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)計上，常應用電流的檢測于系統(tǒng)過流保護及電流控制，例如電能衰減檢測、馬達超載檢測保護、電源的電流模式控制以及控制系統(tǒng)診斷等等?，F(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，測量感測電路中電阻、電感、電容或晶體管兩端的電壓以計算出感測電流。非接觸式的感測方式感測載流導體周圍產(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)換成力學能的方式，轉(zhuǎn)而測量物質(zhì)力學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)缺點及適合應用的場合。其中，如圖I所示，現(xiàn)有利用磁能轉(zhuǎn)換成力學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)置于微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13上，載流的線圈11放置于載流導體CC產(chǎn)生的磁場中，會受到勞倫茲カFL的作用而施カ于微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13，再通過微機電系統(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體CC，同時在大電流、大功率的系統(tǒng)中測試時也不會產(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，只要載流導體CC有電流通過，電流感測器I就會持續(xù)不停地運作，因此，微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13須承受大部分的往復應力，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，微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13上會設(shè)置多圈的線圈11，但由于通電時線圈11的功率消耗，微機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)層13會發(fā)熱導致溫度上升及熱應力作用，而對電流感測器I的作動造成影響。因此，如何提供一種不需供電即能進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；磁性體對應載流導體設(shè)置于基板的ー側(cè)，線圈設(shè)置于基板，且對應環(huán)繞磁性體。第一測量電路與線圈連接。其中，當磁性體受到載流導體磁場的作用而與線圈相對運動吋，線圈產(chǎn)生ー感應電動勢，第一測量電路測量感應電動勢，并據(jù)以輸出一第一感測信號。在一實施例中，基板可為單晶硅基板。在一實施例中，彈性結(jié)構(gòu)層可為懸浮結(jié)構(gòu)層。在一實施例中，線圈可由金屬薄膜構(gòu)成。
在一實施例中，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。在一實施例中，無源式交流電流感測器還可包括一信號傳送單元，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，當磁性體受到載流導體磁場的作用而產(chǎn)生靜磁力施力于彈性結(jié)構(gòu)層，弾性結(jié)構(gòu)層產(chǎn)生的應力作用使壓電元件兩端產(chǎn)生電位差，以提供能量予信號傳送單元。在一實施例中，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，當磁性體受到載流導體磁場的作用而產(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。在一實施例中，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動，再測量線圈上產(chǎn)生的感應電流，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，影響感測時的作動。并且，通過單晶硅材料的弾性結(jié)構(gòu)層，能夠抵抗長久運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立感測電流并傳送感測結(jié)果，進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)層應用于第二測量電路，使無源式交流電流感測器同時具有電磁式及壓電式的電流感測機制，因此可達到提高無源式交流電流感測器靈敏度并擴大其應用范圍的功效。


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:載流導體FL:勞倫茲力SI、SIl :第一感測信號SI2 :第二感測信號
具體實施例方式以下將參照相關(guān)圖式，說明依本發(fā)明較佳實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加以說明。圖2A為本發(fā)明第一較佳實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)。通過微機電制程對單晶硅基板進行體型加工(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(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械性質(zhì)且無內(nèi)部缺陷，因此更能抵抗長時間的應力作用所造成的疲勞或老化問題。磁性體22對應載流導體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遠離載流導體CC的另ー側(cè)，或者全部或部分嵌入基板21中，此應為發(fā)明領(lǐng)域具有通常知識者能輕易思及的變化，仍應在本發(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對應環(huán)繞磁性體22。線圈23可由可導電的金屬薄膜構(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)置単一個線圈33 (如圖3A及圖3B所示)。另外，本實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，當磁性體22受到載流導體CC通電時周圍磁場的作用，而與線圈23相對運動時，線圈23會因此產(chǎn)生ー感應電動勢，驅(qū)使線圈23內(nèi)的電子移動產(chǎn)生感應電流。第一測量電路24可通過測量線圈23得到的感應電動勢、或感應電流加以運算，輸出一第一感測信號(Induction Signal) SI0詳而言之,通過載流導體CC的交流電流具有ー時變的電場，其周圍會產(chǎn)生ー時變的磁場，無源式交流電流感測器2的磁性體22因上述時變的磁場的作用而受到一往復的靜磁力，磁性體22的受カ進而帶動彈性結(jié)構(gòu)層211與線圈23的相對運動,使磁性體22相對于線圈23來回振蕩(oscillating),根據(jù)電磁感應定律,線圈23內(nèi)部會生成電動勢驅(qū)使感應電流流動，第一測量電路24即可依據(jù)測量到的感應電動勢或感應電流，輸出第一感測信號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SI可通過信號傳送單元36以有線或無線信號的形式傳送至控制電腦或感測裝置，以增加感測電流時的便利性。另外，為了使信號傳送單元36具有足夠的電能發(fā)送無線信號，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。受到機械應力作用時，壓電元件37會發(fā)生形變，且其兩端會伴隨產(chǎn)生與應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，其獲取振動能量并轉(zhuǎn)換成電能，以供應信號傳送單元36電量以發(fā)送信號。具體而言，磁性體32受到載流導體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傳送單元36，達成可自我供電的功效。值得特別說明的是，本實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靠近載流導體CC的一偵牝或者可置于基板31遠離載流導體CC的另ー側(cè)，此應為發(fā)明領(lǐng)域具有通常知識者能輕易思及的變化，仍應在本發(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，其詳細作動如下。當磁性體42受到載流導體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的感應電動勢，據(jù)以輸出第一感測信號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SI2，故第二測量電路48的設(shè)計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動，再測量線圈上產(chǎn)生的 感應電流，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，影響感測時的作動。并且，通過單晶硅材料的弾性結(jié)構(gòu)層，能夠抵抗長久運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立感測電流并傳送感測結(jié)果，進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)層應用于第二測量電路，使無源式交流電流感測器同時具有電磁式及壓電式的電流感測機制，因此可達到提高無源式交流電流感測器靈敏度并擴大其應用范圍的功效。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，而對其進行的等效修改或變更，均應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，對應該載流導體設(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，當該磁性體受到該載流導體磁場的作用而與該線圈相對運動時，該線圈產(chǎn)生一感應電動勢，該第一測量電路測量該感應電動勢，并據(jù)以輸出一第一感測信號。
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，當該磁性體受到該載流導體磁場的作用而產(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，當該磁性體受到該載流導體磁場的作用而產(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。
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；磁性體對應載流導體設(shè)置于基板的一側(cè)，線圈設(shè)置于基板，且對應環(huán)繞磁性體。第一測量電路與線圈連接。其中，當磁性體受到載流導體磁場的作用而與線圈相對運動時，線圈產(chǎn)生一感應電動勢，第一測量電路測量感應電動勢，并據(jù)以輸出一第一感測信號。
文檔編號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:臺達電子工業(yè)股份有限公司