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Die
Erfindung betrifft einen Stromsensor zur galvanisch getrennten Strommessung,
insbesondere Gleichstrommessung.
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Die
galvanisch getrennte Stromerfassung ist in vielen Geräten zur
störsicheren
Steuerung und Regelung oder aber zur Überwachung von Funktionszuständen erforderlich.
Der zu messende Strombereich liegt für viele Anwendungen sowohl
bei Gleich- als auch
bei Wechselströmen
im Bereich einiger mA bis mehrere 100 A. Aufgrund fehlender Wechselfelder können bei
der Erfassung von Gleichströmen
keine Induktivmethoden zum Einsatz kommen. Um dennoch eine Stromerfassung
zu ermöglichen
und die geforderte Linearität
des Ausgangssignals zu gewährleisten,
werden z. B. Hall-Sensoren im Luftspalt einer Spule betrieben, oder
es muss durch ein Regelungssystem (Kompensationsprinzip) die Linearität der Sensoren
gewährleistet
werden. Bei allen diesen Ausführungsformen
sind aufwändige
hybride Sensorlösungen
für eingeschränkte Strombereiche
mit kostenintensiver Aufbautechnik erforderlich.
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Auf
dem Gebiet der Magnetfeldsensorik sind Feldsensoren bekannt, die
eine Brückenschaltung aus
vier magnetoresistiven XMR-Sensorelementen aufweisen. Dabei besitzt
die Brückenschaltung, über die
ein Brückenstrom
zu führen
ist, zwei parallel geschaltete Brückenzweige mit jeweils zwei
der Sensorelemente. Zwischen den Sensorelementen jedes Brückenzweigs
liegt dabei ein gemeinsamer Abgriff der Brückenschaltung für ein Brückensignal.
Bei einer entsprechenden, aus der
EP 0 710 850 B1 zu entnehmenden Brückenschaltung
sind die Sensorelemente jeweils als sogenannte Spin Valves ausgebildet,
wobei sie eine harte Referenzschichtmagnetisierung und eine von
dem zu detektierenden Magnetfeld drehbare Detektionsschichtmagnetisierung
besitzen. Die Referenzschichtmagnetisierungen aller Sensorelemente
weisen dabei in dieselbe Richtung, während die Detektionsmagnetisierungen
von in einem Brückenzweig
liegenden Sensorelementen jeweils antiparallel gerichtet sind. Referenzschichtmagnetisierung
und Detektionsschichtmagnetisierung jedes Sensorelementes schließen dabei
einen Winkel von etwa 90° im
feldfreien Fall ein.
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Eine
Brückenschaltung
von vier magnetoresistiven XMR-Sensorelementen
vom Spin valve-Typ zur Strommessung ist der
DE 101 13 131 A1 zu entnehmen.
Hier sind die Magnetisierungen der Referenzschichten von Elementen
jedes Brückenzweigs antiparallel,
in Richtung des Brückenstroms
ausgerichtet. Über
die Brücke
ist ein U-förmiger
Stromleiter zu legen, dessen bei Stromführung erzeugtes Magnetfeld
jeweils von zwei Sensorelementen erfasst wird, die eine Halbbrücke bilden
und so als Winkelsensoren arbeiten. Aus einer Differenzbildung der Winkelsignale
der Halbbrücken
wird dann der Strom bestimmt. Einzelheiten der hierfür zu wählenden
Magnetisierungsrichtungen der Schichten der einzelnen Sensorelemente
sind nicht offenbart.
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Der
Erfindung liegt das Problem zugrunde, einen Stromsensor zur galvanisch
getrennten Stromerfassung anzugeben, der einfach aufgebaut ist und
die exakte Stromerfassung mit der geforderten Dynamik und Linearität ermöglicht.
