DD228362A1

DD228362A1 - Anordnung zur messung von leitungstroemen in form eines magnetoresistiven wandlers

Info

Publication number: DD228362A1
Application number: DD26347084A
Authority: DD
Inventors: Konrad Bulle; Hartmut Sommer; Uwe Loreit; Olaf Gebhardt
Original assignee: Univ Schiller Jena
Priority date: 1984-05-31
Filing date: 1984-05-31
Publication date: 1985-10-09
Also published as: DE3517095A1

Abstract

Die Anordnung zur Messung von Leitungsstroemen in Form eines magnetoresistiven Wandlers ist vielseitig zur Messung von Gleich- und Wechselstroemen in elektrischen Leiteranordnungen anwendbar. Die Aufgabe der Erfindung, eine Anordnung zu schaffen, die keinen Eingriff in das stromfuehrende Leitersystem erfordert, wird dadurch geloest, dass eine endliche Anzahl schmaler, streifenfoermiger ferromagnetischer magnetoresistiver Duennschichtelemente gleicher Abmessung und mit parallel gerichteten Laengsachsen sich in gleichem, moeglichst geringem Abstand entlang der bandfoermigen, parallel zu den Schichtebenen der Elemente verlaufenden und den Stromfluss vollstaendig umschliessenden Berandung eines Raumes in Form einer beliebig begrenzten planparallelen Scheibe befinden, sowie Mittel zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes, zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit und zur Summierung der Ergebnissignale der magnetoresistiven Elemente vorgesehen sind. Die Anordnung kann als Stromzange bezeichnet werden. Fig. 1

Description

Titel der Erfindung

Anordnung zur Messung von Leitungsströmen in Form eines magnetoresistiven Wandlers

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine neuartige, vielseitig einsetzbare Anordnung zur Messung von Gleich- und Wechselströmen in elektrischen Leiteranordnungen. Sie liefert ein Ergebnissignal, welches proportional zur elektrischen Durchflutung einer beliebigen, von magneffeldempfindlichen Elementen berandeten Fläche und so der Summe der von der Umschließungskurve erfaßten Ströme ist. Auf Grund ihrer einfachen Wirkungsweise und großen Anpassungsfähigkeit kann die Anordnung z.B. als Zusatzteil kommerzieller Universalmeßge— rate für elektrische Größen genutzt und in der Prüf- und Meßtechnik vielseitige Anwendungen finden· Der Einsatz sollte vorrangig dort erfolgen, wo eine Unterbrechung des Stromflusses bzw. des stromführenden Leiters zum Zwecke der Strommessung nicht möglich oder nicht vorteilhaft ist bzw. eine Beeinflussung des stromführenden Systems unerwünscht ist.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Die Anordnung soll im folgenden mit naheliegenden technischen Lösungen zur Messung eines Stromflusses durch Messung der vom Strom erzeugten magnetischen Randspannung verglichen werden.

Bekannt sind Anordnungen, die einen magnetischen Kreis aus ferromagnetischen Material mit einem Spalt besitzen, in

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dem sich ein Hall-Detektor als magnetfeldempfindliches .Element befindet und zur Messung von Gleich- und Wechselströmen, die den Kreis durchfluten, genutzt v/erden können (DE-OS 1 774 634)· Diese Anordnungen besitzen folgende Nachteile: Da ein massiver ferromagnetischer Kreis zur Konzentration des magnetischen Peldes auf das magnetfeldempfindliche Element benötigt wird, ergeben sich infolge der hohen Eigeninduktivität der Anordnung und der Eigenschaften des ferromagnetischen Materials des Kreises begrenzende Effekte bei höheren Meßfrequenzen und Rückwirkungen auf den Stromflaß· Die Anwendbarkeit der Anordnung ist durch die vorgegebene Geometrie des massiven Magnetkreises beschränkt, die Anordnung beansprucht ein großes Volumen und besitzt keine Flexibilität· Die Stromempfindlichkeit ist auf Grund der Wirkungsweise des magnetfeldempfindlichen Elementes und der Anzahl der verwendeten Elemente gering.

Da die Anordnung nicht in Dünnschichttechnik gefertigt ist, ist der Herstellungsaufwand hoch.

