KR20130136971A - 전압 또는 전류를 측정하기 위한 자기저항소자 통합 센서, 및 진단 시스템 - Google Patents

전압 또는 전류를 측정하기 위한 자기저항소자 통합 센서, 및 진단 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 발전기(electric generator)에 접속하기 위한 터미널들(1, 2) - 상기 터미널들은 측정될 발전기의 전압 또는 전류에 비례하는 전류가 흐르는 금속 측정 라인(metal measuring line; 4, 5)에 접속됨 - , 및 자기저항소자들(magnetoresistors; 31, 32, 33, 34)을 포함하는 통합 센서(integrated sensor)에 관한 것이다. 금속 측정 라인은, 전류가 반대 방향으로 흐르는 가늘고 긴 평행한 섹션들(elongate and parallel section; 4, 5) - 상기 섹션들은 금속 측정 라인(3, 4, 5)을 닫기(closing) 위한 부분(3)에 접속됨 - 을 포함하고, 가늘고 긴 섹션들(elongate sections; 4, 5) 중 하나에 수직으로 인접하는 민감한 부분을 각각 갖는, 자기저항소자들(31, 32, 33, 34)을 포함하는 통합 회로 부분 상에 결국 배열되는 갈바니 절연층(galvanic isolation layer; 8) 상에 배열된다. 센서는 진단 시스템에 통합될 수 있다.

Description

전압 또는 전류를 측정하기 위한 자기저항소자 통합 센서, 및 진단 시스템{MAGNETORESISTOR INTEGRATED SENSOR FOR MEASURING VOLTAGE OR CURRENT, AND DIAGNOSTIC SYSTEM}
본 발명은, 상당한 갈바니 절연(galvanic isolation)을 갖는 거대 자기저항소자들 또는 터널 자기저항소자들과 같은, 전압이나 전류를 측정하기 위한 자기저항소자 통합 센서에 관한 것으로, 센서는, 전압이나 전류가 측정될 발전기에 접속하고, 측정될 발전기의 전압이나 전류에 비례하는 전류가 흐르는 금속 측정 라인에 접속된 제1 및 제2 터미널들을 포함하며, 이러한 라인을 통해 흐르는 상기 전류는 자기저항소자들에 의해 원격으로 측정된 자기장을 만든다.
본 발명은 또한 여러 용도들 중에서 동력 애플리케이션(dynamic application)을 위해 차량(vehicle)의 차내(on-board)에 운반되거나 정적 발전 시설(static power generation facility)에 배열될 수 있고, 다수의 전지들을 포함할 수 있는 전력 발전기의 전압이나 전류를 측정하기 위한 진단 시스템에 관한 것이다.
본 발명은 자동차 애플리케이션들을 위한 연료 전지들과 같은 다수의 기본 전지들(elementary cells)을 포함하는 차내 전력 발전기들(on-board power generators)의 전압을 측정하는 것에 부분적으로 적용된다.
본 발명이 관련되는 도메인은, 심각한 환경적 상황에서 인도된 다수의 전압 소스들의 측정의 판독, 처리 및 전송을 위한 차내 전자 시스템들 중 하나이다. 또한, 자동차 애플리케이션을 위한 규제 및 안전 요건들은 측정 유닛과 측정될 소스 사이에 1500V의 갈바니 절연을 도입하는데, 갈바니 절연 레벨은 보다 일반적으로 2*U + 1000V RMS로 정의되고 여기서 U는 최대 동작 전압이다.
다수의 전압을 측정하는 이러한 과학 기술적 필요는 이미 특허 문서 FR 2 934 419 Al에 나타나 있다. 이러한 선행 기술 문서에 나타난 과학 기술적 해법은, 요구된 갈바니 절연을 보장하는 옵토커플러들을 통한 2진 신호의 전송 및 전압/주파수 변환의 원리에 근거한 것이다. 그러나, 이러한 유형의 디바이스는 측정을 보장하기 위해 특정 피드(feed)를 요구한다. 이 문서에 따르면, 에너지는 수소 및 산소 연료 전지(hydrogen and oxygen fed fuel cell)의 바이폴라 플레이트들에서 직접 얻는다. 사실, 연료 전지들의 조절 단계(adjustment phase) 동안 사용되는 침해 디바이스들(intrusive devices)을 사용하여 전압 측정들이 수행되는 다양한 시스템들이 알려져 있다. 이러한 경우에, 그러한 디바이스들은, 예를 들어, 연료 전지 시스템의 제어/명령과 상호작용하는 영구적인 진단의 수행을 허가하지 않기 때문에, 어떠한 차내 피드(on-board feed)나 측정 모듈도 필요하지 않다. 또한, 다수의 전지를 갖는 배터리들의 경우에, 배터리와 측정 벤치 사이의 적절한 절연을 유지하기 위해, 배터리의 환경에 대한 약간의 속박 케이블들이 존재하고, 중재 박스들 또는 복잡한 상업적 혹은 전용 수집 카드들을 사용한다는 것을 의미한다.
차량에 수용된 시스템들의 경우에, 차내 전자 시스템은 주로 아날로그-디지털 컨버터 및 관련된 마이크로컨트롤러를 사용하여 디지털 데이터를 판독하는 것, 아마도 디지털 데이터를 진단하고 전송하는 것으로 알려져 있다. 일반적으로, 갈바니 절연이 제어된다(>1500V). 시스템은 DC-DC 컨버터에 의해 피드되고 데이터는 광전자 컨버터를 통과하여 전송된다. 컨버터 및 마이크로컨트롤러로 구성된 이러한 시스템은, 동일한(one and the same) 퍼텐셜로 레퍼런스된, 컨버터 채널이나 채널들 상의 여러 다중화된 전지들을 판독하는 것을 허가한다. 이러한 판독은, 배터리가 단지 소수의 전지로 구성될 때, 및 최후 전지의 전압이 DC-DC 컨버터에 의해 공급된 전압과 호환되게 유지되기만 하면 정확할 수 있다. 전지들의 수가 많아지게 되면 더 이상 그렇지 않다. 그 다음, 다양한 전지들의 전압들은 저항기 브리지에 의해 컨버터의 특징들과 호환되는 레벨들로 되돌려 져야 하고, 대량의 정보를 채널링할 위험(라우팅, 크로스토크, 정확도, 스위칭 등에 있어서 수많은 퍼텐셜들의 존재)이 내재된 수많은 다중화기들을 관리해야 한다.
여러 DC-DC 컨버터들의 사용은 또한 병렬로 관리된 자율적 진단 시스템들에게 여러 피드 소스들을 공급하기 위한, 배터리(배터리, 피드, ...) 외부 소스로 알려져 있다. 이러한 방법은 사용가능한 여러 레퍼런스들을 갖고, 컨버터 및 마이크로컨트롤러와 관련된 패키지들 각각에서 전지들을 재편성하는 것을 허가한다. 이러한 시스템들은 처리할 정보의 크기 및 복잡도에 의해 무겁게 페널라이즈된다.
여러 가지 중에서 다음과 같은 제약들을 함축하는 자동차 애플리케이션의 경우와 같이, 부피 및 신뢰도 제약들이 너무 강력해 지는 애플리케이션들을 고려할 때 상기 시스템들은 충분히 만족스럽지는 못하다:
- 제한된 공간
- 다양한 모듈들의 열 손실,
- 때때로 약하고 변동하는 전압들을 측정하는데 사용된 분할 브리지들 및 스위치들의 존재에 의해 영향을 받을 수 있는 각 전지에 대한 전압들의 측정의 정확도,
- 컴포넌트 노화에도 불구하고, 차량의 수명 동안 측정의 신뢰도;
- 차량의 CAN("Controller Area Network") 네트워크에 의한 데이터의 측정들 및 컨디셔닝의 원리들의 호환성.
또한, 거대 자기저항소자들(giant magnetoresistors; GMR)이나 터널 자기저항소자들(tunnel magnetoresistors; TMR)를 사용하는 자기저항 센서들의 개발은 전 세계적으로 집중적인 개발 대상이다. 첫 번째 애플리케이션은 이러한 기술의 도움으로 지금 제조되는 하드 디스크 판독 헤드들이다. 다른 애플리케이션은 더 최근의 것으로 위치 또는 각도 센서들을 주로 커버한다.
최근에, NVE 사(www.nve.com)는 GMR 브리지와 전류 라인으로 이루어진 전류 센서의 마케팅을 시작했다.
Pannetier-Lecoeur, M.; Fermon, C; de Vismes, A 등이 발표한, JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS의 316권, E246-E248 페이지(2007년)는 GMR 전류 센서를 설명하며, 이는 관련 참조문헌이다.
터널 자기저항소자들(TMR)은 거대 자기저항소자들(GMR)보다 더 큰 감도를 나타낼 뿐만 아니라 더 많은 노이즈와 더 어려운 제조 공정을 나타낸다. 그들은, 동작 온도가 180℃를 초과해야하는 경우에 유익하게 사용될 수 있다
본 발명은, 위에서 언급한 불편사항들을 개선하기 위한 것으로, 상당한 갈바니 절연이 사용가능하고, 차내 발전기들에 대한 전압 또는 전류 측정들을 허가하며, 소형이고 신뢰할만한 구현을 인정하는 통합 센서를 구비하는 것을 허가하기 위한 것이다.
