專利名稱：無源式交流電流感測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明關(guān)于ー種電流感測器，且特別關(guān)于ー種無源式交流電流感測器。
背景技術(shù)：
在エ業(yè)設(shè)計(jì)上，常應(yīng)用電流的檢測于系統(tǒng)過流保護(hù)及電流控制，例如電能衰減檢測、馬達(dá)超載檢測保護(hù)、電源的電流模式控制以及控制系統(tǒng)診斷等等。現(xiàn)有的電流感測器的感測方式可分為接觸式及非接觸式兩種。接觸式的感測方式利用一感測電路的電路設(shè)計(jì)，測量感測電路中電阻、電感、電容或晶體管兩端的電壓以計(jì)算出感測電流。非接觸式的感測方式感測載流導(dǎo)體周圍產(chǎn)生的磁場,例如電流互感(currenttransformer)法、霍爾元件(Hall element)法、磁致電阻法等,或是通過磁能轉(zhuǎn)換成力學(xué)能的方式，轉(zhuǎn)而測量物質(zhì)力學(xué)上的變化以獲得感測電流。上述接觸式及非接觸式的感測方 式各有其優(yōu)缺點(diǎn)及適合應(yīng)用的場合。其中，如圖I所示，現(xiàn)有利用磁能轉(zhuǎn)換成力學(xué)能的方式的電流感測器I包括ー載流的線圈11、一壓阻性元件12以及一微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)結(jié)構(gòu)層13，線圈11及壓阻性元件12皆設(shè)置于微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13上，載流的線圈11放置于載流導(dǎo)體CC產(chǎn)生的磁場中，會(huì)受到勞倫茲カFL的作用而施カ于微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13，再通過微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13間接施力于壓阻性元件12，以使壓阻性元件12的阻抗降低而產(chǎn)生電壓降，以感知載流導(dǎo)體CC的電流大小?，F(xiàn)有的電流感測器I因其為非接觸式的電流感測器，故能夠避免影響被感測的載流導(dǎo)體CC，同時(shí)在大電流、大功率的系統(tǒng)中測試時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生大量功耗。然而，由上段敘述可知，現(xiàn)有的電流感測器I為主動(dòng)式的電流感測器，必需供電才能使用，并且，在感測過程中，只要載流導(dǎo)體CC有電流通過，電流感測器I就會(huì)持續(xù)不停地運(yùn)作，因此，微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13須承受大部分的往復(fù)應(yīng)力，容易有疲勞或老化的問題。此夕卜，為了增加電流感測器I的靈敏度，微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13上會(huì)設(shè)置多圈的線圈11，但由于通電時(shí)線圈11的功率消耗，微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13會(huì)發(fā)熱導(dǎo)致溫度上升及熱應(yīng)力作用，而對電流感測器I的作動(dòng)造成影響。因此，如何提供一種不需供電即能進(jìn)行感測的無源式交流電流感測器，其結(jié)構(gòu)層能夠抵抗疲勞或老化問題的發(fā)生，并且可避免因設(shè)置多圈的線圈產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)層發(fā)熱現(xiàn)象對感測造成影響，已成為重要課題之一。