技术领域
[0001] 本
发明总的来说涉及电流传感器，更具体地，涉及例如适用于高达约500安培(A)的大电流的磁电流传感器。
背景技术
[0002] 常规的用于感测电流的
磁传感器已被知晓。某些电流感测系统利用了磁传感器被用作零位检测器，且系统产生出抵消待测电流的
磁场的补偿场的闭环原理。尽管精确，但这种系统可能要面临产生补偿磁场所需的很大功耗。
[0003] 其他系统是通常
精度低于上述
闭环系统的
开环系统。开环系统一般使用线性磁场传感器，诸如霍尔板等，且需要可能在制造上较为困难而且昂贵的特殊形状的导体。
[0004] 这些以及其他电流传感器还可能面临其他
缺陷，包括
磁滞效应、非线性、有限过电流能
力(cover-current capabilities)和/或磁屏蔽等。因此，有必要改善电流感测系统及方法。
发明内容
[0005] 本发明公开了电流传感器、系统及方法。在实施方式中，一种电流感测系统，包括：导体，其具有沿着电流通路的恒定截面；
基板，其耦接至导体；以及多个传感器元件，其排列在基板的表面上，多个传感器元件中的第一个被布置在导体的中点处，多个传感器元件中的第二个被布置在第一个的第一侧且隔开一距离，并且多个传感器元件中的第三个被布置在第一个的第二侧且隔开上述距离，其中，感测系统的输出与来自第一个的
信号减去除以2的来自第二个的信号再减去除以2的来自第三个的信号所得的结果相关。
[0006] 在实施方式中，一种方法，包括：形成电流传感器，其包括具有沿着电流通路的恒定截面的导体、耦接至导体的基板以及在基板的表面上等间隔排列的三个传感器元件，其中，三个中的第一个被布置在导体的中点处；使电流在导体中流通，从而诱导出能够被传感器元件检测的磁场；以及接收电流传感器的与来自三个传感器元件中的第一个的信号减去一半的来自三个中的第二个的信号再减去一半的来自三个中的第三个的信号所得的结果相关的输出。
[0007] 在实施方式中，一种电流感测系统，包括：导体，其具有沿着电流通路的恒定截面；基板，其耦接至导体；以及至少两个传感器元件，其彼此间隔开并沿着基板的表面上的轴排列，该至少两个传感器元件中的第一个被布置在相对于导体的中心线的第一距离处，并且至少两个传感器元件中的第二个被布置在相对于导体的中心线的第二距离处，第一距离和第二距离不相等，且导体的中心线垂直于该轴，并且至少两个传感器元件对平行于表面并由导体中流通的电流所诱导的磁场分量敏感。
附图说明
[0008] 结合附图考虑以下对本发明的各种实施方式的详细描述，可对本发明有更加全面的理解，其中：
[0009] 图1示出了根据实施方式的电流
传感器系统。
[0010] 图2示出了根据实施方式的电流传感器系统，其中，1表示由待测电流I在传感器元件SL、SC、SR上产生的磁场的方向，2表示待测电流I的流动方向。
[0011] 图3A示出了根据实施方式的电流传感器系统，其中，1表示由待测电流I在传感器元件SL、SC、SR上产生的磁场的方向，2表示待测电流I的流动方向，3表示倾斜。
[0012] 图3B示出了根据实施方式的电流传感器系统，其中，1表示由待测电流I在传感器元件SL、SC、SR上产生的磁场的方向，2表示待测电流I的流动方向，3表示倾斜，4表示导体的中心线。
[0013] 图3C示出了根据实施方式的电流传感器系统，其中，1表示由待测电流I在传感器元件SL、SC、SR上产生的磁场的方向，2表示待测电流I的流动方向，4表示导体的中心线。
[0014] 图4示出了根据实施方式的传感器
输出信号的曲线图。
[0015] 图5示出了根据实施方式的在各种距离处的传感信号的分量，其中，示出了500A时导体短边上方0.5mm处的-Bx_emqa[T]。
