DE3878281T2

DE3878281T2 - Sensor mit einem magneto-elektrischen messwandler.

Info

Publication number: DE3878281T2
Application number: DE8888105535T
Authority: DE
Inventors: Michiko Fujitsu Limited Endoh; Yuji Fujitsu Limited Pa Kojima; Shigemi Fujitsu Limi Kurashima; Nobuyoshi Fujitsu Limi Shimizu; Akira Fujitsu Limited P Tanaka; Noboru Fujitsu Limit Wakatsuki; Hideaki Fujitsu Limited P Yoda
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1987-04-09
Filing date: 1988-04-07
Publication date: 1993-05-27
Anticipated expiration: 2008-04-08
Also published as: EP0286079A2; KR910004261B1; EP0286079B1; KR890000880A; US5049809A; EP0286079A3; DE3878281D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fühlanordnungen, bei welchen magnetoresistive Elemente von einem Magneto-Widerstandskopf-Typ (barber-pole type) verwendet werden, beispielsweise zur Messung von elektrischem Strom oder elektrischer Energie.
Es gibt viele Typen von Meßinstrumenten zur Messung von elektrischem Strom. Allgemein ausgedrückt wird elektrischer Strom durch ein Instrument detektiert oder gemessen, bei welchem eine sich bewegende Spule oder ein sich bewegendes Eisenstück, das drehbar ist und als Indikator dient, zwischen permanentmagnetpolstücke oder stromführende fixierte Spulen gesetzt wird. Das Instrument ist vergleichsweise groß und weist ein Isolierungsproblem auf, insbesondere bei der Verwendung in der schaltungstechnik mit hohen Spannungen. Ein weiterer Typ eines Instruments, bei dem ein Stromwandler verwendet wird, hat insofern Vorteile, als große Ströme gemessen werden können, und als das Isolierungsproblem abgeschwächt werden kann, weist jedoch insofern Nachteile auf, als das Instrument sehr groß ist, und es schwierig ist, Strom mit Komponenten mit hoher Frequenz zu messen.
In letzter Zeit wurden magnetoelektrische Wandler, wie Hall-Effekt-Elemente und magnetoresistive Elemente, zur Messung von elektrischem Strom verwendet, ohne ein derartiges Element direkt in eine Lastschaltung einzusetzen.
Derartige Elemente detektieren das Magnetfeld, das rund um einen leitenden Draht erzeugt wird, durch den Laststrom fließt. Daher kann ein derartiges Element von der Lastschaltung isoliert installiert werden und viele Anwendungen für Detektier- und Meßzwecke finden.
Bei einem Hall-Effekt-Element wird die Charakteristik verwendet, daß ein elektrischen Strom führendes Material (üblicherweise ein Halbleitermaterial), das in einem Magnetfeld angeordnet ist, welches senkrecht zur Flußrichtung des Stroms verläuft, eine sowohl zum Strom als auch zum Magnetfeld senkrechte Spannung erzeugt. Wenn das an das Hall-Effekt-Element angelegte Magnetfeld aus einem zu messenden Laststrom erzeugt wird, gibt der Spannungsausgang aus dem Hall-Effekt-Element Daten an, die auf den Laststrom ansprechen (diesen anzeigen) und auch auf die Charakteristiken des Hall-Effekt-Elements selbst ansprechen. Das Hall-Effekt-Element ist im wesentlichen ein Mehrfachanschluß-Element (zumindest drei Anschlüsse) und weist Stromeingangsanschlüsse und Spannungsausgangsanschlüsse auf.
Bei einem magnetoresistiven Element wird die Charakteristik verwendet, daß ein stromführender Widerstand eines ferromagnetischen Materials erhöht oder vermindert wird, wenn das Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Wenn das Magnetfeld von einem (zu messenden) Laststrom erzeugt wird, ändert sich der Strom durch das magnetoresistive Element in Abhängigkeit vom Laststrom. Das magnetoresistive Element ist im wesentlichen ein Element mit zwei Anschlüssen.
Ein Beispiel eines Strommeßinstruments, bei welchem ein magnetoresistives Element verwendet wird, ist in der Japanischen Tokukaisho 59-79860, Matsumoto, geoffenbart und in Fig.1 gezeigt.
In Fig.1 fließt ein zu messender elektrischer Strom entlang einem leitenden Draht 1, der sich vertikal zur Ebene der Figur erstreckt. Eine magnetoresistive Schicht 2 aus ferromagnetischem Material, wie einer Fe-Ni-Legierung, ist in Streifenform auf einem isolierenden Substrat 5 gebildet, und zwei Anschlüsse 3, 4 sind an beiden gedehnten Enden der magnetoresistiven Schicht 2 gebildet. Ein Magnetkern 6 ist derart vorgesehen, daß ein rund um den leitenden Draht 1 erzeugtes Magnetfeld leicht eine Magnetschleife 7 bilden kann, die den Magnetkern 6 und die magnetoresistive Schicht 2 durchdringt. Wenn ein Spannungsabfall über den Anschlüssen 3 und 4 gemessen wird, wodurch bewirkt wird, daß ein kleiner konstanter Strom durch die magnetoresistive Schicht 2 fließt, liefert dies Daten bezüglich des elektrischen Widerstands zwischen den zwei Anschlüssen 3 und 4. Wenn sich dieser Widerstand unter dem Einfluß des vom Laststrom (dem Strom im Draht 1) erzeugten Magnetfeldes ändert, liefert dies Daten bezüglich des Laststroms.
Eine Detektorstruktur dieses Typs benötigt einen vergleichsweise großen Magnetkern, und außerdem bringt Erdmagnetismus einen Fehlerfaktor in die gemessenen Daten ein.
Auf ähnliche Weise kann elektrischer Strom unter Verwendung eines Hall-Effekt-Elements gemessen werden, wie in Fig.2 gezeigt. Wenn Anschlüsse Ta mit einer Konstantspannungsquelle V verbunden sind, wodurch bewirkt wird, daß ein kleiner Strom i durch das Hall-Effekt-Element 8 fließt, und ferner, wenn ein Lastrom I zwischen Anschlüssen Ta' fließt, der ein Magnetfeld B vertikal zum Hall-Effekt-Element 8 erzeugt, wird eine Spannung v (Hall-Spannung) detektiert, wobei die Spannung über das Hall-Effekt-Element vertikal sowohl zu i als auch B induziert wird.
Das in Fig.2 gezeigte Hall-Effekt-Element kann zur Messung elektrischer Energie verwendet werden. Wenn die Anschlüsse Ta mit einer Energiequelle verbunden sind, die gleichzeitig den Laststrom durch Anschlüsse Ta' zuführt, kann eine induzierte Hall-Spannung v, die zur elektrischen Energie proportional ist, gemessen werden, da der Strom i durch das Hall-Effekt-Element 8 zur Spannung V der Energiequelle proportional ist, und das angelegte Magnetfeld B zum Lastrom I proportional ist. Wenn eine Gleichstrom-Energiequelle verwendet wird, wird direkt ein Gleichstromausgang erhalten. Andererseits liefert, wenn eine Wechselstrom- Energiequelle verwendet wird, die Ausgangsspannung aus dem Hall-Effekt-Element eine fluktuierende Wellenform einer verdoppelten Frequenz, da die Polaritäten sowohl des Magnetfelds als auch der Richtung des Stromflusses im Hall-Effekt-Element jeden Halbzyklus umgekehrt werden. Wenn die Ausgangsdaten gemittelt werden, gibt dies elektrische Energie an.
Wenn ein Hall-Effekt-Element in einem Meßinstrument verwendet wird, ist es notwendig, das Element gegenüber äußeren Magnetfeldern, insbesondere Erdmagnetismus, abzuschirmen. Dies erhöht die Größe des Instruments.
In Journal of Physics, E-Scientific Instruments, 19 (1986), Juli, Nr.7, Bristol, Great Britain, S.502-515, wird in einem Artikel mit dem Titel "The permalloy magnetoresistive sensors-properties and applications" die Verwendung von magnetoresistiven permalloy-Elementen zum Fühlen eines Magnetfelds geoffenbart.
