傳感器封裝及其制造方法

專利名稱：傳感器封裝及其制造方法
技術領域：
本發明一 般地涉及ー種傳感器封裝(package)以及用于制造傳感器封裝的方法。本發明進ー步涉及ー種包括電流傳感器的系統。
背景技術：
一般地，可使用分流器來測量電流。分流器是電阻已知的電阻器，其與負載串聯放置以使得要測量的所有電流流過該電阻器。電阻器上的電壓降與流過該電阻器的電流成比例。由于電阻器的電阻是已知的，所以電阻器上連接的電壓表能顯示出電流值。分流器的一個缺點是其高電阻以及因此的其高能量損耗。

發明內容
通過本發明的優選實施例，這些及其它問題大體上得以解決或回避，并且大體上實現了技術優勢。根據本發明的實施例，公開了ー種傳感器封裝。該傳感器封裝包括導電線和傳感器，其中傳感器接近導電線而布置。傳感器和導電線被電隔離(isolate)且至少部分被密封(encapsulate)。軟磁體被布置在密封件中、密封件上和/或密封件周圍，其中軟磁體包括絕緣材料和具有軟磁特性的材料的合成物。


為了更完整地理解本發明及其優點，現結合附圖參考以下的描述，其中圖I是尚未最終組裝的電流軌和封裝的磁性傳感器的傳統布置的示圖；圖2是傳統電流傳感器封裝的示圖；圖3示出了傳感器封裝的實施例的橫截面視圖；圖4示出了傳感器封裝的實施例的俯視圖；圖5示出了傳感器封裝的實施例的橫截面視圖；圖6示出了傳感器封裝的實施例的俯視圖；圖7示出了包括兩個傳感器的傳感器封裝的實施例的俯視圖；圖8示出了傳感器封裝的實施例的橫截面視圖；以及圖9示出了傳感器封裝的應用。
具體實施例方式下面詳細討論目前優選實施例的制造和使用。然而，應當認識到，本發明提供了許多可應用的創造性概念，其能夠在多種多樣的具體背景中具體體現。所討論的具體實施例僅僅是制造和使用本發明的具體方式的說明，且不限制本發明的范圍。將關于具體背景中的優選實施例描述本發明，也就是傳感器封裝。本發明也可應用于電流傳感器。
圖I示出了典型地集成到傳統電流傳感器封裝100中的元件。傳統的電流傳感器封裝100包括電流軌110、軟磁磁芯120和封裝的磁性傳感器130。在最終的組裝步驟中，這些元件被密封在密封件(encapsulation) 150內以形成電流傳感器封裝100。如圖2所示。電流傳感器封裝100的軟磁磁芯120典型地由金屬例如鐵或鎳制成。電流和移動的電荷產生了垂直于電流的磁場。該磁場可以用圍繞電流形成圓柱體的磁力線來描述。在一個實施例中，軟磁磁體包括軟磁復合材料。在一個實施例中，軟磁復合材料包括絕緣材料或聚合物。在一個實施例中，軟磁復合材料包括嵌入絕緣材料或聚合物中的軟磁磁體材料。在一個實施例中，軟磁復合材料包括嵌入絕緣材料或聚合物中的鎳(Ni)、鐵(Fe)、鐵-鎳(FeNi)、鐵-硅(FeSi)、鐵-硅-硼(FeSiB)或鐵-鈷(FeCo)顆粒。在一個實施例中，軟磁磁體可形成在傳感器和導電線的密封件中和/或該密封件上。在一個實施例中，軟磁磁體可形成在模具中。在一個實施例中，軟磁磁體可注入模具 中。在一個實施例中，軟磁磁體可以包括位于密封件中、密封件上和/或密封件周圍的三角形形狀的結構或矩形形狀的結構。在一個實施例中，軟磁磁體可形成位于密封件中和/或密封件上的復合二維和三維結構。在一個實施例中，軟磁磁體弓I導或集中磁力線。在一個實施例中，軟磁磁體將磁性聚集到特定的聚集點。在一個實施例中，磁力線被聚集到傳感器芯片上。