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Sensor zur Messung eines elektrischen Stromes.
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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung eines elektrischen
Stromes nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Sensoren zur Messung von elektrischen Gleich- und/oder Wechselströmen
werden beispielsweise für Leistungsschalter benötigt. Leistungsschalter mit elektronischen
Auslösern erfordern völlig neue Meßfühler, deren Ausgangssignale sich zur Weiterverarbeitung
eignen, welche vorzugsweise digital erfolgt. Die Meßfühler sollen einen linearen
Zusammenhang zwischen dem zu messenden Strom und dem Ausgangssignal aufweisen und
müssen wegen der hohen Ströme, die bei Kurzschlüssen auftreten, hoch überlastbar
sein. Außerdem sollen die Meßfühler mit geringen Kosten hergestellt werden können.
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Diese Anforderungen sind mit konventionellen Stromwandlern nicht zu
erfüllen.
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Es sind Sensoren zur Messung eines elektrischen Stromes bekannt, bei
denen galvano-magnetische Bauelemente, wie z.B.
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ein Hall-Generator oder ein Feldplatten-Widerstand, in ferromagnetischen
Meßjochen angeordnet sind. Solche Sensoren sind kompliziert aufgebaut und relativ
schwierig herzustellen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor
der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Ausgangssignale sich für eine digitale
Weiterverarbeitung eignen, der einen linearen Zusammenhang zwischen dem zu messenden
Strom und dem Ausgangssignal aufweist, der hoch überlastbar
ist,
der einfach und mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Sensor nach dem Anspruch
1 gelöst. Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen,
der Beschreibung und der Zeichnung näher erläutert.
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Ein Sensor nach der Erfindung - ermöglicht einen linearen Zusammenhang
zwischen einem zu messenden Strom und dem Meßsignal; - ermöglicht eine hohe Überlastbarkeit
des Meßfühlers; - erlaubt die Abdeckung eines großen Strommeßbereiches mit einer
einzigen Sensor-Bauform; - ermöglicht die Erfassung des Momentanwertes von Gleich-und/oder
Wechsel strömen bis zu Frequenzen im kHz-Bereich; - erfordert keine konstruktiven
Änderungen an den Stromleitern, in denen zu messende Ströme geführt werden; - ermöglicht
eine Potentialtrennung von Meßfühler und Stromleiter, in welch letzterem ein zu
messender Strom geführt wird; - bietet die Möglichkeit, daß mehrere Meßfühler zur
Reduktion von Störeinflüssen vorgesehen werden (auf diese Weise können Störeinflüsse
aufgrund von Temperaturschwankungen oder sonstigen äußeren Feldern kompensiert werden);
X-kann kostengünstig mit Hilfe der erprobten Silizium-Technologie gefertigt werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt
und werden im folgenden näher beschrieben.
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Fig .1 zeigt das Prinzip eines Sensors nach der Erfindung zur Messung
von Gleich- und/oder Wechselströmen.
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Fig.2 zeigt einen Schnitt durch einen Sensor nach der Erfindung.
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Fig.3 zeigt eine Aufsicht auf einen Sensor nach der Erfindung.
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Fig.4 zeigt ein Blockschaltbild eines Sensors nach der Erfindung.
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Fig.1 zeigt das Prinzip eines Sensors nach der Erfindung.
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Ein Sensor nach der Erfindung benutzt die Kraftwirkung zwischen zwei
stromdurchflossenen Leitern zur Messung des Stromes IM in einem Leiter L. In dem
magnetischen Nah-Feld des Stromleiters L wird ein piezoresistiver Druckmeßfühler
S, beispielsweise aus Silizium, angeordnet, auf dessen Membranbereich eine oder
mehrere zusätzliche Leiterbahnen AL aufgebracht sind. Wird durch diese Leiterbahnen
AL ein Strom IH geführt, so wirkt auf jedes Längenstück dl des Leiters AL auf dem
DruckmeBfühler S eine Kraft proportional zur Größe des zu messenden Stromes IM.
Vorzugsweise werden die Leiterbahnen AL parallel zu dem Stromleiter L geführt, in
dem der zu messende Strom IM fließt. In diesem Fall wird also der Hilfsstrom IH
ebenfalls parallel zu dem zu messenden Strom IM geführt, so daß dabei auf jedes
Längenstück dl einer jeden Leiterbahn AL auf dem Druckmeßfühler S eine Kraft proportional
zu dem Produkt aus IM und IH wirkt.
