DE102013205474A1

DE102013205474A1 - Current measuring sensor

Info

Publication number: DE102013205474A1
Application number: DE201310205474
Authority: DE
Inventors: Roland Weiss
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Strommesssensor (20, 62, 64) mit vier einen magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselementen (10, 46), die räumlich in einer Ebene zu einer Wheatstone-Brückenschaltung (48) zusammengeschaltet sind, sowie mit zwei jeweils an einem Zweig der Wheatstone-Brückenschaltung (48) vorgesehenen Mittelabgriffen (50, 52), die jeweils einen Signalanschluss (40, 42) bereitstellen, und mit zwei Anschlüssen (36, 38) zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Wheatstone-Brückenschaltung (48), wobei die Wheatstone-Brückenschaltung (48) der den magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselemente (10, 46) in Kreuzverschaltung verschaltet ist.The invention relates to a current measuring sensor (20, 62, 64) with four resistance elements (10, 46) using a magnetoresistive effect, which are interconnected in one plane to form a Wheatstone bridge circuit (48), and with two each on a branch of the Wheatstone -Bridge circuit (48) provided center taps (50, 52), each providing a signal connection (40, 42), and with two connections (36, 38) for applying an electrical voltage to the Wheatstone bridge circuit (48), the Wheatstone -Bridge circuit (48) of the resistance elements (10, 46) using the magnetoresistive effect is interconnected in a cross connection.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Strommesssensor mit vier einen magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselementen, die räumlich in einer Ebene zu einer Wheatstone-Bückenschaltung zusammengeschaltet sind, sowie mit zwei jeweils an einem Zweig der Wheatstone-Brückenschaltung vorgesehenen Mittelabgriffen, die jeweils einen Signalanschluss bereitstellen und mit zwei Anschlüssen zum Anlegen einer elektrischen Spannung an die Wheatstone-Brückenschaltung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Strommesseinrichtung zum Messen eines elektrischen Stromes, mit einem elektrischen Leiter, der den zu messenden elektrischen Strom führt, und mit einem Strommesssensor, der ein vom zu messenden Strom erzeugtes Magnetfeld erfasst und ein vom erfassten Magnetfeld abhängiges Signal liefert. The present invention relates to a current measuring sensor having four magneto-resistive effect resistive elements spatially interconnected in a plane to a Wheatstone bridge circuit, and two center taps provided respectively on a branch of the Wheatstone bridge circuit, each providing a signal terminal and having two terminals for applying a voltage to the Wheatstone bridge circuit. In addition, the invention relates to a current measuring device for measuring an electric current, with an electrical conductor which carries the electrical current to be measured, and with a current measuring sensor which detects a magnetic field generated by the current to be measured and supplies a signal dependent on the detected magnetic field.

Gattungsgemäße Strommesssensoren sowie Strommesseinrichtungen sind im Stand der Technik bekannt. Sie dienen in der Regel der Erfassung eines elektrischen Stromes, um die unterschiedlichsten Aufgaben, wie beispielsweise Überwachung eines bestimmungsgemäßen Betriebs, Erfassen von Überlastbedingungen, Ermittlung einer Leistung oder dergleichen, durchführen zu können. Generic current measuring sensors and current measuring devices are known in the prior art. They are usually used to detect an electric current in order to perform a wide variety of tasks, such as monitoring a normal operation, detecting overload conditions, determining a power or the like.

Strommesssensoren erfassen nach einer ersten Art der Strommessung den Strom beispielsweise mittels eines in Serie zu dem den zu messenden Strom führenden Leiter geschalteten Shunts, der ein im Wesentlichen stromproportionales Spannungssignal liefert, das beispielsweise mittels einer Auswerteeinheit zur Ermittlung und Anzeige eines Stromwertes dient. Das vom Strommesssensor gelieferte Spannungssignal ist im Wesentlichen proportional zum Strom aufgrund des Ohm’schen Gesetzes. Nachteilig an dieser Art der Strommessung erweist es sich, dass der Mess- und Auswerteschaltkreis galvanisch mit dem den zu messenden stromführenden Leiter verbunden ist. Darüber hinaus erweist es sich als aufwändig, zu Messzwecken einen Shunt in eine den zu messenden Strom führende Leitung einzuschalten. Ein weiterer Nachteil dieser Art der Strommessung ergibt sich daraus, dass während der Messung am Shunt ein Spannungsabfall erzeugt wird, der je nach Schaltung, in der der zu messende Strom fließt, unerwünschte Rückwirkungen verursachen kann. Bei großen Strömen erweist es sich ferner als nachteilig, dass am Shunt hohe Verlustleistungen entstehen können, die den Messaufbau erschweren können. Current measuring sensors detect, according to a first type of current measurement, the current, for example, by means of a shunt connected in series with the conductor carrying the current to be measured, which supplies a substantially current-proportional voltage signal which, for example, serves to determine and display a current value by means of an evaluation unit. The voltage signal provided by the current measuring sensor is substantially proportional to the current due to Ohm's law. A disadvantage of this type of current measurement, it turns out that the measurement and evaluation circuit is galvanically connected to the current-carrying conductor to be measured. In addition, it turns out to be complicated, for measuring purposes, to turn on a shunt in a line leading to the current to be measured. Another disadvantage of this type of current measurement results from the fact that a voltage drop is generated at the shunt during the measurement, which, depending on the circuit in which the current to be measured flows, can cause undesired repercussions. For large currents, it is also disadvantageous that high power losses can occur at the shunt, which can complicate the measurement setup.

Eine zweite Art der Strommessung sieht vor, das von einem Strom verursachte Magnetfeld beziehungsweise die magnetische Flussdichte unter Nutzung des Hall-Effekts zu erfassen. In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise bekannt, Flusskonzentratoren einzusetzen, die den den zu messenden Strom führenden Leiter umgeben und das Magnetfeld auf einen Hall-Sensor konzentrieren. Unter Nutzung des Hall-Effekts wird in Abhängigkeit der magnetischen Flussdichte eine Signalspannung erzeugt, die mittels einer Auswerteeinheit ausgewertet und zur Anzeige gebracht werden kann. Diese Art der Strommessung erlaubt es, die Messschaltkreise von dem den zu messenden Strom führenden Leiter galvanisch zu trennen. Gleichwohl erweist sich der Aufbau mittels des Flusskonzentrators als nachteilig, da er einerseits eine große Bauform und ein hohes Gewicht zur Folge hat und andererseits eine Induktivität erzeugt, die die Einsetzung dieser Art der Strommessung hinsichtlich hoher Frequenzen begrenzt. A second type of current measurement involves detecting the magnetic field or the magnetic flux density caused by a current using the Hall effect. In this connection, it is known, for example, to use flux concentrators which surround the conductor carrying the current to be measured and concentrate the magnetic field on a Hall sensor. Using the Hall effect, a signal voltage is generated as a function of the magnetic flux density, which can be evaluated by means of an evaluation and displayed. This type of current measurement makes it possible to galvanically isolate the measuring circuits from the conductor carrying the current to be measured. Nevertheless, the structure by means of the flux concentrator proves to be disadvantageous because it has the one hand, a large design and high weight result and on the other hand generates an inductance that limits the use of this type of current measurement in terms of high frequencies.

