CN1659444A - 用于测量带电粒子电流的传感器和方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于测量由带电粒子电流(3)所感生磁场(8)的电流传感器(1)，其具有至少一个用于密闭由带电粒子电流所感生的磁场的磁致电阻传感器元件(2；6；12；16)，在使用期间磁致电阻传感器元件垂直于电流(3)设置。同时公开了一种采用所述电流传感器(1)来准确地确定带电粒子电流的方法。进一步公开了一种保护开关装置(30)，用于通过在电气装置故障情况下切断电气装置的供电电流来保护电气装置(31)的用户，其包括上述电流传感器(1)。

Description

用于测量带电粒子电流的传感器和方法

本发明涉及一种传感器，其用于测量带电粒子电流所感生的磁场。

本发明进一步涉及一种使用该有创造性的传感器测量带电粒子电流的方法。

本发明进一步涉及一种保护开关装置，其中采用了该有创造性的传感器及方法。

一束带电粒子在该粒子束外部感生一个磁场，该磁场可以由用于测量磁场的电流传感器来测量。通过使用磁传感器来测量这个磁场，能够以“非侵入”方式来确定电流，所述传感器例如是在Tech.Pub1.268，Philips Electronic Components and Materials上发表的题为“The magneto resistive sensor”的文章中所获知的基于霍耳效应的传感器或基于隧道磁致电阻(TMR)的传感器或基于各向异性磁致电阻(AMR)效应的传感器，或者是参见K.-M.H.Lenssen、D.J.Adelerhof、H.J.Gassen、A.E.T.Kuiper、G.H.J.Somers以及J.B.A.D.van Zon所著且发表于Sensors & Actuators A85，1(2000)的文章“Robust giant magneto resistance sensors”中的基于巨磁致电阻效应(GMR)的传感器。

见图1，假定电流为圆形截面，则磁场的大小H作为距电流I中心距离的函数由以下公式给出：

$H=\frac{I}{2\mathrm{\πr}}---\left(1\right)$

可以由其仅在导体周围被钳位以测量的电流钳位来实施该传感器，或者可以将该传感器包含在也包括载流导体的芯片中。例如，从US5621377中获知的电流-传感器芯片，其中导体顶部的AMR元件用于以“无触点”方式来测量这个导体中的电流。

所有当前的电流传感器的局限是对外部干扰场的敏感性。大部分这些传感器依赖于仅在载流导体外部一点处的磁场测量。只有当传感器和电流之间的距离恰好已知且没有干扰磁场时，才能做出电流幅值的正确确定。然而，实际上总是会出现其它磁场的，比如地磁场。

电流钳位借助于软磁轭在某条线上真正地“平均”磁场，但是经过传感器置于其中的无磁间隙而进入的静止干扰场(stilldisturbing fields)通常会限制该性能。此外，电流钳位几何图(current-clamp geometry)对磁致电阻传感器比对霍尔传感器具有较少的有利性，因为后者对正交磁场敏感；然而，霍尔传感器的敏感性更低。

人们试着通过在导体外部的几个位置使用多个霍尔传感器测量磁场来减轻这个问题，参见V.V.Serkov所写且发表于1991年Pribory iTekhnika

5第169-171页的“Contactless dcammeters”。然而，这个结构及所需的电子设备复杂又昂贵，并且电流测量实质上仍然没有校正，因为理论上人们必须计算下述环路积分：

此外，即使对这种装置有着强烈的需求和巨大的潜在市场，上述问题迄今为止仍阻碍着其适用于例如干发器这样的消费电子产品中的“剩余电流开关”的实现。由于是在外壳中使用的剩余电流开关的情况，因而这种装置中的传感器应该能在具有直到16A幅值的电流上检测出2或10mA的差异，并且应该不包含体积很大的部分。

因此，本发明为其目的而提出一种传感器及一种方法，其用于更准确地测量带电粒子电流且在本质上对外部干扰磁场不敏感。

为了达到所述目的，根据本发明的用于测量由带电粒子电流所感生磁场的传感器包括至少一个磁致电阻传感器元件，其用于密闭由带电粒子电流所感生的磁场，所述磁致电阻传感器元件在使用期间被垂直于电流设置。

