CH651152A5 - Messwandler zum messen eines insbesondere von einem messstrom erzeugten magnetfeldes. - Google Patents

Description

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PATENTANSPRÜCHE

1. Messwandler zum Messen eines insbesondere von einem Messstrom erzeugten Magnetfeldes mit einer einen alternierenden Vormagnetisierungsstrom führenden Magnetspule und einem Magnetfeldkomparator, der aus mindestens einem anisotropen Magnetfilm aus ferromagnetischem magnetoresistivem Material besteht, an eine Stromquelle angeschlossen ist und einem magnetischen Aussenfeid, das der Summe des zu messenden Magnetfeldes und dem vom Vormagnetisierungsstrom erzeugten Vormagnetisierungsfeld entspricht, so ausgesetzt ist, dass der Magnetfilm durch das Aussenfeid in seiner leichten Magnetachse abwechselnd in beide Sättigungsrichtungen geschaltet wird und jeweils annähernd im Nulldurchgang des Aussenfeides seinen elektrischen Widerstand sprungartig ändert, so dass der Zeitpunkt der Widerstandsänderung ein Mass für den Betrag und das Vorzeichen des zu messenden Magnetfeldes darstellt,

dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldkomparator (1) auf einem Halbleiterplättchen (5) angeordnet ist, das einen monolithischen integrierten Schaltkreis (14) darstellt.

2. Messwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule (2; 27,28) eine auf dem Halbleiterplättchen (5) angeordnete, in einer oder mehreren Ebenen liegende Dünnfilmspule ist.

3. Messwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltkreis (14) eine Vormagnetisierungsstromquelle (16), die an den Magnetfeldkomparator (1) angeschlossene Stromquelle (17), einen Verstärker ( 18), einen Schwellenschalter (19) und/oder ein digitales oder analoges Signalverarbeitungsglied aufweist.

4. Messwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleiterplättchen (5) zwischen den Schenkeln eines U-förmig gebogenen, den Messstrom (Im) führenden Flachleiters (4) angeordnet ist.

5. Messwandler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspule aus zwei Gruppen paralleler, in jeweils einer Ebene liegender Leiterbahnen (27,28) besteht, wobei die Leiterbahnen (27) der einen Gruppe unterhalb des Magnetfïlms (1) und die Leiterbahnen (28) der anderen Gruppe oberhalb des Magnetfilms (1) angeordnet sind und die beiden Enden der Leiterbahnen (28) der einen Gruppe jeweils mit einem Ende zweier verschiedener Leiterbahnen (27) der anderen Gruppe verbunden sind.

Ein Messwandler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ist aus der UK Patent Application GB 2 000 873 A bekannt. In dieser Druckschrift ist erwähnt, dass die magnetische Vorzugsrichtung des Magnetfilms, d.h. dessen leichte Magnetachse parallel, senkrecht oder in einem Winkel von z.B. 45° zur Richtung des magnetischen Aussenfeides liegen kann. Als Magnetspule zur Erzeugung des Vormagnetisierungsfeldes ist dort eine Flachspule aus Band oder Draht oder eine spiralförmige Kupferschicht in der Art einer geätzten gedruckten Schaltung vorgesehen.

Der im Anspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aufbau des Messwandlers zu schaffen, der mit modernen Massenproduktionsverfahren und niedrigen Herstellungskosten realisierbar ist.

Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der nicht massstäblich gezeichneten Zeichnungsfiguren näher erläutert. Es zeigen:

Figur I eine Prinzipdarstellung eines Messwandlers,

Figur 2 und 3 je einen Messwandler im Schnitt,

Figur 4 einen Messwandler mit einem Messleiter,

Figur 5 ein Prinzipschaltbild eines statischen Elektrizitätszählers mit einem Messwandler,

Figur 6 einen weiteren Messwandler im Schnitt und

Figur 7 den Messwandler nach der Figur 6 in der Draufsicht.

In der Figur 1 bedeutet 1 einen anisotropen Magnetfilm aus ferromagnetischem magnetoresistivem Material, der einen Magnetfeldkomparator bildet und an eine nicht dargestellte Stromquelle angeschlossen ist, die einen in der Längsrichtung des Magnetfilms 1 fliessenden Strom I0 in den Magnetfilm einspeist. Die leichte Magnetachse EA des Magnetfilms 1 schliesst zur Längsrichtung und zu einem in der Längsrichtung an den Magnetfilm angelegten magnetischen Aussenfeid Ha einen Winkel ß ein.