[0016] 图6是汇总图5数据的曲线图，其中，示出了导体表面上方0.5mm处的情况。
[0017] 尽管本发明可进行各种
修改和替换形式，但其具体形式已在附图中通过实例的方式被示出，并且将被详细描述。然而，应当理解的是，该目的并非将本发明限定于所述具体实施方式。相反，该目的是为了涵盖所有属于由所附
权利要求限定的本发明的思想和范围内的
变形例、等价物及供选方案。
具体实施方式
[0018] 实施方式涉及磁电流传感器。在各种实施方式中，电流传感器可包括具有诸如圆形、方形或矩形的恒定截面外形的，且通常没有任何凹槽或沟槽转移电流，从而具有更简单的制造工艺、低
电阻和较高机械强度的简单导体(simple conductor)。在实施方式中，该导体可包括诸如
铝或
铜的非
磁性导电材料。
[0019] 参照图1，磁电流传感器系统100的实施方式包括导体102。在实施方式中，导体102具有诸如圆形、方形或矩形的简单、恒定的截面轮廓，而且可关于z轴对称(如图1所示)。在实施方式中，导体102的取向可相对于基板104旋转90度，使得导体102的主面平行于基板104的主面。在实施方式中，导体102的具体取向可以改变，例如与如本文下面所讨论的纵横比有关。
[0020] 在实施方式中，导体102可被连接至基板104，该基板可包括
硅、玻璃、陶瓷或某些其他合适材料。在一实施方式中，
电压隔离层106被配置在导体102与基板104之间。在实施方式中，基板104包括磁场传感器元件。在一实施方式中，基板104至少包括两个磁场传感器元件。在图1的实施方式中，基板104包括三个磁传感器元件SL、SC和SR，与两元件系统相比，它们能提供对背景磁场的更高抑制。在待审查美国
申请第12/630,596号中公开了三霍尔元件系统，其全部内容通过引用结合于此。
[0021] 传感器元件SL、SC和SR可被置于基板104的顶面或底面上，并且在相对于导体102的固定
位置处被基板104保持。在各种实施方式中，传感器元件SL、SC和SR可相对于导体102以不同方式被布置。例如，图1示出了沿着x轴排列的传感器元件，其中SC位于
0处，SL位于x＝-b处且SR位于x＝+b处。在其他实施方式中，该传感器元件可沿不同的轴排列或可基本上沿轴排列。例如，一个以上的元件可稍微偏离由其他传感器元件限定的轴例如约1或2mm，尽管这种排列可能降低对垂直于轴的
磁场梯度的抑制。其他结构也是可以的。
[0022] 传感器元件SL、SC和SR对磁场的平行于其上安装了传感器元件SL、SC和SR的基板104的平面且垂直于导体102中的电流流通方向的分量Bx敏感。传感器元件SL、SC和SR被不对称地布置，使得各自经受不同的磁场。例如，在导体102中流通的电流能引起SL上的Bx分量Bx1、SC上的Bx2和SR上的Bx3。在仅包括两个磁传感器元件SL和SR的实施方式中，Bx1等于-Bx3，但这可能在实际中很难获得。在实施方式中，更实际的结果是Bx1＞Bx3＞0。
[0023] 传感器100确定至少在两个磁场传感器处的Bx分量的差：
[0024] 信号＝(传感器1的信号)-(传感器2的信号)
[0025] 其中，传感器1的信号大致与Bx1成正比，且传感器2的信号大致与Bx3成正比。这样，传感器系统100是一阶梯度仪，其消去了均匀的背景磁场，因为如果磁扰在各传感器元件上相等，并且两个传感器元件同等地去响应该扰动，那么该扰动基于减法而消除。
[0026] 再参照图1的实施方式，配置三个传感器元件SL、SC和SR能更好地抑制背景磁场。在一实施方式中，传感器元件SL、SC和SR在基板104上沿着单个轴空间等距离分开式排列，为了方便，本文将对应图1的取向称作xi轴。在该实施方式中，传感器系统100(现为二阶梯度仪)求得：
