DE102008061014A1

DE102008061014A1 - Verfahren zur Unterdrückung von externen Störfeldern in einer Brückenanordnung aus Magnetfeldsensoren und zugehörige Vorrichtung

Info

Publication number: DE102008061014A1
Application number: DE200810061014
Authority: DE
Inventors: Roland Dr. Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Sensitec GmbH
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-06-17

Abstract

Zur Strommessung werden aus spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren Halb- oder Vollbrücken nach dem Wheatstoneschen Prinzip aufgebaut, die über den stromführenden Leiter angeordnet sind. Beim Stand der Technik ist dazu der stromführende Leiter nach dem Prinzip eines U-Turns geführt. Gemäß der Erfindung erfolgt ein Übergang vom U-Turn zu einem S-förmigen Leiter. Dabei sind die Magnetfeldsensoren in der Brücke derart verschaltet, dass von der insgesamt linearen Wheatstoneschen-Brücke mit linearen Einzelelementen die Störfelder kompensiert werden. Insbesondere werden damit die Störfelder nullter und erster Ordnung eliminiert. Bei der zugehörigen Vorrichtung mit einem stromführenden Leiter (1) und einem darauf befindlichen Substrat (10) mit einzelnen spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren (11-14) ist der Leiter (1) S-förmig ausgebildet, wobei die Brückenschaltung auf dem Substrat (16) über der S-förmigen Leiteranordnung (1) derart verschaltet ist, dass sich damit die Störfelder kompensieren.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Unterdrückung von externen Störfeldern in einer Brückenanordnung aus Magnetfeldsensoren zur Verwendung als Stromsensor. Daneben bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
MR-Sensoren, insbesondere GMR-Sensoren, stellen in der Magnetfeld-basierten Positions-, Geschwindigkeits-, Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik eine Alternative zu Hallsensoren dar. Insbesondere besteht in der Praxis ein erheblicher Bedarf für eine hochgenaue galvanisch getrennte Strommessung mit Eliminierung störender Fremdfelder.
Bisher sind für die galvanisch getrennte DC-Strommessung vor allem zwei Grundprinzipien bekannt. Das gebräuchlichste besteht aus einem Flusskonzentrator der den stromdurchflossenen Leiter umgibt und einem Hallsensor der sich in einem Luftspalt des Flusskreises befindet (sog. LEM-Wandler). Das zweite Prinzip besteht aus einem MR-Sensor, der meist als Vollbrücke ausgebildet ist und der das Magnetfeld eines Stromes, der über einen sog. U-Turm fließt, auswertet. Das erste Prinzip erfordert einen sehr großen Materialaufwand für den Flusskreis und ist im „open loop”-Betrieb sehr ungenau. Der „closed loop”-Betrieb ist vor allem bei hohen Strömen > 500 A mit nicht vernachlässigbarer Verlustleistung auf der DC-Seite, d. h. die Signalseite, von bis zu 50 W bei 10 kA Primärstrom verbunden.
Durch einen „open loop”-GMR-Stromsensor kann ein einfacher und planarer Systemaufbau bei geringer Leistungsaufnahme mit guter Genauigkeit und geringer Störempfindlichkeit kombiniert werden.
Die Hauptvorteile im Vergleich zu Hall-Sensoren, liegen im einfacheren Systemaufbau, der höheren Dynamik, dem geringeren Rauschen (Faktor 20 bis 50 beim sog. SNR(Signal to Noise Ratio) und der geringen Empfindlichkeit gegenüber homogenen Fremdfeldern bei geeigneter Brückenanordnung.
Bei MR-basierten Sensoren bieten sich vollintegrierte Lösungen an, da die MR-Elemente als Backendprozess im Rahmen eines CMOS-Prozesses aufgebracht werden können und damit keine zusätzliche Chipfläche beanspruchen. Für viele Anwendungen – vor allem in der Positions-, Drehzahl- und Stromsensorik – werden jeweils vier MR Elemente zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet, um eine genauere, von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern usw. unabhängigere Messung zu erreichen.
