DE102015105902A1

DE102015105902A1 - Magnetfeldstromsensoren, Sensorsysteme und Verfahren

Info

Publication number: DE102015105902A1
Application number: DE102015105902.9A
Authority: DE
Inventors: Udo Ausserlechner
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2014-04-25
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2035-04-18
Also published as: US9759749B2; CN105021864A; US20150309127A1; DE102015105902B4; US20170089956A1; US9618588B2; CN105021864B

Abstract

Ausführungsbeispiele beziehen sich auf kernlose Magnetfeldstromsensoren, Systeme und Verfahren, wie z. B. magnetoresistive Sensoren, Systeme und Verfahren, um einen Stromfluss in einem Leiter über ein zugehöriges Magnetfeld zu erfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Stromsensorsystem zum Erfassen eines Stroms in einem Leiter aus einem Magnetfeld, das dadurch induziert wird, eine Mehrzahl N von magnetoresistiven (MR) Sensoren, die auf einem Kreis angeordnet sind, der konzentrisch zu einer Mitte des Leiters ist, und die voneinander um 360°/N beabstandet sind, wobei jeder MR-Sensor eine Empfindlichkeitsebene aufweist und ansprechend auf eine Projektion des Magnetfeldes in die Empfindlichkeitsebene ist, wobei die Empfindlichkeitsebenen der Mehrzahl von MR-Sensoren parallel sind, und wobei die Mehrzahl von MR-Sensoren relativ zu dem Leiter derart angeordnet sind, dass das Magnetfeld eine nicht schwindende Komponente parallel zu der Empfindlichkeitsebene aufweist; zumindest ein Magnetelement, das angeordnet ist, um ein Vorspannungsmagnetfeld an der Mehrzahl von MR-Sensoren bereitzustellen; und eine Schaltungsanordnung, die mit der Mehrzahl von MR-Sensoren gekoppelt ist, um den Strom in dem Leiter zu bestimmen durch Kombinieren von Signalen aus jedem der Mehrzahl von MR-Sensoren.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsbeispiele beziehen sich im Allgemeinen auf Stromsensoren und insbesondere auf kernlose Magnetfeldsensoren, Systeme und Verfahren zum Erfassen eines Stromflusses in einem Leiter über ein verwandtes Magnetfeld.
HINTERGRUND
Stromsensoren werden bei einer großen Vielzahl von Anwendungen und Gebieten der Industrie verwendet. Die Sensoren können Magnetfeldsensoren umfassen, um ein Magnetfeld zu detektieren, das sich auf einen Strom bezieht, der in einem Leiter fließt, und um den Strom basierend auf der Feldmessung zu erschließen. Magnetfeldsensoren können Hall-Effekt-Sensoren umfassen, die übliche Hall-Platten oder vertikale Hall-Effekt-Sensoren umfassen, oder magnetoresistive Sensoren (MR-Sensoren), wie z. B. unter anderem Riesen-Magneto-Widerstände (GMRs; Giant Magnetoresistors), Tunnel-Magneto-Widerstände (TMRs; Tunneling-Magnetoresistors), anisotrope Magneto-Widerstände (AMRs; Anisotropic Magnetoresistors) und kolossale Magneto-Widerstände (CMRs; Colossal Magnetresistors). Allgemein ausgedrückt sind MRs Bauelemente, bei denen sich ein elektrischer Widerstandswert ansprechend auf ein angelegtes Magnetfeld ändert. Bei einigen MRs (z. B. GMRs, TMRs, CMRs), ist eine Referenzrichtung in dem Sensor durch eine festgelegte Schicht definiert, wohingegen bei anderen MRs (z. B. AMRs) diese durch die Richtung des Stromflusses definiert ist, unabhängig von der Polarität.
Viele herkömmliche Magnetfeldstromsensoren umfassen einen Magnetkern, bei dem der Strom durch permeable magnetische Teile geführt wird. Magnetfeldsensorelemente, die in der Nähe des Kerns angeordnet sind, können den Strom durch Erfassen des dadurch induzierten Magnetfeldes detektieren. Nachteile dieser Sensoren umfassen Wärmeerzeugung aufgrund von magnetischen Verlusten in dem Kern, erhöhte Herstellungskosten, große Größen, gesteigerte Gewichte und schlechtes Verhalten. Zusätzlich dazu ist der Leiter bei herkömmlichen Stromsensoren üblicherweise durch eine nicht leitende Beschichtung plus Kabelsatz abgedeckt, die als Masseabschirmung dienen können. Diese Beschichtungen (z. B. Weichelastomere) weisen schlecht definierte Geometrien auf, die zu Fehlern bei Strommessungen führen könnten. Andere Nachteile dieser Sensoren umfassen die beschränkte Unterdrückung von Hintergrundstörungen, was auch zu einer Reduzierung bei der Genauigkeit des gemessenen Stroms führen könnte.
ZUSAMMENFASSUNG
Es besteht ein Bedarf zum Bereitstellen eines verbesserten Konzepts für ein Stromsensorsystem und ein Verfahren.
Ein solcher Bedarf kann durch den Gegenstand von einem oder mehreren beliebigen der Ansprüche erfüllt werden.
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf kernlose Magnetfeldstromsensoren, Systeme und Verfahren, wie z. B. magnetoresistive Sensoren, Systeme und Verfahren, um einen Stromfluss in einem Leiter über ein verwandtes Magnetfeld zu erfassen. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Stromsensorsystem zum Erfassen eines Stroms in einem Leiter aus einem Magnetfeld, das dadurch induziert wird, eine Mehrzahl von N magnetoresistiven (MR) Sensoren, die auf einem Kreis angeordnet sind, der konzentrisch zu einer Mitte des Leiters ist, wobei diese voneinander um 360°/N beabstandet sind, wobei jeder MR-Sensor eine Empfindlichkeitsebene aufweist und ansprechend auf eine Projektion des Magnetfeldes in die Empfindlichkeitsebene ist, wobei die Empfindlichkeitsebenen der Mehrzahl von MR-Sensoren parallel sind, und wobei die Mehrzahl der MR-Sensoren relativ zu dem Leiter derart angeordnet sind, dass das Magnetfeld eine nicht schwindende Komponente parallel zu der Empfindlichkeitsebene; zumindest ein Magnetelement, das angeordnet ist, um ein Bias-Magnetfeld (Vorspannungsmagnetfeld) an der Mehrzahl von MR-Sensoren bereitzustellen; und eine Schaltungsanordnung, die mit der Mehrzahl von MR-Sensoren gekoppelt ist, um zumindest einen Parameter des Stroms in dem Leiter durch Kombinieren von Signalen von jedem der Mehrzahl von MR-Sensoren zu bestimmen.
Optional ist N größer oder gleich 2.
Wiederum optional umfasst jeder MR-Sensor eine Halbbrückenschaltung aus Magneto-Widerständen.
Optional umfasst jeder MR-Sensor einen Sensorchip und die Halbbrückenschaltung ist auf dem Sensorchip angeordnet.
Wiederum optional umfasst die Mehrzahl von MR-Sensoren Schwachfeld- oder Starkfeld-MR-Sensoren.
Optional umfasst der Stromsensor ferner eine Stützstruktur, wobei die Mehrzahl der MR-Sensoren auf der Stützstruktur angeordnet ist.
Wiederum optional umfasst die Stützstruktur eine Apertur und der Leiter ist in der Apertur angeordnet.
Optional ist eine Mitte der Apertur mit der Mitte des Leiters ausgerichtet.
Wiederum optional erstreckt sich die Apertur einwärts von einer Seite der Stützstruktur.
Optional umfasst das zumindest eine Magnetelement einen einzelnen Permanentmagneten mit einer Apertur, und der Leiter ist in der Apertur der Stützstruktur und in der Apertur des einzelnen Permanentmagneten angeordnet.
Wiederum optional ist die Schaltungsanordnung auf der Stützstruktur angeordnet.
Optional ist die Mehrzahl der MR-Sensoren zwischen der Stützstruktur und dem zumindest einen Magnetelement angeordnet ist.
Wiederum optional umfasst das zumindest eine Magnetelement N Magnetelemente, und jeder der N MR-Sensoren umfasst ein zugeordnetes eines der N Magnetelemente.
Optional ist die Mehrzahl von MR-Sensoren aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus: Tunnel-MRs (TMRs); Riesen-MRs (GMRs); anisotropen MRs (AMRs) und kolossalen MRs (CMRs).
Wiederum optional unterscheiden sich Richtungen der Vorspannungsmagnetfelder auf benachbarten der Mehrzahl von MR-Sensoren um einen Winkel von 360°/N.
Optional ist ein Verhältnis eines Magnetfeldes, das sich auf den Strom in dem Leiter bezieht, der durch einen der Mehrzahl von MR-Sensoren erfasst wird, zu dem Vorspannungsmagnetfeld an einem der Mehrzahl von MR-Sensoren dasselbe für jeden der Mehrzahl von MR-Sensoren.
Wiederum optional umfasst der Stromsensor ferner zumindest einen Magnetfeldsensor, der ausgebildet ist, um eine Stärke des Vorspannungsmagnetfeldes zu detektieren.
Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst ein Verfahren das Anordnen eines Sensorsystems in der Nähe eines Leiters, wobei das Sensorsystem eine Mehrzahl N von magnetoresistiven (MR) Sensoren aufweist, die auf einem Kreis angeordnet sind, der konzentrisch zu einer Mitte des Leiters ist, und die voneinander um 360°/N beabstandet sind; das Bereitstellen eines Vorspannungsmagnetfeldes an der Mehrzahl von MR-Sensoren; das Verursachen eines Stromflusses in dem Leiter; und das Erfassen eines Magnetfeldes, das durch den Strom induziert wird auf jeden der Mehrzahl von MR-Sensoren wirkt; und das Schätzen von zumindest einem Parameter des Stroms in dem Leiter durch Kombinieren von Signalen, die sich auf das Magnetfeld beziehen, von jedem der Mehrzahl von MR-Sensoren.
Optional umfasst das Schätzen ferner das Verwenden einer erfassten Charakteristik, die sich auf das Vorspannungsmagnetfeld bezieht, um den Strom in dem Leiter zu schätzen.
Wiederum optional umfasst das Anordnen ferner das Anordnen von zumindest einem Magnetelement des Sensorsystems in der Nähe der Mehrzahl von MR-Sensoren, und das Bereitstellen umfasst ferner das Bereitstellen eines Bias-Magnetfeldes (Vorspannungsmagnetfeldes) an der Mehrzahl von MR-Sensoren durch das zumindest eine Magnetelement.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Nachfolgend wird die Erfindung besser verständlich, unter Betrachtung der detaillierten Beschreibung von verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
2 eine Draufsicht des Sensorsystems und Leiters aus 1 ist;
3 eine Seitenansicht des Sensorsystems und Leiters aus 1 ist;
4 eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
5 eine Seitenansicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
6 eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
7 eine perspektivische Ansicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
8 ein Diagramm einer Halbbrückenschaltung von Magneto-Widerständen gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
9 eine Draufsicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
10A eine Draufsicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
10B eine Draufsicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
11A eine Draufsicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
11B eine Draufsicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
12A eine Seitenansicht einer Sensor- und Leiter-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
12B eine Draufsicht der Anordnung aus 12A ist;
12C eine transparente Draufsicht eines Teils der Anordnung aus 12A ist;
13 eine Draufsicht eines Sensorsystems und eines Leiters gemäß einem Ausführungsbeispiel ist;
14 eine Draufsicht eines Sensorsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel ist; und
15 ein Flussdiagramm gemäß einem Ausführungsbeispiel ist.