为了精确地确定电流，人们必须沿着围绕带电粒子电流的路径来计算上述积分方程(2)。然而这实际上不可能由大多数的传感器类型来实现，为了这个目的，可以利用磁致电阻传感器(TMR、AMR或GMR)的独有特性。利用传感器元件的适当结构，磁场被“自动地”沿着所述传感器积分。所述带电粒子电流可以例如是电子、空穴(hole)或离子电流。

例如是带状的这种磁致电阻元件的电阻R由以下公式给出：

R＝∫ρdl＝∫(ρ₀+Δρ)dl＝R₀+∫Δρdl    (3)

由于方程：

$\mathrm{\Δ\ρdl}\∝\stackrel{\→}{H}\·\stackrel{\→}{\mathrm{dl}}=I_{\mathrm{enclosed}};---\left(4\right)$

成立，所以可以基于方程(2)的基本原理来实现电流传感器。因为在本发明的传感器中可以确定沿着闭环的上述积分，从而获得了对干扰的外部磁场的不敏感性。至少只要所述传感器垂直于带电粒子电流平面，那么磁致电阻效应固有的方向灵敏度自动地产生所需的内积(inproduct)。外部磁场根本不会对测量结果有影响，此外，路径的形状和环路内带电粒子电流的位置并不重要。根据本发明的传感器的附加优点在于，由于在传感器中嵌入了积分，可以简化附加电子电路。

根据本发明的一个优选实施例，磁致电阻传感器元件为圆形。这个优选实施例的优点为圆形的圆周轮廓分明，其使得容易沿环路积分。此外，这种圆形的制造相对容易。

因此，所述磁致电阻传感器元件优选的是在柔性衬底上构造。这个特征使得能够在带电粒子电流的周围包围磁致电阻传感器元件以便测量磁场。带电粒子可以是电子，其例如是在导体中流动。如果磁致电阻元件封闭所述导体的磁场，那么外部磁场对测量结果根本不会有影响。此外，路径的形状和磁致电阻传感器元件环内的导体或多个导体的位置并不重要。

根据本发明的一个优选实施例，磁致电阻传感器元件是带状。这种带状磁致电阻材料的电阻轮廓分明，特定电阻为ρ。根据方程(3)和(4)可以确定带电粒子的电流。通常采用多层结构的材料。

一个优点在于可以采用薄膜技术制造所述传感器。这个有益的特征使得能够生产可用于家庭应用的很小很轻的元件。

优选的是，所述磁致电阻传感器元件具有线性的电阻-磁场R(H)特性曲线。这使得能够精确地确定电流的磁场。

为了补偿温度影响，优选的是在惠斯通电桥结构(Wheatstonebridge construction)中设置所述传感器元件。所述惠斯通电桥电路使磁场的温度补偿测量成为可能。

根据本发明的一个优选实施例，在柔性衬底的一侧给出惠斯通电桥结构的两个磁致电阻传感器元件，而在柔性衬底的另一侧给出另两个磁致电阻传感器元件。所述两个磁致电阻元件通常为带状且彼此平行地设置。

在淀积多层结构期间或之后，可以通过施加磁场而设置多层结构中的钉扎层(pinned layer)的磁化方向。柔性衬底一侧上的两个磁致电阻元件获得相同的磁化方向。接着翻转柔性衬底，在柔性衬底另一侧上淀积相同的多层，获得相反的磁化方向。

惠斯通电桥结构的一对两个磁致电阻传感器元件优选的是被堆叠在另一对磁致电阻传感器元件顶部，在这两对之间给出一层绝缘材料并且给出一个用于携带带电粒子电流的导体。所述传感器以薄膜技术制造且因此非常适于集成在IC上。由于电流传感器可以非常准确地测量小电流，因此，所述传感器在例如磁存储器中非常有用，比如用于准确地测量读或写电流。

