis 185) .In the embodiment shown, these act the contact surfaces 12a . 12b and 13a . 13b forming, vertically extending vias at the same time as heat transfer elements, so that also the lower ceramic layers 4 and 5 for the cooling of the structure and in particular of the sensor or its sensor elements. If such plated-through holes (also referred to as "vias") are not sufficient, then further such vertical plated-through holes with solely thermal function can be provided (cf., for example, Proceedings "The 8th Intersociety Conf. On Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems / ITherm 2002 ", May 30 - June 1, 2002, USA, pages 179 to 185).

Abweichend von dem vorstehend erläuterten Aufbau 2 in LTCC-Technologie können in diesen selbstverständlich noch weitere Schichten oder Lagen aus anderen Materialien aus anderen Materialien integriert sein. Unter einem anderen Material wird dabei ein Material verstanden, dass nicht von vornherein im Rahmen der zur Anwendung kommenden LTCC-Technologie erforderlich ist. So kann man z.B. eine zusätzliche Schicht aus einem weichmagnetischen Material vorsehen, beispielsweise unterhalb der in 1 gezeigten Keramiklage 4, um damit in an sich bekannter Weise externe, störende Magnetfelder abzuschirmen oder magnetische Nutzfelder zu verstärken. Dabei kann gegebe nenfalls die Integration einer derartigen magnetisch aktiven Schicht auch so ausgeführt sein, dass sich diese zusätzliche Schicht oberhalb oder unterhalb des gezeigten Aufbaus befindet.Notwithstanding the above-described construction 2 In LTCC technology, of course, further layers or layers of other materials made from other materials can be integrated in these. Another material is to be understood as a material that is not required from the outset within the context of the LTCC technology used. For example, it is possible to provide an additional layer of a soft magnetic material, for example below the in 1 shown ceramic layer 4 In order to shield in a conventional manner external, disturbing magnetic fields or to strengthen magnetic Nutzfelder. Where appropriate, the integration of such a magnetically active layer may also be designed so that this additional layer is above or below the construction shown.

Claims (10)

Einrichtung zur potenzialfreien Messung eines in wenigstens einer elektrischen Leiterbahn (L1, L2, L3) fließenden Stromes mittels mindestens einem demgegenüber elektrisch isolierten Sensor (8) mit magnetfeldempfindlichen Eigenschaften zur Erfassung des von dem Strom erzeugten Magnetfeldes und mit Mitteln zum Abgriff und zur Weiterverarbeitung eines magnetfeldabhängigen Sensorsignals, gekennzeichnet durch einen mehrlagigen Aufbau (2) in LTCC-Technologie, wobei der Sensor (8) in einer Ausnehmung (7) einer isolierenden Keramiklage (3) angeordnet ist, oberhalb oder unterhalb derer die wenigstens eine Stromleiterbahn (L1) unter Einhaltung eines die geforderte Durchschlagsfestigkeit gewährleistenden, materialabhängigen Mindestabstandes (Δ) verläuft.Device for the potential-free measurement of a current flowing in at least one electrical conductor track (L1, L2, L3) by means of at least one electrically isolated sensor ( 8th ) with magnetic-field-sensitive properties for detecting the magnetic field generated by the current and with means for picking off and further processing a magnetic field-dependent sensor signal, characterized by a multilayer structure ( 2 ) in LTCC technology, where the sensor ( 8th ) in a recess ( 7 ) of an insulating ceramic layer ( 3 ) is arranged, above or below which the at least one conductor track (L1) in compliance with the required dielectric strength ensuring, material-dependent minimum distance (Δ) runs. Strommesseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestabstand (Δ) bezüglich einer unterhalb der Keramiklage (3) verlaufenden Stromleiterbahn (L2) durch die Restdicke der Keramiklage (3) im Bereich der Ausnehmung (7) zumindest zum Teil bestimmt ist.Current measuring device according to claim 1, characterized in that the minimum distance (Δ) with respect to a below the ceramic layer ( 3 ) running conductor track (L2) through the remaining thickness of the ceramic layer ( 3 ) in the region of the recess ( 7 ) is determined at least in part. Strommesseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest im Bereich der Ausnehmung (7) mehrere Stromleiterbahnen (L1 bis L3) in mehreren, durch wenigstens eine Keramiklage (4, 5) gegenseitig isolierten Ebenen vorgesehen sind.Current measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that at least in the region of the recess ( 7 ) a plurality of electrical conductor tracks (L1 to L3) in a plurality, by at least one ceramic layer ( 4 . 5 ) are provided mutually isolated levels. Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromleiterbahn (L1, L2, L3) eine Dicke (d) von unter 200 μm aufweist.Current measuring device according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least one power conductor track (L1, L2, L3) has a thickness (d) of less than 200 microns. Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Stromleiterbahn (L1, L2, L3) aus einem Au oder Ag zumindest enthaltenden Material besteht.Current measuring device according to one of the preceding Claims, characterized in that the at least one power conductor track (L1, L2, L3) from a material containing at least Au or Ag consists. Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Keramiklage (3, 4, 5) eine Dicke (Di) von unter 1000 μm, vorzugsweise unter 500 μm aufweist.Current measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one ceramic layer ( 3 . 4 . 5 ) has a thickness (D i ) of less than 1000 microns, preferably less than 500 microns. Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (8) mindestens ein Sensorelement vom XMR-Typ aufweist.Current measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 8th ) has at least one sensor element of the XMR type. Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Anschlussleitungen (15a, 15b, 16a, 16b) des Sensors (8) auf der Oberseite der Keramiklage (3).Current measuring device according to one of the preceding claims, characterized by connection lines ( 15a . 15b . 16a . 16b ) of the sensor ( 8th ) on top of the ceramic layer ( 3 ). Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vertikale, thermisch leitende Durchkontaktierungen durch die mindestens eine Keramiklage (3, 4, 5) vorgesehen sind.Current measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that vertical, thermally conductive vias through the at least one ceramic layer ( 3 . 4 . 5 ) are provided. Strommesseinrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Aufbau (2) mindestens eine weitere Schicht aus einem anderen Material, vorzugsweise einem weichmagnetischen Material, integriert ist.Current measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that in the structure ( 2 ) at least one further layer of another material, preferably a soft magnetic material, is integrated.
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