Während die Erfindung verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen unterzogen werden kann, wurden Details derselben ausschließlich beispielhaft in den Zeichnungen gezeigt und werden detailliert erklärt. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, dass es nicht die Absicht ist, die Erfindung auf die bestimmten, beschriebenen Ausführungsbeispiele einzuschränken. Im Gegenteil, die Erfindung soll alle Modifikationen, Entsprechungen und Alternativen abdecken, die in das Wesen und den Schutzbereich der Erfindung fallen, wie sie durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführungsbeispiele beziehen sich auf kernlose Magnetfeldstromsensoren, Sensorsysteme und Verfahren, die in der Nähe eines Leiters angeordnet sein können, um einen Parameter eines Stromflusses in dem Leiter über ein Magnetfeld zu bestimmen, das durch den Stromfluss induziert wird. Bei einigen Ausführungsbeispielen können die Sensoren Hochstromsensoren sein, die in der Lage sind, Ströme in einem Bereich von ungefähr 1 Amp (A) bis ungefähr 100 kA oder mehr zu erfassen. Ausführungsbeispiele können Magneto-Widerstände und magnetoresistive Sensoren aufweisen.
Bei Ausführungsbeispielen weist ein Sensorsystem eine Stützstruktur auf, die zumindest eine Apertur aufweist, durch die ein Leiter angeordnet sein kann, und zumindest zwei Sensoren und ein Magnetelement, die auf der Stützstruktur relativ zu einer Positionsachse des Leiters angeordnet sind. Bei Ausführungsbeispielen ist das Magnetelement, das verwendet werden kann, um homogene Störfelder auszulöschen, ausgebildet, um ein Vorspannungsmagnetfeld an die zumindest zwei Sensoren anzulegen. Bei Ausführungsbeispielen kann das Sensorsystem ferner zumindest einen Felddetektionssensor aufweisen, der ausgebildet ist, um eine Stärke des Vorspannungsmagnetfeldes zu detektieren. Bei Ausführungsbeispielen kann das Sensorsystem ferner zumindest einen Temperatursensor aufweisen, der ausgebildet ist, um die Temperatur des Magnetelements zu messen. Z. B. kann bei einem Ausführungsbeispiel ein Ausgangssignal, das sich auf jeden der zumindest zwei Sensoren bezieht, die darstellend für den Magnetfeldwinkel sind, verwendet werden, um den Strom in dem Leiter durch Berechnen eines Mittelwerts der gemessenen Winkelabweichung aus den Vorspannungsfeldern abzuleiten.
Bei Ausführungsbeispielen können die Sensoren Hall-Effekt-Sensoren (z. B. gewöhnliche Hall-Platten oder vertikale Hall-Effekt-Sensoren) oder magnetoresistive (MR) Sensoren oder Sensorelemente umfassen, wie z. B. magnetoresistive (MR) Sensoren, wie z. B. Riesen-Magneto-Widerstände (GMR; Giant Magnetoresistors), Tunnel-Magneto-Widerstände (TMR; Tunneling-Magnetoresistors), kolossale Magneto-Widerstände (CMR; Colossal Magnetoresistors) und anisotrope Magneto-Widerstände (AMR; Anisotropic Magnetoresistors) etc. MR-Sensoren können entweder Schwachfeld-MRs oder Starkfeld-MRs sein. Im Allgemeinen antworten alle Typen von MRs auf die Projektion von Magnetfeldern in eine Empfindlichkeitsebene, die parallel zu der flachen Form der MRs ist. Die MR-Dicke ist viel kleiner als die lateralen Abmessungen, und so definieren die lateralen Abmessungen die Empfindlichkeitsebene, die im Allgemeinen dasselbe ist wie die Hauptoberfläche eines Substrats, auf das die MRs gesputtert oder anderweitig angeordnet sind und die hierin als die x-, y-Ebene bezeichnet wird.
MRs mit festgelegten Schichten (Pinned Layers) (z. B. GMRs, TMRs, CMRs) haben ein Neben-Schleifen-Verhalten (Minor Loop Behavior) und ein Haupt-Schleifen-Verhalten (Major Loop Behavior). Die Nebenschleife ist für kleinere angelegte Magnetfelder (d. h. wo die Vorrichtung wie üblich betrieben wird), wohingegen die Hauptschleife für stärkere Felder ist, die eine übermäßige Belastung für die MRs darstellen können. In der Nebenschleife bleibt das Referenzmagnetsystem der MRs (d. h. die festgelegte Schicht (Schichten)) überwiegend konstant, wohingegen in der Hauptschleife die Magnetisierung wesentlich verändert werden kann (d. h. aus der vorgesehenen Referenzrichtung gedreht oder sogar entmagnetisiert werden kann).
In der Nebenschleife antworten Schwachfeld-MRs hauptsächlich auf die Magnetfeldkomponente in einer Empfindlichkeitsrichtung (z. B. Bx oder die x-Richtungskomponente eines Magnetfeldes B), aber dieses Verhalten kann auch durch die Größe der Magnetfeldkomponente orthogonal zu der Empfindlichkeitsrichtung (|By|) moduliert werden. Eine typische Abhängigkeit des Widerstandswerts ist gegeben durch:
oder allgemeiner:
wobei f(x) eine ungerade Funktion von x ist (was f(x) = –f(–x) bedeutet) und die reellen Zahlen a und b größer als 0 sind.
Anders ausgedrückt:

i. Der Widerstandswert bei einem Nullmagnetfeld in der Empfindlichkeitsrichtung B_x = 0 ist (R_max + R_min, unabhängig von B_y.
ii. Ein Magnetfeld in der y-Richtung, von beliebiger Polarität, hat dieselbe Wirkung wie eine Reduktion der Größe von B_x.
iii. Wenn B_x sehr große positive Werte annimmt, neigt der Widerstandswert dazu, hin zu R_max zu gehen. In der Praxis jedoch ist das Feld schließlich so groß, dass die Nebenschleife nicht mehr anliegt und der Sensor in die Hauptschleife eintritt, wobei der MR-Effekt mehr oder weniger plötzlich zusammenbricht.
iv. Wenn B_x sehr große negative Werte annimmt, neigt der Widerstandswert dazu, hin zu R_min zu gehen. Hier tritt der Sensor schließlich aus der Nebenschleife aus und tritt in die Hauptschleifenregion ein.
v. Die Zahl a beschreibt die Tendenz der freien Schicht des MR-Sensors, sich entlang der y-Richtung auszurichten, aufgrund von Effekten wie z. B. Formanisotropie. Der Ausdruck b|B_y| bezeichnet, dass jegliches Feld in der y-Richtung diese Tendenz verstärkt.

In der Nebenschleifenregion sprechen Starkfeld-MRs auf den Winkel φ zwischen dem angelegten Magnetfeld in der Ebene und einer Referenzrichtung an, die auch parallel zu der Empfindlichkeitsebene ist; sie sprechen jedoch nicht auf eine Änderung bei der Größe des Feldes an. Eine typische Abhängigkeit des Widerstandswerts ist gegeben durch:
Diese Formel ist gültig in großen Bereichen von Feldgrößen in der Ebene (z. B. zwischen ungefähr 10 milli-Teslas, mT, und 200 mT).

i. Für stärkere Felder tritt der Sensor aus dessen Nebenschleife aus und tritt in die Hauptschleifenregion ein.
ii. Starkfeld-MRs haben üblicherweise nur eine vernachlässigbare oder schwindende Formanisotropie, was bedeutet, dass die Magnetisierung der freien Schicht keine Tendenz aufweist, sich mit jeglicher Richtung auszurichten. Daher wird sie in die Richtung des angelegten Feldes gezogen.
iii. Für sehr kleine angelegte Felder ist die Stärke des angelegten Feldes zu schwach, um die Magnetisierung in die Richtung des Feldes zu ziehen. Ein Grund dafür können Unreinheitszentren sein, die die Magnetisierung einfangen. Somit bleibt die Magnetisierung schließlich hinter der angelegten Feldrichtung zurück, wenn sich das angelegte Feld dreht. Dann ist die obige Gleichung ungenau oder versagt komplett.

Bei Ausführungsbeispielen, die MRs aufweisen, können die MRs Starkfeld-MRs oder Schwachfeld-MRs sein. Bezugnehmend auf 1–3 ist ein Sensorsystem 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Das Sensorsystem 100 umfasst eine Stützstruktur 110, zumindest zwei Sensoren 120, die auf einer Oberfläche der Stützstruktur 110 angeordnet sind, und ein magnetisches Magnetelement 130, das mit den Sensoren 120 gekoppelt ist oder in der Nähe derselben angeordnet ist. Das Sensorsystem 100 kann in der Nähe eines Leiters 140 angeordnet sein, der ausgebildet ist, um Strom zu tragen, der durch Erfassen eines dadurch induzierten Magnetfeldes erfasst werden soll. Bei Ausführungsbeispielen wird das Sensorsystem 100 in Verbindung mit dem Leiter 140 verwendet oder betrieben, aber der Leiter 140 selbst weist keinen Teil des Systems 100 auf, außer dies ist anderweitig angegeben oder im Hinblick auf bestimmte Ausführungsbeispiele beschrieben.
Die Stützstruktur 110 kann eine gedruckte Schaltungsplatine (PCB; Printed Circuit Board), eine Komponentenplatine, ein Substrat, einen Leiterrahmen, einen Chip (wie z. B. in dem Beispiel von 1 dargestellt ist) oder eine andere geeignete Struktur oder ein Bauelement umfassen. Z. B. kann die bestimmte Zusammensetzung und Anordnung der Stützstruktur 110 spezifisch ausgearbeitet oder für eine bestimmte Anwendungsanforderung entworfen sein. Bei Ausführungsbeispielen kann die Stützstruktur 110 zumindest eine Apertur 150 umfassen, in der oder durch die der Leiter 140 angeordnet ist. Die Apertur 150 kann mittig in der Stützstruktur 110 angeordnet sein, so wie die im Allgemeinen kreisförmige Apertur 150 aus 1–3, oder die Apertur 150 kann außermittig angeordnet sein oder sich einwärts von einem Rand der Stützstruktur 110 erstrecken (siehe z. B. 4) oder kann eine andere geeignete Anordnung oder Konfiguration bei anderen Ausführungsbeispielen aufweisen. Bei Ausführungsbeispielen kann die Apertur 150 rund, quadratisch oder im Allgemeinen symmetrisch sein oder die Apertur 150 kann eine andere Form aufweisen, wie z. B. wie ein Schlüsselloch, oval, oder länglich.