为了实现本发明的目的，一种采用上述传感器测量带电粒子电流的方法，包括如下步骤：

-确定根据本发明的传感器中的电阻变化，其由带电粒子电流感生的磁场而引起，

-将电阻变化与电阻-磁场的传感器参考特性相比较，并确定磁场的大小，

-根据磁场大小计算电流大小。

根据本发明的传感器的一个附加优点在于，由于在传感器中嵌入积分，简化了所述电子电路。磁致电阻传感器元件的已知R(H)曲线可用作比较器电路中的参考。线性R(H)曲线允许根据电阻变化精确确定磁场值。如果所述磁致电阻传感器元件被设置在惠斯通电桥结构中，并且所述磁致电阻传感器元件以带状形式呈圆形，那么根据H值和磁致电阻传感器元件圆周的乘积得出带电粒子的密闭电流。

为了准确地测量剩余电流，可以采用具有在惠斯通电桥结构中两对磁致电阻元件之间的导体的传感器。一个电流通过第一导体发送，一个反号电流通过与第一导体平行设置的第二导体发送。这种原理在剩余电流开关中很有用。

为实现本发明的目的，一种用于通过在电气装置故障的情况下切断对电气装置的电源电流来保护电气装置的用户的保护开关，包括上述传感器，且进一步包括：

-比较器电路，将电流传感器的输出电流或电压与参考电流或电压分别比较，以及

-继电器装置，依据比较器电路的输出电流或电压切换电源电流。

因为保护开关装置小而轻且没有体积很大的元件，其适于集成在例如干发机这样的家庭应用中。

可以将比较电路的输出信号连接到继电器，所述继电器在导体中流动的电流之间所确定的差值太大时，打开至少一个开关及停止电流。

利用说明书所附的并且构成说明书一部分的权利要求中的特性，指出了体现本发明特征的这些及多种其他的优点和新颖性特征。然而，为了更好地理解本发明、它的优点以及通过它的使用而达到的目的，应当参考形成说明书另外一部分的附图，并且应当参考其中说明和描述了本发明优选实施例的补充描述资料。

图1示出了围绕电流的磁场；

图2a示出了构造于柔性衬底上的带状传感器元件的侧视图；

图2b示出了沿图2a中线II-II方向的带状传感器元件的横截面图；

图3示出了以惠斯通电桥结构连接的磁致电阻传感器元件的等效电路图；

图4示出了以惠斯通电桥结构连接的磁致电阻传感器元件的输出特性曲线；

图5示出了测量一个导体磁场的磁致电阻传感器元件的薄膜实施例；

图6示出了测量具有相反电流方向的两个导体的磁场的磁致电阻传感器元件的薄膜实施例；以及

图7示出了用于保护电气装置用户的保护开关装置的框图。

图1示出了电流I的磁场。当距导体中流动的电流I的距离r增大时，磁场H的幅值减小。图1中箭头的长度表征了磁场H的幅值。磁场越强，箭头越长。所画出的圆示出了磁场H的等幅线。通过测量磁场H，可以确定导体中流动的电流I。磁场H通过方程1与电流I及距离r相关联。

图2a示出了磁致电阻传感器1的侧视图，图2b示出了沿图2a中线II-II方向的磁致电阻传感器1的横截面图。在这个实施例中，传感器包括四个磁致电阻元件(2、12、6、16)。图2a的侧视图示出了带电粒子电流3流经其中的导体10。在比如箔片这样的绝缘柔性衬底4上装备有两个磁致电阻传感器元件2和12。所述磁致电阻传感器元件2、12是同时构造的，例如在同一个溅镀(sputter deposition)过程期间。磁致电阻传感器元件2和12的磁化方向5相同。磁致电阻传感器元件2、12由比如是二氧化硅这样的电气绝缘材料彼此绝缘，且使其被覆盖上一个保护层。