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Zur
Lösung
dieses Problems ist ein Stromsensor der eingangs genannten Art vorgesehen,
umfassend einen U-förmig
verlaufenden Stromleiter, ober- oder unterhalb dem eine der Erfassung
des bei Stromfluss zwischen den Leiterschenkeln erzeugten, dem Strom
proportionalen magnetischen Gradientenfelds dienende Brückenschaltung
bestehend aus vier XMR-Sensorelementen angeordnet ist, von denen
jeweils zwei einem Schenkel des Stromleiters zugeordnet sind, wobei
die Brückenschaltung, über welche
ein Brückenstrom
zu führen
ist, zwei parallel geschaltete Brückenzweige aufweist, in denen
sich jeweils zwei, einen gemeinsamen Abgriff der Brückenschaltung
bildende Sensorelemente befinden, wobei
- • die XMR-Sensorelemente
jeweils als Spin Valves mit einer harten Referenzschichtmagnetisierung
und einer über
das bei Stromfluss im zugeordneten Stromleiterschenkel erzeugte
Magnetfeld drehbaren Detektionsschichtmagnetisierung ausgeführt sind,
- • die
Detektionsschichtmagnetisierungen bei fehlendem Stromfluss jeweils
unter einem Winkel zwischen 80°–100° zur jeweiligen
Referenzschichtmagnetisierung stehen,
und - • die
Sensorelemente innerhalb der Brückenschaltung
so angeordnet und ausgerichtet sind, dass die zu einem Brückenzweig
gehörenden Sensorelemente
jeweils verschiedenen Stromleiterschenkeln zugeordnet sind und die
Referenzschichtmagnetisierungen aller XMR-Sensorelemente unidirektional
und zumindest annähernd senkrecht
zum jeweils zugeordneten Stromleiterschenkel liegen.
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Dabei
sei die Bezeichnung „XMR" allgemein für den magnetoresistiven
Effekt von Dünnschichtenfolgen
verwendet, der gegenüber
den bei einschichtigen Elementen auftretenden „klassischen AMR-Effekt" deutlich, insbesondere
um mindestens eine Größenordnung,
erhöht
ist. Hauptvertreter sind der sogenannte GMR(Giant Magneto Resistance)-Effekt und
der TMR(Tunneling Magneto Resistance)-Effekt (vgl. z.B. die Veröffentlichung „XMR-Technologien" – Technologieanalyse: Magnetismus;
Bd.2, des VDI-Technologie-Zentrums „Physikalische Technologien", Düsseldorf
(DE), 1997, Seiten 11 bis 46).
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Der
erfindungsgemäße Stromsensor
nutzt vorteilhaft die Eigenschaften einer XMR-Sensorbrücke in Verbindung
mit gekreuzten Anisotropien zwischen Referenzschichtmagnetisierung
und Detektionsschichtmagnetisierung. Die galvanische Isolation zwischen
dem U-förmigen
Stromleiter und der Sensorbrücke
ist durch die Magnetfeldmessung und die dadurch mögliche elektrische
Isolationsschicht zwischen Leiter und Brücke gegeben, wobei diese Isolationsschicht
in einem bevorzugten Si-Aufbau der Brückenschaltung bzw. des Sensors
durch das Oxid des Substrats ermöglicht
wird. Infolge der besonderen Verschaltung der XMR-Sensorelemente
als Brücke wird
das sich zwischen den beiden bevorzugt parallel zueinander verlaufenden,
einen U-förmigen
Leiterabschnitt bildenden Stromschenkeln erzeugte in-plane-Gradientenmagnetfeld,
das aus den beiden schenkelspezifischen Einzelfeldern messtechnisch über die
Brücke
erfasst wird, bestimmt. Hierdurch ist es vorteilhaft möglich, externe überlagerte
homogene Magnetfelder, die bei Integration des Stromsensors in ein
elektrisches Gerät
häufig
gegeben sind, zu unterdrücken,
so dass die Stromerfassung mithin äußerst störsicher ist.
