DE4300605C2 - Sensorchip - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus von einem Sensorchip mit einer
Brückenschaltung in Form einer Wheatstone-Brücke zum
Messen von Gradienten der magnetischen Feldstärke nach
dem Oberbegriff des Anspruches 1 und umfaßt eine Anord
nung zum Messen von elektrischen Strömen mit Hilfe ei
nes Sensorchips nach Anspruch 19.
Ein derartiger Sensorchip ist aus der DE 42 12 737 C1
bekannt.
Meßanordnungen zur Bestimmung von Magnetfeldgradienten
dienen insbesondere zur potentialfreien Messung der
Stromstärke eines elektrischen Stromes, der ein derar
tiges Magnetfeld hervorruft. Da die gesamte Umgebung
eines auf diese Weise zu bestimmenden Magnetfeldes
stets schon mit großräumigen Störmagnetfeldern behaftet
ist, liegt es nahe, mit Hilfe von Magnetfeldgradienten
zwischen dem auszumessenden und einem Störmagnetfeld zu
unterscheiden.
Solche Anordnungen sind aus den Patentschriften DD 155
220 und DD 2 75 745 bereits bekannt. Dabei werden
magnetoresistive Sensorelemente eingesetzt, da deren
Empfindlichkeit groß genug ist, um Ströme über einen
großen Meßbereich nachzuweisen. Der Linearitätsbereich
derartiger Sensorelemente ist allerdings begrenzt. Ihre
an und für sich hohe Empfindlichkeit ist stark von der
Temperatur und von einem an den Sensorelementen anzu
bringenden Hilfsmagnetfeld abhängig. Die Empfindlich
keit der einzelnen Sensorelemente ist darüberhinaus
sehr unterschiedlich.
Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt,
diese Nachteile zu vermeiden und einen Sensorchip sowie eine Anordnung zum Messen von elektrischen Strömen
mit Hilfe eines Sensorchips eingangs näher bezeichneten
Art so auszuführen, daß das
Ausgangssignal einem auszumessenden elektrischen Strom
proportional ist, daß seine Empfindlichkeit weder tem
peratur- noch hilfsmagnetfeldabhängig ist und stets
eine etwa gleiche Empfindlichkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird für den Sensorchip durch die im An
spruch 1 und für eine Anordnung zum Messen von elektri
schen Strömen mit Hilfe eines Sensorchips durch die im
Anspruch 19 angegebenen Merkmale gelöst.
Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind Gegen
stand der Unteransprüche.
Die Erfindung löst die Aufgabenstellung in überraschend
einfacher Weise. Das Ausgangssignal des Sensorchips hat
einen unbegrenzten Linearitätsbereich und ist weder
temperatur- noch hilfsmagnetfeldabhängig. Die Exemplar
streuung ist äußerst gering, da die Topographie des
Sensorchips mit Hilfe der Mikrostrukturierung sehr prä
zise gefertigt werden kann.
Da der Abstand der beiden Bereiche, das heißt die
Basislänge des Gradiometers, klein gehalten werden
kann, ist auch die Beeinflussung durch Störmagnetfelder
unerheblich, deren Quellen einen von der Meßanordnung
dagegen großen Abstand haben.
Eine Anordnung mit einem erfindungsgemäßen Sensorchip
besitzt einen hohen Grad an geometrischer Symmetrie als
Voraussetzung für eine symmetrische Erwärmung des
Sensorchips im Betrieb. Von der Symmetrie ausgenommen
ist lediglich der Winkel der Barberpolstrukturen auf
den magnetoresistiven Schichtstreifen. Durch die be
triebsstromverursachte symmetrische Temperaturerhöhung
wird in allen Schichtstreifen der Wheatstone-Brücke
eine gleiche Drehung der Magnetisierung und infolgedes
sen eine gleiche Widerstandsänderung hervorgerufen. Da
mit ist, über die eigentliche Aufgabenstellung der Er
findung hinaus, auch die temperaturabhängige Nullpunkt
drift in dem Sensorchip weitgehend beseitigt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Wheatstone-Brücke nach dem Stand der
Technik,
Fig. 2 einen Sensorchip gemäß der Erfindung,
Fig. 3 die Verbindung eines erfindungsgemäßen
Sensorchips mit einer Stromleitung zur Messung
des in dieser fließenden Stromes und
Fig. 4 die Ausbildung der Anschlußkontakte und der
Stromführung bei einer Anordnung entsprechend
Fig. 3.
In Fig. 1 ist eine Brückenschaltung in Form einer
Wheatstone-Brücke gezeigt, bei der zwei magnetoresi
stive Widerstände 1 und 2 in einem ersten Brückenzweig
A und zwei weitere magnetoresistive Widerstände 3 und 4
in einem zweiten Brückenzweig B, jeweils in Reihe ge
schaltet, angeordnet sind. Die Wheatstone-Brücke wird
mit einer Betriebsspannung Ub versorgt, als Ausgangssi
gnal dient die Ausgangsspannung Ua. Unter mindestens
einem der Widerstände 1 bis 4 ist ein gegen diesen iso
lierter Dünnschicht-Streifenleiter vorgesehen; um glei
che Bauteile zu erhalten, ist es naheliegend, daß unter
jedem der Widerstände 1 bis 4 ein Dünnschicht-
Streifenleiter vorgesehen ist. Die Dünnschicht-
Streifenleiter, die in der Zeichnung weggelassen sind,
weil ihre Anordnung dem Fachmann geläufig ist, werden
von dem Steuerstrom Ist durchflossen. Eine derartige
Anordnung entspricht dem Stand der Technik.