Eine dritte Art der Messung elektrischer Ströme nutzt magnetoresistive Elemente, wobei vier solcher magnetoresistiven Elemente zu einer Wheatstone-Brückenschaltung verschaltet werden. Mit den magnetoresistiven Elementen kann das Magnetfeld, das vom zu messenden Strom erzeugt wird, erfasst werden und ein entsprechendes Signal erzeugt werden. Dieses wird mittels einer Auswerteschaltung ausgewertet und dient zur Anzeige eines Stromwertes. Eine solche Einrichtung offenbart beispielsweise die DE 10 2007 040 399 A1 . Der in dieser Druckschrift beschriebene Strommesssensor beziehungsweise die Strommesseinrichtung sind sehr kompakt und lassen sich gut integrieren. Darüber hinaus erlaubt es dieser Strommesssensor beziehungsweise diese Strommesseinrichtung, dass eine galvanische Trennung zum zu messenden Strom hergestellt werden kann. Mit der Verschaltung in einer Wheatstone-Brückenschaltung wird eine Unabhängigkeit von Temperaturschwankungen erreicht. A third way of measuring electrical currents uses magnetoresistive elements, with four such magnetoresistive elements being connected to form a Wheatstone bridge circuit. With the magnetoresistive elements, the magnetic field generated by the current to be measured can be detected and a corresponding signal can be generated. This is evaluated by means of an evaluation circuit and serves to display a current value. Such a device discloses, for example, the DE 10 2007 040 399 A1 , The current measuring sensor described in this document or the current measuring device are very compact and can be easily integrated. In addition, this current measuring sensor or current measuring device allows galvanic isolation to be measured to the current can be produced. With the interconnection in a Wheatstone bridge circuit independence of temperature fluctuations is achieved.

Obwohl sich der Strommesssensor gemäß der DE 10 2007 040 399 A1 bewährt hat, hat sich gezeigt, dass weiterer Verbesserungsbedarf besteht. Insbesondere ist eine verringerte Empfindlichkeit gegenüber Fremdfeldern gewünscht. Although the current measuring sensor according to the DE 10 2007 040 399 A1 has proven itself, there is further need for improvement. In particular, a reduced sensitivity to external fields is desired.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, einen Strommesssensor mit einen magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselementen derart weiterzubilden, dass die Empfindlichkeit gegenüber Fremdfeldern reduziert werden kann. It is therefore an object of the invention to develop a current measuring sensor with a magnetoresistive effect using resistive elements such that the sensitivity to external fields can be reduced.

Als Lösung wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass die Wheatstone-Brückenschaltung der den magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselemente in Kreuzverschaltung verschaltet ist. As a solution is proposed with the invention that the Wheatstone bridge circuit of the magnetoresistive effect using resistive elements is connected in cross-circuit.

Um ein auswertbares Signal dem Grunde nach zu erhalten, mittels dem ein Wert für den zu messenden elektrischen Strom ermittelt werden kann, sind die vier einen magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselemente der Wheatstone-Brückenschaltung derart verschaltet, dass jeweils eine Reihenschaltung aus jeweils zwei derartigen Widerstandselementen gebildet ist. Die beiden so gebildeten Reihenschaltungen sind wiederum parallelgeschaltet. Jeweils eines der Widerstandselemente einer elektrischen Reihenschaltung ist räumlich in einem Zweig mit einem Widerstandselement der anderen Reihenschaltung angeordnet. Auf diese Weise ist die Kreuzverschaltung gebildet. In order to obtain an evaluable signal basically, by means of which a value for the electric current to be measured can be determined, the four resistor elements of the Wheatstone bridge circuit using a magnetoresistive effect are connected in such a way that in each case a series circuit is formed from two such resistance elements , The two series circuits formed in this way are in turn connected in parallel. In each case one of the resistance elements of a series electrical circuit is arranged spatially in a branch with a resistance element of the other series circuit. In this way, the cross-connection is formed.

Die den magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselemente weisen ein Material auf, das den magnetoresistiven Effekt bereitstellt. In der Regel ist das Material in Form einer dünnen Schicht, beispielsweise mit einer Dicke von wenigen Nanometern oder dergleichen ausgebildet. The resistive elements utilizing the magnetoresistive effect comprise a material that provides the magnetoresistive effect. As a rule, the material is in the form of a thin layer, for example with a thickness of a few nanometers or the like.

Ein magnetoresistiver Effekt ist ein physikalischer Effekt, der die Änderung eines spezifischen elektrischen Widerstands eines Materials durch Anlegen eines äußeren Magnetfeldes bewirkt. Dazu gehören insbesondere der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt), der „gigantische“ magnetoresistive Effekt (GMR-Effekt), der CMR-Effekt, der tunnelresistive Effekt (TMR-Effekt) sowie der planare Hall-Effekt. Magnetoresistive Effekte treten auf in nicht magnetischen Materialien (Hall-Effekt), magnetischen Materialien (zum Beispiel AMR-Effekt) sowie auch in hybriden Bauteilen aus nicht-magnetischen und magnetischen Materialien (zum Beispiel GMR- EMR-Effekt). In der Regel weisen die einen magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselemente aktive Bereiche auf, die aus dem den magnetoresistiven Effekt bereitstellenden Materialen bestehen. Das Widerstandselement kann somit eine flache Bauform und beispielsweise einen Schichtaufbau aufweisen. A magnetoresistive effect is a physical effect that causes a change in a specific electrical resistance of a material by applying an external magnetic field. These include, in particular, the anisotropic magnetoresistive effect (AMR effect), the "gigantic" magnetoresistive effect (GMR effect), the CMR effect, the tunnel-resistive effect (TMR effect) and the planar Hall effect. Magnetoresistive effects occur in non-magnetic materials (Hall effect), magnetic materials (for example AMR effect) as well as in hybrid components of non-magnetic and magnetic materials (for example GMR-EMR effect). As a rule, the resistive elements utilizing a magnetoresistive effect have active regions which consist of the material providing the magnetoresistive effect. The resistance element can thus have a flat design and, for example, a layer structure.

Magnetoresistive Effekte nutzende Sensoren (MR-Sensoren), insbesondere GMR-Sensoren, stellen in der magnetfeldbasieren Positions-, Geschwindigkeits-, Drehzahl-, Feld- oder auch Stromsensorik eine Alternative zu Hall-Sensoren dar. Die Hauptvorteile im Vergleich zu Hall-Sensoren liegen im einfacheren Systemaufbau einer höheren Dynamik, einem geringerem Rauschen sowie einer geringeren Empfindlichkeit gegenüber homogenen Fremdfeldern, insbesondere bei geeigneter Brückenschaltung, wie in Anordnung einer Wheatstone-Brückenschaltung. Zugleich erlaubt es der Strommesssensor der Erfindung, eine galvanische Trennung für die Gleichstrommessung bereitzustellen, so dass mit der Anwendung der Strommessung mittels des Strommessensors der Erfindung eine deutliche Erleichterung bei der Anwendung einhergeht. Magnetoresistive effects using sensors (MR sensors), in particular GMR sensors, provide an alternative to Hall sensors in the magnetic field-based position, speed, speed, field or current sensors. The main advantages compared to Hall sensors are in the simpler system structure of a higher dynamics, a lower noise and a lower sensitivity to homogeneous external fields, especially in a suitable bridge circuit, such as in arrangement of a Wheatstone bridge circuit. At the same time, the current measuring sensor of the invention makes it possible to provide a galvanic isolation for the DC measurement, so that the application of the current measurement by means of the current measuring sensor of the invention is accompanied by a marked ease of use.

Mittels der Kreuzverschaltung in Verbindung mit der Wheatstone-Brückenschaltung kann vorzugsweise bei streifenförmigen Widerstandselementen die Unterdrückung von Störeinflüssen homogener Felder, insbesondere senkrecht zur Streifenform, verbessert werden. Dadurch kann bei galvanischer Trennung und geringer Störempfindlichkeit eine Strommessung mit hoher Genauigkeit erreicht werden. By means of the cross-connection in conjunction with the Wheatstone bridge circuit, the suppression of interference effects of homogeneous fields, in particular perpendicular to the strip shape, can preferably be improved in the case of strip-shaped resistance elements. As a result, current measurement with high accuracy can be achieved with galvanic isolation and low susceptibility to interference.