[0027] 信号＝(SC的信号)-(SL的信号)/2-(SR的信号)/2
[0028] 因此，该实施方式消去的不光是均匀的背景磁场，而且还有是坐标xi的线性函数的具有空间依赖性的场。因此，图1的具有SL、SC和SR的系统100提供了比之前讨论的简单的两传感器元件实施方式更好的对磁扰的抑制。
[0029] 正如本领域技术人员所理解的那样，传感器元件SL、SC和SR不需要是完全线性的，尽管对于小磁场期望适当的线性。此外，传感器元件SL、SC和SR的磁灵敏度可依赖于磁场的其他分量(
正交于磁场分量的串扰)。例如，在异于Bx的方向上的外部磁场可能改变传感器元件SL、SC和SR的磁灵敏度。然而，传感器系统100可提供已知强度的很小的自校准磁场，它在实施方式中能以规定模式周期性开启和关闭，或者在其他实施方式的例如扩展
光谱通信系统中随机性开启和关闭。传感器系统100随后能从其他传感器信号中，通过
相位同步检测而提取出该模式(所谓的自校准模式)。通过比较对自校准序列的传感器响应的强度与关于导体102中的电流的信号，系统100即使不知道传感器元件SL、SC和SR的灵敏度也能推导出电流。在实施方式中，自校准磁场不需要补偿由导体102中的待测电流引起的整个场；因此，产生自校准磁场的功率低于其他闭环系统。
[0030] 例如，在一实施方式中，使用了单个的稍微非线性的传感器元件SC和自校准。“稍微非线性”是指输出信号是所施加场的非线性函数：
[0031]
[0032] 若K2＝0，则传感器是线性的。因此，非线性由K2的大小来定义：|K2|越大，传感器越呈非线性。该信号应当对应Bx场的消失而消失，故K0＝0，这意味着零点误差可忽略。然而，若所有传感器元件均具有相同的K0，或至少相对于诸如寿命和
温度等工作条件稳定的K0，则该系统仍然工作。
[0033] 假设在一实施方式中，施加至传感器元件SC的整个磁场的x分量是扰动场Bxd、主电流I(通过电流轨(current rail)的待测电流)的场CxI和自校准电流Iacal的场Bx，acal＝CacalIacal的
叠加：
[0034] Bx＝Bxd+CxI+CacalIacal。
[0035] 此外，假设施加至该传感器元件的整个磁场的y分量为
[0036] By＝Byd
[0037] 它是作用在传感器SC上的扰动磁场的y分量。函数K0、K1、K2可以是By分量的任意函数，它意味着在x分量与y分量之间的串扰可以是任意的。函数K0、K1、K2还可以是温度、机械
应力和寿命的任意函数。
[0038] 系统100使用一定
频率facal的自校准场，并从信号中提取出该频率的一次和二次谐波：
[0039] 二次谐波：Sig2＝K2(CacalIacal)2，
[0040] 因为知道了Cacal和Iacal，所以系统100能从中计算出K2＝(CacalIacal)2/Sig2。
[0041] 一次谐波：Sig1＝K1CacalIacal+2K2CacalIacal(Bxd+CxI)
[0042] 若自校准磁场关闭，则该信号变为
[0043] Sig0＝K0+K1(Bxd+CxI)+K2(Bxd+CxI)2
[0044] 若自校准场未关闭，则自校准频率的周期的整数倍上的时间平均变为[0045] Sig′0＝K0+K1(Bxd+CxI)+K2(Bxd+CxI)2+K2(CacalIacal)2/2＝Sig0+Sig2/2[0046] Sig′0包括了与Sig0相同的信息，从而在积分时间内可选择一个以关闭或开启自校准磁场。
[0047] 因此，该系统具有3个方程：
[0048] 方程1：Sig2＝K2(CacalIacal)2/2