Die Größe der Stützstruktur 110 sowie der Apertur 150 kann bei Ausführungsbeispielen variieren, wie es, um einen bestimmten Leiter unterzubringen, für eine bestimmte Anwendung oder einen anderen Faktor notwendig sein kann. Bei dem Ausführungsbeispiel von 1–3 ist die Stützstruktur 110 im Allgemeinen quadratisch oder rechteckig und ihre Abmessungen können in der Größenordnung von ungefähr 20 Millimeter (mm) mal ungefähr 20 mm mal ungefähr 1,5 mm sein, aber dies ist jedoch nur ein Beispiel, und die Stützstruktur 110 kann schmäler, breiter, länger, kürzer, dicker, dünner oder bei anderen Ausführungsbeispielen unterschiedlich geformt sein, so wie auch die Apertur 150. Bei Ausführungsbeispielen kann die Apertur 150 dimensioniert sein, um einen Leiter 140 derart unterzubringen, dass der Durchmesser der Apertur 150 im Allgemeinen größer dimensioniert ist (z. B. ungefähr 13 mm) als der Durchmesser des Leiters 140 (z. B. ungefähr 10 mm). Z. B. kann es bei Ausführungsbeispielen vorteilhaft sein, den Leiter 140 mittig innerhalb der Apertur 150 anzuordnen, wodurch eine Zentrierungsvorrichtung, wie z. B. eine nicht leitfähige und nicht magnetische Hülse (nicht gezeigt) verwendet werden kann, um eine Isolationsbarriere um den Leiter 140 zu bilden, um eine mittige Platzierung des Leiters 140 sicherzustellen.
Bei dem Sensorsystem 100 ist eine Hauptebene der Stützstruktur 110, d. h. die planare xy-Oberfläche, die in der Ausrichtung von 2 aufwärts gewandt ist, senkrecht im Hinblick auf eine Länge des Leiters 140 angeordnet (z. B. senkrecht zu einer primären Stromflussrichtung in dem Leiter 140 oder parallel zu einem diametrischen Querschnitt des Leiters 140). Sensoren 120 sind bei Ausführungsbeispielen auf der Oberfläche 112 angeordnet, und jeder Sensor 120 selbst kann einen Chip und zumindest zwei Magnetfeldsensorelemente aufweisen, die mit dem Chip gekoppelt oder auf demselben angeordnet sind (in 1–3 nicht sichtbar). Obwohl er hierin im Allgemeinen als Chip bezeichnet wird, ist der Ausdruck „Chip” nicht einschränkend im Hinblick auf alle Ausführungsbeispiele und/oder den Schutzbereich der Ansprüche. Bei verschiedenen Ausführungsbeispielen kann ein Chip ein Substrat, einen Chip, eine Komponentenplatine, Schaltungsplatine oder eine Kombination derselben aufweisen oder eine andere Stützstruktur, die in der Lage ist, eine relative Platzierung der Magnetsensorelemente im Hinblick aufeinander und/oder zumindest eine andere Komponente einzurichten und/oder beizubehalten. Bei anderen Ausführungsbeispielen können Sensoren 120 z. B. ferner ein Sensorgehäuse oder andere Konfigurationen aufweisen, die spezifisch für eine Anwendungs- oder System-Anforderung sind. Bei Ausführungsbeispielen kann die Stützstruktur 110 ferner eine Schaltungsanordnung aufweisen, wie z. B. anwendungsspezifische, integrierte Schaltungen (AECs; Application Specific Integrated Circuits), Mikroprozessoren und/oder eine andere Schaltungsanordnung, um Ausgangssignale zu empfangen und zu verarbeiten, die Sensoren 120 zugeordnet sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann diese Schaltungsanordnung anderweitig mit dem System 100 gekoppelt sein oder kann in oder auf einer anderen Komponente als der Stützstruktur 110 angeordnet sein.
Bei Ausführungsbeispielen weist jeder Sensor 120 zumindest zwei Sensorelemente auf, die Hall-Effekt-Sensorelemente (z. B. gewöhnliche Hall-Platten oder vertikale Hall-Effekt-Sensorelemente) oder MR-Sensorelemente (z. B. TMRs, GMRs, CMRs, AMRs und andere) und/oder einen oder mehrere andere Typen von Magnetfeldsensorelementen oder Kombinationen derselben aufweisen können, die ausgebildet und/oder angeordnet sind, um zumindest eine Magnetfeldkomponente eines Magnetfeldes zu detektieren, das durch einen Stromfluss in dem Leiter 140 induziert wird. Bei Ausführungsbeispielen sind die Sensorelemente des Sensors 120 empfindlich für eine Magnetfeldkomponente, die parallel zu der planaren xy-Oberfläche 112 der Stützstruktur 110 ist, obwohl dies bei anderen Ausführungsbeispielen variieren kann. Sensoren 120, die MR-Sensorelemente aufweisen, können jeweils mit Empfindlichkeitsebenen ausgebildet sein, die parallel zueinander sind. Zusätzlich kann es vorteilhaft sein Sensoren 120 auch derart auszubilden, dass die Empfindlichkeitsebenen parallel zu der Oberfläche 112 der Stützstruktur 110 sind (d. h. der Ebene auf oder in der Sensoren 120 positioniert sind).
Das System 100, wie es in 1–3 gezeigt ist, weist drei Sensoren 120 auf, die auf der Stützstruktur 110 angeordnet sind, aber bei anderen Ausführungsbeispielen kann das System 100 mehr oder weniger Sensoren 120 aufweisen. Z. B. kann das System 100 nur zwei Sensoren aufweisen oder bis zu sechs oder mehr Sensoren bei anderen Ausführungsbeispielen, wobei einige derselben hierin detailliert erörtert werden. Bei dem System 100 kann jeder Sensor 120 winkelmäßig äquidistant bei Azimuth-Beabstandungen von 360°/N (z. B. 0°, 120° und 270° für N = 3 wie in 1–3) entlang einer Kurve beabstandet sein, die konzentrisch zu einer Längsachse des Leiters 140 ist, wobei N eine ganze Zahl ist, die die Gesamtanzahl von Sensoren darstellt, die auf der Stützstruktur 110 angeordnet sind. Wenn z. B. N = 4 können Sensoren 120 bei 0°, 90°, 180° und 270° angeordnet sein. Bei wiederum anderen Ausführungsbeispielen sind die Sensoren 120 nicht winkelmäßig äquidistant beabstandet und/oder sind nicht entlang einer Kurve angeordnet, die konzentrisch zu einer Längsachse des Leiters 140 ist, bei einer anderen geeigneten Konfiguration jedoch können einige andere Anordnungen weniger vorteilhaft sein als andere, auch wenn sie bei einigen Ausführungsbeispielen oder Anwendungen bestimmte Vorteile bereitstellen. Im Allgemeinen können die Sensoren 120 in der Größenordnung von ungefähr 1 mm mal 1 mm mal ungefähr 0,2 mm dimensioniert sein, aber dies ist nur ein Beispiel, und Fachleute auf dem Gebiet werden erkennen, dass die Größe und Konfiguration von Sensoren 120 und/oder jeglichem verwandten Gehäuse oder anderer Komponenten im Allgemeinen variieren kann, ohne die zugrundeliegenden Erfassungsprinzipien zu ändern, die hierin erörtert werden, außer anderweitig angegeben. Zusätzlich dazu und wie vorangehend erwähnt wurde, können die Sensoren 120 Starkfeld- oder Schwachfeld-Magnetsensoren sein.
Bei Ausführungsbeispielen weist ein Magnetelement 130 einen Magneten auf, wie z. B. einen Permanentmagneten, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen das Magnetelement 130 z. B. eine Magnetpaste oder jegliche andere geeignete Magnet-Komponente oder -Vorrichtung aufweisen kann. Obwohl dessen Material variieren kann, kann das Magnetelement 130 bei einem Ausführungsbeispiel ein Hartferrit mit einer Remanenz von ungefähr 220 mT aufweisen. Das Magnetelement 130 ist bei Ausführungsbeispielen im Allgemeinen kreisförmig und Donut-förmig und kann einen Innendurchmesser von ungefähr 14 mm, einen Außendurchmesser von ungefähr 18 mm und eine Dicke oder Tiefe von ungefähr 2,5 mm bei einem Ausführungsbeispiel aufweisen, diese Abmessungen können jedoch bei anderen Ausführungsbeispielen für oder mit anderen Komponenten des Systems 100 variieren. Das Magnetelement 130 weist üblicherweise eine relative Permeabilität zwischen ungefähr 0,9 und ungefähr 2 auf, was bedeutet, es ändert das Feld des Stroms nicht wesentlich, der durch den Leiter fließt, sondern fügt nur ein zusätzliches Vorspannungsfeld an den Sensorelementen 120 hinzu. Genauer gesagt funktioniert das Magnetelement 130 nicht als eine Magnetflussführungsstruktur oder als ein Magnetflusskonzentrator.
Das Magnetelement 130 kann relativ zu der Stützstruktur und den Sensoren 120 angeordnet sein, wie z. B. über den beiden, wie in 1–3 gezeigt ist, obwohl die relative Anordnung von Elementen des Systems 100 bei anderen Ausführungsbeispielen variieren kann, bei denen die Sensoren 120 und/das Magnetelement 130 unter der Stützstruktur oder in einer anderen Konfiguration angeordnet sind. Einige Anpassungen oder Modifikationen können bei Ausführungsbeispielen notwendig sein, wie z. B. eine Schnittstellen- oder Kopplungs-Anordnung zwischen dem Magnetelement 130 und der Stützstruktur 110, die vergrößert sind, um eine sicherere Anbringung des Magnetelements 130 an die Stützstruktur 110 bei Ausführungsbeispielen bereitzustellen, bei denen das Magnetelement 130 unter der Stützstruktur ist und daher anfälliger ist, aufgrund der Gravitationswirkung oder anderer Kräfte abgetrennt zu werden. Bei einer Konfiguration, bei der die Sensoren 120 auf der Oberfläche 112 bleiben, aber das Magnetelement 130 unter der Stützstruktur 110 angeordnet ist, können Wirbelströme, die in dem Magnetelement 130 induziert werden, eine reduzierte Wirkung auf die Ausgangssignale der Sensoren 120 haben, aufgrund der erhöhten Distanz zwischen den Sensoren 120 und dem Magnet 132. Die relative Position und Platzierung des Magnetelements 130 kann bei Ausführungsbeispielen variieren, ebenso wie die relative Anordnung und Ausrichtungen der Sensoren 120. Z. B. kann bei anderen Ausführungsbeispielen das Magnetelement 130 in seiner geometrischen Form variieren, kann individuell mit jedem Sensor 120 gekoppelt sein (ein Ausführungsbeispiel, das nachfolgend detaillierter erörtert wird) oder kann über oder unter der Stützstruktur 110 angeordnet sein. Ferner ist das System 100 in 1–3 (und allgemein in den anderen Figuren hier) möglicherweise nicht maßstabsgetreu und diese sind Konzeptdarstellungen, um die Grundkomponenten und Merkmale eines Ausführungsbeispiels des Sensorsystems 100 darzustellen.
Das Magnetelement 130 kann radial in einer Richtung hin zu und weg von einer Mitte der Stützstruktur 110 magnetisiert sein und kann entlang einer Kurve angeordnet sein, die konzentrisch zu dem Leiter 140 ist (z. B. im Allgemeinen zentriert um den Leiter 140). Bei anderen Ausführungsbeispielen kann das Magnetelement 130 in Teilen magnetisiert sein (d. h. nicht in seinem gesamten Volumen magnetisiert sein) oder kann einen anderen Magnettyp aufweisen. In jedem Fall kann das Magnetelement 130 ausgebildet sein, um ein Vorspannungsmagnetfeld in einer Richtung senkrecht zu der Richtung eines Magnetfeldes zu induzieren, das durch einen Stromfluss in dem Leiter 140 induziert wird, kann jedoch bei Ausführungsbeispielen variieren, wie hierin erörtert wird.