Bekannt sind ferner Anordnungen, die die magnetische Umlaufspannung entlang des Randes einer beliebigen, vom Strom durchfluteten Fläche mittels Induktionsschleifen messen (L. Bergmann und Gl. Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik, Bd. II, S. 246, Walter de Gruyter & Go. Verlag, Berlin 1966).

Diese Anordnungen besitzen folgende Nachteile: Die entlang des Randes der stromdurchfluteten Fläche befindlichen Induktionsschleifen sind im engeren Sinne keine magnetfeldempfindlichen Elemente, da sie die zeitliche Änderung der vom Stromfluß erzeugten magnetischen Induktion und somit dB/dt messen. Sie können daher nur zur Messung von Wechselströmen bzw. zur Messung von Gleichstromänderungen mit genügend hoher Änderungsgeschwindigkeit eingesetzt werden. Die Stromenipfindlichkeit der Anordnungen ist bei niedrigen Frequenzen gering.

Die Anordnungen sind nur mit hohem Aufwand in Dünnschichttechnik fertigbar.

Ziel der Erfindung

Mit der Erfindung wird das Ziel verfolgt, eine Anordnung zur Messung eines Stromflusses durch Messung der vom Strom erzeugten magnetischen Umlaufspannung entlang des Randes einer beliebigen, vom Strom durchfluteten Fläche mittels magnetfeldempfindlicher, den Stromfluß entlang des Randes dieser Fläche umgebender Elemente zu schaffen, die für Gleich- und Wechselströme gleichermaßen geeignet ist, keinerlei Beeinflussung des stromführenden Leitersystems bewirkt, unabhängig von dessen Geometrie verwendet werden kann und eine hohe Stroinempfindlichkeit besitzt. Außerdem sollen die magnetfeldempfindlichen Elemente aus dünnen Schichten bestehen, so daß die Anordnung rationell gefertigt werden kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, eine zur Messung von Gleich- und Wechselströmen gleichermaßen verwendbare Anordnung zu schaffen, die keinen Singriff in das stromführende Leitersystem erfordert, den Stromfluß nicht beeinflußt, eine beliebig berandete Fläche umschließen kann und eine hohe Stromempfindlichkeit besitzt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß eine endliche Anzahl schmaler, streifenförmiger ferromagnetischer magnetoresistiver Dünnschichtelemente gleicher Abmessung und parallel gerichteten Längsachsen sich in gleichem, möglichst geringen Abstand entlang der bandförmigen, parallel zu den Schichtebenen der Elemente verlaufenden und den Stromfluß vollständig umschließenden Berandung eines Raumes in Form einer beliebig begrenzten planparallelen Scheibe befinden, . sowie Mittel zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes, zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit und zur Summierung der Ergebnissignale der magnetoresistiven Elemente vorgesehen sind. Eine solche Anordnung weist, bedingt durch die hohe Magnetfeldempfindlichkeit eine hohe Stromempfindlichkeit auf. Hinzu kommt, daß die

Herstellung in Dünnschichttechnik mit relativ geringen Aufwand zu bewerkstelligen ist und keine Probleme hinsichtlich der Linearisierung auftreten. Der geringe Abstand der einzelnen Elemente voneinander gewährleistet eine vollständige Erfassung des den Stromfluß umgebenden Magnetfeldes, wobei die Randkurve beliebige Form haben kann· Die Summierung führt zu einer nahe exakten Erfassung des Randintegrals. Die Unterbringung der Elemente auf einem bandförmigen Träger, die die vollständige Umschlingung des Stromflusses in Form einer planparallelen Scheibe erlaubt, schafft eine Schar planparalleler Flächen, die von der gleichen Durchflutung beaufschlagt sind. Das Signal ist also proportional der Breite des bandförmigen !Trägers·

Die Zusammenfassung von Elementen zu Brückenschaltungen bzw. der Aufbau eines jeden Elementes als aus Streifenleitern bestehenden Brückenschaltungen gewährleistet die Temperaturkompensation. Vorteilhaft wirkt sich die Verwendung eines flexiblen Trägers aus, v/eil damit jede beliebige leiterform umschlossen werden kann. Es kann aber auch für viele Anwendungen ein massiver Träger, eine sogenannte "Stromzange¹¹ günstig sein.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In den zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Messung des Stromflusses eines elektrischen Leiters mit auf ein flexibles Substrat aufgebrachten ferromagnetischen Dünnschichtelementen,

