DE4031560A1 - Stromsensor, multiplizierer, kopplungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein magnetfeldempfindliches Bauelement, das zusammen mit elektrisch leitenden Anordnungen, wie z. B. einer Erregerleiterbahn oder gegebenenfalls einer Spule, eine funktionale Einheit bildet. Das magnetische Feld der elektrisch leitenden Anordnung (Erregerleiterbahn oder Spule) durchsetzt ganz oder teilweise das magnetfeldempfindliche Volumen des Bauelementes, dessen Antwort auf dieses Feld dann ausgewertet wird. Diese Anordnung läßt sich z. B. als Strom­ sensor, Multiplizierer, Kopplungselement oder Addierer ein­ setzen.

Eine handelsübliche Ausführung (1) eines Stromsensors besteht z. B. aus einem gescherten Ferritkern, der mit einer oder mehre­ ren Erregerwicklungen versehen ist, durch die der zu messende Strom fließt. Im Luftspalt des Kernes ist das magnetfeldempfind­ liche Bauelement angeordnet, das über die magnetische Flußdichte die Bestimmung des Erregerstromes gestattet. Bei einer anderen Anordnung für eine galvanisch getrennte Strommessung ist das magnetfeldempfindliche Bauelement in der räumlichen Nähe eines stromführenden Leiters angeordnet.

Es wird dabei die räumliche Nähe der Erregerleiterbahn zum magnetfeldempflindlichen Bauelement ausgenutzt (typischer Abstand 0 bis 15 mm). Durch geeignete Wahl der Geometrien (Anordnung des Sensors zu den Erregerleiterbahnen) ist es möglich, daß ein sehr großer Anteil des magnetischen Flusses das Volumen des magnetfeldempfindlichen Bauelementes durchsetzt. Die magnetische Flußkonzentration kann bei Bedarf durch mitinte­ grierte hochpermeable Flußleitstücke verbessert werden.

Diese Anordnung beansprucht ein relativ großes Bauvolumen und ist hinsichtlich seiner sonstigen Parameter wenig kompatibel mit integrierten Schaltungen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Stromsensor zu schaffen, der auch in integrierten Schaltungen Verwendung findet, bei Bedarf eine galvanische Trennung in solchen Schaltungen ermöglicht und z. B. als Koppelelement eingesetzt werden kann.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1.

Die Ausführung eines erfindungsgemäßen Stromsensors innerhalb einer integrierten Schaltungsanordnung mit den bekannten Metho­ den der Schichttechnik (Phototechnik, naßchemisches Ätzen, Ionenstrahlätzen, physikalische und chemische Abscheideprozesse aus der Dampf- oder Plasma-Phase) bedingt spezielle geometrische Ausbildungen des magnetfeldempfindlichen Bauelements 1 und der Erregerleiterbahnen 4, um ein noch ausreichendes Meßsignal aus der miniaturisierten Anordnung zu erhalten.

Eine bevorzugte Form einer solchen in Schichttechnik ausgeführ­ ten Anordnung ist schematisch als Draufsicht in Fig. 1 darge­ stellt. Wie zu sehen ist, umgibt die U-förmige Erregerleiterbahn 4 das rechteckig ausgeführte magnetfeldempfindliche Bauelement 1 an drei Seiten (einlagige Spule mit einer Windung). Es ist in Sonderfällen allerdings mit erheblich gesteigertem Fertigungs­ aufwand auch möglich die Erregerleiterbahnen als "mehrlagige Spule" mit isolierenden Zwischenschichten in Schichttechnik aus­ zuführen. In Fig. 1 sind die metallischen Kontakte des magnet­ feldempfindlichen Bauelements 1 für den Steuerstrom mit 2 und zum Abgriff des Meßsignals mit 3 bezeichnet.

Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, daß die Kopplung zwischen dem magnetfeldempfindlichen Bauelement 1 und den Erregerleiter­ bahnen 4 in Schichtanordnung auf dem elektrisch nichtleitenden Substrat 6 verbessert werden kann, wenn wie in Fig. 2, 3 darge­ stellt das magnetfeldempfindliche Bauelement 1 und die Erreger­ leiterbahn 4 mit einer elektrisch isolierenden Zwischenschicht 5 (siehe Fig. 4, Querschnittdarstellung) teilweise oder ganz über­ lappend angeordnet sind. Das magnetfeldempfindliche Bau­ element 1, z. B. hier als rechteckiges Hallelement angenommen, weist eine abnehmende Empfindlichkeit in der Nähe der Steuer­ stromkontakte und eine hohe Empfindlichkeit an den Hallkontakten auf. Durch die erfinderische Maßnahme wird der Anteil des Magnetflusses in Z-Richtung, der von der Erregerleiterbahn 4 erzeugt wird, den Flächenbereichen des magnetfeldempfindlichen Bauelementes 1 zugeführt, die eine hohe Empfindlichkeit auf­ weisen.