Die Verwendung von Sensoren vom Magneto-Widerstandskopf-Typ, beispielsweise in einer Brückenanordnung, ist geoffenbart. Stromsensoren sind geoffenbart.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Fühlanordnung geoffenbart, bei welcher magnetoresistive Elemente von einem Magneto-Widerstandskopf-Typ (barber-pole type) verwendet werden, wobei die genannte Anordnung umfaßt:
einen leitenden Teil, beispielsweise einen leitenden Draht, durch welchen ein zu fühlender elektrischer Strom fließt, der ein Magnetfeld rund um den genannten leitenden Teil erzeugt;
ein Substrat;
eine Vielzahl der genannten magnetoresistiven Elemente, die auf dem Substrat gebildet sind, wobei jedes oder zumindest eines dieser Elemente eine Funktion zur Ausgabe eines elektrischen Signals aufweist, ansprechend auf das genannte Magnetfeld;
eine Einrichtung zum Anordnen des leitenden Teils in unmittelbarer Nähe zu den genannten magnetoresistiven Elementen oder zum genannten zumindest einen der Elemente; und
Einrichtungen zur Kombination elektrischer Signale, die aus den magnetoresistiven Elementen ausgegeben werden, und zur Ausgabe eines kombinierten Signals, dessen Wert vom genannten elektrischen Strom abhängig ist;
dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente der Vielzahl in einer Ringform rund um eine zentrale Zone angeordnet sind, und jedes magnetoresistive Element der Vielzahl ein Mäandermuster aufweist, wobei das genannte Muster alternierend nach außen gerichtete Streifen, die von der genannten zentralen Zone nahezu in radialer Richtung wegführen, und Rücklaufstreifen umfaßt, die zur zentralen Zone zurückführen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Fühlanordnung für elektrischen Strom mit einer einfachen und kompakten Struktur unter Verwendung magnetoelektrischer Wandler vorsehen.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Fühlanordnung vorsehen, die über einen weiten Frequenzbereich, von Gleichstrom bis zu einer hohen Frequenz, verwendet werden kann.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Fühlanordnung vorsehen, die zum Detektieren von elektrischer Energie sowie elektrischem Strom verwendet werden kann.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann eine Fühlanordnung mit kompakter Größe und hoher Präzision vorsehen, die zur Messung sowohl von Gleichstrom (DC) als auch Wechselstrom (AC) verwendet werden kann.
Es wird anhand von Beispielen auf die beigeschlossenen Zeichnungen bezuggenommen, in denen:
Fig.1 eine schematische Draufsicht eines in der Japanischen Tokukaisho 59-79860 geoffenbarten magnetoresistiven Elements ist;
Fig.2 eine schematische Darstellung einer Meßschaltung für elektrische Energie ist, bei welcher ein Hall-Effekt- Element verwendet wird;
Fig.3 schematisch eine in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Grundkonfiguration veranschaulicht;
Fig.4 schematisch eine in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Grundfühlanordnung veranschaulicht, bei welcher magnetoresistive Elemente angeordnet sind, um eine Brückenschaltung zu bilden;
Fig.5 schematisch eine weitere in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Grundfühlanordnungskonfiguration veranschaulicht, bei welcher zwei magnetoresistive Elemente in Serie geschaltet sind;
Fig.6 ein schematisches Blockbild ist, das die Messung elektrischer Energie unter Verwendung von vier magnetoresistiven Elementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig.7 ein weiteres schematisches Blockdiagramm ist, das die Messung elektrischer Energie unter Verwendung von zwei magnetoresistiven Elementen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht;
Fig.8 ein magnetoresistives Element von einem in I.E.E.E. Trans. Magnetics, 1975, geoffenbarten Magneto- Widerstandskopf-Typ zeigt;
Fig.9 ein Kurvenbild ist, das eine lineare Änderung des elektrischen Widerstands eines magnetoresistiven Elements vom Magneto-Widerstandskopf-Typ mit einer Änderung eines vertikal an das Element angelegten Magnetfelds veranschaulicht;
Fig.10 eine Draufsicht ist, die das Muster der magnetoresistiven Elemente veranschaulicht, welche eine Brückenschaltung in einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Fühlanordnung bilden;
Fig.11 ein Schnitt gemäß der strichpunktierten Linie IV-IV in Fig.10 ist;
Fig.12 detailliert Abmessungen des Magneto-Widerstandskopf-Musters von Fig.10 zeigt;
Fig.13 eine vergrößerte Ansicht eines kleinen Teils B von Fig.10 ist;
Fig.14 ein weiteres Magneto-Widerstandskopf-Muster veranschaulicht, das in einem magnetoresistiven Element vom Magneto-Widerstandskopf-Typ in einer die vorliegenden Erfindung verkörpernden Fühlanordnung verwendet werden kann;
Fig.15 eine perspektivische Ansicht einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Fühlanordnung ist, welche in einem Modul montiert ist, wobei eine vordere Fläche abgebrochen ist;
Fig.16 eine Draufsicht ist, die das Muster magnetoresistiver Elemente in einer weiteren die vorliegende Erfindung verkörpernden Fühlanordnung veranschaulicht;
Fig.17(a) und 17(b) eine Draufsicht bzw. eine Ansicht sind, die relative Anordnungen eines leitenden Drahts und einer Fühlanordnung veranschaulichen;
Fig.18 ein Kurvenbild ist, das Testergebnisse veranschaulicht, die bei der Messung von elektrischem Strom unter Verwendung einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erhalten wurden;
Fig.19 schematisch ein weiteres Muster ähnlich jenem von Fig.10 veranschaulicht, wobei eine zweckmäßigere anfängliche Magnetisierung einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Anordnung gezeigt ist;
Fig.20 schematisch ein weiteres Muster ähnlich jenem von Fig.16 veranschaulicht, wobei eine zweckmäßigere anfängliche Magnetisierung einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Anordnung gezeigt ist;
Fig.21 einen Schnitt eines Durchgangslochs zeigt, das in einem Substrat einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Anordnung gebildet ist;
Fig.22(a) bis 22(c) eine Draufsicht, Unteransicht und Schnittansicht eines Durchgangslochs in einem Siliziumsubstrat einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Anordnung zeigen, welches Durchgangsloch durch ein anisotropes Ätzverfahren gebildet wird;
Fig.23(a) bis 23(d) eine Draufsicht, Unteransicht und zwei Schnittansichten eines Durchgangslochs in einem Siliziumsubstrat einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Anordnung zeigen, welches Durchgangsloch durch ein anisotropes Ätzverfahren auf andere Weise als in Fig.22(a) bis 22(c) gebildet wird;
Fig.24 ein schematisches Blockbild einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Anordnung zur Messung von elektrischer Energie unter Verwendung von zwei Fühlanordnungseinheiten ist;
Fig.25 ein schematisches Schaltbild einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Anordnung zur Messung von elektrischer Energie ist, wenn eine hohe Spannung eines Wechselstroms involviert ist;
Fig.26(a) bis 26(c) ein die Beziehung von Spannung, Strom und Energie veranschaulichendes Bild, ein Schaltbild einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Anordnung zur Messung von elektrischer Energie, wenn eine reine Widerstandslast und eine 10 Hz Wechselstrom-Energiequelle verwendet werden, bzw. mit der Anordnung erhaltene Testergebnisse veranschaulichen; und
