Strommesseinrichtung und zugehöriges Herstellungsverfahren

Gebiet der

Die Erfindung betrifft eine Strommesseinrichtung zur Messung eines elektrischen Stroms gemäß der Vierleitertechnik mit einem niederohmigen Strommesswiderstand und einer Leiterkarte, die mit dem Strommesswiderstand verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein entsprechendes Herstellungsverfahren zur Herstellung einer solchen Strommesseinrichtung.

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Aus dem Stand der Technik (z.B. EP 0 605 800 Bl) ist es bekannt, einen elektrischen Strom gemäß der Vierleitertechnik zu messen. Hierbei wird der zu messende elektrische Strom durch einen niederohmigen Strommesswiderstands („Shunt") geleitet und die über dem Strommesswiderstand abfallende elektrische Spannung gemessen. Die gemessene Spannung bildet dann entsprechend dem Ohmschen Gesetz ein Maß für den elektrischen Strom, der durch den niederohmigen Strommesswiderstand fließt.

Es ist aus dem Stand der Technik weiterhin bekannt, eine Leiterkarte (PCB: Printed Circuit Board) fest mit dem Strommesswiderstand zu verbinden, wobei auf der Leiterkarte eine Messschaltung angeordnet ist, die den Spannungsabfall über dem niederohmigen Strommesswiderstand misst. Beispielsweise kann es sich bei der Messschaltung um eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC: Application specific integrated circuit) handeln, wie sie beispielsweise aus EP 1 363 131 Al bekannt ist.

Zum einen muss die Leiterkarte mit der Messschaltung hierbei elektrisch mit dem Strommesswiderstand verbunden werden, um den Spannungsabfall über dem Widerstandselement des niederohmigen Strommesswiderstands messen zu können. Diese elektrische Verbindung kann beispielsweise durch eine Lötverbindung erfolgen. Zum anderen muss die Leiterkarte mit der Messschaltung aber auch mechanisch mit dem Strommesswiderstand verbunden werden, was typischerweise anders erfolgt, um die erforderliche mechanische Belastbarkeit der mechanischen Verbindung zu erreichen.

Nachteilig an der vorstehend beschriebenen bekannten Strommesseinrichtung ist also die Verbindung zwischen der Leiterkarte einerseits und dem Strommesswiderstand andererseits, die noch nicht vollständig befriedigend ist. Beispielsweise haben die Lötverbindungen zwischen der Leiterkarte und dem Strommesswiderstand eine relativ große räumliche Ausdehnung, was eine punktgenaue Spannungsmessung an den Anschlussteilen des Strommesswiderstands erschwert.

Ferner ist zum allgemeinen technischen Hintergrund der Erfindung hinzuweisen auf DE 10 2010 010 152 Ul, DE 10 2020 003 458 Al und DE 10 2006 019 895 Al.

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine entsprechend verbesserte Strommesseinrichtung und ein entsprechendes Herstellungsverfahren dafür zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Strommesseinrichtung gemäß dem Hauptanspruch bzw. durch ein entsprechendes Herstellungsverfahren gemäß dem Nebenanspruch gelöst.

Die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung dient zur Messung eines elektrischen Stroms und weist hierzu in Übereinstimmung mit der eingangs beschriebenen bekannten Strommesseinrichtung zunächst einen niederohmigen Strommesswiderstand auf.

Der Strommesswiderstand weist hierbei in Übereinstimmung mit dem eingangs beschriebenen bekannten Strommesswiderstand zwei Anschlussteile aus einem Leitermaterial (z.B. Kupfer) auf, um den zu messenden elektrischen Strom in den Strommesswiderstand einzuleiten bzw. aus dem Strommesswiderstand auszuleiten.

In Stromflussrichtung zwischen den beiden Anschlussteilen ist ein niederohmiges Widerstandselement angeordnet, das aus einem niederohmigen Widerstandsmaterial (z.B. Manganin®) besteht und bei einer Messung von dem zu messenden elektrischen Strom durchflossen wird. Derartige Strommesswiderstände sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt (z.B. EP 0 605 800 Bl). Hierbei ist zu erwähnen, dass die Erfindung hinsichtlich des Leitermaterials der Anschlussteile nicht auf Kupfer beschränkt ist, sondern beispielsweise auch mit einer Kupferlegierung, Aluminium oder einer Aluminierlegierung als Leitermaterialien realisierbar ist.

Ferner ist zu erwähnen, dass die Erfindung auch hinsichtlich des Widerstandsmaterials nicht auf Manganin® beschränkt ist. So kann die Erfindung auch mit anderen Widerstandslegierungen realisiert werden, wie noch detailliert beschrieben wird.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung in Übereinstimmung mit der eingangs beschriebenen bekannten Strommesseinrichtung eine Leiterkarte auf, die an mindestens zwei Verbindungspunkten mit den beiden Anschlussteilen des Strommesswiderstands verbunden ist.

Die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung zeichnet sich nun dadurch aus, dass die Verbindung zwischen der Leiterkarte einerseits und dem Strommesswiderstand andererseits durch eine Pressverbindung erfolgt, die eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Leiterkarte und dem Strommesswiderstand herstellt.