Aus der DE 31 02 998 A1 ist eine Anordnung zur Messung einer elektrischen Leistung oder Energie bekannt, bei der an einen Multiplizierer ein zur Messspannung proportionales Signal angelegt ist und dieser einem magnetischen Außenfeld, welches zu dem in einem Messleiter fließenden Messstrom proportional ist, ausgesetzt wird. Das Magnetfeld wird dabei mittels von vier AMR-Sensoren erfasst, wobei eine Mäanderanordnung einer Hilfsstrombahn zur Generierung von Referenz-Magnetfeldern genutzt wird. Eine Strommessung mit Störfeldunterdrückung ist bei dieser Anordnung nicht vorgesehen.
Zur Unterdrückung des Störeinflusses homogener Fremdfelder (Fremdfelder nullter Ordnung) wird beim Stand der Technik eine Gradientenbrücke, d. h. eine Differenzfeldmessung mit zwei Halbbrücken auf einem U-förmigen Primärleiter, die nach dem bekannten Schema der Wheatstone-Brücke verschaltet ist, verwendet.
Für die gleichzeitige Kompensation von Störfeldern nullter und erster Ordnung existierte bisher keine Lösung. Alternativ dazu werden für einige Sensoren magnetisch geschirmte Gehäuse verwendet. Diese führen jedoch zu einer Erhöhung der Kosten und zu Hysterese, da die Schirmungen auch Einfluss auf das Nutzsignal haben.
Ausgehend von letzterem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, Verfahren vorzuschlagen und eine zugehörige Vorrichtung zu schaffen, mit denen alle Störeinflüsse auf Brückenschaltungen minimiert werden können.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung ist im Patentanspruch 5 angegeben. Weiterbildungen des Verfahrens und der zugehörigen Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Mit der Erfindung wird die Unterdrückung von störenden Fremdfeldern bei der Strommessung entscheidend verbessert. Ausgehend vom bekannten U-Turn wird ein S-förmiger Stromleiter verwendet. Dabei werden gewissermaßen zwei U-Turns aneinandergefügt, wobei aber keine Stromrichtungsumkehr erfolgt und eine einzige Brücke mit seinen MR-Elementen auf dem S-förmigen Leiter angeordnet ist.
Vorteilhafterweise werden bei der Erfindung Geometrie des Leiters und geometrische Anordnung der Magnetfeld-Sensoren auf dem Leiter so gewählt, dass bei Stromfluss auf jeden Sensor der gleiche Betrag des Magnetfeldes einwirkt.
Im Gegensatz zur DE 31 02 998 A1 kann bei der Erfindung die Problematik der Fremdfeldunterdrückung für die Strommessung wirksam verbessert werden.
Bei der Erfindung wird zur Unterdrückung des Störeinflusses homogener Fremdfelder eine solche Gradientenbrücke aufgebaut, bei der neben dem Störeinfluss nullter Ordnung durch homogene Fremdfelder auch noch Störeinflusse höherer Ordnung berücksichtigt werden. Der Betrag des magnetischen Feldes eines langen geraden Leiters ist indirekt proportional zum Abstand und besitzt damit selbst auch einen nicht unerheblichen Gradienten und damit eine nicht unerheblichen Störanteil erster Ordnung.
Im Rahmen der Erfindung wird aufgezeigt, dass im allgemeinen Fall für das von der Brücke gemessene Fremdfeld für eine Anordnung mit einem von der Basis a im Abstand R unter dem Winkel a befindlicher Leiter folgende Beziehung gilt:
worauf weiter unten anhand der Figurenbeschreibung noch im Einzelnen eingegangen wird.
Durch die geometrisch gezielte und im Einzelnen aufeinander abgestimmte Anordnung der Einzelelemente einer oder mehrerer Wheatstone'schen Brücken in einer Mehrfach-Differenz/Gradienten-Anordnung, die sich galvanisch getrennt auf einer S-förmigen Leiterstruktur befindet, können neben Störungen nullter Ordnung nunmehr erfindungsgemäß auch Störungen höherer Ordnung beseitigt werden. Auch bei einer solchen Anordnung lässt sich bei Verwendung von GMR/TMR-, d. h. spinvalve-basierten, Sensoren insbesondere eine kostengünstige Konditionierung der Einzelelemente im homogenen Magnetfeld erreichen. Im Vordergrund bei den Ausführungen zu den Ausführungsbeispielen steht eine S-förmige Leiterstruktur und die jeweils zugehörige Sensoranordnung zur Unterdrückung von Störfeldern mit räumlichen Abhängigkeiten/Verläufen nullter Ordnung und erster Ordnung, wobei die MR-Sensoren nach einem besonderen Verschaltungsschema zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind.