Fig. 5 zeigt den Querschnitt der Anordnung nach Fig. 3, wobei hier eine elektrisch leitende Schicht 7 nach Anspruch 13 zwischen dem magnetfeldempfindlichen Bauelement und der Erreger­ leiterbahn und den entsprechenden Isolationschichten eingefügt ist.

Die miniaturisierte Form des erfindungsgemäßen Stromsensors weist andererseits z. B. für den Betrieb vorteilhafte Eigen­ schaften auf:

• 1. Die Funktion eines Stromsensors/Multiplizierers/Addierers /Kopplungselementes ist durch die Geometrie oder eine geeignete Isolationsschicht so realisierbar, daß zwischen Erreger- und Sensorteil der Schaltung eine galvanische Trennung vorliegt. Dadurch werden die Funktionen der galvanischen Trennung und eventuell die I/U-Umsetzung in einem Bauelement vereinigt. Ferner ist eine Verkopplung der Meßströme I_{M ν} mit dem Steuerstrom I_ST gemäß der folgenden Gleichung möglich: U_H = (I_M1 · K₁ + I_M2 · K₂ + . . . + I_MN · K_N) · I_STwobei die Konstanten K₁ bis K_N von der Geometrie der Anordnung und der Magnetfeldempfindlichkeit des Hallgenerators abhängen. Als Addierer arbeitet das Bauelement, wenn man den Durchgriff der einzelnen Meßströme I_{M ν} auf die Hallspannung U_H betrachtet und dabei den Steuerstrom I_ST konstant läßt; als Ausführung einer Multiplikation kann die Wechselwirkung zwischen jedem der Meß­ ströme und dem Steuerstrom verwendet werden.
• 2. Die Induktivität (L) der Erregerspule kann klein gemacht werden, wenn eine kleine Fläche (A) umfaßt wird und wenige Windungen (N) vorliegen (L ∼ A · N²); sie ist dann besonders gering, wenn sie nicht mit hochpermeablem Material gefüllt ist. Dadurch wird der frequenzabhängige Spannungsabfall (U_L) am Eingangskreis des Bauelementes, hervorgerufen durch die Strom­ änderungsgeschwindigkeit (^dI/_dt), ebenfalls klein, da U_L = L · ^dI/_dt. Außerdem ist bei Integration eine kleine Bauform der Erreger­ spule möglich, so daß auch ein geringer ohmscher Widerstand (R) erreichbar ist. All dies ist mit der vorgeschlagenen Ausführung erreichbar. Somit ist auch ein Bauelement herstellbar, dessen Eingangskreis nur einen geringen ohmschen Spannungsabfall aufweist. Dadurch kann eine hohe Grenzfrequenz des Stromsensors /Multiplizierers/Addierers/Kopplungselementes erreicht werden, da auch für große ω ωL < R bleibt.
• 3. Die aufwendige Herstellung der gescherten Ferritkerne entfällt völlig.
• 4. Die Anordnung gestattet auch die Verwendung einer Luftspule. In diesem Fall treten keine Hystereseverluste bzw. Hysterese­ verzerrungen auf; die Verkopplung des Erregerstromes mit dem magnetischen Fluß durch das Volumen des magnetfeldempfindlichen Bauelementes ist dann linear. Bei Verwendung eines linearen Magnetfeldsensors (z. B. Hallgenerator) ergibt sich dadurch eine entsprechende lineare Übertragungsfunktion zwischen dem Eingangsstrom und der Ausgangsspannung (z. B. der Hallspannung).
• 5. Durch eine Integration bzw. durch Verwendung von Techniken der Halbleiterintegration, der Dünnschicht- bzw. Dickschicht­ technik kann die Geometrie beider Bauelemente und deren Lage zueinander exakt festgelegt, sehr präzise gefertigt und während der Gesamtnutzungsdauer konstant gehalten werden. Dadurch wird eine kleinere Streuung und geringere Alterung der Bauelemente­ daten erreichbar.
• 6. Die Empfindlichkeit des Stromsensors/Multiplizierers/ Addierers/Kopplungselementes kann durch eine relativ freie Wahl der Geometrieverhältnisse maximiert oder an besondere Anforderungen angepaßt werden.
• 7. Diese Eigenschaften des Bauelementes - insbesondere gemäß Punkt 1 - lassen den Einsatz als elektrischen Leistungsmesser zu, was einen Spezialfall einer Anwendung als Multiplizierer darstellt. Dabei wird z. B. der Steuerstrom proportional zur Spannung am Verbraucher gehalten (Realisierung etwa durch eine spannungsgesteuerte Stromquelle) und eine Erregerleiterbahn vom Strom durchflossen, die zum Verbraucher führt. Die Hallspannung ist dann proportional zur Wirkleistung des angeschlossenen Verbrauchers.