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Die
Ausgestaltung der XMR-Sensorelemente als Spin Valves ermöglicht eine äußerst exakte
Erfassung der Einzelfelder und hierüber des Gradientenfelds, nachdem
die Detektionsschichtmagnetisierung sehr leicht in Abhängigkeit
des jeweils erzeugten Magnetfelds dreht und mithin infolge der hieraus resultierenden
Widerstandsänderung über das XMR-Sensorelement äußerst exakt
das jeweilige Feld und über
die Brückenschaltung
dann das Gradientenfeld erfasst und in Form des Ausgangssignals wiedergegeben
werden kann. Dabei ist die Auslegung und Verschaltung der XMR-Sensorbrücke so gewählt, dass
die Referenzschichtmagnetisierung aller Elemente unidirektional
und zumindest annähernd
senkrecht zu den beiden Schenkeln des U-förmigen Stromleiters (unter
Einschluss von Abweichungen um ±10° gegenüber der exakt senkrechten Ausrichtung
liegt, während
die Vorzugsrichtung der Detektionsschicht unter einem Winkel zwischen 80°–100°, bevorzugt
ca. 90° zur
Referenzschichtmagnetisierung steht, also im Wesentlichen parallel
zum Stromleiterschenkel, wobei die Detektionsschichtmagnetisierungen
nicht zwingend unidirektional sein müssen, sie können auch uniaxial sein. In
jedem Fall dreht die jeweilige Detektionsschichtmagnetisierung sehr
leicht mit dem externen Feld.
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Das
Ausgangssignal der XMR-Sensormessbrücke ist der Feldstärke des
uniaxialen Gradientenfelds direkt proportional, da das magnetoresistive
Signal eines XMR-Sensorelements in der Ausführung eines sogenannten Spin
Valves über
einen Bereich von 180° proportional
zum Cosinus des Winkels zwischen Referenzschicht- und Detektionsschichtmagnetisierung
ist. Wird nun der Detektionsschicht eine Vorzugsrichtung im linearen
Bereich des Cosinus aufgeprägt,
also bevorzugt im Winkelbereich zwischen 80°–100°, insbesondere 90° zur Referenzschichtmagnetisierung,
so ist die Winkelkomponente des drehenden Magnetisierungsvektors
proportional zur Feldstärke
des angelegten uniaxialen Feldes. Das Proportionalitätsverhältnis kann
durch die Stärke der
Anisotropien der Detektionsschicht eingestellt werden, worauf Nachfolgend
noch eingegangen wird.
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Damit
lässt der
erfindungsgemäße Stromsensor
die exakte Erfassung eines Gleichstroms zu. Einerseits liefert er
wie ausgeführt
ein lineares Ausgangssignal, zum anderen ist er im Aufbau sehr einfach
konfiguriert, nachdem lediglich die vier XMR-Sensorelemente vorzusehen
und als Messbrücke
zu verschalten und entsprechend zu kontaktieren sind. Dabei lässt die
unidirektionale Ausrichtung der Referenzschichtmagnetisierung, also
die einheitliche Ausrichtung der Magnetisierung, eine einfache Konditionierung
der Referenzschichten zu, sie können
in einem gemeinsamen Herstellprozess ausgerichtet werden. Entsprechendes
gilt für
die Detektionsschichtmagnetisierung, die bevorzugt ebenfalls unidirektional
ist, mithin also auch in einem einzigen gemeinsamen Herstellungsschritt
für alle
vier XMR-Sensorelemente erzeugt werden kann. Dies gilt auch im Falle
der Ausbildung einer uniaxialen Detektionsschichtmagnetisierung,
die sich infolge von Rückdrehungen
nach dem Aufprägen
einer Vorzugsrichtung einstellt.
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Um
die Referenzschichtmagnetisierung möglichst hart auszuführen, ist
jede Referenzschicht bevorzugt mit einer antiferromagnetischen Schicht austauschgekoppelt.
Hierzu kann ein natürlicher
Antiferromagnet aufgebracht werden. Hierdurch wird ein exchange
bias System ausgebildet, bei dem die Referenzschichtmagnetisierung über den
Antiferromagneten gepinnt ist.