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于上述課題，本發(fā)明的目的為提供一種不需供電即能進(jìn)行感測的無源式交流電流感測器，其結(jié)構(gòu)層能夠抵抗疲勞或老化問題的發(fā)生，并且可避免因設(shè)置多圈的線圈產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)層發(fā)熱現(xiàn)象對感測造成影響。為達(dá)上述目的，依據(jù)本發(fā)明的一種無源式交流電流感測器，感測ー載流導(dǎo)體的電流。無源式交流電流感測器包括一基板、一磁性體、至少ー線圈以及一第一測量電路?；寰哂幸粡幮越Y(jié)構(gòu)層；磁性體對應(yīng)載流導(dǎo)體設(shè)置于基板的ー側(cè)，線圈設(shè)置于基板，且對應(yīng)環(huán)繞磁性體。第一測量電路與線圈連接。其中，當(dāng)磁性體受到載流導(dǎo)體磁場的作用而與線圈相對運(yùn)動(dòng)吋，線圈產(chǎn)生ー感應(yīng)電動(dòng)勢，第一測量電路測量感應(yīng)電動(dòng)勢，并據(jù)以輸出一第一感測信號(hào)。在一實(shí)施例中，基板可為單晶硅基板。在一實(shí)施例中，彈性結(jié)構(gòu)層可為懸浮結(jié)構(gòu)層。在一實(shí)施例中，線圈可由金屬薄膜構(gòu)成。
在一實(shí)施例中，無源式交流電流感測器還可包括一絕緣層，設(shè)置于基板與線圈之間。在一實(shí)施例中，無源式交流電流感測器還可包括一信號(hào)傳送單元，其與第一測量電路連接。較佳地，無源式交流電流感測器還可包括一壓電元件，設(shè)置于基板。其中，壓電元件、磁性體及彈性結(jié)構(gòu)層構(gòu)成一壓電式能量獲取器，當(dāng)磁性體受到載流導(dǎo)體磁場的作用而產(chǎn)生靜磁力施力于彈性結(jié)構(gòu)層，弾性結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的應(yīng)力作用使壓電元件兩端產(chǎn)生電位差，以提供能量予信號(hào)傳送單元。在一實(shí)施例中，無源式交流電流感測器還可包括一壓電元件及一第二測量電路，設(shè)置于基板。第二測量電路連接壓電元件，當(dāng)磁性體受到載流導(dǎo)體磁場的作用而產(chǎn)生靜磁力施力于彈性結(jié)構(gòu)層，弾性結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的應(yīng)力作用使壓電元件兩端產(chǎn)生電位差，第二測量電路測量壓電元件兩端的電位差，并依據(jù)壓電元件的電位差輸出ー第二感測信號(hào)。在一實(shí)施例中，壓電元件可由壓電薄膜構(gòu)成。承上所述，本發(fā)明的無源式交流電流感測器系通過欲測量的載流導(dǎo)體對磁性體產(chǎn)生的靜磁力以及懸浮結(jié)構(gòu)的弾性，使磁性體相對于線圈作振蕩運(yùn)動(dòng)，再測量線圈上產(chǎn)生的感應(yīng)電流，其非接觸式的電流感測方式，可避免影響欲感測的系統(tǒng)。再者，與現(xiàn)有相較，本發(fā)明的無源式交流電流感測器不需外部供電而可在電カ的供應(yīng)上自給自足，也不須設(shè)置多圈線圈來増加靈敏度，因而可防止載流線圈的功率消耗造成弾性結(jié)構(gòu)層的發(fā)熱現(xiàn)象，影響感測時(shí)的作動(dòng)。并且，通過單晶硅材料的弾性結(jié)構(gòu)層，能夠抵抗長久運(yùn)作下疲勞或老化問題的發(fā)生。此外，本發(fā)明還可利用壓電元件與磁性體及弾性結(jié)構(gòu)層的結(jié)合，構(gòu)成壓電式能量獲取器以產(chǎn)生能量并自行供電至信號(hào)傳送單元，以使整體無源式交流電流感測器不需外部供電即可獨(dú)立感測電流并傳送感測結(jié)果，進(jìn)而提升無源式交流電流感測器安裝上的便利性。抑或是，通過壓電元件與磁性體及弾性結(jié)構(gòu)層應(yīng)用于第二測量電路，使無源式交流電流感測器同時(shí)具有電磁式及壓電式的電流感測機(jī)制，因此可達(dá)到提高無源式交流電流感測器靈敏度并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的功效。