Wie gezeigt ist, weist der Leiter 140 ein Kabel, einen Draht oder einen Stab mit einem im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt auf, obwohl Fachleute auf dem Gebiet erkennen werden, dass es wünschenswert sein kann und möglich ist, Magnetfelder in einer Vielzahl von unterschiedlichen Typen von Leitern zu detektieren, was auch geeignet zur Verwendung mit Ausführungsbeispielen des Systems 100 sein kann. Z. B. kann der Leiter 140 eine Sammelschiene, Gewindeschraube, zweckgebundenen Stift, einen hohlen Zylinder oder eine andere Vorrichtung oder Struktur bei anderen Ausführungsbeispielen aufweisen. Es kann vorteilhaft sein, wenn der Leiter 140 einen im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitt aufweist, da bei einer solchen Konfiguration das strominduzierte Magnetfeld unabhängig von der Frequenz ist. Z. B. können bei einem Ausführungsbeispiel, wo der Querschnitt des Leiters 140 keine im Allgemeinen kreisförmige Struktur aufweist (siehe z. B. 11a–b) oder wenn eine Mehrzahl von Leitern 140 verwendet wird, Wirbelströme zu Fehlern in den Ausgangsablesungen der Sensoren 120 bei hohen Frequenzen führen. Im Allgemeinen und wie vorangehend erwähnt wurde, weist der Leiter 140 selbst im Allgemeinen keinen Teil des Systems 100 auf und es ist vorstellbar, dass das System 100 zur Verwendung mit praktisch jeder Leiter-Konfiguration, -Platzierung und -Anwendung ausgebildet sein kann. Die hierin gegebenen Beispiele sind nur jene, die möglicherweise üblich sind oder der Bequemlichkeit halber verwendet werden, um die Grund-Merkmale, -Komponenten und -Operation des Systems 100 darzustellen.
In 3 ist die relative Anordnung von Magnet 132, Sensoren 120 und Stützstruktur 110 in einer Seitenquerschnittsansicht gezeigt. Die Kopplung der Sensoren 120 mit der Stützstruktur 110 kann unter Verwendung verschiedener Montagetechniken ausgeführt werden, wie z. B. Flip-Chip, wie in 3 gezeigt ist, oder anderer geeigneter Montagetechniken bei Ausführungsbeispielen. Bei einer Flip-Chip-Konfiguration ist eine elektrische Verbindung zwischen den Sensoren 120 und der Stützstruktur 110 über Lötmittel oder andere Höcker, Kugeln oder Unterfüllmaterial von jedem Sensor 120 eingerichtet und eine leitfähige Schicht (z. B. leitfähige Spuren) sind in oder auf der Oberfläche 112 oder 114 der Stützstruktur 110 gebildet, auf der die Sensoren 120 befestigt sind. Bei anderen Ausführungsbeispielen können die verschiedenen gezeigten Komponenten (z. B. Sensoren 120 und Magnetelement 130), sowie andere von oder in dem System 100, herkömmlicherweise an der Stützstruktur 110 befestigt sein (d. h. mit ihrer Rück- oder Hinter-Seite gekoppelt mit einer Oberfläche oder einem Element der Stützstruktur 110), und elektrische Verbindungen können zwischen den Sensoren 120 und Spuren auf der Stützstruktur 110 durch Drahtbonden hergestellt werden, wie z. B. Nagelbonden oder Keilbonden (siehe z. B. 7). Unabhängig von der bestimmten Konfiguration oder Technik, die verwendet wird, um Sensoren 120, Magnetelement 130 oder andere Komponenten an der oder mit der Stützstruktur 110 zu befestigen oder zu koppeln, können die verschiedenen Komponenten ferner eine Abdeckung aufweisen, wie z. B. eine schützende Formverbindung (nicht gezeigt) oder ein anderes Material oder eine Struktur, um gegen Umwelt- und/oder andere Schäden zu schützen. Somit können Sensorelemente 120 in 3 auch oberflächenmontierte Bauelemente (SMD; Surface Mounted Devices) sein, die Sensorelemente aufweisen, entweder anschlusslos (d. h. Kontakte werden über Kontaktstellen oder Anschlussflächen am Boden des Gehäusekörpers hergestellt) oder mit L-förmigen Anschlussbeinen oder Anschlussleitungen, entweder an zwei gegenüberliegenden Rändern eines Gehäuses oder an allen vier Rändern um den Umfang des Gehäuses oder auch der gesamten Bodenoberfläche des Gehäuses oder in einer anderen geeigneten Konfiguration.
Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Stützstruktur 110 ferner Rillen oder Befestigungspfosten aufweisen, derart, dass Sensoren 120 innerhalb der Rillen oder an den Befestigungspfosten befestigt sein können. Das Magnetelement 130 kann dann direkt an die Stützstruktur 110 über den Sensoren 120 oder an die Befestigungspfosten gekoppelt sein, um eine Anbringung des Magnetelements 130 an die Sensoren 120 zu vermeiden.
Ein anderes Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 200 ist in 4 gezeigt. Ähnlich zu dem Sensorsystem 100 kann das Sensorsystem 200 eine Stützstruktur 210, zumindest zwei Sensoren (in 4 nicht sichtbar aber ähnlich zu der Anordnung und Zusammensetzung der Sensoren 120, außer anderweitig erwähnt), die mit der Stützstruktur 210 gekoppelt sind, ein Magnetelement 230, das mit den Sensoren gekoppelt ist oder über denselben angeordnet ist, umfassen. Durchgehend hierin werden ähnliche Bezugszeichen verwendet, um auf ähnliche Elemente oder Merkmale Bezug zu nehmen (z. B. Stützstruktur 110 und Stützstruktur 210), obwohl trotzdem Unterschiede zwischen ähnlichen Elementen vorhanden sein können, wie gezeigt ist und erörtert wird. So wie das System 100 ist das System 200 in der Nähe des Leiters 140 angeordnet. Die Stützstruktur 210 weist zumindest eine Apertur 250 auf, die sich in 4 einwärts von einem Rand der Stützstruktur 210 allgemein in einer Schlüssellochkonfiguration erstreckt. Auf ähnliche Weise kann das Magnetelement 130 eine Offenschleifenkonfiguration aufweisen (z. B. eine C-Form, eine halbkreisförmige Form oder eine andere Konfiguration, die eine Öffnung oder einen Zwischenraum aufweist), um die Einfügung des Leiters 110 in die Apertur 150 einfacher zu ermöglichen (oder umgekehrt die Anordnung des Systems 200 um den Leiter 140), für eine Installation und/oder Reparatur oder einen Ersatz (z. B. wenn Defekte vorliegen).
Die Asymmetrie des Magnetelements 130 in dem System 200 kann zu einer Verzerrung des Vorspannungsmagnetfeldes führen, das durch das Magnetelement 130 induziert wird, wobei die Richtung der Magnetisierung sich ändert (z. B. zeigt das Feld nicht mehr in einer konsistent radialen Richtung) und die Stärke des Feldes, das durch den Sensor 120 erfasst wird, wesentlich variieren kann, abhängig von dessen Position relativ zu der Öffnung in dem Magnetelement 130. Dies kann zu einer erhöhten Komplexität des Systems 100 und zu einem Algorithmus führen, der zum Schätzen des erfassten Stroms verwendet wird (siehe z. B. 8) sowie zu einer Reduktion der Genauigkeit und Robustheit des Systems 100 gegen Fehler (z. B. Hintergrundinterferenz und Positions- oder Form-Toleranzen des Leiters 140). Im Gegensatz dazu kann die Offenschleifenkonfiguration des Magnetelements 130 insofern vorteilhaft sein, als sie die Bandbreite des Systems 200 erhöht. Bei Ausführungsbeispielen kann die Bandbreite größer als ungefähr 100 kHz sein, wie z. B. 1 MHz oder mehr bei Ausführungsbeispielen, durch Verhindern einer kurzgeschlossenen Ringtopologie des Magnetelements 130, bei der übermäßige Wirbelströme (d. h. in dem Leiter 140 durch das sich ändernde Magnetfeld induzierte Ströme) bei großen plötzlichen Stromänderungen fließen könnten (z. B. wenn das Magnetelement 130 ein leitfähiges Material aufweist, wie z. B. Voll-Material (Bulk Material) mit einer nicht schwindenden Leitfähigkeit oder leitfähigen Beschichtung).
Ein anderes Ausführungsbeispiel eines Sensorsystems 300 ist in 5–7 gezeigt. Das Sensorsystem 300 kann zumindest fünf Sensoren 120 aufweisen, die entlang einer Kurve angeordnet sind, die konzentrisch zu dem Leiter 140 ist, bei Azimuth-Beabstandungen von 72° (d. h. 360°/N, wobei N = 5). Für große N kann die Gesamtanzahl von leitfähigen Spuren auf der Stützstruktur 310 auch zunehmen; daher kann es vorteilhaft sein, Sensoren 120 auf solche Weise anzuordnen, dass die Stützstruktur 310 als eine Einzelschicht-PCB oder ein anderes Bauelement ausgebildet sein kann. Die Verwendung einer ungeraden Zahl (z. B. 3, 5, 7, etc.) von Sensoren 120 kann vorteilhaft sein für das Erreichen einer höheren Systemgenauigkeit bei niedrigeren Systemkosten.
Bei dem System 300 kann das Magnetelement (z. B. Magnetelement 130 des Systems 100) eine Mehrzahl von individuellen Magnetelementen 330 aufweisen, die jeweils einem individuellen Sensor 120 zugeordnet sind. Bei einem Ausführungsbeispiel kann ein Magnetelement 330 mit dessen zugeordnetem Sensor 120 durch Adhäsionsbonden oder eine andere geeignete Technik gekoppelt sein. Jedes Magnetelement 330 kann bei Ausführungsbeispielen eine allgemeine Blockform aufweisen, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen Magnetelemente 330 zylindrisch sein können oder eine andere mehrseitige Konfiguration aufweisen können. Magnetelemente 330 können größer oder kleiner dimensioniert sein als Sensoren 120, abhängig von der Remanenz des Permanentmagnetmaterials, das verwendet wird. Für kostengünstige, schwache Ferrite sind Elemente 330 im Allgemeinen in jeder Abmessung größer, wie in 5 und 6 gezeigt ist. Magnetelemente 330 können auch Teil eines Sensorgehäuses sein (z. B. Teile des Leiterrahmens, Chip-Anbringungs-Haftmittel und/oder die Formverbindung können permanent magnetisch sein oder ein Permanentmagnet kann an einen Sensorchip oder an einen Leiterrahmenabschnitt angebracht sein und durch die Formverbindung abgedeckt sein). Bei einem Ausführungsbeispiel können Sensoren 120 an der Stützstruktur 310 derart Flip-Chip-befestigt sein, dass jedes Magnetelement 330 mit einer nicht leitfähigen Oberfläche der Sensoren 120 gekoppelt sein kann (d. h. die aufwärts gewandte Oberfläche in 5). Bei anderen Ausführungsbeispielen können Magnetelemente 330 mit der Stützstruktur 310 gekoppelt sein, wobei Sensoren 120 dann an Magnetelementen 330 angeordnet sind, wie bei dem Ausführungsbeispiel von 7 gezeigt ist. Bei einer solchen Konfiguration können Sensoren 120 mit Magnetelementen 330 gekoppelt sein, wobei die elektrische Verbindung zwischen Sensoren 120 und Stützstruktur 310 unter Verwendung von Drahtbonden oder anderer geeigneter Verfahren eingerichtet ist. Wenn die Sensorelemente 120 Sensorgehäuse aufweisen, können ihre Anschlussleitungen gebogen und gebildet sein, um einen Kontakt mit leitfähigen Spuren auf der Stützstruktur 310 herzustellen. Die Größe der Bondschleifen oder Anschlussleitungen (in 7 nicht gezeigt) kann abhängig von der Dicke (z-Richtung) von Magnetelementen 330 und Sensoren 120 sein, wobei die Schleifengröße bei Ausführungsbeispielen minimiert wird durch Verwenden von Sensoren 120 mit dünnen Sensorchips oder einem dünnen Magnetelement 330 mit hoher Remanenz). Bei anderen Ausführungsbeispielen kann es ferner vorteilhaft sein, Magnetelemente 330 innerhalb von Rillen zu koppeln, die in der Stützstruktur 310 gebildet sind (siehe z. B. die Diskussion in Bezug auf 3), um die Differenz bei den z-Koordinaten zwischen Sensoren 120 und der leitfähigen Schicht zu reduzieren, die auf der Stützstruktur 310 gebildet ist.