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Zur
Ausbildung der Detektionsschichtanisotropie sind mehrere Möglichkeiten
denkbar, die bevorzugt kumulativ angewendet werden sollten, nachdem
sich über
die Stärke
der Anisotropie bzw. der kumulativ wirkenden Anisotropien der Detektions schicht
das Proportionalitätsverhältnis des
Ausgangssignals zum in-plane Gradientenmagnetfelds einstellen lässt.
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Zum
einen kann jede Detektionsschicht eine in Richtung der Detektionsschichtmagnetisierung
liegende beschichtungsinduzierte Anisotropie aufweisen, wozu in
der Regel die Schicht in einem anliegenden Magnetfeld, das die Vorzugsrichtung
definiert, abgeschieden wird.
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Zusätzlich kann
jedes XMR-Sensorelement als Streifenelement zur Erzeugung einer
in Richtung der Detektionsschichtmagnetisierung liegenden Formanisotropie
ausgeführt
sein. Diese Formanisotropie ermöglicht
eine Reduzierung des Einflusses der orange-peel-Kopplung. Diese
orange-peel-Kopplung erzeugt eine unidirektionale Anisotropie in
Pinningrichtung, also in Richtung der Austauschkopplung der Referenzschicht
mit dem Antiferromagneten. Das orange-peel-Kopplungsfeld ist auf
Oberflächenunebenheiten
in den Übergängen von
der Detektionsschicht zur unmagnetischen Zwischenschicht und zur
Referenzschicht zurückzuführen. Hier
stellt sich aufgrund dieser Unebenheiten eine ferromagnetische Kopplung
im Grenzflächenbereich
ein, die wenngleich lokal extrem begrenzt, gleichwohl ein Kopplungsfeld
und damit eine unidirektionale, senkrecht zur Detektionsschichtmagnetisierung
liegende Anisotropie erzeugt. Dieser kann nun u. a. durch die Streifenbreite
entgegengewirkt werden. Es wird also eine Formanisotropie mit einer
Formanisotropiefeldstärke über die
Streifenbreite erzeugt, die uniaxial in Streifenlängsrichtung
liegt, mithin also senkrecht zum orange-peel-Kopplungsfeld, dieses
dabei reduzierend.
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Dem
trägt weiterhin
eine bevorzugt vorgesehene materialspezifische, intrinsische und
in Richtung der Detektionsschichtmagnetisierung liegende Anisotropie
bei, die aus der Wahl des entsprechenden Schichtmaterials, z. B.
Permalloy resultiert.
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Für die Kompensation
der orange-peel-Kopplung vorteilhaft ist ferner noch eine aus einem
Streufeld der Referenzmagnetisie rung resultierende Anisotropiefeldstärke, die
unidirektional entgegen der Pinningrichtung, also dem orange-peel-Kopplungsfeld
entgegengesetzt gerichtet liegt.
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Hierüber besteht
die Möglichkeit,
die aus der orange-peel-Kopplung
resultierende Nullpunktsverschiebung der Kennlinie zu kompensieren
und diese wieder nahe oder in den Nullpunkt zurückzuschieben.
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Durch
den speziellen Aufbau insbesondere der Detektionsschicht bzw. der
Anisotropieverhältnisse
kann somit das Sensorsignal so eingestellt werden, dass Hysteresen
und Nichteindeutigkeiten der Kennlinie vermieden werden. Der Aufbau
der einzelnen XMR-Sensoren ermöglicht
also die Realisierung der anwendungsrelevanten Sensoreigenschaften, nämlich der
Linearität,
der Hysteresefreiheit und der Adaptionsfähigkeit des Sensors.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der
Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine
Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Stromsensors im unbestromten
Zustand mit erfindungsgemäß angeordneten
Sensorelementen,
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2 eine
Prinzipdarstellung des Stromsensors nach 1 mit den
Sensorelementen in üblicher Darstellung
einer Brückenanordnung,
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3 den
Stromsensor aus 1 bei Stromfluss,
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4 eine
Prinzipdarstellung eines Schichtaufbaus eines GMR-Sensorelements
eines Stromsensors wie in 1 und 2 gezeigt,
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5 eine
Prinzipdarstellung der einzelnen Schichtmagnetisierungen bzw. leichten
Achsen, und
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6 eine
Prinzipdarstellung zur Lage der Anisotropien innerhalb des Schichtstapels.