Die Wheatstone-Brückenschaltung kann über zwei Anschlüsse mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt werden, so dass ein bestimmungsgemäßer Betrieb erreicht werden kann. An den Mittelabgriffen wird eine Teilspannung dieser zugeführten elektrischen Spannung entsprechend der aktuellen Widerstandswerte, die vom einwirkenden Magnetfeld abhängig sind, erzeugt. Diese Spannung wird über die Signalanschlüsse zur weiteren Auswertung und Ermittlung des Wertes des zu messenden Stromes bereitgestellt. Demzufolge kann an die Signalanschlüsse eine Auswerteeinheit angeschlossen sein, die das Signal entsprechend verarbeitet und einen Wert für den ermittelten Strom ausgibt beziehungsweise anzeigt. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise vorsehen, dass Nichtlinearitäten und/oder dergleichen Störeinflüsse, insbesondere systematischer Art, herausgerechnet werden. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise durch einen Rechner, eine elektronische Hardware-Schaltung, Kombinationen hiervon oder dergleichen gebildet sein. Dem Grunde nach kann die Wheatstone-Brückenschaltung an ihren Anschlüssen auch mit einem konstanten Strom beaufschlagt werden. Für die Ermittlung des Wertes des zu messenden Stroms ist die Strombeaufschlagung zu berücksichtigen beziehungsweise der Spannungswert an den zuführenden Anschlüssen zu erfassen. The Wheatstone bridge circuit can be acted upon by two terminals with an electrical voltage, so that a normal operation can be achieved. At the center taps a partial voltage of this supplied electrical voltage according to the current resistance values, which are dependent on the applied magnetic field generated. This voltage is provided via the signal terminals for further evaluation and determination of the value of the current to be measured. Accordingly, an evaluation unit can be connected to the signal connections, which process the signal accordingly and output or display a value for the determined current. The evaluation unit can provide, for example, that nonlinearities and / or similar disturbing influences, in particular of a systematic nature, are eliminated. The evaluation unit can be formed for example by a computer, an electronic hardware circuit, combinations thereof or the like. Basically, the Wheatstone bridge circuit can be acted upon at their terminals with a constant current. To determine the value of the current to be measured, the current load must be taken into account or the voltage value at the supplying terminals must be recorded.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die dem magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselemente vom Typ Spin-Ventil (spin-valve) sind, die jeweils eine Bezugsschicht (reference layer) und eine Freischicht (free layer) aufweisen, wobei in der Wheatstone-Brückenschaltung die Magnetisierung der Bezugsschichten aller Widerstandselemente in die gleiche Richtung und die Magnetisierung der Freischichten der Widerstandselemente in räumlich benachbarten Zweigen entgegengesetzt ausgerichtet sind. A development of the invention provides that the resistance elements using the magnetoresistive effect are of the spin-valve type, each having a reference layer and a free layer, wherein in the Wheatstone bridge circuit Magnetization of the reference layers of all resistive elements in the same direction and the magnetization of the free layers of the resistive elements are aligned oppositely in spatially adjacent branches.

Widerstandselemente vom Typ Spin-Ventil sind beispielsweise GMR- oder TMR-Elemente, wodurch die Genauigkeit der Messung sowie Einflüsse von Temperaturschwankungen, Fremdfeldern und dergleichen weiter reduziert werden kann. Insbesondere erlaubt es diese Ausgestaltung, bei streifenförmigen Widerstandelementen neben einem Störeinfluss senkrecht zur Streifenform auch Störfelder in Richtung der Streifenform zu reduzieren. Vor allem, wenn die Strommessung auf kurzen Uförmigen Leitern (U-turn) vorgesehen ist, kann eine Feldkomponente unterdrückt werden, die aufgrund der U-förmigen Umleitung auf den Strommesssensor einwirken kann. Hierdurch verursachte Verzerrungen an den Signalanschlüssen können reduziert werden. Resistor elements of the spin-valve type are, for example, GMR or TMR elements, whereby the accuracy of the measurement as well as influences of temperature fluctuations, extraneous fields and the like can be further reduced. In particular, this embodiment allows for stripe-shaped resistance elements in addition to a disturbing influence perpendicular to the strip shape to reduce interference fields in the direction of the strip shape. Especially when the current measurement on short U-shaped conductors (U-turn) is provided, a field component can be suppressed, which can act on the current measuring sensor due to the U-shaped detour. This causes distortions to the signal terminals can be reduced.

Die Widerstandselemente weisen vorzugsweise einen Schichtaufbau eines Spin-Ventil-Systems auf, beispielsweise in Form eines GMR-Schichtsystems oder eines TMR-Schichtsystems. Das Schichtsystem kann dabei aus mindestens einer antiferromagnetischen Schicht, einer durch den Antiferromagneten über eine exchange bias gepinnten ferromagnetischen Schicht, die selbst wieder Bestandteil eines so genannten künstlichen Antiferromagneten sein kann, mindestens einer Flussführungsschicht und einer zwischen diesen ferromagnetischen Schichten angeordneten leitfähigen Schicht für GMR-Schichtsysteme oder oxidischen Schicht für Tunnel-Schichtsysteme. Hierdurch kann Nutzung des magnetoresistiven Effekts erreicht werden. The resistance elements preferably have a layer structure of a spin valve system, for example in the form of a GMR layer system or a TMR layer system. The layer system may consist of at least one antiferromagnetic layer, a ferromagnetic layer pinned by the antiferromagnet via an exchange bias, which may itself be part of a so-called artificial antiferromagnet, at least one flux-guiding layer and a conductive layer for GMR layer systems arranged between these ferromagnetic layers or oxide layer for tunnel layer systems. As a result, use of the magnetoresistive effect can be achieved.

Spin-Ventile nutzen eine unidirektionale Anisotropie, die auch exchange bias (EB) bezeichnet wird, und die durch die Kopplung zwischen einem Ferro- und einem Antiferromagneten entsteht. Der exchange bias bewirkt eine Vorzugsrichtung der Magnetisierung im Ferromagneten. Spin-Ventile bildende Systeme enthalten in der Regel zwei Ferromagnete, von denen einer frei ummagnetisierbar ist, während der andere als Referenz festgehalten ist, auch „pinnen“ genannt. Das „Pinnen“ erfolgt durch die Kopplung an einem Antiferromagneten, also durch den exchange bias. Je nach Trennschicht zwischen den beiden Ferromagneten enthält man zwei verschiedene Systeme, und zwar entweder ein GMR-Schichtsystem, wenn zwischen den zwei ferromagnetischen Schichten ein unmagnetisches Metall angeordnet ist, oder ein TMR-Schichtsystem, wenn die zwei ferromagnetischen Schichten durch einen unmagnetischen Isolator getrennt sind.Spin valves utilize unidirectional anisotropy, also called exchange bias (EB), which results from the coupling between a ferro- and an antiferromagnet. The exchange bias causes a preferred direction of magnetization in the ferromagnet. Spin valve forming systems typically include two ferromagnets, one of which is freely magnetizable while the other is noted as a reference, also called "pinning". The "pinning" is done by the coupling to an antiferromagnet, so by the exchange bias. Depending on the separation layer between the two ferromagnets, there are two different systems, either a GMR layer system if a nonmagnetic metal is placed between the two ferromagnetic layers, or a TMR layer system if the two ferromagnetic layers are separated by a nonmagnetic insulator ,