Durch die Verwendung von dedizierten Magnetelementen 330 (d. h. individuellen Magnetelementen, die mit Sensoren 120 gekoppelt sind, wie in 5 und 6) nimmt die Gesamtmagnetmasse des Systems 300 ab, was wiederum zu einer Reduktion der Kosten und der mechanischen Belastung auf die Sensoren 120 führt. Zusätzlich dazu können Kosten auch durch die Verwendung unterschiedlicher Herstellungstechniken reduziert werden, wie z. B. vorab Montage von Magnetelementen 330 und Sensoren 120 separat von der Stützstruktur 110. Z. B. kann die Montage jedes Magnetelements 330 an einen entsprechenden Sensor 120, um eine Sensor/Magnet-Einheit zu bilden, an einer Herstellungseinrichtung fertiggestellt werden, wobei die Befestigung der Sensor/Magnet-Einheiten an der Stützstruktur 330 an einer zweiten Herstellungs- oder Montage-Einrichtung stattfindet. Die Anordnung bzw. Montage von Magnetelementen 330 und Sensoren 120 kann auf einzelnen Chips und Magneten ausgeführt werden, es kann jedoch auch kostengünstiger ausgeführt werden durch Befestigen eines kompletten Substrats, das viele Sensorchips aufweist, auf einem großen Magneten (z. B. so groß wie das Substrat) und Vereinzeln von beiden gleichzeitig in einem allgemeinen Substratschneideprozess. Als solches kann es vorteilhaft sein, Magnetelemente 330 in Apposition (d. h. zumindest ungefähr fluchtend) mit Sensoren 120 anzuordnen. Bei dieser Anordnung kann es ferner möglich sein, Magnetelemente 330 an eine Vorderseite der Sensoren 120 zu koppeln, die Bondanschlussflächen aufweisen können zum elektrischen Koppeln von Sensoren 120 mit der Stützstruktur 310. Wenn z. B. Magnetelemente 330 an einer Ober- oder Vorder-Seite der Sensoren 120 angebracht sind, dann können Rillen in eine Oberfläche jedes Magnetelements 330 vor der Anordnung geätzt werden. Somit werden die Bondanschlussflächen von den Rillen zugänglich, die in die Oberfläche der Magnetelemente 330 geätzt sind, während die Rück- oder Boden-Seite der Magnetelemente 330 frei von Anbringungen bleibt.
Bei anderen Ausführungsbeispielen und gemäß dem oben erwähnten können Magnetelemente 330 eine Magnetpaste aufweisen, die auf eine Oberseite oder Unterseite eines Chips oder eines anderen Abschnitts der Sensoren 120 aufgebracht ist. Um die gewünschten Magneteigenschaften einzurichten und um die Adhäsionsstärke der Magnetpaste nach der Anbringung an die Sensoren 120 zu erhöhen, kann die Magnetpaste einem Aushärtprozess bei relativ niedrigen Temperaturen unterzogen werden (z. B. weniger als ungefähr 500°C), um gesintert zu werden. Um die Wärmebelastung während des Aushärtprozesses einzuschränken, können bei Ausführungsbeispielen Magnetpasten mit Partikelgrößen unter ungefähr einem Mikrometer (d. h. Nanopartikel) vorteilhaft sein (da z. B. ihre große Oberfläche das Reaktionsvermögen erhöht und somit die Aushärttemperatur minimiert). Andere Magnet-Elemente und -Prozesse zur Verwendung derselben innerhalb des Systems 300 oder anderer hierin erörterter Systeme können bei verschiedenen Ausführungsbeispielen verwendet werden.
Unabhängig vom Typ der verwendeten Magnetelemente 330 kann das Magnetelement 330 (oder 130 oder 230 oder andere, die hierin gezeigt und/oder erörtert werden) mit Sensoren 120 in magnetisierter oder nicht magnetisierter Form gekoppelt sein, um die Handhabung zu erleichtern. Z. B. kann die Magnetisierung des Magnetelements 130 nach einem Aushärtprozess und einem Koppeln des Magnetelements 130 an die Sensoren 120 auftreten. Dasselbe kann für die Mehrzahl von Magnetelementen 330 des Systems 300 gelten. Zusätzlich dazu, wenn Sensoren 120 Sensorelemente aufweisen, die auch eine Magnetisierung erfordern (z. B. GMRs oder TMRs), können die Sensorelemente 120 vor oder nach der Magnetisierung des Magnetelements 130 magnetisiert werden, um eine Verhaltensverschlechterung des Magnetelements 130 oder der Sensoren 120 zu vermeiden. Andere Techniken zum Vermeiden einer Verschlechterung können z. B. das Magnetisieren von Magnetelement 130 und Sensorelementen der Sensoren 120 in einem einzelnen, gleichzeitigen Prozess umfassen, wie z. B. Magnetisieren durch Anlegen eines Starkfeldes in der Größenordnung von ungefähr 1 T und Aushärten der Sensorelemente in einem einzelnen Schritt. Zusätzlich dazu, wenn das System 100 herkömmlich angeordnet ist (d. h. Sensoren 120 gekoppelt mit der Stützstruktur 110 und Magnetelement 130 gekoppelt mit Sensoren 120), kann eine Vorrichtung verwendet werden, um eine Platzierung des Magnetelements 130 zu sichern, bis das Adhäsionselement aushärtet, das an das Magnetelement 130 angebracht ist. Eine solche Vorrichtung kann z. B. eine im Allgemeinen kreisförmige oder Ring-Form mit Eisenteilen aufweisen, die eine Platzierung des Magnetelements 130 über die magnetische Anziehung sichern, die zwischen den Eisenteilen und dem Magnetelement 130 gebildet wird. Die Vorrichtung kann ferner einen Permanentmagneten aufweisen, um eine Platzierung des Magnetelements 130 während der Anordnung zu sichern, wodurch die Permanentmagneten eine gut definierte Polarität im Gegensatz zu den Eisenteilen aufweisen, die sowohl Nord- als auch Süd-Pole anziehen, was zu Fehlern bei der Polarität einiger Magneten führen kann.
Bezugnehmend auf 8 kann bei Ausführungsbeispielen jeder Sensor 120 zumindest Magneto-Widerstände (MRs; magnetoresistors) 310, 312 aufweisen, die in einer Halbbrückenkonfiguration angeordnet sind. MRs 310, 312 können GMRs, TMRs oder andere geeignete Magneto-Widerstände aufweisen, die Starkfeld oder Schwachfeld sein können, und können einen Stapel aus mehreren Schichten aus Materialien aufweisen, wie z. B. Pt, Mn, Ru, Cu und anderen. Die MRs 310, 312 können elektrisch in Reihe zwischen eine Versorgungsspannung (Vsup) und eine Referenzspannung (Gnd) in einer Halbbrückenkonfiguration gekoppelt sein, bei der der MR 312 bei einem niedrigeren Potenzial eine Referenzrichtung +x' aufweist und der MR 310 bei einem höheren Potenzial eine Referenzrichtung –x' aufweist (z. B. entgegengesetzte und parallele Referenzrichtungen). Der lokale Referenzrahmen (x', y') ist an das Sensorelement 120 angebracht. Umgekehrt wird der Ort der Halbbrücke hierin als Position (R, Ψ) bezeichnet, die die radiale Distanz und Azimuth-Position in einem globalen zylindrischen Referenzrahmen zentriert in der Mitte des Leiters 140 sind. Das globale, zylindrische Koordinatensystem (R, Ψ) kann auch in Termen des globalen, kartesischen Systems (x, y) ausgedrückt werden über R² = x² + y² und tan(Ψ) = y/x. Daher ist das globale kartesische System in allen Figuren gezeigt, die die komplette Sensoranordnung zeigen, wohingegen der lokale Referenzrahmen (x', y') in 8 gezeigt ist, die ein einzelnes Sensorelement 120 zeigt.
MRs 310, 312 können Starkfeld-MRs aufweisen, die ausgebildet sind, um die Signale zu detektieren:
Wenn die MRs 310, 312 GMRs oder TMRs aufweisen, ist die Ausgangsspannung der Halbbrücke:
Wobei h = 0,05 für GMRs und 0,5 für TMRs und wodurch x' und y' die Empfindlichkeitsebene des Sensors 120 darstellen.
Die Halbbrückenschaltung von 8 kann als ein Winkelsensor ausgebildet sein, wie in 9 gezeigt ist, der drei Sensoren 120 aufweist, die an ganzzahligen Mehrfachen von 120° um den Leiter 140 angeordnet sind. Jeder Sensor 120 weist eine Halbbrücke aus Sensorelementen 310, 312 auf, wie in 8 gezeigt ist. Die Referenzrichtung jedes MR-Elements ist durch die weißen Pfeile daran gezeigt und die Richtung des Vorspannungsmagnetfeldes ist durch die durchgezogenen schwarzen Pfeile gezeigt, die radial auswärts an allen Sensorelementen 120 zeigen. Die Vorspannungsfelderzeugung kann bei verschiedenen Ausführungsbeispielen Teil der MR-Brücke sein oder nicht. Wenn sie Teil der Brücke ist, kann eine Permanentmagnetpaste an die Vorder- oder Rück-Seite des Sensorchips aufgebracht werden und in der y'-Richtung des Chips magnetisiert werden (d. h. hier wird zwischen dem x', y'-Referenzrahmen unterschieden, der an dem Sensorchip befestigt ist, und dem x, y-Referenzrahmen, der an dem Leiter 140 befestigt ist). Wenn das Vorspannungsfeld nicht Teil der MR-Brücke ist, kann ein Permanentmagnet an den Sensorchip oder die komplette Anordnung nach der Herstellung des Sensorchips angebracht werden. Es wird darauf hingewiesen, dass die Vorspannungsfeldrichtungspfeile in 9 nicht bedeuten, dass ein Magnet dort platziert sein muss; stattdessen bedeutet es allgemein, dass dort ein Vorspannungsmagnetfeld in der angezeigten Richtung vorhanden ist. Dieses Feld könnte von einem Ringmagnetelement kommen (wie z. B. in 1–3 gezeigt ist) oder zahlreichen anderen Quellen einer Magnetfelderzeugung. Zusätzlich dazu kann das Vorspannungsfeld auch ein intrinsischer Teil des MR-Stapels sein, wobei eine der Schichten das Vorspannungsmagnetfeld erzeugt.