In einer Variante der Erfindung ist die Pressverbindung eine Press-Sinterverbindung. Derartige Press-Sinterverbindungen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt und müssen deshalb nicht detailliert beschrieben werden. An dieser Stelle ist lediglich zu erwähnen, dass die Press-Sin- terverbindung optional ein zusätzliches Sintermaterial enthalten kann, wie beispielsweise Silber o- der Kupfer.

In einer anderen Variante der Erfindung ist die Press-Verbindung dagegen eine Press-Klebeverbin- dung, die beispielsweise einen Epoxidkleber als Klebstoff enthalten kann.

In beiden Varianten (Presse-Sinterverbindung und Press-Klebeverbindung) können die Fügepartner (Anschlussteile des Strommesswiderstands und/oder Leiterkarte) an den Verbindungspunkten eine Oberflächenstrukturierung aufweisen, beispielsweise eine Nano-Strukturierung. Die Oberflächenstrukturierung kann an der Oberfläche der Fügepartner Materialerhebungen aufweisen, die bei dem Pressvorgang auf Druck beansprucht werden und dann an diesen Stellen örtlich begrenzt die gewünschte Pressverbindung herstellen, während der Raum zwischen den Materialerhebungen nicht gepresst wird, so dass an diesen Stellen auch keine Pressverbindung hergestellt wird. Diese Oberflächenstrukturierung ermöglicht es, die räumliche Ausdehnung der Pressverbindung zu begrenzen, was eine punktgenaue Spannungsmessung an den Anschlussteilen ermöglicht. Beispielsweise können die einzelnen Pressverbindungen jeweils eine horizontale Ausdehnung parallel zu der Leiterkarte haben, die höchstens 1 mm, 500 pm, 250 pm oder 100 pm beträgt, was eine punktgenaue Spannungsmessung an den Anschlussteilen ermöglicht.

Darüber hinaus ist zu erwähnen, dass die Oberflächenstrukturierung eine oder mehrere der folgenden Materialien enthalten kann:

• ENIG („Electroless Nickel Immersion Gold"),

• ENEPIG ("Electroless Nickel Electroless Palladium Immersion Gold"),

• Gold,

• Kupfer,

• Nickel-Phosphor,

• Silber.

Die vorstehend erwähnte erfindungsgemäße Press-Verbindung zwischen der Leiterkarte und dem Strommesswiderstand stellt in der Praxis sowohl eine mechanische Verbindung als auch eine elektrische Verbindung her. Hierbei ist es möglich, die mechanische Verbindung von der elektrischen Verbindung elektrisch zu entkoppeln. Beispielsweise kann dies durch die vorstehend erwähnte Oberflächenstrukturierung mit Materialerhebungen an der Oberfläche der Fügepartner (Leiterkarte und Anschlussteile des Strommesswiderstands) erfolgen. So erfolgt die Pressverbindung dann nur im Bereich der Materialerhebungen. Die Materialerhebungen können dann räumlich voneinander getrennt sein, wobei eine Materialerhebung die mechanische Verbindung herstellt, während eine andere Materialerhebung die elektrische Verbindung herstellt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Leiterkarte für die Kontaktierung des Strommesswiderstands mehrere Kontaktfinger auf, die von der Leiterkarte abstehen.

Beispielsweise können diese Kontaktfinger hergestellt werden, indem Schlitze seitlich in die Leiterkarte eingebracht werden, die dann die Kontaktfinger voneinander trennen. Die Kontaktfinger stehen deshalb vorzugsweise in derselben Richtung und parallel zueinander von der Leiterkarte ab.

Die Kontaktfinger an der Leiterkarte können dann den Strommesswiderstand an seiner Oberseite und/oder an seiner Unterseite kontaktieren. Hierbei ist zu erwähnen, dass der Strommesswiderstand Vertiefungen („Freistellungen") aufweisen kann, in die jeweils einer der Kontaktfinger der Leiterkarte hineinragen kann. Im Bereich dieser Vertiefungen weist der Strommesswiderstand dann eine verringerte Dicke im Vergleich zu dem Rest des Strommesswiderstands auf. Durch eine Einstellung der Tiefe der Vertiefungen kann dann auch der Temperaturkoeffizient (TCR: Temperature coefficient of resistance) des Widerstandswerts des Strommesswiderstands eingestellt werden.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich in den beiden Anschlussteilen des Strommesswiderstands jeweils eine Vertiefung für einen der Kontaktfinger der Leiterkarte. Diese Vertiefungen grenzen vorzugsweise an das Widerstandselement an, jedoch besteht auch die Möglichkeit, dass die Vertiefungen bis in das Widerstandselement hineinreichen. Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Vertiefungen in den Anschlussteilen des Strommesswiderstands vorzugsweise von einer Seitenkante des Strommesswiderstands ausgehen, so dass die Kontaktfinger der Leiterkarte rechtwinklig zu dem Strommesswiderstand ausgerichtet sein können und von der Seite in die Vertiefungen in den Anschlussteilen des Stromesswiderstands hineinreichen.