Durch die besondere Ausrichtung der Magnetisierung der Bezugsschichten und der Freischichten der Widerstandselemente in den entsprechenden Raumrichtungen der Wheatstone-Brückenschaltung kann eine besonders effektive Unterdrückung von Störungen aufgrund von Magnetfeldern in streifenförmigen Widerstandselementen erreicht werden. Insbesondere bei Einsatz des Strommesssensors bei kurzen, U-förmigen Leitern, kann eine Verzerrung beziehungsweise Störung des Ausgangssignals der Wheatstone-Brückenschaltung weiter reduziert werden. Dies kann die Messgenauigkeit insgesamt deutlich verbessern. The particular orientation of the magnetization of the reference layers and the free layers of the resistive elements in the corresponding spatial directions of the Wheatstone bridge circuit, a particularly effective suppression of disturbances due to magnetic fields in strip-shaped resistor elements can be achieved. In particular, when using the current measuring sensor with short, U-shaped conductors, a distortion or disturbance of the output signal of the Wheatstone bridge circuit can be further reduced. This can significantly improve the overall measuring accuracy.

Durch die Maßnahme dieser Ausgestaltung werden gegenläufige Vorzugsrichtungen der Widerstandselemente in der Wheatstone-Brückenschaltung erreicht, so dass eine effektive Unterdrückung der Abhängigkeit des Ausgangssignals der Wheatstone-Brückenschaltung von Fremdfeldern,insbesondere in der Schichtebene der Widerstandselemente, erreicht werden kann. By the measure of this embodiment, opposite preferred directions of the resistance elements in the Wheatstone bridge circuit are achieved, so that an effective suppression of the dependence of the output signal of the Wheatstone bridge circuit of extraneous fields, in particular in the layer plane of the resistance elements, can be achieved.

Mit der Nutzung von Widerstandselementen vom Typ Spin-Ventil und der entsprechenden Orientierung der Magnetisierung der Schichten der Widerstandselemente kann ergänzend bei U-förmigen Leitern eine Reduzierung von Störeinflüssen verursacht durch die Umlenkung des zu messenden Stroms im U-förmigen Teil des Leiters erreicht werden. With the use of resistance elements of the spin valve type and the corresponding orientation of the magnetization of the layers of the resistance elements, a reduction of disturbing influences caused by the deflection of the current to be measured in the U-shaped part of the conductor can additionally be achieved with U-shaped conductors.

Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Magnetisierung der Bezugsschichten und/oder der Freischichten in der Ebene der Wheatstone-Brückenschaltung ausgerichtet sind. Dadurch lässt sich eine besonders einfache Realisierung des Strommesssensors erreichen. It proves particularly advantageous if the magnetization of the reference layers and / or the free layers are aligned in the plane of the Wheatstone bridge circuit. This makes it possible to achieve a particularly simple realization of the current measuring sensor.

Eine vorteilhafte Weiterbildung zeichnet sich dadurch aus, dass die den magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselemente auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sind. Dadurch kann eine fertigungstechnisch einfache Ausgestaltung erreicht werden. Neben einer einfachen Herstellung, bei der auf dem Substrat die Widerstandselemente beispielsweise gemeinsam hergestellt werden können, kann darüber hinaus auch eine kompakte, einfach handhabbare Baugruppe erreicht werden. An advantageous development is characterized in that the resistive elements utilizing the magnetoresistive effect are arranged on a common substrate. As a result, a manufacturing technology simple design can be achieved. In addition to a simple production, in which the resistance elements can be produced together, for example, on the substrate, in addition, a compact, easy to handle assembly can be achieved.

Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn das Substrat einen elektrisch isolierenden Werkstoff aufweist. Dadurch kann der Strommesssensor zugleich auch eine elektrische Isolation in Bezug auf den den zu messenden Strom führenden Leiter bereitstellen. Dies kann den Messaufbau insgesamt erleichtern und eine einfache gute elektrische Isolation gewährleisten, insbesondere auf einfache Weise eine galvanische Trennung bereitstellen. So lassen sich auch hohe Anforderungen hinsichtlich der elektrischen Sicherheit, beispielsweise gemäß IEC-335, mit geringem Aufwand realisieren. It proves to be particularly advantageous if the substrate has an electrically insulating material. As a result, the current measuring sensor can at the same time also provide electrical insulation with respect to the conductor carrying the current to be measured. This can facilitate the measurement setup as a whole and ensure a simple good electrical insulation, in particular provide a galvanic isolation in a simple manner. Thus, even high requirements in terms of electrical safety, for example, according to IEC-335, realize with little effort.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die den magnetoresistiven Effekt nutzenden Widerstandselemente von einem Schutzwerkstoff, insbesondere einem elektrisch isolierenden Werkstoff umschlossen sind. Der Schutzwerkstoff kann beispielsweise durch eine Vergussmasse oder dergleichen gebildet sein und die Widerstandselemente oder sogar den gesamten Strommesssensor einschließen. Dadurch sind die Widerstandselemente beziehungsweise der Strommesssensor gegen äußere Einflüsse, insbesondere Umwelteinflüsse geschützt angeordnet. Die Zuverlässigkeit, insbesondere die Lebensdauer des Strommesssensors kann dadurch weiter erhöht werden. Darüber hinaus können die Messeigenschaften des Strommesssensors beeinträchtigende Einflüsse reduziert werden, beispielsweise eine Alterung von die Widerstandselemente bildende Schichten, Einflüsse durch Verschmutzung, Feuchtigkeit und/oder dergleichen. Furthermore, it can be provided that the resistive elements utilizing the magnetoresistive effect are enclosed by a protective material, in particular an electrically insulating material. The protective material may for example be formed by a potting compound or the like and include the resistance elements or even the entire current measuring sensor. As a result, the resistance elements or the current measuring sensor are arranged protected against external influences, in particular environmental influences. The reliability, in particular the life of the current measuring sensor can be further increased. In addition, influences affecting the measurement characteristics of the current measuring sensor can be reduced, for example aging of the layers forming the resistance elements, influences due to contamination, moisture and / or the like.

Darüber hinaus kann der Strommesssensor ein Haltemittel aufweisen. Dies ermöglicht es, den Strommesssensor mit dem Leiter, der den zu messenden Strom führt, zu verbinden. Das Haltemittel kann beispielsweise in Form einer Klebschicht, eines geeigneten Haftmaterials, aber auch in Form einer mechanischen Ausgestaltung einer Rastfeder oder dergleichen ausgebildet sein. Selbstverständlich können auch Kombinationen hiervon vorgesehen sein. Vorzugsweise erlaubt das Haltemittel eine lösbare Verbindung mit dem Leiter, so dass eine einfache Flexibilität erreicht werden kann. Je nach Anwendungsbedarf kann aber auch vorgesehen sein, dass der Strommesssensor dauerhaft mit dem Leiter verbunden ist. In addition, the current measuring sensor may have a holding means. This makes it possible to connect the current measuring sensor to the conductor which carries the current to be measured. The holding means may be formed for example in the form of an adhesive layer, a suitable adhesive material, but also in the form of a mechanical configuration of a detent spring or the like. Of course, combinations thereof may be provided. Preferably, the holding means allows a detachable connection with the conductor, so that a simple flexibility can be achieved. Depending on the application requirement, however, provision may also be made for the current measuring sensor to be permanently connected to the conductor.

Mit der Erfindung wird ferner eine gattungsgemäße Strommesseinrichtung vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Strommesssensor nach der Erfindung ausgebildet ist. With the invention, a generic current measuring device is further proposed, which is characterized in that the current measuring sensor is formed according to the invention.

