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      磁場電流傳感器、傳感器系統(tǒng)和方法_3

      文檔序號:9303685閱讀:來源:國知局
      、半圓形、或包括開口或缺口的一些其他配置)以更容易地促進導體140 到小孔150中的插入(或相反地,系統(tǒng)200圍繞導體140的布置)以用于裝配和/或修理或 替換(例如,如果缺陷存在)。
      [0048] 系統(tǒng)200中的磁元件130的不對稱可能導致由磁元件130感應的偏置磁場的扭 曲,其中磁化方向改變(例如,場將不再一貫地指在半徑方向上)并且由每一個傳感器120感 測的場的強度可以根據(jù)其相對于磁元件130中的開口的位置而顯著變化。這可能導致系統(tǒng) 100的增加的復雜性和用來估計感測的電流的算法(例如,指的是圖8),以及在系統(tǒng)100針 對誤差(例如,背景干擾和導體140的位置或形狀容差)的準確度和魯棒性中的降低。相反 地,磁元件130的開環(huán)配置可以是有利的,因為它可以增加系統(tǒng)200的帶寬。在實施例中,通 過防止磁元件130的變短的環(huán)形拓撲,帶寬可以大于約100kHz,在實施例中諸如約1MHz或 更大,在所述磁元件130的變短的環(huán)形拓撲中,過多的渦電流(S卩,通過改變磁場在導體140 中感應的電流)可以在電流的大突然改變下流動(例如,如果磁元件130包括導電材料,諸如 具有非零電導率的大塊材料或?qū)щ娡繉?。
      [0049] 在圖5-7中描繪了傳感器系統(tǒng)300的另一個實施例。傳感器系統(tǒng)300可以包括 以72度(S卩,360度/N,其中N=5)的方位角間距沿著與導體140同中心的曲線布置的至少 五個傳感器120。對于大的N,支撐結(jié)構(gòu)310上的導電跡線的總數(shù)目也可以增加;因此可以 有利的是,布置傳感器120使得支撐結(jié)構(gòu)310可以被配置為單層PCB或其它器件。傳感器 120的奇數(shù)數(shù)目(例如,三、五、七等)的使用可以是有利的,以用于在較低系統(tǒng)成本下達到較 高系統(tǒng)準確度。
      [0050] 在系統(tǒng)300中,磁元件(例如,系統(tǒng)100的磁元件130)可以包括多個各個磁元件 330,其均與個別傳感器120相關聯(lián)。在一個實施例中,磁元件330可以通過粘附接合或一 些其它合適的技術耦合到其相關聯(lián)的傳感器120。在實施例中,每一個磁元件330可以包括 一般塊形狀,盡管在其它實施例中,磁元件330可以是圓柱形或具有一些其它多側(cè)的配置。 根據(jù)所使用的永久磁性材料的剩磁,磁元件330可以被定大小為大于或小于傳感器120。對 于便宜的弱鐵氧體,元件330在如圖5和6中描繪的每一個尺寸上一般是較大的。磁元件 330也可以是傳感器封裝的部分(例如,引線框、管芯附著粘合劑和/或模塑料的部分可以 是永久磁性的,或者永磁體可以被附著到傳感器管芯或引線框部分且由模塑料覆蓋)。在一 個實施例中,傳感器120可以被倒裝芯片安裝到支撐結(jié)構(gòu)310,使得每一個磁元件330可以 耦合到傳感器120的非導電表面(S卩,圖5中的面向上的表面)。在其它實施例中,磁元件330 可以耦合到支撐結(jié)構(gòu)310,其中然后傳感器120被布置在磁元件330上,如圖7的實施例中 描繪的。在這樣的配置中,傳感器120可以耦合到磁元件330,其中在傳感器120和支撐結(jié) 構(gòu)310之間的電連接使用線接合或其它合適的方法來建立。如果傳感器元件120包括傳感 器封裝,則它們的引線可以被彎曲并形成以進行與支撐結(jié)構(gòu)310上的導電跡線的接觸。接 合環(huán)路或引線的大小(未在圖7中示出)可以取決于磁元件330和傳感器120的厚度(z方 向),其中在實施例中環(huán)路大小通過利用具有薄傳感器管芯或帶有高剩磁的薄磁元件330的 傳感器120來進行最小化。在其它實施例中,也可以是有利的是,在形成在支撐結(jié)構(gòu)310中 的凹槽內(nèi)(例如,指的是與圖3相關的討論)耦合磁元件330,以降低在傳感器120和形成在 支撐結(jié)構(gòu)310上的導電層之間的z坐標中的差。