Darüber hinaus besteht im Rahmen der Erfindung auch die Möglichkeit, dass sich auch in dem Widerstandselement des Strommesswiderstands eine Vertiefung für einen der Kontaktfinger der Leiterkarte befindet, wobei diese Vertiefung vorzugsweise an derselben Seitenkante des Strommesswiderstands angeordnet ist wie die Vertiefungen in den Anschlussteilen des Strommesswiderstands. Einer der Kontaktfinger der Leiterkarte ragt dann in die Vertiefungen in dem Widerstandselement hinein, was einen Mittelabgriff ermöglicht. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, dass der Mittelabgriff an dem Widerstandselement lediglich optional ist.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, dass zumindest einer der Kontaktfinger der Leiterkarte den Strommesswiderstand an seiner Unterseite kontaktiert, während die anderen Kontaktfinger den Strommesswiderstand an seiner Oberseite kontaktieren können.

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Leiterkarte mit mindestens einem elektrischen oder elektronischen Bauteil bestückt. Hierbei besteht die Möglichkeit, dass dieses Bauteil ebenfalls durch eine Pressverbindung mit der Leiterkarte verbunden ist, insbesondere durch eine Press-Sinterverbindung oder durch eine Press-Klebeverbindung. Der erfindungsgemäße Gedanke einer Pressverbindung ist also nicht beschränkt auf die Verbindung zwischen der Leiterkarte und dem Strommesswiderstand, sondern kann auch bei der Verbindung zwischen der Leiterkarte und den darauf befindlichen Bauteilen eingesetzt werden.

Beispielsweise kann die Leiterkarte mit mindestens einem der folgenden Bauteile bestückt sein:

• Analog-Digital-Wandler,

• Baustein zur potentialgetrennten Datenübertragung,

• Mikroprozessor,

• Schnittstelle zur Übertragung von Messwerten an eine externe Auswertungseinheit.

Zu dem Mikroprozessor ist zu erwähnen, dass dieser wahlweise auf der High-Side oder auf der Low- Side des Bausteins zur potentialgetrennten Datenübertragung angeordnet sein kann.

Es wurde bereits eingangs erwähnt, dass die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung eine Strommessung gemäß der Vierleitertechnik ermöglicht. Hierbei wird die über dem Widerstandselement der Strommesswiderstands abfallende Spannung an zwei Verbindungspunkten an den Anschlussteilen des Strommesswiderstands gemessen. Aus der auf diese Weise gemessenen Spannung über dem Widerstandselement kann dann gemäß dem Ohmschen Gesetz der Strom berechnet werden, der durch den Strommesswiderstand fließt. Im Rahmen der Erfindung kann diese Spannung auch an mehr als zwei Verbindungspunkten gemessen werden. Beispielsweise kann die Leiterkarte an mindestens vier Verbindungspunkten mit den beiden Anschlussteilen des Strommesswiderstands verbunden sein, um an mehreren Stellen die über dem Widerstandselement abfallende Spannung zu messen. Beispielsweise können die vier Verbindungspunkte ein Rechteck bilden, wobei die Verbindungspunkte jeweils paarweise mehrere Messkanäle bilden können, wobei die Messkanäle jeweils die Spannung zwischen den beiden Anschlussteilen des Strommesswiderstands messen.

Die Verbindungspunkte der beiden Messkanäle können hierbei über Kreuz angeordnet sein, wie es beispielsweise aus DE 10 2021 103 241.5 bekannt ist. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass die Verbindungspunkte der beiden Messkanäle parallel angeordnet sind, wie es beispielsweise aus WO 2014/161624 Al bekannt ist.

In einem einfachen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Leiterkarte dagegen nur an zwei Verbindungspunkten mit den beiden Anschlussteilen des Strommesswiderstands verbunden, um die über dem Widerstandselement des Strommesswiderstands abfallende Spannung zu messen. Hierbei kann optional ein Mittelabgriff vorgesehen sein, indem die Leiterkarte auch mit dem Widerstandselement verbunden wird. In einer anderen Variante können der gegen drei Verbindungspunkte vorgesehen sein, um die Leiterkarte mit den Anschlussteilen zu verbinden, wobei die drei Verbindungspunkte eine geschlossene Spannungsmasche bilden.

Ferner ist zu erwähnen, dass die Leiterkarte auch eine Schnittstelle enthalten kann, um Messwerte der zwischen den Anschlussteilen abfallenden Spannungen und/oder Messwerte eines auf der Leiterkarte angeordneten Temperatursensors über die Schnittstelle an eine externe Auswertungseinheit zu übertragen, wobei die Schnittstelle vorzugsweise eine analoge Schnittstelle ist.

Alternativ besteht im Rahmen der Erfindung die Möglichkeit, dass die Leiterkarte eine Auswertungseinheit trägt, die aus den Messwerten der zwischen den Anschlussteilen abfallenden Spannung den elektrischen Strom berechnet, der durch den Strommesswiderstand fließt. Die Auswertungseinheit kann hierbei optional mit einem Temperatursensor auf der Leiterkarte verbunden sein und bei der Berechnung des durch den Strommesswiderstand fließenden Stroms zur Temperaturkorrektur die Temperatur berücksichtigt. Hierbei kann die Leiterkarte optional auch eine digitale Schnittstelle aufweisen, die mit der Auswertungseinheit auf der Leiterkarte verbunden ist, um den von der Auswertungseinheit berechneten elektrischen Strom auszugeben. Darüber hinaus können über die digitale Schnittstelle auch die eigentlichen Messwerte der gemessenen Spannung und der gemessenen Temperatur übertragen werden.