Fig.27(a) bis 27(c) ein Spannung, Strom und Energie veranschaulichendes Bild, ein Schaltbild einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Anordnung zur Messung elektrischer Energie, wenn eine reine kapazitive Last und eine 100 Hz Wechselstrom-Energiequelle verwendet werden, bzw. mit der Anordnung erhaltene Testergebnisse zeigen.
Fig.3 veranschaulicht schematisch eine in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Grundkonfiguration. Ein zu messender elektrischer Strom 12 fließt durch einen leitenden Draht 11, wobei ein Magnetfeld 13 rund um den leitenden Draht 11 gebildet wird. Magnetoelektrische Wandler 14, 15 sind in in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Positionen rund um den leitenden Draht 11 angeordnet. Eine Kombinationseinheit 16 ist für die Ausgänge aus den magnetoelektrischen Wandlern vorgesehen. Wenn jeder der magnetoelektrischen Wandler 14, 15 die gleiche Charakteristik aufweist und dem vom Fluß des elektrischen Stroms 12 erzeugten Magnetfeld 13 ausgesetzt wird, wobei die Richtung des Magnetfelds für jeden der Wandler gleich ist, gibt jeder Wandler die gleiche Spannung mit der gleichen Polarität aus. Wenn diese Ausgänge unter Verwendung der Kombinationseinheit 16, wie eines Differenzverstärkers, kombiniert werden, wird daher der Ausgang hiervon verdoppelt.
Äußere störende oder ablenkende Magnetfelder, wie das Erdmagnetfeld, üben jedoch Einflüsse entgegengesetzter Polarität auf die magnetoelektrischen Wandler aus, und daher werden die Wirkungen derartiger Felder im Differenzverstärker aufgehoben.
Fig.4 veranschaulicht schematisch eine in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Konfiguration, bei welcher eine Vielzahl magnetoelektrischer Wandler verwendet wird, die eine Brückenschaltung bilden. Die Brücke gibt einen unsymmetrischen (nicht abgeglichenen) Strom aus, der von den Widerstandsänderungen der Wandler (in diesem Fall werden die magnetoresistiven Elemente 14-1 bis 14-3 und 15-1 bis 15-3 verwendet) auf Grund des vom elektrischen Strom 12 erzeugten Magnetfelds bewirkt wird. Dieser Detektor-Typ weist eine hohe Empfindlichkeit und verbesserte Meßpräzision auf.
In einer tatsächlichen Struktur sind die magnetoresistiven Elemente 14-1 und 14-2 und die Elemente 15-1 und 15-2 in in Umfangsrichtung (diametral) entgegegesetzten Positionen in bezug auf den zentralen leitenden Draht 11 angeordnet. Als magnetoresistives Element wird ein Element vom Magneto-Widerstandskopf-Typ (nachstehend erläutert) bevorzugt.
Die magnetoresistiven Elemente sind auf einem Substrat 18 aus einem Material, wie Glas, Silizium oder dgl., mit einem Durchgangsloch 19 im Zentrum der Brückenschaltung gebildet, welches der leitende Draht 11 durchdringt. Eine Konstantstromquelle oder eine Konstantspannungsquelle 20 ist mit einem ersten Paar Anschlüsse der Brücke und ein Verstärker 21 mit dem anderen Paar Anschlüsse der Brücke verbunden und verstärkt den unsymmetrischen (nicht abgeglichenen) Strom. Magnetoresistive Elemente werden durch Abscheidung von magnetoresistivem Material auf das Substrat und Mustern des Materials durch eine Photolithographietechnik gebildet. Die magnetoresistiven Elemente 14-3 und 15-3 sind zum Einstellen des Abgleichs der Brücke von vier magnetoresistiven Elementen 14-1, 14-2, 15-1 und 15-2 gebildet.
Wenn ein Strom 12 durch den leitenden Draht 11 fließt, bildet er rund um diesen ein Magnetfeld. Da die vier magnetoresistiven Elemente derart gebildet sind, daß das Magnetfeld zu einer Widerstandszunahme der magnetoresistiven Elemente 14-1 und 14-2 sowie andererseits zu einer Widerstandsabnahme der magnetoresistiven Elemente 15-1 und 15-2 oder umgekehrt führt, geht das Gleichgewicht der Brücke als Folge des Anlegens des Magnetfelds verloren, und eine unsymmetrische (nicht abgeglichene) Spannung tritt an den Ausgangsanschlüssen der Brücke auf. Der Ausgang des Verstärkers 21 gibt Werte proportional zum Strom 12 an.
Wenn Wechselstrom durch den leitenden Draht 11 fließt, kann eine Wechselausgangsspannung erhalten werden. Der Ausgang des Verstärkers 21 zeigt auch eine wechselnde Wellenform, die zum Strom 12 proportional ist.
Eine Vielzahl magnetoresistiver Elemente, welche die gleiche Polarität aufweisen und in Serie geschaltet sind, kann auch beim Detektieren von elektrischem Strom verwendet werden. Eine in Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung verwendete Konfiguration ist in Fig.5 veranschaulicht, bei welcher magnetoresistive Elemente 14-1 und 14-2 auf einem Substrat 18 gebildet und in in Umfangsrichtung diametral entgegengesetzten Positionen in bezug auf ein Durchgangsloch 19 angeordnet sind. Die magnetoresistiven Elemente 14-1 und 14-2 sind in Serie geschaltet und die Enden hiervon mit einer Konstantstromquelle 20 verbunden. Der Spannungsabfall über die zwei magnetoresistiven Elemente 14-1 und 14-2 ändert sich in Abhängigkeit von dem Widerstandsgesamtwert, der auf das durch den elektrischen Strom 12 bewirkte Magnetfeld anspricht. Durch Ablesen der Anzeige des Messers 20 kann der Strom 12 nach einer Kalibrierung gemessen werden. Diese Anordnungskonfiguration ist einfacher als jene von Fig.3 und 4.
Eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Fühlanordnung kann zum Detektieren und Messen elektrischer Energie verwendet werden. Fig.6 ist ein Blockbild einer Anordnung zur Messung von in einer Last 10 verbrauchter elektrischer Energie. Eine Brückenstruktur 80 von vier magnetoresistiven Elementen, wie in Fig.4 gezeigt ist, wird verwendet und ist mit einer Energiequelle 40 parallel verbunden. Ein Magnetfeldgenerator 13 ist mit der Last 10 in Serie eingesetzt.
Der Magnetfeldgenerator 13 kann eine einfache Spule oder ein leitender Draht 11 sein, der ein Durchgangsloch 19 durchdringt, wie in Fig.4. Ferner wirkt ein leitender Draht oder eine elektrischen Strom führende Spule, die nahe der Oberfläche der Brücke 80 angeordnet ist, als Magnetfeldgenerator 13. Es sollte jedoch zumindest eines der magnetoresistiven Elemente unter dem Einfluß des Magnetfeldgenerators 13 angeordnet sein. Fig.6 veranschaulicht einen Zustand, in welchem zwei magnetoresistive Elemente 14-1 und 15-2 angeordnet sind, um die Wirkung des Magnetfeldgenerators 13 zu empfangen.
Eine Energiequelle 40 ist zwischen Anschlüssen Ta der Brücke 80 angeschlossen, es wird jedoch kein Ausgang aus den Anschlüssen Tb detektiert, wenn die Brücke 80 in einem symmetrischen Zustand ist. Wenn ein Laststrom durch die Last 10 und den Magnetfeldgenerator 13 fließt, bewirkt das dadurch erzeugte Magnetfeld, daß sich die Widerstandswerte der magnetoresistiven Elemente 14-1 und 15-2 ändern, wobei ein Element zunimmt und das andere abnimmt, und dies bewirkt eine an den Anschlüssen Tb auszugebende unsymmetrische (nicht abgeglichene) Spannung. Ferner ändert sich die Ausgangsspannung an den Anschlüssen Tb auch proportional zur Spannung der Energiequelle 40. Daher ist die Ausgangsspannung an den Anschlüssen Tb proportional zu einem Produkt von Laststrom und Quellenspannung, was die der Last 10 zugeführte elektrische Energie bedeutet.