Die Erfindung wird anhand einiger Ausführungsanordnungen in Verbindung mit Fig. 1 näher erläutert. Dabei wird als Beispiel eines magnetfeldempfindlichen Bauelementes ein Hallelement verwendet.

Es zeigt

Fig. 1 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung, wobei die Erregerleiterbahnen 4 vollständig neben dem Hallgenerator 1 geführt sind.

Fig. 2 eine Draufsicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Erregerleiterbahnen 4 teilweise überlappend auf dem magnetfeldempfindlichen Bereich des Hallelementes 1 geführt sind.

Fig. 3 eine Draufsicht eines Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung, wobei die Erregerleiterbahnen 4 streckenweise neben dem magnetfeldempfindlichen Bereich des Hallgenerators 1 geführt sind und den Hallgenerator 1 nur teilweise in ihrer vollen Breite überlappen.

Fig. 4 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, wobei die Erregerleiterbahnen 4 streckenweise neben dem magnetfeldempfindlichen Bereich des Hallgenerators 1 geführt sind (Draufsicht entsprechend Fig. 3).

In Fig. 5 ist die Lage einer Metall-Zwischenschicht 7 nach Anspruch 13 dargestellt, welche die Erregerleiterbahn 4 elek­ trisch von dem Magnetfeldsensor 1 abschirmt, da sie den Gegenpol einer Kondensatoranordnung darstellt, die aus Erregerleiterbahn 4, Isolation 5 und Metall-Zwischenschicht 7 besteht.

In Fig. 1 ist eine Anordnung dargestellt, wobei hier die beiden Erregerleiterbahnen in X-Richtung und die Verbindungs-Erreger­ leiterbahnen in Y-Richtung neben dem magnetfeldempfindlichen Bereich des Hallgenerators 1 geführt sind. Diese Anordnung wird i. a. durch die größere Entfernung der Erregerleiterbahnen 4 vom Magnetfeldsensor 1 eine geringere Empfindlichkeit bezüglich des Erregerstromes aufweisen als die Anordnungen nach Fig. 2 oder Fig. 3.

In Fig. 2 ist ein Hallelement 1, das in diesem Falle als magnet­ feldempfindliches Bauelement verwendet wird, zusammen mit einer Erregerleiterbahn 4 (hier mit rechteckförmigem Querschnitt), auf einem gemeinsamen Substrat 6 angeordnet. Das Hallelement besteht aus einem magnetfeldempfindlichen Halbleitermaterial 1, den Steuerstromkontakten 2 und den Hallkontakten 3. Die Erreger­ leiterbahnen werden entweder
gemäß Anspruch 3 zur Gänze außerhalb der Berandung (Zuleitungen in Y-Richtung)
oder gemäß Anspruch 4 teilweise überlappend (Erregerleiterbahnen in X-Richtung)
oder gemäß Anspruch 4 streckenweise völlig überlappend (Verbindungs-Erregerleiterbahn in Y-Richtung)
bezüglich des magnetfeldempfindlichen Bereichs des Bauelementes geführt. Der Meßstrom I_M erzeugt eine magnetische Flußdichte, die den magnetfeldempfindlichen Bereich des Hallelementes 1 durch­ setzt und zwischen den Hallkontakten 3 eine Hallspannung U_H hervorruft. Dabei bewirkt vorzugsweise die Komponente des Magnetfeldes in Z-Richtung (siehe eingezeichnetes Koordinaten­ system) eine Ablenkung der Ladungsträger im Hallgenerator und damit auch die Hallspannung. Obwohl der Erregerleiter ein räum­ lich inhomogenes Feld erzeugt, ist aber die Hallspannung trotz­ dem linear mit dem Meßstrom verkoppelt. Ursache dafür ist, daß an jeder Stelle im Volumen des Hallgenerators die magnetische Flußdichte linear vom Meßstrom I_M abhängt.