Bei der Leiterkarte kann es sich im Rahmen der Erfindung um eine starre Leiterkarte handeln, wie sie an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist. Derartige Leiterkarten können beispielsweise aus Glasfaserverbundmaterial bestehen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Leiterkarte dagegen eine flexible Leiterkarte (FPC: Flexible Printed Circuit). Ferner besteht auch die Möglichkeit einer hybriden Leiterkarte, die teilweise flexibel und teilweise starr ist, wobei derartige Leiterkarten auch als Starrflex-Leiterkarten bezeichnet werden.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass der Strommesswiderstand vorzugsweise niederohmig ist mit einem elektrischen Widerstand von höchstens 10 pQ, 25 pQ, 50 pQ, 100 pQ, 200 pQ oder 500 pQ.

Ferner kann der Strommesswiderstand eine Stromfestigkeit von mindestens 100 A, 200 A, 500 A, 1 kA, 2 kA oder 5 kA haben. Allgemein ist auch zu erwähnen, dass die Anschlussteile des Strommesswiderstands, das Widerstandselement des Strommesswiderstands oder der Strommesswiderstand als Ganzes vorzugsweise plattenförmig sind, insbesondere eben oder gebogen.

Das Widerstandselement des Strommesswiderstands kann im Rahmen der Erfindung eine geringere Dicke aufweisen als die Anschlussteile des Strommesswiderstands.

Weiterhin ist zu bemerken, dass bei dem Strommesswiderstand das Widerstandselement durch eine Schweißverbindung mit den Anschlussteilen verbunden sein kann, insbesondere durch eine Elektronenstrahlverschweißung.

Die Erfindung ermöglicht es ferner, dass der Strommesswiderstand einen elektrischen Widerstandswert mit einem Temperaturkoeffizienten von höchstens 200 ppm/K, 100 ppm/K, 50 ppm/K, 20 ppm/K oder 10 ppm/K aufweist.

Ferner ist auch zu erwähnen, dass das Leitermaterial der Anschlussteile des Strommesswiderstands Kupfer, eine Kupferlegierung, Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sein kann.

Beispielsweise kann das Widerstandsmaterial des Widerstandselements des Strommesswiderstands eine der folgenden Legierungen sein:

• eine Kupfer-Legierung, insbesondere eine Kupfer-Mangan-Legierung, insbesondere CuMnl2Ni2 oder CuMn7Sn2,3, oder eine Kupfer-Mangan-Nickel-Legierung, insbesondere Cu84Ni4Mnl2 oder Cu65Mn25NilO, oder eine Kupfer-Chrom-Legierung,

• eine Nickellegierung, insbesondere NiCr oder CuNi.

Das Leitermaterial der Anschlussteile des Strommesswiderstands sollte jedoch einen kleineren spezifischen elektrischen Widerstand aufweisen als das Widerstandsmaterial des Widerstandselements des Strommesswiderstands.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass der Strommesswiderstand vorzugsweise eine Länge aufweist, die entlang der Hauptstromflussrichtung im Bereich 5 mm - 200 mm liegt. Die Breite des Strommesswiderstands quer zur Hauptstromflussrichtung liegt dagegen vorzugsweise im Bereich von 10 mm - 100 mm während der Strommesswiderstand vorzugsweise eine Dicke aufweist, die im Bereich von 1 mm - 5 mm liegt. Zu den erfindungsgemäßen Pressverbindungen ist auch zu erwähnen, dass diese einen sehr kleinen elektrischen Übergangswiderstand haben können, der vorzugsweise kleiner ist als ein 1 pQ/mm ² .

Neben der vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung beansprucht die Erfindung auch Schutz für ein entsprechendes Herstellungsverfahren, wobei die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens bereits aus der vorstehenden Beschreibung der erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung hervorgehen und deshalb nicht nochmals separat beschrieben werden müssen.

Zu erwähnen ist lediglich, dass bei der Herstellung der Press-Sintertemperatur vorzugsweise ein Wärmeeintrag an den Verbindungspunkten erfolgt, um diese auf eine Sintertemperatur zu erwärmen. Diese Sintertemperatur liegt vorzugsweise unterhalb der Schmelztemperatur des Leitermaterials und auch unterhalb der Schmelztemperatur des Widerstandsmaterials. Die Sintertemperatur kann also beispielsweise im Bereich von 100 °C bis 500 °C liegen.

Bei der erfindungsgemäßen Press-Klebeverbindung erfolgt dagegen vorzugsweise kein Wärmeeintrag.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet oder werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1A zeigt eine Perspektivansicht einer erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung mit einem Strommesswiderstand, einer flexiblen Leiterkarte und einer Schnittstelle mit einer Steckverbindung.