Eine weitere die Erfindung verkörpernde Anordnung zur Messung elektrischer Energie ist in Fig.7 gezeigt, wobei eine Anordnung magnetoresistiver Elemente ähnlich jener von Fig.5 verwendet wird. Zwei magnetoresistive Elemente 14-1 und 14-2 mit der gleichen Charakteristik sind in Serie geschaltet und parallel mit der Energiequelle 40 eingesetzt. Laststrom erzeugt ein Magnetfeld aus dem Magnetfeldgenerator 13, und das Magnetfeld bewirkt eine Widerstandsänderung in den magnetoresistiven Elementen 14-1 und 14-2, was zur Änderung des Detektorstroms führt. Andererseits ändert sich auch der Detektorstrom proportional zur Spannung der Energiequelle 40. Folglich ist die Komponente der Stromänderung durch die Detektorschaltung proportional zu einem Produkt von Laststrom und Quellenspannung, mit anderen Worten, zur der Last 10 zugeführten elektrischen Energie. In diesem Verfahren fließt Detektorstrom durch die magnetoresistiven Elemente, sogar wenn die Last gesperrt ist. In einer Anordnung unter Verwendung einer wie in Fig.6 gezeigten Brücke wird kein Ausgang beobachtet, wenn die Lastschaltung gesperrt ist; daher ist die Präzision der Anordnung von Fig.6 höher als jene der Anordnung von Fig.7.
Bei die vorliegende Erfindung verkörpernden Fühlanordnungen können einige Typen magnetoelektrischer Wandler verwendet werden, von denen Hall-Effekt-Elemente und magnetoresistive Elemente repräsentative Beispiele sind.
Bei einem Hall-Effekt-Element wird die Charakteristik verwendet, daß ein elektrischen Strom führendes Material, welches in einem Magnetfeld angeordnet ist, das senkrecht zur Richtung des Stroms ist, eine Spannung erzeugt, die sowohl zum Strom als auch zum Magnetfeld senkrecht ist.
Andererseits wird bei einem magnetoresistiven Element die Charakteristik verwendet, daß ein stromführender Widerstand eines ferromagnetischen Materials erhöht oder vermindert wird, wenn das Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird.
Diese Elemente können zum Detektieren oder Messen eines elektrischen Stroms durch Fühlen des vom elektrischen Strom erzeugten Magnetfelds verwendet werden.
Als Materialien von Hall-Effekt-Elementen werden Halbleiter, wie InSb, InAs, Ge und Si, verwendet.
Als Materialien magnetoresistiver Elemente werden ferromagnetische Materialien, wie Fe-Ni (Permalloy), CoNi, etc., auf Grund überlegener Charakteristiken bei einer Umgebungstemperaturänderung verbreitet verwendet.
Ferner sollte als magnetoelektrischer Wandler ein Hall-Effekt-Element als Mehrfachanschlußelement behandelt werden, während ein magnetoresistives Element als Element mit zwei Anschlüssen behandelt werden kann. Magnetoresistive Elemente haben insofern einen weiteren Vorteil, als komplizierte Muster einer Vielzahl von Elementen auf einem Substrat unter Verwendung einer Photolithographietechnologie gebildet werden können.
Ein magnetoresistives Element vom Magneto-Widerstandskopf-Typ, die im folgenden Bezugswerk geoffenbart ist, ist von Interesse.
K.E. Kuijk et al., "The Barber Pole, a Linear Magnetoresistive Head", I.E.E.E. Trans. Magnetics, Bd.Mag-11, Nr.5, Sept.1975.
Es ist geoffenbart, daß schräge Streifen 26 eines guten Leiters auf einer gemusterten Schicht aus ferromagnetischem Material gebildet sind, wie in Fig.8 gezeigt, wodurch der Winkel der Streifen in bezug auf die Vorzugsachse des Magnetismus (gezeigt durch den Pfeil M) auf ungefähr 45º eingestellt wird. Wie in Fig.9 veranschaulicht, ändert sich der elektrische Widerstand zwischen den Anschlüssen 42 und 43 nahezu linear rund um den Abszissenwert Hx/Ho = 0, wobei Ho das Sättigungsfeld der magnetoresistiven Schicht und Hx das angelegte transversale Magnetfeld zur Achse M bedeutet.
Die Ordinate in Fig.9 gibt ein Verhältnis der spezifischen Widerstandsänderung (für einen bestimmten Wert von Hx/Ho) zur maximalen spezifischen Widerstandsänderung an. Bei die vorliegende Erfindung verkörpernden Fühlanordnungen wird diese spezifische Widerstandscharakteristik oder Widerstandsänderung eines magnetoresistiven Elements verwendet.
In Fig.9 kehrt die Schräge (Steigung) des spezifischen Widerstands ihre Richtung in bezug auf eine vertikale Linie durch die Abszisse 0 in Abhängigkeit von (a) der Richtung eines angelegten Magnetfelds, (b) der Richtung der Schräge des Magneto-Widerstandskopf-Musters, (c) der Richtung der anfänglichen Magnetisierung der magnetoresistiven Schicht und (d) der Richtung des durch das magnetoresistive Element fließenden Stroms um. Wenn eine Vielzahl magnetoresistiver Elemente gebildet, gegenseitig auf einem Substrat verbunden und als Fühlanordnung verwendet wird, sollte die Richtung der Schräge von Magneto-Widerstandskopf-Mustern oder die Richtung anfänglicher Magnetisierung unter Berücksichtigung der bestimmten Anwendung der magnetoresistiven Elemente bestimmt werden.
Fig.10 bis 14 veranschaulichen eine detaillierte Struktur einer die vorliegende Erfindung verkörpernden Fühlanordnung mit einer Grundkonfiguration, wie in Fig.4 gezeigt. Fig.10 ist eine Draufsicht, die das auf einem Substrat gebildete Muster magnetoresistiver Elemente zeigt, und Fig.11 ist ein Schnitt gemäß der strichpunktierten Linie IV-IV in Fig.10, wobei vertikale Abmessungen in Fig.11 übertriebener dargestellt sind. Muster von vier magnetoresistiven Elementen 14-1, 14-2, 15-1 und 15-2 sind in Ringform auf dem Substrat 18 gebildet, wobei jedes Element ein Mäandermuster aufweist. Vier Anschlußflecken 22-1 bis 22-4 sind auf dem Substrat gebildet und mit jeweiligen Scheiteln der Brückenschaltung verbunden.
Das Muster der magnetoresistiven Elemente wird wie folgt gebildet. Erstens wird eine Isolierschicht 23, beispielsweise eine Siliziumdioxyd (SiO&sub2;)-Schicht, auf einem Siliziumsubstrat 18 gebildet. Als nächstes wird eine dünne Schicht 24 aus ferromagnetischen Materialien, wie Permalloy (Fe-Ni)-Legierung, auf die Isolierschicht 23 abgeschieden, und dann wird die ferromagnetische Schicht 24 unter Verwendung einer Photolithographietechnologie gemustert, was zur Bildung eines Musters wie in Fig.10 gezeigt führt.
Fig.13 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines kleinen Teils B von Fig.10. Jede in Fig.13 gezeigte Seitenlinie 29 des Mäander-Permalloy-Musters weicht um einen Winkel α von der strichpunktierten Linie 30 ab, die sich radial vom Zentrum des Durchgangslochs 19 erstreckt, wobei der leitende Draht 11 dieses durchdringt. Der Winkel α beträgt beispielsweise weniger als 5º. Alle vier Mäandermuster der magnetoresistiven Elemente 14-1, 14-2, 15-1 und 15-2 sind mit der Längsachse jedes Mäanderstreifens gebildet, der um den Winkel α in derselben Richtung verschoben ist. Der Grund hierfür ist, daß das Permalloy-Muster eines Mäanderstreifens nur geometrische Anisotropie aufweist, wenn es gebildet ist, und daher ist es notwendig, daß dem Permalloy-Muster durch eine anfängliche Magnetisierung eine elektromagnetische Anisotropie verliehen wird. Dies wird durch Leiten eines Starkstroms durch den leitenden Draht 11 erreicht, wobei ein Magnetfeld Hi rund um diesen erzeugt wird. Wie in Fig.13 gezeigt, ist die Richtung des Magnetfelds Hi vertikal zur radialen strichpunktierten Linie 30; daher weist sie einen Winkel von 90º - α - in bezug auf eine Seitenlinie 29 auf. Ein Komponentenmagnetfeld Hp wird an das Streifenmuster in Längsrichtung hiervon angelegt, was gleich ist Hi x sin α. Wenn angenommen wird, daß der Winkel α einige Grad beträgt und die Größenordnung von Hi 800 Oe beträgt, trägt Hp von 4 bis 50 Oe zur Verleihung elektromagnetischer Anisotropie bei.