Fig· 2 eines der magnetoresistiven Elemente mit aufgebrachten Äquipotentialflächen, einer antiferromagnetischen Unterschicht und einer Schicht zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit,

Fig. 3 die in vier Gruppen auf ein bandförmiges flexibles Substrat aufgebrachten magnetoresistiven Elemente in Form einer Y/heatstone-Brückenschaltung,

Pig. 4 ein magnetoresistives Element, das aus vier zu einer Wheatstone-Brücke verbundenen rnagnetoresistiven Streifenleiters besteht und sich auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, gut wärmeleitfähigen Substrat befindet, sowie elektrische Schaltungsmöglichkeiten zur Summierung der Differenzsignale mehrerer Brücken und

Pig. 5 eine Anordnung mit magnetoresistiven Elementen auf einem zerlegbaren, den elektrischen Leiter einschließenden Ringkörper.

In Pig. 1 ist eine gemäß der Erfindung gestaltete Anordnung zur Messung eines Stromflus3es durch Messung der vom Strom erzeugten magnetischen Umlaufspannung entlang des Randes einer beliebigen, vom Strom durchfluteten Fläche mittels magnetfeldempfindlicher, den Stromfluß entlang des Randes dieser Fläche umgebender Elemente dargestellt· Eine endliche Anzahl schmaler, streifenförmiger ferromagnetischer magnetoresistiver Dünnschichtelemente 1 gleicher Abmessung und parallel gerichteten Längsachsen sind in gleichen, möglichst geringem Abstand entlang der bandförmigen, parallel zu der Schichtebene der Elemente verlaufenden Berandung eine3 Raumes in Form einer planparallelen Scheibe angeordnet und umschließen den Stromfluß I, der z.B. von einem elektrischen Leiter 2 geführt wird, vollständig. Die magnetoresistiven Elemente befinden sich dabei auf einem flexiblen, bandförmigen Träger 3, der den elektrischen Leiter umschließt. Die magnetoresistiven Elemente v/erden mit einem Betriebsstrom Ig gespeist und zur Summierung der Ergebnissignale in Reihe geschaltet. Die an den Enden der Serienschaltung der magnetoresistiven Elemente verfügbare Signalspannung' der linearisierten magnetoresistiven Elemente ist proportional zum Stromfluß I und stellt das Ergebnissignal der Anordnung

dar. Eine η-fache vollständige Umschließung des Leiters mit dem die magnetoresistiven Elemente tragenden flexiblen Bandes erhöht das zur Verfugung stehende Ergebnissignal auf das η-fache. Ss können mehrere stromführende Leiter umschlossen werden, wobei das Ergebnissignal U proportional zur Summe der in diesen fließenden Ströme ist. Auch können Ströme beliebiger Dichteverteilung innerhalb der durch das Trägerband definierten durchfluteten Fläche gemessen werden.

In Pig. 2 ist eines der streifenförmiges ferromagnetischen magnetoresistiven Elemente dargestellt· Auf ein ebenes, elektrisch isolierendes Substrat 5 oder den flexiblen Träger 5 ^ direkt aufgebracht, befinden sich eine uniaxiale, etwa 20 nm bis 50 nm dicke HiPeCo-Permalloyschicht 1 a mit Yorzugsachse V. A. parallel zur Längsrichtung des Streifenleiters. Elektrisch gut leitende schmale Metallstreifen 1 b z.B. aus Gold, die in Verbindung mit der magnetoresistiven Permalloyschicht stehen, bewirken eine Schrägstellung der Stromrichtung des Streifenleiters gegen dessen Längsachse bzw. der Vorzugsachse der Magnetisierung. Dies bewirkt eine Linearisierung der magnetoresistiven Charakteristik des Meßstreifens. Der durch die Metallstreifen 1 b fließende Strom Xg hat darüberhinaus eine stabilisierende Punktion. Die parallel zur Vorzugsachse der Magnetisierung gerichtete Komponente des Eigenmagnetfeldes H" der Metallstreifen in der Schichtebene begünstigt die Richtung der Magnetisierung parallel zu dieser Peldkomponente. Dies führt oberhalb eines gewissen Pegels von Ln automatisch zu einer einheitlichen Orientierung der Magnetisierung des Meßstreifens entlang der Vorzugsachse im Sinne einer ausgezeichneten Vorzugsrichtung. V.R. Bei Aussteuerung durch das magnetische Feld H, welches entsprechend der Anordnung der magnetoresistiven Elemente senkrecht zu der Längsachse des Meßstreifens anliegt, wird somit eine mögliche Hysterese in der magnetoresistiven Charakteristik weitgehend unterdrückt. Der erforderliche Winkel zwischen Stromflußrichtung Xj, und Vorzugsachse der