圖I為一種現(xiàn)有的電流感測器的不意圖；圖2A為本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的一種無源式交流電流感測器的俯視部份示意圖；圖2B為沿圖2A無源式交流電流感測器的剖面線A-A的剖面示意圖3A為本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的無源式交流電流感測器的俯視示意圖；圖3B為沿圖3A無源式交流電流感測器的剖面線B-B的剖面示意圖；圖4A為本發(fā)明第三較佳實(shí)施例的無源式交流電流感測器的俯視示意圖；以及圖4B為沿圖4A無源式交流電流感測器的剖面線C-C的剖面示意圖。其中，附圖標(biāo)記說明如下I:電流感測器11、23、33、43 :線圈12 :壓阻性元件
13 :微機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層2、3、4 :無源式交流電流感測器21、31、41 :基板211、311、411 :彈性結(jié)構(gòu)層22、32、42 :磁性體24、34、44 :第一測量電路25 :絕緣層36 :信號(hào)傳送單元37、47:壓電元件48 :第二測量電路A-A、B-B、C-C :劑面線CC:載流導(dǎo)體FL:勞倫茲力SI、SIl :第一感測信號(hào)SI2 :第二感測信號(hào)
具體實(shí)施例方式以下將參照相關(guān)圖式，說明依本發(fā)明較佳實(shí)施例的一種無源式交流電流感測器，其中相同的元件將以相同的參照符號(hào)加以說明。圖2A為本發(fā)明第一較佳實(shí)施例的一種無源式交流電流感測器2的俯視部份示意圖，圖2B為沿圖2A無源式交流電流感測器2的剖面線A-A的剖面示意圖。如圖2A及圖2B所示，無源式交流電流感測器2用以感測一載流導(dǎo)體CC的交流電流，無源式交流電流感測器2包括一基板21、一磁性體22、至少一線圈23以及一第一測量電路24?；?1具有ー彈性結(jié)構(gòu)層211。其中，基板21可為單晶硅基板，彈性結(jié)構(gòu)層211可為懸浮結(jié)構(gòu)層，具有微懸浮結(jié)構(gòu)。通過微機(jī)電制程對單晶硅基板進(jìn)行體型加工(bulkmicromachining),可制作出具有微懸浮結(jié)構(gòu)的單晶娃彈性結(jié)構(gòu)層211,懸浮結(jié)構(gòu)為懸浮可擺動(dòng)(例如上下方向)的弾性結(jié)構(gòu)，可例如但不限于包括懸臂梁(cantilever)、橫梁(beam)、薄板(membrane)、微流道(channel)、孔穴(cavity)、微接頭(joint or hinge)、連桿(link)、曲柄(crank)、齒輪(gear)、齒條(rack)、彈簧(spring)等元件,這些微懸浮結(jié)構(gòu)的元件尺寸皆可小至微米。值得ー提的是，相較于一般多晶硅或非晶硅的結(jié)構(gòu)層常具有缺陷，容易因應(yīng)力作用產(chǎn)生裂縫，弾性結(jié)構(gòu)層211由于采用單晶硅材料，單晶硅材料具有良好的機(jī)械性質(zhì)且無內(nèi)部缺陷，因此更能抵抗長時(shí)間的應(yīng)力作用所造成的疲勞或老化問題。磁性體22對應(yīng)載流導(dǎo)體CC設(shè)置于基板21的ー側(cè)。磁性體22為可以產(chǎn)生磁場的物體，例如為永久磁鐵。值得特別說明的是，雖圖式中未有繪示，磁性體22擺放的位置或高度可依需求而調(diào)整，例如也可置于基板21遠(yuǎn)離載流導(dǎo)體CC的另ー側(cè)，或者全部或部分嵌入基板21中，此應(yīng)為發(fā)明領(lǐng)域具有通常知識(shí)者能輕易思及的變化，仍應(yīng)在本發(fā)明揭露的概念中。