在一個實施例中，磁力線被聚集到傳感器芯片的活性(active)區域上。圖3和4示出了傳感器封裝200的實施例。傳感器230布置在引線框240上。傳感器230可以通過例如環氧樹脂的膠粘劑布置在引線框240的傳感器附著區域233上。可替換地，膠粘劑可以是丙烯酸、硅樹脂、異氰酸酯或其它粘合劑。在將傳感器230固定在引線框240的傳感器附著區域233之后，傳感器230可能用接合線237導線接合到引線框240的引線236。在一個例子中，引線框240可以包括三根或四根引線236。可替換地，引線框240可以包括不同數目的引線236。圖3和4進一步示出了布置在傳感器230附近或鄰近傳感器230布置的導電線210。導電線210可以布置在距離傳感器230的感測距離內。導電線210可以與傳感器230隔離。在一個實施例中，導電線210可以被隔離，因為電壓高達約100kV。在一個實施例中，導電線210可以被隔離，因為電壓高達約10kV。在一個實施例中，導電線210可以被隔離，因為電壓高達約lkV。在一個實施例中，導電線210是例如銅(Cu)或鋁(Al)的金屬。在一個實施例中，導電線210是任何合適的導電材料，例如摻雜的多晶硅或多晶硅。在一個實施例中，導電線210是U-形的。在一個實施例中，導電線210是O-形的。在一個實施例中，導電線210是近似O-形的，即O形環的一側處具有小缺口。在一個實施例中，導電線210是近似橢圓形的。在一個實施例中，導電線210是直線的。在一個實施例中，傳感器230可以是磁性傳感器。磁性傳感器230可以測量由流過導電線210的電流產生的磁場。磁性傳感器230通常不中斷導電線210中的電流。磁性傳感器230的輸出電壓可響應于電流的變化以及因此相關磁場的變化而改變。在一個實施例中，磁性傳感器230是霍爾傳感器。霍爾傳感器測量磁場的變化。通過測量霍爾電壓來測量磁場的變化。產生橫向于流過霍爾板的恒定電流且垂直于要測量的磁場的霍爾電壓。在一個實施例中，磁性傳感器230是各向異性磁致電阻(AMR)傳感器。AMR電阻器可以由沉積在硅晶片上的坡莫合金薄膜制成。在存在磁場的情況下，該膜的電阻可能變化2% -3%。在典型的配置中，其中四個這樣的AMR電阻器以惠斯登電橋連接以便允許測
量磁場的量值。垂直施加于坡莫合金膜ー側的外部磁場使得電阻值發生變化，且產生惠斯登電橋的電壓輸出變化。這種電阻的變化被稱作磁阻效應，且與流過電橋的電流的角度和受到要測量的磁場影響的膜的磁化矢量直接相關。在一個實施例中，磁性傳感器230是巨磁阻(GMR)傳感器。GMR電阻器可由沉積在硅晶片上的自旋閥疊層制成。自旋閥疊層可以包括夾在兩個具有相反磁化的磁性層之間的導電非磁性中間層。當受到外部磁場吋，GMR電阻器改變其電阻。 在典型的配置中，其中四個這樣的GMR電阻器以惠斯登電橋連接，且其中兩個惠斯登電橋可以形成GMR傳感器。惠斯登電橋的每個半橋可以包括具有相反參考磁化的電阻器。兩個半橋可以形成惠斯登電橋，以使得具有相似取向的參考磁化的電阻器沿對角線位于全橋中。第一惠斯登電橋的電阻器和第二惠斯登電橋的電阻器旋轉90度。在一個實施例中，導電線210、傳感器230和引線框240至少部分用密封材料或密封化合物密封在密封件250中。在一個實施例中，密封材料可以包括絕緣材料。在ー個實施例中，密封材料可以包括不導電材料。在一個實施例中，密封材料可以包括電介質材料。在一個實施例中，密封材料可以包括聚合物。在一個實施例中，聚合物可以包括熱固塑料或熱塑塑料。