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1 zeigt
einen erfindungsgemäßen Stromsensor 1,
umfassend einen U-förmigen
Stromleiter 2 mit zwei im Wesentlichen parallelen Stromleiterschenkeln 3, 4, über welchen
Stromleiter 2 der zu messende Gleichstrom fließt, der
am einen Stromleiterschenkel 3 zufließt und am anderen Stromleiterschenkel
wieder abfließt.
Der Stromsensor 1 kann als diskreter Chip oder als diskretes
Bauteil ausgeführt sein,
mit entsprechenden Kontaktierungsanschlüssen der Stromleiterbahn zur
Integration des Stromsensors in entsprechende Leiterplattenmodule
(z. B. PCB- oder DCB-Leiterplatten) zu ermöglichen.
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Über- oder
unterhalb des Stromleiters 2 und elektrisch isoliert dazu
befindet sich eine Brückenschaltung 5,
die mit vier XMR-Sensorelementen aufgebaut ist. Für das Ausführungsbeispiel
seien nachfolgend als die XMR-Sensorelemente vier Sensorelemente 6, 7, 8, 9 vom
GMR(GMR = Giant Magneto Resistance)-Typ gewählt, obwohl ebenso gut dafür auch Elemente
vom TMR(TMR = Tunneling Magneto Resistance)-Typ vorgesehen werden
können.
Jedes GMR-Sensorelement ist in bekannter Weise als Schichtstapel
aus verschiedenen Einzelschichten aufgebaut, worauf nachfolgend
noch eingegangen wird. In jedem Fall weist jedes GMR-Sensorelement 6–9 eine
Referenzschicht mit einer Referenzschichtmagnetisierung R auf, wobei
alle Referenzschichtmagnetisierungen R unidirektional ausgerichtet
und senkrecht zum jeweils benachbarten Stromleiterschenkel 3 bzw. 4 liegen.
Diese unidirektionale Ausrichtung ermöglicht es, alle Referenzschichten
in einem Herstellungsschritt in einem gemeinsamen Magnetfeld zu
konditionieren.
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Weiterhin
weist jedes GMR-Sensorelement 6–9 eine Detektionsschicht
mit einer bei Anliegen eines externen Magnetfelds drehbare Detektionsschichtmagnetisierung
D auf, die im unbestromten Zustand, wenn also kein Strom über den
Stromleiter 2 fließt,
wie in 1 gezeigt ist, im Wesentlichen senkrecht zur Referenzschichtmagnetisierung
R steht und be vorzugt ebenfalls unidirektional ausgerichtet ist,
so dass auch die Detektionsschichtmagnetisierungen aller Sensorelemente
in einem gemeinsamen Herstellschritt im Magnetfeld ausgebildet werden
können.
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Die
GMR-Sensorelemente 6–9 sind
zu einer Brücke
geschaltet und ermöglichen
es, bei Stromfluss über
den Stromleiter 2 das sich zwischen den beiden Stromleiterschenkel 3, 4 ergebende
Gradientenfeld zu erfassen. Das Messsignal, das proportional zum
in-plane-Gradientenfeld bei Stromfluss ist, wird an den Abgriffen
bzw. Ausgängen
S1/S2, an denen also das Ausgangssignal der Brückenschaltung 5 abgegriffen
wird, erfasst. Aufgrund der Ausführung der
GMR-Sensorelemente 6–9 als
Spin Valves in Verbindung mit der gekreuzten Anisotropie bzw. den gekreuzten
Magnetisierungen R und D ergibt sich eine Proportionalität des magnetoresistiven
Signals eines GMR-Sensorelements zum Winkel, den die Magnetisierungen
R und D zueinander einnehmen, in einem Bereich von 180°, das heißt, die
Winkelkomponente des drehenden Magnetisierungsvektors der Detektionsschichtmagnetisierung
D ist proportional zur Feldstärke
des angelegten uniaxialen Felds am jeweiligen Stromleiter 3 bzw. 4,
woraus, nachdem das in-plane-Gradientenfeld gemessen wird, auch ein
proportionales, lineares Ausgangssignal über die gesamte Brückenschaltung 5 resultiert.