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Diese Kraft verformt die Membran des piezoresistiven Druckmeßfühlers
S und kann daher wie ein Druck mit einem Druckmeßfühler erfaßt werden. Entsprechende
Druckmeßfühler sind bekannt und erprobt. Beispielsweise kann ein sogenanntes integriertes
Druckmeß-System IDS als ein solcher Druckmeßfühler verwendet werden.
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Fig.2 zeigt einen Schnitt durch einen Sensor nach der Erfindung.
Auf
dem Membranbereich M eines piezoresistiven Druckmeßfühlers S aus Silizium sind zusätzliche
Leiterbahnen L aufgebracht. Durch diese Leiterbahnen AL wird ein Hilisstrom IH geführt,
dessen Stromrichtungen mit D bezeichnet sind. Wird durch die Leiterbahn AL ein Hilfsstrom
IH parallel zu einem zu messenden Strom IM geführt, so wirkt auf jedes Längenstück
dl einer jeden Leiterbahn, die parallel zum Stromleiter L verläuft, eine Kraft proportional
dem Produkt aus IM und IH. Diese Kraft verformt den Membranbereich und wird wie
ein Druck mit einem Druckmeßfühler erfaßt. Zur Messung dieses Druckes sind unter
einem Teil der Leiterbahnen AL aktive Widerstände AR angeordnet. Der konstruktive
Aufbau eines Sensors S nach diesem Ausführungsbeispiel wird in einem Ausschnitt
A in Fig.2 anhand einer Vergrößerung eines Details erläutert. Der Membranbereich
M eines Sensors S nach diesem Ausführungsbeispiel weist als Substrat ein n-dotiertes
Siliziumteil ND auf.
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Über diesem n-dotierten Siliziumteil ND befindet sich eine p-dotierte
Widerstandsbahn PD zur Messung der mechanischen Spannung. Über dieser p-dotierten
Widerstandsbahn PD befindet sich eine isolierende Schicht SO, die beispielsweise
als Siliziumdioxid ausgebildet ist. Auf diese isolierende Schicht SO ist eine Leiterbahn
AL aufgebracht. Der gesamte Membranbereich ist schließlich noch mit einer Schutzoxidschicht
RO überzogen.
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Die Beweglichkeit der elektrischen Ladungsträger und die elektrische
Leitfähigkeit von Halbleitermaterial hängt von dem Druck ab, der auf dieses Halbleitermaterial
wirkt. Über die Messung des elektrischen Widerstands der p-dotierten Widerstandsbahn
PD oder auch über die Messung der Schaltgeschwindigkeit eines elektronischen Bauelementes,
welches als einen Bestandteil eine p-dotierte Widerstandsbahn PD aufweist, erhält
man Ausagen über den Druck, der auf die pdotierte
Widerstandsbahn
PD wirkt.
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Fig.3 zeigt eine Aufsicht auf einen Sensor S nach der Erfindung. Eine
Leiterbahn AL ist dabei auf einem Membranbereich M des Sensors S so angeordnet,
daß innerhalb des Membranbereiches M einzelne Stücke der Leiterbahn AL alle parallel
zueinander geführt sind. Dies ermöglicht, daß alle Stücke der Leiterbahn AL, die
im Membranbereich M geführt sind, parallel zu einem Leiter L angeordnet werden können.
Eine solche parallele Anordnung der Stücke der Leiterbahn AL innerhalb des Membranbereiches
M und des Stromleiters L ermöglichen eine maximale Kraftwirkung auf die Stücke der
Leiterbahn AL innerhalb des Membranbereiches M aufgrund der Kraftwirkung zwischen
den jeweiligen stromdurchflossenen -Leitern AL, L zur Messung des Stromes IM im
Leiter L. Die einzelnen Stücke AL, die innerhalb des Membranbereiches M parallel
geführt sind, werden außerhalb dieses Membranbereiches M miteinander elektrisch
so verbunden, daß insgesamt zwei Anschlüsse PI zur Führung des Hilfsstromes IH genügen.