至少ー線圈23設(shè)置于基板21，線圈23于基板21對應(yīng)環(huán)繞磁性體22。線圈23可由可導(dǎo)電的金屬薄膜構(gòu)成，以縮小整體無源式交流電流感測器2的體積。于此，以具有ニ圈線圈23為例，然而本發(fā)明并不限制線圈23的設(shè)置數(shù)量，可依無源式交流電流感測器2的靈敏度需求增減線圈23數(shù)量，也可僅設(shè)置単一個(gè)線圈33 (如圖3A及圖3B所示)。另外，本實(shí)施例中的無源式交流電流感測器2還可包括一絕緣層25，設(shè)置于基板21與線圈23之間，其用意在于將基板21與線圈23電性隔離，絕緣層25的材料可例如為橡膠類高分子、塑料或陶瓷絕緣體等。 第一測量電路24與線圈23連接，當(dāng)磁性體22受到載流導(dǎo)體CC通電時(shí)周圍磁場的作用，而與線圈23相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈23會(huì)因此產(chǎn)生ー感應(yīng)電動(dòng)勢，驅(qū)使線圈23內(nèi)的電子移動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流。第一測量電路24可通過測量線圈23得到的感應(yīng)電動(dòng)勢、或感應(yīng)電流加以運(yùn)算，輸出一第一感測信號(hào)(Induction Signal) SI0詳而言之,通過載流導(dǎo)體CC的交流電流具有ー時(shí)變的電場，其周圍會(huì)產(chǎn)生ー時(shí)變的磁場，無源式交流電流感測器2的磁性體22因上述時(shí)變的磁場的作用而受到一往復(fù)的靜磁力，磁性體22的受カ進(jìn)而帶動(dòng)彈性結(jié)構(gòu)層211與線圈23的相對運(yùn)動(dòng),使磁性體22相對于線圈23來回振蕩(oscillating),根據(jù)電磁感應(yīng)定律,線圈23內(nèi)部會(huì)生成電動(dòng)勢驅(qū)使感應(yīng)電流流動(dòng)，第一測量電路24即可依據(jù)測量到的感應(yīng)電動(dòng)勢或感應(yīng)電流，輸出第一感測信號(hào)SI。請參考圖3A及圖3B所示，其中圖3A為本發(fā)明第二較佳實(shí)施例的無源式交流電流感測器3的俯視示意圖，圖3B為沿圖3A無源式交流電流感測器3的剖面線B-B的剖面示意圖，在本實(shí)施例中，無源式交流電流感測器3除了具有與上述第一較佳實(shí)施例的無源式交流電流感測器2相似的結(jié)構(gòu)外，還可包括一信號(hào)傳送單元36，其與一第一測量電路34連接。第一測量電路34輸出的第一感測信號(hào)SI可通過信號(hào)傳送單元36以有線或無線信號(hào)的形式傳送至控制電腦或感測裝置，以增加感測電流時(shí)的便利性。另外，為了使信號(hào)傳送單元36具有足夠的電能發(fā)送無線信號(hào)，無源式交流電流感測器3還可包括一壓電元件37，設(shè)置于基板31的另ー側(cè)(與線圈33同側(cè))。壓電元件37可由一層壓電薄膜構(gòu)成，其壓電材料可例如但不限于為鋯鈦酸鉛(PZT)、聚氟こ烯(PVDF)、氧化鋒(ZnO)或羅德鹽(Rochelle salt, potassium sodium tartrate)等。受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，壓電元件37會(huì)發(fā)生形變，且其兩端會(huì)伴隨產(chǎn)生與應(yīng)カ大小成比例的電荷。于此，壓電元件37、磁性體32及弾性結(jié)構(gòu)層311共同構(gòu)成ー壓電式能量獲取器，其獲取振動(dòng)能量并轉(zhuǎn)換成電能，以供應(yīng)信號(hào)傳送單元36電量以發(fā)送信號(hào)。