DE3828005A1

DE3828005A1 - Verkapseltes magnetoresistives bauelement zur potentialfreien strommessung

Info

Publication number: DE3828005A1
Application number: DE3828005A
Authority: DE
Inventors: Gunter Moehler; Fritz Dipl Phys Dr Sc Dettmann; Stephan Dipl Phys Dr Rer Linke; Uwe Dipl Phys Loreit; Peter Dipl Phys Dr Rer Pertsch; Manfred Kohlmeyer; Joachim Mitzner
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Zetex Neuhaus 98724 Neuhaus De GmbH
Priority date: 1987-08-27
Filing date: 1988-08-18
Publication date: 1989-03-09
Also published as: DD264091A1

Description

Das magnetoresistive Bauelement wird zur potentialfreien Messung von Gleich- und Wechselstrom in einem weiten Frequenzbereich eingesetzt. Weiterhin kann es zur Leistungsmessung angewendet werden.

Anordnungen zum Einsatz magnetoresistiver Sensoren zur poten tialfreien Strommessung sind bekannt. In der Anordnung muß dafür gesorgt werden, daß das Magnetfeld des zu messenden Stromes in definierter Weise auf den Sensor einwirkt und so eine sichere Stromanzeige gewährleistet wird. Nach der Patentschrift DD WP 1 55 220 wird das dadurch erreicht, daß über den magneto resistiven Widerstandsschichtstreifen des Sensors, von diesen durch eine Dünnschichtisolation getrennt, ein Dünnschichtsteuer leiter angeordnet ist, der den zu messenden Strom führt. Diese Anordnung ist nur mit einem hohen Aufwand auf dünnschichttechno logischem Gebiet herstellbar und weist als Nachteile einen zu hohen Eingangswiderstand und eine zu geringe Isolationsfestig keit zwischen Steuerleiter und magnetoresistivem Sensor auf. In einer anderen Anordnung zur potentialfreien Strommessung (VALVO Technische Information 8 40 323) ist um den Stromleiter herum ein weichmagnetischer Ringkern angebracht. In einem Luft spalt, der den Ringkern unterbricht, befindet sich der magneto resistive Sensor. Damit ist das Magnetfeld am Ort des Sensors näherungsweise unabhängig von der genauen Position des Strom leiters im Ringkern. Diese Anordnung erfordert außer dem mit der Ringherstellung verbundenen Aufwand auch eine Sensorbauform, die die Anwendung genügend schmaler Luftspalte zuläßt und die wegen der notwendigerweise in der Chipfläche des magnetoresistiven Sensors liegenden Magnetfeldrichtung schwierig herstellbar ist. Weiterhin wird, bedingt durch die Eigenschaften des Ringkernes, die obere Frequenzgrenze der Strommessung herabgesetzt. Durch die kaum vermeidbare Hysterese des Ringkernes traten anderer seits besonders im niederfrequenten Bereich störende hystereti sche Abschnitte in der Sensorkennlinie auf, die die eindeutige Zuordnung des Stromes zum Sensorausgangssignal unmöglich machen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magnetoresistives Bauelement zur potentialfreien Strommessung anzugeben, das über einen genügend geringen Eingangswiderstand verfügt, das eine ausreichende Isolationsfestigkeit zwischen Eingang und Ausgang aufweist, dessen Einsatzfrequenz nicht durch nicht notwendig mit dem Meßprinzip zusammenhängende Effekte eingeschränkt ist und das keine zusätzlichen aufwendigen Herstellungsschritte der Dünnschichttechnologie benötigt. Die Aufgabe wird dadurch ge löst, daß bei einem verkapselten magnetoresistiven Bauelement mit einem Chipträger, der ganz oder teilweise aus leitfähigem Material besteht erfindungsgemäß der leitfähige Teil des Chip trägers von einem darüber befindlichen magnetoresistiven Sensor isoliert, mit mindestens zwei Pins des Bauelementes verbunden und vom zu messenden Strom durchflossen ist. Bei dieser Anord nung wird der magnetoresistive Sensor durch das Magnetfeld des Stromes im leitfähigen Teil des Chipträgers ausgesteuert. Chip träger und Pins des Bauelementes bilden entweder ein zusammen hängendes Teil des gleichen Materials oder sie sind durch Bond drähte miteinander verbunden. Damit ist ein genügend geringer Eingangswiderstand gewährleistet. Wegen der niedrigen Eingangs induktivität gibt es keine Einschränkung der Einsatzfrequenz durch die Einkopplung. Die Isolationsfestigkeit wird beispiels weise durch eine thermisch erzeugte SiO₂-Schicht auf dem Sub trat, auf dem sich der Sensor befindet, oder zusätzlich durch eine isolierende Folie zwischen Chip und Chipträger erreicht. In einer besonderen Ausführungsform des Bauelementes ist eine symmetrische und im Bereich des Sensors homogene Magnetfeldver teilung, die für die maximale Sensorempfindlichkeit notwendig ist, dadurch realisiert, daß jedes Ende des Chipträgers mit zwei gegenüberliegenden Pins verbunden ist und der Strom jeweils über beide Pins eingesetzt wird. Dabei ist die Breite des Chipträ gers im Bereich des Sensors vorzugsweise gleich der Sensorbrei te.