Die Einzelheiten des erfindungsgemäßen Sensorchips sind
in der Darstellung der Fig. 2 zu erkennen. Der Sensor
chip 5 umfaßt zwei Bereiche I und II, die gleich weit
mit dem Abstand a von einer Mittelachse 15 beginnend
jeweils zwei magnetoresistive Widerstände 1; 4 und 2; 3
umfassen. Die Widerstände 1 bis 4 bestehen ihrerseits
aus jeweils zwei unter sich und zu den übrigen paral
lelen Schichtstreifen, die in bekannter Weise mit Bar
berpol-Strukturen 10 versehen sind. Die Barberpol-
Strukturen 10, die in der Fig. 2 nur für den Widerstand
4 gezeigt sind, sind bei allen Widerständen 1 bis 4
gleich. Dadurch ist dafür gesorgt, daß nur ein anlie
gender Feldgradient die Brücke aussteuert. Nach wie vor
befinden sich die Widerstände 1 und 2 und die Wider
stände 3 und 4 jeweils auf ein und demselben Brücken
zweig A; B; jedoch sind in den Bereichen I und II je
weils zwei Widerstände 1; 4 und 2; 3 aus verschiedenen
Brückenzweigen A; B räumlich zusammengefaßt. Dies wird
auch durch die eingezeichneten elektrischen Leitungen 6
zwischen den Schichtstreifen und den von den Schicht
streifen nach außen führenden Leitungen 8 deutlich. Die
Leitungen 8 verbinden Flächenstücke 7 mit den Schicht
streifen. Die Flächenstücke 7 bilden, in einer Ebene
gelegen, aus dem Sensorchip 5 herausführende Kontakte
für die Betriebsspannung Ub und die Ausgangsspannung
Ua. Zwei weitere Flächenstücke 7 dienen als Außenkon
takte für die Zuführung des Steuerstromes Ist. Die Flä
chenstücke 7 sind im zentralen Bereich III des Sensor
chips 5 symmetrisch zur Mittelachse 15 angeordnet.
Im Bereich dieser Mittelachse 15 befindet sich weiter
hin ein änderbarer Widerstand 9, der in der dargestell
ten Weise mit den Zweigen der Wheatstone-Brücke in
Reihe geschaltet ist. Der Widerstand 9 kann mechanisch
oder mittels Laser abgetragen werden, wobei diese Ab
tragung so erfolgt, daß die Symmetrie der Gesamtanord
nung erhalten wird.
Die Ausgangsspannung Ua wird einem nicht gezeichneten
Verstärker zugeführt. Dessen Ausgang, der Steuerstrom
Ist, wird so eingestellt, daß die Wirkung des äußeren
Magnetfeldgradienten am Ort der Schichtstreifen aufge
hoben ist. Der Steuerstrom Ist bildet das Ausgangssi
gnal der Anordnung. Er ist dem Magnetfeldgradienten di
rekt proportional und ist nicht von der Temperatur und
von großräumigen Störmagnetfeldern abhängig. Durch die
erfindungsgemäße Anordnung der weitgehenden Achssymme
trie am Sensorchip 5 ist dafür gesorgt, daß die auftre
tende Erwärmung in Symmetrie zur Mittelachse 15 er
folgt. Die durch Magnetostriktion bewirkten Wider
standsänderungen in den Schichtstreifen sind deshalb
überall gleich und bewirken keine Änderung der Aus
gangsspannung Ua. Eine Nullpunktdrift in Abhängigkeit
der Temperatur ist damit weitgehend unterdrückt. Auch
das Trimmen der Brücke erfolgt in achssymmetrischer
Weise, da der Widerstand 9 in der Mittelachse 15 ange
ordnet ist. Auf diese Weise läßt sich die Ausgangsspan
nung Ua in Richtung Null einstellen, wenn kein
Magnetfeldgradient vorhanden ist.
Die Fig. 3 und 4 zeigen die Anwendung eines
erfindungsgemäßen Sensorchips 5 bei der Messung der
Stromstärke Io eines elektrischen Stromes Io durch eine
Leitung 14. Der Sensorchip 5 ist gegen die Leitung 14
durch eine Isolierung 13 elektrisch getrennt. Es sind
zwei Leitungen 14 vorgesehen, die vom Strom Io in der
in Fig. 3 dargestellten Weise durchflossen werden. Da
durch entsteht ein Magnetfeldgradient, der dem Strom Io
in der Leitung 14 proportional ist. Störmagnetfelder,
die durch in der Nähe vorbeifließende andere Ströme
hervorgerufen sein können, haben auf das Aus
gangssignal, den Steuerstrom Ist, keine Wirkung, da ihr
Magnetfeld auf die beiden symmetrischen Bereiche I und
II in gleichem Maße einwirkt. Dazu trägt bei, daß die
Abstände zwischen den Bereichen I und II kleiner als 1
mm sind.