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Für die in 1 gezeigte
Brückenschaltung 5 mit
der erfindungsgemäßen Ausrichtung
der einzelnen Magnetisierungen wurde in 2 die übliche Darstellung
einer Brückenschaltung
gewählt.
Dabei ist verdeutlicht, dass die Brückenschaltung 5, über die
ein Brückenstrom
iB zu führen
ist, zwei parallelgeschaltete Brückenzweige
Z1 und Z2 aufweist. In jedem dieser Brückenzweige befinden sich dabei
zwei hintereinander geschaltete Sensorelemente, und zwar in dem
Brückenzweig
Z1 die Sensorelemente 6 und 7 sowie in dem Brückenzweig
Z2 die hintereinander geschalteten Sensorelemente 9 und 8 (jeweils
in Führungsrichtung
des Brückenstroms
iB gesehen). Wie aus der Figur deutlich
hervorgeht, sind die Ausrichtungen der Referenzschichtmagnetisierungen
R der einzelnen Sensorelemente innerhalb eines jeden Zweigs antiparallel
ausgerichtet, wobei die Ausrichtung dieser Magnetisierungen von
den diagonal zugeordneten Sensorelementen 6, 8 bzw. 7, 9 aus
verschiedenen Brückenzweige
jeweils gleichgerichtet sind. Außerdem ist ersichtlich, dass
die Stromleiterschenkel 3 und 4 jeweils diagonalen
Sensorelementen 6, 8 bzw. 7, 9 aus
verschiedenen Brückenzweigen
zugeordnet sind. Erfindungsgemäß wird die
in der Figur dargestellte Anordnung der einzelnen Sensorelemente
so abgeändert,
dass die Stromleiterschenkel 3 und 4 einen U-förmig verlaufenden
Stromleiter bilden und dabei die Referenzschichtmagnetisierungen
R aller Sensorelemente in dieselbe Richtung (d.h. unidirektional)
weisen.
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Die
Verhältnisse
bei Stromfluss für
den Stromsensor nach 1 zeigt in entsprechender Darstellung 3.
Der Strom wird über
den in der Figur linken Stromleiterschenkel 3 zugeführt (Iin) und am rechten Stromleiterschenkel 4 abgeführt (Iout). Aufgrund des Stromflusses bilden sich
schenkelspezifische Magnetfelder aus, die die Detektionsschichtmagnetisierung
D der jeweiligen benachbarten GMR-Sensorelemente 6–9 drehen,
das heißt,
die jeweilige Detektionsschichtmagnetisierung D folgt dem anliegenden
Feld. Im gezeigten Beispiel stellen sich die Detektionsschichtmagnetisierungen
der GMR-Sensorelemente 6 und 8 parallel zur Referenzschichtmagnetisierung
R, während
die Detektionsschichtmagnetisierung D der Sensorelemente 7, 9 in die
entgegengesetzte, antiparallele Richtung gedreht werden. An den
beiden Ausgängen
S1 und S2 kann nun das sich aus der dargestellten Brückenschaltung ergebende
Ausgangssignal, das proportional zu der gegebenen Gradientenfeldstärke ist,
abgegriffen werden. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass 3 den
Fall zeigt, dass die jeweiligen schenkelspezifischen Felder die
Detektionsschichtmagnetisierungen D jeweils vollständig auslenken.
Bei geringeren Feldern werden die Detektionsschichtmagnetisierungen ausgehend
von der „Ruhestellung" gemäß 1 um einen
Winkel < +90° ausgelenkt,
das resultierende abgegriffene Brückensignal der unter einer
Messspannung von im gezeigten Beispiel 5 Volt stehenden Messbrücke, das
abhängig
vom Winkel, den die Detek tionsschichtmagnetisierungen D zur Referenzschichtmagnetisierung
R einnehmen, ist folglich ein anderes, jedoch in einem proportionalen
Zusammenhang zur Feldstärke
des Gradientenfelds stehendes Signal. Je nach Stärke der Anisotropie der Detektionsschichtmagnetisierung
kann folglich die Sensoreigenschaft anwendungsrelevant eingestellt
werden.