Figur 1B zeigt die Strommesseinrichtung aus Figur 1A mit einem Press-Stempel zur Herstellung einer Pressverbindung zwischen der Leiterkarte und dem Strommesswiderstand.

Figur 1C zeigt eine Detailansicht aus Figur 1A.

Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Strommesswiderstands bei einem Pressvorgang. Figur 3 zeigt eine Abwandlung von Figur 2.

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strommesswiderstands bei einer Press-Klebeverbindung.

Figur 5 zeigt eine Abwandlung von Figur 3.

Figur 6 zeigt eine Aufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung.

Figur 7 zeigt eine Abwandlung von Figur 6, wobei auf der Leiterkarte zusätzliche Bauteile montiert sind.

Figur 8 zeigt eine Abwandlung von Figur 7.

Figur 9 zeigt eine Abwandlung von Figur 1A, wobei der Strommesswiderstand an der Oberseite und an der Unterseite kontaktiert wird.

Figur 10 zeigt eine schematische Detailansicht eines erfindungsgemäßen Strommesswiderstands mit Vertiefungen im Bereich der Anschlussteile für Kontaktfinger der Leiterkarte.

Figur 11 zeigt eine schematische Aufsicht auf einen erfindungsgemäßen Strommesswiderstand mit Pressverbindungen für eine elektrische Verbindung und davon entkoppelten Pressverbindungen für eine mechanische Verbindung.

Figur 12 zeigt ein Diagramm zur Verdeutlichung des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandswerts in Abhängigkeit von der Tiefe der Vertiefungen (Freistellungen).

Figur 13 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strommesswiderstands mit zwei parallelen Messkanälen.

Figur 14 zeigt eine Abwandlung von Figur 13, wobei die Messpunkte der beiden Messkanäle über Kreuz angeordnet sind. Figur 15 zeigt eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen Strommesswiderstands mit zwei Spannungsabgriffen an den Anschlussteilen und einem Mittelabgriff an dem Widerstandselement.

Figur 16 zeigt eine Abwandlung von Figur 15 mit Vertiefungen an den jeweiligen Verbindungspunkten.

Figur 17 zeigt eine Abwandlung von Figur 11 mit einem zusätzlichen Mittelabgriff an dem Widerstandselement.

Figur 18 zeigt eine Abwandlung von Figur 1C, wobei der Strommesswiderstand an der Unterseite und an der Oberseite von Kontaktfingern kontaktiert wird.

Figur 19 zeigt eine Aufsicht des Ausführungsbeispiels gemäß Figur 18.

Figur 20 zeigt ein Ausführungsbeispiel, wobei sich die Kontaktfinger der Leiterkarte über die gesamte Breite des Strommesswiderstands erstrecken, um an verschiedenen Punkten eine Spannungsmessung zu ermöglichen.

Figur 21 zeigt ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Erstellung einer Press-Sinterverbindung.

Figur 22 zeigt ein Flussdiagramm zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens zur Herstellung einer Press-Klebeverbindung.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Im Folgenden wird nun das Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strommesseinrichtung beschrieben, das in den Figuren 1A-1C dargestellt ist.

Die Erfindung weist zunächst einen niederohmigen Strommesswiderstand 1 auf, der aus zwei Anschlussteilen 2, 3 aus einem Leitermaterial (z.B. Kupfer) und einem Widerstandselement 4 aus einem Widerstandsmaterial (z.B. Manganin®) besteht, wobei das Widerstandselement 4 in Stromflussrichtung zwischen den beiden Anschlussteilen 2, 3 angeordnet ist. Der zu messende elektrische Strom I wird hierbei über das Anschlussteil 2 in den Strommesswiderstand 1 eingeleitet und über das Anschlussteil 3 aus dem Strommesswiderstand 1 ausgeleitet. Der Spannungsabfall über dem Widerstandselement 4 ist dann entsprechend dem Ohmschen Gesetz ein Maß für den elektrischen Strom I, der durch den Strommesswiderstand 1 fließt.

In den beiden Anschlussteilen 1, 3 ist jeweils eine Bohrung 5 bzw. 6 angeordnet, die zur Kontaktierung der beiden Anschlussteile 1, 3 dient, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist und beispielsweise auch in EP 0 605 800 Bl beschrieben ist.

Darüber hinaus weist die erfindungsgemäße Strommesseinrichtung eine Leiterkarte 7 auf, wobei sich in diesem Ausführungsbeispiel um eine flexible Leiterkarte (FPC: Flexible printed circuit) handelt.

Die Leiterkarte 7 ist mit einer Schnittstelle 8 verbunden, die dazu dient, Messwerte der über dem Widerstandselement 4 des Strommesswiderstands 1 abfallenden elektrischen Spannung an eine externe Auswertungseinheit auszugeben. Hierzu ermöglicht die Schnittstelle 8 eine Steckverbindung, wie es an sich aus dem Stand der Technik bekannt ist.