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Entsprechend dem vergrößerten Ausschnitt A in Fig.2 sind in Fi.3 vier
verschiedene aktive Widerstände AR so ausgebildet, daß die Kraftwirkung zwischen
den stromdurchflossenen Leitern AL, L auf die p-dotierten Widerstandsbahnen PD ausgeübt
wird. Die p-dotierten Widerstandsbahnen PD bilden jeweils den wesentlichen Bestandteil
eines jeden aktiven Widerstands AR. Die vier aktiven Widerstände AR befinden sich
zum größeren Teil innerhalb des Membranbereiches M, ragen jedoch zu einem geringeren
Anteil auch außerhalb des Membranbereiches M heraus. Die vier herausragenden Teile
der aktiven Widerstände AR führen jeweils zu einem elektrischen Anschluß AB. Je
zwei der aktiven Widerstände AR befinden sich auf einander gegenüberliegenden Randbereichen
des Membranbereiches M. Je zwei einander gegenüberliegende aktive
Widerstände
AR sind derart miteinander elektrisch verbunden, daß ihre elektrische Verbindung
jeweils die Mitte des Membranbereiches M durchquert. Von den Mitten dieser beiden
elektrischen Verbindungen, die die Mitte des Membranbereiches M durchqueren, sind
jeweils elektrische Leitungen zu zwei weiteren Anschlüssen AB aus dem Membranbereich
herausgeführt. Die insgesamt sechs Anschlüsse AB bilden Anschlüsse von insgesamt
zwei Druckmeß-Halbbrücken. Auf diese Weise können die Ströme gemessen werden, die
durch jeden der vier aktiven Widerstände AR fließen. Die Stromstärken dieser vier
Ströme geben ihrerseits Aufschluß über den jeweiligen Widerstandswert der vier aktiven
Widerstände AR. Die jeweiligen Widerstandswerte der vier aktiven Widerstände AR
geben ihrerseits Aufschluß über die jeweilige Leitfähigkeit der vier aktiven Widerstände
AR. Die jeweilige Leitfähigkeit der vier aktiven Widerstände AR sind ihrerseits
Funktionen des Druckes, der auf die p-dotierten Widerstandsbahnen PD der aktiven
Widerstände AR ausgeübt wird. Der durch diese p-dotierten Widerstandsbahnen PD jeweils
fließende Strom wird nämlich über die Anschlüsse AB gemessen. Der auf die p-dotierten
Widerstandsbahnen PD wirkende Druck ermöglicht Aussagen über die Kraftwirkung zwischen
der Leiterbahn AL und dem Leiter L. Da die Stromstärke des Hilfsstromes IH bekannt
ist, kann aus dieser Kraftwirkung direkt auf die Stromstärke des zu messenden Stromes
IM geschlossen werden.
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Fig.4 zeigt ein Blockschaltbild eines Sensors S nach der Erfindung.
Die bei einem Sensor S nach der Erfindung erreichbaren Drücke auf den Membranbereich
M sind sehr gering, beispielsweise einige Mikrobar bei einer Stromstärke von 100
A des zu messenden Stromes IM. Der Störabstand im Meßsignal läßt sich durch die
in Fig.4 dargestellte Blockschaltung verbessern. Dabei wird der Hilfsstrom IH, der
durch die Leiterbahn AL im Membranbereich M des Druckmeßfühlers S geführt
wird,
amplitudenmoduliert. Das Ausgangssignal der Druckmeßbrücke IDS wird mit einem oder
mehreren Wechselspannungsverstärkern ACA soweit verstärkt, daß dieses Ausgangssignal
der Druckmeßbrücke IDS ohne Schwierigkeiten demoduliert werden kann. Der Oszillator
0, der zur Amplitudenmodulation des Hilfsstromes IH verwendet wird, und der Demodulator
DE, der zur Demodulation des Ausgangssignals der Druckmeßbrücke IDS verwendet wird,
können Teile einer an den Sensor S angeschlossenen digitalen Signalverarbeitungselektronik
sein.
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Bei einem Ausführungsbeispiel nach Fig.4 wird der Hilfsstrom IH(t)
in Abhängigkeit von der Zeit t in definierter Weise variiert. Die Kraftwirkung zwischen
dem zu messenden Strom IM, der ein Gleich- und/oder Wechselstrom sein kann, und
dem Hilfsstrom IH(t) führt zu einem Druck P(t) proportional zum Produkt aus IM und
IH(t). Dieser Druck P(t) ist ebenfalls in definierter Weise von der Zeit t abhängig.
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Das Ausgangssignal bzw. die Ausgangssignale der DruckmeB-brücke IDS,
wie sie beispielsweise an den Anschlüssen AB nach Fig.3 abgegriffen werden können,
können in einem oder in mehreren Wechselspannungsverstärkern ACA verstärkt und schließlich
einem Demodulator DE zugeführt werden. Diesem Demodulator DE wird als Referenzsignal
zur Demodulation auch noch das Ausgangssignal des Oszillators 0 zugeführt. Das Ausgangssignal
des Demodulators DE bildet schließlich das Meßsignal MS. Als Demodulator kann ein
'lock-in'-Verstärker Dynotrac 391 A der Fa. Ithaco verwendet werden.
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Bei einem sehr einfachen Ausführungsbeispiel kann das Ausgangssignal
des Oszillators 0 ohne weitere Modifikation als Hilfsstrom IH(t) in der Leiterbahn
AL des Sensors S geführt werden.