專(zhuān)利名稱(chēng):用于測(cè)量帶電粒子電流的傳感器和方法
本發(fā)明涉及一種傳感器，其用于測(cè)量帶電粒子電流所感生的磁場(chǎng)。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種使用該有創(chuàng)造性的傳感器測(cè)量帶電粒子電流的方法。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種保護(hù)開(kāi)關(guān)裝置，其中采用了該有創(chuàng)造性的傳感器及方法。
一束帶電粒子在該粒子束外部感生一個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)可以由用于測(cè)量磁場(chǎng)的電流傳感器來(lái)測(cè)量。通過(guò)使用磁傳感器來(lái)測(cè)量這個(gè)磁場(chǎng)，能夠以“非侵入”方式來(lái)確定電流，所述傳感器例如是在Tech.Pub1.268，Philips Electronic Components and Materials上發(fā)表的題為“The magneto resistive sensor”的文章中所獲知的基于霍耳效應(yīng)的傳感器或基于隧道磁致電阻(TMR)的傳感器或基于各向異性磁致電阻(AMR)效應(yīng)的傳感器，或者是參見(jiàn)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所著且發(fā)表于Sensors & Actuators A85，1(2000)的文章“Robust giant magneto resistance sensors”中的基于巨磁致電阻效應(yīng)(GMR)的傳感器。
見(jiàn)
圖1，假定電流為圓形截面，則磁場(chǎng)的大小H作為距電流I中心距離的函數(shù)由以下公式給出H=I2πr---(1)]]>可以由其僅在導(dǎo)體周?chē)汇Q位以測(cè)量的電流鉗位來(lái)實(shí)施該傳感器，或者可以將該傳感器包含在也包括載流導(dǎo)體的芯片中。例如，從US5621377中獲知的電流-傳感器芯片，其中導(dǎo)體頂部的AMR元件用于以“無(wú)觸點(diǎn)”方式來(lái)測(cè)量這個(gè)導(dǎo)體中的電流。
所有當(dāng)前的電流傳感器的局限是對(duì)外部干擾場(chǎng)的敏感性。大部分這些傳感器依賴(lài)于僅在載流導(dǎo)體外部一點(diǎn)處的磁場(chǎng)測(cè)量。只有當(dāng)傳感器和電流之間的距離恰好已知且沒(méi)有干擾磁場(chǎng)時(shí)，才能做出電流幅值的正確確定。然而，實(shí)際上總是會(huì)出現(xiàn)其它磁場(chǎng)的，比如地磁場(chǎng)。
電流鉗位借助于軟磁軛在某條線(xiàn)上真正地“平均”磁場(chǎng)，但是經(jīng)過(guò)傳感器置于其中的無(wú)磁間隙而進(jìn)入的靜止干擾場(chǎng)(stilldisturbing fields)通常會(huì)限制該性能。此外，電流鉗位幾何圖(current-clamp geometry)對(duì)磁致電阻傳感器比對(duì)霍爾傳感器具有較少的有利性，因?yàn)楹笳邔?duì)正交磁場(chǎng)敏感；然而，霍爾傳感器的敏感性更低。
人們?cè)囍ㄟ^(guò)在導(dǎo)體外部的幾個(gè)位置使用多個(gè)霍爾傳感器測(cè)量磁場(chǎng)來(lái)減輕這個(gè)問(wèn)題，參見(jiàn)V.V.Serkov所寫(xiě)且發(fā)表于1991年P(guān)ribory iTekhnika