[0049] 方程2：Sig1＝K1CacalIacal+2K2CacalIacal(Bxd+CxI)
[0050] 方程3：Sig0＝K0+K1(Bxd+CxI)+K2(Bxd+CxI)2
[0051] 若K0、K1、K2和(Bxd+Cx*I)未知，则三个方程不足以确定四个未知数。
[0052] 若K0可忽略，则该系统能求解出三个未知数。
[0053] 将该理论扩展至一阶梯度仪，该系统包括两个传感器元件SL和SR，二者相减：
[0054] Sig＝Sig(L)-Sig(R)
[0055] 则该信号的零阶、一阶和二阶谐波变为
[0056] 方程1：
[0057] 方程2：
[0058]
[0059] 方程3：
[0060]
[0061] 这里我们假设传感器SL和SR的所有参数K0、K1、K2均不相同，且扰动场和来自主电流的场在两个传感器元件SL和SR处也不相同。
[0062] 我们可在更高程度上假设两个传感器元件SL和SR匹配得很好。这提供了[0063]
[0064] 并且，我们可假设扰动磁场相对均匀，从而 同时，自校准场在两个传感(L) (R)器元件上具有同样大小但符号相反Cacal ＝-Cacal ，然而主电流的场则不需要。那么：
[0065] 方程1：Sig2＝0
[0066] 方程2：
[0067] 方程3：
[0068] 它提供了：
[0069]
[0070] 并且最终：
[0071]
[0072] 在最后这一方程中，注意没有包括传感器元件SL、SR的参数(无K0、K1、K2)。仅有由主电流与传感器元件SL、SR之间和自校准电流与传感器元件SL、SR之间的纯粹几何关系确定的常量Cacal、CxL、CxR。传感器信号的平均与一次谐波的比与
电路的增益误差无关，从而一般非常精确。然而，注意在实施方式中的必要条件，即自校准电流在两个传感器SL和SR上产生相反方向的场：
[0073] IacalCacal(L)＝-IacalCacal(R)
[0074] 在实施方式中，若用诸如
半导体制造流程的一部分的与传感器元件相同的技术来制造自校准线圈或示踪线(wire trace)，则可获得这种完全对称。
[0075] 现在我们将该理论扩展至二阶梯度仪，如图1所示采用三个传感器元件：左侧的SL、右侧的SR和中间的SC，其通过下式结合起来：
[0076] Sig＝2Sig(C)-(Sig(L)+Sig(R))
[0077] 则信号的零阶、一阶和二阶谐波变为
[0078] 方程1：
[0079] 方程2：
[0080]
[0081]
[0082] 方程3：
[0083]
[0084]
[0085] 为了很好地匹配这三个传感器元件SL、SC和SR，我们得到：
[0086]
[0087] 为了仅有均匀的扰动磁场或具有线性梯度的场，我们得到：
[0088]
[0089] 为了求解我们选择Cacal(C)，Cacal(L)，Cacal(R)，从而Sig2＜＞0。一个可能解是(C) (L) (R)Cacal ≠0，Cacal ＝Cacal ＝0。则从Sig2中求出K2。方程2和3具有两个未知数，电流I和K1。因此，可以求解出该系统的方程。
[0090] 遗憾地是，通常不可能消除扰动场的所有项。因此，该系统受背景磁场影响，但只是适度的。
[0091] 该原理还可被用于具有三阶非线性的传感器。在这种实施方式中，其还可以对自校准频率的三次谐波进行
采样来获得附加方程，系统用该方程能计算出K3。
[0092] 由于某些传感器结构中的对称性，类似K2的偶数阶系数可消失。在这些实施方式中，二次谐波也可消失，并由此将方程的数量以及未知数的数量减少了一个。
[0093] 若传感器系统100利用了自校准，则知不知道传感器元件SL、SC和/或SR的磁灵敏度就不那么重要，因为它能在使用中通过自校准系统来校准。