Nach anfänglicher Magnetisierung werden eine Kontaktschicht 25 aus Tantalmolybdän (TaMo) oder Chrom und anschließend eine leitende Schicht 26, beispielsweise eine Goldschicht, abgeschieden und dann gemustert. Die Abmessungen des Magneto-Widerstandskopf-Musters sind in Fig.12 angegeben. Wie in Fig.12 ferner ersichtlich, sind die Richtungen der schrägen Muster 26 von einem zum anderen der zwei benachbarten Elemente 14-1 und 15-2 umgekehrt, was bewirkt, daß sich bei der Verwendung in der Brückenschaltung der Widerstand dieser zwei benachbarten Elemente in entgegengesetzte Richtungen ändert. Der Winkel der Schräge wird üblicherweise als etwa 450 gewählt, und dadurch wird die Verwendung eines Vormagnetfelds unnötig, und eine lineare Widerstandsänderung in bezug auf das angelegte Magnetfeld kann erhalten werden.
Vier Anschlußflecken 22-1 bis 22-4, Verbindungsleitungen 28 und zwei Einstellmuster 14-3 und 15-3 werden gleichzeitig mit magnetoresistiven Elementen gebildet, und schließlich wird die Schutzschicht 27 auf der gesamten Oberfläche überzogen. Die Einstellmuster 14-3 und 15-3 werden zum Trimmen des Widerstandsausgleichs der Brückenschaltung verwendet.
Das Durchgangsloch 19 wird vor dem Permalloy-Abscheidungsverfahren im Substrat 18 gebildet. Ein anisotropes Naßätzverfahren auf einer (1, 1, 0) Oberfläche des Siliziummonokristallsubstrats ist zur Bildung eines Lochs mit einer Rhomboidform geeignet, wie in Fig.10 gezeigt.
Ein Mustern alternativ zu dem oben beschriebenen kann in der Anordnung von Fig.10 verwendet werden.
Fig.14 zeigt eine vergrößerte Ansicht dieses alternativen Permalloy-Musters entsprechend einem Teil C des magnetoresistiven Elements 15-2 von Fig.10. Dieses Muster wird derart gebildet, daß die Spaltabmessung d zwischen zwei benachbarten Permalloy-Streifen über die gesamte Musteroberfläche nahezu konstant gehalten wird. Daher erhöht sich die Breite w des Permalloy-Streifens 24 allmählich in dem Maß, in dem sich der Streifen radial auswärts (vom Durchgangsloch 19 weg) erstreckt. Die Breite W der leitenden Schicht 26 und der Spalt G werden durch das gesamte Muster hindurch konstant gehalten. Das Magnetfeld, das von durch den leitenden Draht 11 fließendem Strom erzeugt wird, nimmt allmählich mit zunehmender Distanz vom leitenden Draht 11 ab. In diesem Fall wird jedoch, da die laterale Breite w jedes radialen Permalloy-Streifens mit zunehmender Distanz vom leitenden Draht 11 zunimmt, die entsprechende Abnahme des Magnetfelds in gewisser Weise kompensiert, und es können verbesserte Charakteristiken für die Fühlanordnung erwartet werden.
Fig.15 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht einer die vorliegende Erfindung verkörpernden, in einem Modul montierten Fühlanordnung, die mit einer weggebrochenen Vorderfläche des Moduls gezeigt ist. Bleianschlüsse 30 werden für Verbindungen mit einem Ausgangsverstärker und einer Eingangsenergiequelle verwendet, und ein Bleirahmen 31 wird zum Fixieren des Substrats 18 in einem äußeren Rahmen eingesetzt. Wenn der leitende Draht 11 in der Lastschaltung angeschlossen ist, wird der Laststrom durch Detektieren des Magnetfelds rund um die Fühlanordnung gemessen.
Fig.16 veranschaulicht eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Fühlanordnung unter Verwendung der Grundkonfiguration von Fig.5 mit magnetoresistiven Elementen vom Magneto-Widerstandskopf-Typ. In Fig.16 sind magnetoresistive Elemente 14-1 und 14-2 vom Magneto-Widerstandskopf-Typ symmetrisch in der linken und rechten Hälfte der Figur angeordnet. Alle Richtungen anfänglicher Magnetisierung geben entweder eine vom Durchgangsloch 19 nach außen divergierende Richtung oder eine zu diesem nach innen konvergierende Richtung an. Anschlußflecken 22-1 und 22-2 sind mit einer Konstantstromquelle oder einer Konstantspannungsquelle und ferner mit einem Verstärker zur Messung des Spannungsabfalls über die Anschlußflecken verbunden. Das Muster der in Fig.16 gezeigten Permalloy-Schicht ist ähnlich dem in Fig.12 und 13 gezeigten, wobei die Breite w der Permalloy- Schicht ungeachtet der Distanz vom Durchgangsloch den gleichen Wert aufweist und die Längsrichtung jedes Permalloy- Musterstreifens um einen kleinen Winkel von einer radialen Richtung vom Zentrum des Durchgangslochs abweicht, wie in Fig. 13 gezeigt. Ein Magneto-Widerstandskopf-Streifenmuster, wie in Fig.14 gezeigt ist, kann alternativ verwendet werden. Da der Winkel der Schräge der leitenden Schicht 26 des Magneto-Widerstandskopf-Musters für beide magnetoresistiven Elemente 14-1 und 14-2 der gleiche ist, ist die Richtung der Widerstandsänderung (Abnahme oder Zunahme) für beide magnetoresistiven Elemente 14-1 und 14-2 gleich.
Bei der Messung unter Verwendung von Musterstrukturen, wie in Fig.10 und 16 gezeigt, durchdringt der leitende Draht 11 das Durchgangsloch 19.
Andererseits können die vorliegende Erfindung verkörpernde Fühlanordnungen zur Messung von elektrischem Strom verwendet werden, welcher durch eine leitenden Draht 11 fließt, der sich parallel zu einem Substrat 18 der Fühlanordnung erstreckt und in unmittelbarer Nähe zu diesem angeordnet ist, wie in Fig.17(a) und 17(b) veranschaulicht.
Fig.17(a) ist eine Draufsicht und Fig.17(b) eine Ansicht. Unter der Bedingung, daß der leitende Draht 11 parallel zum Substrat 18 fixiert ist, wobei magnetoresistive Elemente auf diesem gebildet sind, ist es wünschenswert, daß der leitende Draht genau über der Zentrumszone des Musters der magnetoresistiven Elemente vorbeigeht. Ferner ist der leitende Draht üblicherweise im Querschnitt kreisförmig oder rund, wobei jedoch im Fall von Fig.17(a) und Fig.17(b) der leitende Draht mit einer flachen Form mit einem rechteckigen Querschnitt, beispielsweise ein Banddraht, wirksam ist, um das an die magnetoresistiven Elemente angelegte Magnetfeld gleichmäßiger zu machen.
Wenn eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Fühlanordnung auf diese Weise verwendet wird, zeigt das vom leitenden Draht von Fig.17(a) und 17(b) erzeugte Magnetfeld nur eine Richtung auf dem Substrat, beispielsweise nur eine X-Richtung oder Z-Richtung. Daher sollte die Richtung der Schräge der leitenden Schichten der Magneto-Widerstandskopf-Muster in bezug auf die X-Achse oder Y-Achse in Abhängigkeit von der Richtung des leitenden Drahts oberhalb des Substrats umgekehrt werden.
Eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Fühlanordnung mit einem wie in Fig.10 veranschaulichten Brückenmuster wurde in der Konfiguration von Fig.17(a) und 17(b) getestet, wobei ein Spalt von 0,4 mm zwischen dem leitenden Draht 11 und dem Substrat 18 aufrechterhalten wurde. Die Ergebnisse sind in Fig.18 angegeben, in der die Abszisse gemessenen elektrischen Strom und die Ordinate den Ausgang des Verstärkers (siehe 21 in Fig.4) zeigt. Die Größenordnung des Magnetfelds per 1,0 Ampere Strom zeigt 5,6 Oe/A auf dem Substrat.