Zur elektrischen Kontaktierung des Strommesswiderstands 1 weist die Leiterkarte 7 mehrere Kontaktfinger 9-11 auf. Der Kontaktfinger 9 dient hierbei zur elektrischen Kontaktierung des Anschlussteils 2, während der Kontaktfinger 11 zur elektrischen Kontaktierung des anderen Anschlussteils 3 dient. Der mittlere Kontaktfinger 10 dient dagegen zur elektrischen Kontaktierung des Widerstandselements 4 und ermöglicht somit einen Mittelabgriff.

Die Kontaktfinger 9-11 stehen hierbei von derselben Seite der Leiterkarte 7 ab und ragen in dieselbe Richtung. Beispielsweise können die Kontaktfinger 9-11 hergestellt werden, indem Schlitze in die Leiterkarte 7 eingebracht werden.

In dem Anschlussteil 2 befindet sich eine Vertiefung 12 zur Aufnahme des Kontaktfingers 9. In dem anderen Anschlussteil 3 befindet sich ebenfalls eine entsprechende Vertiefung 13 zur Aufnahme des anderen Kontaktfingers 11. Die beiden Vertiefungen 12, 13 gehen hierbei von derselben Seitenkante des Strommesswiderstands 1 aus und grenzen unmittelbar an das Widerstandselement 4 an. Hierbei ist jedoch zu erwähnen, dass alternativ auch die Möglichkeit besteht, dass die beiden Vertiefungen 12, 13 bis in das Widerstandselement 4 hineinreichen. Im Bereich der Vertiefungen 12, 13 weisen die beiden Anschlussteile 2, 3 eine verringerte Dicke auf. Hierbei ist zu erwähnen, dass sich durch die Dickenverringerung im Bereich der Vertiefungen 12, 13 der Temperaturkoeffi- zient (TCR) des Widerstandswerts des Strommesswiderstands 1 einstellen lässt, wie noch beschrieben wird.

Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Kontaktfinger 9-11 die Anschlussteile 2, 3 bzw. das Widerstandselement 4 jeweils an ihrer Oberseite kontaktieren. Dies bedeutet, dass der Kontaktfinger 10 auf der Oberseite des Widerstandselements 4 aufliegt, während die anderen Kontaktfinger 9, 11 im Bereich der Vertiefungen 12, 13 auf der Oberseite der Anschlussteile 2, 3 aufliegen.

Bei der elektrischen Kontaktierung des Strommesswiderstands 1 durch die Leiterkarte 7 werden die Kontaktfinger 9-11 zunächst in der Lage positioniert, die in Figur 1A dargestellt ist.

Anschließend wird eine Pressverbindung erzeugt, indem ein Press-Stempel 14 auf die Enden der Kontaktfinger 9-11 aufgesetzt wird und dann mit einer Presskraft auf die Enden der Kontaktfinger 9-11 drückt. Die Presskraft ist hierbei so groß, dass eine stoffschlüssige Pressverbindung zwischen den Kontaktfingern 9-11 einerseits und den Anschlussteilen 2, 3 bzw. dem Widerstandselement 4 andererseits hergestellt wird. Bei dieser Pressverbindung kann es sich wahlweise um eine Press- Klebeverbindung oder um eine Press-Sinterverbindung handeln, wie noch detailliert beschrieben wird.

Im Folgenden werden nun die schematischen Darstellungen gemäß den Figuren 2-5 beschrieben, die weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in den Figuren 1A-1C dargestellten Ausführungsbeispiel übereinstimmt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Aus den Darstellungen ist ersichtlich, dass die Anschlussteile 2, 3 durch eine Schweißnaht 15 mit dem Widerstandselement 4 verbunden sind, wie es beispielsweise auch aus EP 0 605 800 Bl bekannt ist.

Weiterhin ist in den Zeichnungen nicht nur der obere Press-Stempel 14 dargestellt, sondern auch ein unterer Press-Stempel 16, so dass bei der Herstellung der Pressverbindung sowohl von oben als auch von unten eine Presskraft ausgeübt wird.

Bei den Erfindungsvarianten gemäß den Figuren 2 und 3 handelt es sich bei der Pressverbindung um eine Press-Sinterverbindung. Hierbei erfolgt während des Pressvorgangs ein Wärmeeintrag, um den Sintervorgang zu ermöglichen.

Bei der Erfindungsvariante gemäß Figur 2 sind drei Verbindungsbereiche 17-19 dargestellt, die alle an der Oberseite des Strommesswiderstands 1 angeordnet sind.