      [0051] 通過利用專用磁元件330 (S卩,如在圖5和6中的親合至傳感器120的各個磁元 件),系統(tǒng)300的總磁質(zhì)量減小,其轉(zhuǎn)而導致在成本中的降低和在傳感器120上的機械應力 中的降低。附加地,成本也可以通過使用不同的制造技術來降低,諸如分別地從支撐結(jié)構(gòu) 110預裝配磁元件330和傳感器120。例如,用來形成傳感器/磁單元的每一個磁元件330 到相應的傳感器120的裝配可以在一個制造設施處完成,而傳感器/磁單元到支撐結(jié)構(gòu)330 的安裝在第二制造或裝配設施處發(fā)生。磁元件330和傳感器120的裝配可以在單個管芯和 磁體上完成,它又也可以通過以下步驟來更成本有效地完成:將包括許多傳感器管芯的完 整的襯底安裝到大磁體(例如,與襯底一樣大)上,并且在普遍的襯底切削工藝中同時切割 這兩者。因此,可以是有利的是,與傳感器120并置(S卩,至少大致齊平)地布置磁元件330。 在該布置中,也可以是可能的是,將磁元件330耦合到傳感器120的前側(cè),其可以包括用于 將傳感器120電耦合到支撐結(jié)構(gòu)310的接合焊盤。例如,如果磁元件330被附著到傳感器 120的頂側(cè)或前側(cè),則在裝配之前可以將凹槽蝕刻到每一個磁元件330的表面中。因此,接 合焊盤變得從蝕刻在磁元件330的表面中的凹槽可到達,而磁元件330的背側(cè)或底側(cè)保留 沒有附著。
      [0052] 在其它實施例中且與上面討論的那些實施例一致,磁元件330可以包括施加至管 芯的頂部或底部或者傳感器120的其它部分的磁膏。為了建立期望的磁性質(zhì)且為了增加在 對傳感器120的施加上的磁膏的粘附強度,磁膏可以經(jīng)受在相對低的溫度下(例如,小于約 500°C)的固化工藝以變成燒結(jié)的。為了在固化工藝期間限制熱負載,在實施例中,包括定 大小在約1ym以下的粒子(即納米粒子)的磁膏可以是有利的(因為,例如它們的大表面增 加了反應性并因此最小化固化溫度)。在各種實施例中可以使用利用本文中討論的系統(tǒng)300 或其它系統(tǒng)內(nèi)的磁元件和工藝的其它磁元件和工藝。
      [0053] 與所使用的磁元件330的類型無關,磁元件330 (或130或230或本文中描繪和/ 或討論的其它磁元件)可以以磁化或未磁化的形式耦合到傳感器120以促進處理。例如,磁 元件130的磁化可以出現(xiàn)以下的固化工藝和磁元件130到傳感器120的耦合。這可以適用 于系統(tǒng)300的多個磁元件330。此外,如果傳感器120包括也要求磁化的傳感器元件(例如, GMR或TMR),則傳感器元件120可以在磁元件130的磁化之前或之后進行磁化,以避免磁元 件130或傳感器120的性能退化。用來避免退化的其它技術可以包括例如在單個同時的工 藝中磁化磁元件130和傳感器120的傳感器元件(例如通過施加大約(約)1T的強場來進行 磁化)以及在單個步驟中固化傳感器元件。此外,如果系統(tǒng)100被按照慣例裝配(即,傳感器 120耦合到支撐結(jié)構(gòu)110,以及磁元件130耦合到傳感器120),則器件可以用來保護磁元件 130的放置,直到施加至磁元件130的粘合劑元件變硬。這樣的器件可以包括具有含鐵部分 的例如一般圓形或環(huán)形形狀,所述含鐵部分經(jīng)由在含鐵部分和磁元件130之間形成的磁吸 引來保護磁元件130的放置。器件也可以包括用來在裝配期間保護磁元件130的放置的永 磁體,由此永磁體具有不像含鐵部分的良好限定的極性,其吸引北磁極和南磁極兩者,其可 能導致在一些磁體的極性中的誤差。