Die Erfindung soll nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 die Aufsicht auf ein noch unverkapseltes Bauelement.

Die Zeichnung ist nicht maßstäblich. Insbesondere sind der Siliziumchip mit dem Sensor 3 und die auf ihm befindlichen magnetoresistiven Dünnschichtwiderstände 4 der deutlichen Darstellung halber ver größert gezeichnet. Wirkliche Sensorchips haben Abmessungen von etwa 1 × 1 mm², während das komplette Bauelement etwa eine Länge von 10 mm hat. In Fig. 1 bestehen der Chipträger 1 und die Pins für die Stromeinspeisung 2 sowie die Pins für den Sen soranschluß 7 aus gleichem leitfähigen Material. Die Pins für Stromeinspeisung 2 sind über Bonddrähte 5 mit dem Chipträger 1 niederohmig verbunden. Auf dem Chipträger 1 ist über einer iso lierten Folie 6 der Siliziumchip mit dem Sensor 3 angeordnet. Der Sensor ist eine Brückenschaltung aus vier magnetoresistiven Dünnschichtwiderständen 4, deren Längsrichtung mit der Längs richtung der gezeichneten Widerstände übereinstimmt. Die Dünn schichtwiderstände 4 sind vom Siliziumchip 3 zusätzlich durch eine in der Zeichnung nicht enthaltene SiO₂-Schicht isoliert. Damit ist durch diese Doppelisolation eine genügende Spannungs festigkeit gegenüber dem stromleitenden Chipträger 1 gewährlei stet. Die Sensorbrücke ist über Bonddrähte 5 mit den Pins für den Sensoranschluß 7 kontaktiert. Bei Einspeisung des Meßstromes wird über dem Chipträger 1 am Ort des Chips mit dem Sensor 3 ein Magnetfeld in Richtung quer zur Längsausdehnung der magnetore sistiven Dünnschichtwiderstände 4 erzeugt, was zu einem entspre chenden Signal am Ausgang des magnetoresistiven Sensors führt.

In einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen der Chipträger 1 und die Pins für die Stromeinspeisung 2 zusammen hängend aus gleichem leitfähigem Material. Zur symmetrischen Verteilung des Magnetfeldes am Ort des Chips mit dem Sensor 3 ist der Chipträger 1 an beiden Enden mit je zwei gegenüberlie genden Pins für die Stromeinspeisung 2 verbunden. Damit auf den magnetoresistiven Sensor das maximal mögliche Feld bei einem ge gebenen Eingangsstrom wirkt und so die maximale Sensorempfind lichkeit realisiert wird, stimmen im Bereich des Chips mit dem Sensor 3 die Breite des Chips und des Chipträgers überein.

Liste der verwendeten Bezugszeichen

1 Chipträger
2 Pin für Stromeinspeisung
3 Siliziumchip mit Sensor
4 Dünnschichtwiderstand
5 Bonddraht
6 isolierende Folie
7 Pin für Sensoranschluß

Claims

1. Verkapseltes magnetoresistives Bauelement zur potentialfreien Strommessung mit einem Chipträger (1), der ganz oder teilwei se aus leitfähigem Material besteht, gekennzeichnet dadurch, daß der leitfähige Teil des Chipträgers (1) von einem darüber befindlichen magnetoresistiven Sensor (3) isoliert, mit min destens zwei Pins (2) des Bauelementes verbunden und vom zu messenden Strom durchflossen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation eine SiO₂-Schicht auf dem Chip mit dem Sensor (3) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen dem Chip mit dem magnetoresistiven Sensor (3) und dem Chipträger (1) eine isolierende Folie (6) befindet.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Chip mit dem magnetoresistiven Sensor (3) durch einen isolie renden Kleber mit dem Chipträger (1) verbunden ist.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer symmetrischen Magnetfeldverteilung im Bauele ment der Chipträger (1) an jedem Ende mit zwei gegenüberlie genden Pins (2) verbunden ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen Chipträger (1) und Pins (2) durch Bonddrähte (5) hergestellt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Chipträgers (1) direkt unter dem Chip mit dem magnetoresistiven Sensor (3) mit dessen Breite übereinstimmt.