在一個實施例中，密封件250形成在模具中。在一個實施例中，通過將密封化合物或材料注入到模具中來形成密封件250，以形成密封件250。熱固塑料是ー種聚合物材料，當被加熱時、當被經過化學反應處理時、當通過照射處理時，其不可逆地固化。一些熱固性材料在固化和被設計為模制成其最終型狀(form)之前，可以是液體的、可延展的、或者甚至是固體的。固化過程通過交聯過程將樹脂轉換成塑料或橡膠。添加能量和/或催化劑，使得分子鏈在化學活性部位處發生反應，從而將分子鏈鏈接到一起成為剛性結構。交聯過程形成具有更大的分子量且是固體材料的分子。在一個實施例中，可以通過在約50°C到約250°C的范圍內加熱熱固塑料來實現固化。在一個實施例中，可以通過在約100°C到約200°C的范圍內加熱熱固塑料來實現固化。在一個實施例中，可以通過在高于約100°C的溫度下加熱熱固塑料來實現固化。熱塑塑料是ー種聚合物，當被加熱時其變成液體，且當被充分冷卻時其凝固。多數熱塑塑料是高分子量的聚合物，其鏈通過微弱的范德華力和/或較強的偶極-偶極相互作用關聯。熱塑塑料聚合物不同于熱固塑料聚合物，其可以是被再熔化和再模制的。熱固性材料可以包括甲酚酚醛樹脂化合物、環氧樹脂化合物、呋喃化合物、異氰酸鹽、醇酸樹脂化合物、三聚酰胺甲醛化合物或其組合。熱塑塑料在玻璃轉化溫度Tg以上是有彈性的和柔性的。該轉化溫度Tg是ー個溫度范圍的中間點，而不是一個精確限定的溫度。在第二更高熔化溫度Tni以下(該溫度! 也是ー個范圍的中間點)，ー些熱塑塑料具有交替的結晶區和非晶區。在Tm以上，所有的晶體結構消失，并且該鏈變成隨機內部分散的。在一些實施例中，熱塑塑料在Tm以下僅具有非晶區。熱塑塑料可以包括聚酰胺或聚乙烯。可替換地，熱塑塑料可以包括聚苯硫醚、聚乙烯化合物、聚甲醛化合物或其組合。在一個實施例中，熱塑塑料可以被加熱至約230°C到約370°C的溫度。在一個實施例中，熱塑塑料可以被加熱至約270°C到約330°C的溫度。在一個實施例中，熱塑塑料可以被加熱至約300°C的溫度。軟磁體或軟磁磁芯260可以形成在密封件250上、密封件250中或密封件250周圍。不像硬磁磁心，當去除磁場時，軟磁磁心不保持被磁化。軟磁磁心可以被用在磁場反復開關(switch)或變化的應用中。在一個實施例中，軟磁體260可以包括軟磁復合材料，例如絕緣材料或非導電材·料加上具有軟磁特征或特性的材料。在一個實施例中，軟磁體260包括嵌入在絕緣材料中的具有軟磁特性的材料。在一個實施例中，軟磁體260包括填充有軟磁顆粒的絕緣材料。在一個實施例中，軟磁體260包括至少兩種不同的嵌入在絕緣材料中的具有軟磁特性的材料。在一個實施例中，絕緣材料是聚合物。在一個實施例中，聚合物可以包括熱固性或熱塑性材料。在一個實施例中，具有軟磁特征或特性的材料可以包括例如鎳(Ni)、鐵(Fe)、鐵-鎳(FeNi)、鐵-硅(FeSi)、鐵-硅-硼(FeSiB)或鐵-鈷(FeCo)。可替換地，材料可以是其它具有軟磁特性的材料。在一個實施例中，軟磁體260可通過在密封件250上、密封件250中或密封件250周圍沉積一層軟磁復合材料來形成。在一個實施例中，軟磁體260可通過在彼此之上沉積若干層軟磁復合材料來形成。在一個實施例中，軟磁復合材料的第一層可以被沉積在密封件250之上，其具有第一型狀。接著，軟磁復合材料的第二層可以被沉積在密封件250和所沉積的第一層之上，其具有第二型狀。