Durch diese Anordnung kann deshalb ein integrierter Stromsensor oder Kopplungselement mit galvanischer Trennung realisiert werden. Ein integrierter Multiplizierer entsteht, wenn der Meß­ strom I_M proportional zur einen Eingangsvariablen und der Steuer­ strom I_ST des Hallgenerators zur zweiten Eingangsvariablen proportional eingestellt wird. Die Hallspannung ist dann propor­ tional zum Produkt der beiden Ströme. Diese Anordnung wird i. a. durch die geometrisch günstige Auslegung eine höhere Empfind­ lichkeit bezüglich des Erregerstromes aufweisen als die Anord­ nungen nach Fig. 1 oder Fig. 3.

In Fig. 3 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, wobei hier die beiden Erregerleiterbahnen in X-Richtung neben dem magnetfeldempfindlichen Bereich des Hallgenerators geführt sind. Diese Anordnung wird i. a. wegen der größeren Entfernung der Erregerleiterbahnen vom Magnetfeldsensor eine geringere Empfind­ lichkeit bezüglich des Erregerstromes aufweisen als die Anord­ nung nach Fig. 2.

In Fig. 4 wird anhand einer Querschnittdarstellung des Strom­ sensors die Schichtenfolge des Bauelementes deutlich.

Beschreibung eines Ausführungsbeispiels

Die Herstellung des Bauelementes beginnt mit einem inerten isolierenden Substrat (z. B. Al₂O₃), auf das eine dünne Schicht (1 bis 3 µm) eines geeigneten III/V-Halbleitermaterials (z. B. GaAs, GaInAs, InP, InSb, InAs, In(As_0.8P_0.2)) aufgebracht ist (siehe Fig. 4). Günstig sind Halbleiterschichten mit hoher Beweglichkeit, niedriger Dotierstoffkonzentration und einer möglichst glatten Oberfläche, um maximale Empfindlichkeit zu erreichen. Ein aufgebautes Ausführungsbeispiel wurde mit einem InAs-Halbleiter hergestellt. Die geometrische Form des Hall­ elementes kann nun durch geeignete photolithographische Schritte festgelegt und dann naßchemisch bzw. durch Ionenstrahlätzen strukturiert werden. Das auf dem Substrat verbleibende Halb­ leitermaterial stellt nach diesem Schritt den magnetisch empfindlichen Teil 1 des Sensors dar. Die Länge des Hall­ elementes bewegt sich in einem Bereich von typisch 0,1 bis 3 mm mit einem Längen/Breiten-Verhältnis 2. Nach dem Entfernen der Photolackschicht wird z. B. eine organische Isolierlackschicht aufgebracht; sie hat neben der elektrischen Isolation die Auf­ gabe, das Halbleitermaterial vor der Kontamination mit uner­ wünschten Stoffen zu schützen. Als Isolierlackschicht kann hier Polyimidlack eingesetzt werden, der nur wenige µm dick aufge­ bracht werden kann. Durch die Strukturierung dieser Isolier­ schicht werden die Kontaktlöcher des Hallsensors freigelegt. Die Erregerleiterbahn kann nun auch teilweise über dem magnetisch empfindlichen Bereich des Hallelementes geführt werden. Die Wirkung des Magnetfeldes der Erregerleiterbahn kann so besonders gut ausgenutzt werden, da nur die dünne Isolierlackschicht die Erregerleiterbahn 4 und das magnetfeldempfindliche Bauelement 1 elektrisch voneinander isolieren (magnetisches Nahfeld des Leiters). Das Aufbringen einer dünnen Metallschicht (Dicke eben­ falls im µm-Bereich) und deren Strukturierung ermöglicht schließ­ lich die gleichzeitige Herstellung der elektrischen Anschlüsse des Hallgenerators 1 und der Erregerleiterbahnen 4. Bei der Wahl des Kontaktmaterials ist darauf zu achten, daß ein ohmscher Kontakt mit dem verwendeten Halbleitermaterial hergestellt werden kann (z. B. Palladium bei GaAs) und die Leitfähigkeit für die Erregerleiterbahn 4 möglichst groß ist. Natürlich ist auch eine Prozeßfolge denkbar, bei der das Kontaktmetall 2, 3 und die Metallschicht für die Herstellung der Erregerleiterbahn 4 getrennt aufgebracht werden und deshalb aus unterschiedlichen Metallen hergestellt werden können. Die Breite der Erreger­ leiterbahnen 4 ist in der Größenordnung der Breite des Hall­ elementes 1 und wird entsprechend der maximalen Stromdichte dimensioniert.