Eine flexibel einsetzbare, hochgenau messende Strommesseinrichtung kann geschaffen werden. Der Strommesssensor kann als kompakte Baugruppe bereitgestellt werden oder auch als integrierbare Einheit. Dadurch dass die Strommesseinrichtung den elektrischen Leiter zumindest im Bereich des Strommesssensors umfasst, kann eine einfache Abstimmung erfolgen, die zu einer zuverlässigen genauen Messung führt. Einflüsse aufgrund der Kopplung zwischen dem Leiter und dem Strommesssensor können dadurch vereinheitlicht werden, so dass ein Abstimmen des jeweiligen Messaufbaus weitgehend vermieden werden kann. A flexibly applicable, high-precision measuring current measuring device can be created. The current measuring sensor can be provided as a compact module or as an integratable unit. Because the current measuring device comprises the electrical conductor at least in the region of the current measuring sensor, a simple tuning can be carried out, which leads to a reliable, accurate measurement. Influences due to the coupling between the conductor and the current measuring sensor can thereby be standardized, so that a tuning of the respective measurement setup can be largely avoided.

Zu diesem Zweck erweist es sich als vorteilhaft, wenn der Strommesssensor mit dem elektrischen Leiter verbunden ist. Die Verbindung kann lösbar oder auch dauerhaft ausgestaltet sein, je nach Anwendungsfall. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Verbindung zwischen dem Strommesssensor und dem Leiter zugleich auch eine Isolation bereitstellt, so dass eine galvanische Trennung zwischen Strommesssensor und Leiter erreicht werden kann. Auf diese Weise kann eine Strommessung unabhängig von dem elektrischen Potential des Leiters durchgeführt werden. For this purpose, it proves to be advantageous if the current measuring sensor is connected to the electrical conductor. The connection can be made detachable or permanent, depending on the application. It proves to be particularly advantageous if the connection between the current measuring sensor and the conductor at the same time also provides insulation, so that a galvanic separation between the current measuring sensor and the conductor can be achieved. In this way, a current measurement can be performed independently of the electrical potential of the conductor.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass der elektrische Leiter durch ein in eine elektrische Leitung einfügbares Leiterstück gebildet ist. Dies erlaubt es, vordefinierte Bedingungen für die Kopplung zwischen Leiter und Strommesssensor bereitzustellen, so dass weitere Adaptionen für die Messung weitgehend vermieden werden können. A further embodiment provides that the electrical conductor is formed by an insertable into an electrical line conductor piece. This makes it possible to provide predefined conditions for the coupling between the conductor and the current measuring sensor, so that further adaptations for the measurement can be largely avoided.

Insbesondere kann das Leiterstück durch ein U-förmig ausgebildetes Profil gebildet sein. Dies erlaubt es, eine weitere Verbesserung hinsichtlich der Genauigkeit der Strommessung zu erreichen. Vorzugsweise ist in diesem Fall der Strommesssensor derart angeordnet, dass jeweils ein räumlicher Zweig der Wheatstone-Brückenschaltung einem der Schenkel des U-förmigen Leiters zugeordnet ist. In particular, the conductor piece may be formed by a U-shaped profile. This makes it possible to achieve further improvement in the accuracy of the current measurement. Preferably, in this case, the current measuring sensor is arranged such that in each case a spatial branch of the Wheatstone bridge circuit is assigned to one of the legs of the U-shaped conductor.

Weiterhin kann gemäß einer Ausgestaltung vorgesehen sein, dass das Leiterstück flach, insbesondere mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet ist. Diese Ausgestaltung eignet sich besonders zur Nutzung im Bereich der elektrischen Energieversorgung, bei der derartige Leiterstücke einfach mit vorhandenen Profilen in Schaltanlagen oder dergleichen verbunden werden können. Furthermore, it can be provided according to an embodiment that the conductor piece is flat, in particular formed with a rectangular cross-section. This embodiment is particularly suitable for use in the field of electrical power supply, in which such conductor pieces can be easily connected to existing profiles in switchgear or the like.

Weitere Vorteile und Merkmale sind der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Further advantages and features can be found in the following description of exemplary embodiments. Identical components are provided with the same reference numerals.

Es zeigen: Show it:

1 in einer schematisch perspektivischen Ansicht einen Schichtaufbau eines aktiven Bereichs eines Widerstandselements vom Typ Spin-Ventil, 1 in a schematic perspective view of a layer structure of an active region of a resistance element of the spin-valve type,

2 eine Schnittansicht durch eine Strommesseinrichtung mit einem Strommesssensor der Erfindung in schematischer Darstellung, 2 a sectional view through a current measuring device with a current measuring sensor of the invention in a schematic representation,

3 die Strommesseinrichtung gemäß 2 in einer schematischen Draufsicht, 3 the current measuring device according to 2 in a schematic plan view,

4 eine schematisch vergrößerte Darstellung des Strommesssensors der Strommesseinrichtung gemäß 2, wobei der zu messende Strom Null ist, 4 a schematically enlarged view of the current measuring sensor of the current measuring device according to 2 where the current to be measured is zero,

5 die Darstellung der Strommesseinrichtung gemäß 4, wobei zusätzlich ein Fremdfeld auf den Strommesssensor einwirkt, 5 the representation of the current measuring device according to 4 , wherein additionally an external field acts on the current measuring sensor,

6 in schematischer Draufsicht einen weiteren Strommesssensor einer Strommesseinrichtung gemäß einer weiteren Ausgestaltung mit Widerstandselementen, deren Schichtaufbau vorgegebene Magnetisierungen aufweisen, und 6 in a schematic plan view of another current measuring sensor of a current measuring device according to a further embodiment with resistance elements whose layer structure have predetermined magnetizations, and

7 in schematischer Draufsicht eine Ausgestaltung des Strommesssensors gemäß 6, wobei dieser auf zwei Substrate aufgeteilt angeordnet ist. 7 in a schematic plan view of an embodiment of the current measuring sensor according to 6 , which is arranged distributed on two substrates.

1 zeigt in perspektivisch schematischer Darstellung einen Ausschnitt aus einem Schichtaufbau 18 eines Widerstandselements 10 vom Typ Spin-Ventil, wobei in dieser Reihenfolge von unten nach oben eine Bezugsschicht 16 (reference layer, hard layer), eine Zwischenschicht 14 (spacer) und eine Freischicht 12 (free layer) einander kontaktierend angeordnet sind. Je nach Wahl der Zwischenschicht 14 ist das Widerstandselement 10 entweder ein GMR-Element, wenn die Zwischenschicht 14 durch eine nicht magnetisierbare Metallschicht gebildet ist, oder ein TMR-Element, wenn die Zwischenschicht durch ein elektrisch isolierendes, nicht magnetisierbares Material gebildet ist. Beide Elemente sind vom Typ Spinventil (Spin-Valve) und nutzen den magnetoresistiven Effekt. 1 shows a perspective schematic representation of a section of a layer structure 18 a resistance element 10 of the spin valve type, in which order from bottom to top a reference layer 16 (reference layer, hard layer), an intermediate layer 14 (spacer) and a free layer 12 (free layer) are arranged contacting each other. Depending on the choice of the intermediate layer 14 is the resistance element 10 either a GMR element, if the interlayer 14 is formed by a non-magnetizable metal layer, or a TMR element, when the intermediate layer is formed by an electrically insulating, non-magnetizable material. Both elements are of the spin valve type and use the magnetoresistive effect.