[0094] 在包括
磁阻传感器元件的实施方式中，以这样一种方式排列传感器元件可以有利，即，来自电流I的磁场在传感器元件SL、SC和/或SR上的部分加至平行于磁阻
电阻器的长条而排列的
各向异性场，从而减小了传感器元件SL、SC和/或SR的灵敏度(输出信号相对电流的微小变化的斜率)。该方法的优势在于，在大电流时磁阻条的灵敏度降低，这防止该条进入饱和状态太过容易。
[0095] 图2示出了达到此目的的一种简单方法。在图2中，传感器系统200包括导体202、基板204和排列在基板204上的三个传感器元件SL、SC和SR。通常，传感器元件SL、SC和SR应具有可忽略的磁滞。因此，在实施方式中，好的传感器技术包括诸如各向异性磁阻(AMR)、巨磁阻(GMR)、隧道磁阻(TMR)或庞磁电阻(CMR)的XMR。传感器元件SL、SC和SR在一实施方式中包括AMR传感器元件，但在其他实施方式中可包括其他磁阻技术。尽管各传感器元件SL、SC和SR可包括多个AMR传感器条，但图2示出了各自仅有单个条的情况。正如所示那样，各条的barber极(pole)以相对整个条的方向成45度排列。
[0096] 在图2的实施方式中，电流I的磁场不加至SL、SC和SR的AMR电阻条的各向异性场。在大电流I时，SL、SC和SR的AMR条进入饱和。
[0097] 图3A示出了另一实施方式，其中电流的场的一小部分加至AMR电阻器条的各向异性场，并且在大电流I时，SL、SC和SR的AMR电阻器不再很快进入饱和。比较图2和图3的实施方式，在图3中，传感器元件SL、SC和SR自身相对于导体202中的电流流通方向略微倾斜。
[0098] 类似地，还可以倾斜其上安装了传感器元件SL、SC和SR的基板204，如图3B所示。此外，可使用至少具有两个明显不同的条方向的AMR传感器元件，如图3C所示。若所施加的磁场驱动一个AMR电阻器进入饱和，则其他部分保持工作，使得AMR相对背景磁场更强。
在一实施方式中，也可在上述与电流流通方向成+/-45度
角的两部分之间内增加平行于电流流通方向的第三AMR部分，以用于调节AMR关于电流以及关于背景磁场的灵敏度。
[0099] 图4示出了AMR传感器元件SL、SC和SR针对各种倾角的输出信号。若SL、SC和SR的AMR条相对于导体202中的电流流通方向不倾斜，则元件的灵敏度很大(很陡的斜率)，但在大电流时出现饱和，并且传感器元件SL、SC和SR之后便不能再检测电流变化。若这些条被倾斜，则输出曲线略微变平，但传感器SL、SC和SR在大电流时不再饱和。
[0100] 在其他实施方式中，并再次参照图1，导体102可以是具有能引起以下Bx场的半径a的圆形，若BC传感器位于离导体中心的距离r＞a的位置处且在基板上传感器元件的间距为b，则：
[0101] BxC＝μ0*CD*a2/(2*r)
[0102] BxL＝BxR＝μ0*CD*a2*r/2/(r2+b2)
[0103] 其中，CD为导体的截面中的均一的电流
密度。在一实施方式中，对于r＝4.5mm，a＝4mm以及b＝2mm，我们得出BxL＝37.1μT/A且BxC＝44.4μT/A。这给出整个信号为BsC BxL/2BxR/2＝7.33μT/A。对于r＝4.6mm且a和b不变，则结果整个信号下降6％。因此，若期望整个寿命中的
稳定性为0.1％，则在实施方式中，基板的半径距离可以精确至约1.7μm。因此，在实施方式中，不期望用有机材料(例如，塑料)将基板附接至导体，而高填充铸模化合物或玻璃、陶瓷、瓷器或其他合适材料可适合。
