電流檢測裝置和電流檢測方法
2023-06-20 09:53:56 2
專利名稱：電流檢測裝置和電流檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種根據權利要求1前序部分所述的電流檢測裝置，其具有
用作電流傳感器的磁場傳感器，所述磁場傳感器特定而言建構為GMR傳感 器。此外，本發明還涉及一種相應的電流檢測方法。
背景技術：
電流檢測裝置或電流傳感器是眾所周知的技術。就這方面舉例而言，已 知的交流電檢測方法是通過電感式電流互感器而實現，即所謂的霍爾傳感 器，在電流較大的情況下，則藉助所謂的羅氏線圈而實現。對直流電的隔離
檢測則複雜得多。目前，這方面主要採用下列方法結合差分放大器、電氣
隔離(例如通過光電耦合器而實現)和浮動電源對分流電阻加以利用。替代 方法則建立在對帶有通量集中器的霍爾電流測量系統的使用這一基礎上，或
建立在傳統的AMR/GMR場傳感器基礎上。
進行分流測量時，很難在測量點與通電線路(即相應測量電路中的相應 電流路徑)的電位之間建立電連接。這需要使用既具有隔離電源、又具有用 於傳輸測量值的隔離信號路徑的電子分析設備。此外，分流電阻直接位於電 流路徑內，這會帶來電路技術問題，從而至少產生一定的功耗。用磁場傳感 器進行電流檢測具有無反作用這一優點，也就是說，測量電流時無需在電流 路徑內插入分流器式的串聯電阻。這樣就無需再將線路斷開，不會產生功耗， 線路阻抗也不會發生變化。此外，通過使用磁場傳感器還可產生用變壓器進 行電氣隔離時所產生的優點。
但用磁場傳感器進行磁場測量的問題在於這些磁場傳感器對外場和幹擾場較為靈敏。這種效應須通過相應的屏蔽措施或場集中器來加以處理。其 中，場傳感器須儘可能靠近通電線路(例如印製導線或諸如此類的通電線路) 布置，因為通電線路的磁場強度會隨著距離的增大而大幅減小。此外，在待 測量電流的動態範圍較大的情況下，不是電流傳感器的特性曲線會隨其非線 性發生變化，就是需要大幅減小靈敏度，在此情況下，當測量電流較小時， 就須對噪聲極大的信號進行分析。
發明內容
相應地，本發明的目的是提供一種電流測量裝置和一種相應的方法，借 助於這二者可避免上述缺點或至少減小上述缺點所帶來的影響。
就裝置而言，本發明的這個目的通過權利要求1的特徵而達成。據此， 在用於檢測至少一個電變量(特定而言為電路中的電流)的裝置中，設置有
一個用作電流傳感器的MR傳感器，所述MR傳感器特定而言實施為GMR 傳感器、AMR傳感器或TMR傳感器(以下通稱為GMR傳感器)，所述GMR
傳感器包括一個補償電路的一個導體段。
上述目的還通過一種具有權利要求8所述特徵的相應方法而達成。據此， 通過上述類型的裝置來檢測電路中至少一個電變量的方法是，對GMR傳感 器所提供的信號進行分析，以便藉助放大器將補償電流輸入補償電路，其中， 一旦所述GMR傳感器的信號至少基本消失，就對所述補償電流進行分析， 以其為尺度來度量所述待檢測電變量，即例如相應測量電路中的電流。
本發明所基於的認識是，通過對補償電流加以利用，可以避免上述動態 範圍問題。為此，以某一方式布置電感器，使其可以產生一個在電流傳感器 所處的位置上與待測量電流的磁場疊加的磁場。通過在這個電感器內施加補 償電流來對合成磁場進行補償。在此情況下，電流傳感器總是在輸出信號零 點範圍內進行工作。此時，施加的補償電流等於待測量電流，或者施加的補 償電流與待測量電流之間存在己知的比例關係。本發明的有利建構方案為從屬權利要求的標的。
如果將用作電流傳感器的GMR傳感器實施為梯度傳感器，這個梯度傳 感器就會輸出一個與磁場差成比例的信號。藉此消除或減小可能存在的幹擾 場所產生的影響。
如果將GMR傳感器分配給電路中的導體輪廓，且所述導體輪廓包括至 少兩個分段(即第一和第二分段)，其中，從第一分段中流過的電流的方向 與第二分段中的電流的方向相反，特定而言在此情況下就會產生上述磁場 差。簡單而言，也可將這種導體輪廓設想為基本呈U形的輪廓，其中，上述 兩個分段構成這種U形導體曲線的側面邊腳。下文相應將這種導體輪廓簡單 稱為"U形彎曲件"。