5第169-171頁(yè)的“Contactless dcammeters”。然而，這個(gè)結(jié)構(gòu)及所需的電子設(shè)備復(fù)雜又昂貴，并且電流測(cè)量實(shí)質(zhì)上仍然沒(méi)有校正，因?yàn)槔碚撋先藗儽仨氂?jì)算下述環(huán)路積分 此外，即使對(duì)這種裝置有著強(qiáng)烈的需求和巨大的潛在市場(chǎng)，上述問(wèn)題迄今為止仍阻礙著其適用于例如干發(fā)器這樣的消費(fèi)電子產(chǎn)品中的“剩余電流開(kāi)關(guān)”的實(shí)現(xiàn)。由于是在外殼中使用的剩余電流開(kāi)關(guān)的情況，因而這種裝置中的傳感器應(yīng)該能在具有直到16A幅值的電流上檢測(cè)出2或10mA的差異，并且應(yīng)該不包含體積很大的部分。
因此，本發(fā)明為其目的而提出一種傳感器及一種方法，其用于更準(zhǔn)確地測(cè)量帶電粒子電流且在本質(zhì)上對(duì)外部干擾磁場(chǎng)不敏感。
為了達(dá)到所述目的，根據(jù)本發(fā)明的用于測(cè)量由帶電粒子電流所感生磁場(chǎng)的傳感器包括至少一個(gè)磁致電阻傳感器元件，其用于密閉由帶電粒子電流所感生的磁場(chǎng)，所述磁致電阻傳感器元件在使用期間被垂直于電流設(shè)置。
為了精確地確定電流，人們必須沿著圍繞帶電粒子電流的路徑來(lái)計(jì)算上述積分方程(2)。然而這實(shí)際上不可能由大多數(shù)的傳感器類(lèi)型來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了這個(gè)目的，可以利用磁致電阻傳感器(TMR、AMR或GMR)的獨(dú)有特性。利用傳感器元件的適當(dāng)結(jié)構(gòu)，磁場(chǎng)被“自動(dòng)地”沿著所述傳感器積分。所述帶電粒子電流可以例如是電子、空穴(hole)或離子電流。
例如是帶狀的這種磁致電阻元件的電阻R由以下公式給出R＝∫ρdl＝∫(ρ0+Δρ)dl＝R0+∫Δρdl (3)由于方程Δρdl∝H→·dl→=Ienclosed;---(4)]]>成立，所以可以基于方程(2)的基本原理來(lái)實(shí)現(xiàn)電流傳感器。因?yàn)樵诒景l(fā)明的傳感器中可以確定沿著閉環(huán)的上述積分，從而獲得了對(duì)干擾的外部磁場(chǎng)的不敏感性。至少只要所述傳感器垂直于帶電粒子電流平面，那么磁致電阻效應(yīng)固有的方向靈敏度自動(dòng)地產(chǎn)生所需的內(nèi)積(inproduct)。外部磁場(chǎng)根本不會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響，此外，路徑的形狀和環(huán)路內(nèi)帶電粒子電流的位置并不重要。根據(jù)本發(fā)明的傳感器的附加優(yōu)點(diǎn)在于，由于在傳感器中嵌入了積分，可以簡(jiǎn)化附加電子電路。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，磁致電阻傳感器元件為圓形。這個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)為圓形的圓周輪廓分明，其使得容易沿環(huán)路積分。此外，這種圓形的制造相對(duì)容易。
因此，所述磁致電阻傳感器元件優(yōu)選的是在柔性襯底上構(gòu)造。這個(gè)特征使得能夠在帶電粒子電流的周?chē)鼑胖码娮鑲鞲衅髟员銣y(cè)量磁場(chǎng)。帶電粒子可以是電子，其例如是在導(dǎo)體中流動(dòng)。如果磁致電阻元件封閉所述導(dǎo)體的磁場(chǎng)，那么外部磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果根本不會(huì)有影響。此外，路徑的形狀和磁致電阻傳感器元件環(huán)內(nèi)的導(dǎo)體或多個(gè)導(dǎo)體的位置并不重要。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，磁致電阻傳感器元件是帶狀。這種帶狀磁致電阻材料的電阻輪廓分明，特定電阻為ρ。根據(jù)方程(3)和(4)可以確定帶電粒子的電流。通常采用多層結(jié)構(gòu)的材料。