본 발명에 따르면, 이러한 목표들이 전압이나 전류를 측정하기 위한 자기저항소자 통합 센서로 인해 달성되는데, 이 센서는, 전압이나 전류가 측정되어야 하는 발전기에 접속되고, 측정될 발전기의 전압이나 전류에 비례하는 전류가 흐르는 금속 측정 라인에 접속되는 제1 및 제2 터미널들, 및 상기 측정 라인을 통해 흐르는 상기 전류에 의해 원격으로 만들어진 자기장을 측정하기 위한 적어도 두 개의 자기저항소자를 포함하며, 금속 측정 라인은 전류가 반대 방향으로 흐르는 적어도 제1 및 제2 가늘고 긴 평행한 섹션들(first and second elongated and parallel sections)을 포함하는데 이 섹션들은 측정 라인을 닫는 것을 목표로 한 한 섹션(a section)에 접속되고, 금속 측정 라인 모두는 1500V보다 크거나 동일한 전압을 위해 통합 갈바니 절연층의 면들(faces) 중 하나 위에 배열되고, 상기 통합 갈바니 절연층 자체는 통합 검출 회로의 한 섹션 위에 배열되며, 상기 회로는 최소한, 측정 라인을 통해 흐르는 전류에 의해 만들어진 필드에 민감하도록 하기 위해 금속 측정 라인의 가늘고 긴 섹션들 중 하나에 기본적으로 중첩되는 민감한 부분을 각각 갖는 두 개의 자기저항소자를 포함한다는 점, 및 금속 측정 라인의 제1 및 제2 가늘고 긴 섹션들 각각은 그라운드 콘택트로의 접속 경로에 중첩된 에어리어 근처의 에어리어에 좁은 부분(narrow part)이나 수축(constriction)을 포함하고, 상기 제1 및 제2 터미널들의 측에서, 상기 좁은 부분들이나 수축들은 과전류 피크에 의해 만들어진 절연 결함의 경우에 통합 퓨즈로서 사용된다는 점을 특징으로 한다.
유익하게, 금속 측정 라인 모두는 통합 갈바니 절연층의 면들 중 하나의 바로 위, 및 이러한 통합 갈바니 절연층의 다른 면의 바로 위에 배열된 자기저항소자들의 민감한 섹션의 맞은 편에 배열되어, 단지 이러한 두께의 절연층만 민감한 요소로부터 측정 라인을 분리한다.
자기저항소자들은 거대 또는 터널 유형일 수 있다.
바람직하게는, 상기 통합 검출 회로 섹션은, 적어도, Vdc 전압 분극 콘택트, 그라운드 콘택트 및 차동 출력 전압의 음극 Vin-과 양극 Vin+ 콘택트들로의 자기저항소자 브리지 및 접속 경로들을 포함한다.
유익하게는, 자기저항소자 각각이, 측정 라인을 통해 흐르는 전류에 의해 만들어진 필드에 민감하도록 하기 위해 금속 측정 라인의 가늘고 긴 섹션들 중 하나에 기본적으로 중첩되는 상기 민감한 부분을 나타내는 길이방향의 중앙 브랜치를 갖는 C-형이다.
유익하게는, 거대 자기저항소자의 경우에, 거대 자기저항소자 각각은 100과 500㎛ 사이의 길이 및 2와 8㎛ 사이의 폭을 갖는다.
유익하게는, 터널 자기저항소자의 경우에, 이러한 저항기들 각각은 40과 150pm 사이의 길이 및 2와 8㎛ 사이의 폭을 갖는 자유 C-형 층, 및 300Ω과 10㏀ 사이의 저항을 얻기 위해 크기가 조절되는 하나 또는 두 개의 블록들이나 패드들에 의해 형성된 하드층(hard layer)을 갖는다.
바람직하게는, 금속 측정 라인은 30과 100Ω 사이의 저항을 갖는데, 이는 측정될 평상시 전압(usual voltages)을 고려하여 5와 100㎃의 전류에 맞춰진 것이다.
마지막으로, 센서들과 전류 라인들의 특정 구성은, 너무 큰 과전압의 경우 또는 조절가능한 임계치를 초과하는 정전 방전의 경우에, 통합 전류 라인이 즉각적인 퓨즈로서 사용될 수 있도록, 통합 퓨즈 기능을 고려하는 것을 허가한다. 그러한 구성을 위해, 각각의 전압 또는 전류 측정 센서의 금속 측정 라인의 제1 및 제2 가늘고 긴 섹션들 각각은 그라운드 콘택트로의 접속 경로에 중첩된 에어리어 근처 에어리어에 좁은 섹션 또는 수축을 포함하고, 상기 제1 및 제2 터미널들의 측에서, 상기 좁은 섹션들 또는 수축들은 과전압 피크에 의해 만들어진 절연 결함의 경우에 통합 퓨즈로서 사용된다.
본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 금속 측정 라인의 제1 및 제2 가늘고 긴 섹션들은 자기저항소자들의 상기 민감한 섹션들과 비슷한 폭을 보인다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 갈바니 절연층은 평평하고 5와 15㎛ 사이의 두께를 가지며, 그 두께는 원하는 갈바니 절연 및 선택된 절연 물질의 본질에 연관된다.
예시적인 실시예에 따르면, 갈바니 절연층은 경화된 수지 피착(hardened resin deposit)으로 구성된다.
이러한 경우에, 갈바니 절연층은 폴리이미드 또는 BCB(bisbenzocyclobutene)를 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 갈바니 절연층은 세라믹 절연 프로덕트 피착으로 구성된다.
이러한 경우에, 갈바니 절연층은 Si3N4 또는 Al203의 층을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 통합 센서는 0과 1.3V 사이의 출력 전압을 갖는 연료 전지로 구성된 발전기의 전압이나 전류를 측정하기 위해 적용될 수 있다
Vdc 전압 분극 콘택트(voltage polarization contact) 및 그라운드 콘택트는 1과 12V 사이의 전압을 갖는 전기 피드 배터리(electric feed battery)에 접속될 수 있다. 그 다음, GMR들의 저항은, GMR들의 폭의 pm 당 1㎃를 초과하지 않는 전류가 그들을 흐르도록 선택될 것이다. TMR들의 경우에, TMR의 각각의 블록 또는 패드에서 약 0.4V를 얻도록 전압 분극이 선택되어야 한다.
결과적으로, 제안된 발명은 종래 기술의 작업으로 해결되지 않고 남아있는 여러 심각한 문제들을 해결하는 것을 허가한다.
따라서, 본 발명은, 완벽하게 통합된 센서를 정의하면서, 전류 라인과 자기저항소자 브리지 사이에 상당한 갈바니 절연을 갖는 것을 허가한다. ㎜의 거리가 일반적으로 사용되지만, 제안된 기술은 일반적으로 GMR 브리지로부터 8㎛에 위치한 전류 라인들을 갖는 것을 허가한다.
선택된 자기저항소자 브리지의 크기와 구성은, 의도된 애플리케이션을 위해 요구된 사양들과 호환되는 선형성 특징들을 얻는 것을 허가한다.
또한, 길이방향 분극 필드를 사용하여, 이러한 선형성을 개선하는 것을 허가한다. 이러한 기술은 종래의 특허 출원 공개(WO2007 148028)의 대상이다.
또한, 터널 자기저항소자들의 사용은 매우 낮은 소비 전력을 갖는 구성을 얻는 것을 허가한다.
본 발명은 또한 전력 발전기에 대한 전압 또는 전류 측정 진단 시스템에 관한 것으로, 그것은 적어도, 동일한 스트립에 통합된, 위에서 설명된 바와 같이 전류를 통해 전압을 측정하거나 전류를 측정하기 위한 다수의 거대 자기저항 센서들을 포함하는 하이브리드 측정 모듈, 상기 다수의 센서에 의해 인도된 신호들을 수신하는 여러 증폭기들을 포함하는 증폭 모듈, 다중화 모듈, 연락 디바이스(liaison device) 및 별도의 디지털 처리 모듈을 포함한다는 점을 특징으로 한다.
본 발명의 유익한 특징에 따르면, 하이브리드 측정 모듈은, 센서들 및 증폭 모듈의 상기 스트립을 포함하는 제1 인쇄 회로 및 다중화 모듈을 포함하는 제2 인쇄 회로를 포함하고, 인쇄 회로 섹션들 상에 신호 교환 경로들이 형성되며, 제1 및 제2 인쇄 회로들은 상기 연락 디바이스에 접속되고 인쇄 회로 섹션들 상에 형성된 상기 신호 교환 경로들에 링크된 입-출력 접속 터미널들과 조립, 성형, 및 캡슐화된다.
처리 모듈은, 적어도 하나의 처리 유닛, 아날로그 입력들과 아날로그-디지털 컨버터들, 양자택일 유형(all or nothing type)의 TOR 입력들-출력들, 및 하이브리드 측정 모듈과 처리 모듈 사이의 연락들 모두를 보장하는 인쇄 회로를 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에 따르면, 전압이나 전류를 측정하기 위한 통합 거대 자기저항소자 각각은, 전압이나 전류가 측정될 발전기의 개개의 전지로의 제1 및 제2 접속 터미널들, 및 전류가 반대 방향으로 흐르고 측정 라인을 닫는데 사용된 한 섹션에 링크된 제1 및 제2 가늘고 긴 평행한 섹션들을 포함하는 금속 측정 라인을 포함하는데, 측정 라인 유닛은, 적어도 하나의 Vdc 전압 분극 콘택트, 그라운드 콘택트 및 차동 출력 전압의 음극 V- 및 양극 V+ 콘택트들로의 거대 자기저항소자 브리지 및 접속 경로들을 포함하는 통합 회로 섹션 상에 위치한, 갈바니 절연층 상에 있고, 거대 자기저항소자들은, 측정 라인의 가늘고 긴 섹션들 중 하나에 기본적으로 중첩되는 민감한 자기저항소자 섹션을 형성하는 길이방향의 중앙 브랜치를 갖는 C-형이다.