Die Ausgangsspannung einer Halbbrückenschaltung kann gegen die Ausgangsspannung eines Referenzspannungsteilers 400 von zwei einfachen Widerständen gemessen werden, die nicht auf Magnetfelder antworten. Derselbe Referenzspannungsteiler 400 kann für alle drei Sensoren 120 derart verwendet werden, dass mit
ein Signal
für jeden Sensor 120 definiert werden kann. Somit ist S_x' = S_x'(ψ) eine Funktion der Azimuth-Koordinate ψ jedes entsprechenden Sensors 120 (z. B. 0°, 120° und 240° in 9). Wenn das Sensorelement 120 gemäß 9 positioniert ist, derart, dass seine y'-Richtung parallel oder antiparallel zu der radialen Richtung ist und seine x'-Richtung antiparallel oder parallel zu der Azimuth-Richtung ist, gilt, dass B_x' = ±(B_ycosψ – B_xsinψ) und daher das Signal ±S_x' identisch ist zu:
Auf ähnliche Weise können auch MRs 310, 312 mit einer y'-Referenzrichtung wie in 10a gezeigt ist, verwendet werden. Hier kann eine Ausgangsspannung (Vy') definiert sein durch:
wobei ein entsprechendes Signal
für jeden Sensor 120 definiert ist.
Eine andere Betrachtung bei Ausführungsbeispielen ist die Kapazität von Signaldrähten, die zum Koppeln der Halbbrücken verwendet werden. Z. B. kann bei einem Ausführungsbeispiel (z. B. ähnlich zu dem in 2 gezeigten) die Apertur 150 ungefähr 10 mm im Durchmesser sein, derart, dass Signaldrähte, die die Sensoren 120 koppeln, jeweils in der Größenordnung von einem bis mehreren Zentimetern sind und eine Kapazität von ungefähr 50 pF aufweisen. Im Gegensatz dazu ist der Ausgangswiderstand jeder Halbbrücke in der Größenordnung von Kilo-Ohm (kΩ). Somit wird ein RC-Tiefpassfilter gebildet, das effektiv die Bandbreite der Ausgangssignale auf ungefähr 3 MHz einschränkt. Bei Ausführungsbeispielen, die eine höhere Bandbreite wünschen oder erfordern, kann die Verstärkerschaltungsanordnung mit jeder Halbbrücke gekoppelt sein, um die Ausgangssignale zu Puffern. Bei einem solchen Ausführungsbeispiel können die Chips der Sensoren 120 Halbleiterchips aufweisen, die die Verstärkerschaltungsanordnung und eine andere Schaltungsanordnung umfassen, wobei die MRs 310, 312 auf die Halbleiterchips gesputtert oder anderweitig darauf gebildet sind.
Bei anderen Ausführungsbeispielen können wiederum andere Anordnungen und Konfigurationen implementiert sein. Z. B. kann ein Ausführungsbeispiel zwei Sensoren 120 aufweisen, die in einer diametralen Vollbrückenkonfiguration angeordnet sind, d. h. gegenüberliegend zueinander über den Leiter 140 mit einem ersten Sensor 120 an der Azimuth-Position R, ψ und dem zweiten Sensor 120 an der Azimuth-Position R, ψ + 180°. Siehe z. B. 10b. Ein Fachmann auf dem Gebiet wird erkennen, dass viele andere Konfigurationen und Anordnungen von verschiedenen Sensorzahlen bei anderen Ausführungsbeispielen implementiert sein können und konsistent mit einem oder mehreren der hierin erörterten Prinzipien oder Konzepte sein können.
Wie vorangehend erwähnt wurde, ist der Leiter 140 im Allgemeinen nicht Teil des Systems 100, obwohl das System 100 in Zusammenarbeit mit dem Leiter 140 zu dem Ausmaß arbeitet, dass es eine Strom- und/oder eine Magnetfeldquelle benötigt, aus der ein Strom und/oder Magnetfeld gemessen wird. Bei Ausführungsbeispielen kann daher das System 100 (oder 200, 300, etc.) mit praktisch jeglichem Typ oder Konfiguration eines Leiters verwendet werden. Die im Allgemeinen zylindrischen Drähte, die als Leiter 140 in 1–7, 9 und 10 gezeigt sind, sind nur ein Beispiel und bei anderen Ausführungsbeispielen können andere Typen und Formen von Leitern implementiert sein. Einige Leitergeometrien können Vorteile im Hinblick auf die Positionierung des Systems 100 bereitstellen, z. B. im Hinblick auf Positionstoleranzen, Magnetfeldstärke oder -Charakteristika und andere Charakteristika.
11a und 11b zeigen zwei nicht zylindrische Leitergeometrien. In 11a weist der Leiter 540 einen quadratischen Querschnitt auf, während in 11b der Leiter 640 einen länglichen, rechteckigen Querschnitt aufweist. Die Beispielrichtung des Stromflusses in den Leitern 540, 640 ist an der x, y-Achse angezeigt (d. h. in die Zeichnungsseite). Bei dem System 500 von 11a und ähnlich zu anderen hierin vorangehend erörterten Systemen weist der Lesekreis, auf dem die Sensoren 120 angeordnet sind, einen größeren Radius auf (oder laterale Abmessung, wie in 11a) als der Leiter 540. Dies kann helfen, Positionstoleranzen des Leiters 540 sowohl in der x- als auch y-Richtung zu kompensieren oder anderweitig zu berücksichtigen, im Hinblick auf dessen Geometrie.
Bei dem System 600 von 11b jedoch müssen die Sensorelemente 120 nicht den kürzeren Seiten zugewandt sein und können stattdessen gegenüberliegend zu den längeren Seiten des Leiters 640 angeordnet sein. Unter Berücksichtigung einer möglichen nicht idealen Positionierung des Leiters 640 (d. h. Positionstoleranzen), wenn der Leiter 640 außermittig in jeglicher x-Richtung angeordnet ist, nähert er sich einem der zwei Sensorelemente 120, während er sich von dem anderen weg bewegt, derart, dass die Summe der Signale annähernd unverändert durch die x-Positionsänderungen bleibt. Wenn sich der Leiter 640 in jeglicher y-Richtung bewegt jedoch, ändert sich das Magnetfeld an jedem Sensorelement 120 nicht wesentlich entlang der längeren Seiten des Leiters 640 solange die Sensorelemente 120 zumindest ungefähr in der Nähe der Mitten der langen Ränder sind, wie in 11b. So können für flache Leiterquerschnitte (z. B. quadratisch, rund, etc.) zumindest drei Sensorelemente 120 äquidistant auf einem Lesekreis angeordnet sein, der konzentrisch zu der Mitte des Leiters ist (siehe z. B. 11a). Für längliche Leiterquerschnitte kann es im Gegensatz dazu ausreichend sein, nur zwei Sensorelemente zu verwenden (obwohl bei Ausführungsbeispielen mehr verwendet werden können), wobei die Sensorelemente ungefähr in der Mitte entlang der längeren Ränder des Leiters angeordnet sind (z. B. wie in 11b). In diesem Fall ist es ebenfalls möglich, einen hypothetischen Kreis zu finden, auf dem die Sensorelemente angeordnet sind und der konzentrisch zu der Mitte des Leiters ist, wie in 11b gezeigt ist. In beiden Fällen unterscheidet sich die Richtung des Vorspannungsfeldes zwischen zwei benachbarten Sensoren um 360°/N, wobei N die Anzahl der Sensorelemente auf dem Kreis ist (z. B. N = 2 in 11b und die Vorspannungsfeldrichtung, die durch die durchgezogenen schwarzen Pfeile angezeigt ist, ist antiparallel, 180° unterschiedlich an beiden Sensorelementen).
Während hierin erörterte Ausführungsbeispiele soweit gezeigt wurden, dass die Richtung des Vorspannungsmagnetfeldes im Allgemeinen senkrecht zu der Richtung des Stromflusses in dem Leiter ist, kann bei Ausführungsbeispielen die Richtung des Vorspannungsmagnetfeldes anderweitig ausgerichtet sein, wie z. B. parallel zu der Richtung des Stromflusses. Ein Vorteil einer parallelen Anordnung kann sein, dass die Sensoren mit dem Leiter gekoppelt sein können. Siehe z. B. 12a–c, in denen Sensoren 120a, 120b an den oder mit dem Leiter 740 gekoppelt sind. Die Richtung jedes Vorspannungsfeldes ist an jedem Sensorelement gezeigt (d. h. in die Seite an dem Sensorelement 120a und aus der Seite für das Sensorelement 120b in 12a), und die Stromflussrichtung ist an dem Leiter 740 gezeigt (d. h. in die Seite in 12a). Sensoren 120a, 120b, die einander über den Leiter 740 gegenüberliegen, weisen im Allgemeinen entgegengesetzte Vorspannungsfeldrichtungen bei Ausführungsbeispielen auf. Eine Draufsicht der Anordnung von 12a ist in 12b gezeigt, während 12c eine transparente Draufsicht ist, bei der das Sensorelement 120a derart entfernt ist, dass das Sensorelement 120b durch den transparenten Leiter 740 sichtbar ist. Es wird darauf hingewiesen, dass für Systeme mit N = 2 Sensorelementen externe Störfelder nicht ausreichend oder vollständig ausgelöscht sein können, derart, dass Systeme mit zumindest N = 3 oder mehr Sensorelementen 120, die um den Leiter beabstandet sind, vorteilhaft sein können, um externe Störungen mit beliebiger Richtung auszulöschen.
Wie vorangehend erwähnt wurde, können Ausführungsbeispiele Starkfeld- oder Schwachfeld-MRs aufweisen. Ein Schwachfeld-MR-Ausführungsbeispiel kann MRs aufweisen, die in der Halbbrückenkonfiguration angeordnet sind, die z. B. in 8 oben gezeigt ist. Die Brückenausgabe ist:
Das Subtrahieren der Hälfte der Versorgungsspannung und Normierung ergibt das Signal:
Ein Sensorsystem 800 von Schwachfeld-MR-Halbbrücken kann wie in 13 angeordnet sein, bei der N = 4. Während Schwachfeld-MRs im Hinblick auf 13 erörtert werden, können Starkfeld-MRs ebenfalls verwendet werden, so wie bei jeglicher anderen Figur oder bei Ausführungsbeispielen beide jeweils verwendet werden können, außer dies ist explizit anderweitig angegeben. Die Referenzrichtungs- und Vorspannungsfeld-Pfeilnotationen sind dieselben wie jene, die anderswo hierin verwendet werden. Sensoren 120 sind äquidistant entlang eines Lesekreises angeordnet beabstandet, der konzentrisch zu dem Leiter 140 ist, z. B. bei 0, 90, 180 und 270°. Das Vorspannungsmagnetfeld des Sensors 120 hat eine y'-Referenzrichtung, wohingegen das strominduzierte Magnetfeld eine x'-Referenzrichtung aufweist. Somit wird ein homogenes Störfeld B →_d = B_d(cosδn →_x + sinδn →_y) angenommen, das dann in eine auf dem Koordinatensystem basierende Azimuth-Position Ψ der Sensoren 810 transformiert wird:
Sensor bei 0°:

Sensor bei 90°:

Sensor bei 180°:

Sensor bei 270°:
Das abgetastete Ausgangssignal
kann bei jeder Azimuth-Position 0°, 90°, 180°, 270° bestimmt und für alle Sensoren 120 summiert werden, und das Ergebnis kann in eine Taylor-Reihe bis zu zweiter Ordnung für einen kleinen Wert B_d (d. h. Störfeld) ausgedehnt werden, um die Winkelfehler anzunähern. Wenn das Vorspannungsmagnetfeld B_b größer ist als das Störfeld B_d, ist die strominduzierte Magnetfeldkomponente B_y, größer als Null. Als solches wird der Mittelwert aller vier Signale:
mit dem Prozentfehler
Das System bestimmt den geschätzten Strom durch I = (2/μ₀)πR(a + bB_b)arctanh(AVG), wobei R durch die Konstruktion gegeben ist, a und b Parameter des MR sind und B_b das bekannte Vorspannungsfeld ist. Natürlich kann die inverse hyperbolische Funktion angenähert werden durch eine Serienexpansion oder andere mathematische Verfahren (z. B. Spline-Interpolation oder Nachschlagtabellen).