GMR傳感器所包括的導體段優選也按U形彎曲件進行設計，也就是說， 所述導體段包括至少兩個分段(即第一和第二分段)，其中，從導體段中流 過的補償電流在第一分段中的方向與其在第二分段中的方向相反。
通過將上述U形彎曲件(即電流迴路)直接集成到帶有GMR傳感器的 組件中，可以特別有利的方式實現補償原理。由於集成式電流迴路可在空間 上靠近GMR傳感器布置，因此，極小的補償電流也能補償較大的測量電流。 最重要的是無需設置具有多個線匝的線圈形式的電感器。只需設置一個導體 迴路(即U形彎曲件)就足以達到相應目的。藉此可在平面單片集成結構內 極好地實現總布局。
其優點產生自下述事實，即GMR傳感器所記錄的場以1&3的比例發生 衰減。如果將GMR傳感器實施為梯度傳感器，由所述梯度傳感器記錄的場 就相應以1/^的比例發生衰減。也就是說，在將GMR傳感器和導體段結合 在一個組件內的情況下，可在GMR傳感器與導體段之間實現相對較小的距 離。此外，在將傳感器和導體段結合在一個組件內的情況下，傳感器與導體 段之間會產生一個明確距離。除了到電路的距離(即用於對相關電變量進行 測量的距離)夕卜，這個距離也須為己知距離，對所產生的相應測量值進行分
6析時，必須以這個距離為基礎。在GMR傳感器與補償電路的導體段之間間 隔距離較小的情況下，GMR傳感器與測量電路之間的距離可以比組件內部 距離高4次冪。此時，測量電流和補償電流會在GMR傳感器所處的位置上 引起相同的磁場。反之，如果GMR傳感器與測量電路之間不選擇這麼大的 距離，補償電流就可對應於各距離之間的相對關係而變小，在此情況下，只 需相對較小的補償電流即可對測量電路的磁場迸行補償。
此外，MR傳感器還優選包括多個MR元件，即視MR傳感器具體實施 為GMR傳感器、AMR傳感器或TMR傳感器的情況而定，分別包括GMR 元件、AMR元件或TMR元件(以下通稱為GMR元件)，其中，每個GMR 元件均可進行單獨接觸。
在GMR元件可以進行單獨接觸的情況下，可以通過循環更換傳感器對 (即每次更換兩個GMR元件)來對一個偏置電壓進行極性反射。通過在時間 上將第一配置中的GMR傳感器的輸出信號與第二配置中的GMR傳感器的 輸出信號相加，可對這種測量誤差進行補償，其中，在第二配置中GMR傳 感器具有循環更換傳感器對和相應反向偏置電壓。這種類型的偏置補償要求 GMR元件具有接觸暢通的陣列配線，即可以進行單獨接觸，這對於以多個 電路為基礎的傳統實現方式而言較為複雜，而且由於布線原因對無線電幹擾 也極為靈敏。在採用縱向集成的情況下，可將GMR傳感器直接安裝在電路 的矽區域上。電連接可實現為極短的互連(層疊布置)。
為了將補償電流輸入補償電路，優選設置了一個放大器，所述放大器的 輸出信號以GMR傳感器所提供的信號為基礎。也就是說，GMR傳感器在 工作過程中既檢測原有電路(即測量電路)的磁場，又檢測補償電路的磁場。 只要磁場未消失，即尚未為補償電流所補償，就須從補償電流的大小上對補 償電流進行匹配。這一點通過放大器而實現。也就是說，放大器的控制本質 上是基於一種閉環調節，這種調節的目的是通過改變補償電流的大小來將 GMR傳感器所檢測到的磁場調節至零。隨本申請一起遞交的權利要求書明確表達了所提出的本發明，而不是有 損進一步得到專利保護。本申請人保留為至今僅公開在說明書和/或附圖內的 其他特徵組合申請專利的權利。
任何實施例都不構成對本發明的限制。在本申請範圍內可進行多種修改 和改進，尤其是本領域技術人員針對解決方案通過對說明書概述部分和詳述 部分所說明的以及包含在權利要求和/或附圖內的特徵(或者說要素)或處理 步驟進行組合或更改而可獲得的變體和組合，通過這些變體和組合以及藉助 於可組合特徵，可以獲得新的標的或新的處理步驟(或者說處理工序)，這 也包括製備方法、檢驗方法和工作方法在內。