当以惠斯顿电桥电路结构连接了四个磁致电阻传感器元件时，画在磁致电阻传感器元件2和12上的箭头显示偏置方向。惠斯通电桥电路从温度影响中补偿测量。图2a中的箭头示出了设置在另两个磁致电阻传感器元件6和16顶部的磁致电阻传感器元件2和12的偏置方向。应当注意的是磁致电阻传感器元件2、12的偏置方向与磁致电阻传感器元件6、16的相反。

在图2b的横截面图中，绝缘柔性衬底4的顶部存在磁致电阻传感器元件2。在所述柔性衬底4的另一侧存在带状传感器元件6。在深度方向上，存在磁致电阻传感器元件12、16。导体10位于横截面图的中心。导体10中流动的电流I产生磁场8。为了表明该原理仅画出了磁场8的一条磁力线。磁场8由磁致电阻传感器元件2、6、12、16来测量。在这个实施例中磁致电阻传感器呈圆形，但是所述传感器的形状不限于此，其可以例如是正方形或长方形。

带状传感器元件2、6、12、16包括GMR多层，例如沿着带方向具有其交换偏置方向的交换偏置自旋阀。基于GMR效应的自旋阀结构可以按如下方法制造：在绝缘衬底4上淀积多层结构，其具有3.5nmTa/2.0nmPy的缓冲层以感生正确(111)的质地(the right texture)，

-具有磁化轴5的磁性层是钉扎层，包括10nmIr₁₉Mn₈₁的交换偏置层和3.5nmCo₉₀Fe₁₀/0.8nmRu/3.0nmCo₉₀Fe₁₀的人造反铁磁体，

-3nmCu的非磁性衬垫层，以及

-5.0nmPy的铁磁性层：自由层(具有在下面的例如是1.0nmCo₉₀Fe₁₀的薄层，其增强GMR效应且降低层间扩散(interlayerdiffusion)，通过该层间扩散提高了热稳定性)。10nmTa的保护层淀积在所述多层的顶部。

替换地，磁致电阻元件可以是磁道结点(magnetic tunneljunction)，包括以下的多层结构：3.5nmTa/2.0nmNiFe的缓冲层，交换偏置层和为磁性层的钉扎层(AAF)：15.0nmIrMn/4.0nmCoFe/0.8nmRu/4.0nmCoFe，2.0nmAl₂O₃的非磁性衬垫层，以及例如是6.0nmCoFe的第二铁磁性层：自由层。

在磁场中的溅镀期间，施加GMR多层钉扎层的磁化方向。在彼此进行不同的溅镀过程之后，构造磁致电阻传感器元件2、12和6、16。磁致电阻传感器元件2、12和6、16的磁化方向5彼此相反。图2b中的箭头指示了绝缘柔性衬底4两侧上的传感器元件2和6中钉扎层的磁化方向5。

为了精确地确定电流，必须沿着围绕电流导体10的路径8来计算上述积分方程(2)。如果这可以获得，那么外部磁场对测量结果根本不会有影响，此外路径的形状和环路中导体的位置并不重要。

为了这个目的，可以利用磁致电阻传感器(TMR、AMR或GMR)独有的特性：如果选定了适当的结构，则“自动地”沿着传感器积分磁场。

这种磁致电阻带的电阻R由以下方程给定：

R＝∫ρdl＝∫(ρ₀+Δ_ρ)dl＝R₀+∫Δρdl    (3)

由于方程：

$\mathrm{\Δ\ρdl}\∝\stackrel{\→}{H}\·\stackrel{\→}{\mathrm{dl}}=I_{\mathrm{enclosed}};---\left(4\right)$

成立，所以基于方程(2)的基本原理可以实现电流探测。由于在本发明的实施例中可以确定这个沿着闭环的积分，因而提供了对干扰的外部磁场的不敏感性。由于所述积分是嵌入在传感器中的，所以能够简化电子设备。至少只要传感器垂直于导体截面的平面，那么磁致电阻效应中固有的方向灵敏度会自动地产生所需要的内积。此外，此时所有元件都是连续的，也就是说在传感器各部分之间除用于电接触的小间隙外没有空隙。