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4 zeigt
in Form einer Prinzipdarstellung den prinzipiellen Aufbau eines
GMR-Sensorelements, hier exemplarisch des Sensorelements 6.
Einer oberen Abschluss- oder Keimschicht 10 folgt eine Schicht 11 aus
einem Antiferromagneten, bevorzugt einem natürlichen Antiferromagneten,
die austauschgekoppelt mit der daran anschließenden Referenzschicht 12 ist.
Bei dieser Referenzschicht 12 kann es sich beispielsweise
um einen künstlichen
Antiferromagneten handeln. Über
eine unmagnetische Entkopplungsschicht 13 getrennt ist
die Detektionsschicht 14, die über eine nachfolgende Schicht 15 wiederum
aus einem antiferromagnetischen Material wie auch die Referenzschicht 12 gepinnt,
also austauschgekoppelt ist. Den Abschluss bildet auch hier eine
Abschluss- oder Keimschicht 16.
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Ein
typischer Schichtstapel kann sich wie folgt darstellen:
Abschluss-
oder Keimschicht 10: Ta5/NiFe2
Natürliche Antiferromagnetschicht 11:
IrMn10
Referenzschicht 12 (künstlicher Antiferromagnet):
CoFe4,5/Ru0,8/CoFe4
Entkopplungsschicht 13:
Cu3
Detektionsschicht 14: CoFe0,8/NiFe20
Natürliche Antiferromagnetschicht 15:
IrMn10
Abschluss- oder Keimschicht 16: Ta5/Cu0,8.
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Insgesamt
ist hier also ein sogenanntes exchange bias System, bei dem sowohl
die Referenzschicht 12 als auch die Detektionsschicht 14 jeweils über eine
natürliche
Antiferromagnetschicht austauschgekoppelt und gepinnt ist, mit gekreuzten
Anisotropien vorgesehen.
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Die
gekreuzten Anisotropien bzw. leichten Achsen ergeben sich aus der
Prinzipdarstellung gemäß 5.
Gezeigt ist die in 5 vertikal verlaufend dargestellte
Pinningrichtung, die über
die natürliche
Antiferromagnetschicht 11, die mit der Referenzschicht 12 austauschgekoppelt
ist, definiert wird, gefolgt von der leichten Achse der Referenzschicht, die
hierzu zwangsläufig
parallel steht.
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Die
leichte Achse der Detektionsschicht 14 steht orthogonal
dazu, in 5 also horizontal dargestellt,
entsprechend die Pinningrichtung über die natürliche Antiferromagnetschicht 15.
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6 zeigt
schließlich
als Prinzipdarstellung die Lage der einzelnen Anisotropien.
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Der
mit Heb gekennzeichnete Pfeil gibt die Anisotropie,
die aus der exchange-bias-Feldstärke der
natürlichen
Antiferromagnetschicht 11 resultiert, wieder. Es handelt
sich um eine unidirektionale Pinningrichtung, die wie ausgeführt die
unidirektionalen Referenzschichtmagnetisierungen pinnt.
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Senkrecht
zur exchange-bias-Feldstärke steht
die mit Hind gekennzeichnete beschichtungsinduzierte
Anisotropiefeldstärke
der Detektionsschicht 14, die uniaxial ist.
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Senkrecht
zu dieser und unidirektional in Pinningrichtung der exchange bias
Feldstärke
Heb Steht die mit Hferro gekennzeichnete
orange peel Kopplungsfeldstärke,
die wie oben ausgeführt
aus Oberflächenunebenheiten
im Grenzflächenbereich
Referenzschicht-Entkopplungsschicht-Detektionsschicht resultiert.