In einer zum Magnetfilm 1 parallelen Ebene ist eine Magnetspule 2 angeordnet, deren Leiterbahn eine rechteck-förmige Spirale bildet, wobei die einzelnen Windungen 3 in jenem Bereich, in welchem sie mit dem Magnetfilm 1 magnetisch gekoppelt sind, senkrecht zur Längsrichtung des Magnetfilms l liegen. Die Magnetspule 3 führt einen alternierenden Vormagnetisierungsstrom Iv mit definiertem Kurvenverlauf. Dieser Vormagnetisierungsstrom Iv erzeugt in der Längsrichtung des Magnetfïlms 1 ein Vormagnetisierungsfeld. Wird ausserdem in der Längsrichtung des Magnetfïlms 1 ein zu messendes Magnetfeld eingekoppelt, so entsteht in der Längsrichtung ein magnetisches Aussenfeid Ha, das der' Summe des zu messenden Magnetfeldes und des Vormagnetisierungsfeldes entspricht. Im dargestellten Beispiel wird das zu messende Magnetfeld durch einen Messstrom Im erzeugt, der in einem Flachleiter 4 senkrecht zur Längsrichtung des Magnetfilms 1 fliesst. Der Magnetisierungsvektor M wird durch das Aussenfeid Ha um den Winkel a von der leichten Magnetachse E A weggedreht.

Bei Ha = 0 liegt der Magnetisierungsvektor M des Magnetfilms 1 in Richtung der leichten Magnetachse EA, ist also gegenüber der Längsrichtung des Magnetfïlms 1 um den Winkel ß gedreht. Steigt das magnetische Aussenfeid Ha negativ -d.h. entgegengesetzt zur vorangehenden Richtung - an, so wird der Magnetisierungsvektor M vorerst stetig weitergedreht, wobei der Winkel a negativ ansteigt. Nach dem Überschreiten eines Stabilitätspunktes, der nach dem bekannten Stoner-Wohlfahrts-Modell bestimmbar ist, wird der Magnetisierungsvektor M unstetig, d.h. unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des Aussenfeides Ha, über die harte Magnetachse HA hinaus weitergedreht und nimmt sehr rasch eine neue, in der Figur 1 gestrichelt gezeichnete Gleichgewichtsposition ein. Hierbei ändert der Magnetfilm 1 seinen ohmschen Widerstand sprungartig, was sich in einem ausgeprägten, steilen Spannungssprung der am Magnetfilm I abfallenden Spannung äussert. Dieser Spannungssprung kann leicht detektiert werden und markiert den Nulldurchgang des Aussenfeides Ha mit hoher Genauigkeit. Das unstetige Schalten des Magnetfilms 1 erfolgt zwar nicht exakt im Nulldurchgang des Aussenfeides Ha, sondern bei einer Umschaltfeldstärke Hao, d.h. es entsteht eine Hysterese 2 Ha0. Diese ist minimal für ß = 45° und hängt ferner von der Anisotropiefeldstärke des magnetoresistiven Materials und von der sogenannten Entmagnetisierung an. Eine kleine Entmagnetisie-rung und damit eine kleine Hysterese bedingt, dass die Filmdicke des Magnetfïlms 1 sehr klein ist im Vergleich zur Breite.

Ist die Entmagnetisierung nicht vernachlässigbar klein, so kann ihr Einfluss weitgehend kompensiert werden, wenn anstelle des Magnetfïlms 1 zwei gleichartige, deckungsgleich angeordnete und durch eine dünne, magnetisch nichtleitende Isolierschicht getrennte Magnetfilme verwendet werden, wobei in jedem dieser Magnetfilme der Strom xh I0 fliesst und vorzugsweise ß = 0 gewählt wird.

Gemäss der Figur 2 ist der Magnetfilm 1 auf einem Halbleiterplättchen 5 angeordnet, das einen monolithischen integrierten Schaltkreis (IC) mit den erforderlichen elektronischen Komponenten des Messwandlers bildet. Zwischen dem

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Magnetfilm 1 und dem Halbleiterplättchen 5 befindet sich eine Isolationsschicht 6, beispielsweise aus SiCh. Die längsseitigen Enden des Magnetfilms 1 sind mit Leiterbahnen 7, 8 zum Anschluss des Magnetfilms 1 an eine den Strom I0 liefernde Gleichstromquelle kontaktiert. Das Halbleiterplättchen 5 enthält unter anderem zwei Transistoren 9, 10, von denen der eine über die Leiterbahn 7 mit dem Magnetfilm 1 verbunden ist und in diesen den Strom I0 einspeist, während der andere über eine Leiterbahn 11 an die Magnetspule 2 angeschlossen ist und den Vormagnetisierungsstrom Iv liefert.