게다가, 시스템은 또한, 전체 시스템을 재구성하지 않고 전압 측정 범위를 확대하기 위해, 각각의 전력 발전기의 측정 포인트와 센서 스트립의 해당 입력 터미널 사이에 위치한 저항기를 포함할 수 있다.
실례가 되고 예로서 주어진 실시예에 따르면, 각각의 스트립은 전압이나 전류를 측정하기 위한 8개의 거대 자기저항소자 센서를 포함하고, 증폭 모듈은 또한 8개의 증폭기를 포함하며, 다중화 모듈은 3개의 선택 신호에 의해 활성화된 7개의 기본 다중화 전지들을 갖는 적어도 3개의 층을 포함한다.
초기 오프셋 보상 회로는 각각의 증폭기와 관련될 수 있다.
또 다른 특정한 특징에 따르면, 플로팅 그라운드를 결정하는 분극 포인트 보상 회로는 각각의 증폭기와 관련될 수 있다.
본 발명에 따른 시스템은 유익하게는 0과 1.3V 사이의 출력 전압을 갖는 다수의 연료 전지를 갖는 발전기, 더 일반적으로는, -1.2V와 +1.2V 사이의 범위로 되돌릴 수 있는 전압을 갖는 다수의 전지들을 포함하는 임의의 발전기의 전압이나 전류를 측정하기 위해 적용된다.
제안된 발명은 종래 기술의 작업에서 해결되지 못하고 남아있는 여러 중요한 문제들을 해결하는 것을 허가한다.
예를 들어, 모듈형 시스템 설계는 쉬운 구현을 허가하고, 그것은 다수의 기본 전지들을 갖는 발전기에 대한 적용을 용이하게 하고, 주로 접속에서 기원하는 외부 노이즈 소스들을 최소화한다.
본 발명은 또한 완벽하게 통합된 센서를 정의하면서 전류 라인과 GMR 저항기 브리지 사이에 중요한 갈바니 절연을 갖는 것을 허가한다. ㎜ 거리들이 일반적으로 사용되지만, 제안된 기술은 일반적으로 GMR 브리지로부터 8㎛에 위치한 전류 라인들을 갖는 것을 허가한다.
선택된 GMR 브리지의 크기와 구성은 의도된 애플리케이션을 위해 요구된 사양들과 호환되는 선형성 특징들을 얻는 것을 허가한다.
본 발명의 내재된 특징에 따르면, 자동차 애플리케이션을 위한 차량 배터리와 같은, 외부 피드 소스로부터, 즉, GMR 저항기 브리지로부터 도출된 사용은 그러한 브리지를 위해 요구된 계측 유닛(instrumentation unit) 설계 및 관련된 처리 모듈들 전체를 간소화한다.
센서들 및 전류 라인들에 대한 특정한 구성은, 2㎸를 초과하는 정전 방전 또는 매우 높은 과전압의 경우에, 통합된 전류 라인이 즉각적인 퓨즈(instantaneous fuse)로서 사용될 수 있는, 통합 퓨즈 기능을 구현하는 것을 허가한다.
본 발명의 여러 특징들 및 이득들은, 첨부된 도면들에 대하여 언급되고, 예로서 주어진, 실시예의 특정한 모드들에 대한 다음의 설명에 나타날 것이다.
- 도 1은 GMR이나 TMR 스핀 밸브 유형의 자기저항 센서를 구성하는 요소들을 예로서 도시하는 개략적인 단면도이다.
- 도 2는, GMR 센서, 예를 들어, 도 1의 센서가 최적화된 구성을 갖지 않는 경우와 갖는 경우의 일반적인 응답 곡선을 각각 도시한다.
- 도 3a 및 3b는, 콘택트들이 일 실시예의 두 가지 변형에 따라 구축되는 방법을 도시하는 터널 자기저항소자의 구성에 대한 개략도이다.
- 도 4는 본 발명에 따른 통합 GMR 센서, 측정 브리지, 및 금속 측정 라인을 포함하는 구성에 대한 가능한 특정한 실시예의 개략도이다.
- 도 5는 도 4의 실시예의 통합 센서에 대한 전기 회로의 개략도이다.
- 도 6은 통합 퓨즈 기능을 포함하는 측정 전류 라인의 변형예를 갖는 본 발명에 따른 통합 센서의 부분적인 다이어그램이다.
- 도 7은 GMR 유형 자기저항 센서들을 구현하는 동안 다수의 측정 센서들이 통합되는 측정 스트립을 도시하는 오버헤드 개략도이다.
- 도 8은 본 발명에 따른 전체 진단 시스템의 기본 개요도이다.
- 도 9는 본 발명에 사용될 수 있는 증폭 기본 전지의 다이어그램이다.
- 도 10은 본 발명에 사용될 수 있는 다중화 기본 전지의 다이어그램이다.
- 도 11은 본 발명의 특정한 실시예에 사용될 수 있는 다중화 모듈의 일례이다.
- 도 12는 증폭 기본 전지의 초기 오프셋 보상을 도시하는 회로도이다.
- 도 13은 미드-포인트 보상을 도시하는 회로도이다.
- 도 14는 더 높은 전지 전압들에서의 적응을 허가하는 도 8의 개요도의 변형이다.
"거대 자기저항 효과(Giant Magnetoresistive effect)"(GMR 효과) 및 터널 자기저항 효과(Tunnel Magnetoresistive Effect)(TMR 효과)는 강자성 및 비-강자성 물질층들로 구성된 금속 박막에서 관찰된다. 그것은, 자기장의 존재 시에 이러한 구조들의 전기 저항의 상당한 변화(considerable variation)에 의해 나타난다. 자기저항소자의 보통의 구성은 자기장에서 자유롭게 회전하는 자유층(free layer) 및 하드층(hard layer)(자기장에 둔감한)으로 구성된 스핀 밸브이다. 이러한 시스템의 저항은 하드층과 자유층 사이의 각도에 근거하여 바뀐다. GMR들의 경우에, 두 개의 층은 금속층에 의해 분리되고 측정 콘택트들은 이러한 층들의 상단(top)에 부착된다. TMR들의 경우에, 두 개의 층은 절연층에 의해 분리되고 측정 콘택트들은 층들의 하단(bottom) 및 상단(top)에 부착된다.
본 발명에 사용되는 센서들에 대해, 바람직한 구성은 차단층(blocked layer)의 방향에 수직인 자유층의 자기장의 부재시에 방향을 갖는 것이다. 이는, 한편으로는, 센서의 형상을 사용하여, 다른 한편으로는, 제어된 분극 필드("바이어스")를 적용하여 행해진다. 차단층의 방향은, 일반적으로 몇 분 동안 260℃ 및 0.1T에서, 강한 자기장 하에 어닐링함으로써 얻어진다.
도 1은 스핀 밸브의 구조를 갖는 GMR 형의 자기저항 센서(10)로 이루어지는 박막의 어셈블리의 대표적인 예를 도시하고, 이는 예를 들어 문서 Fr2876800에서 설명된다.
스핀 밸브는 일반적으로 하드 또는 차단층(22), 다시 말해, 외부 자기장에 거의 민감하지 않은 층, 및 자기장에 매우 민감한 소프트 또는 자유층(21)을 포함한다.
하드층(22)은 강한 보자력(coercivity)을 갖는 강자성층들의 에셈블리, 또는 강자성층에 결합된, 인공적이거나 아닌, 반강자성층들의 믹스처로 구성될 수 있다.
소프트층은 매우 부드러운 자성체들(very soft magnetic materials)로 구성된다.
예로서, 도 1의 자기저항 센서(10)는, 자유 표면을 시작으로, 탄탈륨 보호층(11), NiFe 층(12)을 포함하는 소프트 자성층(21) 및 CoFe 층(13)을 포함할 수 있다. 이러한 소프트층(21)은 외부 자기장의 방향으로 향한다.
하드 자성층(22)은 분리 구리층(14)에 의해 소프트층(21)으로부터 분리된다. 하드 자성층(22)은, 분리층(14)을 시작으로, CoFe 층(15) 및 IrMn 층(16)을 포함할 수 있다. 하드층(22)은 제조 동안 설치된 자화의 방향을 갖는다. 탄탈륨층(17)은 회로를 구현하기 위해 추가된 더 높은 층들(higher layers)의 성장 전구체(growth precursor)로서 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 1의 시트들 모두는 약 30㎚의 두께를 가질 수 있는 한편, 전지 유닛(cell unit)의 치수는 일반적으로 200㎛*30㎛*5㎛일 수 있다.
Pannetier-Lecoeur, M, Fermon, C, de Vismes, A 등에 의해, 2007년에 발행된, JOURNAL OF MAGNETISM AND MAGNETIC MATERIALS의 316권, 이슈 2, E246-E248 페이지의, 공보 "Low noise magnetoresistive sensors for current measurement and compasses"에 설명된 바와 같이, C-형 센서의 사용은 자기 노이즈의 강한 감소를 허가한다. 또한, 길이방향의 자기장의 적용은 각각의 GMR 센서의 응답을 완벽하게 제어하는 것을 허가한다. 결과적으로, 이러한 최적화된 구성들이 존속된다.
도 2는, 형상(shape)과 분극 필드(polarization field)가 최적화되지 않은 경우(곡선 A) 및 그들이 최적화된 경우(곡선 B)에 적용된 필드 H를 기반으로 한 스핀 밸브의 일반적인 응답(출력 전압)을 도시한다.
도 3a 및 3b는 터널 자기저항소자의 측정 구성을 도시한다. 도 3a는 단일 자기저항소자 블록 또는 패드(70)를 갖는 구성에 해당하고, 도 3b는 두 개의 자기저항소자 블록들 또는 패드들(71, 72)을 갖는 구성에 해당하는 일례를 도시한다. 두 개-블록 구성은, 자기저항소자 터미널에서 용인가능한 전압을 두 배로 하는 것을 허가하여, 결과적으로 두 배의 감도를 갖는 것을 허가하므로, 유익하다.