Magnetisierung der magnetoresistiven Elemente kann auch durch Einsatz anderer, die magneto-resistive Charakteristik linearisierender Mittel realisiert werden. Möglich sind z.B. das Kippen der Vorzu.gsach.se gegen die Längsrichtung der Elemente unter einen definierten Winkel infolge der Wirkung einer induzierten einachsigen Anisotropie oder mit Hilfe magnetisch gekoppelter Doppelschichten. Sine wesentliche Stabilisierung des Ummagnetisierungsprozesses kann ebenso erzielt werden, wenn die uniasrialen ferromagnetischen Schichten mit einem Antiferromagnetikum gekoppelt sind. Dieses besteht z.B. aus einer FeMn-Legierung und ist als Schicht 1 c unterhalb der magnetoresistiven Schicht aufgebracht. Me infolge des Wechselwirkungsprozesses resultierende unidirektionale Anisotropie des Meßstreifens mit Vorzugsrichtung V.R. parallel zur Längsachse führt somit zu einer weiteren Verbesserung der magnetoresistiven Charakteristik. Wird zusätzlich eine elektrische Nebenschlußschicht 1 d mit hohem negativen Temperaturkoeffizienten aufgebracht, kann der Temperaturkoeffizient des Meßstreifens wesentlich verringert werden·

In Fig. 3 sind die auf ein bandförmiges, flexibles Substrat aufgebrachten magnetoresistiven Streifenleiter, die in Serie verbunden sind, dargestellt. Ss sind zusätzliche elektrische Anschlüsse angebracht, so daß sich vier Gruppen magnetoresistiver Elemente ergeben, die eine Wheatstone-Brückenschaltung bilden· Die Linearisierung des magnetoresistiven Effektes erfolgt dabei durch die aufgebrachten Äquipotentialstreifen 1 c derart, daß die Polarität der Widerstandsänderung jeweils benachbarter Brückenelemente im gleichen Erregerfeld H entgegengesetzt ist. Vorzüge einer solchen Schaltung sind durch ein Ergebnissignal ohne störenden Gleichspannungsanteil sowie einer verringerten Temperaturempfindlichkeit gegeben·

In Pig. 4 a ist ein magnetoresistives Element 1 der Umschließungskurve dargestellt, daI3 selbst aus vier zu einer Wheatstone-Brücke verbundenen magnetoresistiven Streifenleitern R- - R. besteht. Diese magnetoresistiven Streifenleiter gleicher Abmessung und parallel gerichteten Längsachsen befinden sich innerhalb der Brückenzweige in gleichen, möglichst geringen Abstand auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, gut wärmeleitfähigen Substrat 4 und sind symmetrisch verschaltet.

Zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes mit entgegengesetzter Polarität jeweils benachbarter Brückenwiderstände dienen entsprechend orientierte Äquipotentialstreifen. Die Substratchips mit den Brückenelementen sind auf einem massiven oder flexiblen Träger aufgebracht, der die Umschlxeßungskurve des Stroraflusses festlegt. Die Summierung der Differenz-Srgebnissignale der Brücke entlang der Umschließungskurve kann z.B. nach einer der in Pig. 4 b bzw, 4 c dargestellten Prinzipschaltungen erfolgen.

In Pig. 5 ist eine imordnung dargestellt, bei der die magnetoresistiven Elemente 1 an der inneren Oberfläche eines in zwei Sektoren zerlegbaren starren Ringkörpers angeordnet sind. Die beiden Ringhälften werden zur Messung des Stromflusses konzentrisch um die elektrische Leiteranordnung geschlossen. Eine erfindungsgemäße Anordnung entsprechend diesem Ausführungsbeispiel kann daher als "Stromzange" bezeichnet werden·