Bei einem Beispiel, bei dem a = 12 mT, b = 1,25, ist das Vorspannungsfeld 15 mT, das Störfeld ist 3 mT und es liegt ein Leseradius R = 8 mm vor, ein Prozentfehler von 0,25% wird bei kleinen Strömen und sogar weniger bei großen Strömen bestimmt. Somit ist ersichtlich, dass der Prozentfehler unter ungefähr 1% beibehalten werden kann, wenn das Vorspannungsmagnetfeld zumindest fünfmal größer ist als das Störfeld.
Somit wird der Algorithmus für Schwachfeld-MRs in der auf 13 bezogenen Erörterung erklärt, während der Algorithmus für Starkfeld-MRs nachfolgend erörtert wird. Beide Algorithmen haben Ähnlichkeiten: Abtasten von Signalen aller Elemente 120, Berechnen ihres Mittelwerts und Herleiten des Stroms. Der letzte Schritt verwendet jedoch unterschiedliche Formeln: Für Starkfeld-MRs umfasst die Gleichung eine Quadratwurzel, wohingegen für Schwachfeld-MRs die Gleichung eine hyperbolische Tangente umfasst. Die Signale von Elementen 120 sind Sx', wenn die Elemente 120 perfekt ausgerichtet sind (in beiden Fällen ist Sx' die Ausgabe einer Halbbrücken- oder Vollbrücken-Schaltung). Wenn die Elemente 120 nicht genau radial ausgerichtet sind, kann ein zusätzliches Signal Sy' verwendet werden (und was für Starkfeld-MRs erörtert wurde, aber dasselbe gilt für Schwachfeld-MRs). Allgemein ausgedrückt, wenn Elemente 120 nicht genau ausgerichtet sind, können sowohl Sx' als auch Sy' verwendet werden, wodurch Sx' und Sy' Brückenausgaben von MRs mit unterschiedlichen Referenzrichtungen sind (d. h. nicht notwendigerweise entlang +/–x' und +/–y', sondern alle anderen Richtungen sind ebenfalls möglich, insbesondere für AMRs wo die Referenzrichtungen von MRs bei jeder Halbbrücke nicht antiparallel sondern orthogonal sind und dann die Referenzrichtungen zwischen unterschiedlichen Halbbrücken nicht bei +/–90° sondern bei +/–45° sind).
Z. B. und Bezug nehmend auf 14 ist ein Einzelsensorchip 121 an der Azimuth-Position Ψ gezeigt. Obwohl idealerweise der Sensorchip 121 mit der radialen Richtung ausgerichtet ist, ist in 14 eine kleine Fehlausrichtung ϑ z. B. aufgrund von Anordnungstoleranzen gezeigt. Die Transformation von Magnetflussdichtevektoren zwischen den zwei Referenzsystemen (x, y) und (x', y') ist:
aus der Folgendes hergeleitet werden kann:
Der rechte Ausdruck in dieser Gleichung bedeutet, dass Sensorelemente, die genau mit dem Vorspannungsfeld ausgerichtet sind (d. h. für die ϑ = 0) nur das Signal Sx' und nicht Sy' benötigen.
Bezugnehmend dann auf 15 werden bei 710 die Signale Sx' aller N Sensorelemente 120 abgetastet. Optional können die Signale Sy' aller N Sensorelemente 120 ebenfalls abgetastet werden. Bei 712 wird der Sinus wird der Sinus der Winkeldifferenz (sin Δφ) für alle N Sensorelemente 120 hergeleitet. Bei 714 wird der Mittelwert aller Sinusse der Winkeldifferenz bestimmt, und bei 716 wird der Strom hergeleitet.
Genauer gesagt sei ein Sensorelement an Position (R, ψ) angenommen, wo das Magnetfeld in der Ebene wie folgt ist:
wobei μ₀ die magnetische Permeabilität von freiem Raum ist, I der zu messende Strom ist, (ε_R,χ) radiale und azimutale Koordinate der Mitte des (z. B. kreisförmigen) Leiters sind, B_b,x und B_b,y x- und y-Komponenten des Vorspannungsfeldes des Magnetelements an Position (R, ψ) sind und B_d,x und B_d,y die x- und y-Komponente einer homogenen magnetischen Störung sind. In einem idealen Fall zeigt das Vorspannungsfeld genau in der radialen Richtung und ist gleichmäßig an allen Azimuth-Orten beabstandet: B_b,x(R, ψ)B_bcosψ, B_b,y(R, ψ) = B_bsinψ.
In der Praxis jedoch haben die Vorspannungsmagnete eine gewisse Toleranz B_b(ψ) und eine kleine Fehlausrichtung α, sodass: B_b,x(R, ψ) = B_b(ψ)cos(ψ + α), B_b,y(R, ψ) = B_b(ψ)sin(ψ + α).
Wenn alle Toleranzen ε_R = α = 0 und die magnetischen Störungen B_d,x = B_d,y = 0 vernachlässigt werden, wird das Feld in der Ebene:
Der Winkel zwischen der radialen Richtung n →_R = cosψn →_x + sinψn →_y und dem Feld in der Ebene B_xn →_x + B_yn →_y ist bezeichnet durch Δφ. Er ist gegeben durch:
wobei A das Vektorprodukt bezeichnet. Dies ist äquivalent zu:
Das Einfügen der zwei Formeln (F1), (F2) oben ergibt:
Somit ist ein mögliches Sensorprinzip zuerst sin Δφ zu messen und dann die letzte Gleichung zu verwenden, um den Strom I zu bestimmen.
Als nächstes sei angenommen, dass eine kleine magnetische Störung B_d,x ≠ 0, B_d,y = 0 vorhanden ist. Dann enthält die Formel für sinΔφ (d. h. der Sinus der Differenz zwischen Azimuth-Position und Winkeln des Feldes in der Ebene) verschiedene Ausdrücke mit dem Störfeld. Jedoch wenn
bestimmt wird, ergibt sie dasselbe Ergebnis
was beweist, dass homogene Störungen aus dem Signal
herausgelöscht werden. In der Praxis kann dieses Signal nicht in einem strikten Sinn bestimmt werden, da sinΔφ unendlich dicht auf dem Lesekreis abgetastet werden müsste. Somit kann das Integral durch eine Summe über N Ausdrücke angenähert werden:
Somit tastet im Allgemeinen das Sensorsystem, das die Starkfeld-MRs aufweist, die Werte
an den Azimuth-Koordinaten ψ = 2 πm/N für m = 0, 1, ..., N – 1 ab. Dann bestimmt es ihren Mittelwert AVG und setzt ihn gleich
Diese Gleichung wird nach I aufgelöst, was die Ausgabe für den gemessenen Strom ist:
Die radiale Distanz R ist durch Konstruktion gegeben.
Das Ergebnis ist proportional zu dem Vorspannungsmagnetfeld. Wenn das Vorspannungsmagnetfeld ungenau ist (z. B. es driftet über Temperatur oder Lebensdauer), driftet entsprechend auch das Ergebnis. Daher kann es vorteilhaft sein, Vorspannungsmagnete zu verwenden, die hochstabil sind (z. B. Seltenerde-Magnettypen, wie z. B. SmCo-Magneten mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten). Umgekehrt ist es ebenfalls möglich, einen Magnetfeldsensor hinzuzufügen, wie z. B. eine Hall-Platte oder einen vertikalen Hall-Sensor, der einen niedrigen Nullpunktfehler aufweist (z. B. unter 50 μT), über Temperatur und Lebensdauer hochstabil ist (z. B. weniger als 1% Drift), und nicht beeinflusst wird durch Nebensprechen orthogonaler Magnetfeldkomponenten, um die Stärke des Vorspannungsmagneten kontinuierlich oder in regelmäßigen Intervallen zu messen. Dieser Wert kann an den Algorithmus kommuniziert werden, der den Strom bestimmt (so wird B_b oder zumindest dessen Komponente in der radialen Richtung gemessen und in die Formel für I eingefügt).
Ein einfacherer Ansatz kann es sein, einen Temperatursensor zu jedem (oder zumindest einem) Winkelsensor bei Ausführungsbeispielen hinzuzufügen. Der Temperatursensor kann die Temperatur des Vorspannungsmagneten messen, und der Algorithmus kann eine systematische Temperaturabhängigkeit des Vorspannungsmagneten erklären. Wenn die Sensorelemente MR-Voll- oder Halb-Brücken-Schaltungen sind, weist ihr Stromverbrauch bei einer festen Versorgungsspannung eine gut definierte Temperaturabhängigkeit auf, derart, dass die MRs selbst als solcher Temperatursensor verwendet werden können.
Eine Hintergrundmagnetfeldunterdrückung kann verbessert werden, wenn das Störfeld klein relativ zu dem Vorspannungsfeld ist. Dies stellt eine Untergrenze für nützliche Vorspannungsfelder ein. Ferner benötigen viele Typen von Starkfeld-MRs ein Minimalfeld (z. B. ungefähr 10 mT oder 20 mT), um genau zu arbeiten. Bei einem schwindenden Strom ist nur das Vorspannungsfeld übrig und somit sollte es bei Ausführungsbeispielen nicht zu klein sein. Somit sollte das Vorspannungsfeld groß genug sein, obwohl das System immer noch bei übermäßigen Überströmen arbeitet, wenn das Feld des Stroms viel größer ist als das Vorspannungsfeld.
Andererseits kann ein großes Vorspannungsfeld bedeuten, dass die gemessene Winkeldifferenz Δφ klein ist. Da die meisten MRs einen gewissen Nullpunktfehler aufweisen (z. B. aufgrund einer Fehlanpassung von Elementen oder kleinen Asymmetrien der Sensoren) führt dies zu einem Nullpunktfehler des gemessenen Stroms. Dieser Versatzstrom ist größer, wenn der Voll-Skala-Ausschlag bzw. die Schwingung von Δφ klein ist, d. h. bei einem großen Vorspannungsfeld. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn das Vorspannungsfeld nicht übermäßig groß ist. Anders ausgedrückt sind Nullpunkt-Genauigkeit und Hintergrundfeld-Löschung konkurrierende Herausforderungen bei dem Sensorsystementwurf und der Implementierung, können aber bei Ausführungsbeispielen ausgeglichen werden oder in Situationen angepasst werden, in denen das eine oder andere wichtiger ist, einfacher zu steuern ist oder auch gemäß einem anderen Faktor.