Eine Vielzahl von Fühlanordnungen, wobei jede eine Vielzahl magnetoresistiver Elemente umfaßt, die in einer Ringform auf einem Substrat angeordnet sind, zeigt verbesserte Empfindlichkeit und Charakteristiken, wenn sie richtig angeordnet und gegenseitig verbunden sind. Beispielsweise kann eine Vielzahl von Fühlanordnungen mit dem gleichen leitenden Draht in jedem Durchgangsloch übereinander montiert sein. Wenn die Ausgänge aus den Fühlanordnungen kombiniert werden, wird die Empfindlichkeit multipliziert. Wenn die Ausgänge aus einer Vielzahl von Fühlanordnungen kombiniert werden, wobei jede Anordnung eine von den anderen geringfügig verschiedene Charakteristik aufweist, kann eine verbesserte Charakteristik erhalten werden.
Bei Anwendung der Meßanordnung von Fig.17(a) und 17(b) können zwei Fühleinheiten an gegenüberliegenden Seiten des leitenden Drahts angeordnet werden, was zu einem verdoppelten Ausgang führt. Alternativ dazu kann der leitende Draht in einer Spulenform gebildet sein, bei der eine Vielzahl von Windungen des leitenden Drahts, die Strom in die gleiche Richtung führen, angeordnet sind, um oberhalb einer Fühleinheit vorbeizugehen.
Fühlelemente oder -einheiten, wie sie in Fig.10 und 16 gezeigt sind, haben eine Richtung anfänglicher Magnetisierung, die entweder vom Einheitszentrum nach außen geht (divergiert) oder sich nach innen zum Zentrum konzentriert (konvergiert).
Die Handhabung oder der Vorgang der mit Bezugnahme auf Fig. 13 vorstehend erläuterten anfänglichen Magnetisierung, bei der ein großer Strom entlang dem zentralen leitenden Draht zum Fließen gebracht wird, ist mühevoll. Daher ist ein einfacheres Verfahren erwünscht. Die Verwendung eines Elektromagneten, bei welchem ein Pol im Zentrum des ringförmigen Musters und ein weiterer Pol in einer peripheren Zone hiervon angeordnet ist, ist ebenfalls mühevoll.
Um eine Verbesserung bezüglich dieser Probleme vorzusehen, kann eine Konfiguration in Ausführungs formen der vorliegenden Erfindung verwendet werden, bei welcher die Richtung anfänglicher Magnetisierung für zwei Zonen in bezug auf die X-Achse oder Y-Achse umkehrt wird. Fig.19 veranschaulicht ein Beispiel einer derartigen Konfiguration im Zusammenhang mit einer allgemein wie in Fig.10 veranschaulichten Anordnung, bei welcher die Richtungen anfänglicher Magnetisierung der magnetoresistiven Elemente 15-1 und 14-2 nach innen zum Zentrum konvergieren und jene der magnetoresistiven Elemente 14-1 und 15-2 nach außen vom Zentrum divergieren. Fig.20 veranschaulicht eine derartige Konfiguration im Zusammenhang mit einer allgemein wie in Fig. 16 veranschaulichten Fühlanordnung.
In den Konfigurationen von Fig.19 und 20 ist die Richtung anfänglicher Magnetisierung für magnetoresistive Elemente in bezug auf die X-Achse umgekehrt, wobei die eine zum Zentrum des Durchgangslochs 19 konvergiert und die andere von diesem divergiert. In diesem Fall wird die Richtung anfänglicher Magnetisierung in Bereichen nahe der X-Achse instabil (unbestimmt), und daher werden die Mäandermuster magnetoresistiver Elemente vom Magneto-Widerstandskopf-Typ in derartigen Bereichen ausgelassen, wie in Fig.19 und 20 gezeigt.
Wenn derartige Muster gebildet werden, werden Nord- und Südpole eines Elektromagneten symmetrisch in bezug auf die X-Achse außerhalb der peripheren Zonen der Muster eingesetzt und die Muster magnetisiert.
Wenn die Richtung der Magnetisierung umgekehrt wird, ändert das magnetoresistive Element auch seine Polarität; daher sollte die Richtung der Magneto-Widerstandskopf- Schräge geändert werden, um eine unveränderte Charakteristik für die Fühleinheit aufrechtzuerhalten. Dies ist ersichtlich, wenn die Richtungen der Schräge der magnetoresistiven Elemente 15-1 und 14-2 von Fig.19 mit jenen von Fig.10 verglichen werden. Auch sind die Richtungen der Schräge der unteren Hälften der magnetoresistiven Elemente 14-1 und 14-2 in Fig.20 verglichen mit den Richtungen der Schräge in Fig.16 umgekehrt.
Nun wird die Perforierung eines Durchgangslochs 19 in einem Substrat, wie in Fig.10, 11, 16, 19 und 20 gezeigt, erläutert. Zur genauen Messung von Strom sollte ein zentraler leitender Draht fest und vertikal in bezug auf das Substrat fixiert werden. Da es mühevoll ist, einen leitenden Draht jedesmal, wenn eine Messung vorzunehmen ist, in einem und durch ein Durchgangsloch 19 vorzusehen oder erneut anzuordnen, ist es wünschenswert, eine leitende Schicht, welche das Durchgangsloch 19 bedeckt, und leitende Streifen für Verbindungen mit einem Laststrom vorzusehen.
Fig.21 zeigt eine Ansicht teilweise im Schnitt eines Siliziumsubstrats 18, wobei magnetoresistive Elemente auf diesem gebildet sind. Ein kreisförmiges Loch 45 ist darin gebildet, und eine Metallschicht 46 an einer Innenfläche des Lochs und an benachbarten Zonen beider Substratflächen 46-1 und 46-2 durch Galvanisieren oder Zerstäuben überzogen. Zur Perforierung des Durchgangslochs 19 können bekannte physikalische oder chemische Verfahren verwendet werden.
Es ist bekannt, daß Siliziummonokristall eine anisotrope Ätzcharakteristik zeigt, wenn er einer erhitzten Alkalilösung ausgesetzt wird, da die Ätzrate in Abhängigkeit von der Oberflächenorientierung des Siliziumsubstrats unterschiedlich ist. Die Oberflächen (1, 0, 0) und (1, 1, 0) weisen eine hohe Ätzrate auf, die Oberfläche (1, 1, 1) hat jedoch eine niedrige Ätzrate. Wenn ein Siliziumsubstrat daher einem anisotropen Ätzen ausgesetzt wird, wird daher eine Oberfläche (1, 1, 1) freigelegt und dann weiteres Ätzen inhibiert.
Durch die Verwendung einer Siliziumscheibe mit geeigneter Oberflächenorientierung und Ausrichten der Seiten eines Maskenmusters mit der Richtung der Kristallachse kann eine symmetrische Perforierung rund um einen zentralen Punkt in einem Siliziumsubstrat nach anisotropem Ätzen gebildet werden.
Beispielsweise wird die Bildung einer Perforierung einer Pyramidenform mit Bezugnahme auf Fig.22(a), 22(b) und 22(c) erläutert. Wenn ein Siliziummonokristallsubstrat 18 mit einer (1, 0, 0) Oberfläche einem anisotropen Ätzen unter Verwendung eines quadratischen Maskenmusters ausgesetzt wird, wodurch eine Seite des quadratischen Musters zur < 1, 1, 0> Richtung des Siliziumsubstrats ausgerichtet wird, wird eine Perforierung 47 mit der Form eines Pyramidenstumpfs im Substrat 18 gebildet. Danach wird eine Metallschicht 46 an der Innenfläche der Perforierung 47 gebildet, und gleichzeitig werden Streifenteile 46-1 und 46-2 an beiden Hauptflächen des Substrats 18 gebildet.
Details des zur Bildung der obigen Perforierung verwendeten Herstellungsverfahrens sind wie folgt:
(a) Das Siliziumsubstrat 18 wird einer Wärmeoxydation ausgesetzt, wobei eine 0,5 bis 1,0 um dicke Siliziumdioxydschicht gebildet wird;
(b) eine quadratische Öffnung wird durch Photolithographietechnologie in der Siliziumdioxydschicht gebildet, wodurch eine Seite des Quadrats parallel zur Richtung < 1, 1, 0> des Siliziumsubstrats gehalten wird;
(c) durch anisotropes Ätzen wird die Perforierung 47 gebildet. Der Winkel einer Oberfläche der Perforierung beträgt etwa 550 in bezug auf eine Siliziumsubstratoberfläche, und eine Perforierung in Form eines Pyramidenstumpfs wird gebildet, die eine vergleichsweise große Öffnung 47-1 an einer oberen Siliziumfläche und eine kleine Öffnung 47-2 an einer unteren Siliziumfläche aufweist. Als Ätzlösung kann eine Mischung von 255 cc Ethylendiamin, 120 cc H&sub2;O und 46 g Catechin bei 100 bis 110ºC verwendet werden;