2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer Strommesseinrichtung 44 gemäß der Erfindung. Auf einem elektrisch isolierenden Substrat 26 ist ein Strommesssensor 20 der Erfindung angeordnet, der beispielsweise herstellungsbedingt mit dem Substrat 26 fest verbunden ist. Der Strommesssensor 20 ist von einer Vergussmasse 22 umschlossen, die mit dem Substrat 26 abschließt. Dadurch ist der Strommesssensor 20 mit seinen den magnetoresistierenden Effekt nutzenden Widerstandselementen durch die Vergussmasse 22 nach Art eines Schutzwerkstoffs umschlossen. Vorliegend ist die Vergussmasse 22 durch ein Epoxy gebildet, das zugleich auch eine elektrisch isolierende Eigenschaft bereitstellt. Die Vergussmasse 22 hat keinerlei magnetisch aktive Eigenschaften, so dass sie keine Auswirkung auf die Strommessung ausübt. 2 shows a schematic sectional view of a current measuring device 44 according to the invention. On an electrically insulating substrate 26 is a current measuring sensor 20 arranged the invention, for example, due to the production of the substrate 26 is firmly connected. The current measuring sensor 20 is from a potting compound 22 enclosed with the substrate 26 concludes. This is the current measuring sensor 20 with its resistive elements utilizing the magnetoresistive effect through the potting compound 22 enclosed in the manner of a protective material. In the present case is the potting compound 22 formed by an epoxy, which also provides an electrically insulating property at the same time. The potting compound 22 has no magnetically active properties, so it has no effect on the current measurement.

Wie aus 2 ferner ersichtlich ist, ist das Substrat 26 auf seiner dem Strommesssensor 20 gegenüberliegenden Seite mit einem elektrischen Leiter 24 verbunden. Vorliegend ist die Verbindung durch eine Klebverbindung hergestellt. Der elektrische Leiter 24 ist U-förmig ausgebildet (3) und bildet dadurch einen sogenannten U-Turn. An seinen endseitigen Schenkeln kann der U-förmige Leiter 24 in einen Leiter eingeschleift werden, dessen elektrischer Strom gemessen werden soll. Dadurch fließt der zu messende elektrische Strom durch den U-förmigen Leiter 24, wodurch mittels des Strommesssensors 20 der Wert des durch den elektrischen Leiter 24 fließenden Stromes ermittelt werden kann. How out 2 Further, it is the substrate 26 on his the current measuring sensor 20 opposite side with an electrical conductor 24 connected. In the present case, the connection is made by an adhesive bond. The electrical conductor 24 is U-shaped ( 3 ) and thereby forms a so-called U-turn. At its end legs, the U-shaped ladder 24 be looped into a conductor whose electrical current is to be measured. As a result, the electric current to be measured flows through the U-shaped conductor 24 , whereby by means of the current measuring sensor 20 the value of the electrical conductor 24 flowing current can be determined.

4 zeigt in einer vergrößerten Darstellung den Strommesssensor 20, wie er in der Strommesseinrichtung 44 in 3 dargestellt und eingesetzt ist. Aus 4 ist ersichtlich, dass der Strommesssensor 20 vier GMR-Elemente 46 aufweist, die räumlich in einer Ebene des Strommesssensors 20 auf dem Substrat 26 angeordnet sind und die, wie sich aus dem Prinzipschaltbild der 4 ergibt, nach Art einer Wheatstone-Brückenschaltung 48 verschaltet sind. Insbesondere sind die GMR-Elemente 46 in der Wheatstone-Brückenschaltung 48 kreuzverschaltet. Jeweils zwei GMR-Elemente 46 sind räumlich benachbart in Stromrichtung des jeweiligen Schenkels des U-förmigen Leiters 24 paarweise angeordnet. Durch die Kreuzverschaltung sind jeweils zwei diagonal gegenüberliegende GMR-Elemente 46 zu einer Reihenschaltung miteinander verbunden. Die beiden Reihenschaltungen sind ihrerseits wiederum parallelgeschaltet. 4 shows in an enlarged view the current measuring sensor 20 as he is in the current measuring device 44 in 3 is shown and used. Out 4 it can be seen that the current measuring sensor 20 four GMR elements 46 which spatially in a plane of the current measuring sensor 20 on the substrate 26 are arranged and, as can be seen from the block diagram of 4 results in the manner of a Wheatstone bridge circuit 48 are interconnected. In particular, the GMR elements 46 in the Wheatstone bridge circuit 48 cross connected. Two GMR elements each 46 are spatially adjacent in the current direction of the respective leg of the U-shaped conductor 24 arranged in pairs. Due to the Kreuzverschaltung are two diagonally opposite GMR elements 46 connected in series with each other. The two series circuits are in turn connected in parallel.

An den Verbindungspunkten der Reihenschaltungen der GMR-Elemente 46 sind Mittelabgriffe 50, 52 gebildet, die jeweils einen Signalanschluss 40, 42 bereitstellen. Zwischen den Signalanschlüssen 40, 42 liegt eine Signalspannung 30 an, die mittels einer nicht dargestellten Auswerteeinheit ausgewertet und zur Anzeige beziehungsweise Ausgabe eines Wertes für einen gemessenen Stromes genutzt wird. At the connection points of the series connections of the GMR elements 46 are means taps 50 . 52 formed, each having a signal connection 40 . 42 provide. Between the signal connections 40 . 42 is a signal voltage 30 which is evaluated by means of an evaluation unit, not shown, and used to display or output a value for a measured current.

Für den bestimmungsgemäßen Betrieb weist die Wheatstone-Brückenschaltung 48 ferner zwei Anschlüsse 36, 38 auf, über die eine Versorgungsspannung 28 der Wheatstone-Brückenschaltung 48 zugeführt werden kann. Die Signalspannung 30 ist somit eine Differenzspannung zwischen den Spannungen, die sich durch Spannungsteilung an den jeweiligen Mittelabgriffen 50, 52 ausbilden. For proper operation, the Wheatstone bridge circuit 48 furthermore two connections 36 . 38 on, over which a supply voltage 28 the Wheatstone bridge circuit 48 can be supplied. The signal voltage 30 is thus a differential voltage between the voltages resulting from voltage division at the respective center taps 50 . 52 form.

Wie aus 4 ferner ersichtlich ist, sind alle vier GMR-Elemente 46 derart angeordnet, dass die Magnetisierugen der jeweiligen Bezugsschicht 32 in die gleiche Richtung in der Substratebene des Substrats 26 ausgerichtet sind, in der vorliegenden Ausgestaltung in X-Richtung (siehe Koordinatensystem der 4). Ferner ist ersichtlich, dass die Magnetisierungen der jeweiligen Freischichten 34 der GMR-Elemente 46 ebenfalls sämtlich in die gleiche Richtung ausgerichtet sind, und zwar hier in die y-Richtung. In 4 sind die Magnetisierungsverhältnisse für den Fall dargestellt, dass der Strom durch den Leiter 24 NULL ist. Die Länge der jeweiligen Pfeile für die Magnetisierungsrichtungen der Schichten 32, 34 stellt jeweils ein Maß für die jeweilige Stärke der Magnetisierung der GMR-Elemente 46 dar. Aus 4 ist ersichtlich, dass sämtliche Pfeile der Magnetisierungsrichtungen 32, 34 etwa die gleiche Größe haben, so dass sich an den Mittelabgriffen 50, 52 etwa die gleiche Spannung einstellt. Daraus resultiert eine Signalspannung, die etwa Null ist. Der Spannungswert der Signalspannung 30 entspricht somit dem tatsächlichen Strom im Leiter 24. How out 4 Further, all four are GMR elements 46 arranged such that the Magnetisierugen the respective reference layer 32 in the same direction in the substrate plane of the substrate 26 are aligned in the present embodiment in the X direction (see coordinate system of 4 ). It can also be seen that the magnetizations of the respective free layers 34 the GMR elements 46 are all also aligned in the same direction, here in the y-direction. In 4 the magnetization ratios are shown in the case that the current through the conductor 24 Is zero. The length of the respective arrows for the magnetization directions of the layers 32 . 34 each represents a measure of the respective strength of the magnetization of the GMR elements 46 out 4 It can be seen that all the arrows of the magnetization directions 32 . 34 about the same size, so that at the center taps 50 . 52 about the same voltage setting. This results in a signal voltage that is about zero. The voltage value of the signal voltage 30 thus corresponds to the actual current in the conductor 24 ,