[0104] 图5示出了在各种导体上方0.5mm距离处的Bx分量：曲线1针对的是具有8mm直径的圆形截面的导体；曲线2针对的是具有7mm×7mm截面的方形导体；而且曲线3-5分别针对的是具有4mm×12.5mm、2mm×25mm和1mm×50mm的矩形截面的导体。在这些实例中，2 2
各自的截面面积恒为约50mm。通过导体的总电流约为500A，这提供了约10A/mm的合适的电流密度。这三个传感器元件分别被置于x＝2mm、0mm和+2mm处。通常，在实施方式中所选择的导体结构应当使整个磁场最大化，从而最大化整个信号BC BR/2，但不使BC、BR和/或BL各自最大化。
[0105] 同时也参照图6，它是从图5的曲线中概括出来的数据，对于约为3至12的纵横比(例如约为10)，总信号BC-(BR+BL)/2在最大值处，但即便是具有纵横比为1的圆形横截面(曲线1)也是非常好的。然而，对于很小的纵横比，Bx场的共模(BxL、BxC和BxR的平均)也是很大的，这在包括XMR传感器的实施方式中要被避免，因为大的共模场会驱动XMR进入饱和，从而降低灵敏度并对总输出信号无任何贡献。因此，在实施方式中，具有矩形截面且纵横比约为10的导体更加合适。然而，这种导体能够具有较小带宽，并且具有在高频时被从导体内部排出的场，该带宽改变了Bx场和频率(的对应关系)。为使电流传感器的带宽最大化，在实施方式中可实现具有圆形截面或具有纵横比接近1的截面的导体。在实施方式中也可避免诸如传感器封装壳中的芯片焊盘等的附加的宏观导电部分。
[0106] 因此，实施方式涉及包括简单导体和磁场传感器元件的电流传感器系统。在实施方式中，使用多个传感器元件，诸如两个或三个，其相对于导体而被连接至基板。在一实施方式中，这些传感器元件被连接至基板的平行于但背离导体的表面，尽管在其他实施方式中可使用基板的其他表面。在具有三个传感器元件的实施方式中，传感器元件通常关于导体的中心对称排列。例如，第一传感器元件被置于导体的中心线处，而其他两个传感器元件直线排列，并各自在第一传感器的一侧且空间上距第一传感器元件等距离。导体可具有各种截面，并且在实施方式中使用的具体截面能使一个以上的特性最大化。例如，在期望很高带宽的实施方式中可使用具有圆形截面的导体，而在期望优化灵敏度的实施方式中可使用具有纵横比约为10的矩形截面和连接至基板的主面的次面(minor surface，副面)。为了提高精度而不关心非线性，在实施方式中还可使用自校准技术。
[0107] 本文已描述了系统、装置和方法的各种实施方式。这些实施方式仅以实例的方式给出，且并不意味着限制本发明的范围。而且，应当理解的是，已描述的这些实施方式的各种特征可以各种方式结合以产生许多另外的实施方式。此外，尽管为了应用已通过所公开的实施方式对各种材料、尺寸、形状、结构和位置等进行了描述，但也可采用除所公开的这些之外的其他方式，而不超出本发明的范围。
[0108] 相关领域的普通技术人员将会意识到，本发明可包括比在上述各实施方式中所示出的更少的特征，本文所述的实施方式并不意味着是对可以结合本发明的各种特征的方式的全面介绍。因此，这些实施方式并非是特征的相互排斥性的组合；相反，正如本领域普通技术人员所理解的那样，本发明可包括从各种不同实施方式中选出的各种不同特征的组合。
[0109] 对通过上述文献引用的任何合并进行限定，使其没有结合与本文明确公开的内容相悖的主题。对通过上述文献引用的任何合并进一步限定，使得文献中包括的权利要求没有通过引用结合于此。对通过上述文献引用的任何合并再进一步限定，使得在文献中提出的任何定义均不通过引用结合于此，除非本文中明确包括。
[0110] 为了解释本发明的权利要求，明确表示不援引35U.S.C第112部分第六节的规定，除非在权利要求中叙述了具体术语“用于……的装置”或“用于……的步骤”。