Ausführungsbeispiele können auch die Robustheit im Hinblick auf Positionstoleranzen zwischen dem Leiter und dem Sensorsystem berücksichtigen, wie hierin bereits erwähnt wurde. Z. B. wird erinnert an die Gleichungen (F1) und (F2) oben. Die Gleichungen (F1) und (F2) können in eine Taylor-Serie für kleine ε_R bis zur zweiten Ordnung entwickelt werden, wobei α = B_d = 0 (d. h. perfekt ausgerichtete Vorspannungsfelder und schwindendes Störfeld).
Dann wird Folgendes bestimmt:
für ψ = 2 πm/N. Für N = 3, 4, 5 ... ist das Ergebnis:
wobei der zweite Ausdruck in den Klammern der Prozentfehler aufgrund einer Positionstoleranz ist. Er ist quadratisch bei ε_R/R und nimmt quadratisch ab mit großen Vorspannungsfeldern bei kleinen und moderaten Strömen, wobei er zu einem Maximum von ε 2 / R/(2R)² für große Ströme neigt. Für ein Ausführungsbeispiel von R = 8 mm, ε_R = 1 mm, B_b = 15 mT und I = 1000 A beträgt er 0,3%, was relativ gut ist. Ferner ist jegliches Sensorsystem, das robust gegen kleine Platzierungsfehler des Leiters ist, gleichzeitig robust gegen Fehler aufgrund von Leiterquerschnitten, die von einer Rotationssymmetrie abweichen.
Für eine Robustheit gegen externe magnetische Störungen kann die Berechnung wiederholt werden für ε_R = α = 0 und B_d ≠ 0, mit (F1) und (F2) entwickelt bis zur zweiten Ordnung bei B_d. Für N = 3, 4, 5 ..., folgt, dass:
Die Störung führt nicht zu einem additiven Fehler (z. B. Versatz- oder Nullpunkt-Fehler) sondern eher zu einem multiplikativen (z. B. Verstärkungs-)Fehler, der am größten bei kleinen Strömen ist und wo der Prozentfehler durch den zweiten Ausdruck in den Klammern gegeben ist: (B_d/(2B_b))². Somit kann das Verhältnis von Störung über Vorspannungsfeld entscheidend sein. Der Fehler ist weniger als 1%, wenn das Vorspannungsfeld zumindest fünfmal größer ist als die Störung. Somit kann ein Vorspannungsfeld von 15 mT den Fehler aufgrund von homogenen Störungen bis zu 3 mT unter 1% halten.
Somit werden Ausführungsbeispiele von kernlosen Magnetfeldstromsensoren, Systeme und Verfahren offenbart. Bei Ausführungsbeispielen können die Sensoren, Systeme und/oder Verfahren verwendet werden, um einen Strom in einem Leiter zu bestimmen, zu schätzen oder herzuleiten oder um zumindest einen Parameter des Stroms zu bestimmen, zu schätzen oder herzuleiten, wie z. B. dessen Größe, Vorzeichen, ob er über oder unter einer bestimmten Schwelle liegt, den rms-Wert eines Wechselstroms oder einen anderen gewünschten Parameter oder eine Charakteristik.
Verschiedene Ausführungsbeispiele von Systemen, Vorrichtungen und Verfahren wurden hierin beschrieben. Diese Ausführungsbeispiele sind ausschließlich beispielhaft und sollen den Schutzbereich der Erfindung nicht einschränken. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die verschiedenen Merkmale der Ausführungsbeispiele, die beschrieben wurden, auf verschiedene Weisen kombiniert werden können, um zahlreiche zusätzliche Ausführungsbeispiele zu erzeugen. Ferner, während verschiedene Materialien, Abmessungen, Formen, Konfigurationen und Orte etc. zur Verwendung mit offenbarten Ausführungsbeispielen beschrieben wurden, können auch andere abgesehen von jenen, die offenbart wurden, verwendet werden, ohne über den Schutzbereich der Erfindung hinauszugehen.
Fachleute auf dem entsprechenden Gebiet der Technik werden erkennen, dass die Erfindung weniger Merkmale aufweisen kann, als bei jeglichen der oben beschriebenen individuellen Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele sollen keine erschöpfende Darstellung der Möglichkeiten sein, wie die verschiedenen Merkmale der Erfindung kombiniert werden können. Dementsprechend sind die Ausführungsbeispiele keine sich gegenseitig ausschließenden Kombinationen von Merkmalen; stattdessen kann die Erfindung eine Kombination aus unterschiedlichen, individuellen Merkmalen aufweisen, die aus unterschiedlichen individuellen Ausführungsbeispielen ausgewählt sind, wie ein Fachmann auf dem Gebiet ohne weiteres erkennen kann. Ferner können Elemente, die im Hinblick auf ein Ausführungsbeispiel beschrieben sind, bei anderen Ausführungsbeispielen implementiert sei, auch wenn dies bei solchen Ausführungsbeispielen nicht beschrieben ist, außer anderweitig angegeben. Obwohl ein abhängiger Anspruch in den Ansprüche auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen Bezug nehmen kann, können andere Ausführungsbeispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand von jedem anderen abhängigen Anspruch oder einer Kombination von einem oder mehreren Merkmalen mit einem anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruch umfassen. Solche Kombinationen werden hierin vorgeschlagen, außer es ist angegeben, dass eine spezifische Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner ist es beabsichtigt, auch Merkmale eines Anspruchs in jeglichen anderen unabhängigen Anspruch aufzunehmen, auch wenn dieser Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängig ist.
Jede Aufnahme durch Bezugnahme auf Dokumente oben ist derart eingeschränkt, dass kein Gegenstand aufgenommen ist, der der expliziten Offenbarung hierin entgegensteht. Jegliche Aufnahme durch Bezugnahme auf obige Dokumente ist ferner derart eingeschränkt, dass keine Ansprüche, die in den Dokumenten umfasst sind, hierin durch Bezugnahme aufgenommen sind. Jegliche Aufnahme durch Bezugnahme auf Dokumente oben ist wiederum derart eingeschränkt, dass jegliche Definitionen, die in den Dokumenten gegeben sind, nicht durch Bezugnahme hierin aufgenommen sind, außer diese sind ausdrücklich hierin aufgenommen.

Claims

Ein Stromsensorsystem zum Erfassen eines Stroms in einem Leiter aus einem dadurch induzierten Magnetfeld, umfassend: eine Mehrzahl N magnetoresistiver (MR) Sensoren, die auf einem Kreis angeordnet sind, der konzentrisch zu einer Mitte des Leiters ist, und die voneinander um 360°/N beabstandet sind, wobei jeder MR-Sensor eine Empfindlichkeitsebene aufweist und auf eine Projektion des Magnetfeldes in die Empfindlichkeitsebene anspricht, wobei die Empfindlichkeitsebenen der Mehrzahl der MR-Sensoren parallel sind, und wobei die Mehrzahl der MR-Sensoren relativ zu dem Leiter derart angeordnet sind, dass das Magnetfeld eine nicht schwindende Komponente parallel zu der Empfindlichkeitsebene aufweist; zumindest ein Magnetelement, das angeordnet ist, um ein Bias-Magnetfeld an der Mehrzahl der MR-Sensoren bereitzustellen; und eine Schaltungsanordnung, die mit der Mehrzahl der MR-Sensoren gekoppelt ist, um zumindest einen Parameter des Stroms in dem Leiter durch Kombinieren von Signalen von jedem der Mehrzahl der MR-Sensoren zu bestimmen.
Das Stromsensorsystem gemäß Anspruch 1, wobei N größer oder gleich 2 ist.
Das Stromsensorsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei jeder MR-Sensor eine Halbbrückenschaltung aus Magneto-Widerständen aufweist.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 3, wobei jeder MR-Sensor einen Sensorchip aufweist und die Halbbrückenschaltung auf dem Sensorchip angeordnet ist.
Der Stromsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl der MR-Sensoren Schwachfeld- oder Starkfeld-MR-Sensoren aufweisen.
Der Stromsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der ferner eine Stützstruktur aufweist, wobei die Mehrzahl der MR-Sensoren auf der Stützstruktur angeordnet ist.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 6, wobei die Stützstruktur eine Apertur aufweist und wobei der Leiter in der Apertur angeordnet ist.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 7, wobei eine Mitte der Apertur mit der Mitte des Leiters ausgerichtet ist.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 7 oder 8, wobei die Apertur sich einwärts von einer Seite der Stützstruktur erstreckt.
Der Stromsensor gemäß Anspruch 9, wobei das zumindest eine Magnetelement einen einzelnen Permanentmagneten mit einer Apertur aufweist, und wobei der Leiter in der Apertur der Stützstruktur und in der Apertur des einzelnen Permanentmagneten angeordnet ist.
Der Stromsensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Schaltungsanordnung auf der Stützstruktur angeordnet ist.
Der Stromsensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Mehrzahl der MR-Sensoren zwischen der Stützstruktur und dem zumindest einen Magnetelement angeordnet ist.
Der Stromsensor gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei das zumindest eine Magnetelement N Magnetelemente aufweist, und wobei jeder der N MR-Sensoren ein zugeordnetes eines der N Magnetelemente aufweist.
Der Stromsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Mehrzahl der MR-Sensoren aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus: Tunnel-MRs (TMRs); Riesen-MRs (GMRs); anisotropen MRs (AMRs) und kolossalen MRs (CMRs).
Der Stromsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei Richtungen der Bias-Magnetfelder auf benachbarten der Mehrzahl der MR-Sensoren sich um einen Winkel von 360°/N unterscheiden.
Der Stromsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Verhältnis eines Magnetfeldes, das sich auf den Strom in dem Leiter bezieht, der durch einen der Mehrzahl der MR-Sensoren erfasst wird, zu dem Bias-Magnetfeld an einem der Mehrzahl der MR-Sensoren dasselbe für jeden der Mehrzahl der MR-Sensoren ist.
Der Stromsensor gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, der ferner zumindest einen Magnetfeldsensor aufweist, der ausgebildet ist, um eine Stärke des Bias-Magnetfeldes zu detektieren.
Ein Verfahren, umfassend: Anordnen eines Sensorsystems in der Nähe eines Leiters, wobei das Sensorsystem eine Mehrzahl N von magnetoresistiven (MR) Sensoren aufweist, die auf einem Kreis angeordnet sind, der konzentrisch zu einer Mitte des Leiters ist, und die voneinander um 360°/N beabstandet sind; Bereitstellen eines Bias-Magnetfeldes an der Mehrzahl der MR-Sensoren; Verursachen eines Stromflusses in dem Leiter; und Erfassen eines Magnetfeldes, das durch den Strom induziert wird, und auf jeden der Mehrzahl der MR-Sensoren wirkt; und Schätzen von zumindest einem Parameter des Stroms in dem Leiter durch Kombinieren von Signalen, die sich auf das Magnetfeld beziehen, von jedem der Mehrzahl der MR-Sensoren.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Schätzen ferner das Verwenden einer erfassten Charakteristik aufweist, die sich auf das Bias-Magnetfeld bezieht, um den Strom in dem Leiter zu schätzen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18 oder 19, wobei das Anordnen ferner das Anordnen von zumindest einem Magnetelement des Sensorsystems in der Nähe der Mehrzahl von MR-Sensoren aufweist, und wobei das Bereitstellen ferner das Bereitstellen eines Bias-Magnetfeldes an der Mehrzahl von MR-Sensoren durch das zumindest eine Magnetelement aufweist.