然后，軟磁復合材料的第三層可以被沉積在密封件250和所沉積的第一和第二層之上，其具有第三型狀。在一個實施例中，多層軟磁體260可以包括全都具有不同型狀或全部具有相同型狀的η個層。可替換地，多層軟磁體260可以包括一些具有相同型狀的層和具有不同型狀的其它層。通過施加這樣的沉積過程可以形成軟磁體260的復合的二維或三維型狀。在一個實施例中，多層的軟磁體260可以包括包含第一軟磁復合材料的第一層和包含第二軟磁復合材料的第二層。例如，第一軟磁復合材料可以是其中嵌入鐵(Fe)的熱塑性材料，并且第二軟磁復合材料可以是其中嵌入鐵-鎳(Fe-Ni)的熱固塑料。在一個實施例中，軟磁體260可通過將密封件250放置在模具中且在其中注入軟磁復合材料來形成。軟磁復合材料可在約100°C到約450°C的溫度下注入。優選的范圍可以在200°C和400°C之間。然后，模具被冷卻，并且軟磁復合材料呈現出模具的型狀，從形成軟磁體260。在一個實施例中，電流傳感器200可以在兩步注入過程中形成。在第一步中，將導電線210、傳感器230和引線框240放置于第一模具中。在模具中注入絕緣或非導電材料，并且形成密封件250。接著，在第二步中，將密封件250放置于第二模具中。在模具中注入軟磁復合材料以在密封件250中、密封件250上或密封件250周圍形成軟磁體260。第一模具可以包括與第二模具不同的型狀。圖3和4示出了在密封件250上布置軟磁體260的實施例。軟磁體260覆在密封件250的上表面251、密封件250的下表面252和密封件250的側壁253上面。軟磁體260被布置成矩形形狀，且覆在傳感器230的活性區域231上面。圖5示出了在密封件250上的軟磁體260的布置的另ー實施例。軟磁體260布置在密封件250的上表面251和部分側壁253上，但不在下表面252上。軟磁體260完全覆蓋傳感器230，而不僅僅覆蓋傳感器230的活性區域231。 圖6示出了在密封件250上的軟磁體260的布置的又ー實施例。軟磁體260形成三角形，其中三角形的一個角覆在傳感器230的活性區域231上面。這種布置的優點在于磁力線可以引導或集中在傳感器230的活性區域231上。進ー步的優點在于磁力線可以聚集在傳感器230的活性區域231上。圖7示出了具有兩個或更多傳感器的實施例。圖7示出了布置于第一引線框242上的第一傳感器232和布置于第二引線框244上的第二傳感器234。第一引線框242包括第一引線238，并且第二引線框244包括第二引線239。第一傳感器232包括第一活性區域231，并且第二傳感器234包括第二活性區域233。第一和第二傳感器232、234，第一和第二引線框242、244以及導電線210至少部分嵌入密封件250中。軟磁體260覆在密封件250上面并且覆在第一和第二傳感器232、234的至少第一和第二活性區域231、233上面。在一個實施例中，第一和第二傳感器232、234是相同類型的傳感器。在一個實施例中，第一和第ニ傳感器232、234可以包括不同類型的傳感器。例如，傳感器232可以是霍爾傳感器，并且傳感器234可以是AMR傳感器。圖8示出了嵌入密封件的軟磁體260的布置的實施例。在一個實施例中，內部密封件270通過至少密封導電線210、傳感器230和引線框240而形成。軟磁體260形成在內部密封件270的表面上。根據前面公開的實施例中的ー個來形成軟磁體260。