도 3a에서, 블록 또는 패드(70)의 레벨에서, 상단(top)에 위치한 TMR의 하단 콘택트(bottom contact) 및 제2 측정 콘택트(63)에 대응하는 TMR의 자유층에서 C-형 실린더 헤드(61)가 관찰된다.
도 3b에서, 콘택트들이 없는 TMR의 자유층에서 C-형 실린더 헤드(62)가 관찰된다. TMR의 제1 측정 콘택트(64)는 블록 또는 패드(71)의 레벨에서 상단에 위치하고, TMR의 제2 측정 콘택트(63)는 블록 또는 패드(72)의 레벨에서 상단에 위치한다.
도 4 및 5는 본 발명에 따라 센서에 GMR들을 통합하기 위한 원리를 도시하는 것으로, 이 센서는, 도 7에 도시된 바와 같이, 스트립(100)에 그 자신이 통합된 개개의 센서(111-118)일 수 있다.
이러한 애플리케이션을 위해, Vdc 전압과 그라운드 사이에는 정전압에서 피드(feed)에 의해 분극(polarization)이 부과된다. GMR 전지(30)는 브리지에 탑재된 네 개의 GMR(31, 32, 33, 34)을 포함한다. 브리지의 브랜치들 각각의 전류는 GMR들의 저항에, 결과적으로는 필드의 존재시 그들의 변화에 비례하는데, 이는 전지 전압 측정의 원리이다.
도 4는 네 개의 GMR을 포함하는 완전한 브리지(30), 갈바니 절연층(8) 및 금속 측정 라인과, 전압이나 전류가 측정될 발전기에 접속하기 위한 제1 및 제2 터미널들(1, 2)을 갖는 GMR 전지의 일례를 나타내는데, 금속 측정 라인은, 제1 및 제2 섹션들(4, 5)에 대해 횡단으로 위치하고 측정 라인을 닫는 것을 목적으로 한 섹션(3)에 접속된 제1 및 제2 가늘고 긴 섹션들(4, 5)을 포함한다. 측정 라인 유닛(3, 4, 5)은, 적어도 하나의 Vdc 전압 분극 콘택트(42), 그라운드 콘택트(41) 및 차동 출력 전압의 음극 Vin-과 양극 Vin+을 갖는 콘택트들(43, 44)에 접속된 경로들(52, 51, 53, 54) 및 거대 자기저항소자 브리지(30)를 포함하는 통합 회로 섹션 상에 위치하는 갈바니 절연층(8) 상에 위치한다.
거대 자기저항소자(31, 32, 33, 34)는 금속 측정 라인의 가늘고 긴 섹션들(4, 5) 중 하나에 기본적으로 중첩되는 길이방향의 중앙 브랜치를 갖는 C-형이다. 모든 GMR들은 외부 자기장에 동일하게 응답하는데, 이는 외부 자기 교란(outside magnetic disturbance)이 브리지의 균형을 깨뜨리지 않는다는 것을 함축한다는 것에 주의하는 것이 중요하다. 반면에, 금속 측정 라인은 반대 방향으로 전류를 흘리는, GMR들과 함께 정렬된, 두 개의 세그먼트를 포함하기 때문에, 그의 액션은 반대되고, 결과적으로, 금속 측정 라인에서 전류의 등장은 브리지 불균형을 만든다.
도 4는, 반복되는 방해 필드들(지구, 환경, ...)로부터 자신을 원상태로 돌리면서 최적 정확도를 보장하는, 본 발명에서 구현된 바와 같은 전기 브리지 어셈블리를 도시한다. 도 5는 브리지 동작 모드를 도시한다.
이때에, 시스템 응답의 계산에 대해 일부 고려 사항이 주어질 것이다.
전지 전압 VCELL은 공식
Ibias = Vcell/Rcurrent line
에 따라 IBIAS 전류를 만든다.
Ibias를 시작으로, GMR 센서들이 보게 될 자기장을 결정할 수 있다. 그것은
Figure pct00001
로서 표현될 수 있고, 여기서, 파라미터 α는 GMR 저항기들의 크기, 전류 라인의 크기, 및 GMR 저항기들과 전류 라인 사이의 거리에 따라 달라진다.
감도는 GMR 저항기(RGMR)로부터 결정된다. 제1 근사로서, 자기장의 존재시 ARGMR 저항기의 변화는 이러한 필드의 선형 함수이다. 변화는 일반적으로
Figure pct00002
이고, 여기서, B는 mT로서 표현된다.
도 5에 도시된 바와 같은 브리지 어셈블리에 대해, 차동 출력 전압은 위에서 주어진 값들에 근거하여 계산된다. GMR 저항기들은 가능한 한 균일하도록(homogeneous) 설계된다. 그들은 반대 자기장에 민감해 질 수 있도록 전류 라인의 상단(top)에 위치한다. 이는 브리지의 감도를 증가시키는 것 및 주변 방해 필드들(지구 필드, ...)을 제거하는 것을 허가한다. RGMR 저항기들의 변화가 균일하고 ΔRGMR과 동일하다는 것을 인정하여, 이송 수학식(transfer equation)은 다음과 같이 표현될 수 있다:
Vin+ - Vin- = Vdc * ARgmr/Rgmr
상이한 이송 계수들은 선형이거나 제1 근사와 같이 거의 선형이기 때문에, Vin+ - Vin-이 VCELL 전지 전압에 비례하는 것이 추정된다.
이러한 변환기(transducer)에 의해 인도된 차동 전압은 약하게 유지되고, 두 개의 주요 파라미터들, 즉, 어떠한 전압도 전지에 의해 인도되지 않을 때 브리지의 브랜치들 사이의 오프셋(OFFSET으로 불림), 및 전지 터미널들에서 전압의 존재로 인해 발생하는 자기장의 존재시 변환기의 감도에서 생성되는 동력(dynamic)에 의해 특징지어진다.
오프셋은 브리지를 형성하는 네 개의 저항기들의 불균일성(non-homogeneity)에 의해 기본적으로 도입되고, 동력은 변환기 물질들의 기술과 더 관련된다.
GMR 전지의 일반적인 감도는 1.3V의 전압에 대해 브리지의 터미널들에서 50㎷이고, 이는 1%보다 나은 선형성을 갖는다. 오프셋은 제조 품질에 따라 다르지만, 바람직하게는 20㎷보다 적어야 한다.
센서의 크기와 형상을 최적화한 후의 시스템의 노이즈는 주로 GMR 소자의 저주파 노이즈에 연관된다. 직류로부터 100㎐의 주파수까지의 대역에서 통합 노이즈는 일반적으로 50 ㎵ RMS이고, 이는 1.4 ㎴ RMS의 측정 레벨에서 전압 노이즈를 부여한다.
이제, 크기 및 센서 형상을 최적화하는 원리가 언급될 것이다.
금속 측정 라인(3, 4, 5)은 전압이 측정되는 연료 전지, 또는 동일한 유형의 또 다른 발전기에 접속되고, 절연층(8)에 의해 GMR 측정 브리지(30)에서 분리되며, 자동차 애플리케이션을 위해 요구된 갈바니 절연, 즉, 1500V를 보장하기 위해 최적화된다.
브리지 피드(bridge feed; 30)는 결과적으로 안정화된 외부 소스에 의해 얻어질 수 있다. 3.3V 또는 5V 소스의 사용은 종종 표준 전자 회로들과 직접적인 호환성(direct compatibility)을 갖기 위해 사용된다.
이러한 센서는 본 발명의 애플리케이션을 위해 두 가지 기본 기능에 대비하는 것으로 관찰된다.
- 측정 연료 전지 전압에 비례하는 값을 직접 제공하는 측정 브리지의 종래의 출력(Vin+ - Vin-)을 가짐으로써 변환기의 역할을 보장,
- (예를 들어, 종래 기술의 디바이스들은 시간-주파수 변환 및 옵토커플러들의 구현을 요구하는 것에 반해) 1500V 갈바니 절연을 보장하기 위해 신호들을 컨디셔닝하는 특정 단계들을 수집 체인(acquisition chain)에 통합하는 것을 피하여, 측정에 가능한 한 가까운 갈바니 절연을 보장.
게다가, 도 6에 도시되고 아래에 설명된, 금속 측정 라인의 설계는 매우 유익한 변형예에 적합한 것으로, 여기에서, 이러한 전류 라인은 측정 전지 레벨에서 과도한 전류의 경우에 연료 전지를 자동으로 보호하는 퓨즈 기능에 대비한다.
자동 퓨즈 기능은, 과전압 피크에 의해 만들어진 절연 디폴트의 경우에 퓨즈의 역할을 하는, 적어도 좁아짐(narrowing) 또는 미세-수축(micro-constriction)의 측정 라인(6, 7)에 통합하여 보장된다.
도 4 및 6에 도시된 바와 같이 그라운드 피드 라인(51)은 금속 라인 아래를 통과한다. 이러한 통과 포인트의 주변에서, 금속 라인의 가늘고 긴 섹션들(4, 5)은 접속 터미널들(1, 2)의 방향으로 약간 오프셋되는 좁아짐 또는 수축(6, 7)을 포함한다. 파괴적인 브레이크다운(disruptive breakdown)과 결과적으로 전지 피드와 브리지(30)의 저전압 회로 사이의 접속 위험을 야기하는 과전압 피크의 경우에, 오프셋 수축(6, 7)은, 자동-퓨즈의 역할을 하여, 측정 컴포넌트를 증발시키고 격리한다.