图3示出了以惠斯通测量电桥结构连接的磁致电阻传感器元件的等效电路图。所述测量电桥包括四个磁致电阻传感器元件2、12、6、16。两个磁致电阻传感器元件6和12连接到电桥的第一端子20。第一端子20是传感电流I_sense的输入端子。磁致电阻传感器元件12连接到电桥的第二或测量端子24。磁致电阻传感器元件6连接到第三或测量端子26。磁致电阻传感器元件2和16连接到其中存在输出电流的电桥第四或输出端子22。另一侧是磁致电阻传感器元件2，其连接到其中存在测量电压的测量端子26。磁致电阻元件16连接到测量端子24。

在端子24和26之间测量电压，以便确定表征所测量磁场H的电压值。惠斯通测量电桥的优点在于它补偿了温度对测量值的影响。对于磁场传感器，常常希望消除温度变化的影响，以及通过利用惠斯通测量电桥结构而实现双向输出。两个电桥分支中的磁致电阻传感器元件与另外两个元件相比应该对磁场具有相反的响应，如图3中箭头的方向所示。箭头表明了磁致电阻传感器元件磁偏方向的方向。在AMR元件的情况下，可以通过在两对磁致电阻传感器元件上将磁偏方向置于-45°和+45°而实现所述相反的响应。

图4示出了图2的实施例中GMR惠斯通电桥结构的输出电压。在偏置电压为5V(相当于传感电流为2.5mA以及电桥电阻为2kOhm)处，对于20-200℃之间的一个大温度范围上的小磁场来说，传感器具有线性输出曲线。小磁场可以被精确地测量。GMR效应是6％，具有一个小磁滞及一个0.7μV/K的非常小的偏移电压漂移。

从惠斯通电桥结构中的磁致电阻传感器元件的线性输出特性曲线中，可以确定磁场的值。

对于圆形磁致电阻传感器元件，所密闭的电流从磁场值乘以2πr得出。

图5示出了测量一个导体磁场的磁致电阻传感器元件的薄膜实施例。传感器元件2、12和6、16在彼此顶部堆叠。仅示出了两个传感器元件2，6。传感器元件2、12通过电绝缘材料7与传感器元件6、16分隔。对于消费电子产品来说，可能希望具有薄膜装置。在这种情况下，不能以一种实用的方式实现导体的连续环绕，但是可以通过使用两个磁致电阻元件而很好地接近。

图5的实施例包括惠斯通电桥结构中的四个磁致电阻传感器元件2、12和6、16，非磁性导线15，载流导体10及绝缘材料7。半桥结构的磁致电阻传感器元件2、6串联连接。磁致电阻传感器元件2和6具有相反的偏置方向，且借助于例如像金属Al或Cu这样的非磁性导线15串联电气连接。如果磁致电阻传感器元件2和6的长度显然长于它们之间的距离，并且如果边缘相对远离于导体10，那么磁致电阻传感器元件2和6的串联电阻将是对经过导体的电流的很好的测量。如果希望，可以向所述元件添加特定形状的末端，以便降低非磁致电阻间隙。

图6示出了所述传感器的薄膜实施例，该传感器用于测量两个具有相反电流方向的导体10、11的磁场。图5的实施例包括惠斯通电桥结构中的四个磁致电阻传感器元件2、12和6、16，非磁性导线15，具有相反电流方向的两个载流导体10和11以及绝缘材料7。半桥结构的两个磁致电阻传感器元件2和6通过非磁性导线15串联连接。图6的实施例与图5的实施例之间的区别在于，图6的实施例测量了两个载流导体10和11的两个磁场的区别。图6实施例的高灵敏度使其非常适合于应用在剩余电流开关中。如果具有相反方向的两个电流都由传感器环路封闭，则它们的伴随磁场之和自动地导致对所述两个电流之间的区别的测量。这也有助于避免磁致电阻实施例的饱和。如果两个电流大小相等，方向相反，则传感器输出为零；如果出现差异，则产生一个非零输出。与电感传感器相比，磁致电阻传感器元件也可以用于dc电流。