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Wiederum
senkrecht zu dieser steht die mit Hsh gekennzeichnete
uniaxiale Formanisotropiefeldstärke,
die in Längsrichtung
des Sensorstreifens, der in 6 als länglicher
Kasten dargestellt ist mit einer Streifenbreite b, verläuft.
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Zu
dieser wiederum senkrecht und unidirektional, jedoch der Pinningrichtung
der exchange-bias-Feldstärke
Heb entgegengerichtet steht die durch das
Streufeld der Referenzschichtmagnetisierung erzeugte Anisotropiefeldstärke HSF. Schließlich ist in 6 noch
die zweite exchange-bias-Feldstärke Heb2 gezeigt, die über die natürliche Antiferromagnetschicht 15,
die die Detektionsschicht pinnt, induziert wird, und die ebenfalls
in Streifenlängsrichtung
liegt.
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Für die Stärke der
Detektionsschichtanisotropie verantwortlich sind im gezeigten Beispiel
die beschichtungsinduzierte Anisotropiefeldstärke Hind, die
Formanisotropiefeldstärke
Hsh sowie die (gegebenenfalls optionale)
exchange-bias-Feldstärke
Heb2. Dieser Detektionsschichtanisotropie
entgegengesetzt wirkt die Summe der orange-peel-Kopplungsfeldstärke Hferro und der Hferro entgegengesetzt
orientierten Streufeldkopplungsfeldstärke HSF.
Für den Einsatz
vorteilhaft ist eine vollständige
Kompensation dieser beiden Feldstärken.
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Durch
den oben beschriebenen Aufbau der GMR-Sensorelemente 6–9 bzw.
der Detektionsschichten und deren Kopplung kann vorteilhaft das Sensorsignal,
das über
die Brückenschaltung 5 abgegriffen
werden kann, so eingestellt werden, dass Hysteresen und Nichteindeutigkeiten
der Kennlinie weitestgehend vermieden werden können. Dies resultiert vorteilhaft
aus der hinreichenden uniaxialen Detektionsschichtanisotropie senkrecht
zur Ausrichtung der Referenzschicht, die über die Einzelanisotropien,
wie sie in 6 gezeigt sind, aufgeprägt wird.
Abschließend
ist festzuhalten, dass eine zusätzliche
intrinsische uniaxiale Anisotropie gegeben ist, wenn zur Bildung
der Detektionsschicht entsprechende Materialien wie z. B. Permalloy
verwendet werden, wobei diese uniaxiale Anisotropie zusätzlich die
Anisotropiestärke
erhöhend
wirkt.
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Insgesamt
bietet der erfindungsgemäße Gleichstromsensor
die Möglichkeit,
galvanisch isoliert Gleichströme
messen zu können.
Aufgrund der intrinsischen Schirmung der Brückenschal tung 5 und der
Magnetfeldgradientenmessung werden überlagerte homogene externe
Magnetfelder, die nicht aus der Bestromung des zugeordneten Stromleiters
resultieren, bis zu einer gewissen Stärke unterdrückt, wirken sich also nicht
auf das Ausgangssignal aus. Die Auswertung des in-plane-Magnetisierungsvektors
der XMR-Spin-Valves-Sensorelemente mit gekreuzter Anisotropie ermöglicht diese
Fremdfeldunterdrückung.
Durch die Verschaltung der Brückenelemente
können
die Referenzschichten wie auch die Detektionsschichten mit einheitlicher
Ausrichtung der jeweiligen Magnetisierungen konditioniert werden, was
die Herstellprozesse vereinfacht. Die Signalkennlinie der Messbrücke ist
direkt linear. Eine gezielte Einstellung des Proportionalitätsverhältnisses durch
das spezielle Schichtsystem sowie die entsprechenden, einstellbaren
Anisotropien ist möglich und
erweitert den Einsatzbereich des Stromsensors erheblich, dieser
kann anwendungsrelevant hinsichtlich seiner Linearität, der Hysteresefreiheit
und der Adaptierbarkeit ausgeführt
werden.