Literaturverzeichnis zum Stand der Technik:
[1] Firmenschrift der Firma Sprague: Application Note CN-207, Hall Effect IC Applications, p. 30-31, Current Limiting and Measuring.

Claims (14)

1. Stromsensor mit einem oder mehreren magnetfeldempfindlichen Bauelementen (1) in Verbindung mit einer oder mehreren stromführenden Leiterbahnen (Erregerleiterbahnen) , dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldempfindlichen Bauelemente (1) und die strom­ führenden Leiterbahnen (Erregerleiterbahnen) (4) in Schichttechnik ausgeführt und auf einem gemeinsamen Substrat (6) angeordnet sind.

2. Stromsensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein magnetfeldempfindliches Bauelement (1) und die stromführenden Erregerleiterbahnen (4) übereinander und/oder sich gegenseitig überlappend angeordnet sind.

3. Stromsensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die stromführenden Erregerleiterbahnen (4) weniger als das Zwanzigfache des größten Querschnittsumfanges der Erreger­ leiterbahn (4) von der Berandung des magnetfeldempfind­ lichen Bauelementes (1) entfernt angeordnet sind.

4. Stromsensor nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerleiterbahnen (4) bezüglich des magnetfeld­ empfindlichen Bauelementes (1) vollständig oder in Teilen überlappend angeordnet sind.

5. Stromsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die stromführenden Erregerleiterbahnen (4) U-förmig, L- förmig, oder ringförmig ausgebildet sind.

6. Stromsensor nach den Patentansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetfeldempfindlichen Bauelemente (1) und/oder die Erregerleiterbahnen (4) in Dickschicht/Dünnschicht-, Hybrid- oder monolithisch integrierter Technik ausgeführt sind.

7. Stromsensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldempfindliche Bauelement (1) ein Hallelement, eine Feldplatte, ein magnetoresistiver Sensor, ein Magneto­ transistor oder ein SQUID-Sensor (Superconducting Quantum Interference Devices) ist.

8. Stromsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetfeldempfindliche Bauelement (1) in Dünnschicht­ technik ein Seitenverhältnis Länge/Breite 1 hat.

9. Stromsensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (6) eingesetzt wird, das im Bereich der Erregerleiterbahn (4) mindestens einen elektrisch isolierenden Bereich aufweist.

10. Stromsensor nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat (6) aus Halbleitermaterial eingesetzt wird, in dessen Volumen das magnetfeldempfindliche Bauelement (1) als dotierter Teilbereich ausgeführt ist.

11. Stromsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Isolationsschicht (5) zwischen den Erregerleiterbahnen und dem magnetfeldempfindlichen Bauelement (1) zur galva­ nischen Trennung vorgesehen ist.

12. Stromsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß durch magnetische Flußleitstücke mit einer Permeabilität (µ_r 2) die magnetische Flußdichte, die durch die Erreger­ leiterbahnen (4) der leitenden Anordnung erzeugt wird, dem magnetisch aktiven Volumen des magnetfeldempfindlichen Bauelementes zugeführt wird.

13. Stromsensor nach einem der Patentansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß über und/oder unter und/oder zwischen dem magnetfeld­ empfindlichen Bauelement (1) und den Erregerleiterbahnen (4) eine oder mehrere leitende Schichten (7) durch Isola­ tionsschichten (5) elektrisch isoliert angeordnet werden, die nach Bedarf im Potential festlegbar sind und zur Abschirmung von elektrischen Feldern verwendet werden können.

14. Verwendung des Stromsensors nach einem oder mehreren der Patentansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß er als Multiplizierer, Addierer oder Kopplungselement eingesetzt wird.