具體而言，磁性體32受到載流導(dǎo)體CC磁場的作用而產(chǎn)生靜磁力施力于彈性結(jié)構(gòu)層311，彈性結(jié)構(gòu)層311產(chǎn)生的應(yīng)力作用于壓電元件37，將使得壓電元件37兩端產(chǎn)生電位差，即可提供能量予信號(hào)傳送單元36，達(dá)成可自我供電的功效。值得特別說明的是，本實(shí)施例圖式中繪示磁性體32嵌入基板31中，惟磁性體32擺放的位置或高度可依需求而調(diào)整，例如也可置于基板31靠近載流導(dǎo)體CC的一偵牝或者可置于基板31遠(yuǎn)離載流導(dǎo)體CC的另ー側(cè)，此應(yīng)為發(fā)明領(lǐng)域具有通常知識(shí)者能輕易思及的變化，仍應(yīng)在本發(fā)明揭露的概念中。值得特別說明的是，壓電元件37、磁性體32及弾性結(jié)構(gòu)層311除了可共同構(gòu)成ー壓電式能量獲取器之外，還可應(yīng)用于ー第二測量電路，用以提高無源式交流電流感測器3的靈敏度。如圖4A及圖4B所示，其中圖4A為本發(fā)明第三較佳實(shí)施例的無源式交流電流感測器4的俯視示意圖，圖4B為沿圖4A無源式交流電流感測器4的剖面線C-C的剖面示意圖，本實(shí)施例中，無源式交流電流感測器4包括磁性體42及弾性結(jié)構(gòu)層411，且第二測量電路48系連接至壓電元件47，其詳細(xì)作動(dòng)如下。當(dāng)磁性體42受到載流導(dǎo)體CC磁場的作用而產(chǎn)生靜磁力施力于彈性結(jié)構(gòu)層411，彈性結(jié)構(gòu)層411產(chǎn)生的應(yīng)力作用使壓電元件47兩端產(chǎn)生電位差，第一測量電路44線圈43的感應(yīng)電動(dòng)勢，據(jù)以輸出第一感測信號(hào)SIl ;第二測量電路48則測量壓電元件47兩端的電位差，并據(jù)以輸出第二感測信號(hào)SI2，故第二測量電路48的設(shè)計(jì)可讓無源式交流電流感測器4的感測靈敏度獲得提升。綜上所述，本發(fā)明的無源式交流電流感測器系通過欲測量的載流導(dǎo)體對磁性體產(chǎn)生的靜磁力以及懸浮結(jié)構(gòu)的弾性，使磁性體相對于線圈作振蕩運(yùn)動(dòng)，再測量線圈上產(chǎn)生的 感應(yīng)電流，其非接觸式的電流感測方式，可避免影響欲感測的系統(tǒng)。再者，與現(xiàn)有相較，本發(fā)明的無源式交流電流感測器不需外部供電而可在電カ的供應(yīng)上自給自足，也不須設(shè)置多圈線圈來増加靈敏度，因而可防止載流線圈的功率消耗造成弾性結(jié)構(gòu)層的發(fā)熱現(xiàn)象，影響感測時(shí)的作動(dòng)。并且，通過單晶硅材料的弾性結(jié)構(gòu)層，能夠抵抗長久運(yùn)作下疲勞或老化問題的發(fā)生。此外，本發(fā)明還可利用壓電元件與磁性體及弾性結(jié)構(gòu)層的結(jié)合，構(gòu)成壓電式能量獲取器以產(chǎn)生能量并自行供電至信號(hào)傳送單元，以使整體無源式交流電流感測器不需外部供電即可獨(dú)立感測電流并傳送感測結(jié)果，進(jìn)而提升無源式交流電流感測器安裝上的便利性。抑或是，通過壓電元件與磁性體及弾性結(jié)構(gòu)層應(yīng)用于第二測量電路，使無源式交流電流感測器同時(shí)具有電磁式及壓電式的電流感測機(jī)制，因此可達(dá)到提高無源式交流電流感測器靈敏度并擴(kuò)大其應(yīng)用范圍的功效。以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發(fā)明的精神與范疇，而對其進(jìn)行的等效修改或變更，均應(yīng)包含于后附的申請專利范圍中。
權(quán)利要求