Claims

Erfindungsanspruch

1. Anordnung zur Messung eines Stromflusses durch Messung der vom Strom erzeugten magnetischen Umlaufspannung entlang des Randes einer beliebigen, vom Strom durchfluteten Fläche mittels magnetfeldempfindlicher, den Stromfluß entlang des Randes dieser Fläche umgebender Elemente, dadurch gekennzeichnet, daß eine endliche Anzahl schmaler, streifenförmiger ferromagnetischer magnetoresistiver Dünnschichtelemente gleicher Abmessung und parallel gerichteten Längsachsen sich in gleichem, möglichst geringen Abstand entlang der bandförmigen, parallel zu den Schichtebenen der Elemente verlaufenden und den Stromfluß vollständig umschließenden Berandung eines Raumes in Form einer beliebig begrenzten planparallelen Scheibe befinden, sowie Mittel zur Linearisierung des magnetoresistiven Effektes, zur Verringerung der Temperaturempfindlichkeit und zur Summierung der Brgebnissignale der magnetoresistiven Slemente vorgesehen sind.

2. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente elektrisch in Serie verbunden sind und aus vier Gruppen mit jeweils gleicher Anzahl von Elementen bestehen, die die Widerstände einer Wheatstone-Brückenschaltung bilden, bei der die Polarität der Widerstandsänderung jeweils benachbarter Brückenwiderstände bei gleicher Feldaussteuerung entgegengesetzt ist.

3. Anordnung nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der magnetoresistiven Slemente aus je vier,, zu einer Wheatstone-Brückenschaltung verbundenen magnetoresistiven Streifenleitern auf einem ebenen, elektrisch isolierenden, gut wärmeleitfähigen Substrat besteht, wobei die Polarität der Widerstandsänderung jeweils benachbarter Brückenwiderstände bei gleicher Feldaussteuerung entgegengesetzt ist und die Differenz-Ergebnissignale der Brückenschaltungen summiert werden.

4· Anordnung nach Punkt 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven 31einente sich auf einem flexiblen, bandförmigen Träger befinden, der eine stromführende Leiteranordnung ein- oder mehrfach vollständig umschließt.

5* Anordnung nach Punkt 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente 'sich auf der Innenfläche eines in zwei oder mehrere Sektoren zerlegbaren, die stromführende Leitungsanordnung konzentrisch umschließenden starren Ringkörper befinden.

6. Anordnung nach Punkt 4 und 5» dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente aus einer oder mehreren uniaxiaien oder unidirektionalen ferromagnetischen dünnen Schichten bestehen, welche auf ein ebenes Substrat oder einen flexiblen Träger aufgebracht sind und bei denen die Vorzugsachsen bzw. Vorzugsrichtungen der Magnetisierung um einen zwischen 0° und 90° liegenden Winkel, insbesondere 45° gegen die Stromflußrichtung geneigt sind.

7. Anordnung nach Punkt 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorzugsachse "bzw. Vorzugsrichtung der Magnetisierung parallel zur Längsachse der magnetoresistiven Streifenleiter liegt und der Neigungswinkel der Stromflußrichtung zur Vorzugsachse bzw. Vorzugsrichtung durch eine Mehrzahl paralleler Äquipotentialflächen, welche unter einen zwischen 30° und 60° liegenden Winkel, insbesondere gegen die Längsachse der Streifenleiter aufgebracht sind, hervorgerufen wird.

8. Anordnung nach Punkt 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Äquipotentialflächen der Gruppen magneforesistiver Elemente, die benachbarte Widerstände einer Wheatstone-Brückenschaltung bilden, derart zueinander orientiert

sind, daß die Summe der jeweiligen Neigungswinkel gegen die Längsachse der Streifenleiter 180° beträgt.

9. Anordnung nach Punkt 8, dadurch gekennzeichnet, daß unter- bzw. oberhalb der magnetoresistiven Schicht eine mit dieser elektrisch verbundene Schicht aus einem mit hohem negativen Temperaturkoeffizienten behafteten Material aufgebracht wird, dessen Dicke so bemessen ist, daß der Temperaturkoeffizient des Gesamtelementes zu UuIl kompensiert wird.

10. Anordnung nach Punkt 9, dadurch gekennzeichnet, daß als magnetoresistives Material IiPe, ITiCo oder UiPeCo Legierungen mit geringen Magnetostriktions- und Kristallanisotropieenergien verwendet werden.

11. Anordnung nach Punkt 10, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoresistiven Elemente mit einer Oxydationsschutzschicht aus isolierenden oder halbleitenden Material versehen sind.

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