Wie bereits erwähnt können nunmehr – im Gegensatz zum Stand der Technik – auch Störfelder erster Ordnung von einer linearen Brücke, d. h. einer Sensorbrücke, die aus näherungsweise linearen Einzelelementen aufgebaut ist, kompensiert werden.
Überraschenderweise wird dies durch den Übergang vom bekannten U-Turn zu einer S-förmigen Leiter- und Sensoranordnung erreicht.
Der Erfindung lag die Erkenntnis zugrunde, dass die Kompensation von äußeren Störfeldern nullter und erster Ordnung bei Verwendung einer S-förmigen Leiter- und Sensoranordnung möglich ist, sofern die Sensoren einer einzigen Brückenanordnung nach einem besonderen Verschaltungsschema zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind. Mit der Erfindung werden also nicht nur Störfelder nullter Ordnung, sondern auch Störfelder erster Ordnung kompensiert.
Insgesamt kann also mit der Erfindung bei gleichbleibendem Realisierungsaufwand eine deutlich geringere Fremdfeldempfindlichkeit erreicht werden.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen.
Es zeigen
1 die geometrischen Definitionen für eine Leiter-/Sensor-Anordnung,
2 eine erste Ausführungsform eines S-förmigen Leiters mit zugehöriger, als Brücke geschaltete Sensoranordnung zur Unterdrückung von Störfeldern mit einem räumlichen Verlauf nullter Ordnung und erster Ordnung,
3 eine zweite Ausführungsform mit einem S-förmigen Leiter und einer zugehörigen Sensoranordnung,
4 eine dritte Ausführungsform eines S-förmigen Leiters und zugehöriger Sensoranordnung,
5 eine graphische Darstellung des Einflusses von Störfeldern mit einem räumlichen Verlauf nullter Ordnung und erster Ordnung,
6 eine weitere alternative Ausführungsformen der Verschaltung von Brückenelementen,
7 eine weitere alternative Ausführungsform der Verschaltung von Brückenelementen mit zwei Halbbrücken,
8 eine graphische Darstellung einer Simulation des Feldverlaufes einer S-förmigen Leiteranordnung, wobei Primärleiter und MR-Sensor-Positionen in Relation zum Feldverlauf gekennzeichnet sind,
9 eine zu 8 entsprechende Darstellung mit zusätzlichen Fremdfeldern und
10 eine Draufsicht auf eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Stromführung.
In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden gruppenweise gemeinsam beschrieben. Bei den gegenständlichen Figuren ergibt sich jeweils eine angepasste Bemaßung von Leiter und Wafer bzw. Chip mit den Sensorelementen, die damit eine flächenoptimierten Ausführung ergibt.
Im Rahmen der Stromsensorik sollen verbesserte Messeinrichtungen geschaffen werden, wobei bekanntermaßen von einem U-förmigen Leiter als Stromleiterschleife mit einer darauf befindlichen Brückenanordnung aus vier einzelnen Magnetfeldsensoren ausgegangen wird. Dabei werden Gradienten- bzw. Differenzfelder gemessen, wobei in der Praxis von Gradeometerbrükken gesprochen wird.
Ziel der aktuellen Entwicklungen bei der Stromsensorik ist die Verbesserung der Störunempfindlichkeit der Gradeometer-Messbrücken durch eine Erweiterung der Kompensationswirkung über homogene Störfelder hinaus bei einfacher Realisierung der Sensorbrücke und der Primärleiterstruktur.
In 1 ist eine prinzipiell zur Abschätzung des Störeinflusses angenommene Leiter-/Sensoranordnung dargestellt.
Daraus lässt sich für das Differenz-Magnetfeld der mit einem Strom I durchflossenen Leiteranordnung Gleichung (1) ableiten:
Im Einzelnen bedeuten dabei:

ΔH:: Differenz-Magnetfeld
I:: Strom
α:: Winkel
R:: Abstand
a:: Basislänge

Homogene Störfelder haben auf das Ausgangssignal einer linearen Brücke in einer Gradeometeranordnung nach dem Stand der Technik keine Auswirkung.