一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于可以采用薄膜技術(shù)制造所述傳感器。這個(gè)有益的特征使得能夠生產(chǎn)可用于家庭應(yīng)用的很小很輕的元件。
優(yōu)選的是，所述磁致電阻傳感器元件具有線(xiàn)性的電阻-磁場(chǎng)R(H)特性曲線(xiàn)。這使得能夠精確地確定電流的磁場(chǎng)。
為了補(bǔ)償溫度影響，優(yōu)選的是在惠斯通電橋結(jié)構(gòu)(Wheatstonebridge construction)中設(shè)置所述傳感器元件。所述惠斯通電橋電路使磁場(chǎng)的溫度補(bǔ)償測(cè)量成為可能。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在柔性襯底的一側(cè)給出惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)磁致電阻傳感器元件，而在柔性襯底的另一側(cè)給出另兩個(gè)磁致電阻傳感器元件。所述兩個(gè)磁致電阻元件通常為帶狀且彼此平行地設(shè)置。
在淀積多層結(jié)構(gòu)期間或之后，可以通過(guò)施加磁場(chǎng)而設(shè)置多層結(jié)構(gòu)中的釘扎層(pinned layer)的磁化方向。柔性襯底一側(cè)上的兩個(gè)磁致電阻元件獲得相同的磁化方向。接著翻轉(zhuǎn)柔性襯底，在柔性襯底另一側(cè)上淀積相同的多層，獲得相反的磁化方向。
惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的一對(duì)兩個(gè)磁致電阻傳感器元件優(yōu)選的是被堆疊在另一對(duì)磁致電阻傳感器元件頂部，在這兩對(duì)之間給出一層絕緣材料并且給出一個(gè)用于攜帶帶電粒子電流的導(dǎo)體。所述傳感器以薄膜技術(shù)制造且因此非常適于集成在IC上。由于電流傳感器可以非常準(zhǔn)確地測(cè)量小電流，因此，所述傳感器在例如磁存儲(chǔ)器中非常有用，比如用于準(zhǔn)確地測(cè)量讀或?qū)戨娏鳌?br>為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，一種采用上述傳感器測(cè)量帶電粒子電流的方法，包括如下步驟-確定根據(jù)本發(fā)明的傳感器中的電阻變化，其由帶電粒子電流感生的磁場(chǎng)而引起，-將電阻變化與電阻-磁場(chǎng)的傳感器參考特性相比較，并確定磁場(chǎng)的大小，-根據(jù)磁場(chǎng)大小計(jì)算電流大小。
根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一個(gè)附加優(yōu)點(diǎn)在于，由于在傳感器中嵌入積分，簡(jiǎn)化了所述電子電路。磁致電阻傳感器元件的已知R(H)曲線(xiàn)可用作比較器電路中的參考。線(xiàn)性R(H)曲線(xiàn)允許根據(jù)電阻變化精確確定磁場(chǎng)值。如果所述磁致電阻傳感器元件被設(shè)置在惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中，并且所述磁致電阻傳感器元件以帶狀形式呈圓形，那么根據(jù)H值和磁致電阻傳感器元件圓周的乘積得出帶電粒子的密閉電流。
為了準(zhǔn)確地測(cè)量剩余電流，可以采用具有在惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中兩對(duì)磁致電阻元件之間的導(dǎo)體的傳感器。一個(gè)電流通過(guò)第一導(dǎo)體發(fā)送，一個(gè)反號(hào)電流通過(guò)與第一導(dǎo)體平行設(shè)置的第二導(dǎo)體發(fā)送。這種原理在剩余電流開(kāi)關(guān)中很有用。