특정 수의 파라미터들은, 본 발명에 따른 통합 센서가 원하는 선형성과 동력 측정을 갖도록 최적의 구조를 정의하는 것을 허가한다.
GMR들의 크기와 형상의 최적화는 여러 기준에 근거한다:
- 브리지 arm 당 500Ω의 저항이 측정된다. 이는 길이가 200㎛이고 폭이 5㎛인 GRM을 결정하고, 이는 GMR 적층의 평방 표면당 저항이 약 12Ω이라는 것을 알려준다. TMR의 경우에, 블록 또는 패드의 표면이 저항을 결정한다. 또한, 500Ω의 저항을 목표로 한다.
- GMR이나 TMR의 폭은 바람직하게는 4 pm 및 8㎛ 사이에서 선택된다. 이는 분극 필드를 적용하기 전에 충분한 선형 응답을 보장하지만, 측정될 전압들이 더 높은 경우에는 더 작은 폭들이 선택될 수 있다.
- 자기저항소자들은, 자기 노이즈가 측정 존에서 감소되도록 C-형(도 3a 및 3b 참조)을 갖는다.
요점은, GMR이 1% 아래의 브리지 오프셋을 보장하도록 제조되어야 한다는 것이다. GMR 및 TMR 자기저항소자들의 진성 반응(intrinsic response)은 온도 범위에 걸쳐 약 8%의 감도 변화를 보여준다는 것에 주목해야 한다. 이러한 감도 변화는, 그것이, 예를 들어, 원하는 온도 범위에 걸쳐 동위(same order)의 필드 감소를 갖는 영구 자석에 의해 만들어지는 경우에, 길이방향의 안정화 필드의 크기를 조절하여 보상되어야 한다.
전류 라인의 크기와 두께의 선택은 다음과 같은 기준으로 이루어진다:
- 금속 측정 라인의 저항은, 1.5V 전압이, 예를 들어, 20㎃를 인도하도록 조절되어야 한다. 이는 75Ω의 저항에 해당한다. 원하는 해결책과 관련 있는 충분한 감도를 유지하면서, 배터리에서 얻은 전류를 최소화하고 컴포넌트에서 소멸된 전력을 최소화하기 위해, 바람직하게는, 5와 30㎃ 사이의 전류 값들이 선택된다.
- 라인의 저항은 후자의 폭과 그의 두께에 의해 주어진다. 바람직하게는, 자기저항소자들의 폭과 비슷하고 그보다 더 큰 라인 폭을 선택한다. 폭이 너무 작으면(3㎛보다 작으면) 더 적은 저항의 재현이 유도될 것이다. 폭이 너무 크면 센서 응답을 방해할 것이다. 4㎛와 20pm 사이의 폭이 선호된다.
설계된 솔루션은 자기저항소자들의 브리지(30)의 노이즈에 의해 결정된다. 낮은 주파수에서, 후자는 1/f의 스펙트럼 밀도를 갖는 저항 변동들(resistance fluctuations)에 의해 지배된다. 위에서 정의된 크기와 형상 기준에 따라 얻은 브리지에 대해, 노이즈는 약 25nT RMS이다. 5pm의 절연 두께 및 수축의 폭에 동일한 전류 라인의 경우에, 이는 10㎂의 전류 검출가능성과 일치한다.
갈바니 절연층(8)의 품질 및 평탄도는 디바이스의 성능을 위해 중요한 점이다. 층은, 요구된 갈바니 절연(1500V 내지 3000V)을 보장하기 위해 충분히 두꺼워야 하고, 측정 라인(3, 4, 5) 및 외부 세계로의 그의 링크(접속 터미널들(1, 2))의 성장이 실현 가능하도록 충분히 평평해야 한다.
이러한 절연 물질의 통합 본질을 고려하면, 전류 라인은 그의 면들 중 하나, 및 다른 면 위의 C-형 자기저항소자 위에 바로 배열되며, 그의 민감한 섹션은 바로 맞은편에 위치한다. 결과적으로, 갈바니 절연은, 이러한 지지체(support)의 물질의 절연 용량(isolation capacity)과 지지체의 두께를 곱하여 직접 얻어진다.
예를 들어, 바람직한 실시예에서, 결과적으로 매우 평평하고 우수한 유전체 저항을 갖는 층들을 얻게 되고, 음극 분쇄(cathodic pulverization)에 의해 아르곤+산소 증기가 피착된 Al203의 층을 사용한다. 갈바니 절연은 피착된 pm 당 400V이다.
이중 "통합 갈바니 절연" 및 "8pm보다 작거나 동일한 두께" 특징은, 통합을 고려할 때, 전류 라인/자기저항소자 거리 또한 최대 8pm이도록 요구한다. 마찬가지로, 6㎛의 지지체는 3200V의 이론적 절연, 및 2000V를 초과하는 실제 절연을 제공한다. 이러한 기술은 매우 우수한 품질이지만 상대적으로 긴 피착 시간을 갖는 층들을 얻는 것을 허가한다. 대안은, 또 다른 기술, 즉, 더 짧은 피착 시간으로 우수한 결과를 제공하는 "PECVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)"에 의해 A1203을 피착하는 것이다.
또한, 경화된 수지(예를 들어, 폴리-이미드, BCB(Bisbenzocyclobentene))의 피착 또는 세라믹 절연 물질(예를 들어, Si3N4, Al203)의 피착에 근거한 절연 지지체들을 고려할 수 있다. 유전체 저항은 이 물질들의 알려진 유전체 속성들 및 지지체의 두께로부터의 결과이다.
자기저항소자 전류 센서들의 개발은 매우 통합된 솔루션들 및 월등한 해결책을 허가한다. 특히, 통합된 갈바니 절연은 10㎂의 해결책을 이루는 것을 허가하는 한편, 기존의 자동차 센서들은 일반적으로 ㎃의 범위에 있거나 심지어 10㎃이고, 게다가, 위에서 설명한 자동 퓨즈 기능을 구현하는 것을 허용하지 않는다.
본 발명에 따르면, C-형 센서들 및 이러한 약한 전류 라인/자기저항소자 거리의 조합은 신호대 잡음비를 매우 크게 개선하는 두 가지 특징을 정의하고, 따라서, 그들의 조합이 특히 유익하다. 또한, 이렇게 통합된 절연은 자동 퓨즈 기능의 구현을 허용한다는 것이 위에 나타난다.
일반적으로, 통합된 절연은 강한 절연을 생산하는 것과 전류 라인과 자기저항소자 사이에 매우 작은 거리를 산출하는 것을 동시에 한다는 것을 주목할 수 있다. 이러한 두 가지 모순적인 특징들의 조화는 종래 기술에서 발견된 실시예들에 비해 훨씬 더 높은 S/N(신호대 잡음)비를 산출한다.
자동차(motor vehicles)에 적용되는, GMR 및 TMR 기술은 다음과 같은 여러 특징들을 갖는다:
- 교정에 의해 보장된 뛰어난 정확도(accuracy)(일반적으로 10㎷) 및 정밀도(precision)로 전압들(양(positive) 및 음(negative))을 측정하기 위한 기술,
- 전류의 내재 측정을 허가하는 기술,
- 자기저항소자들에 의해 기본적으로 보장된 전지 진단 디바이스의 동작의 확실성,
- 센서 자체에 의해 보장된 갈바니 절연,
- 센서는 과전류 퓨즈를 제공하고,
- 단독 경쟁 전류 측정 컴포넌트들인, 홀 효과 센서들에 비해 약한 전류들의 측정에 잘 적응된 측정 정확도 기술,
- 특히, 차내 자동차 애플리케이션들을 위해, 통합하기에 간단한 소형 구현,
- 통합된 컴포넌트들을 연료 전지에 직접 접속할 가능성,
- 심지어 전자기 방해(electromagnetic disturbance)를 동반한 극심한 환경에서, 측정의 정확도,
- 대량 생산을 허용하는 매우 광범위한 애플리케이션 분야에서 기원하는, 부분적으로 경쟁하는 기술들에 비해 낮은 제조 비용을 갖는 칩에 통합될 수 있는 기술,
- 조절가능한 소비가 요구되는, 분극 저항기(3)에서 전류 라인의 소비를 배제하는, 낮은 전력 소비(< 브리지 당 1㎃),
- 기능을 수행하는데 관련된 컴포넌트들(외부 전류 라인, 케이블, ...)을 요구하지 않는 자율적인 전압 측정 센서,
- 본 발명에 따른 센서는 발전기의 필요한 전류 또는 전압 측정들 모두를 실시할 수 있으므로, 전기 및 하이브리드 차량들에서 자동차 섹터 내에서 광범위한 애플리케이션(연소/전기, ...),
- 배터리 또는 초 용량(super capacity) 차지들을 관리하기 위한 애플리케이션,
- 개개의 연료 전지 전압의 모니터링,
- 전기 분해 장치들(electrolysers)에 적용가능,
- 전류/전압 측정(들)을 요구하는 임의의 전기 공학 기술에 적용가능한 계측(instrumentation)/진단.
위에 설명되고, 도 4에 도시된 바와 같은 센서의 기본 전지(elementary cell)는 다수의 측정 경로들을 통합하기 위해 하나의 지지체 상에 복제될 수 있다.
도 7은 거대 자기저항소자(giant magnetoresistive; GMR) 측정 센서(111-118)인 8개의 기본 전지를 통합하는 스트립(100)을 도시한다. 8개의 전지들의 제공은 실용적이고 마이크로전자 컴포넌트들에 관한 것과 유사한 제조 방법들과 호환될 수 있지만, 물론, 본 발명이 이러한 수의 기본 전지들로 제한되는 것은 아니다.