      [0054] 參考圖8,在實施例中,每一個傳感器120可以包括布置在半橋配置中的至少兩個 磁阻器(11〇310、312。1?310、312可以包括61?、11?或其它合適的磁阻器(其可以是強場 或弱場),并且可以包括諸如Pt、Mn、Ru、Cu等等的材料的多層的堆疊。MR310、312可以以 半橋配置串聯(lián)電耦合在供電電壓(Vsup)和參考電壓(Gnd)之間,在所述半橋配置中,在較 低電位處的MR312具有參考方向"+x"且在較高電位處的MR310具有參考方向"-x"(例 如,相對和平行參考方向)。局部參考系(x',y')被附著到傳感器元件120。相反地,半橋的 位置在本文中將被稱為位置(R,W),其是在定中心在導體140的中間的全球圓柱參考系 中的半徑距離和方位角位置。全球圓柱坐標系(R,W)也可以經(jīng)由R2 =x2+y2和tan(W) =y/x在全球笛卡爾系統(tǒng)(x,y)方面表達。所以全球笛卡爾系統(tǒng)在示出完整的傳感器布置 的所有圖中示出,而局部參考系(x',y')在圖8中示出,其示出了單個傳感器元件120。
      [0055]MR310、312可以包括配置為檢測信號的強場MR:
      [0056] 如果MR310、312包括GMR或TMR,則半橋的輸出電壓是:
      其中,h=0. 05 (對于GMR)和h=0. 5 (對于TMR),且由此,X'和y'表示傳感器120的敏 感性平面。
      [0057]圖8的半橋電路可以被配置為如在圖9中描繪的角度傳感器,其包括布置在圍繞 導體140的120度的整數(shù)倍數(shù)處的三個傳感器120。每一個傳感器120包括如在圖8中描 繪的傳感器元件310、312的半橋。每一個MR元件的參考方向由其上的白色箭頭示出,而偏 置磁場的方向由實心黑色箭頭示出,在所有傳感器元件120上放射狀指向外面。在各種實 施例中,偏置場生成可以是MR橋的部分或不是MR橋的部分。如果它是橋的部分,貝lj永久磁 膏可以被施加至傳感器管芯的背側(cè)或前側(cè),且在管芯的y'方向上磁化(即,此處在固定到 傳感器管芯的x',y'參考系和固定到導體140的x,y參考系之間進行區(qū)分)。如果偏置 場不是MR橋的部分,則在傳感器管芯的制備之后永磁體可以被附著到傳感器管芯或完整 的布置。注意到在圖9中的偏置場方向性箭頭不意味著磁體必須被放置在那里;相反,它一 般意味著磁偏置場在指示的方向上存在于那里。該場可以來自環(huán)形磁元件(例如,如圖1-3 中描繪的)或磁場生成的數(shù)個其它源。此外,偏置場也可以是MR堆疊的內(nèi)在部分,其中各層 之一產(chǎn)生了偏置磁場。
      [0058] 可以拿半橋電路的輸出電壓和不響應于磁場的兩個簡單電阻器的參考電壓分壓 器400的輸出電壓比。相同的參考電壓分壓器400可以用于所有的三個傳感器120,使得其 中
      信號
      可以針對每一個傳感器120進行限定。因此是每一個相應傳感器120的 方位角坐標妒(例如,圖9中的0度、120度和240度)的函數(shù)。當傳感器元件120根據(jù)圖9 被定位時,使得其y'方向平行或反向平行于半徑方向,并且其x'方向反向平行或平行于方 位角方向,它保持%:嘩并且因此信號去:馬.相同于:
      類似地,也可以使用具有如在圖10A中描繪的
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