從屬權利要求中所使用的回溯引用詣在通過相應從屬權利要求的特徵 對主權利要求的主題進行進一步限定；其並非是對被回溯引用的從屬權利要 求的特徵組合放棄獲得獨立保護。此外，在權利要求的解釋方面，在後續權 利要求中對某個特徵進行進一步限定時，之前的各項權利要求中並不存在這 種限制。
由於各項從屬權利要求的主題在優先權日相對於現有技術而言可以構 成單個、獨立的發明，因此，本申請人保留將其變為獨立權利要求的主題的 權利或者聲明分割的主題的權利。此外，各項從屬權利要求的主題也可包含 獨立發明，這些發明具有獨立於前述從屬權利要求的主題的設計。
下面藉助附圖對本發明的實施例進行詳細說明，相同標的或要素在各附 圖中用相同參考符號表示，其中 圖1為電流檢測裝置；
圖2為作為專用GMR傳感器示例的梯度傳感器；以及 圖3為帶有梯度傳感器的組件。
8
具體實施例方式
圖1以簡化示意圖的形式對組件12進行了圖示，組件12具有起電流傳
感器作用的GMR傳感器，用作對至少一個電變量進行檢測的裝置，所述電 變量特定而言為電路IO(測量電路)中的電流，其中，所述GMR傳感器(或 者說組件12)包括補償電路16的導體段14。設置有用於將補償電流輸入補 償電路16的放大器18，所述放大器在至少一個輸入端20上接收組件12或 其所包括的GMR傳感器的信號。放大器18的輸入端20上的信號與從測量 電路10中流過的電流所產生的磁場的總磁場強度相符，以及與流過補償電 路16的補償電流所產生的場強相符。當測量電路10的磁場被補償電流的伴 生磁場消除(即補償)時，輸入端20上的信號就會消失。在此情況下，補 償電流(即補償電流的強度)就是用來度量測量電路10中電流強度的尺度。
如附圖所示，補償電路16的導體段14包括至少兩個分段22、 24 (即第 一和第二分段22、 24)，其中，從導體段14中流過的補償電流在第一分段 22中的方向與其在第二分段24中的方向相反。導體段14整體上為一個"U 形"導體段14，下文相應將其稱為"U形彎曲件"。
組件12和/或組件12所包括的GMR傳感器被分配給測量電路10中與 導體段14相對應的導體輪廓26。導體輪廓26與補償電路16中的導體段14 相似，也包括至少兩個分段28、 30 (即第一和第二分段28、 30)，其中，從 第一分段28中流過的電流(即測量電流)的方向與第二分段30中的測量電 流的方向相反。
總體而言，補償電路16的導體段14和測量電路10的導體輪廓26共同 構成一個電感器，其中，在兩個分段22、 24之間以及在兩個分段28、 30之 間的無導體區域內產生一個梯度場，這個梯度場由優選實施為梯度傳感器的 組件12和/或其所包括的GMR傳感器檢測。
圖2顯示的是用作GMR傳感器的梯度傳感器32的簡化示意圖，所述梯 度傳感器例如是組件12 (圖1)的組成部分。如附圖所示，梯度傳感器32
9具有四個GMR元件34、 36、 38、 40，其中，GMR元件34-40被兩兩成對 地分配給補償電路16 (圖1)的導體段14。補償電路16的U形導體段14 的分段22、 24之間形成一個附圖中用"Hx"表示的梯度場，這個梯度場由 梯度傳感器32檢測。
圖3顯示的是組件12 (參見圖1)的簡化剖面圖，其中，U形導體段14 (參見圖1和圖2)構成組件12的一層，這一層在所示截面圖中僅顯示為最 上方分層42。最上方分層42和布置在組件12內部的GMR元件34、 36之 間存在一個作為其他層44的鈍化層。這個其他層44的下面存在一個僅顯示 為第三層46的ASIC，其用於處理GMR元件34-40所提供的數據。組件12 整體上(未作圖示)可被分配給測量電路IO (圖1)的相應的導體輪廓(圖 1)。根據導體段14 (即第一層42)與GMR元件34-40之間的明確距離以及 GMR元件34-40與測量電路的導體輪廓26之間的明確距離(即第三層46 的厚度)，可以得到一個用於為補償電流加權的比例係數。因為如上文所述， 通電導體(即測量電路IO或補償電路16的通電導體)的磁場會隨著與該導 體距離的增大而大幅衰減。補償電路16 (即導體段14)與GMR元件34-40 之間的距離遠小於這些GMR元件34-40與測量電路10的導體輪廓26之間 的距離。也就是說，補償電路16中只需存在相對較小的補償電流，就足以 對測量電路10的磁場進行補償。因此，梯度傳感器32 (圖1)的信號消失 時所存在的補償電流並非直接等於測量電路10中的電流，而是彼此間存在 一個與上述距離有關的比例關係。