예를 들어, 도 7의 스트립(100)은 표면적이 4×13㎜를 갖는 8개의 기본 측정 전지들을 포함한다.
그러나, 스트립(100)의 실시예를 위해 사용된 방법들은, 전지 전압의 부재시 동일한 GMR 전지의 브랜치들 사이의 오프셋 신호의 존재와 이러한 오프셋에 영향을 미치는 전지들 사이의 분산의 존재, 및 전압이 전지에 인가될 때 측정되는 것과 비교하여 차동 전압에 있어서의 변화 또한 나타낸다.
이러한 파라미터들은 사용된 기술들 및 GMR 전지 제조 방법에 따라 달라진다.
목표 애플리케이션을 위해, 브랜치들의 오프셋을 위해 +/-60㎷가 선택되었고, GMR 전지의 동력을 위해 +/-80㎷가 선택되었다. 결과적으로, V+ - V-전압은 평균적으로 -140㎷와 +140㎷ 사이에서 달라질 수 있다.
이러한 파라미터들의 안정과 균일성은, 전자 컴포넌트들을 위해 구현된 것들과 비슷한 산업적 방법에 따라 변환기가 제조되는 경우에 향상될 수 있다.
스트립(100)은 매우 낮은 진폭으로 GMR 전지들에서 나오는 아날로그 신호들을 제공한다. 결과적으로, 차내 컴퓨터(400)와 호환되는 디지털 데이터로 아날로그 신호를 변환하기 전에 특정 단계들, 이를테면, 적어도, 증폭(200) 및 다중화(300)를 추가할 필요가 있다.
도 8의 개요도는 상이한 기능 블록들(100, 200, 300, 400)을 반복한다.
도 8은 GMR 전지(111-118)를 그룹화하는 8개의 구조들로 구성된 GMR 스트립(100) 및 그의 관련된 증폭 모듈(201-208)을 도시한다.
제1 근사로서, 80㎷의 동력은 0V와 1.3V 사이에서의 배터리 전지 전압의 변화와 일치한다고 말할 수 있다. 따라서, 증폭 단계(200)는 배터리 전지 전압과 1에 가까운 비율로 비슷한 전압을 인도하기 위해 10-15의 이득을 가져야 한다.
경로 선택 모듈(300)은 외부 모듈(outside module; 400)에게, 예를 들어, 출력 경로(401) 상에 스트립(100)의 8개의 경로들을 읽어 주기 위한 다중화를 허가한다.
도 9의 전자적 다이어그램(electronic diagram)은 대응하는 GMR 전지(여기에서, 터미널들 4 Vin+ 및 4 Vin-에 의해 증폭기(U4)에 접속된 전지(114))에 의해 인수된 신호들에 적응된 U4 계측 증폭기(instrumentation amplifier)로 구성된 증폭 전지(전지(204)가 도시되고, 다른 전지들(201-203 및 205-208을 대표함)의 일례를 도시한다. 이러한 컴포넌트는 현재 CMOS 컴포넌트들의 보통의 전압 범위들에 따라 기능하고, 선택된 컴포넌트를 위해, 0-3.3V 단일 전압이 피드된다. 이득 G는 공식 G=2*R11/R10에 의해 정의된다.
VIN+ 및 VIN- 입력들은 GMR 브리지(30)의 차동 출력들(44 및 43)에 대응한다.
AMPLix 신호는 증폭 전지에 의해 증폭된 신호이다. 그것은 AMPLix=G*(VIN+ - VIN-)에 의해 정의된다.
그것(여기에서, 도 10의 제1 기본 다중화 전지(U25)를 위한 증폭기들(111 및 112)) 이전의 증폭기에 의해 인도된 신호들과 호환되는 기술로부터 선택되는, 도 10에 도시된, 기본 다중화 전지들(U25)은 두 개의 경로를 하나로 다중화한다. 이는, 도 7과 8의 GMR 스트립(100)의 8개의 경로를 판독하기 위해, 선택 모듈은 4개 경로, 그 다음엔 2개 경로, 그 다음엔 1개 경로를 선택하는 것을 허가하는 3개의 단계(23 = 8)를 포함한다고 가정한다.
도 10 및 11에 의해 도시된 바와 같이, 신호(S3)는 제1 기본 다중화 전지(U25)를 위해, 선택된 신호(M1)를 향한 출력들(AMPLI1과 AMPLI2)을 선택하는 것을 허용한다.
결과적으로, 선택 모듈(300)은, 단계들 각각에서 작용하는 3가지 선택 신호에 의해 활성화된, 7개의 기본 다중화 전지들(U25-U31)을 포함한다(도 11).
신호 S3은, 8개의 AMPLI1 출력들, 4개의 중간 신호들 Mj(1<=j<=4) 중에서 선택하여 제2 단계의 입력들을 형성하는 것을 허가한다. 신호 S2는 신호들 Mj, 2개의 중간 신호들 Mk(5<=K<=6) 중에서 선택하여 제3 단계의 입력들을 형성하는 것을 허가다. 신호 S1은, AMPLIi 출력이, 외부 모듈(400)로 전송되는 신호들 Mk(최종 신호 M7)로부터 선택되도록 허용한다. 결과적으로, 기본 다중화 전지들(U25-U28)은 제1 단계를 구성하고, 기본 다중화 전지들(U29 및 U30)은 제2 단계를 나타내고, 기본 다중화 전지(U31)는 제3 단계를 나타낸다.
이러한 구현의 변형은 기원(origin)에서 오프셋에 의해 유도된 내재된 드리프트를 고려하는 것을 허가한다. 결과적으로, 도 12에 도시된 실시예의 특정한 모드에 따라, 오프셋의 영향력을 줄이거나 제거하기 위해, 증폭된 신호 AMPLIi에 보상 신호 COMPi가 추가된다.
이러한 신호는, 공식 VREF*R2/(R2+R'2)에 따라, 상이한 VALIM 모듈들의 피드 전압 또는 외부 신호 중 어느 하나일 수 있는 VREF 신호로부터 회로(162)에 의해 생성된다.
위에서 정의된 바와 같은 전지 이득(cell gain)은 공식 G=2*(R2/R'2)/R1에 따라 수정 및 정의된다.
이러한 원리는, 증폭기(161)의 VREF, 이득들 및 저항들과 같은 파라미터들을 가능한 한 최고로 조절하는데 사용되는 변환기들의 기원에서 충분한 정확도로 오프셋을 알기를 요구한다.
각각의 스트립(100)에 존재하는 GMR 유닛들은, 특정 경우에는, 경로들 각각에 대한 평균 보상 값을 찾기에는 너무 많이 큰 분산을 보일 수 있다.
이러한 경우에, 플로팅 그라운드를 도입함으로써 원리를 확장할 수 있는데, 여기서, AMPLIi 출력 신호는 이제 모듈들의 공통 그라운드와 관련해서가 아니라, 도 4 및 5와 같은 GMR 전지들에 들어가는 측정 브리지들(휘트스톤 브리지 유형)(163)의 미드-포인트에 의해, 또는 미드-포인트 외의 분극 포인트에 의해 결정된 플로팅 그라운드와 관련해서 레퍼런스될 것이고, 후자가 더 간단한 실시예를 허용한다.
실시예의 이러한 모드는 도 13에 의해 도시된다. 오프셋의 방향과 값은 너무 제약적이지 않다.
이러한 동작 모드의 획기적인 측면은 발견된 필드의 방향과는 독립적으로 GMR 변형들을 측정하는 것을 허가한다. 이는, GMR이 그들의 주입에 의해 스스로를 배향하는 포지셔닝, 및 또한 배터리 전지에 실제로 적용된 전압의 효과를 제거한다.
전지의 특정 동작 단계들 동안, 특히, 연료 전지(시약 공급)를 개시할 때, 배터리 전지들에서 음의 전압들의 존재가 등장하는 것이 알려져 있는데, 이는 자동차 애플리케이션들에서 종종 발생한다.
저항기들(R2와 R'2)은 동일하므로 보상 값 COMPi는 VREF/2로 설정되는데, VREF는 외부 레퍼런스이거나 단순히 상이한 모듈들의 Vdc 피드 전압일 수 있다. 대안적으로, 이득은 2로 나누어진다.
오프셋이 -60㎷와 +60㎷ 사이이고 동력이 -80㎷와 +80㎷ 사이라고 가정하면, -140㎷와 +140㎷ 사이의 브리지 신호의 과도 출력(excursion)에 이른다. VREF=VDC=3.3V(일반적인 전자 기술에 대한 공통 전압)이라고 간주하면, 증폭된 신호의 과도 출력은 1.65이다. 그 다음, 10-12의 이득에 접근하지만, 더 높은, 예를 들어, 30일 수 있다.
본 발명의 또 다른 중요한 측면은 센서들의 소형화에 관한 것으로, 특히, 8개의 경로를 그룹화하는 스트립(100)에 관한 것이다.
캡슐화된 하이브리드 시스템의 형태로 통합, 또는 도 8에 도시된 상이한 컴포넌트들의 SIP(System in Package)는 제1 기술적 소형화 단계이다. 인쇄 회로 적층을 갖는 3-차원 설계 기법들은 섹션들에서 발생한 신호 교환들과 함께 사용된다.
이러한 방식으로, GMR 스트립(100) 및 계측 증폭기들(201-208)을 포함하는 제1 인쇄 회로가 만들어진다. 신호 경로들은 섹션들 상에서 그룹화된다. 컷아웃 인쇄 회로는 골드 프레임에 배치된다.
그 다음, 다중화기들(300)(이를테면, 도 11의 모듈들(U25-U31))을 포함하는 제2 인쇄 회로가 만들어진다. 여기서도, 신호 경로들은 섹션들 상에서 그룹화된다. 컷아웃 인쇄 회로가 또한 골드 프레임에 배치된다.