為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，一種用于通過(guò)在電氣裝置故障的情況下切斷對(duì)電氣裝置的電源電流來(lái)保護(hù)電氣裝置的用戶(hù)的保護(hù)開(kāi)關(guān)，包括上述傳感器，且進(jìn)一步包括-比較器電路，將電流傳感器的輸出電流或電壓與參考電流或電壓分別比較，以及-繼電器裝置，依據(jù)比較器電路的輸出電流或電壓切換電源電流。
因?yàn)楸Ｗo(hù)開(kāi)關(guān)裝置小而輕且沒(méi)有體積很大的元件，其適于集成在例如干發(fā)機(jī)這樣的家庭應(yīng)用中。
可以將比較電路的輸出信號(hào)連接到繼電器，所述繼電器在導(dǎo)體中流動(dòng)的電流之間所確定的差值太大時(shí)，打開(kāi)至少一個(gè)開(kāi)關(guān)及停止電流。
利用說(shuō)明書(shū)所附的并且構(gòu)成說(shuō)明書(shū)一部分的權(quán)利要求
中的特性，指出了體現(xiàn)本發(fā)明特征的這些及多種其他的優(yōu)點(diǎn)和新穎性特征。然而，為了更好地理解本發(fā)明、它的優(yōu)點(diǎn)以及通過(guò)它的使用而達(dá)到的目的，應(yīng)當(dāng)參考形成說(shuō)明書(shū)另外一部分的附圖，并且應(yīng)當(dāng)參考其中說(shuō)明和描述了本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的補(bǔ)充描述資料。
圖1示出了圍繞電流的磁場(chǎng)；圖2a示出了構(gòu)造于柔性襯底上的帶狀傳感器元件的側(cè)視圖；圖2b示出了沿圖2a中線(xiàn)II-II方向的帶狀傳感器元件的橫截面圖；圖3示出了以惠斯通電橋結(jié)構(gòu)連接的磁致電阻傳感器元件的等效電路圖；圖4示出了以惠斯通電橋結(jié)構(gòu)連接的磁致電阻傳感器元件的輸出特性曲線(xiàn)；圖5示出了測(cè)量一個(gè)導(dǎo)體磁場(chǎng)的磁致電阻傳感器元件的薄膜實(shí)施例；圖6示出了測(cè)量具有相反電流方向的兩個(gè)導(dǎo)體的磁場(chǎng)的磁致電阻傳感器元件的薄膜實(shí)施例；以及圖7示出了用于保護(hù)電氣裝置用戶(hù)的保護(hù)開(kāi)關(guān)裝置的框圖。
圖1示出了電流I的磁場(chǎng)。當(dāng)距導(dǎo)體中流動(dòng)的電流I的距離r增大時(shí)，磁場(chǎng)H的幅值減小。圖1中箭頭的長(zhǎng)度表征了磁場(chǎng)H的幅值。磁場(chǎng)越強(qiáng)，箭頭越長(zhǎng)。所畫(huà)出的圓示出了磁場(chǎng)H的等幅線(xiàn)。通過(guò)測(cè)量磁場(chǎng)H，可以確定導(dǎo)體中流動(dòng)的電流I。磁場(chǎng)H通過(guò)方程1與電流I及距離r相關(guān)聯(lián)。
圖2a示出了磁致電阻傳感器1的側(cè)視圖，圖2b示出了沿圖2a中線(xiàn)II-II方向的磁致電阻傳感器1的橫截面圖。在這個(gè)實(shí)施例中，傳感器包括四個(gè)磁致電阻元件(2、12、6、16)。圖2a的側(cè)視圖示出了帶電粒子電流3流經(jīng)其中的導(dǎo)體10。在比如箔片這樣的絕緣柔性襯底4上裝備有兩個(gè)磁致電阻傳感器元件2和12。所述磁致電阻傳感器元件2、12是同時(shí)構(gòu)造的，例如在同一個(gè)濺鍍(sputter deposition)過(guò)程期間。磁致電阻傳感器元件2和12的磁化方向5相同。磁致電阻傳感器元件2、12由比如是二氧化硅這樣的電氣絕緣材料彼此絕緣，且使其被覆蓋上一個(gè)保護(hù)層。
當(dāng)以惠斯頓電橋電路結(jié)構(gòu)連接了四個(gè)磁致電阻傳感器元件時(shí)，畫(huà)在磁致電阻傳感器元件2和12上的箭頭顯示偏置方向?；菟雇姌螂娐窂臏囟扔绊懼醒a(bǔ)償測(cè)量。圖2a中的箭頭示出了設(shè)置在另兩個(gè)磁致電阻傳感器元件6和16頂部的磁致電阻傳感器元件2和12的偏置方向。應(yīng)當(dāng)注意的是磁致電阻傳感器元件2、12的偏置方向與磁致電阻傳感器元件6、16的相反。