5 zeigt den gleichen Aufbau wie 4, wobei jetzt jedoch ergänzend ein Strom 54 durch den Leiter 24 strömt, dessen Wert mittels der Strommesseinrichtung 44 erfasst werden soll. Bezüglich des Aufbaus der Bauelemente sowie deren Eigenschaften wird auf die vorhergehenden Ausführungen zur 4 verwiesen. Wie aus 5 ersichtlich ist, bewirkt der Stromfluss 54, dass die Magnetisierungsrichtung 34 der Freischichten 34 jeweils höher oder niedriger magnetisiert ist als vorher. Dies wird durch den Stromfluss des Stromes 54 bewirkt. Aus 5 ist ersichtlich, dass die Magnetisierung 34 in Abhängigkeit der Stromrichtung vergrößert bzw. verkleinert wird. In Stromrichtung vergrößert sich die Magnetisierung (linker Schenkel des U-förmigen Leiters), wohingegen sich entgegen der Stromrichtung die Magnetisierung 34 reduziert (siehe rechter Schenkel des U-förmigen Leiters 24). Dadurch entstehen an den Mittelabgriffen 50, 52 unterschiedliche Teilspannungen, so dass aufgrund der Differenzschaltung eine von Null abweichende Signalspannung 30 an den Anschlüssen 40, 42 bereitgestellt wird. Diese kann mittels der Auswerteeinheit ausgewertet und in einen dem tatsächlichen Strom entsprechenden Wert umgerechnet werden. 5 shows the same structure as 4 , but now in addition a current 54 through the ladder 24 flows, its value by means of the current measuring device 44 should be recorded. With regard to the structure of the components and their properties is to the previous comments to 4 directed. How out 5 can be seen causes the flow of current 54 in that the magnetization direction 34 the Freischichten 34 each magnetized higher or lower than before. This is due to the current flow of the stream 54 causes. Out 5 it can be seen that the magnetization 34 is increased or decreased depending on the current direction. In the current direction, the magnetization increases (left leg of the U-shaped conductor), whereas opposite to the current direction, the magnetization 34 reduced (see right leg of the U-shaped conductor 24 ). This results in the middle taps 50 . 52 different sub-voltages, so that due to the differential circuit deviates from zero signal voltage 30 at the connections 40 . 42 provided. This can be evaluated by means of the evaluation unit and converted into a value corresponding to the actual current.

Aus 5 ist ferner ersichtlich, dass ein homogenes Fremdfeld 56 auf den Strommesssensor 20 einwirken kann. Dies kann dazu führen, dass die Signalspannung 30 nicht mehr korrekt dem tatsächlich fließenden Strom 54 im elektrischen Leiter 24 entspricht. Insbesondere variierende Feldstärken des Fremdfeldes 56 können hier zu Messungenauigkeiten führen. Out 5 is also apparent that a homogeneous foreign field 56 on the current measuring sensor 20 can act. This can cause the signal voltage 30 no longer correct the actual flowing current 54 in the electrical conductor 24 equivalent. In particular, varying field strengths of the external field 56 can lead to measurement inaccuracies here.

Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, das nun im Folgenden beschrieben wird, kann der Einfluss des Fremdfeldes 56 reduziert werden und die Messgenauigkeit insgesamt verbessert werden. Zu diesem Zweck ist bei einer Strommesseinrichtung – wie der Strommesseinrichtung 44 gemäß 4 – eine Strommesseinrichtung 60 gemäß 6 geschaffen, die einen Strommesssensor 62 aufweist. Der Strommesssensor 62 unterscheidet sich von dem Strommesssensor 20 gemäß 4 dadurch, dass die einem Schenkel des U-förmigen elektrischen Leiters 24 zugeordneten Paare von GMR-Elementen 46 jeweils einmal eine Magnetisierungsrichtung 34 der Freischicht und am gegenüberliegenden Schenkel eine Magnetisierungsrichtung 58 der Freischicht der GMR-Elemente 46 aufweist. Die weiteren Merkmale des Strommesssensors 62 entsprechen denen des Strommesssensors 20, weshalb im Übrigen auf die Ausführungen zu den 4 und 5 verwiesen wird. Das Gleiche gilt für die Strommesseinrichtung 60, die sich von der Strommesseinrichtung 44 dadurch unterscheidet, dass ein Strommesssensor 62 zum Einsatz kommt. Auch hier entsprechen die weiteren Eigenschaften denen, wie sie zu den 4 und 5 bereits beschrieben sind. According to the second embodiment, which will now be described below, the influence of the extraneous field 56 be reduced and the measurement accuracy can be improved overall. For this purpose, in a current measuring device - such as the current measuring device 44 according to 4 - a current measuring device 60 according to 6 created, which is a current measuring sensor 62 having. The current measuring sensor 62 is different from the current measuring sensor 20 according to 4 in that the one leg of the U-shaped electrical conductor 24 associated pairs of GMR elements 46 each once a magnetization direction 34 the free layer and on the opposite leg a magnetization direction 58 the free layer of GMR elements 46 having. The other features of the current measuring sensor 62 correspond to those of the current measuring sensor 20 , which is why the remarks on the 4 and 5 is referenced. The same applies to the current measuring device 60 that differ from the current measuring device 44 this distinguishes a current measuring sensor 62 is used. Again, the other properties correspond to those, as they are to the 4 and 5 already described.

Durch die Anordnung der GMR-Elemente 46 und Magnetisierung der entsprechenden Schichten kann eine Reduktion des Einflusses von Fremdfeldern – wie dem des Fremdfeldes 56 in 5 – reduziert werden. Dies wird im Folgenden weiter erläutert. By the arrangement of the GMR elements 46 and magnetization of the corresponding layers can reduce the influence of external fields - such as that of the external field 56 in 5 - be reduced. This will be explained further below.

Durch die in folgenden Abbildungen dargestellte Maßnahme der gegenläufigen Vorzugsrichtungen (gegenläufige exchange bias“ Konditionierung) der Sensorelemente in der Wheatstone Brücke kann eine effektive Unterdrückung der Abhängigkeit des Ausgangssignals der Wheatstone Brücke von Fremdfeldern in y-Richtung erreicht werden. The measure of the opposing preferential directions (opposite exchange bias conditioning) of the sensor elements in the Wheatstone bridge shown in the following illustrations can be used to effectively suppress the dependence of the output signal of the Wheatstone bridge on external fields in the y-direction.