Homogene Störfelder werden im Folgenden als Störfelder mit einem räumlichen Verlauf nullter Ordnung bezeichnet, während Störfelder, deren räumlicher Verlauf lokal durch eine Funktion erster Ordnung, d. h. eine Gerade mit signifikanter Steigung, beschrieben werden kann, als Störfelder erster Ordnung bezeichnet werden. Dies ist in 5 schematisch dargestellt.
Im Gegensatz zu Störfeldern nullter Ordnung haben Störfelder erster Ordnung den gleichen Einfluss auf das Ausgangssignal einer linearen Brücke in Gradeometeranordnung wie das Nutzfeld selbst. Durch den Übergang zu einem S-förmigen Primärleiter 1 und einer Brücke gemäß 2 bzw. 3 kann der Einfluss von Störfeldern erster Ordnung auf das Ausgangssignal einer linearen Brücke weitestgehend auf Null reduziert werden. Restfehler höherer Ordnung liegen im Prozentbereich und können vernachlässigt werden.
Entscheidend für den Einfluss eines Störfeldes auf die Ausgangspannung der Brücke ist in erster Näherung der räumliche Verlauf der Komponente parallel oder antiparallel der empfindlichen Achse der Brückenelemente 11 bis 14. Dies entspricht einer parallelen oder antiparallelen Ausrichtung zur Referenzrichtung. Darüber hinaus entscheidet die räumliche Anordnung der Sensoren und deren elektrische Verschaltung darüber, welche Feldanteile sich kompensieren und welche zum Ausgangssignal beitragen.
Durch geschickte Verschaltung der Sensorelemente bei der S-förmigen Leiter- und Sensoranordnung kann eine einheitliche Referenzrichtung der einzelnen Brückenelemente ermöglicht werden. Dies wiederum lässt eine kostengünstige Konditionierung der Sensorelemente (sog. „Pinning” von Referenzschicht und „Freelayer”) im homogenen Magnetfeld zu.
Vor allem zur Messung hoher Ströme, d. h. Ströme > 150 A bietet sich wegen der mit den hohen Strömen verbundenen großen Leiterquerschnitte eine Aufteilung der GMR-Elemente auf zwei Halbbrücken, die auf zwei räumlich getreten Substraten realisiert sind, an. Die dafür notwendigen Abstände zwischen den Halbbrücken würden ansonsten ein so großes Einzelsubstrat/Träger erfordern, dass die Realisierung nicht mehr wirtschaftlich möglich wäre.
In den 2 bis 4, 6, 7 und 10 kennzeichnet das Bezugszeichen 1 jeweils einen Stromleiter, der flächenhaft ausgebildet ist und im Einzelnen in unterschiedlicher Formation einen S-förmigen Leiter realisiert. Der S-förmige Leiter 1 besteht jeweils aus einem Eingangsschenkel 2 mit Breite b₁, einem Mittenbereich 3 mit Breite b₂ und einem Ausgangsschenkel 4 mit Breite b₃. Geometrische Form und insbesondere Breite c der Lücke zwischen den Schenkeln 2, 4 und dem Mittenbereich 3 des Stromleiters 1 können bei den einzelnen Beispielen unterschiedlich ausgebildet sein. Es sind – sofern sinnvoll – jeweils eine einzige Symmetrielinie SL oder aber eine Hauptsymmetrielinie SL_H sowie zwei Nebensymmetrielinien SL₁ und SL₂ eingetragen. Auf dem Leiter 1 befindet sich jeweils ein Substrat, das als Träger entweder für diskrete oder in tegrierte Magnetfeldsensoren ausgebildet sein kann. Allgemein wird von einem Wafer gesprochen.
Auf einem Wafer 10 über dem stromförmigen Leiter 1 der oben angegebenen Figuren ist jeweils eine aus einzelnen MR-Sensorelementen 11 bis 14 aufgebaute Wheatstone'sche Brückenschaltung 10, die als Vollbrücke oder zwei Halbbrücken ausgebildet sind, angeordnet. Die MR-Sensorelemente 11 bis 14 sind insbesondere so verschaltet, dass die mittleren MR-Sensorelemente 12, 13 in paralleler Anordnung auf dem mittleren Leiterbereich 3 zu liegen kommen. Die Abgriffe für die Basisspannung UB kann vorteilhafterweise gemäß 2 und 3 in der Leiterlücke positioniert sein. Die Abgriffe können gemäß 4 aber auch auf dem mittleren Bereich 3, der in diesem Fall entsprechend breit ausgebildet ist, angeordnet werden. Dabei sind jeweils zwei Brückenelemente symmetrisch zum Mittenbereich orientiert.