Bei der Erfindungsvariante gemäß Figur 3 sind jedoch zusätzlich drei Verbindungsbereiche 20-22 vorgesehen, die alle an der Unterseite des Strommesswiderstands angeordnet sind.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 stimmt weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 überein. Allerdings erfolgt die Pressverbindung hierbei ohne einen Wärmeeintrag als Press- Klebeverbindung. Unter den Verbindungsbereichen 17-19 befindet sich deshalb ein Epoxidkleber.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 5 stimmt weitgehend mit dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 überein. Allerdings erfolgt hierbei ebenfalls keine Press-Sinterverbindung, sondern eine Press-Klebeverbindung ohne einen Wärmeeintrag. Unter den Verbindungsbereichen 17-22 befindet sich deshalb hierbei ein Epoxidkleber, wie es auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 der Fall ist.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 6 stimmt wieder teilweise mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass auf der Leiterkarte 7 zusätzlich ein Temperatursensor 23 angeordnet ist, der die Temperatur an dem Widerstandselement 4 misst. Dies ermöglicht es, bei der Berechnung des durch den Strommesswiderstand 1 fließenden Stroms I aus der gemessenen Spannung die Temperaturabhängigkeit des Widerstandswerts des Widerstandselements 4 zu berücksichtigen, was eine Temperaturkompensation erlaubt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 7 stimmt wieder weitgehend mit den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird, wobei für entsprechende Einzelheiten dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass auf der Leiterkarte 7 zusätzlich mehrere elektronische Bauteile angeordnet sind, nämlich ein Analog/Digital-Wandler 24, ein Mikroprozessor 25 und ein Baustein 26 mit einer Isolationsstrecke 27 zur potenzialgetrennten Datenübertragung. Der Baustein 26 zur potenzialgetrennten Datenübertragung befindet sich hierbei zwischen dem Mikroprozessor 25 und der Schnittstelle 8.

Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 8 stimmt weitgehend mit dem vorstehend beschriebenen und in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel überein, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung Bezug genommen wird und dieselben Bezugszeichen verwendet werden.

Eine Besonderheit dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass sich der Baustein 26 zur potenzialgetrennten Datenübertragung zwischen dem Analog/Digital-Wandler 24 und dem Mikroprozessor 25 befindet.

Figur 9 zeigt eine perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels gemäß den Figuren 6-8, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.

Figur 10 zeigt eine perspektivische Detaildarstellung des erfindungsgemäßen Strommesswiderstands im Bereich der Vertiefungen 12, 13.

Daraus ist ersichtlich, dass die Anschlussteile 2, 3 jeweils eine bestimmte Dicke dA haben, während das Widerstandselement 4 eine verringerte Dicke dW hat. Im Bereich der Vertiefungen 12, 13 ist die Dicke der Anschlussteile 2, 3 verringert, wobei die Vertiefungen 12, 13 eine Tiefe dV haben. Durch eine Einstellung der Vertiefung dV kann auch derTemperaturkoeffizient TCR des Strommesswiderstands 1 eingestellt werden.

Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Strommesswiderstands 1 in einer Aufsicht.

Hierbei befindet sich in den Vertiefungen 12, 13 jeweils ein mechanischer Verbindungsbereich 28, 29, der nur zur mechanischen Verbindung zwischen der Leiterkarte 7 und dem Strommesswiderstand 1 dient. In den mechanischen Verbindungsbereichen 28, 29 weist die Oberfläche der Fügepartner deshalb eine Materialerhebung auf, die bei der Pressverbindung auf Pressung beansprucht wird und somit eine Pressverbindung herstellt, wobei diese Materialerhebung elektrisch entkoppelt ist. Darüber hinaus befindet sich in den Vertiefungen 12, 13 jeweils ein elektrischer Verbindungsbereich 30, 31 zur Herstellung einer elektrischen Verbindung.

Hierbei ist zu erwähnen, dass die mechanischen Verbindungsbereiche 28, 29 einerseits und die elektrischen Verbindungsbereiche 30, 31 andererseits räumlich getrennt und elektrisch entkoppelt sind.

Figur 12 zeigt schließlich ein Diagramm zur Verdeutlichung des Temperaturkoeffizienten TCR in Abhängigkeit von der Tiefe dZ der Vertiefungen 12, 13 in den Anschlussteilen 2, 3 des Strommesswiderstands 1. Aus dem Diagramm ist gut erkennbar, dass sich der Temperaturkoeffizient TCR durch eine Einstellung der Tiefe dZ der Vertiefungen 12, 13 einstellen lässt.

Die Figuren 13 und 14 zeigen zwei Erfindungsvarianten mit jeweils vier elektrischen Verbindungsbereichen 30.1, 30.2, 31.1, 31.2, die paarweise zwei Messkanälen bilden.

Bei der Erfindungsvariante gemäß Figur 13 sind die Messkanäle parallel angeordnet, wie es beispielsweise aus WO 2014/161624 Al bekannt ist. Bei der Erfindungsvariante gemäß Figur 14 sind die Messkanäle dagegen über Kreuz angeordnet sind, wie es beispielsweise aus DE 10 2021 103 241.5 bekannt ist.

Die Figuren 15 und 16 zeigen wieder perspektivische Ansichten verschiedener Erfindungsvarianten ohne die Vertiefungen in den Anschlussteilen (Figur 15) bzw. mit den Vertiefungen 12, 13 in den Anschlussteilen 2, 3 (Figur 16).

Figur 17 zeigt eine schematische Darstellung entsprechend Figur 11 mit einem zusätzlichen Mittelabgriff, der einen elektrischen Verbindungsbereich 32 und einen mechanischen Verbindungsbereich 33 umfasst.