그 다음, 이러한 두 개의 인쇄 회로는 조립; 성형 및 캡슐화된다. 그 다음, 섹션들 상의 신호 경로들은 도 8의 접속 디바이스(401, 402)를 나타내는 입-출력 핀들에 링크된다.
이러한 실시예는 스트립(100)에 가능한 한 가까운 계측을 갖도록 허가하므로, 접속들에서 주로 기원하는, 외부 노이즈 소스를 최소화하는 것을 허가한다.
이러한 구현은 (8개의 계측된 GMR 전지들을 갖는 스트립(100)의 경우에 대해) 8개의 배터리 전지들과 관련되도록 준비된 캡슐화된 하이브리드 시스템들을 생산한다.
말할 필요도 없이, 이러한 캡슐화된 하이브리드 시스템은 연료 전지들 또는 다수의 전지를 포함하는 또 다른 전력 발전기로 확장될 수 있다.
특히, 이는 초당 적어도 두 배의 측정이 요구되는, 예를 들어, 120개의 전지들을 포함하는 배터리들에 적용될 수 있다.
GMR 스트립들의 제조를 위해 사용된 기술들은 더 종래의 전자 컴포넌트들의 제조를 위해 사용된 기술과 일치하거나 유사하다. 결과적으로, 큰 어려움 없이, 교정된 스트립 세트들의 용인되는 분산을 갖는, 이 분야에서의 전문 회사에 의한 하이브리드 시스템들의 소규모 생산이 가능한데, 그 이유는 다른 SIP 컴포넌트들의 대부분이 디스크리트 컴포넌트들(discreet components)이기 때문이다.
예를 들어, 15개의 하이브리드 시스템의 클러스터는 연료 전지의 120개의 경로를 커버하기 위해 PCB 지지체 카드상에 설계 및 구현된다.
그 다음, 도 8의 기본 다이어그램에 따른 이러한 제약들을 고려하는 다양한 시스템들 사이에서 전자공학의 일부가 공유될 수 있다.
하이브리드 시스템들과의 데이터 교환에 대비하는 처리 모듈(400)은 도 8에 도시되고 최소한 다음을 포함한다:
처리 유닛(405),
TOR 형 입력들-출력들(404),
아날로그 입력들,
아날로그-디지털 컨버터들(403),
최적으로, 원격 엔티티와의 통신, 예를 들어, 자동차 애플리케이션에서 CAN 프로토콜 통신을 위한 통신 유닛,
하이브리드 시스템들과 처리 유닛 사이의 접속들 모두에 대비하는 다층화된 인쇄 회로.
처리 시스템(400)을 구현하기 위해 선택된 컴포넌트는, 예를 들어, 두 개의 아날로그-디지털 컨버터들을 가질 수 있고, 각각의 하이브리드 시스템의 요소의 거의-동시 변환(이는 15개의 경로임)에 대비할 수 있다.
단순화된 동작 원리는 다음과 같다:
입-출력 트리플릿 <S1, S2, S3>의 간청 시,
스트립 당 AMPLIi 신호의 선택(하나의 GRM 전지, 및 배터리 전지에 의해 인도된 하나의 전압). 따라서, 컴포넌트의 상이한 컨버터들 상에 15개의 신호가 존재한다.
존재하는 15개 신호에 대한 CAN(403)에 의한 판독 및 아날로그-디지털 변환:
변환된 값들의 저장;
데이터 모두에 대한 처리 소프트웨어의 애플리케이션;
판독 및 처리된 120개의 값들을 그룹화하는 그리드의 형성;
CAN 버스 상에 그리드의 전송.
저항기 브리지들 또는 GMR 스트립의 전류 라인들이 포함된 분산은 경로들 각각의 교정에 의해 정정될 수 있다.
그렇게 하기 위해, 각각의 전지는 지정된 전압 범위(일반적으로 -1.2 내지 +1.2 V)에서 레퍼런스 전압 소스에 의해 에뮬레이트된다. GMR 응답은 거의 선형이기 때문에, 이론적으로는, 전압 측정 범위의 끝에서 취해진, GMR 전지 당 두 개의 교정 포인트로 충분하다.
실제로, 분산들, 하지만 무엇보다, 기원에서의 오프셋들을 고려하면, 7개의 포인트가 사용되었다. 이는, 관찰된 측정 포인트들의 선형성을 개선하고 비-선형 에어리어들(포화)을 제거하는 것을 허가한다.
또한, -20℃ 내지 80℃ 범위의 온도와 관련 있는 약한 분산들을 통합하여 최적화할 수 있다.
GMR들이 그들의 선형 존에서 동작한다는 것을 고려함으로써, 교정은 여러 커플들<GMRCELL 전지에 적용된 전압, 아날로그/디지털 VBIN 컨버터에 의해 변환된 이진 값>을 측정하는 것에 있다.
선형 외삽법(linear extrapolation)에 의해, 이러한 측정들에 대응하는 계수들 Ai 및 Bi가 계산된다.
수학식은 VCELLi = AI*VBINI+Bi로서 기록될 수 있고, VCELLI는 재구성된 전압 값으로 불린다.
120개의 계수 Ai 및 Bi를 그룹화하는 테이블이 만들어진다. 그 다음, 그것이 처리 소프트웨어, 또는 처리 소프트웨어에 의해 판독된 외부 파일에 저장된다.
처리 소프트웨어는 이러한 계산을 실시하고, 결과적으로, 재구성된 배터리 전지 전압들을 제공한다. 전류 애플리케이션에 근거하여, 처리의 다른 유형들이 이러한 재구성된 데이터에 적용될 수 있어(평균화, 임계화, ...), 전지들의 상태에 관한 진단 및 그들의 노화의 측정을 위한 후속 조치(follow-up)를 가능하게 한다.
이러한 상이한 프로세스들은, 다양한 결과 그리드들(전지 상태 데이터, 재구성된 전압들, ...)을 생성한 다음, CAN 포트들로부터 차량 제어-명령으로 발행되는 것으로 이어질 수 있다.
애플리케이션은, 음의 전압 판독을 허용하면서, 0과 +1.2V 사이의 연료 전지들에서 나오는 전압의 측정을 가능하게 한다.
더 높은 셀 전압들, 이를테면, 예를 들어, 약 3.6V 또는 그 보다 큰(6V), 배터리 전지 전압들의 판독은 이러한 하이브리드 시스템들에 의해 직접 가능하지 않다. GMR 전지들을 위해 선택된 기술은, 주요 위험요인인 가속화된 노화, 또는 심지어 파괴 없이는, 그것을 허가하지 않는다.
이러한 전압 레벨들에 응답하기 위해, 하이브리드 시스템에 단순하고 기능적인 접근법이 적용될 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이, 전지 전압 측정 포인트들과 하이브리드 시스템의 대응 입력 사이에 적당한 저항기(adapted resistor; 121-128)가 삽입된다. 그것은 전류 라인의 저항을 갖는 저항 분할기(resistive divider)이다. 이러한 입력 브리지 저항기의 선택은 배터리 전지들에 의해 인도된 측정 범위에 의해 결정된다. 어떤 경우에도, 저항기의 선택은 라인 저항기(1.2V에서 20㎃의 최대 파생 전류로부터 정의되거나, 약 50Ω), 하이브리드 시스템에 대해 예상된 전체 감도, 및 (칩을 제외하고) 그것이 만들 열 소실을 고려할 것이다.
물론, 측정된 전압들에 그것을 적응시킴으로써 전류 라인을 개선할 수도 있지만, 이는 전압 측정 범위들에 전용인 SIP 컴포넌트들을 만든다고 가정하고, 컴포넌트의 설계에 있어서, 이 상황에서는, 칩 내측에서 전체 열 소실을 고려하는 것이 필요할 것이다. 그러나 도 14의 실시예는 더 높은 전지 전압 레벨에 쉽게 적응될 동일한 기본 하이브리드 모듈들을 허용한다.
GMR 자기저항소자 전류 센서들의 개발은 월등한 해결책을 갖는 매우 통합된 솔루션들을 제공한다. 알려진 실시예들은 ㎃의 에어리어 또는 심지어 10㎃에 위치하지만, 통합 갈바니 절연은 10㎂ 해결책을 허용한다. 자동-퓨즈 기능은 본 발명으로 구현될 수 있는 유익한 특징들이다.
마지막으로, 증폭 부분과 같은 동일한 모듈에서, 어드레스 디코딩과 여러 방식들의 다중화의 통합은 기존 시스템들에 비해 상당한 개선이다.
본 발명 내에서 사용된 것으로서, GMR 기술은 GMR 및 TMR 기술을 참조하여 위에 이미 리스트된 것에 더해, 여러 가지 중에서 다음과 같은 관심을 보인다:
- 연료 전지 시스템(PAC)의 측정 및 PAC 시스템 제어/명령의 최적화와 보안을 가능하게 하는 전압 측정 카드,
- 본 발명의 중요한 애플리케이션으로 간주된 자동차 애플리케이션을 위한 CAN 네트워크를 통해, 모든 컴퓨터에 의해 액세스가능한 지능형 센서를 갖춘 배터리를 제공하는 시스템,
- GMR 전자 컴포넌트들(1 SIP GMR은 8 개의 전압을 측정하기 위한 8 개의 GMR의 브리지들(전지들)을 포함함)의 모듈성.