在圖2b的橫截面圖中，絕緣柔性襯底4的頂部存在磁致電阻傳感器元件2。在所述柔性襯底4的另一側(cè)存在帶狀傳感器元件6。在深度方向上，存在磁致電阻傳感器元件12、16。導(dǎo)體10位于橫截面圖的中心。導(dǎo)體10中流動(dòng)的電流I產(chǎn)生磁場(chǎng)8。為了表明該原理僅畫(huà)出了磁場(chǎng)8的一條磁力線(xiàn)。磁場(chǎng)8由磁致電阻傳感器元件2、6、12、16來(lái)測(cè)量。在這個(gè)實(shí)施例中磁致電阻傳感器呈圓形，但是所述傳感器的形狀不限于此，其可以例如是正方形或長(zhǎng)方形。
帶狀傳感器元件2、6、12、16包括GMR多層，例如沿著帶方向具有其交換偏置方向的交換偏置自旋閥?；贕MR效應(yīng)的自旋閥結(jié)構(gòu)可以按如下方法制造在絕緣襯底4上淀積多層結(jié)構(gòu)，其具有3.5nmTa/2.0nmPy的緩沖層以感生正確(111)的質(zhì)地(the right texture)，-具有磁化軸5的磁性層是釘扎層，包括10nmIr19Mn81的交換偏置層和3.5nmCo90Fe10/0.8nmRu/3.0nmCo90Fe10的人造反鐵磁體，-3nmCu的非磁性襯墊層，以及-5.0nmPy的鐵磁性層自由層(具有在下面的例如是1.0nmCo90Fe10的薄層，其增強(qiáng)GMR效應(yīng)且降低層間擴(kuò)散(interlayerdiffusion)，通過(guò)該層間擴(kuò)散提高了熱穩(wěn)定性)。10nmTa的保護(hù)層淀積在所述多層的頂部。
替換地，磁致電阻元件可以是磁道結(jié)點(diǎn)(magnetic tunneljunction)，包括以下的多層結(jié)構(gòu)3.5nmTa/2.0nmNiFe的緩沖層，交換偏置層和為磁性層的釘扎層(AAF)15.0nmIrMn/4.0nmCoFe/0.8nmRu/4.0nmCoFe，2.0nmAl2O3的非磁性襯墊層，以及例如是6.0nmCoFe的第二鐵磁性層自由層。
在磁場(chǎng)中的濺鍍期間，施加GMR多層釘扎層的磁化方向。在彼此進(jìn)行不同的濺鍍過(guò)程之后，構(gòu)造磁致電阻傳感器元件2、12和6、16。磁致電阻傳感器元件2、12和6、16的磁化方向5彼此相反。圖2b中的箭頭指示了絕緣柔性襯底4兩側(cè)上的傳感器元件2和6中釘扎層的磁化方向5。
為了精確地確定電流，必須沿著圍繞電流導(dǎo)體10的路徑8來(lái)計(jì)算上述積分方程(2)。如果這可以獲得，那么外部磁場(chǎng)對(duì)測(cè)量結(jié)果根本不會(huì)有影響，此外路徑的形狀和環(huán)路中導(dǎo)體的位置并不重要。
為了這個(gè)目的，可以利用磁致電阻傳感器(TMR、AMR或GMR)獨(dú)有的特性如果選定了適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，則“自動(dòng)地”沿著傳感器積分磁場(chǎng)。
這種磁致電阻帶的電阻R由以下方程給定R＝∫ρdl＝∫(ρ0+Δρ)dl＝R0+∫Δρdl (3)由于方程Δρdl∝H→·dl→=Ienclosed;---(4)]]>成立，所以基于方程(2)的基本原理可以實(shí)現(xiàn)電流探測(cè)。由于在本發(fā)明的實(shí)施例中可以確定這個(gè)沿著閉環(huán)的積分，因而提供了對(duì)干擾的外部磁場(chǎng)的不敏感性。由于所述積分是嵌入在傳感器中的，所以能夠簡(jiǎn)化電子設(shè)備。至少只要傳感器垂直于導(dǎo)體截面的平面，那么磁致電阻效應(yīng)中固有的方向靈敏度會(huì)自動(dòng)地產(chǎn)生所需要的內(nèi)積。此外，此時(shí)所有元件都是連續(xù)的，也就是說(shuō)在傳感器各部分之間除用于電接觸的小間隙外沒(méi)有空隙。