In den einzelnen Figuren ist die Stromflussrichtung im S-förmigen Leiter jeweils durch einen offenen Pfeil gekennzeichnet. Der Störstrom I_ST ist speziell in 3 als offener Pfeil in der Gegenrichtung dargestellt, wobei in 2 und 3 in den Lücken des S-förmigen Leiters 1 Magnetfeldlinien in unterschiedlichen Richtungen zur Papierebene angedeutet sind.
Während bei den 2 und 3 die Leiter mit den einzelnen Schenkeln 2, 4 und dem Mittenbereich 3 jeweils die gleiche Breite b₁, b₂ und b₃ haben, ist in der 4 der mittlere Leiterbereich 3 breiter ausgebildet im Vergleich zu den Schenkeln 2, 4 der Eingangs- und Ausgangsleiter.
Für die beschriebenen Anordnungen werden solche MR-Sensorelemente verwendet, die spinvalve-basiert sind und jeweils aus einem Schichtaufbau mit einer Reihe von einzelnen Schichten bestehen. Dazu wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen, beispielsweise auf die deutsche Patentanmeldung AZ 10 2008 030 332.1 , in der unter anderem die Struktur von basierten Magnetfeldsensoren und damit aufgebaute GMR-/TMR-Brücken beschrieben werden.
Solche spinvalve-basierten Magnetfeldsensoren bestehen aus einem Schichtaufbau, wie er beispielsweise in der 1 und 2 der vorstehend zitierten deutschen Patentanmeldung dargestellt ist. Auf die diesbezügliche Offenbarung wird ausdrücklich Bezug genommen.
Speziell in 6 ist eine derartige Verschaltung der Brückenelemente 11 bis 14 gewählt, so dass auch bei einem S-förmigen Primärleiter eine einheitliche Ausrichtung der Referenzschichten der Einzelelemente erreicht ist, was durch die Pfeile MR verdeutlicht wird. Damit ist zur halbleiterbasierten Herstellung der Brückenanordnung nur ein einziger Verfahrensschritt erforderlich.
7 zeigt eine solche Anordnung aus S-förmigem Leiter und zugehörige Sensoranordnung, bei der ebenfalls entsprechend 6 unterschiedlich breite Leiter verwendet werden, wobei aber in diesem Fall die Brücke auf zwei Halbbrücken auf separaten Wafern 10', 10'' aufgeteilt ist.
In der graphischen Darstellung gemäß 5 ist grobschematisch ein äußeres Störfeld H_x in Abhängigkeit von der Entfernung dargestellt. Graph 51 bedeutet ein Störfeld nullter Ordnung und Graph 52 ein Störfeld erster Ordnung. Man erkennt, dass das Störfeld nullter Ordnung konstant ist, d. h. sich mit der Entfernung x nicht ändert, während das Störfeld erster Ordnung gemäß dem Graphen 52 in Abhängigkeit von der Entfernung abnimmt. Störfelder höherer Ordnung verlaufen entsprechend parabel- oder hyperbelförmig. Allgemein lassen sich solche Störfelder durch Reihenentwicklungen annähern, wobei im vorliegenden Zusammenhang nur der erste und zweite Term beachtet werden. Damit lassen sich ca. 99 der externen Störungen abdecken.
In der graphischen Darstellung gemäß 8 und 9 ist beispielhaft die Simulation des Feldverlaufes der S-förmigen Anordnung gemäß einer FEM(„Finite Elemente Methode”)-Berechnung wiedergegeben. Im Bereich unterhalb der Abszisse als laterale Ausdehnung der Stromleiter-/Sensor-Anordnung in mm sind die Primärleiterabschnitte 2, 3, 4 des stromdurchflossenen Leiters 1 in vorgegebener Positionierung eingezeichnet. Darüber sind die Positionen der bezüglich ihrer Lage veränderbaren Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 dargestellt. Es wird somit ein örtlicher Bezug definiert. Auf der Ordinate ist das Feld H_x in A/m aufgetragen.
Die lateralen Positionen der Magnetfeldsensoren 11, 12, 13, 14 können so vorgegeben werden, dass bei Stromfluss jeder Sensor 11, 12, 13, 14 den gleichen Betrag des Feldes sieht.