最后，形成外部密封件280以便密封內部密封件270和軟磁體260。在一個實施例中，外部密封件280可以僅部分密封內部密封件270和/或軟磁體260。在一個實施例中，外部密封件280可以包括與內部密封件270相同的材料。在另ー實施例中，外部密封件280可以包括與內部密封件270不同的材料。盡管已參考說明性實施例描述了軟磁體260的布置，但是這樣的描述并不意圖要以限制性的意義來解釋。本領域技術人員將會知道說明性實施例的各種修改和組合。例如，軟磁體260可以部分布置在密封件250中，且部分布置在密封件250外部，或者軟磁體260可以嵌入密封件250中，該軟磁體具有不被密封件250覆蓋的表面。圖9示出了電流傳感器封裝320在系統300中的應用。圖9示出了連接到傳感器封裝320的負載或電流發生器310。負載或電流發生器310通過線路315電連接到傳感器封裝320的導電線。傳感器封裝的引線通過線路325電連接到控制器330，并且控制器330通過線路335電連接到電流發生器或負載310。負載或電流發生器310可以是可充電或不可充電的電池。在一個實施例中，負載或電流發生器310是電カ發電器，例如太陽能電池、燃料電池或電磁發電機。在一個實施例中，負載或電流發生器310是用于建筑物的電源。在一個實施例中，負載或電流發生器310是用于建筑物的安全系統，其中，如果有人通過未被授權的門或窗的入口闖入建筑物，電流傳感器封裝將辨識出電流的中斷。電流傳感器封裝320可以是前面公開的電流傳感器封裝中的一個。控制器330可以是微控制器或微處理器。在一個實施例中，電流傳感器封裝320測量由電流發生器310生成的電流，并通過線路325將結果或信息轉送到控制器330。控制器330檢查從電流傳感器封裝320接收的信息，并通過線路335命令電流發生器310增大或減小電流生成。在一些實施例中，基于從電流傳感器封裝320接收的信息，當滿足或違反規格限制時，控制器330可以關斷電流發生器 310。在一個實施例中，電流傳感器封裝320測量來自負載310的電流，并通過線路325 將結果或信息轉送到控制器330。控制器330檢查從電流傳感器封裝320接收的信息，并通過線路335發送信號來調整負載310的電氣特征。在一些實施例中，基于從電流傳感器封裝320接收的信息，當滿足或違反規格限制時，控制器330可以關斷負載。系統300能夠在許多不同的應用中使用。例如，系統300可以用在電動車輛、安全系統、本地發電系統中或建筑物中。在一個實施例中，這些系統可以包括傳感器封裝200的實施例。在一個實施例中，這些系統可以包括傳感器封裝200的幾個或許多實施例。盡管已經詳細描述了本發明及其優點，但應當理解，在不背離由所附權利要求限定的本發明的精神和范圍的情況下，本文能夠完成各種變化、替換和改變。而且，本申請的范圍并不意圖受限于在說明書中描述的過程、機器、制造、物質組成、裝置、方法和步驟的特定實施例。如本領域普通技術人員將從本發明的公開內容容易地認識到的那樣根據本發明，可以利用目前存在或以后待研發的執行與本文所描述的相應實施例基本上相同功能或實現與本文所描述的相應實施例基本上相同結果的過程、機器、制造、物質構成、裝置、方法或步驟。相應地，所附權利要求意圖在其范圍內包括這樣的過程、機器、制造、物質構成、裝置、方法或步驟。
權利要求