圖3示出了以惠斯通測(cè)量電橋結(jié)構(gòu)連接的磁致電阻傳感器元件的等效電路圖。所述測(cè)量電橋包括四個(gè)磁致電阻傳感器元件2、12、6、16。兩個(gè)磁致電阻傳感器元件6和12連接到電橋的第一端子20。第一端子20是傳感電流Isense的輸入端子。磁致電阻傳感器元件12連接到電橋的第二或測(cè)量端子24。磁致電阻傳感器元件6連接到第三或測(cè)量端子26。磁致電阻傳感器元件2和16連接到其中存在輸出電流的電橋第四或輸出端子22。另一側(cè)是磁致電阻傳感器元件2，其連接到其中存在測(cè)量電壓的測(cè)量端子26。磁致電阻元件16連接到測(cè)量端子24。
在端子24和26之間測(cè)量電壓，以便確定表征所測(cè)量磁場(chǎng)H的電壓值?；菟雇y(cè)量電橋的優(yōu)點(diǎn)在于它補(bǔ)償了溫度對(duì)測(cè)量值的影響。對(duì)于磁場(chǎng)傳感器，常常希望消除溫度變化的影響，以及通過(guò)利用惠斯通測(cè)量電橋結(jié)構(gòu)而實(shí)現(xiàn)雙向輸出。兩個(gè)電橋分支中的磁致電阻傳感器元件與另外兩個(gè)元件相比應(yīng)該對(duì)磁場(chǎng)具有相反的響應(yīng)，如圖3中箭頭的方向所示。箭頭表明了磁致電阻傳感器元件磁偏方向的方向。在AMR元件的情況下，可以通過(guò)在兩對(duì)磁致電阻傳感器元件上將磁偏方向置于-45°和+45°而實(shí)現(xiàn)所述相反的響應(yīng)。
圖4示出了圖2的實(shí)施例中GMR惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的輸出電壓。在偏置電壓為5V(相當(dāng)于傳感電流為2.5mA以及電橋電阻為2kOhm)處，對(duì)于20-200℃之間的一個(gè)大溫度范圍上的小磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，傳感器具有線(xiàn)性輸出曲線(xiàn)。小磁場(chǎng)可以被精確地測(cè)量。GMR效應(yīng)是6％，具有一個(gè)小磁滯及一個(gè)0.7μV/K的非常小的偏移電壓漂移。
從惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中的磁致電阻傳感器元件的線(xiàn)性輸出特性曲線(xiàn)中，可以確定磁場(chǎng)的值。
對(duì)于圓形磁致電阻傳感器元件，所密閉的電流從磁場(chǎng)值乘以2πr得出。
圖5示出了測(cè)量一個(gè)導(dǎo)體磁場(chǎng)的磁致電阻傳感器元件的薄膜實(shí)施例。傳感器元件2、12和6、16在彼此頂部堆疊。僅示出了兩個(gè)傳感器元件2，6。傳感器元件2、12通過(guò)電絕緣材料7與傳感器元件6、16分隔。對(duì)于消費(fèi)電子產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，可能希望具有薄膜裝置。在這種情況下，不能以一種實(shí)用的方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)體的連續(xù)環(huán)繞，但是可以通過(guò)使用兩個(gè)磁致電阻元件而很好地接近。
圖5的實(shí)施例包括惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中的四個(gè)磁致電阻傳感器元件2、12和6、16，非磁性導(dǎo)線(xiàn)15，載流導(dǎo)體10及絕緣材料7。半橋結(jié)構(gòu)的磁致電阻傳感器元件2、6串聯(lián)連接。磁致電阻傳感器元件2和6具有相反的偏置方向，且借助于例如像金屬Al或Cu這樣的非磁性導(dǎo)線(xiàn)15串聯(lián)電氣連接。如果磁致電阻傳感器元件2和6的長(zhǎng)度顯然長(zhǎng)于它們之間的距離，并且如果邊緣相對(duì)遠(yuǎn)離于導(dǎo)體10，那么磁致電阻傳感器元件2和6的串聯(lián)電阻將是對(duì)經(jīng)過(guò)導(dǎo)體的電流的很好的測(cè)量。如果希望，可以向所述元件添加特定形狀的末端，以便降低非磁致電阻間隙。