綜上所述，本發明可概括為本發明提供一種電流檢測裝置和一種用於 操作所述電流檢測裝置的方法，所述方法的基礎在於，設置有用作電流傳感 器的GMR傳感器，所述GMR傳感器實施為梯度傳感器32，所述梯度傳感 器32或包括所述梯度傳感器32的組件12自身包括補償電路16的導體段14， 在此情況下，測量電路中的電流可由所述補償電路16中的電流補償，且可 以對所述補償電流進行分析，以其為尺度來度量與所述測量電路10相關的formula see original document page 11
權利要求
1.一種用於檢測一個電路(10)中至少一個電變量的裝置，所述裝置具有一個用作電流傳感器的GMR傳感器，其特徵在於，所述GMR傳感器包括一個補償電路(16)的一個導體段(14)。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中，所述GMR傳感器實施為一個梯 度傳感器(32)。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其中，所述GMR傳感器被分配給所述 電路(10)中的一個導體輪廓(26)，所述導體輪廓包括至少兩個分段(28， 30)，即第一分段和第二分段(28， 30)，其中，從所述第一分段(28)中流 過的電流的方向與所述第二分段(30)中的電流的方向相反。
4. 根據權利要求l、 2或3所述的裝置，其中，所述導體段(14)包括 至少兩個分段(22， 24)，即第一分段和第二分段(22， 24)，其中，從所述 導體段(14)中流過的補償電流在所述第一分段(22)中的方向與其在所述 第二分段(24)中的方向相反。
5. 根據上述權利要求中任一項權利要求所述的裝置，其中，所述GMR 傳感器與所述導體段(14)組合成一個組件(12)。
6. 根據上述權利要求中任一項權利要求所述的裝置，其中，所述GMR 傳感器包括複數個GMR元件(34-40)其中，每個GMR元件(34-40)均可 進行單獨接觸。
7. 根據上述權利要求中任一項權利要求所述的裝置，具有一個用於將 所述補償電流輸入所述補償電路(16)的放大器(18)，所述放大器的輸出 信號以所述GMR傳感器所提供的一個信號為基礎。
8. —種通過根據權利要求7所述的裝置來檢測一個電路(10)中至少 -個電變量的方法，其中，對所述GMR傳感器所提供的信號進行分析，以便藉助所述放大器將所述補償電流輸入所述補償電路(16)，其中， 一旦所述GMR傳感器的信號至少基本消失，就對所述補償電流進行分析，以其為尺度來度量所述待檢測電變量。
全文摘要
本發明提供一種電流檢測裝置和一種用於操作所述電流檢測裝置的方法，所述方法的基礎在於，設置有用作電流傳感器的GMR傳感器，所述GMR傳感器實施為梯度傳感器(32)，所述梯度傳感器(32)或包括所述梯度傳感器(32)的組件(12)自身包括補償電路(16)的導體段(14)，在此情況下，測量電路中的電流可由所述補償電路(16)中的電流補償，且可以對所述補償電流進行分析，以其為尺度來度量與所述測量電路(10)相關的待檢測電變量。
文檔編號G01R15/14GK101495874SQ200780028186
公開日2009年7月29日 申請日期2007年7月24日 優先權日2006年7月26日
發明者戈塔爾迪·裡格爾, 理察·施密特, 羅蘭·魏斯 申請人:西門子公司