1.一種無源式交流電流感測器，用于感測一載流導(dǎo)體的電流，該無源式交流電流感測器包括 一基板，具有一彈性結(jié)構(gòu)層； 一磁性體，對應(yīng)該載流導(dǎo)體設(shè)置于該基板的一側(cè)； 至少一線圈，設(shè)置于該基板，該線圈對應(yīng)環(huán)繞該磁性體；以及 一第一測量電路，與該線圈連接； 其中，當(dāng)該磁性體受到該載流導(dǎo)體磁場的作用而與該線圈相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，該線圈產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢，該第一測量電路測量該感應(yīng)電動(dòng)勢，并據(jù)以輸出一第一感測信號(hào)。
2.如權(quán)利要求I所述的無源式交流電流感測器，其中該基板為單晶硅基板。
3.如權(quán)利要求I所述的無源式交流電流感測器，其中該彈性結(jié)構(gòu)層為懸浮結(jié)構(gòu)層。
4.如權(quán)利要求I所述的無源式交流電流感測器，其中該線圈由金屬薄膜構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求I所述的無源式交流電流感測器，還包括 一絕緣層，設(shè)置于該基板與該線圈之間。
6.如權(quán)利要求I所述的無源式交流電流感測器，還包括 一信號(hào)傳送單元，與該第一測量電路連接。
7.如權(quán)利要求6所述的無源式交流電流感測器，還包括 一壓電兀件，設(shè)置于該基板； 其中，該壓電元件、該磁性體及該彈性結(jié)構(gòu)層構(gòu)成一壓電式能量獲取器，當(dāng)該磁性體受到該載流導(dǎo)體磁場的作用而產(chǎn)生靜磁力施力于該彈性結(jié)構(gòu)層，該彈性結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的應(yīng)力作用使該壓電元件兩端產(chǎn)生電位差，以提供能量予該信號(hào)傳送單元。
8.如權(quán)利要求I所述的無源式交流電流感測器，還包括 一壓電元件，設(shè)置于該基板；以及 一第二測量電路，連接該壓電元件，當(dāng)該磁性體受到該載流導(dǎo)體磁場的作用而產(chǎn)生靜磁力施力于該彈性結(jié)構(gòu)層，該彈性結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的應(yīng)力作用使該壓電元件兩端產(chǎn)生電位差，該第二測量電路測量該壓電元件兩端的電位差，并依據(jù)該壓電元件的電位差輸出一第二感測信號(hào)。
9.如權(quán)利要求7述的無源式交流電流感測器，其中該壓電元件由壓電薄膜構(gòu)成。
10.如權(quán)利要求8所述的無源式交流電流感測器，其中該壓電元件由壓電薄膜構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無源式交流電流感測器，用于感測一載流導(dǎo)體的電流，無源式交流電流感測器包括一基板、一磁性體、至少一線圈以及一第一測量電路?；寰哂幸粡椥越Y(jié)構(gòu)層；磁性體對應(yīng)載流導(dǎo)體設(shè)置于基板的一側(cè)，線圈設(shè)置于基板，且對應(yīng)環(huán)繞磁性體。第一測量電路與線圈連接。其中，當(dāng)磁性體受到載流導(dǎo)體磁場的作用而與線圈相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈產(chǎn)生一感應(yīng)電動(dòng)勢，第一測量電路測量感應(yīng)電動(dòng)勢，并據(jù)以輸出一第一感測信號(hào)。
文檔編號(hào)G01R19/00GK102735900SQ201210090978
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月1日
發(fā)明者張恒中, 謝協(xié)伸, 鍾廷翊 申請人:臺(tái)達(dá)電子工業(yè)股份有限公司