Die Ausgangsspannung der Brücke berechnet sich wie folgt:

The output voltage of the bridge is calculated as follows:

Dabei ist ΔR die jeweilige Änderung des Widerstandes unter Einfluss des x-Feldes (zum Beispiel hervorgerufen durch einen elektrischen Strom) und des y-Feldes (Fremdfeld). Durch die gegenläufigen Vorzugsrichtungen subtrahieren sich die mit dem Fremdfeld verbundenen Terme im Zähler von Formel 1. Für parallele Vorzugsrichtungen gilt dies nicht. Mit R als Brückengrundwiderstand ΔR_X als Widerstandsänderung durch Nutzfeld und ΔR_X als Widerstandsänderung durch Frontfeld ergibt sich:

Here, ΔR is the respective change in the resistance under the influence of the x-field (for example, caused by an electric current) and the y-field (extraneous field). By the opposite Preferred directions subtract the terms associated with the foreign field terms in the numerator of formula 1. For parallel preferred directions this is not true. With R as the basic bridge resistance ΔR _X as the change in resistance through the useful field and ΔR _X as the change in resistance through the front field, the result is:

Üblich ist ΔR_Y < 5 ΔR_X < R/5 und damit gibt die Konfiguration mit gegenläufigen Vorzugsrichtungen den tatsächlichen Wert (ΔR_X/R) viel besser wieder als die Konfiguration mit parallelen Vorzugsrichtungen. Usually ΔR _Y <5 ΔR _X <R / 5, and thus the configuration with opposite preferred directions reflects the actual value (ΔR _X / R) much better than the configuration with parallel preferred directions.

7 zeigt nunmehr eine weitere Ausgestaltung eines Strommesssensors 64, der im Unterschied zum Strommesssensor 62 auf zwei einzelnen Substraten angeordnet ist. Dies erleichtert die Herstellung des Strommesssensors mit unterschiedlichen Magnetisierungsrichtungen der Schichten der GMR-Elemente 46. Die weiteren Eigenschaften und Merkmale entsprechen denen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, weshalb ergänzend auf diese Ausführungen verwiesen wird. 7 now shows a further embodiment of a current measuring sensor 64 , unlike the current measuring sensor 62 is arranged on two individual substrates. This facilitates the manufacture of the current measuring sensor with different magnetization directions of the layers of the GMR elements 46 , The further properties and features correspond to those of the preceding embodiments, for which reason reference is made to these statements.

Da sich normalerweise durch den Herstellungsprozess bedingt alle GMR/TMR Elemente auf dem gleichen Substrat befinden und im gleichen Prozessschritt ausgerichtet werden, ergibt sich die Parallelausrichtung aller MR-Elemente von selbst. Zum Erzeugen der vorteilhaften gegenläufigen Vorzugsrichtungen gibt es insbesondere zwei Möglichkeiten:

1. Durch lokale Erwärmung im Magnetfeld können die magnetischen Schichten individuell ausgerichtet werden (6). Dies ist ein spezieller Prozess aus der Winkelsensorik der mit vergleichsweise hohen Kosten und mäßigen Ergebnissen bei der Genauigkeit der Ausrichtung verbunden ist.
2. Durch das Aufteilen der vier MR-Elemente auf zwei Substrate kann eine Konfiguration mit gegenläufigen Vorlzugsrichtungen erreicht werden wie in 7 dargestellt. Dabei ist zu beachten, dass die Magnetisierung „reference layer“ aller MR-Elemente in die gleiche Richtung weist, weiterhin alle in die jeweils gleiche Richtung weisen und die Wheatstone-Brückenschaltung 48 in der gezeigten Weise überkreuz verschaltet ist. Durch moderne Bestückungstechniken kann dies sehr billig und genau erfolgen. Darüber hinaus kann durch das Verwenden von zwei kleinen MR-Chips Chipfläche gespart werden.

Since all GMR / TMR elements are normally located on the same substrate due to the production process and are aligned in the same process step, the parallel alignment of all MR elements results automatically. There are two possibilities for generating the advantageous opposing preferential directions:

1. By local heating in the magnetic field, the magnetic layers can be individually aligned ( 6 ). This is a special process from the angle sensor which is associated with relatively high cost and moderate results in the accuracy of the alignment.
2. By splitting the four MR elements onto two substrates, a configuration with opposite feed directions can be achieved, as in FIG 7 shown. It should be noted that the magnetization "reference layer" of all MR elements points in the same direction, continue to point in the same direction and the Wheatstone bridge circuit 48 is cross-connected in the manner shown. By modern assembly techniques, this can be done very cheap and accurate. In addition, chip space can be saved by using two small MR chips.

Die vorangehende Beschreibung von Ausführungsbeispielen soll die Erfindung lediglich erläutern und diese nicht beschränken. Selbstverständlich wird der Fachmann bei Bedarf entsprechende Variationen vorsehen, ohne den Kerngedanken der Erfindung zu verlassen. Insbesondere können einzelne Merkmale bedarfsgerecht in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden. The foregoing description of embodiments is merely illustrative of the invention and is not intended to be limiting thereof. Of course, those skilled in the art will provide appropriate variations as needed without departing from the spirit of the invention. In particular, individual features can be combined as needed in any way with each other.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102007040399 A1 [0005, 0006]

Claims

Current measuring sensor ( 20 . 62 . 64 ) with four resistive elements utilizing a magnetoresistive effect ( 10 . 46 ) spatially in a plane to a Wheatstone bridge circuit ( 48 ) and two each at a branch of the Wheatstone bridge circuit ( 48 ) ( 50 . 52 ), each having a signal terminal ( 40 . 42 ), and with two ports ( 36 . 38 ) for applying a voltage to the Wheatstone bridge circuit ( 48 ), characterized in that the Wheatstone bridge circuit ( 48 ) of the magnetoresistive effect using resistive elements ( 10 . 46 ) is connected in cross-connection.

Current measuring sensor according to claim 1, characterized in that the resistive elements utilizing the magnetoresistive effect ( 46 ) are of the spin-valve type, each having a reference layer ( 32 ) and an open-air layer ( 34 ), wherein in a spatial arrangement in the Wheatstone bridge circuit ( 48 ) the magnetization of the reference layers ( 32 ) of all resistance elements ( 46 ) in the same direction and the magnetization of the free layers ( 34 ) of the resistance elements ( 46 ) are aligned oppositely in spatially adjacent branches.

Current measuring sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetization of the reference layers and / or the free layers ( 34 ) in the plane of the Wheatstone bridge circuit ( 48 ) are aligned.

Current measuring sensor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the resistive elements utilizing the magnetoresistive effect ( 46 ) on a common substrate ( 26 ) are arranged.

Current measuring sensor according to claim 4, characterized in that the substrate ( 26 ) has an electrically insulating material.

Current measuring sensor according to one of claims 1 to 5, characterized in that the resistive elements utilizing the magnetoresistive effect ( 46 ) of a protective material ( 22 ), in particular an electrically insulating material are enclosed.

Current measuring sensor according to one of claims 1 to 6, characterized by a holding means.

Current measuring device ( 44 . 46 ) for measuring an electric current ( 54 ), with an electrical conductor ( 24 ), the electrical current to be measured ( 54 ) and with a current measuring sensor ( 20 . 62 . 64 ), which is a current to be measured ( 54 ) detected magnetic field and a dependent of the detected magnetic field signal ( 30 ), characterized in that the current measuring sensor ( 20 . 62 . 64 ) is designed according to one of the preceding claims.

Current measuring device according to claim 8, characterized in that the current measuring sensor ( 20 . 62 . 64 ) with the electrical conductor ( 24 ) connected is.

Current measuring device according to claim 8 or 9, characterized in that the electrical conductor ( 24 ) is formed by an insertable into an electrical line conductor piece.

Current measuring device according to claim 10, characterized in that the conductor piece is formed by a U-shaped profile.

Current measuring device according to claim 10 or 11, characterized in that the conductor piece is flat, in particular formed with a rectangular cross-section.