(d) nach der Bildung magnetoresistiver Elemente wird die Perforierung 47 mit der Metallschicht 46 bedeckt.
Ein weiteres Verfahren zur Bildung einer Perforierung wird mit Bezugnahme auf Fig.23(a) bis 23(d) erläutert, wobei Fig.23(a) eine Draufsicht, Fig.23(b) eine Unteransicht, Fig.23(c) eine Schnittansicht gemäß der Linie A-A in Fig.23(a) darstellt und Fig.23(d) eine Schnittansicht gemäß der Linie B-B in Fig.23(a) ist.
In diesem Fall wird ein Siliziummonokristallsubstrat 18 mit einer (1, 1, 0) Oberfläche einem anisotropen Ätzen ausgesetzt, wobei eine Seite, die einen spitzen Winkel eines rhombusförmigen Maskenmusters bildet, zur Richtung < 1, 1, 1> des Siliziumsubstrats 18 ausgerichtet ist. Von zwei Seiten der Maske, die einen stumpfen Winkel bilden, wird das rhombusförmige Substrat vertikal geätzt. Von zwei Seiten der Maske, die einen spitzen Winkel des Rhomus bilden, wird das Siliziumsubstrat jedoch in einer schiefen Ebene geätzt. Daher zeigt die gebildete Perforierung eine Rhombusform 48-1, wie in Fig.23(a), an einer Hauptfläche des Substrats, weist jedoch eine Hexagonform 48-2, wie in Fig.23(b), an der anderen Fläche des Substrats auf. Die Metallschicht 46, 46-1 und 46-2 wird an den Innenflächen der Perforierung und an beiden Siliziumseitenflächen nahe der Perforierung gebildet.
Wie oben mit Bezugnahme auf Fig.6 und 7 erläutert, können die vorliegende Erfindung verkörpernde Fühlanordnungen zum Detektieren oder Messen von elektrischem Strom verwendet werden.
Fig.24 ist ein schematisches Blockbild, das eine weitere Anordnung von Fühlanordnungen zur Messung von elektrischem Strom gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Es werden zwei Fühlanordnungen 81 und 82 verwendet. Eine Energiequelle 40 führt durch Spulen 71 und 72 einer Last 10 elektrischen Strom zu. Die zwei Spulen 71 und 72 sind derart angeordnet, daß die Richtung des durch eine Spule erzeugten Magnetfelds der von der anderen erzeugten entgegengesetzt ist, und ferner sind die Polaritäten der Fühlanordnungen 81 und 82 entgegengesetzt, so daß die zwei Fühlanordnungen zweimal den Ausgang einer Fühlanordnung vorsehen. Andererseits werden die Wirkungen des Erdmagnetfelds in einer kombinierten Schaltung der zwei Fühlanordnungen 81 und 82 aufgehoben, und es wird kein Ausgang auf Grund eines Erdmagnetismus detektiert.
Fig.25 ist ein schematisches Blockbild einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher eine Wechselstrom-Energiequelle 40 mit hoher Spannung und ein Trenn (Isolier)-Wandler 70 verwendet werden. Die Spannung in der Lastschaltung wird durch den Trenn (Isolier)- Wandler 70 auf einen geeigneten Wert zur Messung herabgesetzt. Diese Schaltung ist verwendbar, wenn eine Isolierung für die Fühlanordnung ein wichtiges Problem wird.
Fig.26(a), 26(b) bzw. 26(c) zeigen Wellenformen, ein Schaltbild und die Phasenbeziehung zwischen Eingangsspannung und Ausgangs spannung in bezug auf eine Sensorschaltung zur Messung von einer reinen Widerstandslast zugeführten elektrischen Energie. Wie in Fig.26(a) angegeben, ist der Strom i gleichphasig mit der Spannung e. Die elektrische Energie P ist ein Produkt von Spannung v und Strom i, und daher sollte die Energieausgangswellenform eine fluktuierende Wellenform zeigen, wobei die Frequenz in bezug auf die ursprüngliche Frequenz verdoppelt ist, und die Wellenform alle positiven Werte angibt.
Bei der für den Test eingesetzten Schaltung von Fig.26(b) wird eine Wechselstrom-Energiequelle von 10 Hz mit einer inneren Impedanz von 50 Ohm verwendet, die einer Last 10 mit einer Impedanz von 50 Ohm Strom zuführt. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung besteht aus einer Spule mit sieben Windungen, wobei der Drahtdurchmesser 0,4 mm beträgt. Der Verstärker hat eine Verstärkung von 52 dB.
Der Ausgang aus dem Verstärker 21 ist in Fig.26(c) in bezug auf die Eingangsspannung aufgetragen, was zeigt, daß die Ausgangswellenform eine verdoppelte Frequenz hat und über dem Ordinatenwert von 0 v vorliegt.
Wenn die Last kein reiner Widerstand ist, jedoch eine Induktanz- oder kapazitive Komponente aufweist, eilt die Phase des Lastroms in bezug auf die Spannungswellenform nach bzw. voraus. Ferner schwankt die Energiewellenform zwischen einem positiven Wert und einem negativen Wert in beug auf den Ordinatenwert O v.
Als einfachster Fall wurde eine Last einer reinen kapazitiven Natur verwendet und getestet. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom ist wie in Fig.27(a) gezeigt.
Die Stromwellenform i ist 90º der Spannung e voraus. Die Energiewellenform P hat eine verdoppelte Frequenz und schwankt zwischen einem positiven Wert und einem gleichen negativen Wert in bezug auf die Ordinate O.
Unter Verwendung einer Schaltung wie in Fig.27(b) gezeigt ähnlich jener von Fig.26(b), außer daß die Last eine Kapazität ist und die Frequenz auf 100 Hz geändert wird, waren die Testergebnisse wie in Fig.27(c) gezeigt. Der Wellenformausgang aus dem Verstärker 27 in Fig.27(c) zeigt, daß die Energie, wenn sie über eine Vielzahl von Perioden integiert wird, zu Null konvergiert, was bedeutet, daß die Energie wattlose Energie ist. Zur direkten Messung der wirksamen in der Lastschaltung verbrauchten Energie gibt eine Integrationsschaltung nach dem Verstärker 21 die wirksame Leistung an.
Die vorliegende Erfindung verkörpernde Fühlanordnungen, wie vorstehend erläutert, haben eine kompakte Größe mit keinen beweglichen Teilen, und außerdem sind die Frequenzcharakteristiken überlegen. Im allgemeinen weisen magnetoresistive Elemente bessere Charakteristiken auf, wenn sie Temperaturanstiegen ausgesetzt sind, als Hall-Effekt- Elemente.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein magnetoelektrischer Wandler, wie ein Hall-Effekt- Element oder ein magnetoresistives Element in einer Fühlanordnung zur Messung von elektrischem Strom oder elektrischer Energie verwendet. Bei einer die vorliegende Erfindung vekörpernden Fühlanordnung wird eine Vielzahl von magnetoelektrischen Wandlern verwendet, die in unmittelbarer Nähe zu einem leitenden Draht angeordnet sind, durch den elektrischer Strom fließt. Ein magnetoresistives Element vom Magneto-Widerstandskopf-Typ ist zur Bildung einer Vielzahl von Elementen auf einem Substrat besonders geeignet. Strukturen, bei denen vier eine Brückenschaltung bildende magnetoresistive Elemente oder eine Vielzahl von in Serie geschalteten magnetoresistiven Elementen eingesetzt werden, können verwendet werden, wobei die magnetoresistiven Elemente vom Magneto-Widerstandskopf-Typ sind, mit Mäandermustern, die in Ringform angeordnet sind. Der leitende Draht kann parallel zum Substrat oder zum Durchdringen eines Durchgangslochs vorgesehen sein, das im Zentrum einer Vielzahl von magnetoresistiven Elementmustern angeordnet ist. Eine die vorliegende Erfindung verkörpernde Fühlanordnung kann eine kompakte Größe aufweisen und zur Messung von sowohl Gleichstrom als auch Strom mit hoher Frequenz verwendet werden.