圖6示出了所述傳感器的薄膜實(shí)施例，該傳感器用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)具有相反電流方向的導(dǎo)體10、11的磁場(chǎng)。圖5的實(shí)施例包括惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中的四個(gè)磁致電阻傳感器元件2、12和6、16，非磁性導(dǎo)線(xiàn)15，具有相反電流方向的兩個(gè)載流導(dǎo)體10和11以及絕緣材料7。半橋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)磁致電阻傳感器元件2和6通過(guò)非磁性導(dǎo)線(xiàn)15串聯(lián)連接。圖6的實(shí)施例與圖5的實(shí)施例之間的區(qū)別在于，圖6的實(shí)施例測(cè)量了兩個(gè)載流導(dǎo)體10和11的兩個(gè)磁場(chǎng)的區(qū)別。圖6實(shí)施例的高靈敏度使其非常適合于應(yīng)用在剩余電流開(kāi)關(guān)中。如果具有相反方向的兩個(gè)電流都由傳感器環(huán)路封閉，則它們的伴隨磁場(chǎng)之和自動(dòng)地導(dǎo)致對(duì)所述兩個(gè)電流之間的區(qū)別的測(cè)量。這也有助于避免磁致電阻實(shí)施例的飽和。如果兩個(gè)電流大小相等，方向相反，則傳感器輸出為零；如果出現(xiàn)差異，則產(chǎn)生一個(gè)非零輸出。與電感傳感器相比，磁致電阻傳感器元件也可以用于dc電流。
圖7示出了用于保護(hù)電氣裝置用戶(hù)的保護(hù)開(kāi)關(guān)裝置30的框圖。所述框圖包括用于電力供應(yīng)的兩個(gè)端于34和35。端子34由開(kāi)關(guān)36切換。端子35由開(kāi)關(guān)37切換。兩個(gè)開(kāi)關(guān)36和37由繼電器33并行切換。所述兩個(gè)開(kāi)關(guān)36和37在另一側(cè)連接到例如電動(dòng)機(jī)這樣的負(fù)載31上。
傳感器1測(cè)量流入和流出負(fù)載的兩個(gè)電流的差異。兩個(gè)端子20和22為傳感器1提供一個(gè)小傳感電流。所述傳感電流是傳感器1需要用于測(cè)量其電阻的輸入電流。由兩個(gè)端子24和26所提供的傳感器1的輸出信號(hào)流入比較器電路32。比較器電路32將磁致電阻電流傳感器1的輸出與由端子38提供的閾值相比較。在故障情況下，電流傳感器1確定兩個(gè)電流之間的差并且提供輸出信號(hào)到比較器電路32。比較器電路32將所述輸出與一個(gè)參考值38相比較。在故障情況下，比較器電路32提供輸出信號(hào)到繼電器33以便打開(kāi)兩個(gè)開(kāi)關(guān)36和37。保護(hù)開(kāi)關(guān)裝置的框圖可以應(yīng)用在比如是干發(fā)器中或應(yīng)用在用于檢測(cè)汽車(chē)前燈通電狀態(tài)的電路中，其中缺少的電流(missing current flow)指示前燈損壞。
本發(fā)明上述實(shí)施例的電流傳感器適用于許多不同的環(huán)境中，例如，用于測(cè)量單個(gè)導(dǎo)體、電纜、集成電路中導(dǎo)體通路及由一束如電子或離子這樣的帶電粒子所產(chǎn)生的電流的磁場(chǎng)。集成電路中導(dǎo)體通路的磁場(chǎng)測(cè)量可以集成在片上(on-chip)測(cè)試技術(shù)中以用于測(cè)試?yán)珉娏鹘佑|。
在上述說(shuō)明書(shū)中已經(jīng)闡明了由這篇文件所覆蓋的本發(fā)明的新特征和優(yōu)點(diǎn)。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，在許多方面這種揭示僅是說(shuō)明性的。在不超出本發(fā)明范圍的情況下，關(guān)于細(xì)節(jié)尤其是形狀、尺寸、部件設(shè)置等可以做出改變。當(dāng)然，本發(fā)明的范圍定義在所附權(quán)利要求