1.一種傳感器封裝包括 導電線； 傳感器，其中該傳感器接近所述導電線布置； 密封件，其電隔離且至少部分密封所述導電線和傳感器；以及軟磁體，其被布置在所述密封件中、所述密封件上和/或所述密封件周圍，其中該軟磁體包括絕緣材料和具有軟磁特性的材料的合成物。
2.根據權利要求I的傳感器封裝，其中該軟磁體包括嵌入聚合物中的軟磁顆粒。
3.根據權利要求I的傳感器封裝，其中該聚合物是熱固性或熱塑性材料。
4.根據權利要求I的傳感器封裝，其中該傳感器是磁性傳感器。
5.根據權利要求4的傳感器封裝，其中該磁性傳感器是霍爾傳感器、AMR傳感器或GMR傳感器。
6.根據權利要求I的傳感器封裝，其中該導電線包括U形導電線、O形導電線、近似O形導電線、近似橢圓形導電線或直的導電線。
7.根據權利要求I的傳感器封裝，其中該軟磁體被布置在傳感器的活性區域上。
8.—種制造傳感器封裝的方法，該方法包括 通過至少部分密封導電線和傳感器來電隔離所述導電線和傳感器；以及在第一密封件中、第一密封件上和/或第一密封件周圍形成軟磁體，其中所述軟磁體包括絕緣材料和具有軟磁特性的材料的合成物。
9.根據權利要求8的方法，其中通過在第一模具中注入聚合物來形成所述密封件，以及其中通過將軟磁復合材料注入第二模具中來形成所述軟磁體。
10.根據權利要求9的方法，其中所述絕緣材料包括聚合物。
11.根據權利要求10的方法，其中所述具有軟磁特性的材料包括鎳(Ni)、鐵(Fe)、鐵-鎳(FeNi)、鐵-硅(FeSi)、鐵-硅-硼(FeSiB)或鐵-鈷(FeCo)顆粒或其它軟磁填充物。
12.根據權利要求8的方法，其中形成所述軟磁體包括在傳感器的活性區域上形成軟磁體。
13.根據權利要求8的方法，其中形成所述軟磁體包括在所述密封件的上表面和下表面上形成軟磁體。
14.根據權利要求8的方法，其中形成所述軟磁體包括形成嵌入在所述密封件中的軟磁體。
15.根據權利要求8的方法，其中形成所述軟磁體包括形成矩形形狀軟磁體或三角形形狀軟磁體。
16.根據權利要求8的方法，其中所述導電線是U形導電線、0形導電線、近似0形導電線、近似橢圓形導電線或直的導電線。
17.根據權利要求8的方法，其中所述傳感器是磁性傳感器。
18.一種用于測量電流的系統，該系統包括 負載； 包括導電線和傳感器的電流傳感器封裝，其中所述導電線電連接到所述負載； 電連接到所述傳感器和負載的控制器；其中所述電流傳感器封裝測量電流，并且其中所述電流傳感器封裝包括軟磁體，所述軟磁體包括絕緣材料和具有軟磁特性的材料的合成物。
19.根據權利要求18的系統，其中所述具有軟磁特性的材料包括鎳(Ni)、鐵(Fe)、鐵-鎳(FeNi)、鐵-硅(FeSi)、鐵-硅-硼(FeSiB)、鐵-鈷(FeCo)顆粒或其組合。
20.根據權利要求18的系統，其中所述負載包括用于建筑物的電源、電力發電機或者可充電或不可充電的電池。
全文摘要
本發明涉及傳感器封裝及其制造方法。公開了一種傳感器封裝和用于制造傳感器封裝的方法。實施例包括傳感器和導電線，其中傳感器接近導電線布置。傳感器和導電線被隔離并且至少部分被密封。軟磁體被布置在密封件中、密封件上和/或密封件周圍，其中軟磁體包括絕緣材料和具有軟磁特性的材料的合成物。
文檔編號G01R15/20GK102707119SQ20111028650
公開日2012年10月3日 申請日期2011年8月16日 優先權日2010年8月16日
發明者G·魯爾, H·托伊斯, K·埃利安 申請人:英飛凌科技股份有限公司