Claims (22)

  1. 전압 또는 전류를 측정하기 위한 자기저항소자 통합 센서로서,
    상기 전압 또는 전류가 측정될 발전기에 접속하기 위한 것으로, 측정될 상기 발전기의 상기 전압 또는 전류에 비례하는 전류가 흐르는 금속 측정 라인(4, 5)에 링크된 제1 및 제2 터미널들(1, 2), 및
    상기 측정 라인(4, 5)을 통해 흐르는 상기 전류에 의해 원격으로 만들어진 자기장을 측정하기 위한 적어도 두 개의 자기저항소자들(31, 32, 33, 34)
    을 포함하며,
    상기 금속 측정 라인은, 상기 전류가 반대 방향으로 흐르고, 상기 측정 라인을 닫는 것을 목표로 한 섹션(3)에 접속된, 적어도 제1 및 제2 가늘고 긴 평행한 섹션들(first and second elongated and parallel sections; 4, 5)을 포함하고,
    상기 금속 측정 라인 유닛(3, 4, 5)은 1500V보다 크거나 동일한 전압을 위한 통합된 갈바니 절연층(galvanic isolation layer; 8)의 면들(faces) 중 하나에 배열되고,
    상기 통합된 갈바니 절연층(8) 자체는 통합된 검출 회로의 섹션에 배열되고,
    상기 통합된 검출 회로의 상기 부분은, 상기 측정 라인을 통해 흐르는 상기 전류에 의해 만들어진 필드에 민감하도록 하기 위해, 그들 각각이 상기 금속 측정 라인의 가늘고 긴 섹션들(4, 5) 중 하나에 기본적으로 중첩되는 민감한 섹션을 갖는 적어도 두 개의 자기저항소자들(31, 32, 33, 34)을 포함하며,
    상기 금속 측정 라인의 상기 제1 및 제2 가늘고 긴 섹션들(4, 5) 각각은, 상기 제1 및 제2 터미널들(1, 2) 측에, 그라운드 콘택트(ground contact; 41)로의 접속 경로(51)에 중첩된 존 근처의 존에 좁아짐부 또는 수축부(narrowing or constriction; 6, 7)를 포함하고,
    상기 수축부들(6, 7)은 과전압 피크에 의해 만들어진 절연 결함의 경우에 통합된 퓨즈로서 사용되는 자기저항소자 통합 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 금속 측정 라인 유닛(3, 4, 5)은, 상기 통합된 갈바니 절연층(8)의 면들 중 하나 위에 바로 피착되고, 상기 통합된 갈바니 절연층(8)의 다른 면 위에 바로 피착된 상기 자기저항소자들의 상기 민감한 부분의 바로 맞은편에 피착되어, 이러한 절연층의 두께만으로 상기 민감한 부분으로부터 상기 측정 라인을 분리시키는 자기저항소자 통합 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기저항소자들은 거대 자기저항소자들(giant magnetoresistors)인 자기저항소자 통합 센서.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기저항소자들은 터널 자기저항소자들(tunnel magnetoresistors)인 자기저항소자 통합 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통합된 검출 회로의 상기 일부는, 적어도 하나의 Vdc 전압 분극 콘택트(voltage polarization contact ; 42), 그라운드 콘택트(41), 및 차동 출력 전압의 음극(Vin-)과 양극(Vin+) 콘택트들(43, 44)로의 연락 경로들(liaison paths) 및 자기저항 브리지(magnetoresistive bridge; 30)를 포함하는 자기저항소자 통합 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저항자기소자들(31, 32, 33, 34) 각각은, 상기 측정 라인을 통해 흐르는 상기 전류에 의해 만들어진 필드에 민감하도록 하기 위해 상기 금속 측정 라인의 상기 가늘고 긴 섹션들(4, 5) 중 하나에 기본적으로 중첩되는 상기 민감한 부분을 구성하는 C형의 중앙의 길이방향의 브랜치를 갖는 자기저항소자 통합 센서.
  7. 제3항에 있어서, 상기 거대 자기저항소자들(31, 32, 33, 34) 각각은 100과 500㎛ 사이의 길이, 및 2와 8㎛ 사이의 폭을 갖는 자기저항소자 통합 센서.
  8. 제4항 또는 제6항에 있어서, 상기 터널 자기저항소자들(31, 32, 33, 34) 각각은, 40과 150pm 사이의 길이와 2와 8㎛ 사이의 폭을 갖는 C형의 자유층(free layer; 61, 62), 및 300Ω과 10㏀ 사이의 저항을 얻기 위해 크기가 조절되는 하나 또는 두 개의 블록들(70, 71, 72)로 구성된 하드층(hard layer)을 갖는 자기저항소자 통합 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 측정 라인(3, 4, 5)은 30과 100Ω 사이의 저항을 갖는 자기저항소자 통합 센서.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속 측정 라인(3, 4, 5)의 상기 제1 및 제2 가늘고 긴 섹션들(4, 5)은 상기 자기저항소자들(31, 32, 33, 34)의 상기 민감한 부분들과 비슷한 폭을 갖는 자기저항소자 통합 센서.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갈바니 절연층(8)은 평평하고 5와 15㎛ 사이의 두께를 갖는 자기저항소자 통합 센서.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갈바니 절연층(8)은 경화된 수지 피착(hardened resin deposit)으로 구성되고, 폴리이미드 또는 BCB(bisbenzocyclobutene)를 포함하는 자기저항소자 통합 센서.
  13. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 갈바니 절연층(8)은 세라믹 절연 물질의 피착으로 구성되고, Si3N4 또는 Al2O3의 층을 포함하는 자기저항소자 통합 센서.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 0과 1.3V 사이의 출력 전압을 갖는 연료 전지로 구성된 발전기의 전압 또는 전류의 측정을 위해 적용되는 자기저항소자 통합 센서.
  15. 전력 발전기의 전압 또는 전류 측정 진단 시스템으로서,
    제3항에 따라 또는 제3항과 제5항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따라 전류를 측정하거나 전류를 통해 전압을 측정하고, 동일한 스트립(100)에 통합되는, 다수의 통합된 거대 자기저항소자 센서들(111-118)을 포함하는 하이브리드 측정 모듈,
    상기 다수의 센서들(111-118)에 의해 신호들을 수신하는 다수의 증폭기들(201-208)을 포함하는 증폭 모듈(200),
    다중화 모듈(300),
    접속 디바이스(401, 402), 및
    별도의 디지털 처리 모듈(400)
    을 최소한 포함하는 진단 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 상기 하이브리드 측정 모듈은, 센서들의 상기 스트립(100)과 상기 증폭 모듈(200)을 포함하는 제1 인쇄 회로, 및 상기 다중화 모듈(300)을 포함하는 제2 인쇄 회로를 포함하며,
    상기 인쇄 회로 섹션들 상에 신호 교환 경로들이 형성되고,
    상기 제1 및 제2 인쇄 회로들은, 상기 인쇄 회로 섹션들 상에 형성된 상기 신호 교환 경로들에 접속되고, 상기 연락 디바이스(401, 402)에 접속된 입-출력 접속 터미널들과 조립(assembled), 성형(molded), 및 캡슐화(encapsulated)되는 진단 시스템.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 처리 모듈(400)은, 적어도 하나의 처리 유닛(405), 아날로그 입력들과 아날로그-디지털 컨버터들(403), 양자택일 유형의 TOR 입력들-출력들(404), 및 상기 하이브리드 측정 모듈과 상기 처리 모듈(400) 사이의 모든 연락들을 제공하는 인쇄 회로를 포함하는 진단 시스템.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 전압 또는 전류를 측정하기 위한 각각의 통합된 거대 자기저항소자 센서는, 상기 전압 또는 전류가 측정될 발전기의 개개의 전지에 접속하기 위한 제1 및 제2 터미널들(1, 2) 및 금속 측정 라인(4, 5)을 포함하고,
    상기 라인은, 전류가 반대 방향으로 흐르고, 상기 측정 라인을 닫는 것을 목표로 한 섹션(3)에 접속된, 제1 및 제2 가늘고 긴 평행한 섹션들(4, 5)을 포함하며,
    상기 금속 측정 라인 유닛(3, 4, 5)은, 적어도 하나의 Vdc 전압 분극 콘택트(42), 하나의 그라운드 콘택트(41) 및 차동 출력 전압의 음극(Vin-)과 양극(Vin+) 콘택트들(43, 44)로의 연락 경로들 및 거대 자기저항소자들의 브리지(30)를 포함하는 통합 회로 섹션 상에 배열되는, 갈바니 절연층(8) 상에 배열되고,
    상기 거대 자기저항소자들(31, 32, 33, 34)은 상기 금속 측정 라인의 가늘고 긴 섹션들(4, 5) 중 하나에 기본적으로 중첩되는 자기저항소자의 민감한 섹션을 형성하는 C형의 중앙의 길이방향의 브랜치를 갖는 진단 시스템.
  19. 제15항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서, 전력 발전기 전지 각각의 측정 포인트와 상기 센서 스트립(100)에 대응하는 상기 입력 터미널 사이에 배열된 저항기(121-128)를 또한 포함하는 진단 시스템.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 스트립(100)은 전압 또는 전류를 측정하기 위한 8개의 통합된 거대 자기저항소자 센서들(111-118)을 포함하고, 상기 증폭 모듈(200)은 8개의 증폭기들(201-208)을 또한 포함하며, 상기 다중화 모듈(300)은 3개의 선택 신호들(S1, S2, S3)에 의해 활성화된 7개의 기본 다중화 전지들(elementary multiplexing cells)의 적어도 3개의 단계들(stages)을 포함하는 진단 시스템.
  21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 초기 오프셋 보상 회로는 각각의 증폭기(201-208)와 관련되는 진단 시스템.
  22. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 플로팅 그라운드를 결정하는 분극 포인트의 보상 회로(63)는 각각의 증폭기(201-208)와 관련되는 진단 시스템.
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