Claims

1. Fühlanordnung, bei welcher magnetoresistive Elemente von einem Magneto-Widerstandskopf-Typ verwendet werden, wobei die genannte Anordnung umfaßt:

einen leitenden Teil (11, 13), beispielsweise einen leitenden Draht (11), durch welchen ein zu fühlender elektrischer Strom fließt, der ein Magnetfeld rund um den genannten leitenden Teil (11, 13) erzeugt;

ein Substrat (8);

eine Vielzahl der genannten magnetoresistiven Elemente (14-1, 14-2, 15-1, 15-2), die auf dem Substrat (18) gebildet sind, wobei jedes oder zumindest eines dieser Elemente eine Funktion zur Ausgabe eines elektrischen Signals aufweist, ansprechend auf das genannte Magnetfeld;

eine Einrichtung (19) zum Anordnen des leitenden Teils (11, 13) in unmittelbarer Nähe zu den genannten magnetoresistiven Elementen (14-1, 14-2, 15-1, 15-2) oder zum genannten zumindest einen der Elemente; und

Einrichtungen (16, 21, 20, Tb, 22-1, 22-2, 22-3, 22-4, 30) zur Kombination elektrischer Signale, die aus den magnetoresistiven Elementen (14-1, 14-2, 15-1, 15-2) ausgegeben werden, und zur Ausgabe eines kombinierten Signals, dessen Wert vom genannten elektrischen Strom abhängig ist;

dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente (14-1, 14-2, 15-1, 15-2) der Vielzahl in einer Ringform rund um eine zentrale Zone angeordnet sind, und jedes magnetoresistive Element der Vielzahl ein Mäandermuster aufweist, wobei das genannte Muster alternierend nach außen gerichtete Streifen, die von der genannten zentralen Zone nahezu in radialer Richtung wegführen, und Rücklaufstreifen umfaßt, die zur zentralen Zone zurückführen.

2. Fühlanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die genannte Vielzahl magnetoresistiver Elemente (14-1, 14-2, 15-1, 15-2) im Betrieb mit einer Konstantstrom/Spannungsquelle verbunden ist, und das genannte kombinierte Signal eine variable Komponente umfaßt, die ausschließlich vom genannten elektrischen Strom abhängig ist.

3. Fühlanordnung nach Anspruch 1, bei welcher die genannte Vielzahl magnetoresistiver Elemente (14-1, 14-2, 15-1, 15-2) im Betrieb mit einer Energiequelle verbunden ist, die auch den genannten elektrischen Strom durch den genannten leitenden Teil (11, 13) einer Last zuführt, und das genannte kombinierte Signal eine variable Komponente umfaßt, die von einem Produkt einer Spannung der genannten Energiequelle und dem genannten elektrischen Strom abhängig ist.

4. Fühlanordnung nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei welcher magnetoresistive Elemente der genannten Vielzahl in in Umfangsrichtung diametral entgegengesetzten Position rund um den genannten leitenden Teil (11, 13) angeordnet sind.

5. Fühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der genannte leitende Teil (11) das genannte Substrat (18) vertikal in der zentralen Zone schneidet.

6. Fühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher sich jeder genannte Streifen des genannten Mäandermusters eines magnetoresistiven Elements in Längsrichtung unter einem Winkel von weniger als 5º zu einer radial von der genannten zentralen Zone gezogenen Linie erstreckt.

7. Fühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher jeder genannte Streifen des genannten Mäandermusters eines magnetoresistiven Elements ungeachtet der Distanz von der zentralen Zone die gleiche Breite aufweist.

8. Fühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welcher jeder genannte Streifen des genannten Mäandermusters eines magnetoresistiven Elements eine Breite aufweist, die sich allmählich mit zunehmender Distanz von der genannten zentralen Zone erhöht.

9. Fühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher vier magnetoresistive Elemente eine Brückenschaltung bilden, und ein unsymmetrischer Strom der genannten Brückenschaltung als genanntes kombiniertes Signal verwendet wird.

10. Fühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher zumindest zwei in Serie geschaltete magnetoresistive Elemente verwendet und Spannungsabfälle über die genannten magnetoresistiven Elemente kombiniert werden, um das genannte kombinierte Signal zu bilden.

11. Fühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher alle magnetoresistiven Elemente einer anfänglichen Magnetisierung ausgesetzt werden, deren Richtung entweder von der genannten zentralen Zone divergiert oder zur genannten zentralen Zone konvergiert.

12. Fühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welcher die genannte Vielzahl magnetoresistiver Elemente entweder durch die X-Achse oder die Y-Achse in zwei Gruppen eingeteilt wird, wobei Mitglieder der ersten Gruppe einer anfänglichen Magnetisierung ausgesetzt werden, welche eine Richtung aufweist, die von der genannten zentralen Zone divergiert, und Mitglieder der zweiten Gruppe einer anfänglichen Magnetisierung ausgesetzt werden, welche eine Richtung aufweist, die zur genannten zentralen Zone konvergiert.

13. Fühlanordnung nach Anspruch 5 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wie auf Anspruch 5 rückbezogen, bei welcher der genannte leitende Teil (11, 13), beispielsweise ein leitender Draht (11), ein im Substrat (18) gebildetes Durchgangsloch (19) durchdringt, wobei das genannte Durchgangsloch durch eine mikroskopische Bearbeitungstechnologie gebildet wird.

14. Fühlanordnung nach Anspruch 13, bei welcher das genannte Durchgangsloch durch eine Ätztechnologie gebildet wird.

15. Fühlanordnung nach Anspruch 5 oder nach einem der Ansprüche 6 bis 12, wie auf Anspruch 5 rückbezogen, bei welcher der genannte leitende Teil (11, 13), beispielsweise ein leitender Draht (11), das genannte Substrat (18) über eine leitende Schicht kreuzt, die an einer Innenfläche eines im genannten Substrat (18) gebildeten Durchgangslochs (19) abgeschieden ist, und der genannte leitende Draht mit beiden Endflächen der genannten leitenden Schicht verbunden ist.

16. Fühlanordnung nach Anspruch 13, 14 oder 15, bei welcher das genannte Durchgangsloch durch eine anisotrope Naßätztechnologie gebildet wird.

17. Fühlanordnung nach Anspruch 16, bei welcher das genannte Substrat (18) aus Siliziumkristall mit einer (1, 1 , 0) Oberfläche besteht, und das genannte Durchgangsloch eine Rhombusform an der ersten Hauptfläche des genannten Siliziumsubstrats und eine Hexagonform an der zweiten Hauptfläche hiervon aufweist.

18. Fühlanordnung nach Anspruch 16, bei welcher das genannte Substrat (18) aus Siliziumkristall mit einer (1, 1, 0) Oberfläche besteht, und das genannte Durchgangsloch eine Pyramidenstumpfform aufweist.

19. Fühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher die genannte Einrichtung zum Anordnen des genannten leitenden Teils ferner Einrichtungen zum Halten des genannten leitenden Teils parallel zu einer Ebene umfaßt, in der die Vielzahl magnetoresistiver Elemente angeordnet ist.

20. Fühlanordnung nach Anspruch 19, bei welcher der genannte leitende Teil (11) von einem Banddraht-Typ ist.

21. Fühlanordnung nach Anspruch 3 oder einem der Ansprüche 4 bis 20, wie auf Anspruch 3 rückbezogen, bei welcher die genannte vielzahl magnetoresistiver Elemente mit der genannten Energiequelle, die eine Wechselstromquelle ist, über einen Trennwandler verbunden ist.

22. Fühlanordnung nach Anspruch 21, bei welcher das genannte kombinierte Signal, das eine variable Komponente umfaßt, ferner integriert ist, um einen wirksame elektrische Energie repräsentierenden Ausgang vorzusehen.