Vorzugsweise ist die Magnetspule 2 eine ebene Dünnfilmspule und zusammen mit dem Magnetfilm 1 auf dem Halbleiterplättchen 5 angeordnet. Im Beispiel der Figur 2 ist die Magnetspule 2 auf der dem Halbleiterplättchen 5 abgewandten Seite des Magnetfïlms 1 angeordnet und von diesem und von den Leiterbahnen 7, 8 durch eine Isolationsschicht 12 isoliert. Der Magnetfilm 1 befindet sich in einem definierten Abstand von z.B. einigen ji von der Magnetspule 2 an einem Ort, wo das Vormagnetisierungsfeld über der magnetisch aktiven Länge des Magnetfïlms 1 praktisch konstant ist.

Die Leiterbahnen 7, 8 und 11 und die Magnetspule 2 können z.B. aus Gold, Kupfer oder Aluminium bestehen und nach in der IC-Technologie bekannten photolithographischen Verfahren auf die Isolationsschicht 6 bzw. 12 aufgetragen werden. Auch das Auftragen der Isolationsschichten 6 und 12 kann nach in der IC-Herstellung üblichen Verfahren erfolgen. Ausserdem besteht die Möglichkeit, die Erzeugung der Leiterbahnen 7, 8 und 11, der Magnetspule 2 sowie der Isolationsschichten 6 und 12 mit entsprechenden Kontaktie-rungsschritten bzw. Isolationsschritten bei der Herstellung des integrierten Schaltkreises zu kombinieren, so dass gegenüber der konventionellen Herstellung integrierter Schaltkreise zur Erzeugung des beschriebenen Messwandlers lediglich das Auftragen des Magnetfïlms 1 als zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist.

Der Messwandler nach der Figur 3 unterscheidet sich von jenem nach der Figur 2 im wesentlichen dadurch, dass die Magnetspule 2 zwischen dem Halbleiterplättchen 5 und dem Magnetfilm 1 angeordnet ist. Obwohl die einzelnen Schichten in der Figur 3 zum Teil eine etwas andere Form als in der Figur 2 aufweisen, sind in der Figur 3 der besseren Übersichtlichkeit halber Teile, welche die gleiche Funktion wie in der Figur 2 erfüllen, mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.

Das Halbleiterplättchen 5 mit dem Magnetfilm 1 und der Magnetspule 2 kann in konventioneller Weise mit elektrischen Anschlüssen versehen und in ein Gehäuse eingekapselt werden. Hierbei kann der Flachleiter 4 (Fig. 1) ähnlich wie ein Kühlblech eines Leistungstransistors als Teil des Gehäuses dienen. Vorteilhaft ist der Flachleiter 4 gemäss der Figur 4 U-förmig gebogen und das Halbleiterplättchen 5 zwischen den Schenkeln des Flachleiters 4 angeordnet, wobei die elektrischen Anschlüsse 13 seitlich zwischen den Schenkeln heraustreten. Das durch den Messstrom Im erzeugte Magnetfeld ist zwischen den Schenkeln des Flachleiters 4 maximal und ausserhalb denselben praktisch null. Durch Auftragen einer weichmagnetischen Schicht auf den Aussenflächen des Flachleiters 4 kann für eine zusätzlichz magnetische Abschirmung gesorgt werden.

Die elektrische Prinzipschaltung des durch das Halbleiterplättchen 5 gebildeten integrierten Schaltkreises mit dem Magnetfilm 1 und der Magnetspule 2 ist in der Figur 5 innerhalb eines Schaltblockes 14 dargestellt. Dieser Schaltblock 14 enthält einen Oszillator 15, eine Vormagnetisierungsstromquelle 16, eine Gleichstromquelle 17, einen Wechselstromverstärker 18, einen Schwellenschalter 19, einen Multiplikator 20 oder ein anderes analoges oder digitales Signalverarbeitungsglied, ferner einen Speisespannungsstabilisator 21, den Magnetfilm 1 mit den Leiterbahnen 7, 8 und die Magnetspule

2, die im Beispiel der Figur 5 eine Doppelspiralspule ist.