Die Figuren 18 und 19 zeigen verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen Strommesswiderstands 1 mit insgesamt sechs Kontaktfingern 9-11, 34-36. Die Kontaktfinger 9-11 kontaktieren den Strommesswiderstand 1 hierbei an seiner Oberseite, während die anderen Kontaktfinger 34-36 den Strommesswiderstand 1 an seiner Unterseite kontaktieren.

Figur 20 zeigt eine Abwandlung, bei der sich die Kontaktfinger 9-11, 34-36 über die gesamte Breite der Strommesswiderstands 1 erstrecken und an verschiedenen Stellen eine Spannungsmessung ermöglichen.

Im Folgenden wird nun das Flussdiagramm gemäß Figur 21 beschrieben, das die Erfindungsvariante mit einer Press-Sinterverbindung erläutert.

In einem ersten Schritt S1 wird zunächst ein Strommesswiderstand mit einem Widerstandselement und zwei Anschlussteilen bereitgestellt.

In einem zweiten Schritt S2 werden dann die vorstehend beschriebenen Vertiefungen in den Anschlussteilen und optional im Widerstandselement des Strommesswiderstands geformt, was beispielsweise durch Fräsen erfolgen kann.

Im nächsten Schritt S3 wird dann eine Leiterkarte bereitgestellt und in der Leiterkarte werden in einem Schritt S4 Kontaktfinger geformt, die zur Kontaktierung des Strommesswiderstands dienen.

Im nächsten Schritt S5 kann dann eine Nano-Strukturierung der Verbindungspunkte des Strommesswiderstands erfolgen.

Der Strommesswiderstand und die Leiterkarte werden dann in einem Schritt S6 so zusammengefügt, dass die Kontaktfinger der Leiterkarte in den Vertiefungen und/oder auf der Rückseite der Vertiefungen liegen.

Im nächsten Schritt S7 werden die Verbindungspunkte dann auf eine Sintertemperatur erwärmt, die ausreichend ist, um eine Press-Sinterverbindung herzustellen.

Im nächsten Schritt S8 werden die Leiterkarte und der Strommesswiderstand dann an den Verbindungspunkten zusammengepresst, um die gewünschte Press-Sinterverbindung herzustellen.

Figur 22 zeigt eine Abwandlung von Figur 21, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen auf die vorstehende Beschreibung verwiesen kann. Im Unterschied zu dem Flussdiagramm gemäß Figur 21 erfolgt hierbei jedoch eine Press-Klebeverbindung anstelle einer Press-Sinterverbindung. Bei dem Pressvorgang erfolgt deshalb kein Wärmeeintrag. Stattdessen ist in dem Schritt S6 vorgesehen, dass ein Kleber (z.B. Epoxidkleber) auf die Verbindungspunkte aufgebracht wird. Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr ist eine Vielzahl von Varianten und Abwandlungen möglich, die ebenfalls von dem Erfindungsgedanken Gebrauch machen und deshalb in den Schutzbereich fallen. Insbesondere beansprucht die Erfindung auch Schutz für den Gegenstand und die Merkmale der Unteransprüche unabhängig von den jeweils in Bezug genommenen Ansprüchen und insbesondere auch ohne die Merkmale des Hauptanspruchs. Die Erfindung umfasst also verschiedene Erfindungsaspekte, die unabhängig voneinander Schutz genießen.

Bezugszeichenliste

1 Strommesswiderstand

2 Anschlussteil zum Einleiten des Stroms in den Strommesswiderstand

3 Anschlussteil zum Ausleiten des Stroms aus dem Strommesswiderstand

4 Widerstandselement

5 Bohrung in dem Anschlussteil zum Einleiten des Stroms in den Strommesswiderstand

6 Bohrung in dem Anschlussteil zum Ausleiten des Stroms aus dem Strommesswiderstand

7 Leiterkarte

8 Schnittstelle auf der Leiterkarte zum Ausgeben von Messwerten

9-11 Kontaktfinger der Leiterkarte

12 Vertiefung in dem Anschlussteil zum Einleiten des Stroms in den Strommesswiderstand

13 Vertiefung in dem Anschlussteil zum Ausleiten des Stroms aus dem Strommesswiderstand

14 Press-Stempel zum Pressen von oben

15 Schweißnaht zwischen dem Widerstandelement und den Anschlussteilen

16 Press-Stempel zum Pressen von unten

17-22 Verbindungsbereiche auf der Leiterkarte

23 Temperatursensor auf der Leiterkarte

24 Analog/Digital-Wandler auf der Leiterkarte

25 Mikroprozessor

26 Baustein zur potentialgetrennten Datenübertragung

TI Isolationsstrecke

28, 29 Mechanischer Verbindungsbereich

30, 31 Elektrischer Verbindungsbereich

30.1 30.2 Elektrische Verbindungsbereiche

31.1, 31.2 Elektrische Verbindungsbereiche

32 Elektrischer Verbindungsbereich am Mittelabgriff

33 Mechanischer Verbindungsbereich am Mittelabgriff

34-36 Kontaktfinger der Leiterkarte dW Dicke des Widerstandselements dA Dicke der Anschlussteile dV Tiefe der Vertiefung in den Anschlussteilen dz Tiefe der Vertiefung relativ zu dem Widerstandselement

I Strom durch den Strommesswiderstand