In den Darstellungen gemäß 8 und 9 ergeben sich glockenkurven-förmige Verläufe der Magnetfelder H_x entsprechend den Graphen 81 und 82. Die Graphen 81 und 82 unterscheiden sich durch unterschiedliche Parameter, insbesondere bezüglich des Wertes ΔH_i. Weiterhin ist in den 8 und 9 die Position der GMR-Magnetfeldsensoren dargestellt, wobei die Positionierungen im Wesentlichen der Draufsicht entsprechend den vorher beschriebenen 2 bis 4, 6, 7 entnommen wurde.
Es sind die Beträge der Magnetfelder ΔH₁ und ΔH₂ eingezeichnet. Diese bewirken keine Änderungen im Verlauf der Graphen 81 und 82 in 8. In 9 sind dagegen zusätzliche Störfelder ΔH_S1 und ΔH_S2 eingezeichnet. Durch diese beiden überlagerten Differenzfelder ergibt sich ein Verlauf des Störfeldes entsprechend der Geraden 85. Diese Verläufe können rechnerisch erfasst werden:
Anhand der vorangehenden Figuren wurden der Feldverlauf einer S-förmigen Leiteranordnung und die von den einzelnen Halbbrücken gemessenen Feldstärkedifferenzen verdeutlicht. Für das Brückenausgangssignal der Vollbrücke gilt näherungsweise: UB = UH1(ΔH1) – UH2(ΔH2) (2)
Da die Ausgangsspannungen der Halbbrücken U_H1/2 bei „linearen” Sensoren, z. B. bei AMR-Sensoren mit geeigneten sog. „Barberpohl”-Strukturen, oder bei GMR/TMR-„Spinvalve”-Sensoren mit gekreuzter Anisotropie, jeweils eine ungerade Funktion darstellen, folgt bei gleicher Dimensionierung der Halbbrücken mit ΔH₁ ≈ –AH₂ ≈ AH UB ≈ 2·UH(ΔH) (3)
Insbesondere bei Überlagerung mit einem Störfeld nullter und erster Ordnung ist aber ΔH₁ ≈ ΔH₂, so dass diese Art der Fremdfelder vorteilhafterweise durch die S-förmige Leiter-/Brückenausbildung kompensiert wird.
Insgesamt ergibt sich aus den Simulationsergebnissen eine – im Vergleich zum vom Stand der Technik mit vorbekannten U-Turn – etwa um den Faktor 4 verbesserte Unterdrückung des statischen Störfeldeinflusses von benachbarten Fremdleitern mit einem Abstand von beispielsweise ca. 30 mm. Da allerdings die räumliche Abhängigkeit das Störfeld des benachbarten Leiters nicht nur über Anteile nullter und erster Ordnung verfügt, kann tatsächlich immer nur eine unvollständige Kompensation des Störeinflusses erreicht werden.
Für eine praxisgerechte Messvorrichtung sind die Sensoranordnung und die Geometrie des Primärleiters so zu wählen, dass am Ort der einzelnen GMR-Elemente bei Primärstromfluss ein magnetisches Feld mit Orientierung senkrecht zur Streifenrichtung der Elemente und dem Betrag nach etwa von gleicher Größe herrscht. Prinzipiell können dazu die äußeren Sensorelemente näher am Spalt des S-Turns angeordnet werden oder es können die beiden äußeren Schenkel etwas breiter dimensioniert werden. Eine Kombination beider Maßnahmen ist in den 2, 3, 4, 6 bzw. 7 dargestellt.
Die in 2 beispielhaft dargestellte Brückenverschaltung hat im Vergleich zu z. B. der Verschaltung von 3 den Vorteil der besseren Kompensation von induktiven Einkopplungen durch den Primärleiter, da sich die Induktiven Wirkungen des linken und rechten Gradientenfeldes auf die durch die Brückenschaltung aufgespannte Fläche prinzipiell entgegen wirken. Umgekehrt hat die in 3 dargestellte Verschaltung den Vorteil der besserten Kompensation von induktiven Einkopplungen durch eine weit entfernte Störquelle, da sich die induktive Wirkung des Störfeldes tendenziell nur in einem Gleichtaktsignal beider Brückenzweige äußert. Durch die Differenzbildung der Brückenauswertung bleibt das Gleichtaktsignal idealerweise ohne Wirkung.