图7示出了用于保护电气装置用户的保护开关装置30的框图。所述框图包括用于电力供应的两个端于34和35。端子34由开关36切换。端子35由开关37切换。两个开关36和37由继电器33并行切换。所述两个开关36和37在另一侧连接到例如电动机这样的负载31上。

传感器1测量流入和流出负载的两个电流的差异。两个端子20和22为传感器1提供一个小传感电流。所述传感电流是传感器1需要用于测量其电阻的输入电流。由两个端子24和26所提供的传感器1的输出信号流入比较器电路32。比较器电路32将磁致电阻电流传感器1的输出与由端子38提供的阈值相比较。在故障情况下，电流传感器1确定两个电流之间的差并且提供输出信号到比较器电路32。比较器电路32将所述输出与一个参考值38相比较。在故障情况下，比较器电路32提供输出信号到继电器33以便打开两个开关36和37。保护开关装置的框图可以应用在比如是干发器中或应用在用于检测汽车前灯通电状态的电路中，其中缺少的电流(missing current flow)指示前灯损坏。

本发明上述实施例的电流传感器适用于许多不同的环境中，例如，用于测量单个导体、电缆、集成电路中导体通路及由一束如电子或离子这样的带电粒子所产生的电流的磁场。集成电路中导体通路的磁场测量可以集成在片上(on-chip)测试技术中以用于测试例如电流接触。

在上述说明书中已经阐明了由这篇文件所覆盖的本发明的新特征和优点。然而，应当理解的是，在许多方面这种揭示仅是说明性的。在不超出本发明范围的情况下，关于细节尤其是形状、尺寸、部件设置等可以做出改变。当然，本发明的范围定义在所附权利要求表达的文字中。

Claims (12)

1.一种用于测量由带电粒子电流所感生的磁场的传感器，包括至少一个磁致电阻传感器元件，用于封闭由带电粒子电流所感生的磁场，在使用期间，所述磁致电阻传感器元件垂直于电流设置。

2.如权利要求1中所述的传感器，其中所述磁致电阻传感器元件呈圆形。

3.如权利要求1或2中所述的传感器，其中所述磁致电阻传感器元件存在于柔性衬底上。

4.如权利要求1、2或3中所述的传感器，其中所述磁致电阻传感器元件是带状的。

5.如权利要求1中所述的传感器，其中所述磁致电阻传感器元件具有线性R(H)特性曲线。

6.如权利要求1到5中任一个所述的传感器，其中磁致电阻传感器元件设置在惠斯通电桥结构中。

7.如权利要求6中所述的传感器，其中惠斯通电桥结构的两个磁致电阻传感器元件存在于所述柔性衬底的一侧上，以及另两个磁致电阻传感器元件存在于所述柔性衬底的另一侧上。

8.如权利要求7中所述的传感器，其中所述柔性衬底一侧上的两个磁致电阻元件具有相同的磁化方向。

9.如权利要求6中所述的传感器，其中惠斯通电桥结构的一对两个磁致电阻传感器元件堆叠在另一对磁致电阻传感器元件的顶部，以及所述两对之间存在绝缘材料和用于携带带电粒子电流的导体。

10.采用如权利要求1到9中任一个所述的传感器来测量带电粒子电流的方法，包括如下步骤：

-在根据本发明的传感器中确定由带电粒子电流所感生磁场引起的电阻的变化，

-将所述电阻的变化与电阻-磁场的传感器的参考特性曲线相比较，并且确定所述磁场的大小，

-根据磁场的大小计算电流的大小。

11.如权利要求10中所述的方法，采用根据权利要求9的传感器，其中电流经第一导体发送，以及具有反号的电流经与第一导体平行设置的第二导体发送，以测量剩余电流。

12.一种通过在电气装置故障的情况下切断电气装置的供电电流来保护电气装置用户的保护开关装置，包括如权利要求1到9中任一个所述的传感器，并且进一步包括：

-比较器电路，将电流传感器的输出电流或电压分别与参考电流或电压相比较，以及

-继电器装置，依据比较器电路的输出电流或电压切换供电电流。

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