Der Oszillator 15 erzeugt eine Impulsfolge mit konstanter Frequenz, mit der die den Vormagnetisierungsstrom Iv liefernde Vormagnetisierungsstromquelle 16 angesteuert wird. Die Gleichstromquelle 17 speist den Strom I0 in den Magnetfilm 1. Der Wechselspannungsanteil der über dem Magnetfilm 1 abfallenden Spannung wird im Wechselspannungsverstärker 18 verstärkt und gelangt zum Schwellenschalter 19, der jeweils praktisch im Nulldurchgang des Aussenfeides Ha einen Impuls abgibt. Bei definierter Kurvenform des alternierenden Vormagnetisierungsstromes Iv stellen die Zeitpunkte, in denen diese Impulse auftreten, ein Mass dar für den Momentanwert und das Vorzeichen des an den Messwandler angelegten Magnetfeldes bzw. des im Flachleiter 4 Messenden Stromes. Im Multiplikator bzw. Signalverarbeitungsglied 20 kann aufgrund dieser Zeitpunkte ein den Momentanwert des Stromes darstellendes analoges oder digitales Signal gebildet werden.

Der beschriebene Messwandler eignet sich vorzüglich in einer Vorrichtung zur Messung elektrischer Energie. Hierzu werden der zu messende Wechselstrom unmittelbar in den Flachleiter 4 eingespeist, gemäss der Figur 5 die zu messende Spannung U z.B. über einen Spannungsteiler 22 dem Multiplikator 20 zugeführt und dessen Ausgang an ein Zählwerk 23 angeschlossen. Der Multiplikator 20 bildet das Produkt aus dem Momentanwert des mit dem Messwandler ermittelten Wechselstromes und dem Momentanwert der Wechselspannung, und das Zählwerk 23 bildet das Zeitintegral des Produktes.

Zur Speisung des Schaltungsblocks 14 wird die Wechselspannung U mittels eines Transformators 24, eines Gleichrichters 25 und eines Kondensators 26 in eine Kleingleichspannung umgeformt und diese an den Speisespannungsstabilisator 21 angelegt.

Zur Messung elektrischer Energie in einem Drehstromnetz wird vorteilhaft für jede Phase ein Messwandler der beschriebenen Art eingesetzt, wobei die Produktbildung für jede Phase im Multiplikator 20 des Schaltungsblocks 14 der betreffenden Phase oder in einem allen Phasen gemeinsamen Mikrocomputer erfolgen kann.

Die Windungen der als Dünnfilmspule ausgebildeten Magnetspule 2 können, wie bereits erwähnt, in einer gemeinsamen Ebene liegen. Ferner besteht die Möglichkeit, die einzelnen Windungen der Dünnfilmspule in bekannter Weise deckungsgleich übereinander anzuordnen und jeweils durch eine dazwischenliegende Isolationsschicht voneinander zu isolieren.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform einer Dünnfilmspule wird nachfolgend anhand der Figur 6 und 7 erläutert, in denen gleiche Bezugszahlen wie in den vorangehenden Zeichnungsfiguren auf Teile gleicher Funktion hinweisen. Beim Messwandler nach den Figuren 6 und 7 besteht die Dünnfilmspule aus einer ersten Gruppe paralleler, in einer ersten Ebene liegender Leiterbahnen 27 und aus einer zweiten Gruppe paralleler, in einer zweiten Ebene liegender Leiterbahnen 28. Die Leiterbahnen 27 befinden sich unterhalb des Magnetfilms 1 auf der auf das Halbleiterplättchen 5 aufgetragenen Isolationsschicht 6 und sind vom Magnetfilm 1 durch die Isolationsschicht 12 isoliert. Oberhalb des Magnetfilms 1 sind auf einer Isolationsschicht 29 die Leiterbahnen 28 angeordnet. Die Isolationsschichten 12 und 29 bedecken die Leiterbahnen 27 nicht vollständig, sondern lassen deren Enden frei zugänglich. Die beiden Enden der Leiterbahnen 28 sind Z-förmig abgekröpft und jeweils mit einem Ende zweier aufeinanderfolgender Leiterbahnen 27 verbunden. Gegenüber der ebenen Magnetspule 2 weist die aus den Leiterbahnen 27, 28 bestehende Magnetspule bei gleicher Windungszahl eine um ein Vielfaches geringere Leiterlänge auf.

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3 Blatt Zeichnungen