Eine aus Sicht der Stromführung vorteilhafte Ausführung ist in 10 dargestellt. Die Leiterschleife 1 ist hier so ausgebildet, dass der Eingangsschenkel 2 und der Ausgangsschenkel 4 der S-förmigen Stromleiterschleife 1 die gleiche Orientierung haben. Dies hat für die Praxis den Vorteil eines einfacheren Aufbaus der Messeinrichtung bei Integration in einen vorhandenen Schichtaufbau.
In den 2 bis 4 sowie 6 und 7 wurden die Brückenschaltungen aus diskreten Elementen dargestellt. Sie können auch im Rahmen des eingangs erwähnten CMOS-Fertigungsprozesses in das Substrat integriert sein, der damit einen fertigen Chip bildet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 3102998 A1 [0007, 0014]
- DE 102008030332 [0050]

Claims

Verfahren zur Unterdrückung von externen Störfeldern in einer Brückenanordnung aus spinvalve-basierten Magnetfeld(MR)-Sensoren zur Verwendung als Stromsensor in einem stromführenden Leiter, wobei der stromführenden Leiter als Schleife ausgebildet ist und die MR-Sensoren auf der stromführenden Stromleiter-Schleife angeordnet sind, mit folgenden Maßnahmen: – als Stromleiter-Schleife wird ein S-förmiger Leiter gewählt, – die Magnetfeldsensoren sind auf der Stromleiter-Schleife derart zur Brücke verschaltet, dass insgesamt eine lineare Brücke aus linearen Einzelelementen gebildet wird, wodurch – die Störfelder kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Geometrie des Leiters und geometrische Anordnung der Magnetfeld-Sensoren auf dem Leiter so gewählt werden, dass bei Stromfluss auf jeden einzelnen Sensor der gleiche Betrag des Magnetfeldes einwirkt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch den Übergang von einem U-förmigen Leiter (U-Turn) zum S-förmigen Leiter eine Eliminierung von Störfeldern nullter und erster Ordnung bewirkt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Kompensation der magnetischen Störfelder nullter und erster Ordnung die Empfindlichkeit der Brücke gegen Fremdfelder minimiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Positionierung spinvalve-basierten Magnetfeld(MR-)Sensoren die Orientierung der Referenzrichtung der einzelnen MR-Sensoren in gleiche Richtung vorgewählt wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, mit einem als Stromleiter-Schleife ausgebildeten stromführenden Leiter und einer Wheatstone'schen Brückenschaltung aus einzelnen spinvalvebasierten Magnetfeld(MR)-Sensoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromleiterschleife (1) S-förmig ausgebildet ist, wobei die Brückenschaltung (10) derart auf der Stromleiterschleife (1) angeordnet ist, dass zumindest zwei Elemente (12, 13) parallel angeordnet sind und äußere Störfelder kompensieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Brückenschaltung (10) nicht nur Störfelder nullter Ordnung, sondern auch Störfelder erster Ordnung kompensierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Geometrie des Leiters (1) und geometrische Anordnung der Magnetfeld-Sensoren (11–14) so abgestimmt sind, dass bei Stromfluss jeder Sensor (11, 12, 13, 14) den gleichen Betrag des Feldes sieht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (2, 4) und der Mittenbereich (3) der Stromleiterschleife (1) die gleiche Breite (bi) haben.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkel (2, 4) der Stromleiterschleife (1) verschiedene Breiten (bi) haben.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (11–14) symmetrisch zur Lücke in der Stromleiterschleife (1) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingangsschenkel (2) und der Ausgangsschenkel (4) der S-förmigen Stromleiterschleife (3) die gleiche Orientierung bzw. Richtung haben.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verschaltung der Brückenelemente (10) eine einheitliche Ausrichtung der Referenzschichten (2) der spinvalve-basierten Magnetfeld(MR)-Sensoren (11 bis 14) vorliegt.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der S-förmige Leiter (1) bereichsweise unterschiedlich breit ausgebildet sind, wobei zwischen den parallelen Magnetfeldsensoren (11–14) ein einstellbarer Abstand besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Halbbrücken (10', 10'') gebildet sind. (7)
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vollbrücke (10) gebildet ist. (2–4, 6)
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetfeldsensoren (11–14) XMR-Elemente, insbesondere spinvalve-basierte GMR- oder TMR-Elemente, sind.