Die Fig. 4 zeigt ein komplettes Bauelement zur
potentialfreien Messung der Stromstärke Io. Beide Lei
tungen 14 sind hier so geformt, daß wiederum ein Ma
gnetfeldgradient am Ort des Sensorchips 5 entsteht. Die
Isolation 13 zwischen dem Sensorchip 5 und der Leitung
14 und die Anordnung der Bauelementepins für den Strom
Io und für die Versorgung des Sensorchips 5 auf entge
gengesetzten Seiten des Bauelementes sorgen hier für
eine hohe Schutzisolationsspannung.
Claims (20)
1. Sensorchip mit einer Brückenschaltung in Form einer
Wheatstone-Brücke zum Messen von Gradienten der
magnetischen Feldstärke, bestehend aus vier magnetore
sistiven, parallel und in zwei Bereichen (I; II) mit Ab
stand zu einer Mittelachse (15) angeordneten Widerstän
den (1 bis 4), von denen je zwei in Reihe geschaltete
Widerstände (1; 2 und 3; 4) jeweils einen Brückenzweig
(A; B) der Wheatstone-Brücke bilden, wobei die Bereiche
(I; II) jeweils einen magnetoresistiven Widerstand
(1/2; 3/4) eines Brückenzweiges (A;B) und einen magne
toresistiven Widerstand (4/3; 2/1) des jeweils anderen
Brückenzweiges (B; A) umfassen, dadurch gekennzeichnet,
daß die Widerstände (1 bis 4) der Bereiche (I; II) sym
metrisch zur Mittelachse (15) angeordnet sind.
2. Sensorchip nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Widerstände (1 bis 4) der Bereiche (I; II) paar
weise gleich ausgebildet sind.
3. Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da
durch gekennzeichnet, daß die Widerstände (1 bis 4) aus
magnetoresistiven Schichtstreifen bestehen.
4. Sensorchip nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Widerstände (1 bis 4) aus jeweils mindestens
zwei Schichtstreifen bestehen.
5. Sensorchip nach den Ansprüche 3 oder 4, da
durch gekennzeichnet, daß die Schichtstreifen minde
stens paarweise mit der gleichen Barberpol-Struktur
(10) versehen sind.
6. Sensorchip nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da
durch gekennzeichnet, daß sich über oder unter minde
stens einem Schichtstreifen ein gegen diesen isolierter
Dünnschicht-Streifenleiter befindet, durch den ein meß
barer elektrischer Steuerstrom (Ist) fließen kann.
7. Sensorchip nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerstrom (Ist) so wählbar ist, daß von der
Wheatstone-Brücke gemessene Änderungen der magnetischen
Feldstärke kompensiert werden.
8. Sensorchip nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß mehrere Dünnschicht-Streifenleiter vorge
sehen sind.
9. Sensorchip nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß über oder unter jedem Schichtstreifen der Wider
stände (1 bis 4) ein Dünnschicht-Streifenleiter vorge
sehen ist.
10. Sensorchip nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die Dünnschicht-Streifenleiter symmetrisch zur Mit
telachse (15) angeordnet sind.
11. Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß in jedem Brückenzweig ein än
derbarer, magnetoresistiver Widerstand (9) mit den
Zweigen der Wheatstone-Brücke in Reihe geschaltet ist.
12. Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß auf der Oberfläche des
Sensorchips (5) als Flächenstücke (7) ausgeführte Kon
takte für die Betriebsspannung (Ub) und die Ausgangs
spannung (Ua) der Wheatstone-Brücke und gegebenenfalls
für den Steuerstrom (Ist) vorgesehen sind.
13. Sensorchip nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich
net, daß die Flächenstücke (7) symmetrisch zur Mittel
achse (15) angeordnet sind.
14. Sensorchip nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich
net, daß die Flächenstücke (7) im zentralen Bereich
(III) des Sensorchips (5) liegen.
15. Sensorchip nach einem der Ansprüche 1 bis 14, da
durch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven
Schichtstreifen in einer Ebene angeordnet sind.
16. Sensorchip nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich
net, daß die zwischen den Schichtstreifen und/oder zwi
schen diesen und den Flächenstücken (7) erforderlichen
elektrischen Leitungen (6;8) in der gleichen Ebene an
geordnet sind.
17. Sensorchip nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich
net, daß jeder änderbare Widerstand (9) symmetrisch zur
Mittelachse (15) angeordnet ist.
18. Sensorchip nach Anspruch 17, dadurch gekennzeich
net, daß der Widerstand (9) durch mechanische Abtragung
änderbar ist.
19. Anordnung zum Messen von elektrischen Strömen mit
Hilfe eines Sensorchips nach einem der Ansprüche 1 bis
18, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messenden Ströme
in elektrischen Leitungen (14) fließen, die symmetrisch
zur Mittelachse (15) angeordnet und zu dieser fixiert
sind.
20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die Leitungen (14) in Reihe geschaltet sind.
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