表達(dá)的文字中。
權(quán)利要求
1.一種用于測(cè)量由帶電粒子電流所感生的磁場(chǎng)的傳感器，包括至少一個(gè)磁致電阻傳感器元件，用于封閉由帶電粒子電流所感生的磁場(chǎng)，在使用期間，所述磁致電阻傳感器元件垂直于電流設(shè)置。
2.如權(quán)利要求
1中所述的傳感器，其中所述磁致電阻傳感器元件呈圓形。
3.如權(quán)利要求
1或2中所述的傳感器，其中所述磁致電阻傳感器元件存在于柔性襯底上。
4.如權(quán)利要求
1、2或3中所述的傳感器，其中所述磁致電阻傳感器元件是帶狀的。
5.如權(quán)利要求
1中所述的傳感器，其中所述磁致電阻傳感器元件具有線(xiàn)性R(H)特性曲線(xiàn)。
6.如權(quán)利要求
1到5中任一個(gè)所述的傳感器，其中磁致電阻傳感器元件設(shè)置在惠斯通電橋結(jié)構(gòu)中。
7.如權(quán)利要求
6中所述的傳感器，其中惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的兩個(gè)磁致電阻傳感器元件存在于所述柔性襯底的一側(cè)上，以及另兩個(gè)磁致電阻傳感器元件存在于所述柔性襯底的另一側(cè)上。
8.如權(quán)利要求
7中所述的傳感器，其中所述柔性襯底一側(cè)上的兩個(gè)磁致電阻元件具有相同的磁化方向。
9.如權(quán)利要求
6中所述的傳感器，其中惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的一對(duì)兩個(gè)磁致電阻傳感器元件堆疊在另一對(duì)磁致電阻傳感器元件的頂部，以及所述兩對(duì)之間存在絕緣材料和用于攜帶帶電粒子電流的導(dǎo)體。
10.采用如權(quán)利要求
1到9中任一個(gè)所述的傳感器來(lái)測(cè)量帶電粒子電流的方法，包括如下步驟-在根據(jù)本發(fā)明的傳感器中確定由帶電粒子電流所感生磁場(chǎng)引起的電阻的變化，-將所述電阻的變化與電阻-磁場(chǎng)的傳感器的參考特性曲線(xiàn)相比較，并且確定所述磁場(chǎng)的大小，-根據(jù)磁場(chǎng)的大小計(jì)算電流的大小。
11.如權(quán)利要求
10中所述的方法，采用根據(jù)權(quán)利要求
9的傳感器，其中電流經(jīng)第一導(dǎo)體發(fā)送，以及具有反號(hào)的電流經(jīng)與第一導(dǎo)體平行設(shè)置的第二導(dǎo)體發(fā)送，以測(cè)量剩余電流。
12.一種通過(guò)在電氣裝置故障的情況下切斷電氣裝置的供電電流來(lái)保護(hù)電氣裝置用戶(hù)的保護(hù)開(kāi)關(guān)裝置，包括如權(quán)利要求
1到9中任一個(gè)所述的傳感器，并且進(jìn)一步包括-比較器電路，將電流傳感器的輸出電流或電壓分別與參考電流或電壓相比較，以及-繼電器裝置，依據(jù)比較器電路的輸出電流或電壓切換供電電流。
專(zhuān)利摘要
公開(kāi)了一種用于測(cè)量由帶電粒子電流(3)所感生磁場(chǎng)(8)的電流傳感器(1)，其具有至少一個(gè)用于密閉由帶電粒子電流所感生的磁場(chǎng)的磁致電阻傳感器元件(2；6；12；16)，在使用期間磁致電阻傳感器元件垂直于電流(3)設(shè)置。同時(shí)公開(kāi)了一種采用所述電流傳感器(1)來(lái)準(zhǔn)確地確定帶電粒子電流的方法。進(jìn)一步公開(kāi)了一種保護(hù)開(kāi)關(guān)裝置(30)，用于通過(guò)在電氣裝置故障情況下切斷電氣裝置的供電電流來(lái)保護(hù)電氣裝置(31)的用戶(hù)，其包括上述電流傳感器(1)。
文檔編號(hào)G21K5/04GKCN1659444SQ03813011
公開(kāi)日2005年8月24日 申請(qǐng)日期2003年5月21日
發(fā)明者K－M·H·倫斯森 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan